森林土壤几种林分枯落物持水能力及减流减沙效应研究

森林土壤几种林分枯落物持水能力及减流减沙效应研究

在森林健康监测中，森林生态系统健康监测是森林健康的直接反应。然而,对枯落物的监测又是森林生态系统健康监测的重要条件。森林枯落物层是森林生态系统3个垂直结构上的主要功能层之一,它在截持降水、防止土壤溅蚀、阻延地表径流、抑制土壤水分蒸发、增强土壤抗冲性能等方面都具有非常重要的意义,是森林生态系统健康监测和评价所研究的重要内容。国内外许多学者在不同区域对多种森林类型下的枯落物特性作了研究,在枯落物的凋落量、凋落动态、分解速率、截持降水、影响地表径流和土壤侵蚀机理等方面都取得了一定成果,但对北京八达岭林场不同林分枯落物水文生态功能的研究甚少。本研究首次对八达岭林场刺槐林、元宝枫林、侧柏林和油松林枯落物水文生态功能作了定量分析研究,对其森林健康监测和评价提供了一定的理论基础。1土壤条件及植被种类北京市八达岭林场位于北京市延庆县境内,全场总面积2940hm2。平均海拔780m,最高海拔1238m。年平均气温10.8℃,无霜期仅为160d左右,年均降水量为454mm,多集中在7,8月,约占年降水量的59%,且多暴雨。全年总蒸发量1585.9mm,是降水量的3倍。本区土壤主要有典型褐土、碳酸盐褐土及淋溶褐土,主要植被类型有蒙古栎、辽东栎、白桦、元宝枫、刺槐、黄栌、侧柏、落叶松、油松。该区的植物种类十分丰富,据植物调查统计为:蕨类植物有8科18种、裸子植物有3科8种、被子植物83科513种,共计有植物种类549种。该区属华北区暖温带落叶阔叶林及山地垂直带的代表类型,从山下到山顶,分布有针叶林、落叶林和灌丛,是北京地区森林垂直谱系分布比较完整和典型的地区之一。2学习方法(1)对因子的调查根据该区的地形、植被、土壤、水文特征和土地利用,选出标准地,分别对4种林分的环境因子做了详细的调查(表1)。然后在标准地对角线上,选定5个50cm×50cm的样方,用钢板尺对枯落物的总厚度、未分解层厚度、半分解层厚度进行测量并记载,将取得的枯落物按照未分解层和半分解层分别收集带回,分层称重、风干,以干物质重计算蓄积量。(2)吸水速度和吸水过程用室内浸泡法测定林下枯落物的持水量及其吸水速度,将枯落物浸入水中后,分别测定其在15min,30min,1h,2h,4h,6h,8h,10h和24h的重量变化,来研究其吸水速度和吸水过程。每次取出称重后所得的枯落物湿重与其风干重差值,即为枯落物浸水不同时间的持水量,该值与浸水时间的比值即为枯落物的吸水速率。(3)降雨拦蓄量计算通常我们采用有效拦蓄量(modifiedinterception)来估算枯落物对降雨的实际拦蓄量,即:W=(0.85Rm-Ro)M,式中:W——有效拦蓄量(t/hm2);Rm——最大持水率(%);RO——平均自然含水率(%);M——枯落物蓄积量(t/hm2)。(4)枯落物对土壤侵性的影响在室内采用人工降雨的方法,在宽0.5m,长2m,深0.5m的土槽内,分别装入相同厚度的枯落物,雨强为60min/h,在5°,10°,15°坡度下,测定产流时间和径流速率,并与无枯落物的情况进行对照,以确定枯落物层阻滞径流的效应。(5)床差的减少采用同样的方法来测定枯落物的径流量和泥沙含量,并与无枯落物的情况进行对照,以确定枯落物层的减流减沙效应。3结果与分析3.1不同林分枯落物的分布规律枯落物蓄积量受多种因子的影响,如林龄、林分组成、林型、生长季节、气候状况、人为活动、枯落物的输入量、分解速度、本身的厚度和性质等。枯落物层的发育与林分的发育有直接的联系,林分的健康发育能增加枯落物层的蓄积量并促进它的健康发育。由表2可知,4种林分的枯落物厚度大小为油松>元宝枫>刺槐>侧柏。油松的总蓄积量最大为29.20t/hm2,而侧柏的总蓄积量最小为4.62t/hm2,元宝枫为17.76t/hm2,刺槐为10.26t/hm2。从这一结果可以看出,该区蓄积量的大小和枯落物的厚度存在简单的正相关关系。不同林分枯落物未分解层、半分解层蓄积量,各层所占比例有所不同。油松未分解层占其总蓄积量的百分比最大为76.71%,刺槐所占比例最小为23.98%,元宝枫和侧柏所占比例介于它们两者之间。而在这4种林分中,只有刺槐的未分解层蓄积量所占比例明显低于半分解层,这可能与该区刺槐林的大面积退化有关。3.2枯落物层水文作用枯落物层的持水能力是整个森林生态系统水分循环中的重要一环,是反映枯落物层水文作用的一个重要指标。枯落物的持水指标一般包括持水量、持水率、拦蓄量、拦蓄率、吸水速率等。一般认为枯落物浸水一昼夜后的持水量为最大持水量,这时的持水率为最大持水率。3.2.1最大持水量的确定枯落物层的最大持水量决定于枯落物的质和量。4种林分枯落物的最大持水量有所不同(表3),油松的最大持水量为61.36t/hm2,相当于6.136mm的降雨,其中未分解层所占比例较大为62.58%。最大持水量的大小依次为侧柏57.84t/hm2,刺槐43.12t/hm2,元宝枫30.92t/hm2。枯落物的最大持水率(%)与枯落物的组分和林下微环境有关,同枯落物的分解状况和发育状况亦有一定关系。一般来说,枯落物层积累多,层次厚,分解快,分解较彻底,则具有孔隙多、细、小、吸水面大的特点,因而表面张力亦较大,其蓄水性能良好。刺槐、元宝枫、侧柏、油松最大持水率分别为344.06%,539.08%,470.54%,191.50%。可见这4种林分最大可吸收其自身重量的3.4倍、5.4倍、4.7倍、1.9倍的降雨。虽然元宝枫的最大持水量最小,但它的最大持水率最大,因此仍能维持其较高的蓄水功能。3.2.2枯落物持水量与浸水时间相关性分析从持水量与浸水时间关系可看出(表4),不同林分枯落物分解层持水量随时间延长而增加。不同林分未分解层持水量均大于半分解层持水量。不同时间未分解层持水量和半分解层持水量的大小顺序表现出一致性,即元宝枫>侧柏>刺槐>油松,这说明了元宝枫枯落物的持水能力优于其它3种林分。我们对不同林分枯落物未分解层、半分解层持水量与浸水时间数据进行分析拟合,得出以下关系式:W=Aln(t)+B式中:W——枯落物持水量(g/kg);t——浸水时间(h);A——方程系数;B——方程常数项。通过分析拟合得到不同林分枯落物持水量W与浸水时间t之间的关系式。刺槐:W=21062ln(t)+3073(未分解层),W=42.793ln(t)+2913.2(半分解层);元宝枫:W=450.93ln(t)+4693.8(未分解层),W=75.32ln(t)+4241.2(半分解层);侧柏:W=250.9ln(t)+3652.9(未分解层),W=261.73ln(t)+3320(半分解层);油松:W=144.7ln(t)+1473.5(未分解层),W=129.45ln(t)+1474.2(半分解层)。从不同林分类型枯落物未分解层、半分解层持水量实测值和计算所得值与浸水时间之间的关系可以看出,不同林分枯落物未分解层、半分解层持水量与浸水时间之间表现出较好的相关性,4种枯落物的半分解层持水量变化比未分解层持水量变化趋势比较缓和。另外,半分解层持水量在浸泡4h时已基本达到饱和,而未分解层持水量浸泡6～8h时基本达到饱和,这点正好说明这4种林分枯落物未分解层持水能力均高于半分解层。3.2.3枯落物拦截试验结果与枯落物拦截蓄效果关系最大持水量并不代表枯落物对降雨的截留量,它只能反映枯落物层的持水能力大小,用最大持水率来估算枯落物层对降雨的拦蓄能力则偏高,不符合它对降雨的实际拦蓄效果,有效(或净)截留量才是反映枯落物对一次降水拦蓄的真实指标,其与枯落物数量、水分状况、降雨特性有关。4种林分枯落物的有效拦蓄量有很大的差别(表5),刺槐的有效拦蓄量为24.46t/hm2,相当于拦蓄2.45mm的降雨,元宝枫可拦蓄7.17mm的降雨,侧柏可拦蓄1.65mm降雨,油松可拦蓄1.93mm降雨,在这4种枯落物中元宝枫的总有效蓄积量表现为最大,这对营造健康森林、选择健康树种提供了参考依据。3.2.4枯落物吸水性能从表6可知,不同林分枯落物不管是未分解层还是半分解层在刚开始浸水时,吸水速率都很高。由于枯枝落叶从风干状态浸入静水中后,枯枝落叶的死细胞间或者枝叶表面,水势差较大,吸水速率高;枯落物吸水速度最初较快,以后随着时间延长,吸水速度减慢,24h吸水基本停止,表明枯落物达到饱和状态。枯落物吸水速度与浸泡时间之间存在明显的相关关系。枯落物吸水速率和时间存在以下关系式:V=ktnV=ktn式中:V——枯落物吸水速率(g/g·h);k——方程系数;t——浸水时间(h);n——指数。4种枯落物未分解层和半分解层吸水速率和时间的关系式分别为,刺槐:V=3.0565t-0.9421(未分解层),V=2.904t-0.9842(半分解层);元宝枫:V=4.6617t-0.9144(未分解层),V=4.2328t-0.9817(半分解层);侧柏:V=3.2948t-0.9224(未分解层),V=3.6325t-0.9278(半分解层);油松:V=1.457t-0.9293(未分解层),V=1.4634t-0.9332(半分解层)。从吸水速率过程可知,在0～2h之间,枯落物未分解层和半分解层吸水速率较快,在4～6h后下降速率逐渐减缓。4种枯落物未分解层和半分解层吸水速率基本趋向一致。这主要是枯落物的吸水达到饱和的原故。3.3枯落物覆盖时产流速率从表7可以得出,枯落物层的阻滞径流速率的效应十分显著,在同等的条件下,随着坡度的增加,开始产流时间依次缩短,产流速率依次增大。在同一坡度下,4种枯落物覆盖时产流时间和裸地相比,比裸地滞后3～4倍,阻延径流速率为裸地的18%～28%。在同一条件下,元宝枫阻延的效应最大,油松最小,而刺槐和侧柏介于它们之间。所以,可见枯枝落叶层均能明显地阻延径流速度,滞后产流时间。枯落物阻延径流流速的作用,主要是因为它具有吸收径流和增加地面糙率的功能。3.4不同坡度下产沙量的比较不同枯落物产流产沙的影响结果表明,枯落物层对产流产沙有一定的影响(表8),裸地与有枯落物覆盖产沙产流量有明显的差异,在坡度为5°时,裸地产沙量为414.84g/h,但4种有枯落物覆盖的地表产沙量仅为裸地的2.1%～2.7%。在坡度为10°,15°时,产沙量分别为裸地产沙量的2.84%～3.02%,10.23%～38.17%。从以上数据可以看出,随着坡度的增大,产沙量依次增大。从产流量也可以得出同样的结论,即随着坡度的增大,产流量依次增大,裸地的产流量比其它4种枯落物增加1.36～2.36倍。因此,不难看出,不论是枯落物对降雨的有效拦蓄,还是它对径流的阻滞作用,最终都表现在它对林地的减流减沙方面,从而有力地说明了在水土保持过程中,枯落物发挥了其巨大的作用,防止了大量的水土流失。4不同枯落物的持水量和持水时间分布(1)枯枝落叶的蓄积量受多种因子的影响。油松的总蓄积量为29.20t/hm2,侧柏总蓄积量为4.62t/hm2,元宝枫总蓄积量为17.76t/hm2,刺槐总蓄积量为10.26t/hm2,其大小顺序为油松>元宝枫>刺槐>侧柏。从而得出这四种枯落物的蓄积量和其枯落物厚度存在简单的正相关关系。(2)4种林分枯落物的最大持水量有一定的差异。油松最大持水量相当于6.14mm的降雨,侧柏最大持水量相当于5.78mm的降雨,刺槐最大持水量相当于4.13mm的降雨,元宝枫最大持水量相当于5.78mm的降雨。这4种林分枯落物最大可吸收其自身重量的1.9～5.4倍的降雨。(3)4种林分枯落物未分解层和半分解层持水量和时间存在关系式:W=Aln(t)+B,未分解层持水量均大于半分解层持水量,半分解层持水量在浸泡4h时已基本达到饱和,而未分解层持水量浸泡6～8h时才基本达到饱和。(4)刺槐可有效拦蓄2.45m