張薰元, 周運超, 白云星, 杜姣姣

(貴州大學貴州省森林資源與環(huán)境研究中心/貴州省高原山地林木培育重點實驗室/林學院, 550025,貴陽)

在全球水資源匱乏及氣候變化的大環(huán)境趨勢下, 凋落物作為森林生態(tài)系統(tǒng)生物量的組成部分之一, 不僅關系森林生態(tài)系統(tǒng)的生產力水平, 還在涵養(yǎng)水源、減少地表徑流和降雨濺蝕等方面影響著森林水文循環(huán)過程[1-2]。森林凋落物層疏松多孔的結構導致其吸水、透水能力強[3], 覆蓋在森林地面增加粗糙度并減緩土壤濺蝕[4], 因此凋落物層的水文特性在森林土壤水源涵養(yǎng)和林間水土保持過程中發(fā)揮著重要作用[5]。

目前, 國內外對凋落物層的研究[6-7]多涉及凋落物量、養(yǎng)分歸還、典型樹種凋落物水源涵養(yǎng)、凋落物層與森林土壤層關系等方面。針葉林內通過闊葉樹種調控改變凋落物組分在提高森林生態(tài)功能和生物多樣性等方面具有重要意義。但在已有的研究中，由于樹種差異導致針闊混交林與純林之間水文特性存在不確定性[8]，且多數研究基于同年營造的混交林和純林[9]。雖然對針葉人工純林進行大規(guī)模的闊葉化改造可能會改變森林水文效應，但與此相關的凋落物層水文差異性研究較少。此外，鑒于現階段我國通過林分改造來提高人工林生態(tài)功能已成為重要的研究方向[10], 選取適合的評價方法來計算評價指標權重來比較純林與調控林水文特性的差異[11], 仍需要進一步深入研究。

馬尾松林在南方水土保持林中面積占比較大, 其純林隨著林齡增長, 林下土壤流失[12], 水土流失嚴重是馬尾松林經營中亟待解決的問題, 常通過改造林分的方式緩解馬尾松人工林生態(tài)環(huán)境惡化的現象[13-14], 但通過不同樹種調控改造林分后, 對調控林和未調控林之間凋落物層水文特性的差異研究不多。為此在貴州省龍里林場馬尾松人工林中, 選取不同鄉(xiāng)土闊葉樹種調控后的馬尾松人工林與未經調控的馬尾松純林作為研究對象, 通過熵權法客觀地對凋落物層水文特性進行綜合評分, 擬探究闊葉調控措施對馬尾松人工林凋落物水文特性的影響，明晰樹種特性對凋落物水文功能的影響，以期為馬尾松水土保持林闊葉化改造提供參考依據。

1 研究區(qū)概況

實驗研究區(qū)域及6個研究樣點設在貴州省黔南州龍里縣國有林場哨上分場(E 106°45′～107°15′, N 26°10′～26°49′)內(圖1),林區(qū)屬于苗嶺山脈中段,平均海拔1 150 m，年均氣溫15 ℃，氣候屬中亞熱帶溫和濕潤型，年降水量1 184.17 mm，年均相對濕度77%，土壤類型以黃壤為主,植被以馬尾松(Pinusmassoniana)、油茶(Camelliaoleifera)、深山含笑(Micheliamaudiae)、連香(Cercidiphyllumjaponicum)、桂南木蓮(Manglietiachingii)、伯樂(Bretschneiderasinensis)、濕地松(Pinuselliottii)、紅豆杉(Taxuschinensis)、繅絲花(Rosaroxburghii)等為主。

圖1 野外樣點分布圖Fig.1 Distribution map of field sample plots

在研究區(qū)內, 于1957年通過飛播營造大面積馬尾松人工林, 并在2004年對部分馬尾松純林(樣點1)進行闊葉樹種調控實驗, 迄今為止已有15年的調控林為馬尾松+伯樂(樣點2)、馬尾松+桂南木蓮(樣點3)、馬尾松+連香(樣點4)、馬尾松+深山含笑(樣點5)和馬尾松+油茶(樣點6)；各調控林樹種基本特性見表1。

表1 調控闊葉樹種基本特性Tab.1 Basic characteristics of control broad-leaved tree species

2 研究方法

2.1 凋落物樣品收集

于2019年10月在實驗地選長期無人為活動干擾、立地條件基本一致的馬尾松人工林作為實驗研究及采樣區(qū)域,在實驗的6種林分中,對樣地內樹木胸徑、樹高、冠幅等指標測定后(表2),在各林分中各布設3個20 m×20 m的標準樣地,在每個標準樣地中設置上、中和下3個坡位，每個坡位中劃出3個0.5 m×0.5 m的樣方進行林冠下凋落物樣品收集, 凋落物收集區(qū)分未分解層(undecomposed litter, OL)和半分解層(semi-decomposed litter, OF),現場通過電子天平(精確到0.01 g)記錄鮮質量(m1)，直尺測量凋落物未分解層和半分解層厚度(d)后分別裝入塑料袋并帶回實驗室測定。每個坡位樣方重復3次, 共收集162袋凋落物。此外, 為得到凋落物器官密度和葉面積與持水量的關系，在每種類型林分地表采用5點采樣法，收集單獨的、未分解的落葉、落果和落枝各20 g作為凋落物樣品, 每個樣地重復3次, 共計收集凋落物器官54袋。

表2 樣地基本立地條件Tab.2 Basic site conditions of sample land

2.2 室內測定

采用室內靜水浸泡實驗法測定凋落物水文特性。將樣品帶回實驗室后,烘箱80 ℃烘12 h至恒質量,記錄樣品干質量(m2),以計算凋落物現存量。將收集的凋落物樣品裝入已知質量的尼龍網袋(100目尼龍材質),完全浸入裝有清水的容器中分別浸泡0.08、0.33、0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00、12.00和24.00 h后取出,懸在空中靜止直至不滴水為止,迅速稱出濕質量(mt),每個濕質量數據重復3次。收集的20 g凋落物葉采用葉面積測定分析儀測出平均葉面積，來表示各林型每20 g凋落物葉的平均面積。用排水法測出凋落物枝、果的器官密度[15],并對20 g凋落物器官樣品做最大持水量測定。

2.3 數據處理

結合野外及室內測定的鮮質量(m1)、干質量(m2)、濕質量(mt)、浸泡時間t計算凋落物生態(tài)水文特征值[16-18]。

(1)

式中：CR為凋落物持水率，%；mt為t時間的濕質量，g;m2為干質量，g。

(2)

式中St為凋落物吸水率，%。

(3)

式中：R為有效攔蓄率，%；Cm為24 h時的持水率，%;m1為鮮質量，g;m2為干質量，g。

2.4 評價分析方法

基于熵權法對馬尾松林的水文特性進行評價。各指標利用熵值計算權重,熵值越小,信息量越大,對評價的重要性越大[11]。選取凋落物現存量、厚度、葉面積、持水率、吸水率、器官密度及有效攔蓄率作為水文特性評價指標,基本計算步驟如下：1)對異質指標進行同質化處理；2)根據離散程度確定評價指標權重；3)計算各樣本的綜合得分。

實驗所得數據采用Excel 2016和SPSS 19軟件進行分析處理,圖像結合Origin和Excel進行處理。

3 結果與分析

3.1 不同調控林凋落物層的水文特性

3.1.1 不同調控林凋落物層現存量及組分情況 不同林型凋落物層組分及現存量存在差異，凋落物層現存量范圍為6.34～8.62 t/hm2, 從大到小排序為ML>BL>CL>SSHX>LX>YC(圖2)。不同樹種凋落物層中葉組分比例最大(P<0.05)，其范圍為61%～77%,其中ML的凋落物中葉的比例最大為77%,YC葉的比例最小為61%,與現存量大小變化一致；除SSHX外,其余林分凋落物組成所占比例均是葉的比例最大，枝的比例最小。

各林型中凋落物層厚度大小變化為：SSHX>BL>YC>ML>CL>LX，均表現為未分解層厚度大于半分解層厚度(表3)，CL凋落物層未分解層厚度是半分解層厚度的3.07倍；凋落物層現存量占比也表現為未分解層明顯大于半分解層，未分解層占總現存量比例的變化范圍是66%～77%，其中BL的未分解層占比與半分解層占比差距最大；在各林分中，未分解層的凋落物現存量大于半分解層。

表3 不同林型下凋落物層厚度及現存量Tab.3 Litter layer thickness and inventory under different forest types

碎屑為除去枝、葉、果之外的凋落物殘渣；下同。Debris is the residue of litters apart from branches，leaves and fruits. The same below.圖2 不同林型凋落物層組分情況Fig.2 Compositions of litter layers under different forest types

相同質量下，凋落物葉面積、各器官密度均與其最大持水量之間呈顯著關系(P<0.05)。隨著凋落物平均葉面積增大，其最大持水量也隨之增大，呈冪函數關系，且相同質量下，純林凋落物葉面積(特指收集的20 g凋落物的平均葉面積)最大，這是因為相同質量下針葉數量較闊葉多。相同質量下，凋落物器官最大持水量隨著密度增加而減小，呈線性函數關系(圖3)。

圖3 葉面積、密度與最大持水量之間的關系Fig.3 Relationship between leaf area, density and maximum water-holding capacity

3.1.2 不同調控林凋落物層吸水動態(tài)過程 由圖4可知,不同凋落物分解層吸水速率均隨著浸水時間的增加而逐漸減少，最后趨于平緩,與浸水時間之間呈冪函數關系(表4)。在浸水5 min(0.08 h)時,不同林型凋落物的半分解層與未分解層的吸水速率均為最高,隨后速率急劇下降,4 h之后吸水速率下降緩慢,8 h后吸水速率基本保持平緩不變。半分解層吸水速率維持在0.003 1%～0.669 2%的范圍內,未分解層吸水速率變化范圍在0.006 4%～2.093 1%內；半分解層吸水速率呈現SSHX>ML>BL>LX>CL>YC, 未分解層吸水速率呈現CL>BL>SSHX>ML>LX>YC，其中凋落物材質為革質的BL、SSHX和ML未分解層吸水速率大于肉質葉的LX。綜上：同一林型, 其凋落物半分解層吸水速率低于未分解層吸水速率。

圖4 半分解層、未分解層吸水率與浸水時間的關系Fig.4 Relationship between water absorption rate and soaking time of semi-decomposed layer and undecomposed layer

3.1.3 不同調控林凋落物層持水動態(tài)過程 不同調控林型馬尾松人工林的最大持水量和最大持水率均有差異, 但從圖5中可明顯看出未分解層的最大持水量和最大持水率均大于半分解層。各調控林型凋落物最大持水量大小排序為ML>BL>CL>SSHX>LX>YC；最大持水率大小排序為SSHX>LX>CL>BL>ML>YC。除YC凋落物的最大持水量和最大持水率均最低外, 其余調控林凋落物最大持水量與最大持水率大小排序不同。

圖5 不同林型凋落物層最大持水量和最大持水率Fig.5 Maximum water-holding capacity and maximum water-holding rate of litters in different forest types

由圖6可知, 6種林型凋落物半分解層與未分解層持水率與浸水時間的關系變化一致, 隨著浸水時間增加持水率而不斷增加, 呈對數關系(表4)。凋落物持水率在1 h內持水最快,浸水1 h半分解層持水量均小于未分解層持水量,半分解層持水量可達到最大持水量的75%以上：SSHX(80.13%)>BL(78.60%)>CL(78.33%)>ML(76.84%)>YC(76.36%)>LX(75.15%)；未分解層持水量可達到最大持水量的78%以上：BL(82.92%)>SSHX(82.84%)>ML(82.73%)>CL(82.33%)>YC(80.22%)>LX(78.30%)。調控林型為YC和LX時,凋落物半分解層和未分解層的持水率均較低, 其中LX為最低。凋落物層持水率在整體上表現出未分解層高于半分解層。

圖6 半分解層、未分解層持水率與浸水時間的關系Fig.6 Relationship between water-holding rate of semi-decomposed layer and undecomposed layer and soaking time

3.1.4 不同調控林凋落物層攔蓄能力 由表4可知, 同一分解層、不同調控林型凋落物層有效攔蓄量不同：凋落物半分解層有效攔蓄量范圍為213.74～414.25 t/hm2, 大小順序為ML>LX>SSHX>CL>YC>BL, 其中, ML凋落物半分解層有效攔蓄量最大(414.25 t/hm2),BL凋落物半分解層有效攔蓄量最小(213.74 t/hm2)；未分解層有效攔蓄量范圍為941.61～2 415.01 t/hm2,大小順序為BL>ML>CL>SSHX>LX>YC,其中,BL凋落物未分解層有效攔蓄量最大(2 415.01 t/hm2), 這與BL凋落物半分解層有效攔蓄量最小的結果相反, 未分解層中YC凋落物的有效攔蓄量最小(941.61 t/hm2)。同一調控林型、不同分解層凋落物有效攔蓄率也不同, 但整體上呈現出半分解層有效攔蓄量遠小于未分解層有效攔蓄量。有效攔蓄率大小順序除YC與未分解層有效攔蓄量一樣最低外, 其余調控林型有效攔蓄率的大小順序與有效攔蓄量不同。

表4 凋落物不同分解層水文指標與浸水時間關系式

3.2 不同調控林型凋落物層水文特性綜合評價

為了更科學、更直觀地評價調控林凋落物層持水能力, 選取不同林型、不同分解層的凋落物層現存量、厚度、葉面積、持水率、吸水率及有效攔蓄率作為水文特性評價正項指標, 凋落物器官密度作為負向指標, 通過熵權法進行綜合評分。結果表明,各指標權重值排序為凋落物器官密度>現存量>有效攔蓄率>最大持水率>最大吸水率>厚度>葉面積。

從凋落物持水能力綜合評分結果得出(表6)，凋落物未分解層排序為BL>ML>CL>SSHX>LX>YC;半分解層排序為ML>LX>SSHX>CL>BL>YC。綜上,不同調控林型中凋落物未分解層水文特性普遍優(yōu)于半分解層；相比其他林型，YC凋落物無論是未分解層還是半分解層，凋落物層水文特性評分均最低。各林型中凋落物層水文特性評分高低為ML>BL>CL>SSHX>LX>YC。

表6 不同林型中不同分解層凋落物持水能力綜合評分Tab.6 Comprehensive scores of water-holding capacity oflitters in different decomposed layers indifferent forest types

4 討論

不同樹種調控后的凋落物會造成凋落物層水文特性的差異。凋落物的水文特性是凋落物層持水、蓄水能力的綜合反映, 是森林凋落物水文特性分析評價的指標之一[16], 吸水、持水及攔蓄指標三者的大小會影響到森林水文生態(tài)功能的判斷[17]。通過熵權法計算得知, 有效攔蓄率、最大持水率和最大吸水率在凋落物水文特性評價中所占權重居中(表5), 不同林型凋落物最大持水率不同, 但LX和SSHX在持水率上優(yōu)勢盡顯, 可能是因為連香葉呈近圓形, 葉肉質較其余革質葉片可持大量水分, 深山含笑葉型呈長圓狀橢圓形, 平均葉面積較大, 從而持水量大, 符合大面積的葉片持水量大、持水優(yōu)勢明顯的研究結果[18]。本研究中各林型吸水速率與有效攔蓄率變化一致, 均表現為半分解層明顯低于未分解層, 這一結果與前人的研究結果存在差異[19]，其原因可能是半分解層由于內部分解透徹，較未分解層更為破碎，空隙過多而降低了持水能力，故吸水速率與有效攔蓄率弱于未分解層；此外，調控樹種的凋落葉大多為革質葉(表2), 相同質量下未分解層厚度大、現存量較多, 而在水文效應評價中，現存量所占權重大于有效攔蓄率、最大持水率和最大吸水率, 因此存在未分解層水文特性優(yōu)于半分解層的現象[20]。因此，調控林型中凋落物未分解層現存量及厚度較大的ML和BL凋落物水文特性比CL凋落物水文特性表現好。

表5 各指標信息熵值和權重值Tab.5 Information entropy and weight of each indicator

不同調控樹種特性在森林水文循環(huán)過程有著不可忽視的作用, 是影響森林凋落物層水文特性的重要因子之一。通過熵權法計算指標權重可看出, 不同持水能力指標在凋落物層持水能力綜合評價中所占的權重不同, 調控樹種特性在森林水文循環(huán)過程中影響著凋落物的水源涵養(yǎng)功能。不同樹種導致凋落物的組成不同[21], 通過闊葉樹種調控, 馬尾松人工林中凋落物組成變復雜, 在本研究中, 經過鄉(xiāng)土闊葉樹調控后的馬尾松人工林均為針闊混合葉, 與未調控的馬尾松純林中針葉凋落物相比, 調控林型凋落物器官密度和平均葉面積與未調控的馬尾松純林不同, 凋落物器官密度在水文特性評價中作為唯一的一個負向指標, 所占權重最大, 密度最大的油茶其凋落物水文特性不管是半分解層還是未分解層都是所有林型中最差的, 油茶攔蓄降水能力(R=325.51%)也是調控林型中最低, 這與油茶葉為革質且葉表面油脂較其他調控林葉表面油脂多有關, 與水產生排斥, 導致持水能力弱[22]。 由此可見除去凋落物現存量和厚度影響, 在調控林型選擇上, 不僅要考慮凋落物器官密度因素, 還應該考慮凋落物葉質地是否適宜凋落物層水源涵養(yǎng)。

5 結論

1)貴州龍里林場不同闊葉樹種調控前后馬尾松人工林凋落物葉比例最大達到61%以上,現存量在6.34～8.62 t/hm2范圍內波動,凋落物總厚度變化范圍在2.53～4.32 cm之間,且無論是現存量還是厚度,調控前后都是未分解層>半分解層。

2)在實驗的純林與5種闊葉調控林中, 凋落物未分解層的水文效應均較半分解層好,按凋落物層水文特性評分高低，各個林型凋落物層水文特性整體表現為馬尾松+桂南木蓮>馬尾松+伯樂>馬尾松+純林>馬尾松+深山含笑>馬尾松+連香>馬尾松+油茶；

3)通過熵權法對影響凋落物層水文特性的指標權重計算可知, 凋落物器官密度對凋落物水文特性影響最大, 平均葉面積對凋落物水文特性影響最小, 有效攔蓄率對水文特性的影響大于最大持水率和最大吸水率；

4)革質葉的調控樹種會增加凋落物厚度, 平均葉面積大時凋落物攔蓄效果明顯, 因此選擇調控林型時, 為改善調控林凋落物層水文特性, 達到改善水源涵養(yǎng)的效果, 除考慮樹種凋落物的現存量和厚度外, 還應考慮凋落物葉型質地、凋落物器官密度等樹種特性對吸水、持水和攔蓄的影響。