摘 要

通过对江宁丘陵地区5种主要的乔木林种枯落物蓄积量以及它们持水性能的调查和试验，总结出各个林分内的枯落物的水文功能。试验结果显示，5种林分枯落物的蓄积量按照从大到小的排序是杉木林gt;针阔混交林gt;杨柳林gt;毛竹林gt;栾树林。在前5min内，5种林分枯落物吸水速率按照从大到小的排序是杨柳林gt;针阔混交林gt;毛竹林gt;杉木林gt;栾树林。5种林分枯落物的最大持水量按照从大到小的排序是杉木林gt;针阔混交林gt;杨柳林gt;毛竹林gt;栾树林。5种林分枯落物有效拦蓄量按照从大到小的排序是杉木林gt;针阔混交林gt;杨柳林gt;毛竹林gt;栾树林。

关键词：蓄积量；吸水速率；最大持水量；有效拦蓄量

Hydrological function research of litter in artificial forest

in Jiangning hilly area

Abstract

Based on volume and water-holding performance of litter in 5 kinds of main arbor forest category in the Jiangning hilly area, the hydrological function of litter is researched. The results show that the volume of 5 types of forest litter is listed from high to low:fir forests, coniferous and broadleaf mixed forests, poplar and willow mixed forests,moso bamboo forests, Koelreuteria paniculata forests. Within 5 min, forest litter water absorption rate of poplar and willow mixed forests was the highest. The largest capacity of litter of fir forests was the highest. Effective retaining content of litter of fir forests was the highest.

Key words: Volume;Water absorption rate;The largest capacity;Effective retaining content

目 录

1 研究区概况 1

1.1 概况 1

1.2 研究目的意义 1

1.3 国内外研究现状 2

2 研究方法及内容 4

3 结果与分析 7

3.1 枯落物层的蓄积量 7

3.2 枯落物层的持水特性 7

3.2.1　枯落物持水过程 7

3.2.2　枯落物层最大持水量的变化规律 11

3.2.3　枯落物层最大拦蓄量 13

结 论 15

致 谢 16

参考文献 17

1 研究区概况

1.1 概况

本次研究区位于江宁区汤山镇境内(32°10′N，119°05′E)，宝华山南麓，山势较为平缓，山峰是由乌桐系石英岩等岩石成分组成的，北坡的地层大致上是朝北面方向倾斜，其成分大多是石灰岩，山下面是煤系。该研究区在气候类型上属于季风气候，春夏秋冬分明，年均温度在15.4℃左右，最低时候的温度可以低至-13℃，而温度最高的时候又可达到40.5℃。日平均温度大于10℃的积温值为4845℃。平均降水量是961mm，一年当中降雨量最多的月份是7月份，约为129.8mm，1月份的最少，约为34.1mm，降雨主要集中在两个时段，分别是4～5月，7～8月。年均相对湿度为77%。土壤属黄棕壤。植被区系的亚热带特点相对很明显，同时也呈现出一定程度上的过渡性^[1]。由于它的水热条件状况相对比来说具有一定的优势，山峦连绵不断，生境类型多种多样，包括了不同生长阶段的演替林，因此拥有着十分丰富的生物种类资源。

1.2 研究目的意义

枯枝落叶是森林在自身成长发育过程中的天然产物，它对林木的再生长有着十分重要的意义。另外，它还有一项特别重要的功能，那就是在对森林的水文调节上，它起着很大的作用。对现有的林地内的枯落物吸水机理和水文特征的研究，在对于水土保持方面、正确经营和利用森林来改善自然环境都具有着不可忽视的现实意义。枯落物可以吸持水分，这就是枯落物的诸多作用中水文作用的一个具体体现，它所能够吸持水分的多少受到很多因素的影响，其中包括林地枯落物蓄积量、枯落物分解情况及其本身含水量和所处的气候情况^[2]。所以，探究枯落物的持水性能在对苏南丘陵山区的造林以及水土保持的实际操作中都占据着十分重要的意义。

枯枝落叶层也是大自然在森林系统中的一个隐形宝物，它的作用可以说是无可取代的。首先，它能够对地表径流起到一定的阻延作用，对降雨起到一定的拦截作用以此防止土壤溅蚀，另外它还在一定程度上增强了土壤的抗冲能力，并且对土壤中部分水分的蒸发也有着很大的抑制作用，是森林生态系统在监测和评价方面所研究的主要内容^[3-4]。枯落物层主要是由森林中凋落的枯枝落叶构成的，对涵养水源和保护土壤这两个方面都起到了很关键的作用^[5]。林下枯枝落叶层通过直接覆盖土壤层，这不仅能够有效的减少土壤中水分的蒸发，而且还能够完善土壤自身结构，使其具有良好的持水能力，又通过减弱雨滴对土壤的击溅侵蚀，并吸收部分降水，降低下渗到土壤中的降水量，从而来减少地表径流的产生，发挥着水土保持和水源涵养的功效^[6-8]。

1.3 国内外研究现状

历过了长时间的调研探究和试验，国内外相关的学者在对各个地域，各个不同类型森林植被枯落物的研究上都已经取得了相当不错的成果，这主要体现在对凋落物的储蓄能力，分解过程，以及持水动态等研究上^[9-13]。鲍曼的研究结果指出，森林群落中的枯枝落叶，在一定程度上具有很好的吸持能力，会通过影响林下穿透雨量，进而改变了土壤水分的渗透和植被生长环境的水分含量^[14]。而枯落物的水文效应会受到其蓄积量和持水率的影响^[15-16]。以孔立达为代表的一些科研人士研究了黄土高原丘陵地区人工林的枯落物特性，发现该地区人工林的枯落物持水率平均在191%左右，并且根据研究计算所获得的大量数据，拟合出了凋落物持水特性的经验方程^[17]。吴钦孝等以山杨森林群落为研究对象，研究发现与存在枯落物层的山杨林地相比，缺少枯落物层覆盖的林地，很容易被雨水冲刷，其表层土壤的径流量要增多约2.66倍，而因为冲刷所导致的流失土壤增多了大概9.15倍^[18]。郝向春通过一系列的冲刷试验，反复验证，总结出了枯落物和地表径流之间存在的定量关系，1cm厚的枯枝落叶层可以吸收2～4mm/min 降雨所生成的地表径流的冲刷^[19]。因此，我们总结前人科研成果，不难发现枯落物在森林生态系统中的持水规律，它的限度在通常情况下一般是它自己重量的2～4倍，这样平均算下来，枯落物最高的持水率就可以达到309.54%^[20]。降雨的时间长短和降雨特征也对枯落物的吸持性能有一定的影响，随着降雨量的逐渐增大，凋落物的吸持量也会越来越大，相反，截留率则是随之降低的。有科研结果指出，枯落物层平均每年可以截留10%的大气降雨量和12%的林内降雨量^[21]。汪有科通过大量实验验证了，有或没有枯落物覆盖的坡面，径流速率之间存在着很大的差距，缺少凋落物覆盖的径流流速比存在枯落物覆盖的快的多，如果枯落物的厚度是0.5厘米的话，那么缺少凋落物覆盖的坡面径流流速要是它的6-13倍，所以枯落物对减少径流的作用还是显而易见的。按照动能方程，可以推算出缺少枯落物覆盖的坡面的地表径流和有枯落物覆盖的坡面的地表径流的冲刷动能之比，结果要大于82～270^[22]。树种、林龄是直接影响枯落物蓄积量的关键因素，但是枯落物的蓄积量也会受到外界环境的影响，例如林分结构、空气温湿度、人为活动等。比如成年林中枯落物的存量比幼林和老林都多，水源涵养能力也较好；混交林和复层林在枯落物储蓄量和持水量方面比林分和层次单一的森林要具有更大的优势。林种之间的差别使得凋落物在最大持水量和持水率之间也会存在很大的差别，森林系统凋落物的平均最大持水量0.70～7.12mm，平均最大持水率大概在200%～500%之间。凯利赫的研究成果指出，凋落物吸持水分后的蒸发散会因为森林类型的不同而有一定的差异，通常占森林总蒸发散量的3%～21%^[23]。夏普和布顿也进行过相关研究，他们用蒸渗仪来测定水分蒸发，并且利用 Penman-Monteith 方程来模拟了枯落物中水分蒸发的速率和距地面到 1m 处中空气温度之间的关系，获得了理想的成果。1996年，刘世荣等学者通过大量研究给出了以下几组数据，在我国森林生态系统中，枯落物的最大平均持水量为 4.18mm，波动系数为47.21%；凋落物最大持水量一般是其自干重时的309%，波动系数为24%^[24]。不同的温度带地区森林枯落物储量不同，热带地区气候温和，枯枝落叶分解速度较快，所以造成热带地区森林枯落物储量较低，持水能力也较弱，通常在4mm以下，相比在温度偏低的暖温带及寒温带地区，枯落物更容易累积起来，所以枯落物在储量方面相对来说较强，此外它的持水能力也很强^[25]。不少学者也发现枯落物层除了能够涵养水源，改良土壤，还能起到增加地表的粗糙程度，拦阻地表径流，缓冲冲刷动能。研究表明枯落物蓄积量与地表的粗糙度系数相关性显著^[26-27]。张洪江研究了嘎贡山地区5种不同利用类型的土地的地表粗糙率，发现枯落物蓄积量最多的松栎混交林地拥有最高的地表粗糙度系数0.228^[28]。吴钦孝通过在黄土高原丘陵地区的一系列抗冲性试验发现，2cm厚的地表枯落物层可以有效的降低径流侵蚀的产沙作用，相比起裸露在外的地表，土壤冲刷量会降低80%左右，所以地表上所覆盖的枯落物越多，冲刷量就会越小。经过计算，1cm厚的枯落物层能够吸收掉2.7mm/min的降雨冲刷动能^[29-30]。