百花山不同林分枯落物层水文效应研究

百花山不同林分枯落物层水文效应研究

森林凋落物是森林生态系统的重要组成部分，是森林水文效应的第二个活动层。它在促进降水、防止土壤侵蚀、堵塞地表径流量、抑制土壤水分蒸发、改善土壤侵蚀等方面发挥着重要作用。百花山森林生态系统以华北石质山区次生落叶阔叶林为主体,国内对于该区的研究主要集中在物种多样性、地质、土壤等方面,对水文功能的研究则相对较少。本文对百花山不同林分枯落物层和土壤层的水文效应做了定量研究,旨在为森林健康的监测和评价提供一定的理论依据。1苏集地区自然气候区百花山位于北京市西郊,地理坐标东经115°30′～115°38′,北纬39°49′～39°53′,属于太行山脉,最高处百花草畔海拔2035m。该区属典型大陆性季风气候区,年均气温6～7℃,年积温≥3800℃,全年无霜期110d左右,年降水量超过700mm,其中70%集中在6月至8月。土壤随海拔增高而变化,海拔1000m以下的低山地带为地带性褐土类;1000～1800m的中山地带为山地棕壤土;1800m以上为亚高山草甸土。百花山植物种类繁多,高等植物共计有131科,485属,1100种,其中,紫椴和黄檗属国家重点保护植物。2学习方法2.1枯落物风干重测定选择本区有代表性的林分类型,在典型地段设置面积为20m×20m的标准地,并对林木进行每木检尺,测量胸径、树高、冠幅等因子(表1)。在每块标准地内,分坡面上部、中部和下部各取面积为50cm×50cm的样方3个,测定样方内枯落物层厚度后,按未分解层枯落物、半分解层枯落物分别收集装入尼龙袋,并迅速称其鲜重。然后放置于实验室干燥通风处7d以上,直至用手触摸无潮湿感时,称其重量作为枯落物风干重。计算出枯落物的干基(风干)自然含水率和单位面积干基(风干)蓄积量。2.2吸水速度和吸水过程采用室内浸泡法测定枯落物持水量及其吸水速度,将枯落物浸入水中后,分别测定其在30min,1h,2h,4h,6h,8h,10h和24h的重量变化,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。2.3降雨拦蓄量的计算有效拦蓄量(modifiedinterception)可用来估算枯落物对降雨的实际拦蓄量,即:W=(0.85Rm−Ro)MW=(0.85Rm-Ro)Μ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)。2.4取样长度2040cm土壤调查采用剖面法,在各标准地选取有代表性样点,分别按0～10cm,10～20cm,20～40cm取样。用烘干法测定土壤含水量,用环刀法测定土壤容重、孔隙度等物理性质,土壤持水力S=10000hp,式中,S——土持水力(t/hm2),h——土壤层厚度(m),p——非毛管孔隙度(%)。2.5土壤入渗测试采用双环法测定土壤入渗性能。3结果与分析3.1林分枯落物储量林分的树种组成不同,林分的生长状况、林地内的水热条件等都有所不同,而这些因素将影响到枯落物的输入量、分解速度,从而影响到林内枯落物的蓄积量。由表2可知,4种林分类型下枯落物储量有一定差别,华北落叶松林的储量最大,为10.27t/hm2,其次为核桃楸林和辽东栎林,黑桦林的枯落物储量最小,为7.04t/hm2,这一差别主要是由于针阔叶树种组成不同所致。分析不同林分枯落物未分解层、半分解层储量可以看出,各层次储量所占比例不同,核桃楸林下枯落物未分解层所占比例最小,占总储量的41.64%;而华北落叶松林下枯落物未分解层所占比例最大,占总储量的61.64%,这可能是由于阔叶树落叶分解较快,而针叶树落叶难以分解的缘故。3.2干流场水文效果3.2.1枯落物最大持水率4种林分枯落物的最大持水量有所不同(表3),核桃楸林的最大持水量最大,为27.72t/hm2,相当于2.7mm水深,黑桦林和辽东栎林次之,分别为19.01t/hm2,14.72t/hm2,华北落叶松林的最大持水量最小,为12.84t/hm2;枯落物最大持水率的变动范围在222.83%～379.21%之间,依次为:核桃楸林>黑桦林>辽东栎林>华北落叶松林,与最大持水量的变化规律一致。由于枯落物的分解程度影响枯落物层的持水能力,分解程度越高,半分解层枯落物量越大,枯落物层的持水能力越高,所以阔叶树枯落物的持水能力普遍高于针叶树。3.2.2枯落物拦截蓄地表径流枯落物持水量与浸泡时间具有一定的相关关系,由表4可知,在最初浸泡的半个小时内,枯落物持水量迅速增加,而后随着浸泡时间的延长呈现不断增加的趋势,且增加速度逐步放缓。这一趋势与枯落物拦蓄地表径流规律相似,即降雨初期,枯落物拦蓄地表径流功能较强,此后随枯落物湿润程度的增加,吸持能力降低。此外,半分解层枯落物持水量在浸泡8h时已基本达到饱和,而未分解层持水量浸泡10h时基本达到饱和,说明4种林分枯落物未分解层持水能力均高于半分解层。对0.5～24h之间4种林分枯落物各层持水量与浸泡时间的关系进行回归分析,得出该时间段内持水量与浸泡时间之间存在如下关系(表5):Q=aln(t)+b式中:Q——枯落物持水量(g/kg);t——浸泡时间(h);a——方程系数;b——方程常数项。3.2.3水中吸水速率4种林分枯落物的吸水速率表现出一定的规律性。枯落物在前半小时内吸水速率最大,之后急剧下降,4h左右时下降速度明显减缓。虽然不同林分枯落物在浸入水中刚开始时吸水速率相差较大,但随浸泡时间延长,枯落物吸水速率趋向一致。这主要是因为随着浸泡时间增长,枯落物持水量接近其最大持水量,也就是说地被物逐渐趋于饱和,其持水量增长速度随之减缓所致。对4种林分不同层次枯落物吸水速率与浸泡时间进行拟合,发现其关系如下:V=ktnV=ktn式中:V——枯落物吸水速度(g/kg·h);t——浸泡时间(h);k——方程系数;n——指数。由分析拟合得到林下地被物吸水速率V与浸泡时间t之间的方程式(表6)。3.2.4不同林分枯落物的拦蓄能力4种林分类型下不同层次枯落物的拦蓄能力不同(表7)。从有效拦蓄率看,未分解层和半分解层呈相同的变化规律,即核桃楸林>黑桦林>辽东栎林>华北落叶松林。由于不同林分枯落物的蓄积量不同,有效拦蓄量和有效拦蓄量深的变化规律不尽相同,未分解层中,核桃楸林的有效拦蓄能力最强,为13.75t/hm2,相当于拦蓄1.38mm的降雨,黑桦林和华北落叶松林次之,分别为1.03mm和0.93mm,辽东栎林的有效拦蓄能力最小,为0.81mm;半分解层的变化规律则为核桃楸林>黑桦林>辽东栎林>华北落叶松林,综合未分解层和半分解层的变化规律可知,4种林分中核桃楸林的拦蓄能力最强。3.3土壤水文效果3.3.1林分类型与土壤容重、土壤持水力的关系土壤容重和孔隙度是反映土壤物理性质的重要参数,容重反映土壤透水性、通气性和根系延展时阻力的大小,孔隙度则是土壤中养分、水分、空气和微生物等的迁移通道、贮存库和活动场所。从表8可知,4种林分类型土壤容重的总体变化不大,具体表现为核桃楸林的土壤容重最大,为1.24g/cm3,辽东栎林和华北落叶松林次之,分别为1.18,1.16g/cm3,黑桦林的最小,为1.09g/cm3。总孔隙度的变化趋势为:黑桦林>辽东栎林>核桃楸林>华北落叶松林;而非毛管孔隙度与土壤持水力密切相关,表现为辽东栎林>核桃楸林>华北落叶松林>黑桦林,分别为:4.59%,4.28%,3.83%和3.09%。土壤持水能力表现为:辽东栎林持水能力最强,为266.22t/hm2,华北落叶松林和核桃楸林次之,黑桦林土壤的持水能力最差,为219.39t/hm2。3.3.2种林分的入渗特性土壤的渗透性是土壤重要的水分物理性质之一,也是林分涵养水源的重要指标。土壤渗透性的好坏,直接关系到地表产生径流的大小,渗透性能越好,地表径流越少,土壤侵蚀量也会相应减少,表9为4种林分类型土壤的入渗特性指标。4种林分土壤的初渗速率相差较大,华北落叶松林的初渗速率为21.00mm/min,辽东栎林的只有5.18mm/min,二者相差4.05倍,随着时间的推移,入渗速率逐渐减慢,最终的稳渗速率在0.02～0.05mm/min之间变动,所以4种林分的稳渗速率比较接近。从入渗过程(图1～4)看,核桃楸林在24min时达到稳渗,辽东栎林在16min时达到稳渗,且入渗速率与入渗时间存在较好的幂函数关系(表9),即:f=at-b,式中:f——入渗速率(mm/min),a和b——常数,t——入渗时间(min)。拟合的幂函数曲线相关系数均在0.98以上。4枯落物拦蓄能力(1)百花山4种林分枯落物的储量在7.04～10.27t/hm2之间,其中华北落叶松林枯落物的储量最大,黑桦林的储量最小。(2)阔叶林枯落物的持水能力较针叶林强,核桃楸林的最大持水量最大,为27.72mm/hm2,相当于2.7mm水深,是华北落叶松林枯落物持水能力的2.16倍。(3)不同层次枯落物的拦蓄能力不同