四川盆周西緣山地典型人工林下苔蘚和凋落物的持水特性1)

肖玖金 馬海燕 張曉慶

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)都江堰校區(qū)，都江堰，611830)

張 健

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)林業(yè)研究所)

朱必清

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)都江堰校區(qū))

我國是世界上人工林面積最大和增長速度最快的國家[1]。人工林在滿足人類用材需求、減少對天然林依賴的同時，也積極發(fā)揮著各種生態(tài)效益，如固定大氣中CO2減緩溫室效應(yīng)、增加陸地森林覆蓋率及涵養(yǎng)水源和保持水土等。凋落物和苔蘚作為人工林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在提高森林生產(chǎn)力、能量轉(zhuǎn)化、物質(zhì)循環(huán)和水量平衡等方面具有重要的意義[2－4]，同時，人工林苔蘚和凋落物的持水性能也是人工林生態(tài)系統(tǒng)水文研究的重要部分。四川是長江上游最大的水源涵養(yǎng)區(qū)，也是主要的生態(tài)脆弱區(qū)之一，人工林作為該區(qū)域森林資源的重要組成部分，在林業(yè)可持續(xù)發(fā)展中、生態(tài)環(huán)境建設(shè)領(lǐng)域中具有重要的地位，發(fā)揮著重要的作用[5]。本研究以川西地區(qū)大面積發(fā)展的楠木、柳杉和水杉等幾種重要的人工林為研究對象，以混交次生林為對照，采用野外實地觀測和室內(nèi)浸水法對其進行凋落物和苔蘚持水性研究，旨在為人工林的可持續(xù)健康發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗地位于成都平原與四川盆周西緣山地接合部的都江堰靈巖山(103°25'42″～103°47'E，30°44'54″～31°22'9″N)，屬中亞熱帶溫濕型氣候，為淺切割低山地貌類型。年平均氣溫15.2℃，極端最高、最低溫度分別為38、－10℃，年平均相對濕度81%，年平均降水量1243 mm，年平均日照時數(shù)1024.2 h，無霜期269 d。樣地土壤為沙巖上發(fā)育的黃壤，質(zhì)地為重壤質(zhì)，pH 值 6.5～6.8。楠木林(Phoebe zhennan)種植于20世紀(jì)50年代，是在洋槐(Robinia pseudoacacia)林采伐跡地上人工更新形成的，初植密度3333株·hm－2，自然稀疏后，曾進行過不定期的輕度擇伐，目前活立木保留833株·hm－2。柳杉林(Cryptomeria fortune)和水杉林(Metasequoia glyptostroboides)分別種植于20世紀(jì)70年代和80年代，是在灌叢地上進行更新形成的。各樣地基本概況見表1。

表1 四川盆周西緣山地人工林樣地基本概況

2 研究方法

在不同林地內(nèi)分別設(shè)置3個20 m×30 m的樣方，在每個樣方內(nèi)隨機設(shè)置3個1 m×1 m的樣方，并測量凋落物的厚度及苔蘚的分布，把收集的凋落物和苔蘚分別裝入袋子帶回實驗室備用[6]。將其一并完全浸泡到清水中，每隔 0.5、1、2、4、8、10、12、24 h分別取出直至枯落物與苔蘚不滴水為止(約5 min)迅速稱枯落物濕質(zhì)量，重復(fù)3次。每個時間段稱得的枯落物與苔蘚濕質(zhì)量與烘干質(zhì)量差值為枯落物與苔蘚不同浸泡時間的持水量，該差值與浸泡時間的比值即為枯落物與苔蘚的吸水速度[7]。凋落物持水率、凋落物持水量和凋落物吸水速率分別按下式計算[8－9]。

苔蘚或凋落物持水量=(苔蘚或凋落物濕質(zhì)量－苔蘚或凋落物干質(zhì)量)。

苔蘚或凋落物持水率=(苔蘚或凋落物持水量/苔蘚/凋落物干質(zhì)量)×100%。

苔蘚或凋落物吸水速率=苔蘚或凋落物持水量/吸水時間。

3 結(jié)果與分析

3.1 蓄積量與自然含水量

各林分苔蘚與凋落物的蓄積量和自然含水率見表2。苔蘚層蓄積量以混交林最高(0.52 t·hm－2)、楠木林次之(0.37 t·hm－2)、水杉林第三(0.17 t·hm－2)、柳杉林最低(0.10 t·hm－2);自然含水率由高到低依次為柳杉林、楠木林、水杉林、混交林;苔蘚層自然含水量由大到小依次為混交林、楠木林、柳杉林、水杉林。凋落物半分解層和已分解層蓄積量由大到小依次為楠木林、混交林、水杉林、柳杉林，自然含水率為楠木林、水杉林、柳杉林、混交林，自然含水量為楠木林、混交林、水杉林、柳杉林;凋落物未分解層蓄積量由大到小依次為楠木林、混交林、水杉林、柳杉林，自然含水率為混交林、水杉林、楠木林、柳杉林，自然含水量為楠木林、水杉林、混交林、柳杉林。其中，4種林分苔蘚蓄積量占總蓄積量的比例為7.62%～14.90%，凋落物半分解層和已分解層蓄積量占總蓄積量的比例為25.35%～57.49%，凋落物未分解層蓄積量占總蓄積量的31.81%～60.56%。將苔蘚層和凋落物層自然含水量相加進行比較，自然含水量以楠木林最高，達(dá) 4.32 t·hm－2，混交林次之，柳杉林最低，為 0.64 t·hm－2。

表2 四川盆周西緣山地人工林苔蘚與凋落物的蓄積量和自然含水率

3.2 苔蘚與凋落物的持水量和持水速率

采用室內(nèi)浸泡法研究苔蘚層的最大持水量和最大持水率，以浸泡24 h后的持水量為最大持水量[10]。苔蘚與凋落物層的最大持水量和最大持水速率見表3。4種林分中:苔蘚層持水量以水杉林最大，為 3379.71 g·kg－1，是其烘干質(zhì)量的 337.9%，柳杉林次之，為 3203.32 g·kg－1，是其烘干質(zhì)量的320.3%，楠木林第三，其持水量為 2137.55 g·kg－1，是其烘干質(zhì)量的 213.8%，混交林最低，其持水量為 1722.72 g·kg－1，是其烘干質(zhì)量的 172.3%。其中，柳杉林最大持水率最高，為533.75%，水杉林次之，為 453.99%，混交林最低，為 251.81%。凋落物半分解層和已分解層持水量以水杉林最高，為2054.88 g·kg－1，是其烘干質(zhì)量的 205.5%，柳杉林次之，為 1950.29 g·kg－1，是其烘干質(zhì)量的 195.0%，楠木林第三，為 1766.17 g·kg－1，是其烘干質(zhì)量的176.6%，混交林最低，為 632.88 g·kg－1，是其烘干質(zhì)量的63.3%。其中，水杉林最大持水率最高，為 341.21%，柳杉林次之，為 316.48%，混交林最低，為172.39%。凋落物未分解層持水量以楠木林最高，為 2875.48 g·kg－1，是其烘干質(zhì)量的 287.5%，柳杉林次之，為 2606.21 g·kg－1，是其烘干質(zhì)量的260.6%，混交林第三，為 2075.03 g·kg－1，是其烘干質(zhì)量的 207.5%，水杉林最低，為 1708.75 g/kg，是其烘干質(zhì)量的170.9%。其中，楠木林最大持水率最高，為 395.55%，柳杉林次之，為 308.38%，水杉林最低，為 255.62%。

表3 四川盆周西緣山地人工林苔蘚和枯落物層最大持水量和最大持水率

3.3 不同林分下苔蘚與凋落物的吸水速率

3.3.1 苔蘚的吸水速率

4種林分苔蘚層吸水速率從0.5 h到2 h吸水速率下降最快，之后吸水速率顯著下降并趨于平穩(wěn)。柳杉林苔蘚層吸水速率最高，混交林最低。苔蘚的吸水速率從浸泡0.5 h后到24 h后，柳杉林從6465.34 g·(kg·h)－1下降為 133.47 g·(kg·h)－1，楠木林從 4859.29 g·(kg·h)－1下降為 89.06 g·(kg·h)－1，水杉林從 4064.00 g·(kg·h)－1下降為 140.82 g·(kg·h)－1，混交林從 3337.33 g·(kg·h)－1下降為 71.78 g·(kg·h)－1。

3.3.2 人工林下凋落物的吸水速率

凋落物未分解層的吸水速率以楠木林最高，混交林最低。凋落物未分解層的吸水速率從浸泡0.5 h 后到 24 h 后，楠木林從 4278.78 g·(kg·h)－1下降為 119.83 g·(kg·h)－1，柳杉林從 3856.52 g·(kg·h)－1下降為 108.59 g/(kg·h)，水杉林從3024.49 g·(kg·h)－1下降為 71.20 g·(kg·h)－1，混交林從 2258.32 g·(kg·h)－1下降為 86.46 g·(kg·h)－1。可見，水杉和楠木林凋落物未分解層的吸水速率在0.5 h到1 h區(qū)間急劇下降，柳杉在0.5 h到4 h區(qū)間吸水速率下降最快，混交林則在0.5 h到6 h區(qū)間吸水速率下降最快，6 h后趨于平穩(wěn)。

凋落物半分解層和已分解層吸水速率以水杉林最高，混交林最低。凋落物半分解層和已分解層的吸水速率從浸泡0.5h后到24h后，水杉林從3070.38 g·(kg·h)－1下降為 85.62 g·(kg·h)－1，楠木林從2643.97 g·(kg·h)－1下降為 73.59 g·(kg·h)－1，柳杉林從 2219.71 g·(kg·h)－1下降為 81.26 g·(kg·h)－1，混交林從 1827.96 g·(kg·h)－1下降為26.37 g·(kg·h)－1。可見，各類林分吸水速率在0.5 h到2 h區(qū)間急劇下降后，吸水速率逐漸變緩，到6 h后吸水速率基本趨于平穩(wěn)。

對所研究的4種林分下苔蘚、凋落物層吸水速率與浸泡時間進行擬合分析表明，苔蘚和凋落物層吸水速率與浸泡時間呈V=ktb關(guān)系。式中:V為苔蘚層吸水速率;t為浸泡時間;k為方程系數(shù);b為指數(shù)。由表4可見，各林分苔蘚層、凋落物半分解層和已分解層、凋落物未分解層吸水速率與時間曲線擬合較好，除柳杉林凋落物未分解層擬合系數(shù)R2小于0.9 外，其余均在 0.94 以上。

表4 四川盆周西緣山地人工林苔蘚和凋落物吸水速率(V)與時間(t)的關(guān)系

3.4 苔蘚與凋落物層的有效攔蓄量

由表5可見，各林分苔蘚與凋落物層的有效攔蓄量差異較大，其中，4種林分苔蘚層有效攔蓄量變幅為 24.03～69.94 t·hm－2，凋落物半分解層和已分解層有效攔蓄量變幅為 25.56～263.22 t·hm－2，凋落物未分解層有效攔蓄量變幅為 82.41～271.64 t·hm－2。將4種林分苔蘚層和凋落物層(包括半分解層、已分解層和未分解層)有效攔蓄量求和統(tǒng)計，結(jié)果顯示，楠木林有效攔蓄量最高(587.55 t·hm－2)，水杉林次之(325.20 t·hm－2)，混交林第三(239.88 t·hm－2)，柳杉林最低(142.76 t·hm－2)。

各林分有效攔蓄量中，柳杉林苔蘚有效攔蓄量占總攔蓄量的16.83%，凋落物半分解層和已分解層占18.60%，凋落物未分解層占64.60%;水杉林苔蘚有效攔蓄量占總攔蓄量的15.54%，凋落物半分解層和已分解層占59.10%，凋落物未分解層占25.30%;楠木林苔蘚有效攔蓄量占總攔蓄量的8.97%，凋落物半分解層和已分解層占 44.80%，凋落物未分解層占46.20%;混交林苔蘚有效攔蓄量占總攔蓄量的29.14%，凋落物半分解層和已分解層占29.00%，凋落物未分解層占 41.80%。

表5 四川盆周西緣山地人工林苔蘚與凋落物層的有效攔蓄量 t·hm－2

4 結(jié)論與討論

林地苔蘚和枯落物貯量是反映林地持水能力的重要指標(biāo)，其貯量越大的林分持水能力越強[11]。本研究表明，混交林苔蘚層蓄積量高于其他3類人工純林，表明混交林比單一樹種林型更利于蘚類植物生長和積累，相關(guān)研究也由類似的結(jié)論[8，10]，這主要是由于混交次生林下郁閉度高、林下土壤含水量大、空氣濕度高、土壤動物、土壤微生物等較針葉純林豐富，凋落物分解快，歸還到土壤中的養(yǎng)分含量高，利于林下苔蘚的生長有關(guān)[8]。同時，凋落物半分解層和已分解層、未分解層蓄積量均以楠木林最高，柳杉林最低，這與楠木林齡較大且為落葉樹種有關(guān)，因此，經(jīng)過長期積累，其林下枯落物積累較多，而柳杉為常綠針葉樹種，其林下枯落物積累很少。

苔蘚和凋落物層的最大持水率可以反映苔蘚和凋落物層本身持水能力的大小[10]。4種林分中，苔蘚層最大持水率存在一定差異，其中柳杉和水杉林間、楠木和混交林間差異均不明顯，但前兩種林分苔蘚持水性較后兩種林分強，表明苔鮮最大持水率不僅與林分、林下環(huán)境密切相關(guān)，同時與其組成成分和生長狀況亦有直接聯(lián)系[12]。柳杉和水杉林凋落物半分解層和已分解層最大持水率大于未分解層，而楠木和混交林則是未分解層大于半分解層和已分解層，其中，半分解層和已分解層最大持水性以水杉林最高，未分解層以楠木林最高，這表明凋落物最大持水性與凋落類型和分解程度有密切關(guān)系。

苔蘚和凋落物層的吸水速率越大，轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵聫搅鞯乃俣染驮娇?，從而可以更好地減少地表徑流的發(fā)生[13－14]。本研究中，4種林分苔蘚層吸水速率到2 h后均趨于平緩，凋落物半分解層和已分解層與未分解層均在6 h后趨于平緩，這是因為苔蘚層的毛細(xì)吸管作用強[11]，因此其吸水速率較凋落物層快。同時，對4種林分下苔蘚、凋落物層吸水速率與浸泡時間的擬合結(jié)果表明，苔蘚和凋落物層吸水速率與浸泡時間存在V=ktb的關(guān)系，經(jīng)檢驗達(dá)顯著水平，因此，可以用來模擬林分苔蘚層持水量和吸水速率的實際變化情況[10]。

苔蘚和凋落物作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在保持水土、調(diào)節(jié)徑流、改良土壤等方面具有重要的意義[15]。本研究中，4種林分的總有效攔蓄量以楠木林最高，水杉林次之，混交林第三，柳杉林最低。通過對人工林苔蘚和凋落物的持水性研究表明，人工林經(jīng)過長時間的演替后，其林下苔蘚和凋落物層涵養(yǎng)水源的作用逐漸增強，部分人工林甚至較此生境下混交林具有更好的持水能力。

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