金雅琴，李冬林，孫麗娟，張文豹，葉子卿

(1.金陵科技學(xué)院園藝學(xué)院, 200038, 江蘇南京；2.江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院，211153, 江蘇南京；3.南京濱江公園管理有限公司，210019, 江蘇南京)

城市森林作為城市結(jié)構(gòu)的重要組成元素，自身承擔著改善生態(tài)環(huán)境、美化城市風(fēng)貌、防災(zāi)減災(zāi)等多種職能。研究表明，森林中廣泛分布的枯落物作為城市森林的重要成分對降雨的二次分配起著重要作用[1]。森林枯落物憑借其強大的表面積，有利于緩沖雨滴沖擊，減少雨滴濺落時對土壤表層結(jié)構(gòu)的破壞和土壤侵蝕，可有效的阻攔地表徑流，增強土壤的抗沖性能[1-2]；因此，森林群落中枯落物層在維持城市水生態(tài)平衡和創(chuàng)建海綿型城市水循環(huán)體系工程中承擔著重要角色。目前，國內(nèi)學(xué)者對于天然林分的生態(tài)功能研究頗多，并取得較多的研究成果，而城市森林的研究多涉及城市小氣候調(diào)節(jié)[3-4]、景觀美學(xué)[5-6 ]、群落結(jié)構(gòu)及多樣性[7-8]等方面，與當前海綿城市建設(shè)密切相關(guān)的城市人工林枯落物結(jié)構(gòu)、蓄積量，以及持水性、攔蓄量研究少有報道。在當前城市建設(shè)日益擴張，森林面積增量有限的大背景下，選擇何種樹種，建設(shè)何種結(jié)構(gòu)的人工林才能提高城市森林的水源涵養(yǎng)功能，才能有效發(fā)揮城市森林的“海綿”調(diào)節(jié)功能，這是城市森林建設(shè)中遇到的難點，也是各級政府需要面對的重大問題。筆者選取南京近郊8種不同類型的人工林群落，對其地表枯落物累積量和持水狀況進行了定量研究，揭示不同人工林群落枯落物的累積量及其持水、攔蓄性能差異，旨在為我國城市人工林的建設(shè)與管理，以及海綿城市森林群落體系的構(gòu)建提供一定的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于江蘇省南京市，地理坐標為E 118.22°～119.14°，N 31.14°～32.36°，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，受海洋性氣候的影響，四季分明，雨量充沛。年平均氣溫15.0～15.9 ℃，年降雨量1 034～1 276 mm，年日照時間2 212.8 h，無霜期220～250 d，地帶性森林植被為含有常綠成分的落葉闊葉林。

研究地點位于南京河西新城區(qū)濱江風(fēng)光帶內(nèi)的中國綠化博覽園，西臨長江，東靠濱江大道。該園建于2005年春，園區(qū)總面積77 hm2，分布有組成均一、年齡相當、管護規(guī)范的人工林群落。經(jīng)過數(shù)年的生長、養(yǎng)護和管理，目前園區(qū)內(nèi)樹木生長茂盛，林冠郁閉，樹木已進入成年，森林群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2 研究方法

2.1 樣地布設(shè)與樣品采集

2016年12月中旬，事先通過踏查，選取樹木組成一致、林齡相當、密度均勻、人為干擾輕的人工林群落作為試驗林分，并在林分內(nèi)采集樣品。各試驗林分均為純林，自然式樣配置，其生境狀況和群落特征列于表1。在每一類型林分內(nèi)分別設(shè)置典型樣地3塊(重復(fù))，樣地大小10 m×10 m。在每調(diào)查樣地內(nèi)沿對角線用樣框選取30 cm×30 cm的小樣方6塊進行凋落物測定、取樣。依據(jù)群落內(nèi)凋落物的分解情況，將小樣方內(nèi)凋落物按未分解層(凋落物組顏色變化不大，基本保持原狀) 和半分解層(顏色基本變褐色，葉片已無完整的輪廓，部分已腐爛)2個層次記錄厚度，并分別取樣帶回實驗室分析。凋落物取樣后，隨即用環(huán)刀進行林下土壤取樣，分0～10 cm，10～20 cm 2層進行物理性質(zhì)分析。

2.2 指標測定

枯落物厚度(d)用直尺量測，3次重復(fù)，精確到0.1 cm；枯落物累積量(M)測定采用實驗室烘干法，并應(yīng)用取樣面積換算出單位面積的累積量(t/hm2)?？萋湮锔鞣纸鈱映炙詼y定用清水浸泡法[9-10]，將樣框內(nèi)凋落物風(fēng)干后稱重，隨后裝入網(wǎng)袋分別浸入清水中0.25、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、和24 h，撈起并靜置5～8 min，至枯落物不滴水時重新稱量。浸泡結(jié)束后對各網(wǎng)袋內(nèi)凋落物烘干(85 ℃) 8 h后稱量，計算不同浸泡時段枯落物的持水量、持水率、吸水速率。所有稱量均重復(fù)3次讀數(shù)，取平均值。

表1 不同人工林群落的基本特征

2.3 指標計算與處理

枯落物自然含水率計算式為

R0=(M0-MD)/MD×100%。

(1)

式中：R0為枯落物自然含水率,%；M0為枯落物自然濕質(zhì)量,g；MD為枯落物自然干質(zhì)量,g。

枯落物持水率計算式為

Rt=(Mt-MD)/MD×100%。

(2)

式中：Rt為浸泡t小時后枯落物持水率，%；Mt為枯落物浸水t小時后吸水飽和后的質(zhì)量，g。

枯落物最大持水率計算式為

Rmax=(M24-MD)/MD×100%。

(3)

式中：Rmax為枯落物最大持水率，%；M24為枯落物浸水24 h吸水飽和后的質(zhì)量，g。

枯落物最大持水量計算式為

Wmax=MRmax。

(4)

式中：Wmax為枯落物最大持水量,t/hm2；M為枯落物累積量,t/hm2。

枯落物吸水速率計算式為

v=Wt/t。

(5)

式中：v為枯落物某時間段的吸水速率,t/hm2· h；Wt為t時刻落物持水量,t/hm2；t為浸泡時間,h。

最大攔蓄率根據(jù)凋落物最大持水率及平均自然含水率進行計算，然后結(jié)合單位面積累積量，推算出最大攔蓄量。其計算公式為：最大攔蓄率R攔=最大持水率Rmax-自然含水率R0；最大攔蓄量W攔=最大攔蓄率R攔×枯落物累積量M。

有效攔蓄量(WSV)估算參考文獻[11-12]，計算公式為

WSV=(0.85Rmax-R0)M。

(6)

數(shù)據(jù)處理采用Excel2003繪圖，用SAS612軟件進行ANOVA分析，多重比較采用t測驗(Ttest，LSD=Least significant difference)法。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同人工林群落地表枯落物的累積量

由表2可知，8種人工林群落枯落物的總厚度(N)為2.10～5.24 cm，大小順序依次為香樟(Cinnamomumcamphora)林 (Ⅰ)、樂昌含笑(Micheliachapensis)林 (Ⅱ)、女貞(Ligustrumlucidum)林 (Ⅲ)、馬褂木(Liriodendronchinense)林 (Ⅳ)、樸樹(Celtissinensis)林(Ⅴ)、槭樹(Acerpalmatum)林(Ⅵ), 櫸樹(Zelkovaserrata)林(Ⅶ)和淡竹(Phyllostachysglauca)林(Ⅷ)。方差分析表明：不同群落枯落物總厚度有極顯著差異(P<0.01)。從枯落物累積量(M)的變化來看，變動區(qū)間為4.42～8.14 t/hm2，而以香樟林為最高(8. 14±0.41 t/hm2)，槭樹林最小(4.42 ±0.27 t/hm2)，其他幾種群落累積量分別為樂昌含笑林(7.43±0.37 t/hm2)、女貞林(7.53±0.29 t/hm2)、馬褂木林(7.31±0.32 t/hm2)、淡竹林(4. 87±0.34 t/hm2)、櫸樹林(4. 86±0.31 t/hm2)、樸樹林(4.59±0.28 t/hm2)，且不同人工林群落枯落物累積量存在顯著差異(P<0.05)。

從枯落物厚度的分層變化來看，所有群落枯落物未分解層厚度顯著高于半分解層的厚度，說明林下枯落物分解不暢，枯落物以未分解形態(tài)為主體。但不同群落中枯落物分解層次的結(jié)構(gòu)比例存在一定差異，這可能是枯落物累積和分解除了受水、熱因子限制外，往往還受不同群落結(jié)構(gòu)、土壤條件、植食動物等因素影響，表現(xiàn)較大變異性[13]。

表2 不同人工林群落枯落物厚度及累積量

用8種人工林群落枯落物累積量(M)與枯落物厚度(d)之間進行回歸分析，二者存在顯著的直線相關(guān)，其線性方程為：

M=1.405 4d+0.665 4,
(R2=0.823 4，P<0.05)。

(7)

3.2 不同人工林群落地表枯落物的持水性

1)枯落物持水量與浸水時間的關(guān)系。應(yīng)用浸水試驗法測定不同人工林群落地表枯落物的持水量。圖1結(jié)果表明: 8種人工林地表枯落物持水量呈現(xiàn)出相似的動態(tài)變化特征，即隨著浸水時間的延長，持水量依次增加，并呈現(xiàn)出倒“J”形曲線。浸水后的前30 min，持水量迅猛上升。2 h以后持水量趨于平穩(wěn)，幾乎呈現(xiàn)出直線變化，表明吸水趨于飽和。浸水24 h后未分解和半分解枯落物的累計持水量相比較，除了櫸樹林(Ⅶ)以外其余人工林群落的半分解層持水量明顯要高于未分解層。不同人工林未分解層枯落物的持水量(圖1A)而言，櫸樹林(Ⅶ)群落的持水量最大(24 h持水量16.36 t/hm2)，馬褂木林(Ⅳ)群落的持水量最小(24 h持水量2.71 t/hm2)，8種群落的持水量大小排序為櫸樹林(Ⅶ)、槭樹林(Ⅵ)、香樟林(Ⅰ)、樂昌含笑林(Ⅱ)、樸樹林(Ⅴ) 、女貞林(Ⅲ)、淡竹林(Ⅷ)、馬褂木林(Ⅳ)。從不同人工林半分解層枯落物的持水量變化(圖1B)而言，女貞林(Ⅲ)群落的持水量最大(24 h持水量17.90 t/hm2)，樸樹林(Ⅴ) 群落的持水量最小(24 h持水量10.09 t/hm2)，8種群落的持水量大小排序為女貞林(Ⅲ)、櫸樹林(Ⅶ)、樂昌含笑林(Ⅱ)、香樟林(Ⅰ)、馬褂木林(Ⅳ)、槭樹林(Ⅵ)、淡竹林(Ⅷ)、樸樹林(Ⅴ)。

A：未分解層Un-decomposed layer； B：半分解層Semi-decomposed layer圖1 不同人工林群落枯落物持水量隨浸水時間的變化Fig.1 Change of water-holding capacity of litter with immersion time in different man-made forests

對8種人工林地表枯落物的持水量變化進行曲線回歸，持水量(W)與浸泡時間(t)之間呈現(xiàn)如下關(guān)系：W=alnt+b，擬合的回歸方程見表3，回歸方程的R2均在0.9以上，說明持水量與浸泡時間擬合方程的擬合程度較高，較好地反映了枯落物持水量的動態(tài)變化。

表3 不同人工林群落枯落物持水量與浸水時間的回歸方程

2)枯落物吸水速率與浸水時間的關(guān)系。圖2示出8種人工林地表枯落物的吸水速率的動態(tài)變化， 不同人工林地表枯落物的吸水速率呈現(xiàn)出一致的“L”型變化，即隨著浸水時間的延長，吸水速率依次遞減。浸水后的前30 min，吸水速率由高到低迅猛下降。2 h以后吸水速率趨于平穩(wěn)，4 h以后變化幾乎是一條直線，說明枯落物在吸水2 h幾乎吸水飽和，若再有外界水分浸入將出現(xiàn)外溢。若對固定時點半分解(B)和未分解(A)枯落物的吸水速率進行比較，半分解層(B)的吸水速率要明顯高于未分解層(A)。不同人工林半分解層(B)枯落物的浸水1 h的吸水速率大小順序為: 女貞林(Ⅲ)、櫸樹林(Ⅶ)、樂昌含笑林(Ⅱ)、香樟林(Ⅰ)、馬褂木林(Ⅳ)、淡竹林(Ⅷ) 、槭樹林(Ⅵ) 、樸樹林(Ⅴ), 女貞林(Ⅲ)群落的吸水速率最大，達到4.52 t/(hm2·h)，為最小值樸樹林(Ⅴ)群落吸水速率[2.53 t/(hm2·h)]的1.78倍；而未分解層(A)枯落物的浸水1 h的吸水速率大小順序為: 櫸樹林(Ⅶ) 、槭樹林(Ⅵ)、香樟林(Ⅰ)、樂昌含笑林(Ⅱ)、樸樹林(Ⅴ) 、女貞林(Ⅲ)、淡竹林(Ⅷ) 、馬褂木林(Ⅳ)。吸水速率大說明該群落對外源水分具有較強的調(diào)節(jié)能力，能夠在短時間內(nèi)吸收地表降水，并有效地減少地表徑流。

對8種人工林地表枯落物吸水速率隨浸水時間的變化進行曲線回歸見表4。吸水速率(v)與浸泡時間(t)之間呈現(xiàn)如下指數(shù)關(guān)系：v=at-b。所有群落回歸方程的R2均在0.9以上，說明吸水速率(v)與浸泡時間(t)擬合方程的擬合程度較高。

A：未分解層Un-decomposed layer； B：半分解層Semi-decomposed layer圖2 不同人工林群落枯落物吸水速率隨浸水時間的變化Fig.2 Change of water absorption rate of litter with immersion time in different man-made forests

3)不同人工林群落地表枯落物的持水攔蓄能力。持水量反應(yīng)枯落物持水能力的大小，還不能代表枯落物的實際攔蓄能力。自然含水量反應(yīng)枯落物樣品最初的含水狀態(tài)，對后期的有效攔蓄量研究提供參照性依據(jù)[12]。由最大持水量(Wmax)、自然含水率(R0)和群落枯落物累積量(M)可以推算出不同群落的最大持水率(Rmax)、最大攔蓄率(R攔)、最大攔蓄量(W攔)，以及有效攔蓄量(WSV)，表5示出不同人工林群落對水分的攔蓄能力進行評價。從評價結(jié)果來看，不同人工林群落地表枯落物Rmax及W攔顯著不同，說明不同人工林群落持水、攔蓄能力有明顯差異。櫸樹林(Ⅶ)、槭樹林(Ⅵ)、樸樹林(Ⅴ)3種人工林群落的持水能力較高，其Rmax均值分別為667.56%、462.90%和341.18%；相對的，馬褂木林(Ⅳ)、香樟林群落(Ⅰ)兩者群落的持水能力較低，其Rmax均值分別為191.38%和271.99%；其余幾種群落的Rmax均值中等。這種結(jié)果與不同人工林群落的樹種組成和枯落物層厚度、累積量、分解程度等要素相聯(lián)系。

表4 不同人工林群落枯落物吸水速率(v)與浸水時間(t)的回歸方程

表5 不同人工林群落枯落物持水能力指標

研究表明，不同群落內(nèi)枯落物的持水特性與樹種自身的生物學(xué)特性緊密相關(guān)，尤其是葉片質(zhì)地、枯枝等枯落物的組成、內(nèi)含物、化學(xué)特性等直接影響枯落物的分解快慢，進而影響到地表枯落物厚度、結(jié)構(gòu)，從而對地表降水的存留、滯吸、和攔截產(chǎn)生重要影響[14-15]。從不同森林群落的生境結(jié)構(gòu)來看，盡管其林分年齡相當，但樹種組成和林分密度相差較大，地表枯落物結(jié)構(gòu)和分解速度存在顯著差異，這必然導(dǎo)致不同林分枯落物持水量不同，進而影響到不同森林群落的持水量和攔蓄率。有效攔蓄量(WSV)可用來估算枯落物對降雨的實際攔蓄能力，因此進一步計算不同群落類型的WSV更有說服力。8種人工林群落中以櫸樹林群落(Ⅶ)的WSV最大，達到26.32 t/hm2，表現(xiàn)為極強的攔蓄能力；槭樹林(Ⅵ)和女貞林(Ⅲ)群落的WSV較大，分別達到16.64和16.44 t/hm2，在所有人工林群落中攔蓄能力較強；相對的，馬褂木群落(Ⅳ)的WSV較小，僅為9.55 t·hm-2,相對攔蓄能力最弱。不同人工林群落有效攔蓄量的明顯差別，說明在城市人工林建設(shè)中樹種組成及群落類型的選擇對成林后林地持水攔蓄和水源涵養(yǎng)能力有重要影響。

4 討論和結(jié)論

1)森林枯落物的積累和分解, 是森林生態(tài)系統(tǒng)中物流和能流的重要環(huán)節(jié)[1]。 枯落物厚度及累積量反映了森林生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分的歸還量和物質(zhì)循環(huán)的能量流，對維持自然界的生態(tài)平衡具有重要作用。大量研究表明，枯落物的累積量大小主要取決于植物群落生產(chǎn)力，同時還依賴于當?shù)氐臍夂?、土壤肥力、土壤含水量和物種組成[16]。從本研究的結(jié)果來看，8種人工林枯落物總厚度在2.10～5.24 cm，而累積量為4.42～8.14 t/hm2，這個測定結(jié)果明顯低于同緯度的天然林群落[17-18]。究其原因，一方面是由于城市森林的樹種組成相對簡單，群落層次單一，其生產(chǎn)力明顯低于天然林，另一方面，城市人工林多屬于游賞性城市綠地，與天然林相比要遭受更多的人為干擾和生物侵害。當前，在我國城市公園和風(fēng)景林養(yǎng)護中，枯落物的存在及其生態(tài)功能尚未受到足夠的重視，大多被認為是一種固體廢棄物而被清掃、填埋或者移走焚燒。其實，這種管護方式從生態(tài)學(xué)觀念來看不可取，因為這不僅增加了城市綠地養(yǎng)護的投入和市容環(huán)境管理的壓力，更為重要的是這種方式破壞了城市森林生態(tài)系統(tǒng)自身的物質(zhì)循環(huán)和能量流動，森林地表枯落物的持水蓄養(yǎng)能力隨之消失，土壤貧瘠化加劇，通透性降低。保護城市森林地表枯落物是對森林資源的保護，更是對城市森林生態(tài)系統(tǒng)的維護。

2)文獻表明：森林枯落物的成分組成、內(nèi)含物、化學(xué)特性等直接影響到枯落物的分解快慢，進而影響到地表枯落物的累積量[14-15]。本研究表明：不同人工林群落枯落物厚度和累積量有顯著差異，這一點與張洪江等[19]、孫艷紅等[20]、饒良懿等[21]對天然林群落的研究結(jié)果基本一致。從不同森林群落的生境和群落結(jié)構(gòu)來看，盡管其林分年齡相當，但樹種組成和林分密度相差較大，不同林分的葉片質(zhì)地和分解速度也有顯著差異，這些因素必然導(dǎo)致人工林內(nèi)環(huán)境和林內(nèi)物質(zhì)循環(huán)的速度存在較大差異。地表枯落物的厚度及其分解程度、枯落物成分及年循環(huán)量差異是不同林分枯落物持水量不同、具有不同持水率和攔蓄量的內(nèi)因，其相應(yīng)的定量關(guān)系還有待今后作深入地研究。

3)隨浸水時間的不斷增加，8種人工林群落枯落物持水量不斷增加，但增速為前30 min最快，30 min后增速逐漸變緩，2 h后趨于平穩(wěn)。一定時期內(nèi)持水量(W)與浸泡時間(t)之間呈現(xiàn)如下關(guān)系：W=alnt+b；吸水速率(v)與浸泡時間(t)呈現(xiàn)指數(shù)相關(guān)關(guān)系：v=at-b，這與天然林群落枯落物持水量的變化動態(tài)基本一致[12,22-23]。因此，城市人工林枯落物對林間短期降水具有良好的儲蓄作用，尤其是半分解層的持水作用明顯。這是由于半分解層枯落物已近腐爛，疏松多孔，吸水容量較大；因此，城市森林枯落物的半分解層是城市人工林水源涵養(yǎng)、吸水攔蓄功能的主要承擔者。在當前發(fā)展節(jié)約型園林、構(gòu)建建設(shè)海綿型城市的大背景下，地表枯落物應(yīng)受到足夠的重視而加以存留和保護。

4)枯落物的持水能力主要取決于枯落物累積量(M)、自然含水率(R0)、最大持水量(Wmax)、最大持水率(Rmax)、有效攔蓄量(WSV)等指標[24]。本研究表明：樹齡相當、種類不同的人工林群落枯落物的持水能力顯著不同。櫸樹林、槭樹林、樸樹林3種落葉人工林群落的持水能力較高，其Rmax高于其他常綠人工林群落(如香樟林、女貞林)。而就WSV測定結(jié)果來看，以櫸樹林群落的WSV最大(26.32 t/hm2)，表現(xiàn)為極強的攔蓄能力?？梢姡＞G樹種組成的人工林其地表枯落物的持水攔蓄能力并非比落葉樹種組成的人工林占優(yōu)勢。櫸樹是江蘇常見的落葉闊葉樹種，也是重要的珍貴用材樹種，該樹種生長快，適應(yīng)性強，枝葉繁茂，成林后具有龐大的葉面積。盡管櫸樹林群落中地表枯落物的累積量不高，但其最大持水率和最大攔蓄率均較高，因此該群落仍能維持較高的蓄水功能，在當前海綿城市建設(shè)中應(yīng)具有廣闊的應(yīng)用潛力。