杉木不同生長階段凋落物持水性與養(yǎng)分儲量1)

張鵬 王新杰 衣曉丹 楊俊玲 高志雄 盧妮妮 張艷

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

責(zé)任編輯:潘 華。

森林中地上植被枯死后脫落覆蓋在林地土壤表層，形成森林凋落物層。作為一個既有輸出又有輸入、連接森林地上植被層和地下土壤層的獨特結(jié)構(gòu)層次，凋落物不僅在元素循環(huán)、調(diào)節(jié)土壤營養(yǎng)元素方面扮演重要角色，在維持森林水量平衡方面也起著重大作用。一方面由于森林凋落物結(jié)構(gòu)疏松，能夠削弱雨滴對林地的濺蝕［1］，阻滯并吸收一部分通過林冠層降落在地表的水分;另一方面森林凋落物覆蓋在地表，增大了地表的粗糙度［2-4］，大大減弱了地表徑流［5-7］。劉廣全等［8］研究秦嶺主要林分調(diào)落物的水文生態(tài)功能，結(jié)果表明:銳齒林、油松林和華山松林凋落物層降水截留量分別為38、47 和49 mm，分別占大氣降水總量的3.8%、4.6%和5.0%。由此可見，森林凋落物層對于保持森林土壤、涵養(yǎng)水源具有重要作用［9］。

凋落物分解是林地土壤肥力的主要來源［10］，大部分生態(tài)系統(tǒng)中植物所吸收的養(yǎng)分90%以上的氮和磷和60%以上的礦質(zhì)元素都來自植物凋落殘體儲存給土壤的養(yǎng)分在循環(huán)［11-12］。全氮磷鉀幾乎都是來源于凋落物的分解。吳蔚東等的研究結(jié)果表明，杉木人工林凋落物層中所含的全氮、磷、鉀養(yǎng)分的質(zhì)量隨著杉木樹齡的增加而增加［13］。鑒于杉木凋落物對地表徑流和養(yǎng)分歸還的重要作用，本研究針對杉木不同生長階段的凋落物持水性和養(yǎng)分歸還量進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)概況

研究地點位于福建省將樂國有林場，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，為閩西北低丘陵地帶，海拔高度在400～800 m。年平均氣溫18.7 ℃，年平均降水量1 669 mm，年平均蒸發(fā)量1 204 mm，無霜日287 d，氣候溫和，土層深厚，土壤肥沃，以紅壤為主，并分布有黃紅壤，適宜培育以杉木、馬尾松為主的用材林和鄉(xiāng)土珍貴樹種。

2 材料與方法

本研究在將樂國有林場，選擇海拔、坡向基本一致的杉木人工純林，按照幼齡林(＜10 a)、中齡林(11～20 a)、近熟林(21～25 a)、成熟林(26～35 a)、過熟林(＞35 a)5 個生長階段，分別設(shè)置樣地3 塊，樣地面積為0.06 hm2，樣地信息見表1。在每塊標(biāo)準(zhǔn)地四角及中心位置，機械布設(shè)1 m×1 m 的小樣方5 個，測定凋落物厚度。然后分別未分解層、半分解層、完全分解層收集小樣方內(nèi)的全部凋落物，調(diào)查凋落物鮮質(zhì)量，取部分帶回實驗室烘干(85 ℃)至恒質(zhì)量，稱其干質(zhì)量計算凋落物自然含水率。將其中部分烘干凋落物用粉碎機進(jìn)行粉碎，稱取0.8 g 用濃硫酸—高氯酸消煮，把消煮液用水全部洗入50 mL的容量瓶，定容到標(biāo)度，供氮、磷、鉀元素的測定。

表1 杉木樣地基本概況

凋落物儲量:將每塊標(biāo)準(zhǔn)地中設(shè)置5 個小樣方，測定凋落物厚度。然后分別未分解層、半分解層、完全分解層收集小樣方內(nèi)的全部凋落物，并且稱取凋落物鮮質(zhì)量，取部分帶回實驗室烘干(85 ℃)至恒質(zhì)量，稱其干質(zhì)量計算凋落物現(xiàn)存量。

凋落物持水性:將烘干至恒質(zhì)量的樣本分別取部分稱其質(zhì)量，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 至不滴水時稱其質(zhì)量，重復(fù)3 次取平均值，用下列公式計算凋落物持水量、凋落物持水率［14］。

凋落物持水量=凋落物濕質(zhì)量-凋落物干質(zhì)量;

凋落物持水率= (凋落物持水量/凋落物干質(zhì)量)×100%;

凋落物有效攔蓄量=(0.85 ×最大持水率-自然含水率)×凋落物儲量。

一般情況下，凋落物浸水24 h 后的持水量可視為該凋落物的最大持水量，此時的持水率稱為最大持水率［15］。

營養(yǎng)元素分析方法:將帶回實驗室的部分烘干凋落物用粉碎機進(jìn)行粉碎，稱取0.8 g 用濃硫酸—高氯酸消煮，把消煮液用水全部洗入50 mL 的容量瓶，定容到標(biāo)度，分別采用凱式法測定全氮，鉬銻抗比色法測全磷，火焰光度計法測全鉀［16］。

3 結(jié)果與分析

3.1 杉木不同生長階段凋落物儲量

凋落物儲量因林分的生長階段和生長狀態(tài)的不同而不同，本研究分析杉木人工林在不同生長階段凋落物的儲存量，從表2可以看出，幼齡林儲量最少，僅為4.38 t/hm2，成熟林儲量最多，達(dá)到了31.73 t/hm2，凋落物總量在林木過熟之前表現(xiàn)為隨著林齡的增加而增加，到了過熟林，儲存量有了明顯的減少，僅為18.91 t/hm2。通過方差分析，幼齡林階段凋落物儲量顯著低于其他各階段，主要原因是該幼齡林林分在調(diào)查前期，進(jìn)行過整地松土等撫育措施，且該林分郁閉度大，光照條件差，林下幾乎沒有植被，故凋落物明顯小于其他各階段。

不同生長階段的杉木人工林凋落物不同分解層次所占比例也不同，從表2可以看出，幼齡林的未分解層所占比例最大，占到了73.5%，完全分解層只占4.4%，其主要原因是該幼齡林林下植被較少，凋落物主要是杉木落枝和落葉，杉木枝葉分解速度慢，因此，凋落物中未分解層所占比例大;中齡林，近熟林以及成熟林中，林分密度適宜，林下植被增加，特別是蕨類以及禾本科等葉多、易分解的草本植物的增加，以及光照條件的改善，大大的增加了凋落物中半分解層和全分解層的比例。

表2 不同生長階段凋落物各層儲量

3.2 杉木不同生長階段凋落物持水性

杉木不同生長階段凋落物持水量:根據(jù)前人研究，凋落物持水量與浸泡時間呈現(xiàn)較強的相關(guān)性，本研究運用對數(shù)函數(shù)(式1)對不同生長階段凋落物持水量與浸泡時間建立回歸方程，結(jié)果見表3，從中可以看出凋落物持水量與浸泡時間(0.5 h ＜t ＜24 h)呈極顯著的對數(shù)函數(shù)關(guān)系。

式中:Q 為凋落物持水量，a 為方程系數(shù)，t 為浸泡時間，b 為常數(shù)項。

表3 凋落物持水量與浸泡時間的模型參數(shù)

表4 不同生長階段的凋落物持水量隨浸泡時間的變化

從表4可以看出，不同生長階段的杉木人工林凋落物持水量隨浸泡時間增長而增加，在浸泡的前4～5 h，各生長階段的凋落物持水量增長迅速，之后增長變緩，8～10 h 之后，凋落物持水量變化幅度不大，此時，凋落物的持水基本飽和。這種變化規(guī)律與凋落物對地表徑流的攔蓄原理相一致:降雨前期，凋落物對地表徑流的攔蓄作用較強，之后隨著凋落物含水量的增加，其對降水的吸收攔蓄能力下降。

從表4可以看出，在凋落物浸水的整個過程中，即時持水量由大到小順序表現(xiàn)為成熟林、近熟林、中齡林、過熟林、幼齡林，這與凋落物儲量排序一致，即凋落物的持水量與凋落物儲量相關(guān)。

杉木不同生長階段凋落物最大持水率:由于不同生長階段杉木人工林凋落物的組成、分解程度不相同，其凋落物最大持水率也不相同，從表5可以看出，杉木生長的各階段的最大持水率變化差異不是很大，并且變現(xiàn)為隨著林齡的增加而減小，過熟林的最大持水率最小，為159.50%。幼齡林的最大持水率達(dá)到了200.83%，幼齡林凋落物儲量少且基本都處于未分解狀態(tài)，其值偏大，可能主要是由于幼齡林的自然凋落物數(shù)量少，經(jīng)過浸水試驗時，水分對實驗的誤差較大所導(dǎo)致的。持水率越大，凋落物的持水能力越強，幼齡林和中齡林的凋落物層具有較強的持水能力。通過比較不同分層下的持水率，各個生長階段下森林凋落物的最大持水率都是半分解層最大，由此可以看出杉木人工林凋落物處于半分解狀態(tài)時的持水能力最高［17］。

表5 不同生長階段凋落物最大持水率 %

3.3 杉木不同生長階段凋落物有效攔蓄量

在自然條件下，凋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［18］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。

表6 不同生長階段凋落物有效攔蓄量

從表6可以得出，不同生長階段的杉木人工林凋落物有效攔蓄量，其變化范圍為4.40～14.33 t/hm2，成熟林有效攔蓄量最大，方差分析顯示，中齡林、近熟林和成熟林差異不顯著，幼齡林和其他各生長階段差異顯著，過熟林和成熟林差異顯著。

3.4 杉木不同生長階段凋落物養(yǎng)分含量和歸還量

全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)及歸還量:氮在植物營養(yǎng)中占突出地位，是植物體內(nèi)許多重要物質(zhì)的組成成分，被稱為生命元素［19］。從表7可以看出，在未分解層，幼齡林和近熟林的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著，并且顯著高于中齡林、成熟林和過熟林;在半分解層，各生長階段的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不大;在全分解層，幼齡林的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于其他幾個生長階段的;就平均含氮量來說，幼齡林的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于其他幾個生長階段，近熟林的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于其他幾個生長階段，并且在生長階段表現(xiàn)為升高—降低—升高的規(guī)律，在近熟林達(dá)到最大值。這與衣曉丹［20］研究的福建杉木土壤氮素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在生長階段降低—升高—降低的規(guī)律是相對應(yīng)的。

通過計算，氮素的歸還量隨著齡組的變化規(guī)律為成熟林(310.91 kg/hm2)＞近熟林(308.34 kg/hm2)＞中齡林(259.94 kg/hm2)＞過熟林(191.94 kg/hm2)＞幼齡林(36.09 kg/hm2)，成熟林的氮素歸還量最大(表7)，因此，在杉木的采伐利用中，為了氮素的更好的歸還，適宜在成熟齡期間采伐利用。

表7 不同生長階段全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)

全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)及歸還量:從表8可以看出，在未分解層，中齡林和近熟林的全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著，并且顯著低于于幼齡林、成熟林和過熟林;在半分解層，中齡林和過熟林的全氮含量明顯高于其他幾個生長階段;在全分解層，幼齡林的全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于其他幾個生長階段的，近熟林的全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他幾個生長階段的;就平均含磷量來說，幼齡林、中齡林和近熟林的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著，且低于成熟林和過熟林。

通過計算，磷素的歸還量隨著齡組的變化規(guī)律為成熟林(17.80 kg/hm2)＞近熟林(11.47 kg/hm2)＞過熟林(10.97 kg/hm2)＞中齡林(8.55 kg/hm2)＞幼齡林(1.49 kg/hm2)，幼齡林的磷素歸還量最小，成熟林的歸還量最大，因此，在杉木的采伐利用中，為了磷素的更好的歸還，適宜在成熟齡期間采伐利用。

表8 不同生長階段全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)

全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)及歸還量:從表9可以看出，在未分解層，近熟林和成熟林的全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著，并且顯著低于幼齡林、中齡林和過熟林;在半分解層，各生長階段的全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不大;在全分解層，幼齡林的全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于其他幾個生長階段的;就平均含鉀量來說，幼齡林的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于其他幾個生長階段。

通過計算，鉀素的歸還量隨著齡組的變化規(guī)律為成熟林(203.46 kg/hm2)＞近熟林(172.08 kg/hm2)＞中齡林(157.33 kg/hm2)＞過熟林(123.67 kg/hm2)＞幼齡林(22.03 kg/hm2)，幼齡林的鉀素歸還量最小，成熟林的歸還量最大，因此，在杉木的采伐利用中，為了鉀素的更好的歸還，為了保持土壤的肥力，適宜在成熟齡期間采伐利用。

表9 不同生長階段全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)

4 結(jié)論與討論

凋落物在調(diào)節(jié)土壤營養(yǎng)元素方面和維持森林水量平衡方面起著重要作用。不同生長階段的杉木人工林凋落物總儲量在4.38～31.73 t/hm2之間，在不同生長階段由大到小表現(xiàn)為成熟林、近熟林、中齡林、過熟林、幼齡林，從幼齡林到成熟林呈現(xiàn)增加趨勢，在成熟林階段凋落物總儲量達(dá)到最大值，隨后在過熟林階段儲量開始下降。由于林分生長過程中會采取一定的經(jīng)營措施，如間伐等，其強度和時間等因素都會影響到凋落物現(xiàn)存量和養(yǎng)分歸還量，本研究所選取實驗地都是林場經(jīng)過常規(guī)撫育以后5 a 左右的，撫育強度和時間基本是處于同一水平，因此其對凋落物現(xiàn)存量和歸還量的影響可以忽略。運用對數(shù)函數(shù)關(guān)系對不同生長階段凋落物的持水量與浸泡時間建立回歸方程，結(jié)果得出凋落物持水量與浸泡時間(0.5 h ＜t ＜24 h)呈極顯著的。不同生長階段的杉木人工林凋落物最大持水率范圍在159.50%～200.33%，基本表現(xiàn)為隨著林齡的遞增而減小，依次為幼齡林、中齡林、成熟林、近熟林、過熟林，其中幼齡林的最大持水率最大，幼齡林凋落物儲量少且基本都處于未分解狀態(tài)，其值偏大，可能主要是由于幼齡林的自然凋落物儲量少，經(jīng)過浸水實驗時，少量的誤差水分對實驗有較大影響。不同生長階段的杉木人工林凋落物有效攔蓄量，其變化范圍為4.40～14.33 t/hm2，成熟林的有效攔蓄量最大，對于調(diào)節(jié)森林水量，減弱地表徑流發(fā)揮重大作用。氮素是植物體內(nèi)許多重要物質(zhì)的組成成分，杉木人工林凋落物中全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在生長階段表現(xiàn)為升高—降低—升高的規(guī)律，在近熟林達(dá)到最大值。氮素的歸還量變化規(guī)律為成熟林(310.91 kg/hm2)＞近熟林(308.34 kg/hm2)＞中齡林(259.94 kg/hm2)＞過熟林(191.94 kg/hm2)＞幼齡林(36.09 kg/hm2)，成熟林的氮素歸還量最大。不同生長階段的杉木人工林凋落物全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)來說，幼齡林、中齡林和近熟林的含量差異不顯著，且低于成熟林和過熟林。磷素的歸還量的規(guī)律為成熟林(17.80 kg/hm2)＞近熟林(11.47 kg/hm2)＞過熟林(10.97 kg/hm2)＞中齡林(8.55 kg/hm2)＞幼齡林(1.49 kg/hm2)，幼齡林的磷素歸還量最小，成熟林的歸還量最大。不同生長階段的杉木人工林凋落物全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)來說，幼齡林的含量低于其他幾個生長階段。鉀素歸還量的規(guī)律為成熟林(203.46 kg/hm2)＞近熟林(172.08 kg/hm2)＞中齡林(157.33 kg/hm2)＞過熟林(123.67 kg/hm2)＞幼齡林(22.03 kg/hm2)，幼齡林的鉀素歸還量最小，成熟林的歸還量最大。

綜上所述，不同生長階段的杉木人工林凋落物中，幼齡林凋落物儲量小、持水量小、吸水速率低，持水能力最弱，成熟林凋落物層具有儲量大、持水量大、吸水速率強等特點，具有最強的森林持水功能，因此，杉木成熟林凋落物對于調(diào)節(jié)森林水量，減弱地表徑流發(fā)揮最大作用。不同生長階段的杉木人工林凋落物中，全氮、全磷和全鉀的歸還量都是在成熟林期間達(dá)到最大，因此，為了使凋落物中養(yǎng)分含量充分回歸到土壤中，保持土壤的肥力，杉木人工林的釆伐期應(yīng)該在成熟林期間。綜合杉木不同生長階段凋落物持水性及養(yǎng)分歸還的分析，杉木人工林的適宜釆伐期在成熟林期間，即26～35 a。

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