小五臺山地區主要林分枯落物分布特征及水源涵養能力

侍柳彤， 史常青， 杜晨曦， 楊建英

(1.北京林業大學水土保持學院，北京 100083；2.淮河水利委員會淮河流域水土保持監測中心站，安徽 蚌埠 233000)

水源涵養指森林各結構層次在水文過程中與水的相互作用，即攔蓄降水、調節徑流、補充地下水、改善水質等功能，是森林生態系統的重要生態功能之一，包括林冠層截留、枯落物層持水以及土壤層蓄水3個部分。其中枯落物層作為森林水源涵養的主體，降水截留率最高可達到25.0%，對降水和徑流的吸持量可達到自身干質量的2～4倍，在森林水源涵養過程中吸持降水、分散滯緩地表徑流、增加水分入滲、減少土壤侵蝕、抑制土壤水分蒸發等方面都發揮了重要的作用。目前有關枯落物的研究中主要是對枯落物蓄積量、分解情況和降水吸持能力等方面的研究，同時主要從最大持水量、有效攔蓄量、持水率、持水速率等方面對其吸持能力進行評價。以往研究發現，枯落物分布主要受林分類型、林齡及林分密度影響，枯落物吸持能力主要受蓄積量、厚度、樹種類型、葉片形態、分解程度、降雨強度等因素影響。研究林地枯落物的分布特征及吸持能力，對合理利用森林資源進行保持水土、涵養水源、改善水質等方面都有著重要的意義。

降水落到森林地表時，一部分被枯落物層吸持、攔蓄，一部分滲入土壤，一部分水分蒸發，因此枯落物長期浸在水中充分浸泡的情況基本不會存在，下層的枯落物也無法達到水分充分飽和。以往對枯落物吸持作用的研究中大多采用的浸泡法，得到的數據更多作為吸持能力理論值即最大吸持潛力，通常較實際吸持量偏大，只能在一定程度上反映枯落物對降雨的吸持能力，并不能客觀描述枯落物層在實際降雨情況下的吸持過程及次降雨的實際吸持量。模擬降雨法更加接近自然條件，更能真實地反映枯落物的吸持能力。為更好地反映小五臺山地區典型林分枯落物的水源涵養能力，本研究采用浸泡和模擬降雨2種方法對不同林分枯落物水源涵養能力進行研究。

小五臺山自然保護區位于永定河中上游，林分面積為10 534 hm，森林覆被率為75.4%，多年來一直是永定河的重要水源地，為京津及其周圍提供了豐富的優質水源。該區域的水源涵養林可以調節永定河流域的徑流變化，影響著周邊水資源和水環境，在保護永定河水系和水源方面具體重要意義。本研究以小五臺山7種典型林分為研究對象，對各林分枯落物分布特征及水源涵養能力進行研究，以期為評估永定河上游區域水源涵養能力及其對水生態的影響提供基礎支撐，同時為該區域今后水源涵養林的配置及經營改造提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究的試驗地設在河北省張家口市蔚縣的小五臺山國家級自然保護區(39°50′41″-40°06′30″N，114°47′80″-115°28′56″E)。研究區屬于永定河流域，主要為中、亞高山地貌類型，海拔在2 600 m以上。該區域屬于典型的華北土石山區，以山地棕壤、栗鈣土、褐土亞高山草甸土等土壤類型為主，處于暖溫帶半濕潤地區，氣候類型為北溫帶季風氣候，溫差大、多大風、降水多集中夏季。年降水量381～420 mm，年平均氣溫6.4 ℃，無霜期135～140天，平均日照時間2 875 h。其植物種類繁多，主要有青楊林(Rehd.)、白樺林(Suk.)、蒙古櫟林(Fischer ex Ledebour)、油松林(Carrière)、落葉松林((Ruprecht)Kuzeneva)、椴樹林(Szyszylowicz)、云杉林(Masters)、粉樺林(Suk.)、油松×蒙古櫟混交林、粉樺×云杉混交林等林分，以及繡線菊(L.)、沙棘(Linn.)、虎榛子(Decaisne.)、毛榛(Maxim.)等灌草植被。

1.2 試驗設計

本研究于2019年8—9月進行，在小五臺山自然保護區的無人為干擾地段，保證立地條件一致的情況下，選取油松純林、青楊純林、白樺純林、椴樹純林、蒙古櫟純林、油松×蒙古櫟混交林、粉樺×云杉混交林7個林分樣地(表1)，每個樣地設置1個20 m×20 m的樣方。

表1 樣地基本信息

1.3 測定項目與方法

1.3.1 枯落物分布調查 綜合考慮胸徑、樹高及冠幅得到每個樣地的標準木，并選取3株標準木。在標準木冠幅投影下，以樹干為起點分別在東、南、西、北、東北、東南、西北、西南8個方位上每隔0.3 m設置1個點，一直延伸到樹冠投影邊緣，測定各點未分解層、半分解層枯落物的厚度。同時記錄清楚哪些方位屬于坡上，相對應的方位即為坡下。

1.3.2 枯落物蓄積量計算 每個樣地選取1株標準木，在下方設置3個1 m×1 m的枯落物樣方，并按未分解層和半分解層對枯落物進行分層收集，稱量濕重后，在65 ℃下烘干并稱其干重，通過單位面積干重換算得到蓄積量。

1.3.3 枯落物吸持能力測定 本研究分別運用浸泡法和模擬降雨法，對枯落物吸持能力進行測定。

(1)浸泡法：稱取一定數量的枯落物浸泡于水中，分別于浸泡后的0.25，0.5，1，2，4，6，8，10，12，24 h對枯落物進行稱重，每次取出時靜置至枯落物不滴水時稱重，重復3次。所有林分枯落物浸泡24 h后持水量達到飽和為最大持水量?？萋湮锏淖匀缓?、最大持水量、最大持水率、有效攔蓄量、有效攔蓄率的計算公式為：

(1)

=085-

(2)

=01

(3)

=01

(4)

式中：為最大持水率(%)；為浸泡24 h時的枯落物濕重(g)；為枯落物干重(g)；為有效攔蓄率(%)；為自然含水率(%)；為最大持水量(mm)；為枯落物蓄積量(g/m)；為有效攔蓄量(mm)。

(2)模擬降雨法：根據野外真實狀況將風干后的半分解、未分解枯落物依次均勻鋪在1.0 m×1.0 m×0.2 m網篩上，鋪后稍微壓實以接近自然狀態下的緊實度。網篩放置于坡度為30°的鐵架上，頂部設置模擬降雨器進行模擬降雨(通過控制噴頭閥門來控制雨強)，底部采用集雨布和集流桶收集出流量。根據對張家口市東南部降水量日變化特征的分析，設置15,20,25 mm/h 3個雨強，模擬降雨歷時均為1 h。每隔5 min測定1次枯落物停止滴水時集流桶收集的出流量，重復3次，降雨量減去出流量可得枯落物的吸持量。所有林分1 h后吸持量達到飽和記為最終吸持量，枯落物的最終吸持量和吸持速率的公式為：

(5)

=01

(6)

式中：為吸持率(%)；為降雨1 h時的枯落物濕重(g)；為枯落物干重(g)；為最終吸持量(mm)；為枯落物蓄積量(g/m)。

1.4 數據處理

運用SPSS 26.0軟件對實地調查與試驗所得數據進行分析并結合Origin 7.0軟件作圖。在SPSS 26.0軟件中對各林分各分解層的厚度和蓄積量Duncan多重分析，并用Origin 7.0軟件繪制枯落物厚度分布圖和持水動態曲線。

2 結果與分析

2.1 枯落物分布特征

由圖1可知，樹冠投影下的枯落物覆蓋面積和厚度表現為闊葉林大于針闊葉混交林和針葉林，其厚度均值分別為(7.41±4.43)，(7.23±4.19)，(4.75±2.01)cm，面積均值分別為(21.95±2.78)，(10.54±4.13)，(13.75±1.62)m。由于地形的影響，其厚度表現為坡下>坡上，且半分解層枯落物不同坡位的厚度差異更大，其中闊葉林坡上厚度為(6.65±4.22) cm，坡下厚度為(8.70±4.65) cm；針闊葉混交林坡上厚度為(6.86±4.22) cm，坡下厚度為(7.23±4.27) cm;針葉林坡上厚度為(4.42±1.36) cm，坡下厚度為(5.16±2.18) cm。7種林分樹冠投影下的枯落物覆蓋面積為6.40～26.65 m，相對順序是青楊純林>白樺純林>椴樹純林>蒙古櫟純林>粉樺×云杉混交林>油松純林>油松×蒙古櫟混交林。各林分枯落物厚度為4.75～11.09 cm，表現為蒙古櫟純林>油松×蒙古櫟混交林>椴樹純林>白樺純林>油松純林>青楊純林>粉樺×云杉混交林(圖2)。其中蒙古櫟純林和油松×蒙古櫟混交林未分解層和半分解層的厚度都顯著大于油松純林、粉樺×云杉混交林。

注：圖中圓圈處為樣地標準木所在地，軸線為到標準木中心的距離(cm)。圖1 各林分枯落物分布

注：圖柱上方不同大小寫字母表示不同林分未分解層和半分解層間差異顯著(p<0.05)，n=168。下同。圖2 各林分枯落物厚度

2.2 枯落物蓄積量

由圖3可知，枯落物蓄積量表現為針葉林[(545±163.01) g/m]大于針闊葉混交林[(295±34.73) g/m]和闊葉林[(241.25±90.88) g/m]，且半分解層大于未分解層，其占比分別為59.78%～71.93%和28.07%～40.22%。各林分枯落物蓄積量為142～545 g/m，相對順序為油松純林>青楊純林>油松×蒙古櫟混交林>白樺純林>粉樺×云杉混交林>蒙古櫟純林>椴樹純林?？萋湮镄罘e量受樹木種類及數量的影響，如油松純林枯落物蓄積量最大(545 g/m)約為其他林分的1.44～3.83倍，因為針葉樹的葉片脂質含量較高，且葉纖維發達木質素含量高，不易分解，故針葉林枯落物蓄積量高于闊葉林和針闊葉混交林。青楊純林由于葉片大且每年落葉多枯落物分布范圍大，所以蓄積量也相對較高。椴樹純林葉片小且薄，故蓄積量最小。

圖3 各林分各層枯落物蓄積量

2.3 枯落物吸持能力

2.3.1 基于浸泡法的枯落物吸持能力 所測定的7種林分枯落物最大持水量和有效攔蓄量變化分別為0.69～1.69，0.56～1.37 mm，其均值為(1.21±0.32)，(0.96±0.25) mm。不同樹種枯落物持水率呈現出闊葉林(489.6%±13.4%)和針闊混交林(396.0%±26.2%)大于針葉林(269.8%±4.9%)，且持水量表現為半分解層[(0.82±0.23) mm]大于未分解層[(0.39±0.13) mm]?？萋湮镒畲蟪炙屎陀行r蓄率表現為椴樹純林>白樺純林>蒙古櫟林>青楊純林>粉樺×云杉混交林>油松×蒙古櫟混交林>油松純林(表2)。其中最大持水率和有效攔水率最大的樹種為椴樹純林，分別為501.6%和409.7%，最小的為油松純林，分別為269.8%和208.5%。7個樹種持水能力的相對順序為青楊純林>白樺純林>油松×蒙古櫟混交林>粉樺×云杉混交林>油松純林>蒙古櫟林>椴樹純林，其枯落物持水能力最強的樹種為青楊純林，最大持水量為1.69 mm，有效攔蓄量為1.37 mm。

表2 各林分枯落物持蓄能力

為消除枯落物蓄積量的影響，本研究對單位質量枯落物的吸持能力進行分析。所有林分枯落物的吸持量和吸持速率隨浸泡時間的變化趨勢都基本一致(圖4)，浸泡初期吸持速率最高，吸持量增加迅速，前1 h內枯落物已基本達到最大吸持量的90.0%，之后增幅逐漸平緩，8 h后基本趨于穩定，24 h已達到飽和。各林分枯落物吸持速率和吸持量在前期表現為：半分解層>未分解層，闊葉林、針闊混交林>針葉林，后期相差不大。7種林分枯落物吸持能力表現為油松純林吸持能力最小(0.53 mm)，其余樹種吸持能力相差不大，均為油松純林的1.5～1.6倍。

圖4 各林分單位質量枯落物吸持量及吸持速率隨浸泡時長的動態變化

2.3.2 基于模擬降雨法枯落物吸持能力 所有林分枯落物對于降雨的吸持過程基本一致，可分為快速濕潤和穩定增長2個階段(圖5)?？焖贊駶欕A段，枯落物吸持量可達到最終吸持量的80%左右，且歷時隨著雨強的增加而縮短。由于雨強、降雨歷時、枯落物量等因素的差異，各階段持續時長也存在差異。如椴樹純林質量較小，其快速濕潤持續了20 min，而白樺純林、青楊純林持續了25 min。7種林分的最終吸持量總體表現為闊葉林[(0.37±0.08) mm]>針闊葉混交林[(0.35±0.07) mm]>針葉林[(0.32±0.06) mm]，具體表現為青楊純林>粉樺×云杉混交林>白樺純林>椴樹純林>蒙古櫟純林>油松純林>油松×蒙古櫟混交林，其中最大的為青楊純林[(0.41±0.08) mm]。

圖5 不同雨強下各林分枯落物吸持量及吸持速率隨降雨歷時的動態變化

2.3.3 浸泡法和模擬降雨法的比較 分析發現，2種方法枯落物吸持水分的過程是基本一致，均為由快速增長到緩慢增長，直到逐漸趨于飽和。為了將2種方法得到結果進行對比，選擇2種方法枯落物在1 h時的吸持率進行對比研究。浸泡法枯落物吸持率顯著大于模擬降雨法(表3)，且雨強越大差距越小，模擬降雨3種雨強下得到吸持率分別為48.8%～230.4%，79.7%～225.2%，82.3%～325.7%，而浸泡試驗的持水率則達到236.1%～443.0%。這是因為在模擬降雨以及自然界真實降雨的情況下，降雨因受到風力、水汽等因素，并非均勻地落在枯落物上；且枯落物是經過長期積累風化的，下層的枯落物無法達到浸泡試驗中枯落物水分充分飽和的條件。

表3 2種試驗方法枯落物吸持率的對比

3 討 論

枯落物層作為森林生態系統的第2個功能層，在森林水源涵養過程中發揮著最重要的作用。其覆蓋于森林地表，避免了降水和地上徑流與土壤的直接接觸，起到了攔蓄降水的作用，很大程度上減少了雨滴動能，分散滯緩了地表徑流，減少了土壤侵蝕，平均能夠削減9.1%的大氣降水總動能。同時枯落物結構疏松多孔，吸持能力強，且分解后能夠改良土壤理化性質，增加水分入滲，抑制土壤水分蒸發。 已有研究發現，枯落物與土壤相互作用下的對降水的吸持量可達到占整個森林生態系統水源涵養總量的80.0%以上。

枯落物分布范圍及厚度不僅受林分類型、林齡、密度等因素的影響，同時還受地形、坡面位置以及自身堆積情況的影響。本研究中枯落物覆蓋面積和厚度闊葉林大于針闊葉混交林和針葉林的特征，主要是由于闊葉樹葉片大、落葉多，針葉樹葉片小落葉量少。本研究發現，所有林分枯落物分布范圍及厚度均沿坡面表現出較強的差異性，具體為坡下大于坡上。因為研究地坡度較陡，在長期的主要風向、降雨過程中地表徑流的沖刷、泥沙運移以及自身自重的作用下，枯落物發生位移堆積在坡下。且由于地形因素的影響地表含水量存在差異，坡下土壤水分及有機質含量相對較多，更有利于促進枯落物的分解，導致半分解層枯落物坡上坡下的厚度差異更大。同時如果枯落物蓄積量較大，風吹、徑流泥沙沖刷運移過程中的阻力更大，所以上下坡的差異性較??；枯落物蓄積量較小則阻力小，在風力、徑流及泥沙的長期搬離、運移、堆積后枯落物厚度區別會較大。以往關于不同坡位下枯落物分布特征的相關研究較少，但也有研究發現，枯落物厚度、蓄積量、蓋度及混入量沿坡面分布有顯著差異性，同樣表現為坡下大于坡上。當坡度較陡時，坡位的不同會造成枯落物分布不均，從而影響其對減緩坡面徑流的緩沖作用，坡上枯落物分布的減少會造成其水源涵養功能下降，而坡下林分的水源涵養功能會相對更好。

枯落物吸持率受到林分類型、葉片本身的形態及分解程度等因素的影響。本研究中吸持量表現為半分解層大于未分解層，這是由于半分解層的枯落物已進入分解狀態，部分枯落物已經轉化為腐殖質，同時存在少量的動物殘體，故其吸持能力更強。且半分解層蓄積量較未分解層更大，故其吸持量也更大，與已有研究結果一致。本研究中，2種方法枯落物對降水的吸持率均表現為闊葉林大于針葉林，與楊霞等的研究結果一致。

這是由于闊葉林枯落物葉片面積較大增加了與雨水的接觸空間，且其葉片表面有毛狀體吸附力較大，可以有效滯留水滴，還有一些闊葉林葉片卷曲形態也更加有利于雨水聚集。而針葉林的枯落物表面油脂較多不易儲存水分，且針葉狀的殘體形態，導致其枯落物堆積排布并沒有闊葉林密實，孔隙度較大，故相對于其他林分吸持過程中下滲流失至地表的水分較多。對于雨強大、歷時短的降雨，闊葉林對降水的吸持作用更好，因為其吸持率顯著高于針葉林。與前人研究闊葉林持水量大于針葉林的結論有出入，可能是因為本研究中浸泡法下蒙古櫟純林、椴樹純林最大持水量小于油松純林，模擬降雨法下油松×蒙古櫟混交林最終吸持量小于油松純林?？萋湮镄罘e量是引起上述現象的主要原因，枯落物吸持量主要取決于吸持能力及蓄積量，一般蓄積量越高，枯落物持水能力越強，油松純林的蓄積量遠高于蒙古櫟純林和椴樹純林。

4 結 論

(1)各林分枯落物的覆蓋面積和厚度均表現為闊葉林大于針闊葉混交林和針葉林，且厚度表現出坡下大于坡上的特征。

(2) 浸泡法和模擬降雨法下小五臺山地區林分枯落物水源涵養能力總體均表現為闊葉林和針闊混交林優于針葉林，其中青楊純林和白樺純林枯落物水源涵養能力最強。在今后水源涵養林的樹種篩選中可考慮多選擇青楊和白樺等闊葉樹，以提高其水源涵養能力。

(3)所有林分枯落物吸持率均表現為浸泡法大于模擬降雨法，且雨強越大差距越小，只采用傳統的浸泡法進行研究可能會導致研究結果較實際情況偏大，應結合模擬降雨法進行研究。