舒圣評，吳 軍

(1.會東縣姜州林業(yè)站，四川 會東 615200；2.會東縣淌塘林業(yè)站，四川 會東 615200)

凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的一個(gè)重要方面之一[1～2]；森林凋落物也是涵養(yǎng)水源，防止水土流失，增加微生物繁殖空間，提高土壤肥力和地表溫度，抑制其他群落植物成長，為幼苗提供遮蓋，建立植物群落優(yōu)勢[4]。以往對凋落物的只側(cè)重于凋落物在水源涵養(yǎng)及土壤水分等方面的作用，經(jīng)本實(shí)驗(yàn)可以看出凋落物的持水過程大體可以分為三個(gè)階段，即吸持階段、增持階段和保持階段。在降雨初期，凋落物全部吸收雨水并持保持雨水不流動和下滲；隨著降雨量的增加，凋落物的持水速度逐漸減慢，在此時(shí)間段內(nèi)再緩慢增加持水量，超過了持水速度的降雨開始下移輸出，到達(dá)地面,此時(shí)凋落物并未達(dá)到飽和持水量；當(dāng)降雨繼續(xù)進(jìn)行，凋落物的持水量達(dá)到飽和，降雨量與凋落物的輸出持水量趨于動態(tài)平衡。目前國外也有一些關(guān)于人工林凋落物對土壤理化性質(zhì)影響的研究[3～5]，但是大部分研究偏重于森林凋落物在增加土壤肥力、改善物質(zhì)循環(huán)中的作用，而對凋落物的水文效應(yīng)(蓄水能力等)研究較少，雖然國內(nèi)對凋落物的蓄水能力有一定的研究,但是對金沙江流域人工林恢復(fù)過程的凋落物特征的研究尚缺乏必要的研究。該實(shí)驗(yàn)的目的在于，揭示會東縣金沙江流域典型的3種近熟人工林下凋落物量的變化，探討未分解凋落物及半分解凋落物持水性質(zhì)的差異，為人工林凋落物層水文功能的發(fā)揮、適地適樹的選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省西南部、涼山彝族自治州東南部的會東縣，地理坐標(biāo)介于東經(jīng)102°20′～103°03′,北緯26°12′～26°57′之間。地勢西北高、東南低，山脈總稱魯南山，屬螺髻山的南延部分，自北向南縱貫縣域中部，其分支東部稱大黑山，西部稱魯昆山。全縣最高處是柏杉鄉(xiāng)緊風(fēng)口營盤子，海拔3 331.8 m；最低是大崇鄉(xiāng)大花村莫家溝金沙江出境處，海拔640 m，相對高差2 691.8 m。山地占全縣總面積的96%，高平原及丘陵占4%。山地中海拔2 500 m以上的山地占24%，1 400 m～2 500 m的半山地占66%，1 400 m以下的河谷占10%；屬亞熱帶季風(fēng)高原型氣候，由于山高谷深，氣候垂直差異很大，年均氣溫16.1℃，一月份平均氣溫8.1℃，七月份平均氣溫21.8℃，年均≥10℃的積溫 5 284.1℃，無霜期258 d，年日照數(shù)2 300 h；年降水量1 062.9 mm，年均相對濕度65%，年蒸發(fā)量2 000 mm。雨季(5月～10月)降水量占93.3%，相對濕度73.7%，旱季(11月～4月)降水量占6.7%，相對濕度52.8%；土壤以山地紅壤為主，土層厚度在40 cm以上，腐殖層厚度5 cm～15 cm，pH值為5.0～6.3，質(zhì)地輕壤至重壤；得天獨(dú)厚的光熱資源和立體氣候形成了物種繁多的植被資源，草本、木本植物共有202科、1 504種；植被屬會東縣常綠闊葉林帶川、金沙江峽谷、云南松、干熱河谷植被。全縣森林覆蓋率36.1%，林木綠化率為50.7%。

1.2 研究方法

在會東縣內(nèi)(金沙江流域)具代表性的地段，設(shè)置青岡(Quercus dentata thunb)、榿木(Alnus cremastogyne Burk)、華山松(Pinus armandi franch )1 m×1 m 的小樣方各3個(gè)(表1)，在每個(gè)小樣方內(nèi)沿對角線一分為四個(gè)部分然后選取對角的兩個(gè)部分的凋落物按照不同樹種均勻混合，將未分解層5 cm、半分解層3 cm、完全分解層2 cm厚度3個(gè)層次收集枯落物(兼顧坡位、坡向、密度)，裝入實(shí)驗(yàn)袋內(nèi)。

表1樣地基本特征

Tab.1 Basic characteristics of sample plots

備注：土壤類型均為山地黃壤。

1.3 實(shí)驗(yàn)室操作分析

將所收集的枯落物樣品用烘箱烘干﹙80℃﹚至恒重﹙用電子秤稱取﹚，由此計(jì)算凋落物單位面積的儲量、自然含水率等，隨機(jī)取3袋取平均值進(jìn)行比較。

1.4 凋落物持水量的測定方法

將烘干后相同樹種凋落物混勻，稱取不同樹種烘干凋落物質(zhì)量160 g浸入水中24 h后，用鑷子撈起并靜止5 min至凋落物不滴水時(shí)用電子秤稱其濕重，然后減去其干重，即為凋落物的最大持水量。隨機(jī)取3袋取平均值進(jìn)行比較。

將烘干的各種不同分解程度的凋落物裝入網(wǎng)袋后分別浸入水中0.5 h，1 h，1.5 h，2 h，3 h，4 h，6 h，8 h，10 h后稱其濕重，研究其吸水速度和吸水過程。分別隨機(jī)取3袋計(jì)算其平均值。其中，涉及的公式如下計(jì)算：

凋落物持水量(t·hm-2)=凋落物濕重﹙t·hm-2﹚-凋落物干重﹙t·hm-2﹚

凋落物持水率﹙%﹚=﹙凋落物持水量/凋落物干質(zhì)量﹚×100%

凋落物吸水速率(g·kg-1·h-1) =凋落物持水量﹙g·kg-1﹚/吸水時(shí)間﹙h﹚

凋落物有效攔儲量﹙t·hm-2﹚=[0.85×最大持水率﹙%﹚-平均自然含水率﹙%﹚] ×凋落物現(xiàn)存量﹙t·hm-2﹚

1.5 儀器設(shè)備

烘箱、電子天平(北京賽多利斯天平有限公司)、塑料盆、測繩、收集帶、塑料繩、記錄本。

2 結(jié)果與分析

2.1 林分調(diào)落物現(xiàn)存量和持水量

將記錄的數(shù)據(jù)匯總，計(jì)算不同凋落物現(xiàn)存量和持水量：

從表2可知，3種人工林凋落物儲量表現(xiàn)為隨樹種不同各有差異，青岡、榿木凋落物的儲存量分別比華山松多40.7%和20.2%，最大持水量分別增加了68.9%和36.6%。凋落物持水率以榿木最高，分析與凋落物的腐解程度有關(guān)，榿木林地半分解和分解的凋落物層數(shù)更大，因而其持水率較高。總而言之，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)顯示，樹種不同，凋落物的儲量和持水量都有所不同，表明榿木在凋落物持水性方面對水土保持和水源涵養(yǎng)有一定優(yōu)勢。該結(jié)論，主要因?yàn)椴蓸犹幍沫h(huán)境因子、立地條件、土壤動物的種類等因素導(dǎo)致3種人工林凋落物現(xiàn)儲量存在差異。

表2不同凋落物持水量分析(t·hm-2)

Tab.2 Different litter water holding capacity analysis

如表3所示F=MSt/MSe=38.09/5.34=7.13*，根據(jù)df1=dft=2,df2=dfe=6查生物統(tǒng)計(jì)附實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(第四版)附表4得，F(xiàn)0.05(2,6)=5.14，F(xiàn)0.01(2,6)=10.92；F0.05(2,6)

表3 3種人工林凋落物持水性方差分析表

Tab.3 Three kinds of plantation litter water holding capacity table of variance analysis

變異來源平方和SS自由度df均方msF值種類間46.5238.097.13*誤差38.8465.34總變異85.348

注：*表示在p<0.05水平上差異顯著；**表示在p<0.01水平上差異顯著。

2.2 凋落物持水速率

將凋落物帶回實(shí)驗(yàn)室放在塑料盆或塑料桶內(nèi)浸泡，浸泡過程中應(yīng)注意將所有的枯落物放置于水面以下，并在水位下降后，及時(shí)加水，持續(xù)浸泡0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、4.0 h、6.0 h、8.0 h、10.0 h，撈起靜置5 min至凋落物不滴水時(shí)稱質(zhì)量，設(shè)3個(gè)重復(fù)，取平均值。

圖1 3種不同凋落物持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系Fig.1 Three kinds of litter water holding rate (g·kg-1·h-1) and soaked time relationship

如圖1所示，凋落物的持水過程大體可以分為3個(gè)階段，即吸持階段、增持階段和保持階段。在降雨初期，凋落物全部吸收雨水并持保持雨水不流動和下滲；伴隨雨水的延續(xù)，降雨量增加，凋落物的持水速度逐漸減慢，這個(gè)時(shí)間段再緩慢的增加持水量，然而超過了持水速度的降雨則下移輸出，到達(dá)地面,此時(shí)凋落物并未達(dá)到飽和持水量；隨著時(shí)間的延續(xù)，降雨繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，凋落物的持水量達(dá)到飽和，降雨量與通過凋落物的輸出趨于動態(tài)平衡。

圖2可以看出，青岡、榿木、華山松在10 h內(nèi)吸水的凋落物吸水過程基本相似。吸水速率在4 h達(dá)最大值，0～4 h凋落物的平均吸水率約為0～0.5 h的1/2,，隨后繼續(xù)下降，到達(dá)10 h吸水速率逐漸趨向于零，顯然凋落物層的平均吸水率與浸泡時(shí)間呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系。由此可以看出凋落物的吸水作用主要出現(xiàn)在降雨前10 h內(nèi)，特別是前4 h內(nèi)表現(xiàn)尤為突出。

圖2 3種不同凋落物吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系Fig.2 Three kinds of litter water absorption and immersion time relationship

凋落物持水量和持水率與浸泡時(shí)間的變化規(guī)律符合對數(shù)方程：W=a×ln(t)+b(其中a和b為常數(shù))，凋落物吸水速率與時(shí)間的變化規(guī)律符合乘冪方程W=a×t-b(其中a和b為常數(shù))。用方程得出的凋落物持水量理論值與實(shí)測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)(R=0.97)，兩者極顯著相關(guān)(P<0.001)，如表4所示。

表4凋落物持水量(WH)、持水率(WR)、吸水率(WA)與浸泡時(shí)間t的方程

Tab.4 Litter water holding capacity ( WH)、( WR) water holding rate,water absorption rate ( WA) and immersion time t equation

森林類型方程RP榿木林WH=1.3491ln(t)+2.14710.9798<0.01WH青岡林WH=1.3338ln(t)+2.7970.9842<0.01華山松林WH=1.1961ln(t)+1.33640.9771<0.01榿木林WR=56.787ln(t)+91.2060.9767<0.01WR青岡林WR=64.742ln(t)+70.0810.9835<0.01華山松林WR=63.253ln(t)+70.0820.9773<0.01榿木林WA=2150.1-0.6120.9936<0.01WA青岡林WA=2770.2-0.6720.9954<0.01華山松林WA=1326.4-0.5180.9842<0.01

2.3 凋落物自然含水率、最大含水率、有效持水率

圖3是3種人工林凋落物在未分解、半分解情況下的持水率：

圖3 3種人工林凋落物不同分解情況下持水率(%)Fig.3 Three different plantation litter water holdup(%)

由圖3可以得出，3種人工林半分解凋落物的自然含水率均高于未分解的凋落物的凋落物林分，3種人工林凋落物未分解的最大持水率和有效持水率均小于半分解的凋落物。3種人工林凋落物的未分解層、半分解層在有效持水率中所占比例：榿木(3.0,3.5)>青岡(3.1,3.2)>華山松(2.2,2.7)。

自然含水量凋落物的自然含水量是反映單位干物質(zhì)在自然狀況下(林地內(nèi))持水的能力。測定表明，3種人工林內(nèi)未分解、半分解凋落物平均自然含水量分別為26.74%、37.37% ，未分解凋落物自然含水量在13.75%～51.10%之間變化，半分解則在0.94%～63.62%之間波動(表6)，其中未分解和半分解凋落物自然含水量最低值分別是青岡和華山松，而自然含水量最大的是榿木。

3 討論

(1)在不同浸泡時(shí)間段,林分凋落物持水率均呈現(xiàn)軟闊林凋落物(榿木)>硬闊林凋落物(青岡)>針葉林凋落物(華山松)。凋落物持水率在浸泡2h內(nèi)隨著浸泡時(shí)間的延長而迅速增長,此后增長趨于平緩,浸泡時(shí)間達(dá)10 h時(shí),各林分凋落物持水量基本飽和,持水率幾乎不變[8～9]。3種人工林凋落物的持水率WR隨浸泡時(shí)間t按對數(shù)方程WR=a+blnt增加 ，此次試驗(yàn)凋落物持水率以榿木最高，原因與凋落物的腐解程度有關(guān)，榿木林半分解和分解的凋落物層數(shù)較大，因而其持水率較高?？偠灾?，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)顯示，隨樹種不同，凋落物的儲量和持水量都有所不同，表明榿木的凋落物在持水性方面對水土保持和水源涵養(yǎng)有一定優(yōu)勢。

(2)林木通過凋落物的形式向林地輸入相當(dāng)數(shù)量的養(yǎng)分和能量，為土壤動物、微生物提供食物和能量來源[11]。與其他一些對森林凋落物的研究相比，本研究中3種人工林半分解凋落物飽和持水率變化相對較??；3種人工林凋落物未分解的最大持水率和有效持水率均小于半分解的凋落物。3種人工林凋落物的未分解層、半分解層和完全分解層所占比例榿木大于青岡大于華山松。

(3)凋落物的自然含水量是反映單位干物質(zhì)在自然狀況下(林地內(nèi))持水的能力。測定表明，3種人工林內(nèi)未分解、半分解凋落物平均自然含水量分別為26.74% ，37.37%，未分解凋落物自然含水量在13.75%～51.10%之間變化，半分解凋落物則在0.94%～63.62%之間波動(圖6)，其中未分解和半分解凋落物自然含水量最低值分別是青岡和華山松，而自然含水量最大的是榿木。長江上游3種人工林凋落物貯備量有所差異，3種不同林型的人工林林的凋落物含水量最高的是長生于濕潤坡地或溝谷臺地林中的榿木林(軟闊林)，其次是青岡林(硬闊林)，最小的是華山松(針葉林),榿木林凋落物的持水率與持水量都是最大的。

(4)文中各擬合方程的p值均<0.01,表明方程較好地模擬了林分凋落物持水率和吸水速率的實(shí)際變化,它們可用于預(yù)測林分凋落物不同浸泡時(shí)間后的持水量、持水率和凋落物吸水速率。但用浸泡法測定凋落物層持水特性時(shí),凋落物層完全浸沒在水中,與野外實(shí)際降水條件存在極大差異,故凋落物在野外的持水特性與浸泡法測得的結(jié)果應(yīng)相距甚遠(yuǎn)[10]。從持水性能來看，本研究未分解、半分解凋落物最大持水率分別為151.55%、191.49% ，這可能與林齡、枯落物中枝、葉、花、果所占的比例等有關(guān)，本實(shí)驗(yàn)僅僅是一個(gè)開始，僅對長江上游3種人工林凋落物層的凋落量及其持水特征的初步研究，而凋落物層作為森林生態(tài)系統(tǒng)一個(gè)重要的層次，其水文生態(tài)功能是動態(tài)且多方面的，尤其是隨著森林結(jié)構(gòu)的變化而生態(tài)功能變化的差異是明顯的，要正確客觀評價(jià)3種人工林凋落物層水文生態(tài)功能變化，則需要在不同區(qū)域不同結(jié)構(gòu)的林型下，從凋落物的數(shù)量、組成、物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)、養(yǎng)分歸還量、能量流動量等角度出發(fā)，對凋落物層進(jìn)行長期的定量研究。

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