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1、探究森林生态系统枯落物含水率的影响因子1.1 地被物层水分传输枯落物层是土壤与大气进行能量和物质交换的重要界面，不仅参与森林生态 系统的物质和养分循环，而且由于其独特的结构和水文特性在水土保持、水源涵 养等方面发挥重要作用。枯落物层的特殊结构能够改变水分传输途径和对降水进 行分配，影响生态系统的水文过程。枯落物层在蓄留降雨方面有着很重要的作用，特别是对降水量与雨强小的毛 毛雨的截留作用更为突出。就一次降水过程而言，当林内降雨小于 3.7mm 时， 枯落物层可以完全截留降水，但随着降雨量的增加，尽管截留量也不断增加，其 下部开始出现渗水，随着降雨过程的继续，其截留量增加的速度逐渐减缓，直到 达到
2、最大截留量，然后开始下降随着降雨量的增大，枯落物层截留量在波动中呈 增加态势，但截留率在波动中呈不断减小趋势，截留量与降雨量的变化趋势基本 趋向一致。曲线波动说明，还有其它因子影响使枯落物层截留没有表现出完全与 降水规律同步的变化趋势，特别是测定中出现了截留量大于降水量的情况，多余 的水分来自前一次截留的降水在第二次降水截留使枯落物层持水达到饱和状态 后，在重力作用下向下入渗，同时还将促使前一次贮存没有及时下渗的部分水分 一并下渗，结果出现第二次测定的截留水大于降水的情况，截留率成负值。枯枝落叶层水分传输过程可以划分为以下三个阶段:降水截留阶段、非饱和 下渗阶段和饱和下渗阶段。1.1.1 降水
3、截留阶段从降水发生至枯落物层有水分渗出前的整个过程为枯落物层降水截留阶段。 在降水截留阶段进入林内的穿透水完全被截留，大部分林冠穿透水被枯落物层的 表面张力吸附，枯落物孔隙中以重力水形式截留的降雨很少，此阶段水分输入为 林冠穿透水。1.1.2 非饱和下渗阶段当枯落物层开始有水分渗出产生时，即开始进入非饱和下渗阶段。此阶段的 特点为枯落物表面吸附能力己达到最大，持续的林冠穿透水被枯落物孔隙以重力 水的形式截留，并且随着枯落物孔隙不断截留林冠穿透水，会有部分降水将被排 出，此时枯落物层开始有水分渗出，但枯落物层却没有达到最大持水量，尚处于 非饱和持水阶段，枯落物层的下渗水量仍小于降雨量，在此阶段结
4、束时，全部枯 落物孔隙将被林冠穿透水饱和。1.1.3 饱和下渗阶段随着降水过程继续，林冠穿透水不断补充枯落物，使枯落物层出现水分渗出 速率大于林冠穿透水输入强度的情况，说明枯落物层已达到充分饱和状态。此阶 段下渗水量除了由即时降雨提供外还有前期截留的降雨，因此造成枯落物的下渗 强度大于降雨强度。1.1.4 林枯落物层截持作用和水分传输过程枯枝落叶层截留过程是一个有限的增加过程，其上限为最大截持量 ;枯枝落 叶层的蓄积量、含水量及结构特征和降雨特性是影响截留过程的主要因素。铜山 大多数降雨过程不能使枯枝落叶层达到饱和，所以森林枯枝落叶层经常具有截留 降雨和调蓄降雨作用。枯落物水分传输一般要经过截
5、留降雨、吸水饱和 （非饱和 下渗）、下渗（饱和下渗）阶段。以一次持续降水超过 24 小时的降水截留过程为例 说明，降水开始的6小时，降雨量为10mm,该时段内降雨被全部截留;6小时后， 截留进入渗透阶段，该时段出现的渗透水随降水量的增加而呈直线递增，截留量 逐渐减小，但累积截留曲线仍缓慢上升。此时段历时较长，长达22 小时以上。 当达到饱和阶段时，该时段降水量和渗透量趋于一致，截留作用消失，但累积截 留量达最大值。枯落物层作为森林生态系统中独特的层次，是由植物枝、叶、花、果、树皮 等凋落物组成，一般枯落物层积累多，层次厚，分解快，分解较彻底，则具有孔 隙多、小的特点。枯落物的积累与分解取决于林
6、分组成、密度、林况与环境条件 （温度、湿度、通气条件）。枯枝落叶层不仅是森林生态系统的物质循环流动的 重要组成部分，而且还是林地土壤表面的一个重要覆盖面和保护膜。枯落物层除 了能像森林冠层一样蓄留降水，还具有改良其下层土壤物理性能、增加土壤的孔 隙度、抑制林地土壤水分蒸发、促进土壤水分入渗的重要作用；此外，由于林地 枯落物的存在，较少了地表的裸露程度，增加了地表的粗糙率，在防止土壤溅蚀 和阻延地表径流方面也起着重要的作用。基于枯落物层在森林生态系统涵养水源 和防止土壤侵蚀过程中发挥的重要作用，其防蚀作用的量化已成为森林生态功能 研究中的重要环节，本文注重从持水性能与阻流性能这两个环节对研究区主
7、要森 林类型枯落物层进行研究分析。1.2.1 各林分枯落物储量枯落物层吸水作用的大小，取决于其自身的厚度和性质，枯落物的分解程度 和组成种类直接影响着森林的持水能力。本研究对麻栎林、毛竹林、杉木林和马 尾松林四种不同森林类型的林下枯落物进行调查，其未分解层、半分解及分解层 的厚度和质量，调查结果见表 1.2.1。从中可以看出，研究区各林分枯落物厚度 在11mm至42mm之间，现储量在3.2518.04t hm-2间。不同林分类型的枯落 物蓄积情况有一定的差别，以厚度和总储量来看麻栎林最好，其次为毛竹林，再 次为杉木林，马尾松林最差。枯落物储量情况未分解层半分解与分解层林分类型总厚度（mm）总储
8、量(t hm-2)储量(t hm-2)m%) 一 /l储量(t hm-2)呦%) rt /l麻栎4218.0410.2356.717.8143.29毛竹2512.578.4567.224.1232.78杉木319.395.6159.743.7840.26马尾松113.252.1465.831.1134.171.2.2 各林分枯落物层的持水性能（1）枯落物持水过程为了研究林下枯落物层的持水动态过程，对各林分枯落物分层采集进行浸水 试验，测定时段为 0.5h、1、1.5h、2h、4h、6h、8h、10h、12h 和 24h。图 1.2.1 描述了不同森林类型枯落物层持水速度与持水率随浸泡时间变化的
9、过程。单位面 积下各林分枯落物层在浸入水中02h其持水速度最快，26h之间较快，6小 时之后逐渐趋于平缓。这是因为随着浸泡时间的延长，枯落物逐步达到持水的饱 和状态。相比未分解层的持水速率，半分解层与分解层的持水速率略低。各林分 枯落物层24h平均持水速度存在着差异，以未分解层来看，毛竹林最好，其次为 麻栎林，再次为杉木林，马尾松林最差；以半分解与分解层来看，麻栎林最好， 其次为毛竹林，再次为杉木林，马尾松林最差。未分解层3-2/! 一 .=;.;=-m可;宀用间350.未分解层350.3300：； H 窈於 P 17 V.巧 IE Z：刊纱2:050 -扌-r-.-:T-分解5分解圧心皿闾冷
10、;07 人窈 E ：17 V. F Iri 兀 R :记浸水时间（h）杉木：忙图 1.2.1 不同森林类型典型林分枯落物层持水速度（率）测定（2）枯落物层持水能力枯落物层的持水能力是反映枯落物层水文作用的重要指标，表征森林枯落物 层的持水能力的指标主要为最大持水率、最大拦蓄率和和有效拦蓄率，其计算方 法如下：G gg GR = 0d x 100% R = 24d x 100%0 Gh maxGddR =R R ，W =（0.85RR ）xMs maxhmax0 svhmax0式中:R0、Rh 、R分别为枯落物自然含水率、最大持水率与最大拦蓄率（%）；0 hmax smaxG0、 Gd、 G24
11、 分别为枯落物自然状态下质量、枯落物风干质量及浸水 24 小时后 0 d 24质量（g）； W为枯落物有效拦蓄量（thm-2）； M为枯落物蓄积量（thm-2）；sv0.85 为有效拦蓄系数。由于枯落物层蓄积量及持水率的差异，各林分持水能力的 实测值有着明显差异，以最大持水量来看，麻栎林最好，其次为毛竹林，再次为 杉木林，马尾松林最差；以有效拦蓄量来看，毛竹林最好，其次为麻栎林，再次 为杉木林，马尾松林最差。1.2.3 各林分枯落物层阻流性能不同森林类型林下枯落物层通过地表径流的滞缓、拦蓄、过滤从而在森林水 文调配过程中发挥出重要作用，尤其是枯落物层在防止地表径流冲刷作用成为近 年来森林水文及
12、水土保持学科密切关注和重点研究的方向。森林及其地被物对地 表径流的影响作用在很大程度上可用经典曼宁公式中的 n 值来表示，林地对坡面 径流的阻延作用主要反映在坡面粗糙度系数的变化上，因为粗糙度系数的大小能 决定坡面流速的大小以及坡面汇流时间。因此，测定和定量分析不同林分类型枯 落物的糙率系数值，对于深刻揭示研究区林分类型防蚀机理有着重要意义。我国学者张洪江最早采用的水槽冲刷实验方法，在室内进行枯落物对槽面径 流速度的影响试验，并通过曼宁公式和谢才公式整理推导得出了室内测定枯落物 糙率系数的计算公式，后续学者大都沿用了他测定方法，并取得了较好的研究成 果。本文沿用张洪江的枯落物水槽冲刷试验设计，
13、对研究区不同林分类型枯落物 层的糙率系数进行了测定，不同干重条件下各林分枯落物的糙率系数见图 1.2.2。0 0 -0 -0 ：0)：() 1C1n门加d 弟(:3()M落物十重C g/cm* )图122不同干重条件下各林分枯落物糙率系数n值活地被物层在时空尺度上的动态变化要比林冠层剧烈和复杂得多 , 使得对 水分在活地被物层上的传输与水量转换难于准确测定。直到目前为止国内外还没 有一种理想的直接测定活地被物层水分传输的方法 , 现有的研究大部分是通过 间接方法。但间接测定法只适用于下层植被密度不大的地方, 所测结果一般偏大 森林死地被物层具有较大的水分截持能力 , 从而影响到穿透降雨对土壤水
14、分的 补充和植物水分的供应森林死地被物层的性质和土壤表层的腐殖质层厚度影响土壤的渗透。森林死地被物层的持水能力与其种类、干重、湿度、分解程度、累积状况以 及前期水分状况、降雨等气象条件密切相关。1.3 枯落物层水文功能及水分传输机制枯落物层作为土壤与大气进行物质能量交换的重要界面，通过吸持降水、阻 塞水分传输通道，参与土壤、植物、大气系统的水分循环，增加了水分分配在 时间和空间上的变异性。森林枯落物层持水量动态变化在森林水文循环中的意义 在于其对林冠下大气和土壤之间水分和能量传输的影响，与森林流域产流机制密 切相关，并受组成、林分类型、林龄、枯枝落叶分解状况、累积状况、前期水分 状况、降雨特点
15、（降水大小、强度高低、历时长短）的影响。水分在枯落物层的传输机制类似于林冠截留过程，其截留量与枯落物层的种 类、储水能力有关，与林地单位面积枯落物层蓄积成正比。但枯落物层水分传输 机理由于枯落物层厚度、分解特性、组成结构、前期含水量的时空变异及其模糊 的边界层等特性，使其与水分在林冠层的传输机理又有很大的区别。在天然降雨 的情况下，降雨强度随时间变化很大，雨量不稳定，而经过的穿透入渗作用后下 渗速率较稳定。从土壤侵蚀的角度考虑，在单位时间降雨量相同的情况下，降雨 强度变化时产生的土壤侵蚀量大于降雨强度恒定情况下的土壤侵蚀量，原因是降 雨强度不恒定时会出现瞬时雨滴动能大于平均雨滴动能的现象，因此会对土壤的 打击强度增加，造成土壤侵蚀量增加。因此可以说枯落物具有稳定下渗速率的作 用，进而起到防止土壤侵蚀的作用。枯落物层下渗速率较稳定的原因是枯落物层 的结构相对比较均一，因此在不同降雨强度条件下吸附降水及消减降雨动能和水 分在孔隙中渗透特性都具有相似性，数值较稳定。森林是陆地生态系统的主体，森林与水的关系是水文研究的中心议题之一， 在自然
