不同叶形凋落物层持水能力及其影响因素研究

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作为森林垂直结构中的重要功能层,凋落物对森林生态系统的水文效应具有重要影响。然而,以往的研究多数重点关注凋落物层的持水蓄水能力,对于凋落物层对降雨的分配以及降水在凋落物层的运移特征研究较少,不能真正模拟森林坡面凋落物层的水文功能。因此,为了探究凋落物层持水能力与其叶片形态特征、所处坡度条件、凋落物层的分布特征以及不同混合模式的量化关系,了解凋落物层水文过程的影响机制,本研究利用浸泡法和人工模拟降雨法对不同条件下马尾松、樟和荷花玉兰3种叶片形态特征差异显著凋落物层的截持水能力和降雨再分配特征进行了测定。研究结果可准确地反映森林凋落物层在森林水文过程中发挥的作用,同时为客观评价凋落物层水分的传输机制及其水源涵养机理提供一定的参考依据。主要研究结果如下:(1)凋落物层持水能力随时间的延长表现出相似的变化特征。在浸泡试验条件下,随浸泡时间的延长,各凋落物层的持水动态过程与浸泡时间符合对数函数关系(R~2>0.66),吸水速率与浸泡时间则满足幂函数关系(R~2>0.99)。而模拟降雨试验条件下,无论试验条件如何变化,凋落物截留降雨过程均呈现截留量快速增加、逐渐稳定和雨后减小3个阶段。(2)凋落物层对森林地面产汇流具有一定的延迟作用,这种延迟作用随试验条件的不同而有所差异。当单位面积内凋落物层生物量较小时,3种类型凋落物层中,樟凋落物滞缓径流能力最强,单位面积内生物量较大时,滞缓径流能力在3种类型凋落物层中未表现出明显规律;除0°和5°外,凋落物层滞缓径流的能力随坡度的增大而变小,且马尾松和樟凋落物滞缓径流功能随其表层凋落物形成流路的增加存在变小的趋势。此外,随不同叶形凋落物的混合及其混合比例的不同,其滞缓径流功能也存在一定差异。其中,马尾松×荷花玉兰凋落物层对降雨的响应时间随马尾松凋落物占比的增加逐渐变早;而相同比例混合凋落物对降雨响应时间的快慢表现为马尾松×樟最晚,马尾松×荷花玉兰次之,樟×荷花玉兰最早。(3)凋落物类型、坡度、凋落物层分布特征以及不同叶形凋落物混合方式都是影响凋落物层截持水能力的重要因子。浸泡试验中,3种类型凋落物层的最大持水量、最大持水率、有效拦蓄量和有效拦蓄率均表现为阔叶大于针叶,即樟和荷花玉兰大于马尾松。降雨试验中,凋落物层单位面积生物量为0.5 kg/m~2时,相同坡度条件下3种凋落物层的最大截留量(Cmax)和最小截留量(Cmin)均表现为樟大于荷花玉兰和马尾松,且它们之间的差距随坡度的增加而减小。凋落物层Cmin随坡度和凋落物层搭建形成水流路径的增加则呈减小的趋势。同时,与混合凋落物、单一马尾松凋落物和荷花玉兰凋落物相比,凋落物层的Cmax和Cmin均表现为樟最大,且马尾松×樟混合凋落物的Cmin随马尾松占比的增多而降低,樟×荷花玉兰混合凋落物中樟凋落物占比较多时Cmin较大;相同比例混合凋落物层的Cmin则表现为樟×荷花玉兰>马尾松×樟>马尾松×荷花玉兰。将两种试验方法下凋落物层的有效持水量进行比较发现,浸泡法测定凋落物层的拦蓄量能一定程度上反映坡地条件下凋落物层的截留能力。但相比于浸泡法,人工模拟降雨试验能更真实、准确地反映凋落物层截留蓄水的过程以及凋落物层对降雨的产汇流机制。(4)类似于森林冠层对降雨的分配作用,降雨到达凋落物层后也存在不同分配方式,即降雨经凋落物层形成凋落物截留、坡向流、侧向流和垂向渗流。其中,凋落物截留量占总降雨量的比例最小,不到5%,垂向渗流占比最大,范围为58.63%~97.99%。而各水文分量占总降水量的比例受多种因素的影响。其中,凋落物所处坡度的增加会导致其坡向流的增加和垂向渗流的减少。本研究中,3种类型凋落物层的垂向渗流占总降雨量比例表现为马尾松最高,樟次之,荷花玉兰最小,且在坡度为15°~35°时阔叶凋落物坡向流占比多于针叶。同时,凋落物的形态特征和分布方式会影响凋落物层产流的大小和类型;而不同凋落物混合改变了凋落物层的堆积结构,从而在不同坡度条件下改变凋落物层对降雨的分配特征。可见,无论是凋落物层形态特征、分布规律、混合模式,还是其所处坡度条件,都是影响凋落物层持水能力和水分运移的重要因素,是凋落物层水文功能评价中不可忽略的重要因子。
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