草海流域3種優(yōu)勢樹種凋落物葉分解歷程中的水文特征

張建利, 嚴令斌, 喻理飛, 吳 華,3, 蔡國俊

(1.貴州大學 林學院,貴陽 550025; 2.貴州科學院貴州山地資源研究所, 貴陽 550001; 3.開陽縣生態(tài)文明建設(shè)局, 貴陽 550300)

草海流域3種優(yōu)勢樹種凋落物葉分解歷程中的水文特征

張建利1,2, 嚴令斌1, 喻理飛1, 吳 華1,3, 蔡國俊1

(1.貴州大學 林學院,貴陽 550025; 2.貴州科學院貴州山地資源研究所, 貴陽 550001; 3.開陽縣生態(tài)文明建設(shè)局, 貴陽 550300)

采用凋落物分解網(wǎng)袋法對草海濕地流域森林優(yōu)勢植物青岡(Cyclobalanopsisglauca)、榿木(Alnuscremastogyne)和云南松(Pinusyunnanensis)凋落物葉分解特性展開研究，揭示凋落物葉分解過程中自然持水率、最大持水率、最大攔蓄率、有效攔蓄率及凋落物持水率規(guī)律等。結(jié)果表明：(1) 凋落物葉自然持水率隨分解時間的增加呈先增后降趨勢。凋落物葉自然持水率在分解歷程中存在極顯著性差異(青岡：F=213.79，P<0.01；榿木：F=77.53，P<0.01；云南松：F=179.12，P<0.01)。(2) 凋落物葉持水率(Rt)與浸水時間(t)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，回歸分析得到凋落物葉持水率(Rt)與浸水時間(t)符合對數(shù)函數(shù)方程Rt=a+blnt；凋落物葉持水速率(v)與浸水時間(t)呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，持水速率(v)與浸水時間(t)符合冪函數(shù)方程v=at-b。(3) 凋落物葉最大攔蓄率、有效攔蓄率隨分解時間的推移，呈逐漸增加趨勢。

優(yōu)勢樹種; 凋落物葉; 水文特征

凋落物作為森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分之一，其通過分解作用，將大量有機物質(zhì)及營養(yǎng)元素歸還到環(huán)境中，分解過程不但可以改善土壤理化性狀，而且還可以提升土壤肥力[1-2]。森林凋落物層結(jié)構(gòu)疏松，吸水能力和透水性強，一方面，減緩了降雨對地表的擊濺侵蝕，阻滯和分散降水，減少水土流失，另一方面，凋落物能夠延緩地表徑流，增加土壤水分下滲，對防止土壤侵蝕和涵養(yǎng)水源具有重要作用[3]。因此，凋落物作為評價森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)能量平衡和發(fā)揮水源涵養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，越來越受到林學、生態(tài)學、微生物學、土壤學等領(lǐng)域的學者專家所重視[4-8]。目前對于森林凋落物的研究多集中在東北和南方地區(qū)[9-12]，主要針對凋落物發(fā)揮水文服務功能、營養(yǎng)物質(zhì)釋放規(guī)律及凋落物分解率與環(huán)境之間的關(guān)系展開研究[13-15]，但對凋落物分解歷程中的水文特征研究鮮有報道。本研究選擇草海濕地流域3種優(yōu)勢樹種凋落物葉為研究對象，針對凋落物分解歷程中的自然持水率、最大持水率、最大攔蓄率、有效攔蓄率及凋落物持水率特征等問題展開研究，為草海流域森林植物群落水源涵養(yǎng)功能調(diào)控及恢復提供科學依據(jù)和理論支持。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于貴州省威寧縣香爐山鎮(zhèn)(26°50′17.1″—26°50′20.2″E，104°23′44.1″—104°23′44.5″N)。該區(qū)域?qū)儆跒趺缮矫}山叢中心，具有云貴高原腹地中少有的天然濕地生態(tài)系統(tǒng)特征[16]。局部地形由西、南、東三面高原緩丘合圍而成，北面逐漸降低為湖盆泄水方向。該區(qū)域?qū)儆跂|南季風與西南季風的過度帶，草海濕地屬長江水系，是金沙江支流橫江上洛澤河的上游湖泊，匯集著周圍的雨水及幾條發(fā)源于泉水的短河，具有冬干夏濕，冬暖夏涼的特點，降水集中夏、秋兩季，為濕地補給期，冬季相對干旱，湖水有近4個月的補給，小于蒸發(fā)和流失的凈失水期[17]。草海濕地年均溫10.5℃，年均降水量950.9 mm，無霜期208.6 d，濕地底部海拔2 170 m，1981年恢復水面面積19.8 km2，集水區(qū)域面積120 km2。年匯水量約800萬～900萬m3，目前，平均水深1.35 m，最深2.8 m，濕地特征明顯[18-19]。草海濕地流域森林植物主要以松科(Pinaceae)、殼斗科(Fagaceae)、杜鵑花科(Ericaceae)、薔薇科(Rosaceae)禾本科(Gramineae)、菊科(Asteraceae)為主[20]。

2 研究方法

2.1 植物凋落物收集

于2011年11—12月，分別在草海濕地流域范圍內(nèi)的10個典型森林植物群落樣地中(如表1所示)收集新近凋落但尚未分解的青岡(Cyclobalanopsisglauca)、榿木(Alnuscremastogyne)、云南松(Pinusyunnanensis)凋落物葉片作為研究對象。將各個收集點采集到的同物種植物凋落物混合均勻，置于65℃烘箱中烘至恒重。采用分析天平將凋落物分裝在20 cm×20 cm(孔徑1 mm×1 mm)分解網(wǎng)袋中，每袋分裝20 g，每種凋落物分裝80袋，共計240袋，小心收放(避免物理破碎)，用于凋落物分解觀測。

表1 凋落物采集樣點描述

注：坡向采用象限角表示；坡度采用坡腳表示。

2.2 投放與回收方法

2012年4月初，在9號凋落物采點(26°50′17.1″E，104°23′44.1″N)設(shè)置5個分解場(重復)，每個分解場中設(shè)置6個分解小區(qū)，在分解小區(qū)中分別投放每種凋落物16袋，并輕輕掩蓋以防止人為破壞[21]。

分別在凋落物投放后的30，60，90，…，360 d后，分別回收每種凋落物5袋，共計15袋，采用自封袋密封保存，帶回實驗室進行水文特征指標測定。

2.3 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2007軟件進行整理，采用SPSS 18.0軟件進行方差分析(One-Way ANOVA)，采用Sigma plot 12.0軟件進行繪圖。

2.3.1 凋落物自然持水率 將回收的凋落物網(wǎng)袋帶回實驗室后，去除泥土和植物根系后，采用分析天平稱取其重量，將其置于65℃烘箱內(nèi)，烘至恒重，稱其重量。

凋落物葉自然持水率(%)，計算公式為：

式中：Rn——凋落物葉自然持水率(%)；Mi0——第i次凋落物葉取樣鮮重(g)；Mi——第i次凋落物葉取樣干重(g)。

2.3.2 凋落物葉持水率、最大持水率、最大攔蓄率、有效攔蓄率 將回收的凋落物葉置于80℃烘箱，烘干至恒重后裝入分解網(wǎng)袋中(孔徑1mm×1mm)，扎好袋口稱重，然后將其分別浸入清水中1/12，1/4，1/2，1，2，4，8，12，24，48h后撈起，靜置待凋落物不再滴水及時稱重(濕重)。

凋落物葉水文特征計算公式[22-23]：

Rlmax=Rmax-Rn

Rsv=0.85Rmax-Rn

式中：Rt——浸水t時間段凋落物葉持水率(%)；Mtw——凋落物葉浸水t時間后濕重(g)；Md——凋落物葉干重(g)；v——凋落物葉持水速率(g/g·h)；t——凋落物浸水時間(h)；Rmax——凋落物最大持水率(%)；M48w——凋落物葉浸水48 h后濕重(g)；Rlmax——凋落物最大攔蓄率(%)；Rsv——凋落物有效攔蓄率(%)；0.85——有效攔蓄系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 凋落物葉自然持水率特征

對3種不同凋落物葉分解歷程中的自然持水率變化規(guī)律分析如圖1所示。凋落物葉自然持水率隨分解時間的增加呈先增加后降低的趨勢。

同種凋落物葉分解歷程中自然持水率變化如表2所示。青岡凋落物葉分解歷程中，不同分解時期的凋落物葉自然持水率間存在極顯著性差異(F=213.79；P<0.01)。分解180 d的凋落物葉自然持水率最高，為170.49%±5.23%，比分解90 d的凋落物葉自然持水率增加了53.73%，分解90 d的凋落物葉自然持水率為110.90%±4.94%。分解270 d和360 d的凋落物葉自然持水率分別為63.00%±4.62%，23.80%±1.34%，分別比分解180 d的凋落物葉自然持水率降低了63.04%和86.04%。分解360 d的凋落物葉自然持水率比分解270 d降低了62.22%。

榿木凋落物葉分解歷程中，不同分解時期的凋落物葉自然持水率間存在極顯著性差異(F=77.53；P<0.01)。分解180 d的凋落物葉自然持水率最高，為141.29%±4.47%，比分解90 d的凋落物葉自然持水率增加了18.58%，分解90 d的凋落物葉自然持水率為119.15%±4.43%。分解270 d和360 d的凋落物葉自然持水率分別為64.95%±8.77%，37.26%±1.40%，分別比分解180 d的凋落物葉自然持水率降低了54.03%和73.63%。分解360 d的凋落物葉自然持水率比分解270 d降低了42.63%。

圖1 凋落物自然持水率特征

云南松凋落物葉分解歷程中，不同分解時期的凋落物葉自然持水率間存在極顯著性差異(F=179.12；P<0.01)。分解180 d的凋落物葉自然持水率最高，為151.81%±5.46%，比分解90 d的凋落物葉自然持水率增加了15.14%，分解90 d的凋落物葉自然持水率為131.85%±5.51%。分解270 d和360 d的凋落物葉自然持水率分別為54.96%±2.48%，36.92%±2.21%，分別比分解180 d的凋落物葉自然持水率降低了63.80%和75.68%。分解360 d的凋落物葉自然持水率比分解270 d降低了32.82%。

這一結(jié)果表明，不同凋落物葉在分解過程中，其自然持水率變化規(guī)律一致，自然持水率表現(xiàn)出趨同現(xiàn)象。

相同分解時期的不同凋落物葉自然持水率分析如表2所示。分解90 d的凋落物葉自然持水率大小關(guān)系為云南松>榿木>青岡，不同凋落物葉自然持水率間差異不顯著(F=4.49；P=0.06)；分解180 d的凋落物葉自然持水率大小關(guān)系為青岡>云南松>榿木，不同凋落物葉自然持水率間差異顯著(F=8.51；P<0.05)；分解270 d的凋落物葉自然持水率大小關(guān)系為榿木>青岡>云南松，不同凋落物葉自然持水率間差異不顯著(F=0.81；P=0.49)；分解360 d的凋落物葉自然持水率大小關(guān)系云南松>榿木>青岡，不同凋落物葉自然持水率間差異極顯著(F=20.18；P<0.01)。

3.2 凋落物葉持水特征與最大持水率

隨著凋落物的分解，凋落物性狀發(fā)生改變，其水文特征表現(xiàn)各異，凋落物持水率是評價凋落物水文特征的重要指標之一。對3種植物凋落物葉分解歷程中的持水率(Rt)與浸水時間(t)進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，凋落物葉持水率(Rt)與浸水時間(t)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，通過回歸分析得到凋落物葉持水率(Rt)與浸水時間(t)符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合方程為Rt=a+blnt，不同凋落物葉分解歷程中的擬合方程如表3所示。對3種不同植物凋落物葉分解歷程中的持水速率(v)與浸水時間(t)進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，凋落物葉持水速率(v)與浸水時間(t)呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，通過回歸分析得到凋落物葉持水速率(v)與浸水時間(t)符合冪函數(shù)關(guān)系，擬合方程為v=at-b，不同植物凋落物葉分解歷程中的擬合方程如表4所示。

表2 凋落物葉自然持水率和最大持水率特征

表3 凋落物持水率與浸水時間擬合方程

對3種植物凋落物葉最大持水率分析如表2所示。凋落物葉最大持水率變化規(guī)律不明顯。對相同植物凋落物葉不同分解歷程中的最大持水率分析發(fā)現(xiàn)。青岡凋落物葉分解歷程中最大持水率呈先增加后降低的趨勢，不同分解時期的凋落物葉最大持水率間存在極顯著性差異(F=10.15；P<0.01)。分解180 d的凋落物葉最大持水率最高，為322.30%±13.61%，比分解90 d的凋落物葉最大持水率增加了36.12%，分解90 d的凋落物葉最大持水率為236.77%±11.48%。分解270 d和360 d的凋落物葉最大持水率分別為253.90%±7.84%，246.33%±15.10%，分別比分解180 d的凋落物葉最大持水率降低了21.22%和23.57%。分解360 d的凋落物葉最大持水率比分解270 d的凋落物葉最大持水率降低了2.98%。榿木凋落物葉分解歷程中，最大持水率呈增加趨勢，不同分解時期的最大持水率間存在極顯著性差異(F=18.98；P<0.01)。凋落物葉分解360 d的最大持水率最高，為216.73%±13.61%，比分解90 d，180 d，270 d的凋落物葉最大持水率分別增加了57.43%，11.52%，1.24%，分解90 d，180 d，270 d的凋落物葉最大持水率分別為137.67%±6.73%，193.70%±6.30%，214.07%±12.34%。云南松凋落物葉分解歷程中，凋落物葉最大持水率變化趨勢不明顯，不同時期的凋落物葉最大持水率間存在極顯著性差異(F=18.98；P<0.01)。凋落物葉分解90 d，180 d，270 d和360 d的最大持水率分別為199.97%±4.34%，248.17%±9.63%，195.73%±4.41%和236.47%±2.60%。

表4 凋落物持水速率與浸水時間擬合方程

相同分解時期的不同植物凋落物葉最大持水率分析如表2所示。分解90 d的凋落物葉最大持水率大小關(guān)系為青岡>云南松>榿木，不同植物凋落物葉最大持水率間差異極顯著(F=38.32；P<0.01)；分解180 d的凋落物葉最大持水率大小關(guān)系為青岡>云南松>榿木，不同植物凋落物葉最大持水率間差異極顯著(F=39.30；P<0.01)；分解270 d的凋落物葉最大持水率大小關(guān)系為青岡>榿木>云南松，不同植物凋落物葉最大持水率間差異極顯著(F=11.37；P<0.01)；分解360 d的凋落物葉最大持水率大小關(guān)系為青岡>云南松>榿木，不同植物凋落物葉最大持水率間差異不顯著(F=2.42；P=0.17)。

3.3 凋落物葉最大攔蓄率

對3種凋落物葉不同分解歷程中的最大攔蓄率分析如表5所示。凋落物葉在分解歷程中的最大攔蓄率均呈現(xiàn)增加趨勢。

對同種凋落物葉在不同分解期內(nèi)的最大攔蓄率分析發(fā)現(xiàn)(表5)。青岡凋落物葉的最大攔蓄率差異極顯著(F=17.66，P<0.01)。分解360 d的凋落物葉最大攔蓄率最高，為222.53%±15.78%，分別比分解90 d，180 d，270 d的凋落物葉最大攔蓄率增加了76.79%，46.59%，16.59%。分解90 d，180 d，270 d的凋落物葉最大攔蓄率分別為125.87%±6.66%，151.80%±14.71%，190.87±8.01%。榿木凋落物葉的最大攔蓄率差異極顯著(F=40.40，P<0.01)。分解360 d的凋落物葉最大攔蓄率最高，為179.47%±6.72%，分別比分解90 d，180 d，270 d的最大攔蓄率增加了868.49%，242.50%，20.37%。分解90 d，180 d，270 d的凋落物葉最大攔蓄率分別為18.50%±9.45%，52.40%±9.54%，149.10%±21.10%；云南松凋落物葉的最大攔蓄率差異極顯著(F=62.88，P<0.01)。分解360 d的凋落物葉最大攔蓄率最高，為199.60±3.90%，分別比分解90 d，180 d，270 d的凋落物葉最大攔蓄率增加了193.10%，107.12%，41.79%。分解90 d，180 d，270 d凋落物葉最大攔蓄率分別為68.10%±3.35%，96.37%±15.03%，179.47%±6.72%。

表5 3種凋落物葉最大攔蓄率與有效攔蓄率特征

相同分解時期的不同植物凋落物葉最大攔蓄率分析如表5所示。分解90 d的凋落物葉最大攔蓄率大小關(guān)系為青岡>云南>松榿，不同植物凋落物葉最大攔蓄率間差異極顯著(F=59.92，P<0.01)。分解180 d的凋落物葉最大攔蓄率大小關(guān)系為青岡>云南松>榿木，不同植物凋落物葉最大攔蓄率間差異極顯著(F=13.95；P<0.01)；分解270 d的凋落物葉最大攔蓄率大小關(guān)系為青岡>榿木>云南松，不同植物凋落物葉最大攔蓄率差異不顯著(F=4.06；P=0.08)；分解360 d的凋落物葉最大攔蓄率大小關(guān)系為青岡>云南松>榿木，不同植物凋落物葉最大攔蓄率差異不顯著(F=4.50；P=0.06)。

3.4 凋落物葉有效攔蓄率

對3種凋落物葉不同分解歷程中的有效攔蓄率分析如表5所示。凋落物葉在分解歷程中的有效攔蓄率變化趨勢與最大攔蓄率一致，均呈現(xiàn)增加趨勢。青岡凋落物葉在不同分解期的有效攔蓄率差異極顯著(F=26.52，P<0.01)，分解360 d的凋落物葉有效攔蓄率最高，為185.57%±13.49%。榿木凋落物葉在不同分解期的有效攔蓄率差異極顯著(F=37.20，P<0.01)，分解360 d的凋落物葉有效攔蓄率最高，為146.97%±5.74%。云南松凋落物葉在不同分解期的有效攔蓄率差異極顯著(F=76.82，P<0.01)，分解360 d的凋落物葉有效攔蓄率最高，為164.07%±3.58%。

凋落物葉解90 d的有效攔蓄率大小關(guān)系為青岡>云南松>榿木，有效攔蓄率間差異極顯著(F=59.21，P<0.01)；分解180 d的凋落物葉有效攔蓄率大小關(guān)系為青岡>云南松>榿木，有效攔蓄率間差異極顯著(F=11.38，P<0.01)；分解270 d的凋落物葉有效攔蓄率大小關(guān)系為青岡>榿木>云南松，有效攔蓄率間差異不顯著(F=3.45，P=0.10)；分解360 d的凋落物葉有效攔蓄率大小關(guān)系為青岡>云南松>榿木，有效攔蓄率差間異不顯著(F=4.90，P=0.05)。

4 結(jié) 論

通過對草海流域3種優(yōu)勢凋落物葉分解歷程中的自然持水率、最大持水率、最大攔蓄率、有效攔蓄率以及凋落物持水規(guī)律等分析得出：

(1) 凋落物葉自然持水率隨分解時間的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。凋落物葉自然持水率在分解歷程中存在極顯著性差異(青岡：F=213.79，P<0.01；榿木：F=77.53，P<0.01；云南松：F=179.12；P<0.01)。不同凋落物葉在分解過程中，自然持水率變化規(guī)律一致。

(2) 凋落物葉持水率(Rt)與浸水時間(t)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，持水率(Rt)與浸水時間(t)符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系Rt=a+blnt；凋落物葉持水速率(v)與浸水時間(t)呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，持水速率(v)與浸水時間(t)符合冪函數(shù)關(guān)系v=at-b；凋落物葉最大持水率變化規(guī)律不明顯。青岡凋落物葉分解歷程中最大持水率呈先增加后降低的趨勢，分解180 d最大持水率達到峰值(322.30%±13.61%)，之后緩慢降低，不同分解時期的凋落物葉最大持水率存在極顯著性差異(F=10.15；P<0.01)。榿木凋落物葉分解歷程中，最大持水率呈增加趨勢，分解360 d后的最大持水率為216.73%±6.85%，不同分解時期的最大持水率存在極顯著性差異(F=18.98；P<0.01)。云南松凋落物葉分解歷程中，凋落物最大持水率變化趨勢不明顯，不同時期的凋落物葉最大持水率間存在極顯著性差異(F=18.98；P<0.01)。

(2) 凋落物葉在分解歷程中的最大攔蓄率、有效攔蓄率均呈現(xiàn)增加趨勢。3種凋落物葉分解歷程中最大攔蓄率、有效攔蓄率差異均達到極顯著水平(P<0.01)；分解90 d，180 d的凋落物葉最大攔蓄率、有效攔蓄率差異均達到極顯著水平(P<0.01)，而分解270 d，360 d的凋落物葉最大攔蓄率、有效攔蓄率差異不著(P≥0.05)；分解90 d，180 d，360 d的凋落物最大攔蓄率、有效攔蓄率均呈青岡>云南松>榿木的趨勢，而分解270 d的凋落物最大攔蓄率、有效攔蓄率均呈青岡>榿木>云南松的趨勢。

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ResearchforLeaf-LitterHydrographicEffectintheDecompositionProcessofThreeDominantTreeSpeciesintheCaohaiWetlandWatershed

ZHANG Jian-li1,2, YAN Ling-bin1, YU Li-fei1, WU Hua1,3, CAI Guo-jun1

(1.CollegeofForestry,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China; 2.InstituteofMountainResourcesofGuizhouProvince,Guiyang550001,China; 3.ConstructionofEcologicalCivilizationBureauofKaiyang,Guiyang550300,China)

The method of leaf litter decomposition bag was used to study natural water-holding rate, maximum water holding rate, maximum interception rate，modified interception rate & holding water trait etc of leaf litter in decomposition process, dominant plant speciesCyclobalanopsisglauca,Alnuscremastogyne&Pinusyunnanensiin Caohai wetland watershed forest were selected as the research examples. The result showed that: (1) the leaf litter natural water-holding rate first increased and then decreased with the decomposition time extension. The leaf litter lnatural water-holding rate was highly significantly different in the decomposition process; (2) the leaf litter water-holding rate (Rt) & immersion time (t) showed a significant positive correlation, the regression analysis for leaf litter water-holding rate (Rt) & immersion time (t) followed the function equationRt=a+blnt. The leaf litter water absorption rate (v) & immersion time (t) showed a significantly negative correlation, the regression analysis for the leaf litter's water absorption rate (v) vs immersion time (t) can be described by the equation,v=at-b; (3) the leaf litter maximum interception rate，modified interception rate gradually increased with the decomposition time duration.

dominant tree species; leaf litter decomposition; hydrographic trait

2014-03-01

：2014-04-25

國家科技支撐計劃項目(2011BAC02B02);貴州省科學技術(shù)資助項目(黔科合J字[2012]2213號);貴州科學院青年基金重點項目(黔科院J合字[2013]03號);貴州省國際科技合作計劃項目(黔科合外G字[2012]7032)。

張建利(1981—),男,甘肅省慶陽市人,博士,助理研究員,主要從事植物生態(tài)和喀斯特退化森林生態(tài)系統(tǒng)恢復方向研究。E-mail:zhangjl-z@163.com

喻理飛(1963—),男,貴州省貴陽市人,博士,教授，博士生導師,主要從事喀斯特退化森林生態(tài)系統(tǒng)恢復方向研究。E-mail:lfyu@gzu.edu.cn

S718.5；Q948

：A

：1005-3409(2014)06-0061-06