官司河流域7 种林分枯落物及土壤层水文效应1)

唐素贤 郑江坤 蒲晓君 史鹏举 孟 晨 宫渊波

(四川农业大学，雅安，625014) (遂宁水土保持试验站) (生态林业工程省级重点实验室(四川农业大学))

枯落物层和土壤层作为森林生态系统第二和第三活动层，具有吸收降水、减少径流、增加糙度、阻滞流速、增加入渗、抑制蒸发以及增强土壤抗蚀性等重要作用［1－3］。相比于裸地，Zhou 等［4］提出亚热带桉树等乡土树种的枯落物能够增加土壤湿度、降低地表温度、减少地表径流及土壤侵蚀量。Sato 等［5］提出枯落物蓄积量、叶片形状和降雨条件均对枯落物层的持水速率有较大影响。一些学者对北京山区［6］、黄土丘陵区［7］、贵州喀斯特山地［8］川西亚高山［9］森林群落的枯落物层和表层土壤的持水能力也进行了研究。但川中丘陵区的农林复合系统的相关研究较少，本研究以川中丘陵区官司河流域典型林分类型为研究对象，对枯落物层和表层土壤层的水文效应进行定量分析，旨在合理评价该区森林生态系统的涵养水源能力。

1 研究区概况

官司河流域属川中丘陵地带，位于绵阳市游仙区新桥镇，海拔范围为512 ～638 m，全流域面积约21 km2。属北亚热带季风型气候，年均温16.1 ℃，年均降水量920 mm。土壤类型以紫色土、老冲积黄壤和姜石黄壤为主，另有部分为灰白砂土。该流域森林覆盖率约23%，乔木以马尾松(Pinus massoniana)、柏木(Cupressus)和栎类组成的针阔和针叶混交林占优势，另有少量的桤柏混交林和经济林。灌木主要以耐旱的黄荆(Vitex negundo)、马桑(Coriaria sinica)、火棘(Pyracantha fortuneana)、铁仔(Myrsine africana)、小果蔷薇(Rosa cymosa)等为主。林下草本以栗褐苔草(Carex brunnea)、金发草(Pogonatherum paniceum)、黄茅(Heteropogon contortus)、白茅(Ⅰmperata cylindrica var.major)、荩草(Arthraxon hispidus)等为主［10］。

2 研究方法

2.1 样地设置及样品采集

基于陈俊华等［11］的调查结果，2012年4月在官司河流域选择7 种林分类型(表1)，选择20 m×20 m的样地，并在各样地内沿对角线设置3 个50 cm×50 cm 的小样方，分层收集未分解层A0和半分解层A1枯落物并称鲜质量。各样方附近环刀法取0 ～15 cm和15～30 cm 表层土壤，带回实验室进行测定并求均值。

表1 标准样地基本情况

2.2 枯落物持水特性测定

未分解层和半分解层枯落物在85 ℃下烘干72 h 后称其干质量，将烘干后枯落物样品分别称取100 g，放入纱布袋中，浸没于清水中，在浸泡5、15、30 min、1、1.5、2、3、4、5、6、8、10、12、24 h 后称质量，每次取出后静置5 min 左右，直至枯落物不滴水为止，迅速称量枯落物的湿质量并记录。每次称质量的枯落物湿质量与其干质量的差值，即为枯落物相应浸泡时间的持水量，各浸泡时间段持水量变化值与该浸泡时间间隔的比值为该时间段的吸水速率，自然含水率、最大持水率和最大持水量的公式如下［7］:

式中:G0、Gd、G24分别为枯落物样品自然状态的质量、烘干状态的质量和浸水24 h 后的质量;R0、Rhmax分别为枯落物自然含水率、最大持水率;M、Whmax分别为枯落物层蓄积量、最大持水量。

当降雨达到20 ～30 mm 后，实际持水率约为最大持水量的85%左右，用最大持水量来估计枯落物层对降雨的拦蓄能力偏高，一般用有效拦蓄量估算枯落物对降雨的实际拦蓄量［12］。

W=(0.85Rm－Ro)M。

式中:W 为有效拦蓄量;Rm为最大持水率;Ro为平均自然含水率;M 为枯落物累积量。

2.3 土壤持水特性测定

在标准地内挖掘土壤剖面，用环刀按照土层0～15 cm，15 ～30 cm 分层取样，每个组合重复3 次，用烘干法和浸水法测定土壤的自然含水量和持水性，用环刀法测定土壤密度、孔隙度等指标。采用下式计算土壤持水性能指标［13］，即:

式中:W1、W2为最大持水量、有效持水量(t·hm－2);γ 为水的密度(kg·m－3);P1、P2为土壤总孔隙度、土壤非毛管孔隙度;H 为土层厚度。

3 结果与分析

3.1 枯落物层蓄积量

由表2可知，7 种林分类型枯落物累积量中马尾松纯林的值最大，为13.2 t·hm－2，麻栎纯林的值最小，仅为4.5 t·hm－2，总体由大到小表现为针叶林、针阔混交林、阔叶林。除栎柏混交林和麻栎纯林外，各林分类型均表现为半分解层枯落物所占比例较大，其中松柏栎混交林半分解层枯落物储量占总储量的67.01%。

表2 官司河流域不同林分类型枯落物持水能力

3.2 枯落物层水文效应

3.2.1 枯落物层的持水能力

最大持水量是反映枯落物层持水能力的一个重要指标，是森林生态系统水分循环中最重要的［12］。比较可知，7 种林分类型中纯竹林枯落物层最大持水深最大，为2.87 mm;松栎混交林、马尾松纯林和松柏栎混交林次之，分别为2.58、2.30 和1.94 mm;栎柏混交林最小，仅为0.67 mm。有效拦蓄量除最大持水量外，和自然含水率和枯落物蓄积量关系密切。未分解层中，纯竹林的有效拦蓄量最大，为6.33 t·hm－2，相当于拦蓄0.63 mm 的降水，松栎混交林、麻栎纯林和马尾松纯林次之，分别为5.05、3.47、3.46 t·hm－2，柏木纯林最小，为1.68 t·hm－2，半分解层枯落物的有效拦蓄量由大到小排序为松柏栎混交林、马尾松纯林、松栎混交林、柏木纯林、纯竹林、麻栎纯林、栎柏混交林(表2)。总体来说，纯竹林和马尾松纯林的拦蓄能力最强。

3.2.2 枯落物层持水量随时间的变化规律

枯落物持水量与枯落物的干燥程度、枯落物蓄积量和枯落物组成等有关，革质、含油脂树种的枯落物吸持水量的速度比非革质、含油脂量少的树种枯落物慢［14］。通过浸水实验，分析不同林地枯落物未分解层和半分解层的持水过程可得麻栎和竹林的持水量最大，说明阔叶林的持水量大于针叶林。

由图1可知，在最初浸泡的1.5 h 内，枯落物持水量迅速增加，以后随着浸泡时间的延长呈现不断增加的趋势，但增加幅度较小，24 h 后吸水基本停止，表明枯落物已达到饱和状态。相对于未分解层，枯落物半分解层持水量随时间的变化波动较大，拟合曲线的相关系数R2值较小。对持水量与浸泡时间进行多函数拟合比较，得出最佳拟合模型如下:

Q=aln(t)+b。

式中:Q 为枯落物持水量;t 为浸泡时间;a 为方程系数;b 为方程常数项。

图1 官司河流域各林分枯落物未分解层和半分解层持水量与浸泡时间关系

3.2.3 枯落物层吸水速率随时间的变化规律

枯落物吸水速率与浸泡时间存在一定的相关关系，由图2可知，不同林分枯落物的未分解层和半分解层在刚开始浸水时，吸水速率最高，随时间延长逐渐降低，5 h 后趋于平缓，20 h 后吸水基本停止，表明枯落物已达到饱和状态。未分解层和半分解层枯落物的吸水速率最大的仍是麻栎和纯竹林。对枯落物层吸水速率与浸泡时间进行多函数拟合，得出最佳拟合函数为:

式中:V 为枯落物吸水速率k 为方程系数;t 为浸泡时间;n 为方程指数。与持水量拟合程度不同，半分解层较未分解层拟合效果好。

图2 官司河流域枯落物未分解层和半分解层吸水速率与浸泡时间关系

3.3 表层土壤水文效应

7 种林分类型的土壤密度的总体变化不大，栎柏混交林的值最大，其次是松栎混交林、马尾松纯林、麻栎纯林、柏木纯林，最小的是松柏栎混交林。除马尾松外，林下0～15 cm 土层的土壤密度小于15～30 cm 的土壤密度，其中柏木纯林0 ～15 cm 层的土壤密度最小，仅为1.191 g·cm－3，而其总孔隙度最大为54.317%，其中毛管孔隙度为47.367%。0 ～15 cm 土层中，松栎混交林的有效持水量最大，为131.25 t·hm－2;而麻栎纯林的15 ～30 cm 土层的有效持水量最大为135.75 t·hm－2。除松栎混交林和柏木纯林外，均表现为15 ～30 cm 土层的有效持水量大于0 ～15 cm，0 ～30 cm 土层的有效持水量中麻栎纯林最大为256.5 cm(表3)。

表3 官司河流域不同林分类型土壤表层物理性质和持水量能力

4 结论与讨论

官司河流域7 种林分枯落物的单位面积蓄积量在4.49～13.19 t·hm－2，其中马尾松纯林枯落物的最大，麻栎纯林最小。7 种林地枯落物最大持水率的变动范围为86.1%～433.5%，为其自然含水率的3.11～14.81 倍，枯落物层自然含水率、最大持水率和最大持水量均表现为纯竹林最大，且基本上未分解层均大于半分解层。枯落物层有效拦蓄深则表现为纯竹林最大为0.97 mm，其次为马尾松纯林、松栎混交林、松柏栎混交林、麻栎纯林、柏木纯林、栎柏混交林。不同树种的枯落物持水量、吸水速率与浸泡时间的动态变化规律存在相似性，即不同种类枯落物的持水量与浸泡时间t 符合方程Q=aln(t)+b，其吸水速率V 与浸泡时间t 符合方程V=ktn变化并基本上达到显著水平(P＜0.05)。本研究的模拟方程与张峰等［6］、韩友志等［15］模拟结果一致，但与赵艳云等［16］拟合的方程Y=a+kt－1有所差异，这可能与自然环境和林地类型差异较大有关。麻栎纯林和纯竹林未分解层和半分解层枯落物的持水量和吸水速率均较高，表明阔叶树种的枯落物持水能力优于针叶树种，这和丁绍兰等［7］在黄土丘陵区的研究结果一致。竹林和松栎混交林的表层土壤有效持水量最大，分别为256.5、244.5 t·hm－2。综上所述，纯竹林、马尾松麻栎混交林涵养水源作用较好，可在川中丘陵区得以推广。

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