森林生态系统垂直结构涵盖林冠层、枯落物层和土壤层[1,2]。枯落物作为植物群落水文效应的第二活动层,凋落过程是生态系统中物质循环和能量流动的重要环节[3],在保持水土和涵养水源方面具有非常重要的意义[2]。枯落物层具有较好的持水能力及透水性,枯落物的分解也能为林木提供养分[4]。同时,枯落物覆盖能改善降雨垂直分配,机械保护森林土壤,避免雨滴直接击溅,吸收部分降雨,在一定程度上转化为地表径流,减少表层土壤流失[5,6,7]。枯落物的水文生态功能主要体现在对降雨的吸收作用上,这与蓄积量、分解状况、自然含水量、气候气象、人为活动等多种因子有关[8,9,10]。

基于现今较为完善的系统理论基础,研究枯落物持水保水、保护土壤等特性,众多学者[3,11]已有较成熟成果。林地林分结构、树木生长情况、枯落物采集时间等众多因素共同影响枯落物蓄积量,张雷燕等[12]研究得出,有效拦蓄量与蓄积量的大小关系密切;张祎等[13]认为,枯落物层一般最大可吸持相当于干重2～4倍的水量;刘宇等[14]研究得出,不同人工林恢复树种的枯落物持水性能有明显区别;枯落物的分解程度也会进一步影响枯落物持水特性。王云琦等[14]研究得出,枯落物对于一场降雨的拦蓄持水作用主要体现在前2h内。晋西黄土区属于干旱半干旱地区,自然降水少,地表植被覆被稀少,水土流失较为严重[15],枯落物对于降雨的拦蓄,能够涵养水源、保护土壤、改善水土流失情况[16,17]。20世纪90年代起,黄土高原退耕还林工程有效推进,植被覆被逐渐恢复,栽种人工树种,如刺槐、油松等[11,18]。有关黄土区枯落物研究的基本理论体系已经较为完善,但晋西黄土区因其地形差异较大,不同地区所选取的恢复树种不同,林分结构乔灌草比例组成不同,其所形成的群落结构存在差异[19],群落内水热环境也不同,影响着林下枯落物的物质组成、蓄积量和分解程度,进而不同林分林下枯落物持水量、持水速率和持水性能均不同,导致典型林分枯落物的水文生态功能也存在较大区别,因地制宜的研究不同树种林下枯落物的水文响应,对于今后生态恢复和保护具有意义[19,20]。

充分研讨前人研究,众多学者集中于直接比较不同林地的枯落物水文研究,未考虑研究区不同林分类型所构成的地表群落结构影响,植被覆盖度的高低在极大程度上会影响地表枯落物的覆被情况,进而影响枯落物的生态水文功能。本文引入同一区间高植被覆盖度为基础限定,选取晋西黄土区的次生林、刺槐、油松、侧柏为代表的典型植被类型为研究对象,采集未(半)分解层枯落物,研究各层水文特征指标,比较典型林分枯落物各层的持水能力,探讨水文生态特性差异,进一步对比研讨黄土高原植被恢复适宜树种,为充分发挥水土保持功能、植被优化配置提供参考,为黄土沟壑区生态恢复和重建的树种选择提供理论依据。

1、研究区概况

研究区位于晋西黄土残塬沟壑区山西省临汾市吉县蔡家川流域(110°39′45″—110°47′45″E,36°14′27″—36°18′23″N),位于黄河支流,地势西高东低,典型黄土残塬沟壑区,黄土母质,半旱生落叶阔叶林与森林草原地带[11],流域面积40km2,海拔900～1592m。具有典型黄土高原气候特征,暖温带大陆性气候,年均降水量577mm,年均温10℃。流域内森林覆盖率39%,流域上游主要为山杨(Populusdavidiana)、辽东栎(QuercusliaotungensisKoidz.)、白桦(BetulaplatyphyllaSuk.)等混生或伴生天然次生林,中下游主要为乔木树种人工防护林,主要树种为刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)、侧柏(Platycladusorientalis(L.)Franco)、油松(PinustabuliformisCarrière.)等,灌木层主要由黄刺玫(RosaxanthinaLindl.)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz)、丁香(Syzygiumaromaticum(L.)Merr.EtPerry)、三裂绣线菊(SpiraeatrilobataL.)等组成,草本层为以艾蒿(ArtemisiaargyiH.Lév.&Vaniot)、白羊草(Bothriochloaischaemum(L.)Keng)、萝藦(Metaplexisjaponica(Thunb.)Makino.)等为主的旱生植物。

2、研究方法

基于对研究区内各树种林地生长及分布状况充分调查,结合2019年7月流域的Landsat8卫星30m全波段影像,采用EVNI软件进行辐射定标、裁剪、大气校正、去云处理等,应用归一化植被指数法,提取NDVI指数作为植被覆盖度反映值。在山西吉县蔡家川流域内,选取同一植被覆盖度(NDVI指数为0.70～0.75)的生境相近的次生林、刺槐、油松、侧柏4种林地布设标准样地,其中次生林主要树种为山杨和辽东栎。NDVI指数影像分辨率为30m×30m,选取代表性样地,实地样方面积与其相统一。调查海拔、坡度、坡向等立地特征,进行基本林分调查,每木检尺测定各样地内树高、胸径、冠幅、密度等林分基本指标,调查乔灌组成及灌木盖度等(表1)。

表1样地林分基本概况

2.1枯落物蓄积量和持水能力测定

在样地内,随机布设3个30cm×30cm小样方,经钢尺测量未分解层、半分解层厚度,不破坏现有结构,用档案袋带回,室内称质量作为风干前鲜重,调整烘箱温度为85℃,连续烘干至质量不变,此时为枯枝落叶干重。

通过室内浸泡24h法[20]测定各层枯落物的水文生态持水能力,将烘干后的枯落物放置于尼龙网袋,浸泡在水中,分别在10min,20min,30min,40min,50min,1h,1.5h,2h,4h,6h,12h,24h时测定持水量,悬空尼龙袋不滴水后迅速称取重量,计算持水量和吸水速率。最大持水量为枯落物最终恒定不变的持水量数值。研究有效拦蓄量反映枯落物的实际拦蓄能力(系数0.85)。公式为:

M=G0/S×100

Rd=(Gd-G0)/G0×100%

Rkmax=(G24-G0)/G0×100%

Wkmax=Rkmax×M

Rs=0.85(Rkmax-Rd)-Rd

Ws=Rs×M

Ri=(Gi-G0)/G0×100%

Wi=Ri×M

Vi=Wi/t

式中:M为典型林分枯落物蓄积量(t/hm2);G0为该次取样干重(g);S为取样面积(cm2),即900cm2;Gd为取样自然状态含水量(g);G24为取样连续浸水24h的持水量(g);Rd为取样自然含水率(%);Rkmax为取样最大持水率(%);Wkmax为单位面积内最大持水量(t/hm2);Rs为取样有效拦蓄率(%);Ws为单位面积内有效拦蓄量(t/hm2);t为取样持续浸水时间(h);i为某时刻;Gi、Ri、Wi、Vi为某时刻取样持水量(g)、持水率(%)、单位面积内持水量(t/hm2)、吸水速率(t/(hm2·h))。

2.2数据处理

下载Landsat8(30m×30m)影像,使用ENVI、ArcGIS校正,生成NDVI值,结合Excel、Origin9.0、SPSS20.0软件作数据分析,采取单因素方差分析(One-wayANOVA)、多重比较法(LSD)分析各项指标的显著性差异情况[11,20],分析浸水24h内动态变化和持水量(率)、吸水速率与时间关系。

3、结果与分析

3.1典型林分林下枯落物厚度与蓄积量

同一时间同一地区内,典型林分林下枯落物蓄积量存在明显差异,典型林分枯落物层基础特征见表2。枯落物各层蓄积量与厚度呈正相关,也存在特例,如次生林枯落物厚度略低于刺槐林,但蓄积量较高。刺槐林枯落物厚度最大(4.95cm),油松林厚度最小(3.93cm),次生林、侧柏林介于两者之间。4种林地中,次生林蓄积量最大,即白杨与辽东栎混交林(19.28t/hm2),其次是侧柏(18.03t/hm2)和刺槐纯林(17.57t/hm2),油松纯林最小(14.73t/hm2)。4种林地的未分解层蓄积量均小于半分解层,刺槐未分解层蓄积量占总蓄积量比例最大,为36.9%,次生林(36.79%)与油松林(32.74%)次之,侧柏林最小(31.39%),半分解层蓄积量比例表现相反。由方差分析,油松林枯落物蓄积量与其他林分差异性显著(P<0.05),而次生林、刺槐、侧柏蓄积量差异不显著(P<0.05)。

表2典型林分枯落物层特征

注:表中数据为平均值±标准差;同列不同小写字母表示同一林分类型间差异显著(P<0.05)。

3.2典型林分林下枯落物最大持水量(率)

森林生态系统中枯落物层能够拦蓄降雨、储水保土,将有限降雨储存以供树木生长吸收利用,枯落物层持水性能大小是反映生态水文功能的重要指标[14,21]。典型林分枯落物最大持水量(率)见图1。最大持水量最高为次生林(61.31t/hm2),其次为刺槐(54.03t/hm2)与侧柏(42.36t/hm2),油松最低(30.92t/hm2),未分解层、半分解层与枯落物层表现一致。由图1b和图1c可知,4种林地最大持水率(深)变化依次为次生林(320%,6.1mm)>刺槐(299%,5.4mm)>侧柏(224%,4.2mm)>油松(197%,3.1mm)。经LSD分析,于最大持水量研究中,次生林、刺槐、侧柏均与油松有显著差异(P<0.05);于最大持水率研究中,次生林与刺槐无显著相关,但与侧柏及油松存在显著差异(P<0.05)。综上,次生林及刺槐在最大持水性能上较侧柏与油松林存在显著差异,其持水能力差异较大。典型林分枯落物半分解层最大持水指标高于未分解层,这与张东等[15]和白英辰等[22]研究结果一致。

3.3典型林分林下枯落物有效拦蓄量(率)

研究有效拦蓄指标可反映典型林分枯落物层对于自然状态下降雨的真实拦蓄特性[23],林地枯落物有效拦蓄量(率、深)见图2。4种林地枯落物有效拦蓄能力不同,在各林地之间差异较为显著,有效拦蓄量变化为13.94～31.29t/hm2,有效拦蓄率变化为107%～173%,有效拦蓄深为3.13～1.40mm。有效拦蓄量次生林(31.29t/hm2)>刺槐(22.20t/hm2)>侧柏(18.19t/hm2)>油松(13.94t/hm2),未分解层与半分解层有效拦蓄量与枯落物层表现一致。由图2b可知,有效拦蓄率与有效拦蓄量表现一致,次生林均远大于其他3种林地,为1.73倍自身质量的降雨量,油松均最小,为1倍降雨量。由图2c可知,次生林可有效拦蓄深3.12mm降雨,刺槐次之,为2.22mm降雨,油松最小,为1.40mm降雨。半分解层有效拦蓄量普遍高于未分解层,但有效拦蓄率较低。研究可知,半分解层已被部分分解,结构破碎,蓄积量大,未分解层结构完整,半分解层有效拦蓄量大,但有效拦蓄率低。对4种林地未分解层、半分解层、枯落物层进行LSD多重比较(P<0.05),次生林的有效拦蓄显著差异于3种人工林种,但于人工林中比较,刺槐有效拦蓄显著差异于另2类林地。

图1林地枯落物最大持水量、持水率和持水深

3.4典型林分林下枯落物持水过程

枯落物持水量、持水率、吸水速率随浸水时间的变化趋势见图3、图4、图5。枯落物未分解层、半分解层均在室内浸水2h内(即自然条件下降雨刚开始阶段),持水量(率)曲线随时间迅速上升,速率在刚放入水中初始时最大,斜率迅速下降,呈逆“J”形,体现为枯落物正迅速吸水,次生林和刺槐增加较快,迅速增至高点,2h后各曲线增加速度明显减缓,10h持水过程变化趋于平缓,10～24h内持水量(率)几乎不再变化,速率接近于0,可判定持水量达到饱和态,这与刘宇等[14]对林下枯落物连续持水过程水文特性研究结果一致。

图2林地枯落物有效拦蓄量、拦蓄率和拦蓄深

比较典型林分枯落物持水过程及吸水速率变化,在前0.5h内,次生林持水量(率)最迅速,吸水速率最大,次生林持水量迅速上升至最高,刺槐、侧柏次之,油松林吸水速率最小,最终持水量最低。不同典型林分间持水过程相差甚大,结合上文对于有效拦蓄研究分析,次生林在4种林地类型中持水能力最优,油松持水能力最低,刺槐为3种人工林中最好持水性能。

比较不同层次枯落物持水过程(图3、图4、图5)可知,在浸入水中前0.5h,半分解层比未分解层吸水更快达平稳状态,观察曲线在4～6h时,半分解层枯枝落叶持水量基本不再变动,未分解层时间略晚,于6～8h时几乎维持不变。

图3枯落物持水量随浸水时间的变化

对次生林、油松林、侧柏林、刺槐林林下各层持水量、吸水速率与浸水时间的关系进行回归分析发现,其与浸水时段分别存在对数函数(R2>0.89)和幂函数关系(R2>0.99),建立方程见表3,与韩路等[24]研究所得结论相同。

表3典型林分枯落物持水量、吸水速率与浸水时间关系式

注:y为枯落物单位面积持水量(t/hm2);t为浸水时间(h);v为枯落物单位面积吸水速率(t/(hm2·h))。

图4枯落物持水率随浸水时间的变化

4、讨论

通过对典型林分枯落物层的水文指标研究得出,典型林分蓄积量、最大持水、有效拦蓄的表现不同,进而得出4种典型林分枯落物层的生态水文潜力存在差异。本研究发现,4种林分枯落物蓄积量差异较大,次生林的最大持水指标显著高于其他林分,流域内次生林为天然林,主要树种为山杨和辽东栎,属于落叶阔叶林,密度大,叶片大,生长较旺盛,林下水热条件适宜,枯落物堆积较为紧实,孔隙度较小,质量相对较大,因此蓄积量最大。同时,微生物活动活跃,有利于枯枝落叶分解,最大持水量(率)较高[15]。进一步讨论3种人工林,刺槐林持水性能明显高于侧柏与油松,刺槐林为落叶阔叶林,且郁闭度较好,蓄积量较大,较细小且蓬松柔软,水热条件较好,分解较快。油松、侧柏林为针叶林,叶片细长,林木间隙大,蓄积量较少[25];且落叶含有大量油脂,不易被分解,针叶相互交错形成密实垫状结构,这可能是油松持水能力较低的原因之一。典型林分枯落物有效拦蓄存在差异,次生林为4种林地有效拦蓄最优,而刺槐林是除次生林外的人工林中,有效拦蓄最好的林种,这为晋西黄土区人工林选择树种提供了参考依据。

图5枯落物吸水速率随浸水时间的变化

持水初期,枯落物持水量激烈剧增,结合生物学讨论,烘干的枯枝落叶表面、植物细胞等结构有足够储水空间,基于渗透作用原理,水分由高水势向低水势剧烈运动,吸水量与吸水速率均较高。进一步体现枯落物截留拦蓄主要发生在降雨2h内,此后,降雨继续,但枯落物持水量已接近饱和状态,吸水能力逐渐降低,拦蓄作用下降。同时,本研究发现,半分解层较未分解层持水迅速,达饱和快,半分解层位于下方,已部分分解,表面积大,吸水量大,这体现了枯落物不同层次对于降水截留调蓄存在递进程度,增加不同层次枯落物持水量,充分发挥枯落物各层水文生态功能,这与赵陟锋等[26]的研究结果基本一致。

自然状态下,对于时间短、雨强大的降雨,枯枝落叶有明显的截流拦蓄影响特性[27]。本文采用室内浸泡法研究枯落物生态水文特征,在一定程度上能够代表拦蓄降雨能力,但在自然界的水循环中,枯落物拦蓄特性与室内长时间浸水条件不尽相同,自然降雨中,部分雨水能够被枯枝落叶有效拦截,强降雨状态下雨水很快下渗[28],如何反映自然界真实降雨下枯落物有效拦蓄能力大小应进一步讨论研究。

本文通过对植被覆盖度(NDVI指数)为0.70～0.75的4种样地取样调查,仅对高植被覆盖度下不同纯林林分典型样地讨论分析,未进一步考虑不同植被覆盖度层级、针阔叶混交林林地枯落物的生态水文性能,存在一定局限性,张东等[15]曾提出针阔混交林林地枯落物持水能力一般大于2种林型纯林地,在黄土高原植被恢复重建树种研究中,合理结合不同地区地貌条件,选取中低高植被覆盖度层级,进一步比较分析典型自然林、人工纯林、人工混交林枯落物层生态水文功能特性,仍具有较大研究空间与意义。

5、结论

(1)晋西黄土区蔡家川流域研究区域内,典型林分枯落物蓄积量差别明显,次生林(白杨与辽东栎混交林)蓄积量最大(19.28t/hm2),油松最小(14.73t/hm2)。未分解层蓄积量均小于半分解层。4种典型林分枯落物最大持水量(率)依次为次生林,刺槐林,侧柏林,油松林。次生林最大持水性能差异显著(P<0.05)。

(2)4种典型林分枯落物有效拦蓄特性差异显著(P<0.05),表现为次生林(31.29t/hm2)>刺槐(22.20t/hm2)>侧柏(18.19t/hm2)>油松(13.94t/hm2),半分解层有效拦蓄量低于未分解层,有效拦蓄率高于未分解层。次生林有效拦蓄潜力显著差异于其他林分,人工林中,刺槐林有效拦蓄潜力显著差异于其他2类林地。

(3)枯落物层有效拦蓄主要发生在降雨2h内,持水曲线迅速上升,吸水速率迅速下降,以次生林最为迅速,其次为刺槐林,最次为油松林。两者与时间分别呈对数函数(R2>0.889)、幂函数关系(R2>0.99)。枯落物半分解层较未分解层变化迅速,达饱和时间短。

本文选取晋西黄土区蔡家川流域植被覆盖度NDVI指数(0.70～0.75)相近的4种典型林分类型,比较研究得出,次生林林下枯落物水文生态潜力最优,依次表现为次生林>刺槐>侧柏>油松。建议今后造林向近自然造林营林调控,合理配置刺槐、油松等人工营林树种,为充分发挥水土保持功能、植被优化配置提供参考,为晋西黄土区生态恢复和重建树种选择提供理论依据。

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基金:国家重点研发计划项目“黄土残塬沟壑区水土保持型景观优化与特色林产业技术及示范”(2016YFC0501704);国家自然科学基金面上项目“晋西黄土区水土保持林林分结构与功能耦合机理研究”(31971725);科技创新服务能力建设—科研基地建设—林果业生态环境功能提升协同创新中心(2011协同创新中心)项目(PXM2019_014207_000099).