曲炳鵬, 王詠嘉, 李素艷, 孫向陽, 張 驊, 贠炳輝

〔1.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 北京 100083; 2.中國石油大學(xué)(北京) 附屬中學(xué), 北京 110000〕

枯落物層是由林木及林下植被凋落的莖、葉、枝條、芽、花、果實、樹皮和枯死的植物殘體所形成的一層地面覆蓋層，是森林生態(tài)系統(tǒng)3個垂直結(jié)構(gòu)上的主要功能層之一[1]，是森林生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測和評價所研究的重要內(nèi)容。枯落物層的存在，不僅能促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分平衡，而且在截持降水、防止土壤濺蝕、阻延地表徑流、抑制土壤水分蒸發(fā)、增強(qiáng)土壤抗沖性等方面都具有非常重要的意義[2-3]。不同森林類型的枯落物持水能力與其林分結(jié)構(gòu)、發(fā)育階段、樹種生物學(xué)特性和立地條件等因素密切相關(guān)[4-5]。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者在不同區(qū)域內(nèi)對不同林分的枯落物層做了大量的研究，在枯落物層的凋落量、掉落動態(tài)、分解速率、截持降水、改良土壤結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)養(yǎng)分循環(huán)、影響地表徑流、土壤水分蒸散和土壤侵蝕機(jī)理等方面都取得了一定的成果[5-15]，但對生態(tài)景觀林的枯落物層的持水特性研究甚少。本研究首次對大興生態(tài)景觀林主要造林樹種林下枯落物層的持水能力進(jìn)行了定量分析研究，旨在對其森林健康的檢測與評價、區(qū)域內(nèi)森林健康經(jīng)營技術(shù)方案的制定和水土保持措施的選擇提供一定的理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市大興區(qū)榆垡鎮(zhèn)南部，地理坐標(biāo)(116°16′E，39°26′N)，該地屬永定河沖積平原，地勢自西向東南輕緩，大部分地區(qū)海拔在14～52 m之間，為暖溫帶亞濕潤氣候區(qū)，年均溫度11.6 ℃，年均降水556 mm(1990—2009年)，其中7—9月降雨量占到全年降雨總量的60%～70%(1956—2000年大興氣象站觀測數(shù)據(jù))[16]，土壤主要類型為砂質(zhì)風(fēng)沙土，主要喬木樹種有刺槐(Robiniapseucdoacacia)、千頭椿(Ailanthusaltissima)、紫葉李(Prunuscerasiferacv)、國槐(Sophorajaponica)、銀杏(Ginkgobiloba)、元寶楓(Acertruncatum)、金葉榆(Ulmuspumila)、油松(Pinustabulaeformis)、旱柳(Salixmatsudana)、毛白楊(Populustomentosa)等。

1.2 研究方法

1.2.1 枯落物的采集與蓄積量的測定 2016年8月，在對北京大興景觀生態(tài)林的地形、植被、土壤等特性進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上，在研究區(qū)內(nèi)選取具有代表性的10種喬木林樣地，分別為金葉榆、油松、紫葉李、國槐、刺槐、旱柳、千頭椿、銀杏、元寶楓、毛白楊林樣地，在不同的林分內(nèi)設(shè)置20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，進(jìn)行每木檢尺，同時采用樣點統(tǒng)計法調(diào)查不同林分的郁閉度，即在每塊樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置50個樣點，判斷樣點是否被樹冠遮蓋，統(tǒng)計被遮蓋的樣點數(shù)，并計算其郁閉度[17]。所有調(diào)查結(jié)果詳見表1。之后在標(biāo)準(zhǔn)樣地的對角線上，選定5個50 cm×50 cm的樣方，先測定樣方內(nèi)枯落物層的總厚度、未分解層的厚度及半分解層的厚度，再采用四分法進(jìn)行分層取樣并稱其鮮重，后置于烘箱中85 ℃烘干至恒重，稱重并計算枯落物的自然含水率，以其干物質(zhì)重估算其蓄積量。

表1 研究區(qū)不同林分標(biāo)準(zhǔn)地概況

1.2.2 枯落物持水量及其吸水速度的測定 采用室內(nèi)浸泡法對枯落物持水量及其吸水速度進(jìn)行測定。將烘干的枯落物取出部分稱重，之后裝入紗布袋浸入水中，分別在浸泡0.25，0.5，1，2，4，6，8，10，12，24 h后，將紗布袋取出并靜置至枯落物不再滴水為止，迅速稱重并記錄，由此測定枯落物的浸泡不同時長的持水量，并計算其吸水速率、最大持水量、最大持水率、最大攔蓄率和有效攔蓄量。

各參數(shù)的計算公式[1,18-19]為：

枯落物持水量=枯落物鮮重—枯落物干重

(1)

枯落物持水率=

枯落物持水量/枯落物干重×100%

(2)

枯落物吸水速率=枯落物持水量/吸水時間

(3)

R0=(G0-Gd)/G0×100%

(4)

式中：R0——自然含水率(%)；G0——自然狀態(tài)下的枯落物質(zhì)量(g)；Gd——烘干的枯落物質(zhì)量(g)。下同。

Rhmax=(G24-Gd)/Gd×100%

(5)

式中：Rhmax——最大持水率(%)；G24——浸水24 h后枯落物質(zhì)量(g)。下同。

Rsmax=Rhmax-R0

(6)

式中：Rsmax——最大攔蓄率(%)。

Rsv=0.85Rhmax-R0

(7)

式中：Rsv——有效攔蓄率(%)。下同。

Whmax=G24-Gd

(8)

式中：Whmax——枯落物最大持水量(t/hm2)。

Wsmax=Rsmax·Gd

(9)

式中：Wsmax——枯落物最大攔蓄量(t/hm2)。

Wsv=Rsv·Gd

(10)

式中：Wsv——枯落物有效攔蓄量(t/hm2)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2007軟件和SPSS 16.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析和回歸方程的顯著性檢驗，使用Sigma Plot 12.5進(jìn)行軟件制圖。

2 結(jié)果及分析

2.1 枯落物蓄積量

由表2可知，10種林分枯落物的未分解層厚度為1.1～3.2 cm，半分解層厚度為0.8～1.8 cm，其中毛白楊林的總厚度最大，為4.8 cm，油松林最小，為1.9 cm，10種林分枯落物總厚度由大到小依次：毛白楊>千頭椿>金葉榆>刺槐>銀杏>國槐>紫葉李>元寶楓>旱柳>油松，不同林分的枯落物總蓄積量相差較大，為2.37～5.33 t/hm2，從大到小依次為：毛白楊>油松>千頭椿>刺槐>國槐>銀杏>金葉榆>元寶楓>旱柳>紫葉李。此外，通過分析10種林分枯落物未分解層、半分解層蓄積量所占比例可以看出，金葉榆林、紫葉李林、刺槐林和旱柳林是未分解層蓄積量大于半分解層蓄積量，其他林分則是半分解層蓄積量大于未分解層蓄積量，其中毛白楊林未分解層占其總蓄積量的百分比最大，為67.52%，金葉榆林所占比例最小，為36.88%。這一方面是因為針闊葉樹枯落物分解速度不同，另一方面則是由于受到林分組成、林齡不同等多種因子的影響，在一定程度上影響到了枯落物的輸入和分解。

表2 研究區(qū)不同林分枯落物層特征

2.2 枯落物水文效應(yīng)

2.2.1 枯落物最大持水能力 由表3可知，10種林分枯落物的最大持水量范圍在5.56～24.92 t/hm2，毛白楊林枯落物最大持水量最大，為24.92 t/hm2，紫葉李林最小，為5.56 t/hm2，大小次序依次為: 毛白楊>千頭椿>刺槐>金葉榆>國槐>銀杏>元寶楓>旱柳>油松>紫葉李，其中未分解層的最大持水量為2.73～15.91 t/hm2，半分解層為2.83～9.01 t/hm2，均為毛白楊林最大，紫葉李林最小，且不同林分之間相差較大?？萋湮镒畲蟪炙首兓秶鸀?08.64%～481.62%，大小次序依次為:毛白楊>千頭椿>金葉榆>刺槐>國槐>旱柳>元寶楓>銀杏>紫葉李>油松。其中針葉樹種(油松)的枯落物持水能力要顯著低于其他闊葉樹種，而同一樹種不同枯落物層的最大持水量與最大持水率的規(guī)律也不同，這主要是枯落物的分解程度影響著枯落物層的持水能力，枯落物的分解程度越高，其半分解層枯落物的蓄積量就越大，枯落物的持水能力就越高；而另一原因則在于最大持水率與枯落物的自身結(jié)構(gòu)和生物量有著較大的關(guān)系。

表3 研究區(qū)不同林分枯落物的最大持水量及最大持水率

2.2.2 枯落物持水過程 由圖1可知，在最初浸泡的0～0.5 h內(nèi)，枯落物持水量隨著浸泡時間的增加迅速增加，之后隨著浸泡時間的延長大致呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，且增加速度逐漸減小。這一過程與枯落物攔蓄地表徑流規(guī)律相似，即在降雨初始階段，枯落物吸水能力較強(qiáng)，而后隨著降雨時間的增加，枯落物持水接近飽和，持水能力降低。此外，未分解層和半分解層枯落物持水量在浸泡8 h時已基本達(dá)到飽和。

對浸水0.25～24 h的10種不同林分枯落物各層持水量與浸泡時間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，結(jié)果詳見表4，得出持水量與浸泡時間之間存在以下關(guān)系式：

Q=aln(t)+b

(11)

式中：Q——枯落物持水量(g/kg)；t——浸泡時間(h)；a——方程系數(shù)；b——方程常數(shù)項。

圖1 研究區(qū)不同林分枯落物持水過程

通過對枯落物的未分解層和半分解層進(jìn)行擬合，大多數(shù)相關(guān)系數(shù)R2均大于0.91，只有金葉榆的半分解層、紫葉李的未分解層和半分解層的關(guān)系式相關(guān)系數(shù)在0.80～0.90之間，擬合效果較好，這說明10種林分枯落物的持水量與浸泡時間呈較為顯著的對數(shù)函數(shù)關(guān)系(表4)。

表4 不同林分未分解層和半分解層枯落物層持水量與浸泡時間關(guān)系

2.2.3 枯落物吸水速率 由圖2可知，10種林分不同層次的枯落物的吸水速率與浸泡時間呈現(xiàn)規(guī)律如下：枯落物的未分解層和半分解層在開始浸泡時，吸水速率都非常高，在0.5 h之前吸水速率最大，這可能是枯落物從風(fēng)干狀態(tài)浸入水中后枯落物的死細(xì)胞間或者表面水勢差較大導(dǎo)致吸水速率較高所致，與徐娟等的研究結(jié)果分析相似[20]。之后枯落物的吸水速率下降明顯且速度快，6 h左右時下降速度呈明顯的減緩趨勢。雖然10種林分枯落物在浸泡初期其吸水速率相差較大，但隨著浸泡時間的增加，枯落物吸水速率趨于一致，24 h吸水基本停止，表明枯落物吸水已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)。這是因為枯落物的持水量隨著浸泡時間的持續(xù)延長逐漸接近其最大持水量直至飽和，因此，其吸水速率也會隨之減小。

圖2 不同林分枯落物吸水速率與浸泡時間的關(guān)系

對10種林分不同層次枯落物吸水速率與浸泡時間進(jìn)行擬合(結(jié)果詳見表5)，得到關(guān)系式為：

V=ktn

(12)

式中：V——枯落物吸水速率(g/kg)；t——浸泡時間(h)；k——方程系數(shù)；n——指數(shù)。

通過對不同林分枯落物的未分解層和半分解層的吸水速率和浸泡時間進(jìn)行擬合分析，其相關(guān)系數(shù)R2均為0.99，擬合效果較好，這說明研究區(qū)域10種林分枯落物的吸水速率與浸泡時間呈較為顯著的冪函數(shù)關(guān)系。

表5 不同林分枯落物層吸水速率與浸泡時間擬合方程

2.2.4 枯落物有效攔蓄能力 由表6可知，10種林分枯落物的最大攔蓄量在5.37～24.24 t/hm2之間，其中毛白楊林枯落物最大攔蓄量最大，紫葉李林最小，各林分枯落物未分解層最大攔蓄量在2.63～15.48 t/hm2之間，半分解層在2.74～8.76 t/hm2之間。從有效攔蓄率看，千頭椿林和元寶楓林未分解層大于半分解層，而其他8種林分則是半分解層大于未分解層，各林分平均有效攔蓄率在161.00%～396.23%之間。毛白楊林枯落物的總有效攔蓄量和總有效攔蓄深均為最強(qiáng)，分別為20.51 t/hm2，2.05 mm，而紫葉李林枯落物均為最弱，分別為4.54 t/hm2，0.45 mm，其他林分總有效攔蓄量和總有效攔蓄深由大到小均依次為:千頭椿>刺槐>金葉榆>國槐>銀杏>元寶楓>旱柳>油松。

表6 研究區(qū)不同林分枯落物有效攔蓄能力

3 結(jié) 論

(1) 北京大興生態(tài)景觀林10種林分枯落物的研究結(jié)果表明：毛白楊林枯落物總厚度最大，為4.8 cm，油松最小，為1.9 cm。10種林分枯落物總蓄積量在2.37～5.33 t/hm2之間，由大到小依次為：毛白楊>油松>千頭椿>刺槐>國槐>銀杏>金葉榆>元寶楓>旱柳>紫葉李。毛白楊林未分解層枯落物的蓄積量占總蓄積量比例最大，為67.52%，金葉榆林最小，為36.88%。

(2) 10種不同林分枯落物最大持水量5.56～24.92 t/hm2，最大持水率208.64%～481.62%，最大攔蓄量2.63～15.48 t/hm2，有效攔蓄率則是千頭椿林和元寶楓林未分解層大于半分解層，其他8種林分半分解層大于未分解層，各林分平均有效攔蓄率為161.00%～396.23%。毛白楊林枯落物的總有效攔蓄量和總有效攔蓄深均為最強(qiáng)，紫葉李林均為最弱。

(3) 對于枯落物的持水過程，枯落物不同層次持水量與浸泡時間存在顯著的對數(shù)函數(shù)關(guān)系?？萋湮锍炙吭谧畛踅莸?～0.5 h內(nèi)，隨著浸泡時間的增加，枯落物持水量迅速增加，浸泡8 h時基本飽和；枯落物吸水速率與浸泡時間呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系。在最初浸泡的0.5 h內(nèi)枯落物的吸水速率最大，之后吸水速率急劇下降，6 h左右時下降明顯減緩，24 h時吸水基本停止。綜合分析結(jié)果表明，10種林分中毛白楊的各項持水能力均優(yōu)于其它樹種，能夠較好地涵養(yǎng)水源。

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