宁夏六盘山主要森林类型枯落物持水能力研究

宁夏六盘山主要森林类型枯落物持水能力研究

作为森林水文的第二个功能区，它在减少降水、阻断排水、减少土壤水分蒸发和水土流失等方面发挥着重要作用。目前,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大量研究,取得了一定成果。美国著名森林水文学家Lee等认为,枯落物对降雨的截留量取决于枯落物的蓄水容量;赵艳云等综述了国内外近年来的枯落物水文特征研究;余新晓等研究了贡嘎山东坡峨眉冷杉林(Abiesfabri)地被物的分布及其水文效应;张洪江等对三峡库区松栎混交林、栓皮栎(Quercusvariabilis)纯林和马尾松(Pinusmassoniana)林的林下枯落物蓄积量及其持水特征进行了研究;韩同吉等和李延成等对山东地区的枯落物蓄水特征进行了研究;高人等对辽宁东部几种森林枯落物的蓄积量和持水性能进行了研究;张雷燕等和魏文俊等对宁夏六盘山地区的部分植被类型的林下枯落物进行了研究。但他们的研究大多只是分析了各地区枯落物的蓄积量及其持水特性,很少同时对枯落物的截留和蒸发与枯落物的持水能力进行研究,因此,未能反映枯落物的实际持水能力,也未能全面反映本地区森林枯落物的水文特征,对此有待于进一步深入研究。此外,基于传统方法计算的枯落物截留量已被较为广泛应用,但它与枯落物实际截留量的差异如何,现在研究的还比较少。枯落物具有一定的蒸发作用,但对它在林分总蒸发中的作用了解的还比较少,也有待于加强相关研究。本研究对六盘山地区的枯落物实际截留量与传统方法计算的截留量对比,分析其差异性,以期为进一步了解该区的枯落物水文作用提供科学依据。1生长、植被及土壤研究地点位于六盘山自然保护区的香水河小流域,处在黄土高原中西部的宁夏回族自冶区南端,是黄河重要支流泾河的源头,海拔2060～2931m,东经106°09′～106°30′、北纬35°15′～35°41′,处于暖温带半湿润区向半干旱区的过渡带,属暖温带大陆性季风气候,年均温度5.8℃,7月平均气温17.4℃,1月平均气温-7.0℃,年均降水量591.6mm(泾源站),多集中于6—9月份。香水河小流域植被保存完好,覆盖度为70%～80%,森林植被主要为天然次生林,如山杨(Populusdavidiana)、红桦(Betulaalbo-sinensis)、白桦(Betulaplatyphylla)、辽东栎(Quercusliaotungensis)、华山松(Pinusarmandii)、少脉椴(Tillapaucicostata)等;人工林以华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)、油松(Pinustabulaeformis)林为主;在山体阳坡,还分布着大量灌丛;高海拔(2700m以上)地区则分布着亚高山草甸群落。流域内土壤主要是灰褐土,此外还分布着一定面积的亚高山草甸土。土壤中砾石较多,成土母质为沙质泥岩、页岩、灰岩风化的残积物和坡积物。2学习方法2.1白桦、辽东栎、林公的混交林和林分选择本研究共设置了12个样地,包括3种针叶林(油松、华北落叶松、华山松)、5种阔叶林(辽东栎、红桦、山杨、白桦、辽东栎与少脉椴混交林)和暴马丁香(Syringaamurensis)--灰子(Cotoneasteracutifolius)灌丛、华西四蕊槭(Acertetramerum)--石枣子(Euonymussanguineus)灌丛和李(Prunussalicina)灌丛共3种灌丛。各样地特征见表1。2.2学习方法2.2.1未分解层和半分解层厚度的测定在研究样地内随机设置5个0.6m×0.6m的小样方;在样方内,随机选择10个点用以测定枯落物未分解层和半分解层的厚度及总厚度,取其平均值;再按未分解和半分解层分别收集样品,带回室内称湿重,然后在85℃下烘干后称重,测定其干重,以推算单位面积的枯落物蓄积量。2.2.2枯落物层拦蓄量测定方法采用室内浸泡法测定。将原状枯落物样品分别装入尼龙袋,在清水中浸泡24h,然后称重,计算其最大持水率,每个植被类型重复3次。枯落物最大持水量(t/hm2)采用最大持水率与枯落物蓄积量的乘积计算,并换算成水深(mm)表示。枯落物层的最大拦蓄率即为最大持水率,根据枯落物层的蓄积量和其雨前实测平均自然持水率,可推算出其最大拦蓄量。因为山地坡面上一般不会出现较长时间的浸水条件,落到坡面的雨水除一部分被枯落物层拦蓄吸收外,绝大部分很快透过枯落物层入渗到土壤中。据雷瑞德的研究,当降雨量达到20～30mm以后,不论哪种植被类型的枯落物层及其含水量高低,实际持水率约为最大持水率的85%左右,所以取调整系数0.85来估算枯落物层的有效拦蓄量:Wm=(Rm−R0)MW=(0.85Rm−R0)MWm=(Rm-R0)ΜW=(0.85Rm-R0)Μ式中:Wm为最大拦蓄量(t/hm2);W为有效拦蓄量(t/hm2);Rm为最大持水率(%);R0为平均雨前自然含水率(%);M为枯落物蓄积量(t/hm2)。在各研究样地内,按未分解层、半分解层分别取枯落物样品,带回室内于85℃下烘到恒重,测其自然含水率,每月的上、中、下旬各测定1次。试验设3次重复。2.2.3枯落物的吸水过程测定取部分未分解层和半分解层枯落物样品,称重后装入尼龙袋内,在分别浸泡5、15、30、50min,1.3、2.2、3.3、4.8、6.8、9.3、12.3、24h后称重,每次取出后静置5min左右,直至枯落物不滴水为止,迅速称枯落物的湿重并进行记录,如此即可测定枯落物的吸水过程,每个植被类型重复4次。2.2.4枯落物截量测定研究时段为2005年6月19日—7月26日,取辽东栎与少脉椴混交林样地周围未受干扰的原状枯落物,置于面积为40cm×40cm的不锈钢网筐内,每隔一定时间测定枯落物重量,在无降雨情况下,两次测定之间的枯落物水分损失量为枯落物蒸发量,在有降雨情况下,雨后迅速测定,其质量增加部分为枯落物截留量。3结果与分析3.1林下枯落物蓄积量六盘山主要森林植被类型枯落物蓄积量的调查表明(表2),各林分类型间差异较大,以油松林下枯落物蓄积量最大,达30.86t/hm2,李灌丛林下枯落物现存量最小,仅4.87t/hm2。针叶林下枯落物量介于16.00～30.86t/hm2,平均为21.72t/hm2;阔叶林的枯落物蓄积量为7.78～13.91t/hm2,平均为10.33t/hm2;灌丛的枯落物蓄积量为4.87～5.96t/hm2,平均为5.51t/hm2。总体来看,针叶林>阔叶林>灌丛,这主要是由于针叶林枯落物分解速率较慢,故其积累量较大;阔叶林下枯落物年生产量很大,但由于较易分解而积累量较少;而灌丛林下枯落物生产量低且易分解,故其蓄积量最小。主要森林植被类型林下枯落物蓄积量(t/hm2)依次为油松(30.86)>华北落叶松(18.95)>华山松(18.13)>白桦(13.91)>山杨(12.10)>辽东栎(9.50)>红桦(8.34)>辽东栎与少脉椴混交林(7.78)>华西四蕊槭-石枣子灌丛(5.96)>暴马丁香--灰子灌丛(5.71)>李灌丛(4.87)。从枯落物组成来看,基本规律是半分解层蓄积量高于未分解层。从不同林分类型来看,针叶林半分解层蓄积量占总蓄积量的比例平均为73.21%,阔叶林为65.41%,针叶林和阔叶林的差别主要是由它们分解速度的差异造成的。从枯落物层的厚度来看,一般为半分解层大于未分解层。枯落物层的总厚度介于1.9～5.7cm,其中,辽东栎林的最厚,李灌丛的最薄;枯落物半分解层厚度为1.6～3.9cm,未分解层厚度为0.6～2.4cm。从不同林分类型来看,枯落物厚度依次为阔叶林>针叶林>灌丛。3.2枯落物层有效拦蓄量表3为主要林分类型枯落物的持水能力,分别表示为最大持水率、最大持水深,其大小与林分类型、组成、枯落物分解状况和蓄积量等有关。不同植被类型枯落物未分解层的最大持水率为150.32%～439.27%,平均为295.27%;半分解层枯落物最大持水率为174.02%～388.57%,平均为283.48%;按蓄积量加权平均的整个枯落物层的最大持水率为177.68%～387.42%,平均为279.87%。从不同林分类型来看,阔叶林枯落物层的最大持水率平均为339.15%,灌丛为233.55%,针叶林为227.39%,即阔叶林>灌丛>针叶林。从枯落物层的最大持水深看,各林分的最大持水深介于0.9～7.6mm。其中,以油松林枯落物的最大持水深最高,李灌丛枯落物的最小。不同森林植被类型的大小顺序依次为油松(7.6mm)>华山松(4.6mm)>山杨(4.5mm)>白桦(4.4mm)>辽东栎(3.7mm)>华北落叶松(3.5mm)>红桦(2.5mm)=辽东栎+少脉椴(2.5mm)>华西四蕊槭-石枣子灌丛(1.9mm)>暴马丁香--灰子灌丛(1.2mm)>李灌丛(0.9mm)。就不同林分类型来看,灌丛枯落物层的最大持水深最小,一般都在2mm以下,平均为1.3mm;阔叶林枯落物层最大持水深介于2.5～4.5mm,平均为3.5mm;针叶林枯落物层最大持水深介于2.9～7.6mm,平均为4.8mm。为估算枯落物层的可能拦蓄量,本研究计算了其最大拦蓄量和有效拦蓄量(表4)。最大拦蓄量反映的是扣除枯落物层本身含水量占据的持水容量以外的枯落物层持水能力大小,代表最大可能的降雨截留量。结果表明,各植被类型的最大拦蓄量介于0.36～4.96mm,平均为1.98mm。从不同林分类型来看,针叶林的最大拦蓄量最高,平均达2.67mm;其次为阔叶林的2.17mm;灌丛最小,仅为0.75mm。最大拦蓄量仍不能反映枯落物层对实际降水的拦蓄情况,因此需要计算枯落物的有效拦蓄量。结果表明(表4),各森林枯落物层的有效拦蓄量为0.23～3.82mm,平均为1.47mm。其中,针叶林的有效拦蓄量平均为1.95mm,阔叶林平均为1.64mm,灌丛平均为0.55mm。但有效拦蓄量也只是表示其有效截留量的可能值,因为在降雨量较小时,由于截留时间和机会较少,实际拦蓄量会低于此值。3.3分散层水处理的分析3.3.1枯落物持水量利用浸泡试验测定的不同枯落物持水率变化过程,按不同植被类型的未分解层和半分解层,分别计算其持水量(g/kg)随浸泡时间(h)的关系(图1),并进行拟合,发现如下关系较好:S=klnt+p。式中:S为单位重量枯落物持水量(g/kg);t为(浸泡)时间(h);k为方程系数;p为方程常数项。图1显示了辽东栎和华山松样地的枯落物未分解层和半分解层的持水量随浸泡时间的变化趋势。由此可见,枯落物持水量随时间延长而增加,在浸泡开始时,枯落物吸水量增加较快,这个阶段一般在2h以内,尤其是在0.5h以内吸水最快;随时间延长,吸水速率逐渐减小,大约在5～8h时接近饱和,基本趋于稳定。各植被类型林下枯落物随时间的变化趋势基本相似。表5说明了各森林植被类型枯落物层持水量与浸水时间的关系。从枯落物不同层次的持水量来看,除红桦和华西四蕊槭-石枣子灌丛的枯落物未分解层持水量大于半分解层的外,其他几种植被类型均是半分解层持水量大于未分解层的。3.3.2枯落物活性模型各植被类型的枯落物未分解层、半分解层吸水速率与浸泡时间存在着明显关系。对所研究的枯落物进行拟合,得到合适的关系为:V=b0+b1t-1。式中:V为枯落物吸水速率,t为浸泡时间,b0、b1为方程系数。分析拟合后,得到林下枯落物吸水速率V与浸泡时间t之间的关系式,见表6。3.4浸泡法/实际截持量对比在2005年6月19日—7月26日的野外研究期间,总降雨量为227.1mm,枯落物实际截留量为4.5mm,截留率为1.98%。枯落物的实际截留量受枯落物降雨前含水量高低、雨量大小和降雨时间长短等因素影响,因此变化较大。如2005年6月29日—7月5日连续降雨量154.4mm,由于枯落物前期含水率已达107.92%,其截留量较小,只有1.25mm;而2005年7月22日一场35.9mm的降雨量,由于其前期含水率较小,仅32.73%,其截留量达1.65mm。对野外研究期间的4场降雨基于浸泡法测定而计算的枯落物截留量结果表明(表7),基于浸泡法的截留量在多数降雨中存在高估现象,并且降雨量越小,高估现象越严重。例如1.7mm的降雨时,实际截留量仅0.1mm,而按浸泡法估计的截留量达1.8mm;而较大雨量时,例如154.4mm降雨时,其基于浸泡法计算的截留量与实际截留量误差较小。从这4场降雨的实际截留量与基于浸泡法计算的截持量来看,相对误差是很大的,这说明调整系数取0.85过大,本研究中取0.75是比较合适的。同时,浸泡法对于较大雨量时的枯落物截留计算比较准确,但对较小雨量的枯落物截留计算不适合。这主要是由于:较小雨量不能使枯落物达到饱和状态,不具备浸泡法公式计算的条件,因此误差较大。3.5枯落物蒸发特征许多学者对枯落物抑制土壤蒸发的作用有较多研究,但枯落物本身持有水分也存在蒸发。例如在2005年6月19日—7月26日,辽东栎与少脉椴混交林分枯落物累计蒸发量为4.38mm,日蒸发量变化在0.02～0.22mm,平均日蒸发量达(0.12±0.058)mm。熊伟等在同一样地测定的7—10月林分总蒸散量为1.45mm/d,其中,枯落物蒸发占总蒸散量的8.28%。枯落物蒸发受多因素影响,如冠层盖度、温度、湿度、风速、太阳辐射、枯落物含水率等,其中,枯落物含水率是重要的限制性因子之一。图2为研究期间的降雨量和水面蒸发量。在降雨前,枯落物含水率较低,日蒸发速率由于可供蒸发水分少而很低;在降水结束后,枯落物因含水率变大,其蒸发速率升至高水平,之后随枯落物含水率减少而逐渐下降,直至下次降雨。分析表明(图3),枯落物蒸发速率随其含水率增加而呈S形曲线增长,其关系式为:E=exp[-(1.773+20.973C-1)],r2=0.68。式中:E为枯落物蒸发速率,C为枯落物含水率。4讨论4.1枯落物拦截能力枯落物持水是森林的重要水文功能之一,森林枯落物层的最大持水能力反映了其最大截留量,是其潜在的蓄水能力,因此经常被作为森林水文生态功能的一个重要指标。与我国其他地区森林枯落物相比,六盘山地区主要林分类型的枯落物最大持水率较大,平均为283.48%,比韩同吉等和杨吉华等研究的各人工林类型的结果要大;就各地区森林枯落物层的最大持水深来看,六盘山森林平均为3.4mm,其他几个研究地区平均为4.2mm,本区枯落物最大持水深较小,比我国东部地区的山东、江苏和重庆三峡等地的人工林要大,而比我国西部的缙云山、祁连山和贡嘎山的明显偏低,这可能主要受不同地区的林分枯落物的蓄积量、持水能力、林分类型等因素影响有关,我国西部的缙云山、祁连山和贡嘎山等地植被保存完好,林下枯落物蓄积量大,且其最大持水率也较高,这也是它们的最大持水深较高的原因。枯落物的有效拦蓄量多数情况是低于最大持水量的,相对于最大持水量和最大拦蓄量,有效拦蓄量更能反映枯落物的现实截持能力。余新晓等的研究认为,枯落物截留量一般为最大持水量的80%左右,但雷瑞德研究证实,当降雨量达20～30mm以后,不论哪种植被类型、枯落物层含水量高低,实际持水率约为最大持水率的85%左右。实际上,枯落物的截持降水作用与枯落物前期干燥程度、林内降雨大小等因素有关。据此计算,六盘山区森林枯落物层有效拦蓄量平均为1.47mm,而根据2005年6月19日—7月26日期间测定枯落物实际截留量的结果表明,基于浸泡法计算的有效拦蓄量结果高估了枯落物的截留能力,研究初步认为,实际持水率一般为最大持水率的75%左右。但由于枯落物截留降雨的能力受枯落物含水率、蓄积量、降雨量、降雨历时等因素的影响,而目前还难以量化这些因素的影响,因此在以后的研究中需结合野外观测,量化相关因素的影响,为枯落物截留降雨能力的模拟提供数据基础。4.2对林下微气候的影响刘向东等对黄土高原地区油松林下枯落物蒸发研究表明,枯落物层在降雨终止后第1天,平均蒸发速率达0.502mm/d,此后逐日下降,并呈递减指数变化。本研究中的最大日蒸发速率为0.22mm,相对较低,这可能与两地的气候以及林下微气候差异有关。2005年6月19日—7月26日的研究结果表明,枯落物蒸发只占总蒸散量的很小部分(8.68%),作用有限。但据许多学者研究表明,枯落物具有较明显的抑制土壤蒸发的作用。张德成等研究表明影响土壤蒸发的主要因子为地表枯落物量;刘广全等研究表明,无枯落物覆盖的蒸发率较有枯落物覆盖的约大10%;朱金兆等和赵鸿雁等研究表明,枯落物抑制土壤蒸发的作用随枯落物厚度的增加而增大。这些说明,枯落物本身损失一少部分水分外,更重要的可能是其抑制土壤蒸发的作用,这在六盘山地区还有待于进一步开展相