四種杉木人工林枯落物持水性研究

楊俊玲，王新杰

（北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院 省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點實驗室， 北京100083）

四種杉木人工林枯落物持水性研究

楊俊玲，王新杰

（北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院 省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點實驗室， 北京100083）

以福建省將樂國有林場四種杉木人工林（杉木純林、杉木馬尾松混交林、杉木毛竹混交林、杉木火力楠混交林，以下簡稱杉純、杉馬、杉毛、杉火）為研究對象采用野外實地觀測調(diào)查與室內(nèi)浸提法，對枯落物層持水性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：（1）枯落物儲量為杉純31.248 t/hm2＞杉毛15.151 t/hm2＞杉火10.058 t/hm2＞杉馬9.572 t/hm2；最大持水率為杉馬196.62%＞杉毛196.28%＞杉純163.62%＞杉火162.87%，最大持水量為杉純27.93 t/hm2＞杉毛21.60 t/hm2＞杉馬14.15 t/hm2＞杉火11.68 t/hm2，（2）各林分枯落物持水量和持水率隨著浸泡時間增加均以對數(shù)函數(shù)形式增加，吸水速率隨著浸泡時間均以冪函數(shù)形式減??；（3）四種林分枯落物有效攔蓄量為杉毛19.491 t/hm2＞杉純16.846 t/hm2＞杉馬14.673 t/hm2＞杉火9.178 t/hm2。

杉木人工林；混交林; 枯落物；持水量；持水率；吸水速率；有效攔蓄量

森林枯落物是指覆蓋在林地礦質(zhì)土壤表層上的新鮮、半分解的凋落物，它是森林植物地上部分各器官的枯死脫落物的總稱。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，枯落物層對林地土壤的水、肥、氣、熱有重要的影響，是實現(xiàn)森林涵養(yǎng)水源、保持水土作用的重要作用層，其持水性能是反映森林水文效應(yīng)的一個重要指標(biāo)[1]。長期以來中國南方林區(qū)主要以杉木Cunninghamia lanceolata、馬尾松Pinus massoniana Lamb等作為主要造林樹種。目前，在改良地力和涵養(yǎng)水源功能方面的研究，多集中于天然林[2-9]。由于不同林型下森林地表枯落物層的性質(zhì)有區(qū)別[10-11]，因此對水源的涵養(yǎng)作用也有不同。本文通過對四種杉木人工林枯落物層持水性的研究，為制定合理的經(jīng)營管理措施提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省將樂縣國有林場，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 117°05′～ 117°40′，北緯 26°26′～ 27°04′，地處武夷山脈東南麓、金溪河畔，為低丘陵地帶，平均海拔400～800 m，最高1 203 m，最低140 m。年平均氣溫18.7℃，年平均降雨量1 669 mm，年平均蒸發(fā)量1 204 mm，霜日72 d，無霜日287 d，氣候溫和，土層深厚，土壤肥沃，土壤以紅壤為主，適宜培育以杉木、馬尾松為主的用材林，混交林多為杉木與毛竹Ph.edulis(carr)h.de、火力楠Micheliamacclurel、樟樹等樹種構(gòu)成。林下灌木主要有黃瑞木Cornus stolonifera var. Glaviamea、烏 藥（Root of Combined Spicebush）、 毛 冬 青Ilexpubescens Hook.etArn等，草本主要有五節(jié)芒Miscanthus floridulu (Labnll.)Warb和蕨類等。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地的選擇

選擇立地條件及年齡相似的四種杉木人工林（杉純、杉馬、杉毛、杉火力）分別設(shè)置3塊面積為600 m2的標(biāo)準(zhǔn)地。

2.2 枯落物儲量調(diào)查

在每塊標(biāo)準(zhǔn)地四角機(jī)械布設(shè)1 m×1 m的小樣方各2個，共8個小樣方。測定枯落物厚度，然后分未分解層、半分解層、完全分解層收集小樣方內(nèi)的全部凋落物，調(diào)查各層鮮質(zhì)量，并取樣烘干（80℃）至恒質(zhì)量，可計算枯落物單位面積儲量和自然含水率。共調(diào)查4個類型12塊標(biāo)準(zhǔn)地，96個小樣方，取枯落物樣本384個。

2.3 枯落物持水性實驗

將烘干至恒重的樣本分別取部分稱重，然后裝入網(wǎng)袋后分別浸入水中0.5、1、2、4、6、8、10、24 h后撈起并靜置5 min至不滴水時稱重，重復(fù)3次取平均值，用下列公式計算枯落物持水量、枯落物持水率[12]。

枯落物持水量(t/hm2) = 枯落物濕重- 枯落物干重；

枯落物持水率%= (枯落物持水量/ 枯落物干質(zhì)量)*100；

枯落物有效攔蓄量（t/hm2）＝（0.85×最大持水率-自然含水率）*枯落物儲量；

枯落物吸水速率=即時持水量/浸泡時間。

一般情況下，枯落物浸水24 h后的持水量可視為該枯落物的最大持水量，此時的持水率稱為最大持水率[13]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS18.0和Excel 2007對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析和回歸方程的顯著性檢驗。

3 結(jié)果分析

3.1 四種類型杉木人工林枯落物儲量

枯落物的蓄積量主要取決于枯落物的輸入量、分解速度和累積年限，而森林的樹種組成不同、林分所處的水熱條件不同都對枯落物蓄積量有較大影響[14]。一般情況下，枯落物的現(xiàn)存量越多，其水源涵養(yǎng)功能越好[15]。

從表1可以看出，四種林型的枯落物儲量為杉純31.248 t/hm2＞杉毛15.151 t/hm2＞杉火10.058 t/hm2＞杉馬9.572 t/hm2。不同林型的枯落物儲量中半分解層所占比例最大，杉純更高達(dá)45.78%，這與高人、周廣柱等[16]的研究結(jié)果一致。

表1 四種類型杉木人工林枯落物儲量Table 1 Litter storages of four types of C. lanceolata plantations

3.2 四種類型杉木人工林枯落物持水性

表2數(shù)據(jù)表明，四種林型的最大持水率為杉馬196.62%＞杉毛196.28%＞杉純林163.62%＞杉火162.87%，枯落物的持水率越大，枯落物的持水能力就越強(qiáng)[17]，因而杉木馬尾松林和杉木毛竹林的枯落物層具有較強(qiáng)的持水能力。最大持水量為杉木純林27.93 t/hm2＞杉木毛竹21.60 t/hm2＞杉木馬尾松14.15 t/hm2＞杉木火力楠11.68 t/hm2，表明不同林型的枯落物持水量受林分枯落物的儲量影響較大，為正相關(guān)規(guī)律[18]。本研究區(qū)各類型森林枯落物的最大持水率和持水量都是半分解層最大，由此可以看出枯落物的半分解層的持水能力最高[19-21]。

利用Excel（或SPSS），以對數(shù)式、多項式

表2 最大持水率和最大持水量Table 2 Maximum water-holding rate and total water-holding capacity

及冪函數(shù)對各林型枯落物持水率與浸泡時間建立回歸方程，結(jié)果見表3，從中可以看出枯落物持水率與浸泡時間（0.5 h＜t＜24 h）呈極顯著的對數(shù)函數(shù)關(guān)系（p＜0.001），相關(guān)系數(shù)R的平方均高于0.921。

表3 枯落物持水率與浸泡時間的回歸方程Table 3 Equations of litters water-holding rate changed with soaking time

不同林分類型枯落物持水率與浸泡時間的變化關(guān)系有共性也有差異，如圖1所示，為四種林分的枯落物持水率與浸泡時間的對數(shù)關(guān)系曲線，它們的共同點是浸泡前期持水率上升的速度較快快，4 h之后變緩，8 h后持水率基本不變，說明枯落物持水趨于飽和，符合前人研究的普遍規(guī)律[22]。不同林分的枯落物的持水率也存在明顯的差異，表現(xiàn)為杉木毛竹＞杉木馬尾松＞杉木純林＞杉木火力楠。

由表4可以看出，枯落物持水量與浸泡時間（0.5 h＜t＜24 h）之間呈極顯著的對數(shù)函數(shù)關(guān)系（p＜0.001），相關(guān)系數(shù)R的平方均大于0.945。

圖1 枯落物持水率與浸泡時間的對數(shù)關(guān)系Fig.1 Logarithmic relations of litters water-holding rate and soaking time

表4 枯落物持水量與浸泡時間的回歸方程Table 4 Equations of litters water-holding capacity and soaking time

不同林型的枯落物持水量有隨浸泡時間增長的趨勢，如圖2，在浸泡0～4 h，各林型的枯落物持水量增長迅速，之后增長變緩， 8 h后，浸泡時間增加枯落物持水量變化幅度不大，此時，枯落物的持水基本飽和。不同林分枯落物的即時持水量有顯著差異，表現(xiàn)為杉純＞杉毛＞杉馬＞杉火，順序與最大持水量一致。

圖2 枯落物持水量與浸泡時間的對數(shù)關(guān)系Fig.2 Logarithmic relations of litters water-holding capacity and soaking time

3.3 四種類型杉木人工林枯落物有效攔蓄量

在自然條件下，枯落物最大持水量并不等于其對降雨的有效調(diào)蓄量，因為部分水會透過孔隙滲入到土壤中。據(jù)雷瑞德[23]的研究，當(dāng)降雨量達(dá)到20～30 mm以后，不論哪種植被類型，實際持水率約為最大持水率的85 %；因而采用有效攔蓄量來表示對降雨的實際攔蓄量。用下式求算：

W=(0.85*Rm-R0)*M。 （1）

式（1）中： W為有效攔蓄量，t/ hm2；Rm為最大持水率，% ；R0為平均自然含水率，% ；M為枯落物儲量，t/ hm2。

表5 四種類型杉木人工林枯落物有效攔蓄量Table 5 Effective impoundment capacity of water by litters in four plantations

由上表可知，四種林型的枯落物有效攔蓄量的變化范圍在9.178～19.491 t/hm2之間，其中杉毛最大，杉純、杉馬次之，杉火最小。表明除了最大持水率、枯落物儲量，枯落物的自然含水率對其有效攔蓄量也有影響，所以調(diào)查時研究區(qū)枯落物的干燥程度、近期降雨情況都會對調(diào)查結(jié)果有顯著影響[24]。

3.4 四種類型杉木人工林吸水速率

在對四種林分的枯落物吸水速率與浸泡時間用三種函數(shù)擬合回歸方程中，發(fā)現(xiàn)枯落物吸水速率與浸泡時間（0.5 h＜t＜24 h）呈現(xiàn)極顯著地乘冪函數(shù)關(guān)系（p＜0.001），且相關(guān)系數(shù)R的平方均大于0.996，見表6。

表6 枯落物吸水速率與浸泡時間的回歸方程Table 6 Equations of litters water-absorption rate and soaking time

從圖3可以看出，各林型枯落物初期吸水速率高，0.5h后吸水速率明顯降低，此后隨著時間增加，吸水速率緩慢變小，10h后基本不再吸水，此時枯落物吸水基本趨于飽和。雖然不同林型的枯落物吸水速率過程線的整體變化趨勢基本一致，但各林型吸水速率大小不同：杉純＞杉毛＞杉馬＞杉火，與前人研究結(jié)果[25]一致。一般來說枯落物吸水速率越大，林內(nèi)降水涵蓄的速度就越快，從而可以更好地減少地表徑流[26]。

圖3 枯落物吸水速率與浸泡時間的乘冪關(guān)系Fig.3 Water-absorption rate of litters changed logarithmically with soaking time

4 結(jié)論與討論

(1) 四種林型枯落物儲量為杉純31.248 t/hm2＞杉毛15.151 t/hm2＞杉火10.058 t/hm2＞杉馬9.572 t/hm2；最大持水率為杉馬196.62%＞杉毛196.28%＞杉純163.62%＞杉火162.87%，最大持水量為杉純27.93 t/hm2＞杉毛21.60 t/hm2＞杉馬14.15 t/hm2＞杉火 11.68 t/hm2。

(2) 四種林型枯落物持水量和持水率均隨著浸泡時間增加以對數(shù)函數(shù)形式增加，最大持水率為杉馬＞杉毛＞杉純＞杉火；最大持水量大小依次為杉純＞杉毛＞杉馬＞杉火，總體來看，研究區(qū)內(nèi)的杉木純林和杉木毛竹混交林顯示出較好的持水能力。吸水速率隨著浸泡時間增加以冪函數(shù)形式減小，不同林分吸水速率為杉純＞杉毛＞杉馬＞杉火。

(3) 四種林型枯落物有效攔蓄量為杉毛19.491 t/hm2＞杉純16.846 t/hm2＞杉馬14.673 t/hm2＞杉火9.178 t/hm2。

對四種類型杉木人工林的研究表明：枯落物層持水性能因林分類型、枯落物構(gòu)成和現(xiàn)儲量不同而有差異，而林分類型、枯落物構(gòu)成和現(xiàn)儲量可以通過森林經(jīng)營手段進(jìn)行人為調(diào)控。杉木人工林是研究區(qū)主要林分類型，為研究區(qū)帶來巨大地經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，同時我們也不能忽視其可能帶來的生態(tài)效益。在營林過程中，我們可以通過調(diào)節(jié)林分密度、搞好樹種搭配和林分結(jié)構(gòu)配置等多種經(jīng)營管理措施使其既有利于枯落物的積累，又有利于其良好性能組分的形成，在不降低其經(jīng)濟(jì)效益的同時將其涵養(yǎng)水源功能最大化，這將是我們今后森林經(jīng)營及研究的重要方向。

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Study on water-holding properties of litter layer in four forest types of Cunninghamia lanceolata plantations

YANG Jun-ling, WANG Xin-jie
(College of Forestry of Key Laboratory for Silviculture and Conservation of Ministry of Education, Beijing Forestry University,Beijing 100083, China)

By using the methods of filed investigation and soaking extraction, the water-holding properties of litter layer of four plantation types (pure Cunninghamia lanceolata, mixed of C. lanceolata and Pinus massoniana, mixed of C. lanceolata and Phyllostachys edulis, mixed of C. lanceolata and Michelia macclurei) were investigated in Jiangle State-owned Forest Farm of Fujian province. The results show that (1) the litter storages of the four plantations ranked in magnitude order: pure C. lanceolata 31.248 t/hm2＞ the mixed of C. lanceolata and P. edulis 15.151 t/hm2＞ the mixed of C. lanceolata and M. macclurel 10.058 t/hm2＞ the mixed of C.lanceolata and P. massoniana 9.572 t/hm2; the maximum water retention rates the four plantations sequenced by magnitude: the mixed of C. lanceolata and P. massoniana 196.62% ＞ the mixed of C. lanceolata and P .edulis 196.28% ＞ pure C. lanceolata 163.62% ＞ the mixed of C. lanceolata and M. macclurel 162.87%; the total water-holding capacity of the four plantations ordered from big to small:pure C. lanceolata 27.93 t/hm2＞ the mixed of C. lanceolata and P. edulis 21.60 t/hm2＞ the mixed of C. lanceolata and P. massoniana 14.15 t/hm2＞ the mixed of C. lanceolata and M. macclurel 11.68 t/hm2. (2) the water-holding capacity and water-holding rate of the litters in four plantations increased in the form of logarithmic function with the increase of soaking time, the water-absorption rates of the litters decreased in the form of power function with the increase of soaking time. (3) the modified interception of the four plantations decreased ordered from high to low: the mixed of C. lanceolata and P. edulis 19.491 t/hm2＞ pure C. lanceolata 16.846 t/hm2＞ the mixed of C. lanceolata and P. massoniana 14.673 t/hm2＞ the mixed of C. lanceolata and M. macclurel 9.178 t/hm2.

Cunninghamia lanceolata plantation; mixed plantation; litters; water-holding capacity; water-holding rate; water-absorption rate; modified interception

S791.27

A

1673-923X(2013)06-0070-05

2012-12-04

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項（201004008）

楊俊玲(1986-)，女，新疆人，碩士研究生，主要研究方向：森林資源監(jiān)測與評價

王新杰(1970-)，男，河南人，副教授，主要研究方向：森林資源調(diào)查、監(jiān)測及林業(yè)3S綜合應(yīng)用；E-mail: xinjiew@ bjfu.edu.cn

[本文編校：吳 彬]