寧夏六盤山主要森林類型枯落物持水能力研究

寧夏六盤山主要森林類型枯落物持水能力研究

作為森林水文的第二個(gè)功能區(qū)，它在減少降水、阻斷排水、減少土壤水分蒸發(fā)和水土流失等方面發(fā)揮著重要作用。目前,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在不同區(qū)域?qū)Χ喾N森林類型下的枯落物特性作了大量研究,取得了一定成果。美國(guó)著名森林水文學(xué)家Lee等認(rèn)為,枯落物對(duì)降雨的截留量取決于枯落物的蓄水容量;趙艷云等綜述了國(guó)內(nèi)外近年來的枯落物水文特征研究;余新曉等研究了貢嘎山東坡峨眉冷杉林(Abiesfabri)地被物的分布及其水文效應(yīng);張洪江等對(duì)三峽庫(kù)區(qū)松櫟混交林、栓皮櫟(Quercusvariabilis)純林和馬尾松(Pinusmassoniana)林的林下枯落物蓄積量及其持水特征進(jìn)行了研究;韓同吉等和李延成等對(duì)山東地區(qū)的枯落物蓄水特征進(jìn)行了研究;高人等對(duì)遼寧東部幾種森林枯落物的蓄積量和持水性能進(jìn)行了研究;張雷燕等和魏文俊等對(duì)寧夏六盤山地區(qū)的部分植被類型的林下枯落物進(jìn)行了研究。但他們的研究大多只是分析了各地區(qū)枯落物的蓄積量及其持水特性,很少同時(shí)對(duì)枯落物的截留和蒸發(fā)與枯落物的持水能力進(jìn)行研究,因此,未能反映枯落物的實(shí)際持水能力,也未能全面反映本地區(qū)森林枯落物的水文特征,對(duì)此有待于進(jìn)一步深入研究。此外,基于傳統(tǒng)方法計(jì)算的枯落物截留量已被較為廣泛應(yīng)用,但它與枯落物實(shí)際截留量的差異如何,現(xiàn)在研究的還比較少?？萋湮锞哂幸欢ǖ恼舭l(fā)作用,但對(duì)它在林分總蒸發(fā)中的作用了解的還比較少,也有待于加強(qiáng)相關(guān)研究。本研究對(duì)六盤山地區(qū)的枯落物實(shí)際截留量與傳統(tǒng)方法計(jì)算的截留量對(duì)比,分析其差異性,以期為進(jìn)一步了解該區(qū)的枯落物水文作用提供科學(xué)依據(jù)。1生長(zhǎng)、植被及土壤研究地點(diǎn)位于六盤山自然保護(hù)區(qū)的香水河小流域,處在黃土高原中西部的寧夏回族自冶區(qū)南端,是黃河重要支流涇河的源頭,海拔2060～2931m,東經(jīng)106°09′～106°30′、北緯35°15′～35°41′,處于暖溫帶半濕潤(rùn)區(qū)向半干旱區(qū)的過渡帶,屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均溫度5.8℃,7月平均氣溫17.4℃,1月平均氣溫-7.0℃,年均降水量591.6mm(涇源站),多集中于6—9月份。香水河小流域植被保存完好,覆蓋度為70%～80%,森林植被主要為天然次生林,如山楊(Populusdavidiana)、紅樺(Betulaalbo-sinensis)、白樺(Betulaplatyphylla)、遼東櫟(Quercusliaotungensis)、華山松(Pinusarmandii)、少脈椴(Tillapaucicostata)等;人工林以華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、油松(Pinustabulaeformis)林為主;在山體陽(yáng)坡,還分布著大量灌叢;高海拔(2700m以上)地區(qū)則分布著亞高山草甸群落。流域內(nèi)土壤主要是灰褐土,此外還分布著一定面積的亞高山草甸土。土壤中礫石較多,成土母質(zhì)為沙質(zhì)泥巖、頁(yè)巖、灰?guī)r風(fēng)化的殘積物和坡積物。2學(xué)習(xí)方法2.1白樺、遼東櫟、林公的混交林和林分選擇本研究共設(shè)置了12個(gè)樣地,包括3種針葉林(油松、華北落葉松、華山松)、5種闊葉林(遼東櫟、紅樺、山楊、白樺、遼東櫟與少脈椴混交林)和暴馬丁香(Syringaamurensis)--灰子(Cotoneasteracutifolius)灌叢、華西四蕊槭(Acertetramerum)--石棗子(Euonymussanguineus)灌叢和李(Prunussalicina)灌叢共3種灌叢。各樣地特征見表1。2.2學(xué)習(xí)方法2.2.1未分解層和半分解層厚度的測(cè)定在研究樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置5個(gè)0.6m×0.6m的小樣方;在樣方內(nèi),隨機(jī)選擇10個(gè)點(diǎn)用以測(cè)定枯落物未分解層和半分解層的厚度及總厚度,取其平均值;再按未分解和半分解層分別收集樣品,帶回室內(nèi)稱濕重,然后在85℃下烘干后稱重,測(cè)定其干重,以推算單位面積的枯落物蓄積量。2.2.2枯落物層攔蓄量測(cè)定方法采用室內(nèi)浸泡法測(cè)定。將原狀枯落物樣品分別裝入尼龍袋,在清水中浸泡24h,然后稱重,計(jì)算其最大持水率,每個(gè)植被類型重復(fù)3次?？萋湮镒畲蟪炙?t/hm2)采用最大持水率與枯落物蓄積量的乘積計(jì)算,并換算成水深(mm)表示。枯落物層的最大攔蓄率即為最大持水率,根據(jù)枯落物層的蓄積量和其雨前實(shí)測(cè)平均自然持水率,可推算出其最大攔蓄量。因?yàn)樯降仄旅嫔弦话悴粫?huì)出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的浸水條件,落到坡面的雨水除一部分被枯落物層攔蓄吸收外,絕大部分很快透過枯落物層入滲到土壤中。據(jù)雷瑞德的研究,當(dāng)降雨量達(dá)到20～30mm以后,不論哪種植被類型的枯落物層及其含水量高低,實(shí)際持水率約為最大持水率的85%左右,所以取調(diào)整系數(shù)0.85來估算枯落物層的有效攔蓄量:Wm=(Rm?R0)MW=(0.85Rm?R0)MWm=(Rm-R0)ΜW=(0.85Rm-R0)Μ式中:Wm為最大攔蓄量(t/hm2);W為有效攔蓄量(t/hm2);Rm為最大持水率(%);R0為平均雨前自然含水率(%);M為枯落物蓄積量(t/hm2)。在各研究樣地內(nèi),按未分解層、半分解層分別取枯落物樣品,帶回室內(nèi)于85℃下烘到恒重,測(cè)其自然含水率,每月的上、中、下旬各測(cè)定1次。試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)。2.2.3枯落物的吸水過程測(cè)定取部分未分解層和半分解層枯落物樣品,稱重后裝入尼龍袋內(nèi),在分別浸泡5、15、30、50min,1.3、2.2、3.3、4.8、6.8、9.3、12.3、24h后稱重,每次取出后靜置5min左右,直至枯落物不滴水為止,迅速稱枯落物的濕重并進(jìn)行記錄,如此即可測(cè)定枯落物的吸水過程,每個(gè)植被類型重復(fù)4次。2.2.4枯落物截量測(cè)定研究時(shí)段為2005年6月19日—7月26日,取遼東櫟與少脈椴混交林樣地周圍未受干擾的原狀枯落物,置于面積為40cm×40cm的不銹鋼網(wǎng)筐內(nèi),每隔一定時(shí)間測(cè)定枯落物重量,在無降雨情況下,兩次測(cè)定之間的枯落物水分損失量為枯落物蒸發(fā)量,在有降雨情況下,雨后迅速測(cè)定,其質(zhì)量增加部分為枯落物截留量。3結(jié)果與分析3.1林下枯落物蓄積量六盤山主要森林植被類型枯落物蓄積量的調(diào)查表明(表2),各林分類型間差異較大,以油松林下枯落物蓄積量最大,達(dá)30.86t/hm2,李灌叢林下枯落物現(xiàn)存量最小,僅4.87t/hm2。針葉林下枯落物量介于16.00～30.86t/hm2,平均為21.72t/hm2;闊葉林的枯落物蓄積量為7.78～13.91t/hm2,平均為10.33t/hm2;灌叢的枯落物蓄積量為4.87～5.96t/hm2,平均為5.51t/hm2?？傮w來看,針葉林>闊葉林>灌叢,這主要是由于針葉林枯落物分解速率較慢,故其積累量較大;闊葉林下枯落物年生產(chǎn)量很大,但由于較易分解而積累量較少;而灌叢林下枯落物生產(chǎn)量低且易分解,故其蓄積量最小。主要森林植被類型林下枯落物蓄積量(t/hm2)依次為油松(30.86)>華北落葉松(18.95)>華山松(18.13)>白樺(13.91)>山楊(12.10)>遼東櫟(9.50)>紅樺(8.34)>遼東櫟與少脈椴混交林(7.78)>華西四蕊槭-石棗子灌叢(5.96)>暴馬丁香--灰子灌叢(5.71)>李灌叢(4.87)。從枯落物組成來看,基本規(guī)律是半分解層蓄積量高于未分解層。從不同林分類型來看,針葉林半分解層蓄積量占總蓄積量的比例平均為73.21%,闊葉林為65.41%,針葉林和闊葉林的差別主要是由它們分解速度的差異造成的。從枯落物層的厚度來看,一般為半分解層大于未分解層?？萋湮飳拥目偤穸冉橛?.9～5.7cm,其中,遼東櫟林的最厚,李灌叢的最薄;枯落物半分解層厚度為1.6～3.9cm,未分解層厚度為0.6～2.4cm。從不同林分類型來看,枯落物厚度依次為闊葉林>針葉林>灌叢。3.2枯落物層有效攔蓄量表3為主要林分類型枯落物的持水能力,分別表示為最大持水率、最大持水深,其大小與林分類型、組成、枯落物分解狀況和蓄積量等有關(guān)。不同植被類型枯落物未分解層的最大持水率為150.32%～439.27%,平均為295.27%;半分解層枯落物最大持水率為174.02%～388.57%,平均為283.48%;按蓄積量加權(quán)平均的整個(gè)枯落物層的最大持水率為177.68%～387.42%,平均為279.87%。從不同林分類型來看,闊葉林枯落物層的最大持水率平均為339.15%,灌叢為233.55%,針葉林為227.39%,即闊葉林>灌叢>針葉林。從枯落物層的最大持水深看,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,李灌叢枯落物的最小。不同森林植被類型的大小順序依次為油松(7.6mm)>華山松(4.6mm)>山楊(4.5mm)>白樺(4.4mm)>遼東櫟(3.7mm)>華北落葉松(3.5mm)>紅樺(2.5mm)=遼東櫟+少脈椴(2.5mm)>華西四蕊槭-石棗子灌叢(1.9mm)>暴馬丁香--灰子灌叢(1.2mm)>李灌叢(0.9mm)。就不同林分類型來看,灌叢枯落物層的最大持水深最小,一般都在2mm以下,平均為1.3mm;闊葉林枯落物層最大持水深介于2.5～4.5mm,平均為3.5mm;針葉林枯落物層最大持水深介于2.9～7.6mm,平均為4.8mm。為估算枯落物層的可能攔蓄量,本研究計(jì)算了其最大攔蓄量和有效攔蓄量(表4)。最大攔蓄量反映的是扣除枯落物層本身含水量占據(jù)的持水容量以外的枯落物層持水能力大小,代表最大可能的降雨截留量。結(jié)果表明,各植被類型的最大攔蓄量介于0.36～4.96mm,平均為1.98mm。從不同林分類型來看,針葉林的最大攔蓄量最高,平均達(dá)2.67mm;其次為闊葉林的2.17mm;灌叢最小,僅為0.75mm。最大攔蓄量仍不能反映枯落物層對(duì)實(shí)際降水的攔蓄情況,因此需要計(jì)算枯落物的有效攔蓄量。結(jié)果表明(表4),各森林枯落物層的有效攔蓄量為0.23～3.82mm,平均為1.47mm。其中,針葉林的有效攔蓄量平均為1.95mm,闊葉林平均為1.64mm,灌叢平均為0.55mm。但有效攔蓄量也只是表示其有效截留量的可能值,因?yàn)樵诮涤炅枯^小時(shí),由于截留時(shí)間和機(jī)會(huì)較少,實(shí)際攔蓄量會(huì)低于此值。3.3分散層水處理的分析3.3.1枯落物持水量利用浸泡試驗(yàn)測(cè)定的不同枯落物持水率變化過程,按不同植被類型的未分解層和半分解層,分別計(jì)算其持水量(g/kg)隨浸泡時(shí)間(h)的關(guān)系(圖1),并進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)如下關(guān)系較好:S=klnt+p。式中:S為單位重量枯落物持水量(g/kg);t為(浸泡)時(shí)間(h);k為方程系數(shù);p為方程常數(shù)項(xiàng)。圖1顯示了遼東櫟和華山松樣地的枯落物未分解層和半分解層的持水量隨浸泡時(shí)間的變化趨勢(shì)。由此可見,枯落物持水量隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加,在浸泡開始時(shí),枯落物吸水量增加較快,這個(gè)階段一般在2h以內(nèi),尤其是在0.5h以內(nèi)吸水最快;隨時(shí)間延長(zhǎng),吸水速率逐漸減小,大約在5～8h時(shí)接近飽和,基本趨于穩(wěn)定。各植被類型林下枯落物隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相似。表5說明了各森林植被類型枯落物層持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系。從枯落物不同層次的持水量來看,除紅樺和華西四蕊槭-石棗子灌叢的枯落物未分解層持水量大于半分解層的外,其他幾種植被類型均是半分解層持水量大于未分解層的。3.3.2枯落物活性模型各植被類型的枯落物未分解層、半分解層吸水速率與浸泡時(shí)間存在著明顯關(guān)系。對(duì)所研究的枯落物進(jìn)行擬合,得到合適的關(guān)系為:V=b0+b1t-1。式中:V為枯落物吸水速率,t為浸泡時(shí)間,b0、b1為方程系數(shù)。分析擬合后,得到林下枯落物吸水速率V與浸泡時(shí)間t之間的關(guān)系式,見表6。3.4浸泡法/實(shí)際截持量對(duì)比在2005年6月19日—7月26日的野外研究期間,總降雨量為227.1mm,枯落物實(shí)際截留量為4.5mm,截留率為1.98%?？萋湮锏膶?shí)際截留量受枯落物降雨前含水量高低、雨量大小和降雨時(shí)間長(zhǎng)短等因素影響,因此變化較大。如2005年6月29日—7月5日連續(xù)降雨量154.4mm,由于枯落物前期含水率已達(dá)107.92%,其截留量較小,只有1.25mm;而2005年7月22日一場(chǎng)35.9mm的降雨量,由于其前期含水率較小,僅32.73%,其截留量達(dá)1.65mm。對(duì)野外研究期間的4場(chǎng)降雨基于浸泡法測(cè)定而計(jì)算的枯落物截留量結(jié)果表明(表7),基于浸泡法的截留量在多數(shù)降雨中存在高估現(xiàn)象,并且降雨量越小,高估現(xiàn)象越嚴(yán)重。例如1.7mm的降雨時(shí),實(shí)際截留量?jī)H0.1mm,而按浸泡法估計(jì)的截留量達(dá)1.8mm;而較大雨量時(shí),例如154.4mm降雨時(shí),其基于浸泡法計(jì)算的截留量與實(shí)際截留量誤差較小。從這4場(chǎng)降雨的實(shí)際截留量與基于浸泡法計(jì)算的截持量來看,相對(duì)誤差是很大的,這說明調(diào)整系數(shù)取0.85過大,本研究中取0.75是比較合適的。同時(shí),浸泡法對(duì)于較大雨量時(shí)的枯落物截留計(jì)算比較準(zhǔn)確,但對(duì)較小雨量的枯落物截留計(jì)算不適合。這主要是由于:較小雨量不能使枯落物達(dá)到飽和狀態(tài),不具備浸泡法公式計(jì)算的條件,因此誤差較大。3.5枯落物蒸發(fā)特征許多學(xué)者對(duì)枯落物抑制土壤蒸發(fā)的作用有較多研究,但枯落物本身持有水分也存在蒸發(fā)。例如在2005年6月19日—7月26日,遼東櫟與少脈椴混交林分枯落物累計(jì)蒸發(fā)量為4.38mm,日蒸發(fā)量變化在0.02～0.22mm,平均日蒸發(fā)量達(dá)(0.12±0.058)mm。熊偉等在同一樣地測(cè)定的7—10月林分總蒸散量為1.45mm/d,其中,枯落物蒸發(fā)占總蒸散量的8.28%?？萋湮镎舭l(fā)受多因素影響,如冠層蓋度、溫度、濕度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射、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。圖2為研究期間的降雨量和水面蒸發(fā)量。在降雨前,枯落物含水率較低,日蒸發(fā)速率由于可供蒸發(fā)水分少而很低;在降水結(jié)束后,枯落物因含水率變大,其蒸發(fā)速率升至高水平,之后隨枯落物含水率減少而逐漸下降,直至下次降雨。分析表明(圖3),枯落物蒸發(fā)速率隨其含水率增加而呈S形曲線增長(zhǎng),其關(guān)系式為:E=exp[-(1.773+20.973C-1)],r2=0.68。式中:E為枯落物蒸發(fā)速率,C為枯落物含水率。4討論4.1枯落物攔截能力枯落物持水是森林的重要水文功能之一,森林枯落物層的最大持水能力反映了其最大截留量,是其潛在的蓄水能力,因此經(jīng)常被作為森林水文生態(tài)功能的一個(gè)重要指標(biāo)。與我國(guó)其他地區(qū)森林枯落物相比,六盤山地區(qū)主要林分類型的枯落物最大持水率較大,平均為283.48%,比韓同吉等和楊吉華等研究的各人工林類型的結(jié)果要大;就各地區(qū)森林枯落物層的最大持水深來看,六盤山森林平均為3.4mm,其他幾個(gè)研究地區(qū)平均為4.2mm,本區(qū)枯落物最大持水深較小,比我國(guó)東部地區(qū)的山東、江蘇和重慶三峽等地的人工林要大,而比我國(guó)西部的縉云山、祁連山和貢嘎山的明顯偏低,這可能主要受不同地區(qū)的林分枯落物的蓄積量、持水能力、林分類型等因素影響有關(guān),我國(guó)西部的縉云山、祁連山和貢嘎山等地植被保存完好,林下枯落物蓄積量大,且其最大持水率也較高,這也是它們的最大持水深較高的原因?？萋湮锏挠行r蓄量多數(shù)情況是低于最大持水量的,相對(duì)于最大持水量和最大攔蓄量,有效攔蓄量更能反映枯落物的現(xiàn)實(shí)截持能力。余新曉等的研究認(rèn)為,枯落物截留量一般為最大持水量的80%左右,但雷瑞德研究證實(shí),當(dāng)降雨量達(dá)20～30mm以后,不論哪種植被類型、枯落物層含水量高低,實(shí)際持水率約為最大持水率的85%左右。實(shí)際上,枯落物的截持降水作用與枯落物前期干燥程度、林內(nèi)降雨大小等因素有關(guān)。據(jù)此計(jì)算,六盤山區(qū)森林枯落物層有效攔蓄量平均為1.47mm,而根據(jù)2005年6月19日—7月26日期間測(cè)定枯落物實(shí)際截留量的結(jié)果表明,基于浸泡法計(jì)算的有效攔蓄量結(jié)果高估了枯落物的截留能力,研究初步認(rèn)為,實(shí)際持水率一般為最大持水率的75%左右。但由于枯落物截留降雨的能力受枯落物含水率、蓄積量、降雨量、降雨歷時(shí)等因素的影響,而目前還難以量化這些因素的影響,因此在以后的研究中需結(jié)合野外觀測(cè),量化相關(guān)因素的影響,為枯落物截留降雨能力的模擬提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。4.2對(duì)林下微氣候的影響劉向東等對(duì)黃土高原地區(qū)油松林下枯落物蒸發(fā)研究表明,枯落物層在降雨終止后第1天,平均蒸發(fā)速率達(dá)0.502mm/d,此后逐日下降,并呈遞減指數(shù)變化。本研究中的最大日蒸發(fā)速率為0.22mm,相對(duì)較低,這可能與兩地的氣候以及林下微氣候差異有關(guān)。2005年6月19日—7月26日的研究結(jié)果表明,枯落物蒸發(fā)只占總蒸散量的很小部分(8.68%),作用有限。但據(jù)許多學(xué)者研究表明,枯落物具有較明顯的抑制土壤蒸發(fā)的作用。張德成等研究表明影響土壤蒸發(fā)的主要因子為地表枯落物量;劉廣全等研究表明,無枯落物覆蓋的蒸發(fā)率較有枯落物覆蓋的約大10%;朱金兆等和趙鴻雁等研究表明,枯落物抑制土壤蒸發(fā)的作用隨枯落物厚度的增加而增大。這些說明,枯落物本身?yè)p失一少部分水分外,更重要的可能是其抑制土壤蒸發(fā)的作用,這在六盤山地區(qū)還有待于進(jìn)一步開展相