枯落物不仅对森林土壤的发育和改良有着重要意义, 而且其结构疏松, 具有良好的透水性和持水能力, 增大了地表粗糙程度, 起着缓冲雨水冲刷的作用(鲍文等, 2004)。它不仅是土壤有机养分的重要来源, 而且在水文和水土保持功能上具有极其重要的意义。嘉陵江上游地区地层构造复杂, 岩石种类繁多, 主要有石灰岩、砂岩、页岩等。土壤基带为黄壤, 因受地貌和气候影响, 土壤类型较多, 具有垂直分异现象, 分布有黄壤、黄棕壤、棕壤、暗棕壤及草甸土等。由于受暴雨侵蚀作用, 土层多浅薄, 且分布有较大面积的石骨土。加之过去过量采伐和破坏森林, 森林覆盖率急剧下降, 生态屏障作用减弱, 水土流失极为严重, 土壤侵蚀模数可达1.4万t·km^-2a^-1。因此, 该区森林植被的恢复和重建, 对本区和下游区(四川盆中农区), 乃至长江中下游地区都具有重要的生态屏障作用。

四川省林科院于80年代末期为配合“长江中上游防护林建设工程”而建立了生态定位观测站, 开展了不同植被恢复模式的研究。本文选择其中火烧迹地灌丛、刺槐(Robinia pseudoacacia)-湿地松(Pinus elliotii)混交林、湿地松纯林、刺槐林和青冈(Cyclobalanopsis glauca)林5种主要森林植被恢复类型, 探讨不同林分类型(不同退耕还林模式)枯落物的水文效益, 进行了枯落物的水土保持效益研究, 为指导退耕还林工程树种配置、模式选择及配套技术措施的确定提供理论依据。

1 研究区概况

研究区设在广元市城北4 km处的工农乡碗厂沟, 隶属于广元市中区工农镇和龙王乡(105° 54′ 24″— 105° 58′ 48″E, 32° 27′ 51″—32° 31′ 39″ N), 海拔515 ~ 835 m, 地处四川盆地北缘, 长江上游一级支流嘉陵江的上游区。地貌以岩溶低山、中山为主, 山岭海拔多在1 000 ~ 3 000 m。属北亚热带湿润季风气候, 由于受秦岭和大巴山的影响, 多年平均气温16.1 ℃, 年均降雨量937.2 mm; 年际差异大, 年内降雨分配不均, 6—9月占全年降雨量的72.5 %; 冬、春季及初夏易干旱, 夏季多暴雨。

2 研究方法 2.1 林分枯落物采样及水分含量测定

在选择的林分样地中, 每个样地随机布设5个50 cm ×50 cm的样点采样, 并测定其总厚度、未分解层厚度和半分解层厚度, (分解层因与土壤层不易区分, 其水文效益研究归入土壤层)。

将不同的林分中采集的枯落物带回实验室测风干和烘干质量。并分层进行浸水实验, 测定时段为0.25、0.5、1、2、4、6、12和24 h, 分别测定不同时段的含水量, 每个样品重复3次, 以持水深表示。

2.2 多样性调查

采用相邻格子法(董鸣, 1997)。分别对自然恢复植被的火烧迹地灌丛、刺槐林、刺槐-湿地松混交林、湿地松纯林和青冈林5种类型群落中各设置10个5 m×5 m和10个1 m ×1 m的小样方, 共计100个小样方。分别进行乔木层、灌木层和草本层的群落常规调查统计(郁闭度、种类、多度、盖度等)。

3 结果与分析 3.1 枯落物贮量

不同森林植被恢复类型的树种组成及结构存在差异, 导致枯落物贮量的差异较大。林下枯落物厚度表现为火烧迹地灌丛>青冈林>刺槐-湿地松混交林>刺槐林和湿地松纯林, 现存贮量表现为火烧迹地灌丛>刺槐林>刺槐-湿地松混交林>青冈林>湿地松纯林(表 1), 在未分解层中, 火烧迹地灌丛贮量最大, 湿地松纯林最小; 而半分解层贮量则是刺槐林最大, 青冈林最小。除刺槐林半分解层贮量大于分解层外, 其余林分均小于分解层。

3.2 枯落物持水特性 3.2.1 不同林分枯落物的持水过程

不同林分枯落物的种类、厚度、贮量及分解程度不同, 其持水过程和持水量也不同(表 2)。除刺槐林外, 其余林分半分解层贮量低于未分解层, 其持水量也明显低于未分解层, 但总的规律是持水量与枯落物贮量呈正相关。

各林分枯落物的前期吸水速率远高于后期, 在前2 h以内, 未分解层和半分解层的持水量分别达到该层最大持水量(24 h持水量)的85.95 %、74.65 %、76.32 %、70.83 %、79.49 %和74.62 %、93.75 %、79.49 %、92.31 %及100 %。其持水效果为火烧迹地灌丛>青冈林>刺槐林>刺槐-湿地松混交林>湿地松纯林, 半分解层高于未分解层。2 h以后各林分未分解层的吸水量趋于平缓, 半分解层则在1 h后显示出明显的减缓趋势, 在24 h后吸水量趋于稳定或达到饱和状态, 与大多数研究结果类似(王云琦等, 2004;耿玉清等, 2000;常宗强等, 2001)。

3.2.2 不同林分枯落物的持水速率

枯落物的持水速率也是反映枯落物水文效益的一个重要指标, 持水速率高的林分其持水作用也强。前0.25 ~ 2 h火烧迹地灌丛吸水速率最大, 最大吸水率达到8.24 mm·h^-1, 其顺序为刺槐林>刺槐-湿地松混交林>青冈林>湿地松纯林(表 3)。持水速率在前1 h变化最大, 而半分解层的前期变动幅度大于未分解层。

3.2.3 不同林分枯落物最大持水量、最大拦蓄率、有效拦蓄量

从不同林分枯落物最大持水量看, 火烧迹地灌丛为3.36 mm, 明显高于其他林分。其次为刺槐林和刺槐-湿地松混交林, 湿地松纯林最小。对不同林分未分解层和半分解层比较分析, 未分解层火烧迹地灌丛最大, 湿地松纯林最低, 而其余3种林分较为接近。半分解层火烧迹地灌丛和刺槐林最大, 青冈林最小。其原因为火烧迹地灌丛枯落物中有较多的吸水率高的草本植物, 最大持水量最高; 刺槐林、刺槐-湿地松混交林和青冈林枯落物未分解层中有较多的阔叶树和灌木的落叶, 吸水率较高, 而湿地松纯林未分解层中几乎全为吸水率较差的针叶, 所以吸水率最低。

最大持水率(量)与最大拦蓄率(量)一般只能反映枯落物层的持水能力大小, 不能反映对实际降水的拦蓄情况。因为最大持水率(量)是枯落物样浸水24 h后的测定结果, 而在自然条件下, 山地森林的坡面上一般不会出现较长时间的浸水条件, 落到枯落物层上的雨水, 一部分被其拦蓄, 一部分通过孔隙很快入渗到土壤中, 而剩余部分作为地表径流流出。根据雷瑞德(1984)的研究, 当降雨量达到20 ~ 30 mm以后, 不论枯落物层含水量的高低, 实际持水率约为最大持水率的85 %左右。所以, 用最大持水率来估算枯落物层对降雨的拦蓄能力不符合对降雨的实际拦蓄效果, 结果会偏高, 而一般用有效拦蓄量(modified interception)估计枯落物层对降雨的实际拦蓄量。本研究各林分均能在2 h内达到或接近24 h最大持水量的85 %, 表明枯落物层在山区调蓄降水、减少径流方面具有重要作用, 特别是在调蓄较小雨量降雨时的功能是其他层次不可替代的。

对各林分地表枯落物有效拦蓄量的分析见表 4, 结果表明, 各林分地表枯落物有效拦蓄量的变化范围为283 ~ 2 759 t·km^-2, 平均为1 253.4 t·km^-2。其有效拦蓄量的大小为火烧迹地灌丛>刺槐林>刺槐-湿地松混交林>青冈林>湿地松纯林。

3.3 枯落物持水量与生物多样性的关系

生物多样性决定了林分内枯落物的种类和数量。从统计结果可见, 湿地松-刺槐混交林灌木层的物种多样性最高, 为22种; 湿地松纯林次之, 为19种; 其次为青冈林, 为17种; 刺槐林13种, 火烧迹地灌丛最低, 为11种。5种林分中灌木层的Simpson多样性指数、Shannon-Wiener多样性指数则和均匀度无明显的相关性。火烧迹地灌丛灌木层的Simpson多样性指数、Shannon-Wiener多样性指数最高, 湿地松纯林次之, 其后依次为青冈林、刺槐林、刺槐-湿地松混交林(表 5)。

在草本层中, 刺槐-湿地松混交林和湿地松纯林草本层的物种多样性最高, 均为21种; 火烧迹地次之, 为17种; 其次为青冈林13种, 刺槐林最少为10种。5种林分中草本层的Simpson多样性指数、ShannonWiener多样性指数和均匀度与灌木层有类似趋势(表 5)。

由表 5可以看出, 不同林分枯落物对降雨的有效拦蓄量与林分的生物多样性无相关性, 生物多样性高其枯落物的持水量和有效拦蓄量不一定高。这是因为物种多样性与单位面积生物量无相关性, 而单位面积生物产量越高, 回归的枯落物也越多, 其相应的持水量与降雨的有效拦蓄量也就越大。火烧迹地灌丛虽然物种多样性低, 但其灌木层和草本层的生物产量高, 持水量与降雨的有效拦蓄量也大。湿地松纯林虽然物种生物多样性高, 但林内生物产量小, 枯落物主要为乔木层的针叶, 故持水量与降雨的有效拦蓄量最低。

4 结论与讨论

林地枯落物贮量是反映林地持水能力的指标, 枯落物贮量大的林分持水能力也强。在环境条件基本一致的情况下, 5种不同植被恢复模式的枯落物贮量顺序为火烧迹地灌丛(12.85 t·hm^-2)>刺槐林(9.76 t· hm^-2)>刺槐-湿地松混交林(9.52 t·hm^-2)>青冈林(6.01 t·hm^-2)>湿地松纯林(3.76 t·hm^-2)。持水能力的排列顺序为火烧迹地灌丛(33.60 t·hm^-2)>刺槐林(19.90 t·hm^-2)>刺槐-湿地松混交林(11.50 t·hm^-2)>青冈林(8.70 t·hm^-2)>湿地松纯林(3.70 t·hm^-2)。

林分不同, 但其枯落物的持水过程均表现出相似的特性, 即前期吸水量大(1 h以前), 且在较短时间内(2 ~ 4 h)就可达到较稳定的状态, 本研究各林分均能在2 h内达到或接近24 h最大持水量的85 %。林分地表枯落物有效拦蓄量的变化范围为283 ~ 2 759 t·hm^-2, 平均为1 253.4 t·hm^-2。其有效拦蓄量的大小为火烧迹地灌丛>刺槐林>刺槐-湿地松混交林>青冈林>湿地松纯林。表明枯落物层在山区调蓄降水, 减少径流方面具有重要作用, 特别是在调蓄较小雨量降雨时的功能是其他土层不可替代的(耿玉清等, 2000)。

林分枯落物的最大持水量及有效拦蓄量与该林分生物多样性无相关性, 但与物种类别(即枯落物的种类)有一定的关系, 本研究表明枯落物的持水能力表现为草本>阔叶>针叶。灌丛类林分由于草灌植物枯落量大, 持水能力强, 在严重退化地进行植被恢复与重建中应予以考虑。

枯落物层在保持水土、涵养水源方面起着重要的作用, 但在退耕还林的生产实践中对其重视还不够。研究区各林地枯落物因放牧或被人为收取用作燃料等导致枯落物损失较大, 严重影响了植物群落生态效益的充分发挥。在退耕还林还草工作中, 应采取有效措施, 以达到保护枯落物层的目的。