冀北地区不同林分枯落物层的持水能力分析

李娟 万超 米泽明 谷建才 卢金平

摘要采用样地调查和室内浸泡法，对河北省木兰围场国有林场孟滦分场3种不同林分枯落物的持水能力进行了研究。结果表明：枯落物的蓄积量为针阔混交林>油松林>蒙古栎林；枯落物的吸水速率在未分解层和半分解层中均表现为针阔混交林>蒙古栎林>油松林。在未分解层中最大持水量为蒙古栎林（2931.7）>针阔混交林（2477.6）>油松林（1504.8）；而在半分解层中最大持水量为针阔混交林（2801.2）>蒙古栎林（2718.3）>油松林（1128.4）。枯落物的有效拦蓄量未分解层和半分解层均表现为油松林>蒙古栎林>针阔混交林。蒙古栎林的持水能力优于其他2种林分类型。

关键词枯落物层；蓄积量；吸水速率；最大持水量

中图分类号：S715.7文献标识码：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2023.03.005

AnalysisofWaterHoldingCapacityofLitterLayerinDifferentStandsinNorthernHebeiProvince

LiJuan1，WanChao2，MiZeming2，GuJiancai2，LuJinping1

（1.HebeiMulanPaddockState-ownedForestFarm，Chengde068450，China;2.CollegeofForestry，HebeiAgriculturalUniversity，Baoding071000，China）

AbstractWiththemethodofsampleplotinvestigationandindoorimmersion，thewaterholdingcapacityoflitterinthreedifferentstandsofMengluanBranchofHebeiMulanPaddockState-ownedForestFarminwasstudied.Theresultsshowedasfollows：theorderoflittervolumefromlargetosmallwasconiferousandbroad-leavedmixedforest，Pinustabuliformis，Castaneamollisssima;thewaterabsorptionrateoflitterintheundecomposedlayerandsemi-decomposedlayerwasconiferousandbroad-leavedmixedforest>Castaneamollisssima>Pinustabuliformis.ThemaximumwaterholdingcapacityintheundecomposedlayerwasCastaneamollisssima（2931.7）>coniferousandbroad-leavedmixedforest（2477.6）>Pinustabuliformis（1504.8），whileinthesemi-decompositionlayer，themaximumwaterholdingcapacityfromhightolowwasconiferousandbroad-leavedmixedforest（2801.2）>Castaneamollisssima（2718.3）>Pinustabuliformis（1128.4）.Theeffectiveretentionamountoflitterintheundecomposedlayerandthesemi-decomposedlayershowedPinustabulaeformis>Castaneamollisssima>mixedconiferousandbroad-leavedforest.ThewaterholdingcapacityofCastaneamollisssimawasbetterthanthatoftheothertwostandstypes.

Keywordslitterlayer;stockvolume;waterabsorptionrate;maximumwaterholdingcapacity

枯落物是生态系统的重要组成部分，它是森林生态系统在自然演替中产生的物质并归还到林地表面，主要包括林木及林下植被凋落的树皮、枯枝、繁殖器官、枯叶、野生动物的残骸及其代谢产物、枯死的草本和树根等[1，2]。枯落物层结构疏松，能够吸收地表水，削弱地表径流，在改善土壤结构和减少土壤侵蚀方面有着十分重要的作用[3-5]。以往国内外学者对枯落物持水能力的研究方面，针对范围往往较广，而本文通过对河北省木蘭围场国有林场孟滦分场的蒙古栎（Quercusmongolica）林、油松（Pinustabulaeformis）林和针阔混交林3种林分枯落物层持水能力的研究，能够为冀北地区，特别是冀北山区森林经营提供参考。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验地位于河北省木兰围场国有林场孟滦分场。地理坐标为41°52′—42°01′N、116°49′—116°59′E。研究区海拔为1000～1880m，为大陆性季风型山地气候。年均气温为4℃，年均降水量为380～560mm。冬季寒冷干燥，夏季凉爽无酷暑，春季和秋季风沙天气较多，降水和气温的最大值同时出现，春季偏干旱，白天与夜间的温差较大。

土壤多为壤土、褐土、风沙土等。主要乔木树种为华北落叶松（Larixprincipis-rupprechtii）、油松、柞树（Quercusmongolica）、五角枫（Acermono）等。林区内有高等维管植物600多种，林下植物有并头黄芩（Scutellariascordifolia）、斑叶堇菜（Violavariegata）、唐松草（Thalictrumaquilegiifolium）等。

1.2研究方法

1.2.1样地设置

在前期踏查的基础上，于2021年７月中旬至下旬在河北省木兰围场国有林场孟滦分场设置试验样地。在3种不同林分中，每个林分设置3个样地，样地规格为30m×20m。在样地中进行基本情况调查，对各样地内的林木进行胸径、树高、冠幅等的测定。各样地基本信息见表1。

1.2.2样品采集与测定

在3种不同林分类型下的每块标准地内呈“S”形设置3个1m×1m的小样方作为枯落物样方，测量样方内未分解层和半分解层厚度，采用分层全部收获法，将未分解层和半分解层分别放入密封袋中，做好标记，带回实验室，放到70～80℃的烘箱烘干至恒质量，计算枯落物的蓄积量。利用固定时间浸泡法每隔0.25、0.5、1、2、4、6、8、12、24h将浸泡的枯落物取出并静置到不滴水稳定状态时测量其质量，并记录枯落物持水动态。具体指标根据以下公式计算[6]：

（1）枯落物最大持水率：

Rm=（m0－m1）/m0×100%（1）

（2）枯落物自然含水率：

R0=（m1－m0）/m0×100%（2）

（3）枯落物最大攔蓄量：

Wm=（Rm－R0）×M（3）

（4）枯落物有效拦蓄量：

W=（0.85Rm－R0）×M（4）

式中：m0代表枯落物烘干后的质量（g）；m1代表枯落物自然状态下的质量（g）；M为枯落物蓄积量（t.hm-2）。

1.2.3数据处理与分析

用MicrosoftExcel2017软件和SPSS26软件对数据进行统计分析和绘图。采用单因素方差分析和最小显著法检验组间差异性。

2结果与分析

2.1不同林分枯落物蓄积量

枯落物蓄积量的大小是多种因子共同作用的结果，其中包括林分自身的因子：树种组成、林龄等；环境因子：林分的生长季节、地区的气候状况、人为活动的影响等；枯落物本身的因子：枯落物的输入量及其本身的因素等[7]。通过表2可以看出，3种不同林分的枯落物总蓄积量为：蒙古栎林（9.72t.hm-2）>针阔混交林（8.59t.hm-2）>油松林（6.17t.hm-2）。

在所研究的3种林分的枯落物中，未分解层和半分解层在总蓄积量中所占的比例并不完全一致，但3种林分的枯落物中，半分解层所占比例都高于未分解层所占比例。在未分解层中，针阔混交林所占比例最高，为34.86%。油松林所占比例最低，为22.85%。在半分解层中的比例排序则与未分解层中则恰恰相反，针阔混交林所占比例最低（65.14%），油松林所占比例最高（77.15%），这可能是因为阔叶树种的树叶比较容易分解，而针叶不易被分解所导致的。

2.2枯落物的吸水速率

由图1可以得出，枯落物的吸水速率与枯落物本身的性质、枯落物不同分层和枯落物浸水时间有关。不同林分枯落物的吸水速率在未分解层和半分解层中均表现为针阔混交林>蒙古栎林>油松林。针阔混交林的吸水速率最高，在未分解层中15min的吸水速率为6855.6，在半分解层中15min的吸水速率为7876.4。在起始阶段，也就是浸水时间为15min到4h之间时，蒙古栎林和针阔混交林的吸水速率较为接近，且远远高于油松林的吸水速率。而在浸水时间达到4h后，3种林分枯落物的吸水速率逐步靠近，数值相对接近。在3种不同林分中，除油松林外，半分解层的吸水速率均高于未分解层的吸水速率。3种林分枯落物的吸水速率，无论是在未分解层还是在半分解层中，随着浸水时间的增加，均呈现下降的趋势。3种林分均在15min时吸水速率最高，在最初的15min到30min之间，吸水速率下降的最快。随着时间的推移，下降幅度逐渐降低。特别是在浸水时间达到4h时，半分解层和未分解层的吸水速率都整体趋于平稳，在之后的20h中，没有产生明显的下降。可以说，3种林分的枯落物层的吸水速率在浸水4h后达到了饱和。

2.3枯落物的持水量与最大持水量

经测定，3种林分枯落物的持水量随时间的变化情况如表3所示。由表3可知，无论是在半分解层还是在未分解层中，3种林分的持水量都在最初的15min时最小，而后随着时间的推移呈现出逐渐增加的趋势，且浸水时间越长，持水量增加的幅度越小。在未分解层中，3种林分的持水量为蒙古栎林>针阔混交林>油松林；在半分解层中，3种林分的持水量为针阔混交林>蒙古栎林>油松林。

有所不同的是，在未分解层中，针阔混交林的变化趋势较为平缓，蒙古栎林变化幅度较大，因此在浸水30min后，蒙古栎林的持水量超过了针阔混交林。在半分解层中，蒙古栎林和针阔混交林变化趋势较为一致，一直呈现为针阔混交林枯落物持水量略高于蒙古栎林枯落物持水量，而油松林呈缓慢增加的态势。在不同的枯落物层中，油松林枯落物的持水量都远低于另外2种林分。

林分枯落物的最大持水量在一定程度上反映着林分的持水能力，不同的林分枯落物层的最大持水量与枯落物的种类、厚度、蓄积量、湿度及分解程度有着密切的关系。一般认为枯落物浸水24h的持水量为枯落物的最大持水量。由表4可知，在未分解层和半分解层中，不同枯落物的最大持水量的排列顺序有所不同。在未分解层中，最大持水量为针阔混交林>蒙古栎林>油松林；而在半分解层中，最大持水量为针阔混交林>蒙古栎林>油松林。对不同林分的枯落物层而言，油松林所具有的最大持水量均为最低，且远远低于其他2种林分枯落物层最大持水量。

2.4不同林分枯落物的有效拦蓄量

由表5可知，3种林分的有效拦蓄量为1.81～9.62t.hm-2。在未分解层中表现为蒙古栎林（4.79t.hm-2）>针阔混交林（3.63t.hm-2）>油松林（1.81t.hm-2）。由图2可以看出，在未分解层蒙古栎林和针阔混交林分的有效拦蓄量均与油松林有显著差异，但蒙古栎林与针阔混交林之间无显著差异。在半分解层中，3种林分枯落物的有效拦蓄量都不尽相同，其结果为油松林（9.62t.hm-2）>蒙古栎林（7.84t.hm-2）>针阔混交林（5.01t.hm-2）。在半分解层，蒙古栎林和油松林均与针阔混交林有显著差异，同样2种林分之间无显著差异。总体来说，油松林和蒙古栎林较针阔混交林有效拦蓄量高，可能是由于林下物种多样性不同导致的。

3讨论

各种不同林分类型的枯落物的厚度和蓄积量因组成的树种、当地环境、林龄、郁闭度、人类活动的干扰及枯落物本身的情况等多种原因的不同而有所差异[8，9]。通常来看，阔叶林枯落物蓄积量常常多于针叶林，这与庞梦丽等[10]河北省太行山区3种人工水土保持林枯落物及土壤水文效应研究结果较为相近。值得注意的是，油松林枯落物中半分解层蓄积量所占比例为77.15%，未分解层蓄积量所占比例为22.85%，在所研究的3种不同林分中，只有油松林的枯落物中，半分解层所占比例要远远高于未分解层所占比例，造成这一现象的原因可能是人为影响导致。

本文研究的3种不同林分类型枯落物的吸水速率与枯落物本身的性质、枯落物不同分层和枯落物浸水时间有关。在这3种不同林分中，除油松林之外，半分解层的吸水速率均高于未分解层的吸水速率。而油松林的枯落物中，半分解層的吸水速率随时间变化均低于未分解层的吸水速率，造成这一现象的原因，可能是油松林自身的枯落物蓄积量造成的。油松林枯落物半分解层所占比例远远低于未分解层所占比例，可能因此导致了油松林半分解层的吸水速率较低。

林分枯落物的最大持水量在一定程度上反映着林分的持水能力，不同的林分枯落物层的最大持水量与枯落物的种类、厚度、蓄积量、湿度及分解程度有着密切的关系。在不同的枯落物层中，油松林的最大持水量都低于其他2种林分，这与涂志华等[11]对不同植被类型关于最大持水量方面的研究结果一致，这可能与阔叶林枯落物分解程度较高，半分解层蓄积量大，其持水能力较大，而针叶林油松林分解程度低，枯落物蓄积量小，造成最大持水量较小有关。

4结论

4.13种不同林分的枯落物总蓄积量为蒙古栎林（9.72t.hm-2）>针阔混交林（8.59t.hm-2）>油松林（6.17t.hm-2）。3种林分枯落物中，除油松林之外，半分解层所占的比例越大，枯落物吸水的速率就越高。针阔混交林的枯落物的持水能力普遍好于针叶林分及阔叶林分的枯落物层。

4.23种不同林分半分解层的吸水速率均高于未分解层的吸水速率。这3种林分枯落物的吸水速率，无论是在未分解层还是在半分解层中，随着浸水时间的增加，均呈现下降的趋势。3种林分的枯落物均在15min时吸水速率最高，在最初的15～30min之间，吸水速率下降得最快。随着时间的推移，下降幅度逐渐降低。特别是在浸水时间达到4h后，半分解层和未分解层的吸水速率不再产生明显的降幅，而是趋于平缓。

4.33种不同林分枯落物未分解与半分解层的持水量均在最初的15min时最小，而后随着时间的推移呈现出逐渐增加的趋势，且浸水时间越长，持水量增加的幅度越小。在未分解层中，3种林分的持水量为蒙古栎林>针阔混交林>油松林；在半分解层中，3种林分的持水量为针阔混交林>蒙古栎林>油松林。

4.43种不同林分枯落物的有效拦蓄量在未分解层中表现为蒙古栎林>针阔混交林>油松林，且蒙古栎林和针阔混交林均与油松林有显著差异，但蒙古栎林与针阔混交林之间无显著差异。在半分解层中，其结果为油松林>蒙古栎林>针阔混交林，且蒙古栎林和油松林均与针阔混交林有显著差异，同样2种林分之间无显著差异。

4.5通过对比分析可以发现，针阔混交林在3种林分类型中持水能力最佳。

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收稿日期：2022-11-21

作者简介：李娟（1984-），女，河北赞皇人，高级工程师，主要从事森林经营与管理研究.

通信作者：谷建才，男，博士生导师，主要从事森林可持续经营、森林资源资产研究.