森林枯落物是指植物发生物候现象而产生的枯枝落叶、动物粪便及其残体^[1]，其覆盖于土壤表面，成为森林发挥水文功能的关键层次。由于枯落物层结构疏松、微生物及动物活动频繁，枯落物层具有良好的持水能力与透水能力，并在截持降雨^[2]、减缓拦蓄径流^[3]、减少水分蒸发^[4]和改善土壤理化性质^[5-6]等方面有关键作用。

辽西低山丘陵区处于科尔沁沙地南缘，又受到辽河半湿润季风气候区影响，属于风蚀水蚀交错地带和生态脆弱区，历史上以“平原松林”和“草原牧区”^[7]而闻名；但近几十年由于人为活动影响，地表植被受到破坏，发生了严重的水土流失与荒漠化，水土流失面积一度达到总面积的84%^[7]。为防止生态环境恶化给当地经济发展带来不良影响，当地林业局营建了以樟子松(Pinus sylvestnis var.)、油松(Pinus tabulaeformis)为主体的水土保持林，面积达到人工林总面积的61.01%^[8]，水土流失的势头得以控制并在近些年逐渐减缓。目前，国内外许多学者对不同区域内的多种林地类型下的枯落物水文特征进行了大量的研究，在不同区域、多种林地类型枯落物贮量的数学模型、枯落物截留水量及其数学模型以及枯落物截留降水机理研究等方面都取得了一定的成果^[9-12]；但缺乏针对我国辽西地区典型林分枯落物水文特征的研究以及不同叶形林分枯落物水文特征差异性比较。笔者以辽西低山丘陵区典型林分为研究对象，从森林枯落物水文特征角度出发，比较并分析针叶林与阔叶林枯落物蓄积量与持水性的差异，揭示了针阔叶林枯落物蓄积量和持水性的不同变化特征，为进一步研究枯落物水文特征的影响因子提供新的思路。

具有辽西低山丘陵区植被类型特点的阜新老鹰窝自然保护区，位于阜蒙县东偏北部(E121°41′~121°58′，N 42°11′~42°15′)。总面积6 405.3 hm²，其中有林地面积5 251.7 hm²，森林覆盖率85.13%。该区地貌为侵蚀剥蚀低山丘陵，地势北部高耸，南部平缓，平均海拔300 m，最高峰海拔624.6 m。该区属中温带亚湿润半干旱大陆性季风气候，特点为春季较干旱且多风，夏日炎热且降雨较多，秋天气温适宜多西北风，冬季干燥寒冷，年均气温7.1 ℃，极端最高气温40.6 ℃(2000年)，极端最低气温-28.4 ℃(1992年)，最大冻土深度140 cm。≥10 ℃年积温3298.3 ℃，无霜期151 d。年均降水量550 mm，5—9月降水量461.2 mm，占全年的85.4%。土壤分褐土性土、褐土、淋溶褐土和棕壤性土、典型棕壤5个亚类，以褐土和幼年森林棕壤2个土类为主。该区天然林与人工林均有分布，植物以华北植物区系为主，兼有长白蒙古植物。

根据研究目的与辽西低山丘陵区植被类型特点，2016年8月在研究区进行踏勘后，选择6种人工林林分作为研究对象，其中有油松(Pinus tabulaeformis)、红松(Pinus koraiensis)、兴安落叶松(Larix gmelini)、紫椴(Tilia amurensis)、榆树(Ulmus pumila)和山杨(Populus davidiana)人工林。

综合考虑地形、坡向、林木冠幅、林龄等因素，保证立地条件基本一致的前提下，在每个林分下分别布设1个20 m×20 m标准地，各个样地林分在23~26年之间，观测枯落物厚度、上层木郁闭度，对样地内胸径>5 cm的林木每木检尺，测量其胸径、树高、冠幅等。各样地基本情况见表 1。

表 1(Table 1)

表 1 各样地基本概况 Table 1 Basic profile of the plots 林分类型 Stand type 坡向 Slope direction 枯落物厚度 Litter thickness/cm 平均胸径 Average DBH/cm 平均树高 Average high/m 平均冠幅 Average crown width/m 密度Density/ 株(Trees)·hm-2 上层木郁闭度 Upper canopy density/% 红松人工林 Pinus koraiensis artificial forest 阳坡 Sunny 1.8~3.8 12.7 8.04 3.70 1 764 92 油松人工林 Pinus tabulaeformis artificial forest 阳坡 Sunny 1.0~2.8 11.5 10.83 3.49 1 617 86 兴安落叶松人工林 Larix gmelini artificial forest 阳坡 Sunny 1.0~2.7 12.6 11.21 2.58 1 743 89 紫椴人工林 Tilia amurensis artificial forest 半阳坡 Half-sunny 0.8~2.2 9.6 9.96 3.51 1 969 94 榆树人工林 Ulmus pumila artificial forest 半阳坡 Half-sunny 1.1~2.6 10.6 5.50 3.33 924 70 山杨人工林 Populus davidiana artificial forest 阳坡 Sunny 0.8~2.2 11.8 10.56 2.03 1 869 76

表 1 各样地基本概况 Table 1 Basic profile of the plots

在标准地内按对角线设置3个0.2 m×0.2 m样方，用直尺测定枯落物层总厚度以及未分解和半分解层的厚度；再按照2个分解层收集其样品，并现场称量其鲜质量，带回实验室称量枯落物层的干质量(恒温85 ℃条件下烘干24 h)并计算枯落物含水率。在每个样地内选择具有代表性的1 m×1 m样方，尽可能保持枯落物原有结构特征分层收集各分解层枯落物，实验室内烘干称量，用以推算各林分枯落物蓄积量。

采用室内静水浸泡法^[13]，分别测定在浸泡2、4、6、8、10、24 h后未分解和半分解层质量，观测其每个时间点的累积持水量并计算各时段的平均吸水速率。其中认为浸泡24 h后枯落物的持水量为最大持水量^[14]，此时的持水率称为最大持水率，枯落物层最大持水量则根据枯落物蓄积量与最大持水率进行计算。

式中：G_d, G₂₄为烘干后枯落物的质量和浸泡24 h后枯落物的质量，g；R_hmax、R_smax、R₀分别为枯落物最大持水率、最大拦蓄率、自然持水率，%；M、W_hmax、W_smax分别为枯落物层蓄积量、最大持水量、最大拦蓄量，t/hm²；G_s、G_i、G_j分别为某时间段持水量、第i个时间点样品质量、第j个时间点样品质量，g；V为吸水速率，g/(kg·h)；t为吸水持续时间，h。

实验室测得的最大持水量并不能够客观的反映实际枯落物对于降雨径流的拦蓄能力，有效拦蓄水量可用来估算实际拦蓄水量^[15-16]

式中：M_i为有效拦蓄水量，t/hm²；R₀为自然持水率，%。

运用SPSS数据分析软件对分析统计，在P < 0.05水平下单因素两两比较，分析典型林分间差异性水平。

枯落物的分解程度与诸多因素有关。对各个样地1 m×1 m样方内各层次枯落物称量后，得出各样地林分下枯落物厚度和蓄积量，详见表 2。

表 2(Table 2)

表 2 各林分类型下枯落物厚度及蓄积量 Table 2 Thickness and storage volume of litter under different stands 林分类型 Stand type 半分解层 Semi-decomposed layer 未分解层Undecomposed layer 枯落物层Litter layer 蓄积量比例 Proportion of volume 厚度 Thickness/ cm 蓄积量 Storage volume/(t·hm-2) 厚度 Thickness/ cm 蓄积量 Storage volume/ (t·hm-2) 厚度 Thickness/cm 蓄积量Storage volume/ (t·hm-2) 半分解层 Semi-decomposed layer/% 未分解层 Undecomposed layer/% 红松人工林Pinus koraiensis artificial forest 1.8±0.25a 10.32±1.02a 1.2±0.28a 5.60±0.83a 3.0±0.51a 15.92±1.83a 64.82±6.64 35.18±4.83 油松人工林Pinus tabulaeformis artificial forest 1.8±0.18a 10.61±0.98a 1.0±0.23a 4.04±0.7a 2.8±0.92a 14.65±1.63a 72.42±5.32 27.58±3.64 兴安落叶松人工林Larix gmelini artificial forest 1.7±0.21a 12.40±1.21a 1.0±0.18ab 5.35±0.76a 2.7±0.38a 17.75±1.96b 69.86±7.83 30.14±3.47 平均值Average 1.77 11.13 1.08 5.01 2.79 16.12 69.02 30.98 紫椴人工林Tilia amurensis artificial forest 1.1±0.22b 6.42±0.87ab 1.8±0.32b 10.50±2.12b 2.9±0.53a 16.92±2.97a 37.94±3.78 62.06±6.98 榆树人工林Ulmus pumila artificial forest 0.8±0.28b 2.7±0.36b 1.2±0.21a 5.74±1.86a 2.0±0.42b 8.44±2.20c 31.99±2.98 68.01±6.54 山杨人工林Populus davidiana artificial forest 0.8±0.18b 2.9±0.59b 1.6±0.26b 9.35±2.07b 2.4±0.40ab 12.25±2.65ac 23.67±3.54 76.33±7.21 平均值Average 0.92 4.11 1.49 8.52 2.44 12.56 31.2 68.8

表 2 各林分类型下枯落物厚度及蓄积量 Table 2 Thickness and storage volume of litter under different stands

由表 2可知，研究地枯落物蓄积量为8.44~17.75 t/hm²。其中：从枯落物平均蓄积量来看，针叶林16.12 t/hm²明显大于阔叶林12.56 t/hm²，结果与刘少冲等^[17]在莲花湖所得结果一致；从枯落物平均厚度来看，针叶林平均厚度2.78 cm大于阔叶林2.44 cm；从各分解层所占比例来看，针叶林半分解层远高于未分解层，阔叶树种则正好相反，其中针叶树种中油松林半分解层占72.42%，阔叶林中紫椴未分解层占76.33%。

枯落物持水特性是影响森林水文过程的关键因素之一，各样地最大持水率和持水量见图 1。

图 1(Figure 1)

图 1 各林分类型下不同层次枯落物的持水能力 Figure 1 Water-holding capacities of litters at different layers under different stand types

由图 1可以看出，各林分枯落物最大持水率具有不同特征及规律。其中：半分解层最大持水率表现为兴安落叶松林>油松林>红松林>榆树林>紫椴林>山杨林；未分解层最大持水率表现为山杨林>榆树林>紫椴林>油松林>兴安落叶松>红松林。由于各分解层次蓄积量所占比例不同，加权平均后各林下枯落物的最大持水率排序是兴安落叶松(173.19%)>油松林(162.93%)>榆树林(156.91)>山杨林(152.63%)>红松林(148.88%)>紫椴林(145.42%)。针叶林半分解层最大持水率显著大于阔叶林(P < 0.05)；针叶林半分解层最大持水率均显著大于未分解层。

半分解层最大持水量为兴安落叶松>油松林>红松林>榆树林>紫椴林>山杨林，未分解层最大拦蓄水量为榆树林>紫椴林>山杨林>兴安落叶松>红松林>油松林；加权平均林分各枯落物层最大拦蓄水量大小为兴安落叶松(30.74 t/hm²)>榆树林(26.55 t/hm²)>油松林(23.87 t/hm²)>红松林(23.70 t/hm²)>紫椴林(17.81 t/hm²)>山杨林(12.88 t/hm²)；针叶林半分解层最大持水量大于未分解层，阔叶林未分解层最大持水量大于半分解层。

研究发现，用最大持水量来衡量枯落物层的实际拦蓄情况偏大，需要对其进行修正^[18]。枯落物的有效拦蓄率和有效拦蓄水量见表 3。

表 3(Table 3)

表 3 各样地不同层次拦蓄率及拦蓄水量 Table 3 Interception rate and interception volume at different layers of the plots 林分类型 Stand type 枯落物层次 Litter layer 蓄积量 Storage volume/(t·hm-2) 最大持水率 Maximum water-holding rate/% 自然含水率 Natural moisture content/% 有效拦蓄率 Modified interception rate/% 有效拦蓄水量 Modified interception volume/ (t·hm-2) 有效拦蓄水总量 Total modified interception volume/(t·hm-2) 红松人工林Pinus koraiensis artificial forest 半分解层Semi-decomposed layer 10.32±1.02 161.99±10.12 4.87±0.81 132.83±9.42 13.71±2.42 19.47±3.31 未分解层Undecomposed layer 5.60±0.83 124.71±4.41 3.05±0.63 102.95±4.01 5.77±0.96 油松人工林Pinus tabulaeformis artificial forest 半分解层Semi-decomposed layer 10.61±0.98 171.63±12.03 3.74±0.37 142.14±11.32 15.08±2.61 19.68±3.31 未分解层Undecomposed layer 4.04±0.7 140.07±5.91 5.31±0.63 113.75±4.89 4.60±0.87 兴安落叶松人工林Larix gmelini artificial forest 半分解层Semi-decomposed layer 12.40±1.21 187.57±13.03 3.63±0.57 155.80±12.21 19.32±3.21 25.59±4.36 未分解层Undecomposed layer 5.35±0.76 139.79±7.26 1.64±0.34 117.18±5.89 6.27±1.10 紫椴人工林Tilia amurensis artificial forest 半分解层Semi-decomposed layer 6.42±0.87 153.64±11.58 3.47±0.39 127.13±11.02 8.16±1.69 22.04±4.39 未分解层Undecomposed layer 10.50±2.12 158.92±9.06 2.94±0.21 132.14±8.79 13.87±2.68 榆树人工林Ulmus pumila artificial forest 半分解层Semi-decomposed layer 2.7±0.36 135.55±10.09 3.11±0.53 112.11±9.53 3.03±0.73 10.56±2.06 未分解层Undecomposed layer 5.74±1.86 160.66±8.11 5.33±0.84 131.23±6.98 7.53±1.21 山杨人工林Populus davidiana artificial forest 半分解层Semi-decomposed layer 2.9±0.59 144.71±9.82 3.35±0.65 119.66±9.21 3.47±0.56 14.49±2.31 未分解层Undecomposed layer 9.35±2.07 145.65±8.03 5.93±0.73 117.87±7.03 11.02±1.73

表 3 各样地不同层次拦蓄率及拦蓄水量 Table 3 Interception rate and interception volume at different layers of the plots

由表 3可知，枯落物的加权平均拦蓄率大小依次为兴安落叶松>油松林>榆树林>山杨林>红松林>紫椴林，枯落物的有效拦蓄水量为兴安落叶松(25.59 t/hm²)>榆树林(22.04 t/hm²)>油松林(19.68 t/hm²)>红松林(19.47 t/hm²)>紫椴林(14.49 t/hm²)>山杨林(10.56 t/hm²)，二者变化有所不同，但均表现为针叶林树种的拦蓄能力更强。所得结果与马正锐关于宁夏森林枯落物研究结果^[12]较一致；但针叶林拦蓄水量较马正锐研究少，与研究地点为国有林场人工林分有关，枯落物层可能受到人为活动的影响，导致枯落物蓄积量减少。通过对比2个分解层次的有效拦蓄水量发现，针叶林半分解层拦蓄水量远大于未分解层，具有显著差异(P < 0.05)。阔叶林未分解层拦蓄水量大于半分解层，具有显著差异(P < 0.05)。

不同林下枯落物持水量随时间的延长而不断累加，直至接近饱和。不同林分、不同分解层的持水量特征也不尽相同，按照时间顺序记录半分解层、未分解层、枯落物层的持水量变化过程累积量，得图 2。

图 2(Figure 2)

图 2 各林分类型下不同层次枯落物持水过程 Figure 2 Water-holding process of litter at different layers under different stand types

由图 2可知：半分解层中，针叶林和阔叶林枯落物持水量在0~4 h内迅速增加，后逐渐达到峰值；未分解层中，针叶林与阔叶林持水量在0~4 h内迅速增加，针叶林在5~7 h，阔叶林在4~6 h接近饱和，与赵阳等^[19]在河北省围场县典型森林枯落物的研究结果一致；在枯落物半分解层，各个时段持水累加量符合针叶林持水量大于阔叶林的规律，枯落物层总持水量为兴安落叶松>油松林>榆树林>山杨林>红松林>紫椴林。

枯落物的吸水速率是反映森林水文效应的指标之一。按照时间点分别计算各林分半分解层、未分解层、枯落物的吸水速率变化规律，得图 3。

图 3(Figure 3)

图 3 各林分类型下不同层次枯落物吸水过程 Figure 3 Water-absorbing process of litter at different layers under different stand types

由图 3可以发现，6种林分样地的枯落物吸水速率均为由快逐渐减缓并最终趋于0，用对数函数拟合效果较好。通过对各层次吸水速率的对比分析发现：不同林分吸水速率均在0~4 h急剧下降，未分解层阔叶林起始吸水速率大于阔叶林，经过加权平均后，计算出各个林分枯落物初始吸水速率(前2 h平均吸水速率)大小排列顺序为榆树林(508.25 g/(kg·h))>兴安落叶松(498.74 g/(kg·h))>山杨林(476.08 g/(kg·h))>油松林(468.77 g/(kg·h))>紫椴林(449.32 g/(kg·h))>红松林(410.92 g/(kg·h))，结果与姜海燕等^[15]在大兴安岭岭南对土壤水文功能的研究较为一致。

1) 针叶林和阔叶林枯落物蓄积量及厚度存在分异性。针叶类树种林枯落物平均蓄积量大于阔叶类树种平均蓄积量，具有显著性差异；针叶树种半分解层所占比例高于未分解层，阔叶树种半分解层所占比例低于未分解层；针叶林枯落物层紧密程度一般高于阔叶林枯落物层。枯落物的拦蓄水量与其蓄积量显著相关：针叶林半分解层拦蓄水量显著大于未分解层，阔叶林未分解层拦蓄水量大于半分解层。

2) 针叶林与阔叶林持水能力分异特征与枯落物分解层次所占比例相关。其中针叶林半分解层最大持水率显著高于未分解层，阔叶林分解层无显著差异。不同林分枯落物最大拦蓄水量为兴安落叶松>榆树林>油松林>红松林>紫椴林>山杨林；针叶林半分解层最大拦蓄水量显著大于未分解层，阔叶林未分解层最大拦蓄水量大于半分解层。

3) 针叶林最大持水量在1 485.70~1 732.36 g/kg，阔叶林最大持水量在1 110.39~1 569.09 g/kg。针叶林未分解层较半分解层饱和速度快，阔叶林半分解层较未分解层饱和速度快。半分解层吸水速率在0~4 h急剧下降，阔叶林尤为显著；未分解层阔叶林起始吸水速率大于阔叶林，不同林分均在6 h后逐渐趋向于0。

本文研究针叶林与阔叶林枯落物层水文功能，从持水能力、蓄积量、拦蓄水量以及持水过程等方面进行试验分析，发现了其中的变化规律，辽西地区针对枯落物的研究集中在森林枯落物持水特性与林下土壤物理特性。吕刚等^[10]研究发现辽宁阜新海棠山针叶林枯落物蓄积量大于阔叶林，针叶林的土壤贮水能力大于阔叶林；魏晶等^[20]在辽西大凌河流域对植被截留降雨能力研究分析后，得出针叶林油松林的截留效果差于沙棘林，森林对于涵养水源，改良土壤有着积极作用。在参考其他地区有关枯落物持水性的文献后发现，研究人员对于不同森林林下枯落物持水特性研究的试验结果不尽相同。马正锐等^[11]发现宁夏地区植被林分枯落物半分解层持水率均高于未分解层，且未分解层为117.82%~208.05%，半分解层为169.34%~302.85%，针叶林有效拦蓄水量明显大于阔叶林，这些研究与笔者结论相一致。姜海燕等^[15]大兴安岭测得林下枯落物持水率变化范围565.66%~676.36%，远大于本次研究所测得结果。莫菲等^[21]在六盘山研究所得林下枯落物持水率83.3%~96.2%，小于本研究所得。贾剑波等^[22]在北京密云研究得出阔叶林持水量与持水率大于针叶林。出现以上结果，一方面是由于不同地区的水热条件不同，林下枯落物层的物质组成、分解程度等各项物理指标不同，另一方面针对枯落物持水性研究集中在其表征量观测，缺乏机理性研究。而相比于国外研究人员，针对枯落物的持水性，他们不仅局限于某一区域某一林分枯落物持水性的表征观测上，而且着力分析研究影响枯落物持水性的相关因素，即机理性研究。例如：Sato Yoshinobu等^[23]，研究了不同降雨条件以及叶形对于枯落物持水性的影响；V.Kavvadias等^[24]针对枯落物的分解速率的影响因素进行了分析研究，发现不同水热条件下不同林分枯落物分解分异规律对枯落物持水性的影响。

今后我国针对于枯落物持水性的研究应逐渐加强对其持水机理的研究，揭示影响枯落物持水性能的主要因素，如叶形、枯落物分解累计速率、枯落物堆积层结构等，以求建立枯落物持水模型，为森林土壤层水文运动过程的研究提供科学依据。