生态环境学报20 1 1,20(2):248.252 Ecology and Environmental Sciences http://www.jeesci.com E—mail:editor@jeesci.corn 云南高原典型林分林下枯落物持水特征研究 周祥 ,赵一鹤 ,张洪江 ,王雄宾 1.水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室//JB京林业大学水土保持学院,北京100083; 2.中国林业科学研究院资源昆虫研究所,云南昆明650224;3.河北省水利科学研究院,河北石家庄050051 摘要:森林枯落物具有重要生态水文功能,通过实地调查与实验分析,对云南高原湖泊纳帕海流域3种典型林分枯落物储量、 持水量和持水过程进行了研究。结果表明:高山松(pinus densata)林下枯落物储量最大,白桦林(Betulaplatyphylla Suk.)次之, 川滇高山栎(Quercus aquifolioides)灌丛最小,林下枯落物储量最大持水量和有效拦蓄量大小排序表现出和枯落物储量相同的 顺序;不论是储量、最大持水量还是有效拦蓄量,各林分枯落物都表现出半分层大于未分解层。3种林下枯落物在0~2 h内 吸水较快,在10 h后吸水速明显减缓,用对数方程对3种林下枯落物未分解层和半分解层持水量与浸水时间进行拟合,用 幂函数方程对吸水速率与浸水时间进行拟合,结果显示相关系数都较高。 关键词:云南高原;枯落物;持水量;吸水速率 中图分类号:Q948 文献标志码:A 文章编号:1674—5906(201 1)02—0248—05 地表植被的枯落物包括林内乔木和灌木的枯 枝、枯叶、落皮及繁殖器官、林下枯死的草本植物 及枯死的树根[1 J。枯落物层作为森林水文作用的第 二个功能层,在截持降雨、阻延径流、减少土壤水 分蒸发和土壤流失等方面具有重要作用【2J。目前, 国内外许多学者在不同区域对多种立地类型下多 种森林类型下的枯落物特性作了大量研究,取得了 定成果,如对华北雾灵山口]和北京西山 J、东北 小兴安岭L5J和辽宁海棠山L6】、西北宁夏六盘山[ 和新 一纳帕海地处金沙江上游的滇西青藏高原东南 缘横断山脉腹地,是云南省湿地自然保护区,也是 国际重要湿地。研究区山地坡面地处27 ̄45 一28。25 N,90。20'-99 ̄45 E之间。平均海拔3 250 m,年平 均气温5.8℃,最冷月平均气温一8.7℃,最热月平 均气温19℃,≥1O℃积温1 529.8℃。年平均降水 疆天山 J、东南福建顺昌 西南重庆四面山L1。J和 四川嘉陵江上游llIJ等地的典型林分枯落物进行了 研究,还有的学者对枯落物持水情况进行了综述分 析 , J。所采用的研究方法主要有室内实验、野外 定位观测和统计模型。研究发现:降雨开始时,枯 落物层吸水量迅速增加,当水分到达细胞内部,吸 水量增加缓慢;枯枝落叶层分解程度越高,持水率 越大;枯落物层覆盖在土壤表面,增加了地表粗糙 度,能够阻滞径流L1 ;枯落物层能够吸持水分,之 后缓慢下渗,在森林水源涵养方面起到了重大作 用。截止目前,国内专家学者对低纬度高海拔地区 的滇西北纳帕海流域的枯落物研究甚少。纳帕海作 为云南高原沼泽面积最大和最具代表性的湿地类 型lJ ,湖面海拔达3 260 m,周边被高寒山地所环 绕,有着独特的气候、水文和植被特点。本研究对 纳帕海流域典型植被类型川滇高山栎灌丛、高山松 次生林、白桦林的枯落物水文特性作了初步探索。 1研究区概况 基金项目: 国家自然科学基金一云南联合基金项目(U0933601)量6l8.4 mm,通常情况下6—9月雨季降水量占全 年的8O%~90%,年蒸发潜量1 643.6 mm,Et照时 数2 18O-3 h,霜期244 d。冬长达257 d。 纳帕海流域成土母岩主要有砂页岩、砂岩、玄 武岩、第三纪砂岩层、河流冲积物、洪积物、残积 物等。土壤类型主要为暗棕壤、棕壤、冲积土、孰 土、粉砂土等。植被类型属亚热带常绿阔叶林向青 藏高原高寒植被区的过渡带。从高海拔到低海拔依 次出现高山灌丛草甸、寒温I生针叶林、温性针叶林、 湿性常绿阔叶林、暖性针叶林、半湿润常绿阔叶林 和河谷灌丛等垂直带性植被类型。主要树种有云杉 (Picea asperata Mast)、冷杉 bies fabri Mast.1、高 山松(pinus densata)、华山松(Pinus armandii Franch)、云南松(Pinus yunnanensis Franch)、川滇高 山栎(Quercus aquifolioides)、杜鹃(Rhododendron spp)、白桦(Betula platyphylla Suk.)、箭竹(Fargesia spathacea Franch)、高山柳( cupularis)等。 在纳帕海湖泊周边面山,共选取了3块典型天 然次生林样地进行研究,包括1个针叶林(高山松林) 地,2个落叶阔叶林(川滇高山栎灌丛和白桦林)地。 样地垂直投影面积均为10 m×10 m,各样地内几乎 作者简介: 周祥(1976年生),男,高级工程师,博士研究生,研究方向为水土保持荒漠化防治。E—mail:zx3860@sohu.com 通信作者:赵一鹤。E-mail:kjzc123@163.com 2Ol1.O1.14 收稿日期: 周祥等:云南高原典型林分林下枯落物持水特征研究 249 为单纯林,群落垂直结构不明显,基本特征如表1。 水热条件都对枯落物储量有较大影响[4]c 3种林分 表1 研究样地及其枯落物基本特征 的枯落物储量差距较大(表2),高山松次生林枯落物 Table 1 Basic characteristics ofthe sample plots and their litter layers 储量最大为l7.21 t.hm~,白桦林次之为11.33 样地植被类型 坡向 )坡度 。) 海拔/m 郁闭度 林龄/a t.hm- ,川滇高山栎灌丛储量最小为8.19 t'hm~,高 川滇高山栎灌丛 340 25 3345 0.8 10 山松次生林枯落物储量是JIf滇高山栎灌丛的2.1O 高山松次生林 230 26 3320 0.8 19 倍;白桦林落物厚度最大为4.13 cm,川滇高山栎 白桦林 20 30 3352 O.7 l5 灌丛厚度最小为2.72 cm。分析各林分枯落物储量, 2研究方法 推断主要是由于针叶树落叶难以分解,而阔叶树落 2.1 枯落物储量的测定 叶分解较快的缘故。 2010年2月,在每个样地内沿对角线(即45。 3种林分类型林下枯落物无论是储量还是厚 线)方向设定3个0.6 mx0.6 1TI的小样方,在样方内, 度均是半分解层大于未分解层,高山松次生林枯 随机选择1O个点用以测定枯落物未分解层和半分 落物储量相差最大,其半分解层储量是未分解层 的3.04倍。 解层的厚度及总厚度,取其平均值;按未分解和半 分解层分别收集样品,称重后带回实验室。 3.2枯落物持水量 2.2枯落物持水量和吸水速率的测定 枯落物的持水能力一般用干物质的最大持水 在室内风干后称质量,然后在85℃下烘干至 量和最大持水率来表示,其值与林分类型、林龄、 枯落物分解状况等有关L1 。 恒质量,测定其干质量,用其干物质的质量计为枯 3.2.1枯落物最大持水量 落物储量。采用室内浸泡法测定枯落物的持水量、 林下枯落物的风干过程体现了枯落物在自然 持水率和、吸水速率和持水过程。将原状分解层和 条件下的保水情况,是枯落物截流能力的间接体 半分解层枯落物样品分别装入尼龙袋,在清水中浸 泡1/12、0.25、05、1、1.5、2、4、8、1O、24 h, 现。枯落物层的最大持水量取决于枯落物的质和 量,与枯落物的厚度、储量、种类、湿度及分解程 悬置5 min后称质量,共计测l0次。每次测得的枯 度等有密切关系【4]。纳帕海面流域主要3种植被类 落物湿质量与其风干质量之差,即为枯落物在不同 型枯落物最大持水量的试验结果如表3所示,各林 时间的浸水持水量,该值与浸水时长的比值为枯落 物的吸水速率。 分类型间未分解层差异不大,高山松次生林未分解 2.3有效拦蓄量的测定 层持水量最大,为5.81 t.hm- ,相当于0.58 mlTl水 据雷瑞德 5J的研究结果,坡面枯落物通常不 深,白桦枯落物未分解层最大持水量最小,为4.83 t.hm~。分析不同林分枯落物半分解层最大持水量, 会出现较长时间的浸水条件,当降雨量达到 20~30 mm以后,其实际持水率约为最大持水率的 发现各林分间半分解层差异较未分解层大,高山松 次生林枯落物半分解层最大持水量最大,为l 6.48 85%,所以取调整系数0.85来估算枯落物层的有 t.hm~,川滇高山栎灌丛枯落物半分解层最大持水量 效拦蓄量: 最小,为8.39 nqlTl。枯落物总最大持水量为:高山 W=(0.85Rm—R0) 松次生林>白桦林>川滇高山栎灌丛,其大小排序表 式中:W为有效拦蓄量(t.hm之);R 为最大持水 现出和储量相同的排序。 率(%);R0为平均雨前自然含水率(%);M为枯落物 3.2.2枯落物最大持水率 储量(t_hm‘ )。 由表3可知,3种林分川滇高山栎灌丛持水率 3结果与分析 (168.5O%)最大,白桦林(143.16%)次之,高山松次 3.1枯落物储量 生林(129.52%)最小,纳帕海面山主要3种林分类型 枯落物储量与枯落物的输入量、分解速度及累 枯落物最大可以吸收其自重的1.30~1.69倍的降雨。 积年限有直接关系,森林的树种组成、林分所处的 3种林分枯落物最大持水量大小顺序和最大持 表2各森林植被类型枯落物储量 1 ble 2 The litter amount in difierent forest stnads 250 水率大小顺序呈现相反的顺序,高山松次生林枯落 物含有较多的油脂,其最大持水率较小,但其不易 分解,储量大,最大持水量也最大,而JlI滇高山栎 灌丛虽然最大持水率最大,但其储量值最小,其最 大持水量最小。 3.2.3枯落物有效拦蓄量 枯落物最大持水率和最大持水量只能反映枯 落物持水能力的大小,而不能反映对降水的拦蓄能 力,有效拦蓄量是反映枯落物对一次降雨拦蓄的指 标,一般用有效拦蓄量来计算枯落物对降水的实际 拦蓄量。由表3可知,各林型各层枯落物有效拦蓄 量大小和最大持水量表现出相同的规律,枯落物有 效拦蓄量为:高山松次生林>白桦林>川滇高山栎灌 丛,且未分解层小于半分解层。 与最大持水量相比较,有效拦蓄量未分解层和 半分解层的差距较小,这是因为半分解层位于未分 解层之下,其自然含水量较大。 3.3枯落物层的持水过程分析 3.3.1枯落物层持水量与浸水时间的关系 由图1~3可知,3种林分枯落物的未分解层、 半分解层和总枯落物持水量随着浸水时间的增加 表现出相似的规律。随着浸水时间的增加,各林分 的枯落物持水量逐渐增大。在开始浸水时,持水量 随浸水时间的增加而迅速增长,当枯落物在水中2 h 左右,持水量达到较大值,浸水8~10 h之后,持水 量随着浸泡时间增加变化很小。3种林分未分解层 枯落物持水量变化比较接近,而半分解层变化差距 较大,各时段持水量高山松>高山栎>白桦林。 不同林分林下枯落物未分解层、半分解层持水 量与浸水时间之间的关系按照如下对数方程变化: w=a.Intilb (1) 式中:W为枯落物持水量(t・hm ), 为浸水时 间(h),a、b为方程常数项。 即用对数方程对枯落物未分解层、半分解层持 水量与持水时间进行拟合,各林分的不同枯落物层 持水量拟合的相关系数( )均大于0.91(表4),拟合 效果较好,这表明枯落物各层的持水量与持水时问 二者之间呈较显著对数关系。 3.3.2枯落物吸水速率与浸水时间的关系 不同类型林分林下枯落物吸水速率随浸水时 生态环境学报第20卷第2期(2011年2月) 25 ,、2O 暑15 ◆高山松 i0 _高山栎 5 ▲白桦林 靶 O 0 5 10 15 20 25 时间/l1 图1 林下枯落物持水量与浸水时间关系 Fig.1 Relationship between water holding capacity of litter and immersion time 8 ,、6 皇4 ◆高山松 删2 _高山栎 靶0 ▲白桦林 0 5 10 15 20 25 时间/l1 图2未分解层枯落物持水量与浸水时间关系 Fig.2 Relationship between water holding capaciyt ofundecomposed liter and immersion time 20 —1S ◆高山松 曼1O -高山栎 s ▲白桦林 靶 0 0 5 1O 15 2O 25 时间/l1 图3半分解层枯落物持水量与浸水时间关系 Fig.3 Relationship between water holding capacity ofhalf-decomposed litter and immersion time 间变化的趋势是一致的:在前30 min内吸水速率较 大,之后逐渐下降,2 h时后吸水速率明显减小。 枯落物在刚浸入水中时吸水速率都较高,这是因为 从风干状态浸入水中后枯落物中的枝叶表面或死 细胞间水势差较大;因此,吸水速率高L4J。枯落物 在开始浸水阶段迅速吸水的过程对短历时大暴雨 周祥等:云南高原典型林分林下枯落物持水特征研究 表4林下枯落物持水量与浸水时间关系 Table 4 Equation between water holding capacity oflitter and immersion time 降水的滞后径流有较显著的影响作用,这正是枯落 物调节水文、保持水土作用的功能所在【3】。随着浸 泡时间的增长,枯落物持水量逐渐接近其最大持水 量,即枯落物吸水逐渐趋于饱和,其吸水速率随之 减缓。 不同林分林下枯落物未分解层、半分解层吸水 速率与浸水时间之间的关系按照如下幂函数方程 变化: V=a.t (2) 式中:v为枯落物吸水速率(t・hm-2.h ),t为浸 水时间(h),a、b为方程常数项。 即用幂函数方程对枯落物未分解层、半分解层 持水量与持水时间进行拟合,各林分的不同枯落物 层吸水速率拟合的相关系数( )均大于0.95(表5), 拟合效果较好,由此得到吸水速率与时间的关系方 程式(表5)。 表5林下枯落物吸水速率与浸水时间关系 Table 5 Equation between water absorption rate of liter and immersion time 4结论 (1)滇西北纳帕海流域各林分枯落物的最大持 水量大小及有效拦蓄量大小表现出和储量大小相 同的排序,即:高山松次生林>白桦林>川滇高山栎 灌丛。林地枯落物储量是反映林地枯落物持水能力 的一个指标,枯落物储量大的林分持水能力也强。 251 (2)不论是储量、最大持水量还是有效拦蓄量, 不同林分枯落物都表现出半分层大于未分解层。 (3)不同层次、不同林分林下枯落物的持水过 程表现出相似的特性,在浸水前期持水量快速增 加,浸水2 h左右达到较大值,浸水8~10 h后持水 量随浸水时间的增加变化不大。3种林下枯落物未 分解层和半分解层持水量与浸水时间之间均符合 w=a・ln 6,林下枯落物的吸水速率与浸水时间之间 均符合v=a・tb,式中:w为枯落物持水量(t・hm- ),v 为枯落物吸水速率(t・hm-2.h ),f为浸水时间(h),a、 b为方程常数项,这与许多学者研究结果一致[1,10]。 参考文献: [1] 程金花,张洪江,史玉虎.林下地被物保水保土作用研究进展[J]. 中国水土保持科学,2003,1(2):96—100. 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Key words:Yunnan plateau;litter;water-holding capacity;water absorption rate