Hydrological Effects of Forest Litters of Larix principis-rupprechtii Plantations with Varying Ages in Liupanshan of Ningxia, China

研究地点位于六盘山南部香水河小流域(106°10′~106°30′ E，35°15′~35°42′ N)，该地海拔高2 040~2 942 m，流域面积约43.74 km², 属暖温带半湿润气候，年均气温5.8℃，年均相对湿度68%，无霜期90~130 d，多年平均降水量632 mm，6—9月占全年降水量的72.2%，全年蒸发量1 214~1 426 mm。土壤类型主要为灰褐土。

香水河小流域的森林植被生长良好，森林覆盖率高达73%，主要为天然次生林、人工林及灌丛，人工林以华北落叶松(Larix principis-rupprechtii Mayr)为主，面积占23.62%。另有一些油松(Pinus tabuliformis Carr.)、青海云杉(Picea crassifolia Kom.)、白桦(Betula platyphylla Suk.)等人工林；天然次生林的树种组成包括辽东栎(Quercus liaotungensis Koidz.)、少脉椴(Tilia paucicostata Maxim.)、红桦(Betula albo-sinensis Burk.)、山杨(Populus davidiana Dode)、和华山松(Pinus armandii Franch.)等；林下灌丛主要由华西箭竹(Fargesia nitida (Mitford) Keng f.)、李(Prunus salicina Lindl.)、沙棘(Hippophae rhamnoides Linn.)、灰栒子(Cotoneaster acutifolius Turcz.)、峨眉蔷薇(Rosa omeiensis Rolfe)等组成；林下草本植物主要有苔草(Carex spp.)、东方草莓(Fragaria orientalis Losinsk)等。

2017年6月，在香水河小流域内，选取不同林龄华北落叶松人工林样地，按其林龄分为幼龄林(平均林龄16 a)、中龄林(平均林龄25 a)、近熟林(平均林龄34 a)、成熟林(平均林龄43 a)，各林龄选取2块立地条件基本一致样地，单个样地面积为20 m×20 m，调查样地内所有树木树高、胸径、枝下高等林分结构指标，记录海拔、坡度、坡向等地形指标，各样地林冠层叶面积指数(LAI)则采用LAI-2200冠层分析仪测定，每个样地随机选取9个点，计算其平均值作为样地的叶面积指数^[5]。各林分样地基本情况见表 1。

在不同林龄样地内四角及中心，划出30 cm×30 cm枯落物样方，调查枯落物层的厚度和蓄积量。将枯落物分为未分解层(O_L)和半分解层(O_F)，用钢尺测定厚度，然后分别取样后装入密封塑料袋，带回室内进行持水特性测定。在室内，对取回的枯落物样品分层称取鲜质量，其后在烘箱中65℃条件下烘干至恒质量，计算枯落物层自然含水率及蓄积量。

采用室内浸泡法测定，在尽量保持枯落物原状的条件下，将烘干后枯落物未分解层和半分解层样品放入筛中，置于盛有清水的容器中，分别在累计浸水时间0.25、0.5、1、2、4、8、10、24 h取出样品，放置到不再滴水时称质量，每组枯落物3次重复，测定枯落物持水动态过程，计算枯落物持水量、相应最大持水量、最大持水率等指标。

枯落物对降雨的实际拦蓄量可用枯落物有效拦蓄量来表示，当降雨量达到20~30 mm以后，枯落物层实际持水率为最大持水率的85%左右，取调整系数0.85来估算枯落物层的有效拦蓄量^[7]。

式中：W为枯落物有效拦蓄量；R_o为枯落物平均自然含水率；M为枯落物蓄积量；R_m为最大持水率；0.85为有效拦蓄系数。

用Microsoft Excel 2010软件处理数据，并用SigmaPlot绘图；运用R软件对枯落物蓄积量及厚度进行单因子方差分析(one-way ANOVA)，显著性水平为0.05。

如表 2所示，不同林龄样地的枯落物总厚度变化在4.5~6.0 cm，其中未分解层1.0~2.8 cm、半分解层3~5 cm，表现为成熟林>近熟林>中龄林>幼龄林，呈随林龄加大而增大的趋势，单因素方差分析表明林龄之间的枯落物厚度差异显著(P < 0.05)；不同林龄样地的枯落物总蓄积量介于29.08~33.21 t·hm^-2，其中未分解层和半分解层分别为8.50~14.89、19.60~24.71 t·hm^-2，表现为成熟林>近熟林>中龄林>幼龄林，但单因素方差分析表明枯落物层蓄积量的林龄差异不显著(P>0.05)。不同林龄样地的半分解层蓄积量占比均高于未分解层，其中近熟林的枯落物半分解层占比最小，为54.84%，成熟林的占比最大(74.41%)，然后依次为中龄林(68.25%)和幼龄林(67.42%)，这可能是林木生长差异导致的枯落物输入量和微地形导致的枯落物分解速率等多个因素复杂作用综合结果。

4种林龄的未分解层和半分解层枯落物的累积持水动态变化过程差异见图 1。各林龄样地枯落物的未分解层和半分解层的累积持水量在最初浸泡1 h之内，迅速增加，之后随浸泡时间延长，增加速度逐步趋缓，在浸泡10 h后，基本稳定，继续增加的幅度很小，在24 h就基本达到最大持水量。未分解层枯落物累积持水量变化的林龄差异均表现为成熟林>中龄林>近熟林>幼龄林，半分解层枯落物则表现为中龄林>成熟林>近熟林>幼龄林。

Figure 1.  Variation of water-holding capacity of un-decomposed and semi-decomposed litter from the plots with different ages

对不同林龄华北落叶松林样地未分解层、半分解层枯落物累积持水量与浸泡时间进行回归分析，得出两者符合对数函数模型：

式中：Q为枯落物累积持水量(g·kg)；t为浸泡时间(h)；a和b为拟合的方程参数。

表 3中各回归方程相关系数R²>0.92，模型拟合效果较好。

枯落物瞬时吸水速率随浸水时间的变化规律及林龄差异见表 4。4种林龄样地的未分解层和半分解层枯落物的瞬时吸水速率均在0.5 h内迅速下降，之后逐渐缓慢下降，在浸泡4 h后显著减缓并进入平缓减小变化阶段。在不同林龄样地之间，成熟林的未分解层瞬时吸水速率变化过程总是高于其他林龄；而对半分解层则为中龄林的瞬时吸水速率相对最大。

枯落物的最大持水量和最大持水率表示枯落物的持水能力^[8]，表 5所示，4种林龄样地未分解层枯落物最大持水量变化范围为24.49~39.91 t·hm^-2，近熟林的最大；半分解层的最大持水量在54.74 ~83.42 t·hm^-2。各林龄样地未分解层和半分解层的总的最大持水量变化在79.47~110.05 t·hm^-2，成熟林的最大(110.05 t·hm^-2，相当于11 mm水深)，幼林龄的最小(79.47 t·hm^-2，相当于7.9 mm水深)，排序为成熟林>中龄林>近熟林>幼龄林。4种林龄枯落物层最大持水量均表现为半分解层大于未分解层。

通过比较发现，枯落物最大持水率与最大持水量变化规律并不一致，未分解层最大持水率变化在258.53%~313.12%，林龄排序为成熟林>中龄林>近熟林>幼龄林；半分解层最大持水率变化范围为280.47%~364.52%，林龄排序为中龄林>成熟林>近熟林>幼林龄；所有枯落物的平均最大持水率变化范围为273.32%~341.27%，林龄排序为中龄林>成熟林>近熟林>幼龄林。

由表 6看出，不同林龄样地的未分解层有效拦蓄量变化范围为13.66~27.84 t·hm^-2，林龄排序为近熟林>中龄林>成熟林>幼龄林，半分解层有效拦蓄量变化范围为29.99~54.36，林龄排序为成熟林>中龄林>近熟林>幼龄林，各林龄华北落叶松枯落物总拦蓄能力变化范围为43.64~70.52 t·hm^-2，林龄排序依次为成熟林>中龄林>近熟林>幼龄林。

许多研究表明，森林枯落物蓄积量受林分密度、林木大小、林分生物量等因素及其决定的枯落物输入量、局部水热条件、枯落物分解难易程度、积累年限等共同决定的分解速度的综合影响^[9-11]。本研究中，凋落物现存量与林龄基本呈正相关关系，即随着林龄增大，凋落物现存量增多^[12]。不同林龄华北落叶松林的枯落物总厚度和总蓄积量大小依次为：成熟林>近熟林>中龄林>幼龄林，与王美玲^[12]等人的研究结果一致(成熟林>近熟林>中龄林)，各林龄华北落叶松林的半分解层枯落物储量均高于未分解层储量，与周志立等^[8]、韩路等^[14]的研究结果一致。这是因为林地凋落物层是由凋落物逐渐积累形成，并处于不断分解和积聚的动态变化过程^[15]。一方面，相比较幼龄林，大龄林其平均冠幅最大，叶面积指数也最大，决定了每年大龄林相比幼龄林有更多的凋落物输入，此外，林龄的增长也意味着枯落物层有较长年限的堆积过程，这些因素共同决定了枯落物的蓄积量随林龄的增大是一个逐渐增大过程；从枯落物的分解角度看，较大林龄的枯落物层枯落物堆积相对紧密、孔隙较小、密度较大^[16]；另一方面，随着林龄的增大，华北落叶松人工林郁闭度呈现增大的趋势^[17]，造成林内穿透雨、气温和光照随林龄增大呈现降低的趋势，这些因素决定了华北落叶松纯林枯落物的物理淋溶和破碎过程随林龄增大表现为减少的趋势^[18]，另外，枯落物层的生物化学分解过程主要依赖土壤微生物^[19-20]，由于华北落叶松纯林结构单一，其林下草本、微生物组成也呈现随林龄的增大降低的趋势^[21]，这就造成微生物的分解能力与林龄呈负相关。由于林分结构、环境条件和微生物因子的共同作用，导致华北落叶松纯林随林龄的增加具有更多的枯落物积累及较小的分解速率，从而形成较多的分解层。

本研究中，不同林龄样地枯落物最大持水量和最大持水率均以成熟林最大，其中，未分解层枯落物最大持水量均值低于半分解层枯落物的，与李良^[22]、胡淑萍^[23]等人对华北落叶松枯落物半分解层最大持水量大于未分解层的研究结果一致，说明半分解层持水性能在枯落物水源涵养中起主要作用，但与齐记^[24]等人对油松枯落物最大持水量的研究结果相反。这是因枯落物持水能力受到多种因素影响，包括枯落物的蓄积量、干燥程度、内部结构或排列形状等，华北落叶松林枯落物的半分解层比未分解层的孔隙度较小，相对密度更大，因而更易持水。

不同林龄样地的枯落物吸水速率变化过程具有规律性，枯落物的累计持水量与浸水时间呈正相关。在浸泡过程的前2 h枯落物累积持水量呈快速上升，在浸泡10 h后，其累积持水量呈平缓上升，并逐渐趋于最大值后保持稳定。枯落物未分解层和半分解层的瞬时吸水速率变化过程基本一致，均在最初的0.5 h内变化最快，之后在4 h后逐渐减缓，在8 h后显著减缓，这与赵阳^[25]等人对落叶松枯落物持水能力研究结果一致。这是因为枯落物在浸水初期，自身相对干燥，与自由水的水势差较大，从而瞬时吸水速率量大；随着浸水时间延长，枯落物吸入水量增多并逐渐浸入其内部，逐渐接近枯落物的最大持水量，其瞬时吸水速率必然快速减缓^[26]。

本研究中，随着林龄增长，林分枯落物的有效拦蓄量基本呈上升趋势，其中以成熟林的拦蓄量最大，这与前人^[21]的研究结果一致。研究结果表明华北落叶松成熟林枯落物层具有更好的持水能力，对森林涵养水源、保持水土具有重要的意义，在流域水资源管理中应确定合理的森林年限，保持枯落物最佳的水文效应，并综合考虑森林多种生态服务功能，为宁夏六盘山森林的抚育更新及流域水资源管理提供参考。

对宁夏六盘山区香水河小流域华北落叶松人工林的枯落物层蓄积量及持水性能研究表明：

(1) 不同林龄样地的华北落叶松枯落物层蓄积量变化在29.08~33.21 t·hm^-2，其中成熟林蓄积量最大，然后依次为近熟林、中龄林、幼龄林。

(2) 不同林龄样地的枯落物层最大持水量变动在79.47~110.05 t·hm^-2，其中成熟林最大，然后依次为中龄林、近熟林、幼龄林，最大持水率变化范围在273.32%~341.27%，其中中龄林最大，然后依次为成熟林、近熟林、幼龄林。

(3) 不同林龄样地的枯落物在浸泡过程中，都表现出枯落物的瞬时吸水能力在最初2 h内保持较高但快速降低；以后随浸水时间延长，枯落物瞬时蓄水能力不断缓慢降低，并最终趋于平缓，在10 h左右达到饱和。枯落物累积持水量与浸水时间符合对数函数关系。

(4) 不同林龄样地的枯落物有效拦蓄量变化在43.64~70.52 t·hm^-2，以成熟林的有效拦蓄量最高，然后依次为中龄林、近熟林、幼龄林。