林地的枯落物层是由林木及林下植被凋落下来的茎、叶、枝条、花、果实、树皮和枯死的植物残体所形成的一层地面覆盖层(董治宝等, 1998)。枯落物层作为森林生态系统中重要的结构层次, 在截持降水、防止土壤溅蚀、阻延地表径流、抑制土壤水分蒸发、增强土壤抗冲刷性能等方面都具有非常重要的意义, 是实现森林水土保持和水源涵养功能的主要作用层(吴钦孝等, 1998; Tamai et al., 1998)。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做了大量研究, 在枯落物的凋落量、凋落动态、分解速率、截持降水、影响地表径流和土壤侵蚀机制等方面都取得了一定成果。Lee等(1986)认为, 地被物对降雨的截留量大小取决于地被物的蓄水容量。Dabney(1998)认为林分的树种组成、林木的生长状况、季节的变化等因素都将影响森林内枯落物的凋落。Kawaadias等(2001)认为枯落物对降水的截留能力受林分组成、林龄、枯落物种类的影响。陈奇伯等(1994)认为森林枯落物的凋落量和凋落动态是影响地表径流的主导因子。程金花等(2002)通过研究发现在同为中龄林条件下, 针阔混交林林下枯落物持水能力大于阔叶树纯林或针叶树纯林林下枯落物持水能力。高志勤等(2005)通过对毛竹(Phyllostachys edulis)纯林、竹阔混交林、阔叶林枯落物水文特性的比较发现, 竹阔混交林的水文生态效应优于毛竹纯林而次于常绿阔叶林。耿玉清等(2000)认为在严重缺水的北京以及华北地区, 保护林下活地被物和枯枝落叶层, 对减小地表径流、避免腐殖质和细土流失具有不可忽视的重要意义。逯军峰等(2007)研究发现随着林龄的增加, 油松(Pinus tabulaeformis)人工林枯枝落叶层的自然含水率与饱和含水率均呈递增趋势, 且具有较好的拟合关系。张振明等(2005)通过研究发现枯落物减沙减流的效果随坡度增加而增加。但目前对北京西山地区主要造林树种林下枯落物持水特性的研究较少, 为此, 对北京西山地区的刺槐(Robinia pseudoacacia)、侧柏(Platycladus orientalis)、元宝枫(Acer truncatum)、黄栌(Cotinus coggygria)、油松和栓皮栎(Quercus variabilis)6种主要造林树种林下枯落物层的持水特性进行了研究, 这对研究该区域主要人工林类型的森林生态系统水文作用具有重要意义, 并可为该区域的森林健康经营技术方案的制定提供理论基础。

1 研究区概况

研究区位于北京市西山实验林场森林健康经营试验示范区。该示范区位于北京市西郊小西山卧佛寺分场, 116°28′ E, 39°54′ N, 地形属低山丘陵, 平均海拔300 ~ 400 m, 平均坡度15 ~ 35°。气候属暖温带大陆性季风气候, 年均温11.6 ℃, 年均降水量630 mm, 70%以上雨水集中在6, 7, 8月。土壤类型为含石砾较多的山地褐土。选择该区的刺槐、侧柏、元宝枫、黄栌、油松、栓皮栎6种主要人工林植被类型作为研究对象。

2 研究方法 2.1 林下枯落物的采集与蓄积量的测定

根据该区的地形、植被、土壤、土地利用等特性, 分别在6种不同的林分类型内设置20 m × 20 m的标准地, 并对不同树种林分进行详细的环境因子调查(表 1)。之后在各林分标准地内依对角线分别在四角及中心区域设置20 cm × 20 cm的枯落物收集样方, 将未分解层和半分解层分别保持原状装入密封袋中, 并在收集过程中分别记录枯落物层总厚度及未分解层、半分解层厚度, 用于枯落物蓄积量、持水量和吸水速率等指标的测定。将收集的枯落物带回实验室后, 分层称其自然状态质量及烘干质量(80 ℃下烘至恒重), 以自然状态质量推算枯落物自然状态储量, 以干物质质量推算不同树种枯落物蓄积量。

2.2 枯落物持水动态的测定

用室内浸泡法测定林下枯落物的持水量及吸水速率。将烘干后的枯落物原状放入土壤筛, 再将装有枯落物的土壤筛置于盛有清水的容器中, 水面高于土壤筛的上沿。分别测定其在0.5, 1, 2, 4, 6, 8, 10和24 h的质量变化, 并通过换算按烘干质量来研究其不同浸水时间的持水量和吸水速率。

2.3 枯落物持水能力的测定

一般认为枯落物浸水24 h的持水量和持水率为最大持水量和最大持水率(程金花等, 2002), 而且通常采用有效拦蓄量来估算枯落物对降雨的实际拦蓄量(Bates et al., 2007)。通过测定饱和吸水后枯落物的质量, 结合之前测定的枯落物自然状态质量及烘干质量等指标, 可推算出枯落物的自然含水量、自然含水率、最大持水量、最大持水率、最大拦蓄率、有效拦蓄量等指标。主要计算公式如下:

式中:W₀为枯落物自然含水量, W_{h max}为枯落物最大持水量, W_sv为枯落物有效拦蓄量, t·hm^-2; M₀为枯落物自然状态下的单位储量, M_d为枯落物单位面积蓄积量, M₂₄为枯落物吸水饱和单位质量, t·hm^-2, R₀, R_{h max}, R_{s max}分别为枯落物自然含水率、最大持水率、最大拦蓄率, %;0.85为有效拦蓄系数。

3 结果与分析 3.1 不同树种林下枯落物蓄积量的比较

不同树种林下枯落物蓄积量的研究结果(表 2)表明, 6种林分的枯落物厚度大小为油松>元宝枫>栓皮栎>刺槐>黄栌>侧柏。6种林分中油松的总蓄积量最大, 为26.01 t·hm^-2, 而侧柏的总蓄积量最小, 为4.52 t·hm^-2, 其他树种枯落物蓄积量分别为元宝枫10.95 t·hm^-2, 栓皮栎10.82 t·hm^-2, 刺槐8.96 t·hm^-2, 黄栌8.90 t·hm^-2, 从这一结果可以看出, 该区各造林树种林下枯落物总蓄积量M_d的大小与其总厚度d之间存在简单的正相关关系, 其关系式为:M_d = 0.633 9d-7.006 1, 该式的R²达到0.961 8, 表现出良好的相关性。

分析发现, 不同林分枯落物未分解层、半分解层蓄积量所占比例有所不同。油松未分解层占其总蓄积量的百分比最大, 为58.15%, 刺槐所占比例最小, 为31.03%, 其间由大到小分别为侧柏56.01%, 黄栌49.77%, 元宝枫47.86%和栓皮栎46.39%, 在这6种林分中, 刺槐的未分解层蓄积量所占比例明显低于半分解层, 这可能与该区刺槐的大面积林分退化引起的林分健康状况不佳有关。

3.2 枯落物持水动态 3.2.1 不同树种林下枯落物持水动态差异分析

依据枯落物持水量及吸水速率测定方法, 将采集回室内并进行烘干称量后的枯落物浸泡在清水中, 分时段称其质量, 经持水量深度换算后得到6种不同树种林下分层枯落物持水量(表 3)。

比较表 3中不同树种林下枯落物未分解层最大持水量可看出, 油松林下枯落物未分解层持水量最大, 为2.94 mm; 侧柏林下枯落物未分解层持水量最小, 为0.51 mm; 其间由大到小依次为元宝枫2.06 mm, 栓皮栎2.02 mm, 黄栌1.32 mm, 刺槐1.26 mm。对不同森林类型林下枯落物半分解层持水量进行比较, 油松林下枯落物半分解层持水量最大, 为2.93 mm; 侧柏林下枯落物半分解层的持水量最小, 为0.28 mm; 其间由大到小依次为栓皮栎1.85 mm, 元宝枫1.60 mm, 刺槐1.19 mm, 黄栌0.85 mm。同时从表 3中可以看出, 6种不同树种林下枯落物未分解层持水量与半分解层持水量相比, 均是未分解层枯落物持水量大于半分解层枯落物的持水量。各树种林下枯落物层合计饱和持水量的大小顺序为油松>栓皮栎>元宝枫>刺槐>黄栌>侧柏。油松林达到5.87 mm, 明显大于其他阔叶树种, 这与油松林下枯落物蓄积量在6个研究树种中名列前茅有直接的关系, 4种阔叶树林下枯落物合计饱和持水量差别相对较小, 依次为栓皮栎3.87 mm, 元宝枫3.66 mm, 刺槐2.45 mm, 黄栌2.17 mm, 而侧柏最小0.79 mm, 这与侧柏林下枯落物蓄积量相对较少有关。

3.2.2 枯落物持水量与浸泡时间关系分析

对所测定的6个不同树种的林下枯落物持水量与浸泡时间的数据进行回归分析拟合发现, 枯落物持水量与浸泡时间之间存在如下关系:

W_h = klnt+p,

式中:W_h为枯落物持水量, mm; t为枯落物吸水时间, h; k为方程回归系数; p为方程常数项。

由分析拟合得到不同树种林下枯落物未分解层及半分解层持水量(W_h)与浸泡时间(t)的回归方程(表 4)。

由表 3, 4可得到不同树种林下枯落物未分解层、半分解层持水量实测值及根据方程计算所得值与浸泡时间之间的关系(图 1, 2)。

从不同树种林下枯落物未分解层、半分解层持水量实测值和计算所得值与浸水时间之间的关系可以看出, 不同林分枯落物未分解层、半分解层持水量与浸水时间之间表现出较好的相关性。同时由图 1, 2可以看出, 当枯落物在水中浸泡8 h时, 其持水量基本上达到最大值, 即8 h之后, 增加浸泡时间, 其持水量基本不再发生大的变化。

3.2.3 枯落物吸水速率与浸泡时间关系分析

对所测定的6个不同树种的林下枯落物吸水速率与浸泡时间的数据进行回归分析拟合发现, 枯落物吸水速率与浸泡时间之间存在如下关系:

V = ktⁿ,

式中:V为枯落物吸水速率, mm·h^-1; t为枯落物吸水时间, h; k为方程回归系数; n为指数。

将不同层次林下枯落物不同浸泡时间的持水量除以浸泡时间, 即为不同树种林下枯落物的吸水速率测定值(表 5)。

由分析拟合得到不同树种林下枯落物未分解层及半分解层吸水速率(V)与浸泡时间(t)的回归方程(表 6)。

由表 5, 6可得到不同树种林下枯落物未分解层、半分解层吸水速率实测值及根据方程计算所得值与浸泡时间之间的关系(图 3, 4)。

从不同树种林下枯落物未分解层、半分解层吸水速率实测值和计算所得值与浸水时间之间的关系可以看出, 不同林分枯落物未分解层、半分解层吸水速率与浸水时间之间表现出较好的相关性。同时由图 3, 4可以看出, 枯落物未分解层和半分解层吸水速率在0 ~ 2 h最快, 在4 ~ 6 h后逐渐减缓, 6 h后明显减缓, 6种枯落物未分解层和半分解层吸水速率基本趋向一致。这主要是由于随着浸水时间的增加, 枯落物的吸水量基本达到饱和的缘故。

3.3 枯落物持水能力

研究区6种不同树种林下枯落物持水能力各项指标的测定结果, 见表 7。

由表 7可以看出, 不同树种林下枯落物最大持水率的大小顺序为:栓皮栎>元宝枫>刺槐>黄栌>油松>侧柏; 而不同树种林下枯落物最大持水量的大小顺序为:油松>栓皮栎>元宝枫>刺槐>黄栌>侧柏。最大持水量除了与持水率密切相关外, 还与枯落物蓄积量有直接关系, 油松林下枯落物的最大持水率虽然较低, 但由于枯落物蓄积量较大, 故仍能维持较高的蓄水功能。

根据枯落物的最大持水率及平均自然含水率, 可计算其最大拦蓄率, 结合单位面积蓄积量, 可推算出其最大拦蓄量。由表 7可以看出, 不同树种林下枯落物最大拦蓄率与最大持水率变化规律一致, 但由于不同树种枯落物自身吸水能力、单位面积枯落物蓄积量及平均自然含水率等特性的差异性, 使其最大拦蓄量的变化规律与最大持水率和最大持水量的变化规律表现出一定的差异, 不同树种林下枯落物最大拦蓄量的大小顺序为:栓皮栎>油松>元宝枫>刺槐>黄栌>侧柏。

由于山区森林多位于山坡, 基本不具备较长时间的浸水条件, 落到枯落物层上的雨水, 只有一部分被其拦蓄, 另一部分则透过孔隙很快入渗到林地土壤中。所以用最大持水率来估算枯落物层对降雨的拦蓄能力, 其结果会较实际值偏高, 不能正确反映其对降雨的实际拦蓄效果。因此在实际应用中多以有效拦蓄量来估算枯落物对降雨的实际拦蓄效果和能力。从表 7可以看出:不同树种林下枯落物有效拦蓄率同其相应的最大持水率、最大拦蓄率变化规律一致, 有效拦蓄率变化范围为50.85% ~ 215.78%, 其中栓皮栎有效拦蓄率最大, 为215.78%, 侧柏有效拦蓄率最小, 为50.85%, 其间由大到小依次为元宝枫182.68%, 刺槐132.66%, 黄栌99.83%, 油松81.51%。由数据可以看出阔叶树种的有效拦蓄率均大于针叶树种。不同树种林下枯落物有效拦蓄量(深)与最大拦蓄量变化规律一致, 有效拦蓄深变化范围为0.23 ~ 2.33 mm, 其中栓皮栎有效拦蓄深最大, 为2.33 mm, 侧柏有效拦蓄深最小, 为0.23 mm, 其间由大到小依次为油松2.12 mm, 元宝枫2.00 mm, 刺槐1.19 mm, 黄栌0.89 mm。6个树种中栓皮栎的有效拦蓄深优于其他树种。

4 结论与建议

研究区内6个不同人工造林树种林下枯落物层厚度大小顺序为油松>元宝枫>栓皮栎>刺槐>黄栌>侧柏。各树种林下枯落物总蓄积量分别为油松26.01 t·hm^-2, 元宝枫10.95 t·hm^-2, 栓皮栎10.82 t·hm^-2, 刺槐8.96 t·hm^-2, 8.90 t·hm^-2, 侧柏4.52 t·hm^-2, 其大小顺序为油松>元宝枫>栓皮栎>刺槐>黄栌>侧柏。从这一结果可以看出, 该区各树种枯落物蓄积量的大小与其厚度间存在简单的正相关关系。

不同树种林下枯落物持水量、吸水速率与浸水时间的动态变化规律存在相似性。枯落物持水量随浸水时间的变化规律为:未分解层枯落物持水量均大于半分解层枯落物的持水量, 枯落物持水量与浸水时间呈正相关关系, 并且枯落物在水中浸泡8 h时, 其持水量基本上达到最大值, 即8 h之后, 增加浸泡时间, 其持水量基本不再发生大的变化; 枯落物吸水速率随浸水时间的变化规律为:枯落物未分解层和半分解层吸水速率在0 ~ 2 h最快, 在4 ~ 6 h后逐渐减缓, 6 h后明显减缓, 未分解层和半分解层吸水速率基本趋向一致。

不同树种林下枯落物最大持水率的大小顺序为:栓皮栎>元宝枫>刺槐>黄栌>油松>侧柏; 尽管针叶树种的最大持水率均低于阔叶树种, 但由于油松林下枯落物的蓄积量明显大于阔叶树种, 故不同树种林下枯落物最大持水量的大小顺序为:油松>栓皮栎>元宝枫>刺槐>黄栌>侧柏。

不同树种林下枯落物有效拦蓄深分别为栓皮栎2.33 mm, 油松2.12 mm, 元宝枫2.00 mm, 刺槐1.19 mm, 黄栌0.89 mm, 侧柏0.23 mm。6个树种中栓皮栎的有效拦蓄深优于其他树种, 今后可在以水土保持和水源涵养为经营目标的山区森林健康经营中, 作为优良树种加以应用。

枯落物层是保障山区森林充分发挥水土保持和水源涵养功能的一个极其重要的水文层次, 具有明显的蓄水、保水作用。枯落物层的持水性能, 因树种构成及其蓄积量大小的不同而变化, 而林分的树种构成及其蓄积量, 可以通过人为的健康经营措施加以改善。因此, 在山区森林健康经营管理过程中, 应该注重对林下枯落物的合理健康经营, 既要通过一定的保护措施维持枯落物层的积累, 又要依据不同树种对林分结构进行健康调节, 使山区森林枯落物层更好地发挥其水土保持和水源涵养的功能。