三里莊水庫(kù)上游水源涵養(yǎng)林不同林分枯落物水容量研究

1、第14卷第1期水土保持研究Vol.14No.1 2007年2月Research of Soil and Water Conservation Feb.,20073三里莊水庫(kù)上游水源涵養(yǎng)林不同林分枯落物水容量研究劉培娟1,2,楊吉華1,李申安1(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院水土保持系,山東泰安271018;2.諸城市水利水產(chǎn)局,山東諸城262200摘要:通過(guò)對(duì)諸城市三里莊水庫(kù)上游的刺槐林、麻櫟林、油松林、刺槐麻櫟混交林等主要林分類型的枯落物現(xiàn)存量及其持水性能的研究,總結(jié)出不同林分類型的枯落物的持水特征。結(jié)果表明枯落物的積蓄量為刺槐林>刺槐麻櫟混交林>麻櫟林>油松林,枯落物的最大持水量

2、為刺槐林>刺槐麻櫟混交林>麻櫟林>油松林,枯落物的有效攔蓄量為刺槐林>刺槐麻櫟混交林>麻櫟林>油松林,研究結(jié)果還表明,枯落物的粗糙度越大,截留徑流的能力也越強(qiáng),枯落物的水容量越大。關(guān)鍵詞:枯落物層;持水作用;水容量中圖分類號(hào):S714.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):100523409(20070120239203Study on W ater C apacity of Litter in DifferentForest Distribution of Sanlizhuang R eservoirL IU Pei2juan1,2,YAN G Ji2hua1,L I

3、 Shen2an1(1.S oil and W ater Conservation Department of Forest ry College,S handong A g ricultural Universit y,T aian,S handong271018;2.Zhucheng W ater Resources and A quatic B ureau,Zhucheng,S handong262200,China Abstract:The litter biomass and its water capacity are studied on the main forest type

4、s,Robinia pseudoacacia Linn forest, Quercus acutissima Carr forest,Pinus tabulaef ormis Garr forest,Robinia pseudoacacia Linn and Quercus acutissima Carr forest etc in Sanlizhuang reservoir of Zhucheng City,the biomass max water capacity and decomposition rate are sorted on different forest types.Th

5、e study result shows that litter amount is Robinia pseudoacacia Linn>Robinia pseudoacacia Linn and Quercus acutissima Carr>Quercus acutissima Carr>Pinus tabulaef ormis G arr,the largest water2holding is Robinia pseudoacacia Linn>Robinia pseudoacacia Linn and Quercus acutissima Carr>Qu

6、ercus acutissi ma Carr>Pinus tabulaef ormis Garr,the water effective intercept capacity of the litter is Robinia pseudoacacia Linn>Robinia pseudoacacia Linn and Quercus acutissi2 ma Carr>Quercus acutissima Carr>Pi nus tabulaef ormis G arr,so the result shows that the more litter surface

7、roughness is, the larger the water capacityis.K ey w ords:litterfall;water2holding ability;water capacity枯落物層是森林結(jié)構(gòu)中重要的組成部分,是森林地表的一個(gè)重要覆蓋面,它可以避免雨滴直接擊濺土壤,防止土壤擊濺侵蝕。由于增加土壤表面粗糙度,從而降低地表徑流流速,過(guò)濾徑流泥沙。枯落物層能促使地表徑流轉(zhuǎn)變?yōu)榱魉倬徛目萋湮飳娱g流和層下流,增加土壤入滲,削減地表徑流量,對(duì)減少土壤侵蝕有重要作用,形成森林水文效應(yīng)的第二活動(dòng)層。林下枯落物層由林分植物落下的莖葉、枝條、芽、鱗片、花、果實(shí)、樹(shù)皮等凋落物分

8、解而成。在土壤形成過(guò)程中,枯落物層是土壤有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分的重要來(lái)源。林地枯落物層一般可分為上、中、下三層。上層為未分解層,在無(wú)人破壞的情況下,它的厚度因樹(shù)種、生長(zhǎng)狀況和氣溫、濕度不同而異;中層為半分解層,其有機(jī)殘?bào)w已被分解,但原形依然可辨;下層為分解層,它對(duì)增加土壤有機(jī)質(zhì),改善土壤結(jié)構(gòu)具有重要的作用。這一層疏松多孔,通氣和水分條件較好,一般土壤有更大的孔隙率和持水力,吸收和滲透降水的能力較大。因此,枯落物層水容量的變化成為森林生態(tài)系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。為查明三里莊水庫(kù)上游水源涵養(yǎng)林枯落物層的水容量變化,實(shí)測(cè)了刺槐林、麻櫟林、油松林、刺槐麻櫟混交林4種林分的枯落物分層厚度和枯落物現(xiàn)存量,測(cè)定了枯落物最大

9、持水量,平均持水速度,有效攔蓄量,粗糙度等水文生態(tài)指標(biāo)。從而綜合評(píng)價(jià)各種林分類型的涵養(yǎng)水源,保持水土及減少地表徑流的作用,為庫(kù)區(qū)森林植被的建設(shè)、管理和森林類型的選擇提供理論依據(jù)。1研究地區(qū)概況試驗(yàn)地選在山區(qū)丘嶺為主的三里莊水庫(kù)上游小流域,三里莊水庫(kù)飲用水源地主要是由扶河與淇河流域和上游青墩水庫(kù)倒漾河等流域組成,控制流域面積240km2,其中上游青墩水庫(kù)控制102km2,流域內(nèi)山區(qū)占35%,丘陵占60%,局部平原占5%,整個(gè)流域呈扇形,干流坡降為2。氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶园霛駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū),多年平均氣溫為18.5,年平均無(wú)霜期196d,多年平均降水量758mm,75%集中在69月份,最大年降水量130

10、3mm,多年平均徑流深254mm,植被屬暖溫帶闊葉針葉樹(shù),流域內(nèi)無(wú)天然原生植被,現(xiàn)有林木皆為次生狀態(tài)天然和人工栽植林木,主要有油松、側(cè)柏、刺槐、麻櫟等,3收稿日期:2006203216基金項(xiàng)目:山東省水利廳項(xiàng)目“土石山區(qū)水土保持植被水文生態(tài)效應(yīng)及優(yōu)化配置技術(shù)的研究”作者簡(jiǎn)介:劉培娟(1978-,女,在讀碩士研究生,主要從事林業(yè)生態(tài)工程方面的研究;通訊作者:楊吉華?；钠露酁橐荒昊蚨嗄晟s草。2試驗(yàn)材料與研究方法2.1試驗(yàn)材料試驗(yàn)材料為三里莊水庫(kù)上游的10年生刺槐林、麻櫟林、油松林、刺槐麻櫟混交林,其中刺槐林密度為3300株/hm2,麻櫟林密度3000株/hm2,油松林密度3600株/hm2,刺槐

11、麻櫟混交林密度3100株/hm2(槐櫟為12。2.2研究方法在三里莊水庫(kù)上游選擇具有代表性的林分,按不同立地條件劃出20m×20m的標(biāo)準(zhǔn)地,在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)選出35個(gè)樣方(每個(gè)樣方50cm×50cm,將樣方內(nèi)所有的枯枝落葉收入尼龍袋中(稱自然濕重,進(jìn)行浸水法測(cè)定。2.2.1枯落物的水容量的測(cè)定采用浸水法測(cè)定枯落物的水容量,枯落物的最大持水率為枯落物浸水24h后的水容量。2.2.2枯落物的平均持水速度測(cè)定分別測(cè)定了15min、30min、1h、2h、4h、8h、15h、24h 時(shí)間段內(nèi)的枯落物的平均持水速度。2.2.3枯落物積蓄量的測(cè)定在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)收取不同層次和不層厚度的林下枯落物,

12、然后稱其自然濕重、烘干重,記錄未分解層的厚度、半分解層的厚度、分解層的厚度、計(jì)算枯落物的分解程度和現(xiàn)存量。3結(jié)果與分析3.1不同林分枯落物的持水作用研究3.1.1不同分解層的枯落物持水速度變化規(guī)律不同林分枯落物分層厚度和枯落物持水速度測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1和表2。表1不同林分枯落物分層厚度及積蓄量林分類型枯落物分層厚度/cm未分解層半分解層和分解層枯落物層厚度積蓄量/cm厚度/(thm-2積蓄量/cm厚度/(thm-2積蓄量/cm厚度/(thm-2刺槐林 1.49 2.30 3.0010.50 4.4912.80麻櫟林 1.80 3.80 3.50 6.80 5.3010.60油松林 1.30 2.9

13、0 2.00 6.00 3.308.90刺槐麻櫟混交林 1.55 2.80 3.158.00 4.7010.80林分枯落物層吸水作用的大小,取決于其本身的厚度和性質(zhì)1。由表1可知,闊葉林的枯落物層比針葉林枯落物層厚度大,積蓄量大。闊葉林中,麻櫟林的枯落物厚度最大為5.30cm,但其積蓄量較小,僅為10.60t/hm2。這主要是由于麻櫟的葉片較大,且葉片表面有一層蠟質(zhì)層,枯落物分解較慢,未分解層在枯落物中占的比例較大,為35.85%。刺槐林枯落物層的積蓄量最大,為12.80t/hm2,其次為刺槐麻櫟混交林、麻櫟林、油松林。表2不同林分各層次枯落物持水速度枯落物的持水速度與枯落物的性質(zhì)和分解程度有

14、關(guān),還與枯落物的水容量有關(guān),由表2可知,枯落物持水初期,持水速度大,在015min吸水速率最快,隨著時(shí)間的推移,持水速度逐漸降低,而持水量卻在逐漸增加,24h后枯落物持水量達(dá)最大值,持水速度逐漸趨于零。015min比030 min枯落物平均持水速度大1倍左右。從各層持水速度來(lái)看,枯落物分解層的持水速度大于半分解層和未分解層。3.1.2不同分解層的枯落物持水量變化規(guī)律圖1、圖2、圖3、圖4為刺槐林、麻櫟林、油松林、刺槐麻櫟混交林每層枯落物的浸水時(shí)間與單位面積持水量過(guò)程線。由圖1,刺槐林枯落物單位面積持水量,分解層持水量值在各時(shí)段遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另外兩層,一般大1倍左右,持水量變幅為分解層在015min最

15、大,未分解層、分解層在030min最大,以后相對(duì)穩(wěn)定,到24h達(dá)最大值。從各層次枯落物的平均持水速度來(lái)看,各林分分解層的平均持水速度皆大于半分解層和未分解層。在0.25h內(nèi),刺槐林的枯落物平均持水速度最大,分解層和半分解層的持水速度分別為4.66kg/h 和0.98kg/h,其次是刺槐麻櫟混交林、麻櫟林、油松林。因此,林地枯落物的持水作用主要表現(xiàn)在2h內(nèi),特別是30 min以內(nèi),所以枯落物的水源涵養(yǎng)作用主要表現(xiàn)在前30min 以內(nèi),這對(duì)減輕雨滴擊濺侵蝕,減少地表徑流,增加土壤入滲時(shí)間,提高水源涵養(yǎng)作用具有重要意義2。表2不同林分各層次枯落物持水速度林分類型枯落物層次不同觀測(cè)時(shí)段/h枯落物平均持

16、水速度/(gh-10.250.5124815241 4.66 2.33 1.250.630.310.250.090.05刺槐林20.980.570.310.170.090.070.040.013 1.480.570.500.270.150.100.040.041 4.320.920.500.270.150.100.040.04麻櫟林20.800.500.270.140.070.050.020.0130.920.540.230.140.070.050.020.0110.320.180.100.050.250.150.010.01油松林20.400.200.100.060.030.250.010.

17、013 1.000.500.250.140.070.050.020.01刺槐麻櫟混交林1234.420.260.480.930.500.520.500.020.190.200.080.100.100.030.040.150.020.020.020.010.020.040.010.01注:1表示分解層,2表示半分解層,3表示未分解層。3.1.3不同分解層的枯落物最大持水量變化規(guī)律在森林生態(tài)系統(tǒng)中,地表枯落物層對(duì)于水源涵養(yǎng)、養(yǎng)分供應(yīng)、促進(jìn)生物活動(dòng),加快能量轉(zhuǎn)化,物質(zhì)水量平衡和保持水土等方面具有重要作用。由表3可以看出,刺槐林枯落物的最大持水量最大,為3.59mm,油松林內(nèi)枯落物最大持水量最低,僅為

18、1.47mm。該試驗(yàn)區(qū)內(nèi)各林分最大持水量的大小順序?yàn)?刺槐林>刺槐麻櫟混交林>麻櫟林>油松林;最大持水率的大小順序?yàn)榇袒绷?gt;刺槐麻櫟混交林>麻櫟林>油松林。總體來(lái)看,闊葉林枯落物的最大持水量大于針葉林。這是因?yàn)樵囼?yàn)區(qū)內(nèi)針葉林地的水分條件較差,林內(nèi)枯落物層積蓄量較小,且枯落物層中未分解層占的比重較大?？萋湮飳幼畲蠼亓袅颗c其最大持水量接近。由表3可知,該試驗(yàn)區(qū)內(nèi),刺槐林內(nèi)枯落物層截持降雨的能力最強(qiáng),油松林最弱。不同林分類型枯落物持水率的差異,是由于枯落物的組成成分不同,分解層和半分解層的厚度不同,不同厚度下的持水量是不同的。最大持水量可以反映枯落物在短時(shí)間的1次

19、暴雨中可能最大的截持水量。因該區(qū)一般降雨歷時(shí)短,故對(duì)于1次大暴雨的截水量而言,枯落物截留率是很小的,由此可見(jiàn)枯落物的截留能力是有限的3。3.2不同林分類型枯落物水容量的研究林分枯落物層是水土保持的第二作用層,是評(píng)價(jià)森林植被涵養(yǎng)水源功能的重要因素,枯落物飽和水容量取決于枯落物吸水率和單位面積枯落物數(shù)量,枯落物越多,吸水率越大,吸水和過(guò)濾地表徑流的作用越強(qiáng),吸收和減緩地表徑流的沖刷,其水文作用越大。吸水率的大小可以反映水容量的大小,吸水率越大,水容量越大4。由表4可以看出,刺槐林枯落物的吸水率最大,為42水土保持研究第14卷261.5%,因此,其水容量最大。油松林枯落物的吸水率最小,僅為149.2

20、%,油松林枯落物的水容量最小。刺槐麻櫟混交林枯落物的吸水率為210.9%,明顯高于麻櫟純林枯落物的吸水率,這表明刺槐麻櫟混交林的枯落物水容量要明顯高于麻櫟純林,具有較好的蓄水效果。由表4還可以看出,闊葉林枯落物的蓄水效果要好于針葉林 。圖1刺槐林持水過(guò)程線圖2 麻櫟林枯落物持水過(guò)程線圖3油松林枯落物持水過(guò)程圖4刺槐麻櫟混交林枯落物持不過(guò)程線表3不同林分枯落物持水量對(duì)比表林分類型積蓄量/(t hm -2最大持水率/%最大持水量/mm刺槐林12.80280 3.59麻櫟林10.60193 2.05油松林8.90175 1.47刺槐麻櫟混交林10.802322.51表4不同林分枯落物持水能力測(cè)定表林

21、分類型枯落物濕重/kg時(shí)間/h 烘干重/kg 吸水量/kg 吸水率/%刺槐林0.73780.3180.852261.50麻櫟林0.32180.2890.610158.60油松林刺槐麻櫟混交林0.2370.451880.2230.2930.3330.618149.20210.903.3不同林分枯落物對(duì)降雨的有效攔蓄量研究最大持水率一般只反應(yīng)枯落物層持水能力的大小,而不能反應(yīng)對(duì)實(shí)際降水的攔截狀況,它不僅沒(méi)有考慮到雨前枯落物層的自然含水量狀況,又不符合它對(duì)降雨的攔蓄量。據(jù)研究,降雨達(dá)到2030mm 以后,不論各種林型,枯落物層含水量高或低,持水率約為最大持水率的85%,所以用最大持水率來(lái)估算枯落物層

22、攔蓄降雨的能力偏高,應(yīng)按下面的公式和方法來(lái)計(jì)算5。W =(0.85R m -R 0×M式中:W 有效攔蓄量(t/hm 2;R 0平均自然含水率(%;R m 最大持水率(%;M 枯落物積蓄量(t/hm 2。由表5可知,在自然狀態(tài)下,刺槐林、麻櫟林、油松林、刺槐麻櫟混交林枯落物的有效攔蓄量分別為38.9t/hm 2、15.6t/hm 2、14.9t/hm 2、15.8t/hm 2,分別相當(dāng)于3.89mm 、1.56mm 、1.49mm 、1.58mm 的降水,因此刺槐林的有效攔蓄量最好,試驗(yàn)區(qū)內(nèi)各林分有效攔蓄量的大小順序?yàn)榇袒绷?gt;刺槐麻櫟混交林>麻櫟林>油松林。表5枯落

23、物層對(duì)降雨的有效攔蓄量林分類型積蓄量/(t hm -2最大持水率/%最大攔蓄量/(t hm -2自然含水率/%有效攔蓄率/%有效攔蓄量/(t hm -2刺槐林12.80214.9030.1284.09136.6438.90麻櫟林10.60135.6024.9570.81250.6115.60油松林8.90124.6020.1660.01132.2014.90刺槐麻櫟混交林10.80176.7053.4260.20360.2115.803.4不同枯落物的粗糙度與水容量關(guān)系的研究枯落物增加地表粗糙度,從而增加水容量,枯落物粗糙率反映坡面薄層水流所受到的阻力。枯落物的粗糙率系數(shù)與謝才(Chezy 公

24、式中的謝才系數(shù)C 值成反比,根據(jù)公式n =0.008Z 0.455(Z 植被覆蓋度;n 糙率來(lái)計(jì)算不同林分枯落物的粗糙率系數(shù)。植被覆蓋度雖然不直接反映枯落物的多少,但在此與枯落物有著密切聯(lián)系。坡面的糙率系數(shù)隨枯落物量的增加而升高,試驗(yàn)表明,枯落物量與糙率系數(shù)n 值呈指數(shù)正相關(guān)5,本文用植被覆蓋度推求糙率系數(shù),結(jié)果見(jiàn)表6。表6不同林分枯落物的粗糙率林分種類植被覆蓋度Z /%枯落物的粗糙率系數(shù)n刺槐林42.4200.2561麻櫟林油松林29.34628.3100.22860.2282刺槐麻櫟混交林30.2540.2382由表6得出不同植被坡面糙率n 值:刺槐林為0.2561,麻櫟林為0.2286,

25、油松林為0.2282,刺槐麻櫟混交林為0.2382,刺槐林的粗糙度最大,油松林的最小,其次為刺槐麻櫟混交林、麻櫟林。植被覆蓋度越大,糙率越大,枯落物的糙率增加,攔蓄地表徑流的能力越強(qiáng),枯落物的持水能力越大。不僅枯落物的數(shù)量及其性質(zhì)影響糙率系數(shù),而且表層土壤厚度、土壤機(jī)械組成及土壤石礫含量、孔隙度等都影響糙率系數(shù)的大小。n 值較大的地表,其水分滲透性能也較好。(下轉(zhuǎn)第245頁(yè)142第1期劉培娟等:三里莊水庫(kù)上游水源涵養(yǎng)林不同林分枯落物水容量研究楓在黃土半干旱區(qū)生長(zhǎng)所允許的土壤水分最大虧缺程度。(4根據(jù)干旱半干旱區(qū)提高水分利用效率的林業(yè)管理核心理念,確定元寶楓樹(shù)種在該區(qū)適宜生長(zhǎng)的SWC 閾值為11

26、%15%。參考文獻(xiàn):1李合生.現(xiàn)代植物生理學(xué)M .北京:中國(guó)高等教育出版社,2001.85-183.2張光燦,劉霞,賀康寧,等.金矮生蘋果葉片氣體交換參數(shù)對(duì)土壤水分的響應(yīng)J .植物生態(tài)學(xué)報(bào),2004,28(1:66-72.3許振株,周廣勝,李暉.羊草葉片氣體交換參數(shù)對(duì)溫度和土壤水分的響應(yīng)J .植物生態(tài)學(xué)報(bào),2004,28(3:300-304.4田晶會(huì),賀康寧,王百田,等.黃土半干旱區(qū)側(cè)柏氣體交換和水分利用效率日變化研究J .北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,27(1:42-46.5田晶會(huì),賀康寧,王百田,等.不同土壤水分下黃土高原側(cè)柏生理生態(tài)特點(diǎn)分析J .水土保持學(xué)報(bào),2005,19(2:175-1

27、78,183.6田晶會(huì),賀康寧,王百田,等.黃土半干旱區(qū)側(cè)柏蒸騰作用及其與環(huán)境因子的關(guān)系J .北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,27(3:53-56.7顧振瑜,胡景江,文建雷,等.元寶楓對(duì)干旱適應(yīng)性的研究J .西北林學(xué)院學(xué)報(bào),1999,14(2:1-6.8文建雷,劉志龍,王姝清.水分脅迫條件下元寶楓的光合特征及水分利用效率J .西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2003,18(2:1-3.9王斌瑞.晉西黃土高原主要樹(shù)種凋萎濕度的研究J .北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1988,10(4:17-23.10山侖.旱地農(nóng)業(yè)中有限水高效利用的研究J .水土保持研究,1996,3(1:8-13.11Farquhar G D ,Sharke

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