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青海高寒区不同密度白桦林枯落物水文效应

刘凯 贺康宁 王先棒

刘凯, 贺康宁, 王先棒. 青海高寒区不同密度白桦林枯落物水文效应[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(1): 89-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170225
引用本文: 刘凯, 贺康宁, 王先棒. 青海高寒区不同密度白桦林枯落物水文效应[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(1): 89-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170225
Liu Kai, He Kang-ning, Wang Xian-bang. Hydrological effects of litter of Betula platyphylla forest with different densities in alpine region, Qinghai of northwestern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(1): 89-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170225
Citation: Liu Kai, He Kang-ning, Wang Xian-bang. Hydrological effects of litter of Betula platyphylla forest with different densities in alpine region, Qinghai of northwestern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(1): 89-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170225

青海高寒区不同密度白桦林枯落物水文效应

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170225
基金项目: 

国家科技支撑计划 2015BAD07B030302

详细信息
    作者简介:

    刘凯。主要研究方向:林业生态工程。Email:junminxianghuan@163.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    通讯作者:

    贺康宁,教授,博士生导师。主要研究方向:水土保持、林业生态工程。Email:hkn@bjfu.edu.cn 地址:同上

  • 中图分类号: S715.7

Hydrological effects of litter of Betula platyphylla forest with different densities in alpine region, Qinghai of northwestern China

  • 摘要: 目的定量研究青海高寒区不同密度白桦林枯落物的水文效应,为该区白桦林的营造、配置及水文功能管理等提供理论依据。方法于2016年7—8月对青海省大通县宝库林区进行了调查。每种密度白桦林选择3块样地,林龄均为22~24年, 测定了5种密度(225、500、688、900、1 220株/hm2)白桦林的枯落物厚度、蓄积量、最大持水率等指标,并用浸泡法来研究枯落物持水量与浸水时间的关系、吸水速率与浸水时间的关系。结果5种林分密度的枯落物厚度、蓄积量、持水能力有明显差异:(1)5种密度林分(按225、500、688、900、1 220株/hm2排序)枯落物厚度分别为4.51、4.64、5.30、6.10、5.35 cm,枯落物蓄积量分别为11.22、13.54、15.33、17.86、15.86 t/hm2,最大持水率分别为227.91%、214.40%、215.44%、236.81%、221.70%。(2)枯落物最大持水量、有效拦蓄量排序均为900株/hm2>1 220株/hm2>688株/hm2>500株/hm2>225株/hm2。(3)枯落物持水量和浸泡时间的关系与对数函数拟合较好,回归系数R2达0.90以上,吸水速率和浸泡时间的关系与幂函数拟合较好,回归系数R2达0.99以上。结论林分密度在900株/hm2时,枯落物蓄积量、最大持水量、有效拦蓄量均达到最大,枯落物水源涵养作用达到最优。所以从枯落物的水文效应角度来考虑,密度为900株/hm2时,枯落物的水文效应最佳。
  • 图  1  不同密度白桦林未分解层和半分解层枯落物持水量与浸泡时间的关系

    Figure  1.  Relationship between water-holding capacity and soaking time of litter in undecomposed and semi-decomposed layers from Betula platyphylla with different densities

    图  2  不同密度白桦林未分解层和半分解层枯落物吸水速率与浸泡时间的关系

    Figure  2.  Relationship between water absorption rate and soaking time of litter in undecomposed and semi-decomposed layers from Betula platyphylla with different densities

    表  1  不同密度林分标准地基本特征

    Table  1.   Basic features of different density stands

    样地编号
    Plot No.
    林分密度/
    (株·hm-2)
    Stand density/
    (tree·ha-1)
    海拔
    Altitude/m
    坡度
    Slope/(°)
    郁闭度
    Canopy
    density
    枝下高
    Under branch
    height/m
    平均树高
    Average tree
    height/m
    平均胸径
    Average
    DBH/cm
    平均冠幅
    Average crown
    width/m
    叶面积指数
    Leaf area
    index
    12252 882350.500.88.414.03.63.09
    22252 862390.550.78.613.73.83.22
    32252 890370.530.68.213.63.93.12
    45002 800360.550.813.222.54.13.13
    55002 835320.650.812.220.54.23.15
    65002 865300.650.713.721.73.93.22
    76882 880280.700.816.221.54.53.32
    86882 860320.750.615.020.54.33.42
    96882 890300.700.716.322.04.73.05
    109002 877280.700.514.819.24.83.40
    119002 835350.750.715.820.24.63.35
    129002 890340.800.915.021.55.13.09
    131 2202 980280.800.715.520.54.23.40
    141 2202 930290.850.815.019.33.83.30
    151 2202 900310.850.915.220.53.93.06
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    表  2  不同密度白桦林枯落物厚度与蓄积量

    Table  2.   Thickness and storage of the litter of Betula platyphylla with different densities

    林分密度/
    (株·hm-2)
    Stand density/
    (tree·ha-1)
    厚度
    Thickness/cm
    蓄积量/(t·hm-2)
    Volume/(t·ha-1)
    蓄积量比例
    Percentage of volume/%
    未分解层
    Undecomposed
    layer
    半分解层
    Semi-decomposed
    layer
    总计
    Total
    未分解层
    Undecomposed
    layer
    半分解层
    Semi-decomposed
    layer
    总计
    Total
    未分解层
    Undecomp-
    osed layer
    半分解层
    Semi-decomp-
    osed layer
    2250.89±0.17a3.62±0.22b4.51±0.31a3.42±0.13a7.80±0.14a11.22±0.13a30.4869.52
    5000.92±0.14a3.72±0.10ab4.64±0.15a5.49±0.12b8.05±0.13b13.54±0.23b40.5559.45
    6881.50±0.24b3.80±0.09a5.30±0.21b6.78±0.15c8.55±0.12c15.33±0.23c44.2355.77
    9001.90±0.19c4.20±0.13c6.10±0.22c8.76±0.15d9.10±0.12d17.86±0.22d49.0550.95
    1 2201.60±0.22b3.75±0.09a5.35±0.28b7.50±0.08e8.36±0.07e15.86±0.13e47.2952.71
    注:不同字母表示不同林分密度间枯落物厚度和蓄积量的均值差异显著(P < 0.05)。Note:the data with different letters indicate that they have significant differences at P < 0.05 level.
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    表  3  不同密度白桦林的枯落物持水特性

    Table  3.   Water-holding characteristics of the litter of Betula platyphylla with different densities

    林分密度/
    (株·hm-2)
    Stand density/
    (tree·ha-1)
    最大持水率
    Maximum water-holding rate/%
    最大持水量/(t · hm-2)
    Maximum water-holding capacity/(t·ha-1)
    最大持水深
    Maximum water-holding depth/mm
    未分解层
    Undecomposed
    layer
    半分解层Semi-
    decomposed
    layer
    平均
    Average
    未分解层
    Undecomposed
    layer
    半分解层Semi-
    decomposed
    layer
    总计
    Total
    未分解层
    Undecomposed
    layer
    半分解层Semi-
    decomposed
    layer
    总计
    Total
    225210.72245.10227.917.2119.1226.330.721.912.63
    500190.70238.10214.4010.4719.1729.641.051.922.97
    688200.52230.36215.4413.5919.7033.291.361.973.33
    900228.76244.86236.8120.0422.2842.322.002.234.23
    1 220212.80230.59221.7015.9619.2835.241.601.933.53
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    表  4  不同密度白桦林枯落物持水量、吸水速率与浸泡时间的关系

    Table  4.   Relationship between water-holding capacity, water absorption rate and soaking time of Betula platyphylla with different densities

    枯落物层
    Litter layer
    林分密度/
    (株·hm-2)
    Stand density/
    (tree·ha-1)
    持水量与浸泡时间
    Relationship between water-holding
    capacity and soaking time
    吸水速率与浸泡时间
    Relationship between water
    absorption rate and soaking time
    关系式RelationR2关系式RelationR2
    225Y=0.999 8lnt+3.958 90.901 9V=4.015 2t-0.8140.995 3
    500Y=1.313 0lnt+6.754 60.969 4V=5.711 0t-0.7730.995 4
    未分解层Undecomposed layer688Y=1.693 3lnt+8.606 90.948 2V=6.789 1t-0.7430.996 3
    900Y=2.593 3lnt+11.961 00.901 6V=8.789 6t-0.7020.994 5
    1 220Y=1.984 1lnt+9.987 10.936 0V=7.697 1t-0.7330.995 9
    225Y=3.017 0lnt+10.5710.944 7V=9.194 3t-0.7300.993 8
    500Y=1.932 9lnt+13.5650.948 8V=10.139 0t-0.7580.993 4
    半分解层Semi-decomposed layer688Y=1.773 3lnt+14.3430.961 7V=10.897 0t-0.7790.994 9
    900Y=2.255 6lnt+15.4480.965 0V=11.694 0t-0.7610.994 5
    1 220Y=1.900 0lnt+14.0940.950 3V=11.086 0t-0.7850.992 7
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    表  5  不同密度白桦林枯落物的有效拦蓄量

    Table  5.   Modified interception amount of the litter of Betula platyphylla with different densities


    枯落物层
    Litter layer
    林分密度/
    (株·hm-2)
    Stand density/
    (tree·ha-1)
    自然含水率
    Natural moisture
    rate/%
    最大拦蓄量/
    (t·hm-2)
    Maximum
    interception
    amount/(t·ha-1)
    有效拦蓄量/
    (t·hm-2)
    Effective
    interception
    amount/(t·ha-1)
    最大拦蓄率
    Maximum
    interception
    rate/%
    有效拦蓄率
    Effective
    interception
    rate/%
    22562.345.073.99148.25116.67
    50070.526.605.03120.2291.62
    未分解层Undecomposed layer68879.528.206.16120.9490.86
    90085.6212.549.53143.15108.79
    1 22084.639.617.22128.1396.27
    225135.548.555.68109.6272.82
    500123.609.226.34114.5378.76
    半分解层Semi-decomposed layer688102.1210.968.01128.1993.68
    900101.0813.089.74143.74107.03
    1 220101.3010.817.92129.3194.74
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-06-26
  • 修回日期:  2017-09-25
  • 刊出日期:  2018-01-01

青海高寒区不同密度白桦林枯落物水文效应

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170225
    基金项目:

    国家科技支撑计划 2015BAD07B030302

    作者简介:

    刘凯。主要研究方向:林业生态工程。Email:junminxianghuan@163.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    通讯作者: 贺康宁,教授,博士生导师。主要研究方向:水土保持、林业生态工程。Email:hkn@bjfu.edu.cn 地址:同上
  • 中图分类号: S715.7

摘要: 目的定量研究青海高寒区不同密度白桦林枯落物的水文效应,为该区白桦林的营造、配置及水文功能管理等提供理论依据。方法于2016年7—8月对青海省大通县宝库林区进行了调查。每种密度白桦林选择3块样地,林龄均为22~24年, 测定了5种密度(225、500、688、900、1 220株/hm2)白桦林的枯落物厚度、蓄积量、最大持水率等指标,并用浸泡法来研究枯落物持水量与浸水时间的关系、吸水速率与浸水时间的关系。结果5种林分密度的枯落物厚度、蓄积量、持水能力有明显差异:(1)5种密度林分(按225、500、688、900、1 220株/hm2排序)枯落物厚度分别为4.51、4.64、5.30、6.10、5.35 cm,枯落物蓄积量分别为11.22、13.54、15.33、17.86、15.86 t/hm2,最大持水率分别为227.91%、214.40%、215.44%、236.81%、221.70%。(2)枯落物最大持水量、有效拦蓄量排序均为900株/hm2>1 220株/hm2>688株/hm2>500株/hm2>225株/hm2。(3)枯落物持水量和浸泡时间的关系与对数函数拟合较好,回归系数R2达0.90以上,吸水速率和浸泡时间的关系与幂函数拟合较好,回归系数R2达0.99以上。结论林分密度在900株/hm2时,枯落物蓄积量、最大持水量、有效拦蓄量均达到最大,枯落物水源涵养作用达到最优。所以从枯落物的水文效应角度来考虑,密度为900株/hm2时,枯落物的水文效应最佳。

English Abstract

刘凯, 贺康宁, 王先棒. 青海高寒区不同密度白桦林枯落物水文效应[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(1): 89-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170225
引用本文: 刘凯, 贺康宁, 王先棒. 青海高寒区不同密度白桦林枯落物水文效应[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(1): 89-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170225
Liu Kai, He Kang-ning, Wang Xian-bang. Hydrological effects of litter of Betula platyphylla forest with different densities in alpine region, Qinghai of northwestern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(1): 89-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170225
Citation: Liu Kai, He Kang-ning, Wang Xian-bang. Hydrological effects of litter of Betula platyphylla forest with different densities in alpine region, Qinghai of northwestern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(1): 89-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170225
  • 枯落物作为森林水文作用的第二活动层,在截持降水、拦蓄地表径流、减少土壤水分蒸发和增加土壤水分入渗等方面发挥着重要作用[1]。同时也是森林健康评价中重要的一部分,对森林水源涵养功能具有重要影响。由于其重要性,前人已对其径流减沙[2]、持水特性[3]、侵蚀原理[4]等进行了研究。

    青海省大通县处于黄土高原与青藏高原的过渡区,该区生态环境脆弱,森林亟需定向调控,白桦(Betula platyphylla)是大通县主要水源涵养树种,在该地区发挥着水土保持、水源涵养的重要作用[5]。前人对该区的森林做过大量研究,例如:左巍等[6]研究了该地区5种林分的凋落物养分状况和化学计量特征,陈艳等[7]研究了该地区7种林分对水质的影响,王世雷等[8]对青海高寒区4种人工林下植被的多样性及生态位进行了研究,王冬梅等[9]对青海大通退耕还林工程区主要造林树种生产潜力进行了研究,曹恒等[10]对青海高寒区4种不同人工林配置下灌木种群的生态位进行了研究,芦新建等[11]应用Gash模型对青海高寒区华北落叶松人工林林冠截留进行了模拟,邹扬等[12]对青海高寒区青海云杉人工林密度与林下植物多样性的关系进行了研究。他们的研究大多是几种典型林分之间横向的比较,很少对同种林分进行研究,尤其缺乏对同种林分不同密度下的林分的水源涵养作用或林下枯落物特性的研究。这无疑限制了白桦林水文功能的调节管理,此外,白桦是当地的主要抗寒树种,属于深根性树种,生长迅速,也是青海省大通县的主要水源涵养树种,对当地水源涵养、木材生产、水土保持具有举足轻重的地位,探究白桦林不同密度枯落物的水文效应对于青海高寒山区都意义重大。因此,本文选取了青海高寒区5种密度梯度的白桦,对其林下枯落物进行分析研究,旨在探讨保留何种密度的林分可以发挥林下枯落物的最大水文作用,从而为该区白桦林的营造、配置及水文功能管理等提供理论依据。

    • 研究地点位于青海省大通县三趟沟和张家寺林区,隶属于北川河流域,地理坐标为100°51′~101°55′E、36°43′~37°33′N,为高原大陆性气候,极端最高气温和极端最低气温分别为30.9 ℃和-33.1 ℃,年均气温2.8 ℃,多年平均降水量为520.6 mm。无霜期为70~120 d,年湿润指数0.56~1.32,年均日照时数为2 605 h,海拔2 499~4 622 m,山区面积约占95%,水土流失严重,土壤类型主要为山地棕褐土、栗钙土,乔木树种主要有青海云杉(Picea crassifolia)、白桦、华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)、青杨(Populus cathayana)等。灌木主要有沙棘(Hippophae rhamnoides subsp.sinensis)、山生柳(Salix oritrepha)、高乌头(Aconitum sinomontanum)等。草本主要有鹿蹄草(Pyrola calliantha)、东方草莓(Fragaria orientalis)、珠芽蓼(Polygonum viviparum)等。白桦林下灌木主要是高山柳(Salix cupularis)、金露梅(Potentilla fruticosa)、窄叶绣线菊(Spiraea dahurica),草本主要是东方草莓、细叶苔草(Carex rigescens)。

    • 2016年7—8月份在大通县三趟沟林区和张家寺林区选择立地条件基本相同,但密度显著不同的白桦天然林进行调查,样地面积为30 m×30 m,每种密度3个重复,调查不同密度林分的海拔、坡度、郁闭度、树木胸径、树高、叶面积指数等指标。海拔采用手持GPS测定,树高采用测高器测量,树木胸径用钢尺测量,坡度用坡度计测量,郁闭度和叶面积指数采用WinSCanopy2006a冠层分析仪,每个样地拍摄8个点,然后使用WinSCanopy分析软件对照片进行分析得到,为了提高拍摄影像的精确度,拍摄冠层时在样地四角选4个点,然后在每个对角线上选两个点,进行拍摄。各样地基本情况见表 1

      表 1  不同密度林分标准地基本特征

      Table 1.  Basic features of different density stands

      样地编号
      Plot No.
      林分密度/
      (株·hm-2)
      Stand density/
      (tree·ha-1)
      海拔
      Altitude/m
      坡度
      Slope/(°)
      郁闭度
      Canopy
      density
      枝下高
      Under branch
      height/m
      平均树高
      Average tree
      height/m
      平均胸径
      Average
      DBH/cm
      平均冠幅
      Average crown
      width/m
      叶面积指数
      Leaf area
      index
      12252 882350.500.88.414.03.63.09
      22252 862390.550.78.613.73.83.22
      32252 890370.530.68.213.63.93.12
      45002 800360.550.813.222.54.13.13
      55002 835320.650.812.220.54.23.15
      65002 865300.650.713.721.73.93.22
      76882 880280.700.816.221.54.53.32
      86882 860320.750.615.020.54.33.42
      96882 890300.700.716.322.04.73.05
      109002 877280.700.514.819.24.83.40
      119002 835350.750.715.820.24.63.35
      129002 890340.800.915.021.55.13.09
      131 2202 980280.800.715.520.54.23.40
      141 2202 930290.850.815.019.33.83.30
      151 2202 900310.850.915.220.53.93.06
    • 在每个样地内沿对角线测量5个30 cm×30 cm的小样方,用钢尺测量枯落物层的厚度,然后分别将未分解层和半分解层原状枯落物装入尼龙袋后,带回实验室,分层测定其枯落物鲜质量,然后将未、半分解层枯落物装入纸质信封后置于65 ℃烘箱中,烘至恒质量后称干质量,计算枯落物的蓄积量和自然含水率,枯落物的持水量和吸水速率采用室内浸泡法进行测定[13],把烘干后的枯落物装入尼龙袋中,之后把尼龙袋浸入水中,分别测定浸泡时间为0.25、0.5、1、2、4、6、8、10、24 h的枯落物湿质量,到相应时间把尼龙袋从水中取出,至尼龙袋不再滴水为止,称枯落物质量,实验表明,枯落物浸泡20 h后湿质量基本不再增加,所以把浸泡24 h后的枯落物持水量作为最大持水量,此时的持水率为最大持水率,枯落物最大持水率、最大持水量、有效拦蓄量计算公式[14]如下:

      $$ A = \left( {{T_{\rm{s}}} - {T_{\rm{O}}}} \right)/{T_{\rm{O}}} \times 100\% $$ (1)

      式中:A为枯落物最大持水率(%),TS为枯落物浸水24 h后的质量(t),TO为枯落物干质量(t)。

      $$ U = AM $$ (2)

      式中:U为枯落物最大持水量(t/hm2),M为枯落物蓄积量(t/hm2)。

      $$ W = \left( {0.85A - {A_{\rm{O}}}} \right)M $$ (3)

      式中:W为有效拦蓄量(t/hm2),AO为枯落物自然含水率(%)。

    • 利用Microsoft Excel 2016对枯落物数据进行分析处理,对于不同密度的林分,采用LSD法对其枯落物厚度、蓄积量进行单因素方差分析,显著性水平为0.05。

    • 各密度林分未分解层厚度变化范围为0.89~1.90 cm,厚度随着密度增大而增大,但在密度从900株/hm2增加到1 220株/hm2时,厚度却减小,半分解层厚度、总厚度均表现出相同的规律。林分密度为900株/hm2时,未分解层厚度达到最大值,并且林分密度900株/hm2的未分解层枯落物厚度与225、500、688株/hm2密度下的枯落物厚度差异极显著(P < 0.01),与1 220株/hm2的林分差异显著(P < 0.05)。半分解层厚度变化范围在3.62~4.20 cm之间,总厚度变化范围在4.51~6.10 cm之间。林分密度为900株/hm2的半分解层厚度和总厚度与其他密度的林分差异均极显著(P < 0.01)。

      表 2可以看出,不同密度林分的未分解层蓄积量、半分解层蓄积量、总蓄积量均表现出相同的规律,当林分密度从225株/hm2增加到900株/hm2时,枯落物蓄积量也随之增加,当密度增大到1 220株/hm2时,3者均又减小,3者均在900株/hm2时,达到最大值。900株/hm2的林分未分解层、半分解层、总枯落物蓄积量与其他密度的林分均差异极显著(P < 0.01)。5种密度林分下的未分解层蓄积量和总蓄积量两两之间均差异极显著(P < 0.01)。半分解层蓄积量两两之间差异也为极显著(但688株/hm2与1 220株/hm2差异显著),说明密度对未分解层蓄积量、半分解层蓄积量、总蓄积量有极显著影响。另外,枯落物厚度、蓄积量、蓄积量比例均是半分解层大于未分解层,不同密度的林分未分解层蓄积量、半分解层蓄积量所占比例不同,在未分解层中,林分密度为900株/hm2时,未分解层所占比例最高,为49.05%。在半分解层中,林分密度为225株/hm2时,半分解层所占比例最高,为69.52%。从以上分析可以看出,林分密度在900株/hm2时,枯落物厚度、蓄积量均达到最大值且显著优于其他林分。

      表 2  不同密度白桦林枯落物厚度与蓄积量

      Table 2.  Thickness and storage of the litter of Betula platyphylla with different densities

      林分密度/
      (株·hm-2)
      Stand density/
      (tree·ha-1)
      厚度
      Thickness/cm
      蓄积量/(t·hm-2)
      Volume/(t·ha-1)
      蓄积量比例
      Percentage of volume/%
      未分解层
      Undecomposed
      layer
      半分解层
      Semi-decomposed
      layer
      总计
      Total
      未分解层
      Undecomposed
      layer
      半分解层
      Semi-decomposed
      layer
      总计
      Total
      未分解层
      Undecomp-
      osed layer
      半分解层
      Semi-decomp-
      osed layer
      2250.89±0.17a3.62±0.22b4.51±0.31a3.42±0.13a7.80±0.14a11.22±0.13a30.4869.52
      5000.92±0.14a3.72±0.10ab4.64±0.15a5.49±0.12b8.05±0.13b13.54±0.23b40.5559.45
      6881.50±0.24b3.80±0.09a5.30±0.21b6.78±0.15c8.55±0.12c15.33±0.23c44.2355.77
      9001.90±0.19c4.20±0.13c6.10±0.22c8.76±0.15d9.10±0.12d17.86±0.22d49.0550.95
      1 2201.60±0.22b3.75±0.09a5.35±0.28b7.50±0.08e8.36±0.07e15.86±0.13e47.2952.71
      注:不同字母表示不同林分密度间枯落物厚度和蓄积量的均值差异显著(P < 0.05)。Note:the data with different letters indicate that they have significant differences at P < 0.05 level.
    • 枯落物除了可以减小降雨对土壤的溅蚀、增加土壤有机质外,还有很强的持水能力,枯落物持水量是表征枯落物水文功能的重要指标[15]。由表 3可知,5种不同密度林分的最大持水率随林分密度变化呈现波动性变化,未分解层变化范围在190.70%~228.76%,半分解层变化范围在230.36%~245.10%。未、半分解层最大持水率平均值排序为900株/hm2>225株/hm2>1 220株/hm2>688株/hm2>500株/hm2。未分解层最大持水量、总最大持水量变化范围分别为7.21~20.04 t/hm2、26.33~42.32 t/hm2,排序均为900株/hm2>1 220株/hm2>688株/hm2>500株/hm2>225株/hm2。半分解层最大持水量变化范围19.12~22.28 t/hm2,排序依次为900株/hm2>688株/hm2>1 220株/hm2>500株/hm2>225株/hm2,可见,林分密度为900株/hm2时,总最大持水量最大,为42.32 t/hm2,相当于4.23 mm水深。林分密度为225株/hm2时,总最大持水量最小,为26.33 t/hm2,相当于2.63 mm水深。不论何种密度,半分解层持水量总大于未分解层持水量,说明半分解层持水优于未分解层,主要原因是枯落物经过分解后,枯落物结构发生变化,亲水面积增加和枯落物的组成发生变化所引起的[16]

      表 3  不同密度白桦林的枯落物持水特性

      Table 3.  Water-holding characteristics of the litter of Betula platyphylla with different densities

      林分密度/
      (株·hm-2)
      Stand density/
      (tree·ha-1)
      最大持水率
      Maximum water-holding rate/%
      最大持水量/(t · hm-2)
      Maximum water-holding capacity/(t·ha-1)
      最大持水深
      Maximum water-holding depth/mm
      未分解层
      Undecomposed
      layer
      半分解层Semi-
      decomposed
      layer
      平均
      Average
      未分解层
      Undecomposed
      layer
      半分解层Semi-
      decomposed
      layer
      总计
      Total
      未分解层
      Undecomposed
      layer
      半分解层Semi-
      decomposed
      layer
      总计
      Total
      225210.72245.10227.917.2119.1226.330.721.912.63
      500190.70238.10214.4010.4719.1729.641.051.922.97
      688200.52230.36215.4413.5919.7033.291.361.973.33
      900228.76244.86236.8120.0422.2842.322.002.234.23
      1 220212.80230.59221.7015.9619.2835.241.601.933.53
    • 图 1可以看出,在未分解层、半分解层枯落物刚浸入水中的2 h之内,枯落物持水量迅速增加,特别是1 h内急剧增加,之后持水量也有增加,但增加速度逐渐减缓,大约到12~14 h,枯落物持水量达到饱和,不再增加。这一变化规律与枯落物拦蓄地表径流规律类似,即降雨初期,枯落物拦蓄地表径流能力较强,随着降雨时间延长,枯落物含水量增加,拦蓄地表径流能力越来越弱,直到枯落物达到最大持水量[17]。另外,由最大持水量可以看出,半分解层持水能力要大于未分解层,不同密度的未分解层枯落物持水曲线相差较大,说明不同密度的未分解层枯落物之间持水能力相差较大。不同密度的半分解层枯落物持水曲线最终几乎重合(900株/hm2除外),说明不同密度的半分解层枯落物持水能力相差较小(900株/hm2除外)。未分解层枯落物持水能力排序为900株/hm2>1 220株/hm2>688株/hm2>500株/hm2>225株/hm2。半分解层枯落物持水能力排序为900株/hm2>688株/hm2>1 220株/hm2>500株/hm2>225株/hm2。未分解层、半分解层枯落物均在密度为900株/hm2时,持水能力达到最大。把不同密度林分的未分解层、半分解层枯落物持水量与浸水时间进行回归分析可知,持水量与浸水时间与对数函数拟合较好,拟合方程为:Y=alnt+b,式中:Y为枯落物持水量(t/hm2);t为浸水时(h);a为系数;b为常数项,各密度林分拟合方程见表 4

      图  1  不同密度白桦林未分解层和半分解层枯落物持水量与浸泡时间的关系

      Figure 1.  Relationship between water-holding capacity and soaking time of litter in undecomposed and semi-decomposed layers from Betula platyphylla with different densities

      表 4  不同密度白桦林枯落物持水量、吸水速率与浸泡时间的关系

      Table 4.  Relationship between water-holding capacity, water absorption rate and soaking time of Betula platyphylla with different densities

      枯落物层
      Litter layer
      林分密度/
      (株·hm-2)
      Stand density/
      (tree·ha-1)
      持水量与浸泡时间
      Relationship between water-holding
      capacity and soaking time
      吸水速率与浸泡时间
      Relationship between water
      absorption rate and soaking time
      关系式RelationR2关系式RelationR2
      225Y=0.999 8lnt+3.958 90.901 9V=4.015 2t-0.8140.995 3
      500Y=1.313 0lnt+6.754 60.969 4V=5.711 0t-0.7730.995 4
      未分解层Undecomposed layer688Y=1.693 3lnt+8.606 90.948 2V=6.789 1t-0.7430.996 3
      900Y=2.593 3lnt+11.961 00.901 6V=8.789 6t-0.7020.994 5
      1 220Y=1.984 1lnt+9.987 10.936 0V=7.697 1t-0.7330.995 9
      225Y=3.017 0lnt+10.5710.944 7V=9.194 3t-0.7300.993 8
      500Y=1.932 9lnt+13.5650.948 8V=10.139 0t-0.7580.993 4
      半分解层Semi-decomposed layer688Y=1.773 3lnt+14.3430.961 7V=10.897 0t-0.7790.994 9
      900Y=2.255 6lnt+15.4480.965 0V=11.694 0t-0.7610.994 5
      1 220Y=1.900 0lnt+14.0940.950 3V=11.086 0t-0.7850.992 7
    • 图 2可知,枯落物吸水速率与浸泡时间具有很好的相关性,在枯落物刚浸入水中时,枯落物吸水速率最大,随着浸泡时间的增加,枯落物吸水速率逐渐减小,尤其在浸水后的2 h内,未分解层、半分解层枯落物吸水速率急剧下降,之后枯落物吸水速率也在下降,但下降速度逐渐减缓,浸泡时间达到20 h以上时,吸水速率基本为0,即枯落物持水量基本达到饱和。由图 2还可以看出,不同密度林分的半分解层枯落物吸水速率要大于未分解层枯落物吸水速率,主要原因可能是半分解层枯落物经过初步分解,已含有少量腐殖质,增强了半分解层枯落物的吸水能力。对不同密度林分的未分解层、半分解层枯落物吸水速率与浸泡时间进行拟合,回归系数R2均在0.99以上,回归显著,拟合模型为V=ctn,式中:V为枯落物吸水速率(t/(hm2·h));c为方程系数;t为浸泡时间(h);n为指数。不同密度林分的拟合模型见表 4

      图  2  不同密度白桦林未分解层和半分解层枯落物吸水速率与浸泡时间的关系

      Figure 2.  Relationship between water absorption rate and soaking time of litter in undecomposed and semi-decomposed layers from Betula platyphylla with different densities

    • 最大持水率一般只能反应枯落物持水能力的大小,而不能反应枯落物对实际降雨的拦蓄情况,因为在天然条件下,降雨只有一部分被枯落物截留,另一部分很快就渗透到土壤中,枯落物不会长期浸在水中。此外,最大持水率也未考虑到枯落物的自然含水率,因此,用最大持水量来反应枯落物对降雨的拦蓄情况会高于实际情况,有效拦蓄量才真实的反应了枯落物对降雨的实际拦蓄情况[18],其与枯落物蓄积量、枯落物自然含水率和最大持水率有关[15]。由表 5可知未分解层枯落物有效拦蓄率排序为:225株/hm2>900株/hm2>1 220株/hm2>500株/hm2>688株/hm2,半分解层枯落物有效拦蓄率排序为:900株/hm2>1 220株/hm2>688株/hm2>500株/hm2>225株/hm2。这主要是由未分解层和半分解层枯落物储量、吸水速率不同所造成的。而未分解层枯落物有效拦蓄量在林分密度为900株/hm2最大,1 220株/hm2次之,225株/hm2最小。半分解层枯落物有效拦蓄量在林分密度为900株/hm2时最大,688株/hm2次之,225株/hm2最小。可见,林分密度在900株/hm2左右时,枯落物层对降雨的拦蓄量最大,为19.27 t/hm2,相当于1.93 mm水深,林分密度在225株/hm2左右时,枯落物层对降雨拦蓄量最小,为9.67 t/hm2,相当于0.97 mm水深。

      表 5  不同密度白桦林枯落物的有效拦蓄量

      Table 5.  Modified interception amount of the litter of Betula platyphylla with different densities


      枯落物层
      Litter layer
      林分密度/
      (株·hm-2)
      Stand density/
      (tree·ha-1)
      自然含水率
      Natural moisture
      rate/%
      最大拦蓄量/
      (t·hm-2)
      Maximum
      interception
      amount/(t·ha-1)
      有效拦蓄量/
      (t·hm-2)
      Effective
      interception
      amount/(t·ha-1)
      最大拦蓄率
      Maximum
      interception
      rate/%
      有效拦蓄率
      Effective
      interception
      rate/%
      22562.345.073.99148.25116.67
      50070.526.605.03120.2291.62
      未分解层Undecomposed layer68879.528.206.16120.9490.86
      90085.6212.549.53143.15108.79
      1 22084.639.617.22128.1396.27
      225135.548.555.68109.6272.82
      500123.609.226.34114.5378.76
      半分解层Semi-decomposed layer688102.1210.968.01128.1993.68
      900101.0813.089.74143.74107.03
      1 220101.3010.817.92129.3194.74
    • 枯落物蓄积量主要由林龄、人为活动、生长季节、枯落物输入量、分解速度、水热条件等所决定[15],5种林分密度在900株/hm2时,枯落物厚度和蓄积量均达到最大,说明900株/hm2的林分最有利于枯落物的积累,在林分密度从225株/hm2增加到900株/hm2时,枯落物厚度和蓄积量均随密度增大而增大,之后,林分密度再增加到1 220株/hm2时,厚度和蓄积量均又减小,主要原因是在一定密度范围内,随着林分密度的增加,林分的郁闭度和生物量也随之增加,造成林下光照减少,形成了更加有利于枯落物积累的环境,在900株/hm2时达到最大,但密度增大到1 220株/hm2时,林分个体之间竞争加剧,影响树木生长发育,进而使枯落物蓄积量下降,这与赵磊等[19]所研究的杉木林枯落物蓄积量随林分密度的变化类似,也与石媛等[20]所研究的油松林枯落物蓄积量随林分密度的变化类似。此外,5种林分密度下,枯落物蓄积量均是半分解层大于未分解层,说明青海高寒区的空气湿度、温度、林分环境更加有利于枯落物的分解和半分解层枯落物的积累。

      枯落物最大持水量常用来衡量枯落物层的持水能力,其值大小与林型、林龄、枯落物分解状况、枯落物蓄积量和组成等有关[21],有研究表明,林下蒸散量与叶面积指数呈现负相关[22],本研究中,900株/hm2的林分叶面积指数最大,可能造成林下蒸散量较小,加之林内温度、湿度的不同,促使该密度林分最大持水率最高,最终导致900株/hm2的林分最大持水量最大。5种密度林分枯落物持水过程与对数函数拟合较好,R2达0.90以上,枯落物吸水速率随时间变化与幂函数拟合较好,R2达0.99以上。这与前人研究结果相似[23-26]。这两类曲线很好地模拟了枯落物持水与吸水过程。

      枯落物最大拦蓄量、有效拦蓄量受枯落物最大持水率、自然含水率、蓄积量的影响,实验结果表明,不论是枯落物有效拦蓄量还是最大拦蓄量,均在密度900株/hm2时最大,主要原因是该密度林分的枯落物蓄积量最大,其次,不同密度林分下不同的叶面积指数、森林郁闭度、林下生物量、林分的垂直结构造成了不同密度林分的林冠截留量、林下蒸散量、林下温度、湿度的差异[22],这些差异使900株/hm2的枯落物自然含水率较低,最大持水率最高,进而使900株/hm2的林分最大拦蓄量、有效拦蓄量最大。

      本文只是对不同密度的白桦进行了研究,当地主要树种还有青海云杉、华北落叶松、云杉落叶松混交林、云杉白桦混交林等,但调查中发现只有白桦有明显的密度梯度,其他树种目前尚未发现有明显的密度梯度,所以其他树种林分最适宜的密度也不得而知。为了更好地研究当地森林的空间配置、健康评价、水文功能等,构建密度等因素与这些方面的模型,是下一步需要深入研究的工作。

参考文献 (26)

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