不同林齡無患子人工林枯落物的持水性

劉成功 萬志兵 李 燕 戴淑娟 姜 航 王立超 徐勝林

(黃山學院生命與環(huán)境科學學院，安徽 黃山 245041)

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不同林齡無患子人工林枯落物的持水性

劉成功 萬志兵 李 燕 戴淑娟 姜 航 王立超 徐勝林

(黃山學院生命與環(huán)境科學學院，安徽 黃山 245041)

采用枯落物林地調查和浸泡實驗法，研究黃山地區(qū)不同林齡無患子人工林枯落物層的水文效應，建立枯落物持水量與浸水時間、吸水速率和浸水時間之間的回歸關系。結果表明：同一人工林內3個齡級無患子林分枯落物持水特性差異顯著，齡級與持水特性間呈多項式回歸，第Ⅰ齡級林分枯落物的持水性能最佳，其自然持水量、自然持水率、最大持水量、最大持水率、最大凈持水量均最大；不同齡級林分枯落物的吸水量與浸水時間呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)關系，相關系數(shù)R2為0.912 4～0.919 4，吸水速率與浸水時間表現(xiàn)為冪函數(shù)關系，相關系數(shù)R2為0.986 0～0.987 5；隨著浸水時間的增加其吸水速率越來越低，浸水1 h時吸水速率最大，達195.25 g/h，浸水2 h后吸水速率降為109.81 g/h，浸水20 h后吸水速率降為零。

無患子；人工林；枯落物；持水性

森林生態(tài)系統(tǒng)通過林冠層、枯落物層和土壤層3個作用層實現(xiàn)森林的水源涵養(yǎng)功能[1]。林地的枯落物層是森林水源涵養(yǎng)的第2個功能層[2]，它是由林木及林下植被凋落下來的枝條、花、果實、莖葉、樹皮和枯死的植物殘體所形成的一層地表覆蓋層[3]，在截持降雨、防止土壤濺蝕[4]、攔蓄地表徑流[5-6]、減少土壤水分蒸發(fā)[7]、增強土壤水分入滲[8]等方面具有非常重要的意義，是實現(xiàn)森林水土保持和水源涵養(yǎng)功能的主要作用層[9]。森林枯落物的凋落量和凋落動態(tài)是影響地表徑流的主導因子[10]，不同枯落物截持降雨過程的吸水率具有一定的差異性[11]，針葉為172%、軟闊葉為386%、硬闊葉為250%、喬灌木枝條為152%[12]。桉樹林地枯枝落葉層貯量與年齡大小存在緊密的相關性，呈二次函數(shù)回歸關系，6年生時林地枯枝落葉層的最大凈持水量達2.0 mm[13]。因此，研究林木枯落物層的持水特性具有重要意義。

無患子(Sapindusmukorossi)為無患子科、無患子屬植物，落葉喬木[14]，其根系發(fā)達、樹型美觀，可吸收空氣中的SO2、汽車尾氣、工業(yè)廢氣等有害氣體，在城市綠化、環(huán)境保護、水土保持與建設等方面也具有十分重要的價值[15]，無患子分布地域廣、跨度大，從溫帶到熱帶均有分布，在我國主要分布于江蘇、福建、安徽、陜西、云南等地，為低山、丘陵及石灰?guī)r山地常見樹種，在西南地區(qū)垂直分布可達海拔2 000 m[16]。目前有關無患子研究的報道主要集中在其生物學特性[17]、繁殖技術[18]、引種栽培[19]、化學成分及分離提取技術[20]等方面，少有涉及其在水土保持、水源涵養(yǎng)方面的報道。本研究以同一人工林內不同林齡樣地的無患子為對象，對其枯落物的持水特性進行研究，對無患子在水土保持方面的作用加以評估，為今后無患子在生態(tài)工程建設中的應用提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究林分位于安徽省黃山市屯溪區(qū)黃山學院南校區(qū)無患子人工林內，地處東經118°17′30″，北緯29°41′51″，屬皖南山區(qū)變層巖系的低山、丘陵地區(qū)。海拔200～380 m，年均氣溫15.5～16.3 ℃，極端最高氣溫達40.0～41.5 ℃，1月平均氣溫3.5 ℃，7月平均氣溫27.9 ℃，地表平均氣溫為17.9～19.3 ℃。平均無霜期達229 d，年降水量1 395～1 670 mm，降水平均天數(shù)152 d，呈不均勻季節(jié)性分配，且雨量集中，垂直變化程度較大。季風明顯，暖濕同季，適合植物的生長與發(fā)育。土壤類型為第四紀紅色黏土母質，典型的黃壤亞類-黃紅壤。研究林分的主要喬木除優(yōu)勢種無患子外，尚有杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)、樟樹(Cinnamonumcampora)等，樹齡在4～21 a，高5.8～15.4 m；灌木植物有小構樹(Broussonetiakazinoki)、烏藥(Linderaaggregata)、檵木(Loropetalumchinense)等，平均高1.4 m，蓋度19%～28%；草本以千根草(Euphorbiathymiflia)、烏蕨(Stenolomachusanum)等為主，蓋度22%～45%。由于該無患子人工林經營管理強度高，林內其余喬木、灌木稀少。

2 研究方法

2.1 樣地設置及枯落物儲量調查

2013年11月于生長健壯、無病蟲害、郁閉度0.4～0.6、樹齡5～10 a的無患子人工林區(qū)域內，選取密度相近，立地條件和營林方式一致的3個不同造林時間段林分設置樣地。采用空間代替時間法[21]，即用林木的徑級結構代替年齡結構,以胸徑大小為標準將樣地內的無患子分為3個徑級，每徑級的間隔距離為5 cm。具體為：胸徑(10.0±0.5)cm為第Ⅰ齡級,胸徑(15.0±0.5)cm為第Ⅱ齡級,胸徑(20.0±0.5)cm為第Ⅲ齡級，各齡級分別選取上、中、下坡3個不同立地設置固定調查樣地，樣地面積為20 m×20 m。在20 m×20 m的樣地內依“S”形各取面積1 m×1 m的小樣方5個，記錄枯落物未分解層、半分解層及已全分解3個層次的厚度、質量等指標，采用全收獲法收集無患子林枯落物(包括未分解、半分解和已分解)，并全部稱其質量，然后將每個樣地的枯落物混合，取樣品2 000 g裝入布袋備用。

2.2 無患子枯落物持水性測定

將野外采集的未分解層、半分解層和已分解層3種分解程度的枯落物混合后的濕樣，用“四分法”[22]，取相應胸徑下無患子枯落物各200 g裝入尼龍袋，置于85 ℃烘箱內烘干至恒質量，計算自然持水量。用下列公式計算枯落物自然持水量和自然持水率。

枯落物自然持水量=枯落物濕樣質量-枯落物干質量

枯落物自然持水率=枯落物自然持水量/枯落物干質量×100%

采用室內浸泡法，測定枯落物的持水量和吸水速度。將烘干樣品置于透水條件良好的尼龍袋中，放入清水中分別浸泡26 h，同時每隔1、2、4、8、12、16、20、22、24、26 h撈起并靜置5 min至不滴水時稱其質量，得出不同林齡級無患子人工林枯落物的最大持水量、最大持水率和吸水速率，其計算公式[23]如下：

枯落物最大持水量=浸泡后的枯落物質量-干質量

枯落物最大持水率=枯落物最大持水量/枯落物干質量 ×100%

根據(jù)即時持水量，即每次稱量所得的枯落物濕質量與其風干質量差值，該差值與浸水時間的比值即為枯落物的吸水速率。計算公式為：

枯落物吸水速率=即時持水量/浸泡時間

在相同采集及試驗條件下，由最大持水量和自然持水量可計算其最大凈持水量，公式為：

枯枝落葉最大凈持水量=最大持水量-自然持水量

2.3 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行處理分析,Excel 2003進行圖表制作。

3 結果與分析

3.1 枯落物儲量

枯落物層儲量是森林凋落物歸還與地表枯枝落葉分解動態(tài)平衡的結果。分別對3個齡級無患子林分枯落物儲量、枯落物層(未分解層、半分解層、全分解層)的厚度進行測定，結果見表1。

表1 枯落物厚度及儲量調查結果Tab.1 Survey results of the Litter thickness and amount

枯落物厚度主要與枯落物儲量有關，一般是儲量越大厚度越大。由表1可知，3個齡級無患子林下枯落物的總厚度和總儲量表現(xiàn)不同，且Ⅰ齡級(總厚度6.79 cm，總儲量22.12 t/hm2)>Ⅱ齡級(總厚度5.21 cm，總儲量18.05 t/hm2)>Ⅲ齡級(總厚度3.87 cm，總儲量13.94 t/hm2)，表明枯落物層的厚度和總量與林分的發(fā)育階段相關。從表1還可以看出，不同齡級無患子林枯落物的厚度和儲量均隨齡級的增加而逐漸減小，表明不同年齡的無患子枯落物枝葉組成有差異，降解程度也有差異。

3.2 枯落物的持水特性

同一人工林林分內3個齡級無患子林分的枯落物持水性與齡級的關系見圖1～3。

由圖1～3可以看出，不同齡級無患子林分枯落物的持水特性存在差異。第Ⅰ齡級林分的枯落物持水性最好，其次是第Ⅱ齡級，最低為第Ⅲ齡級，表現(xiàn)為在同一人工林林分內，第Ⅰ齡級林分的枯落物自然持水量、自然持水率、最大持水量、最大持水率、最大凈持水量均為最大，分別為：131.05 g/kg、15.082%、1 694.1 g/kg、194.960%、1 563.05 g/kg，而第Ⅲ齡級林分的無患子枯落物相應的指標都為最小值，分別為：118.28 g/kg、13.417%、1 500.20 g/kg、170.147%、1 381.92 g/kg。同時可以看出，枯落物的持水能力越強，枯落物的持水率就越大。

將林分內3個齡級無患子林分枯落物的持水性進行方差分析，自然持水量和自然持水率各齡級均存在顯著差異，最大持水性的3個指標在各齡級之間均存在極顯著差異，多重比較結果見表2。從表2可以看出，第Ⅰ齡級與第Ⅲ齡級林分的枯落物自然持水量、自然持水率均存在顯著差異，且齡級Ⅰ要比齡級Ⅲ林分自然持水量、自然持水率分別高10.80%和12.41%；而齡級Ⅱ與齡級Ⅰ及齡級Ⅲ林分的枯落物自然持水量、自然持水率差異均不顯著，第Ⅰ齡級與第Ⅱ齡級、第Ⅱ齡級與第Ⅲ齡級林分枯落物的3個最大持水性指標間均存在極顯著差異，且齡級Ⅰ林下枯落物的最大持水量、最大持水率、最大凈持水量要比齡級Ⅱ和齡級Ⅲ分別高6.37%、12.92%，7.31%、14.58%和6.39%、13.11%。由表1～2知，第Ⅰ齡級林分枯落物攔截降水、減輕地表徑流等效果較另外2個齡級的效果好。

以對數(shù)式、多項式及冪函數(shù)3種數(shù)學模型，對無患子林枯落物持水性與齡級的關系進行回歸分析，結果見表3。

從表3可以看出，無患子枯落物的持水性與齡級之間的關系以多項式回歸模型最佳，回歸方程為Y=a1X2+b1X-C(R2=1.000 0)，另外兩種回歸模型相關系數(shù)R2均低于1.000 0。本研究表明，林地枯落物的持水性與齡級的關系存在顯著的相關性。

表2 不同齡級無患子林枯落物持水性比較Tab.2 Water-holding characters comparison of Sapindus muorossi plantation litter in different age class

注：不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著，不同大寫字母表示在0.01水平上差異顯著；*P<0.05 ，**P<0.01。

表3 無患子林枯落物持水性與齡級的回歸方程Tab.3 The regression equation of water-holding characters and age class of Sapindus mukorossi plantation litter

3.3 枯落物吸水特性

以浸水時間為橫坐標，吸水質量為縱坐標建立二維坐標系，見圖4。

由圖4可以看出，浸水0～1 h時段的吸水量最大，占最大吸水總量的57.63%～60.95%；1～2 h時段的吸水量占最大吸水總量的5.04%～7.73%；12～16 h時段的吸水量僅占最大吸水總量的3.79%～7.78%，以后隨著浸水時間的延長，其吸水量逐漸減少，至浸水20 h時基本達到飽和狀態(tài)。

分別對各齡級林分枯落物吸水量與浸水時間的關系進行回歸，各回歸方程見表4。

表4 無患子林枯落物吸水量與時間的回歸方程Tab.4 Regression equation of absorbing water and time of Sapindus mukorossi plantation litter

由表4可看出，各齡級林分枯落物浸水時間與吸水量的關系以對數(shù)模型最佳，回歸模型表達式為:

y=k1·tn

式中：y為枯落物吸水量(g)；t為浸水時間(h)；n為指數(shù)；k1為方程系數(shù)。

由回歸模型可知，相關系數(shù)R2在0.912 4～0.919 4。因此，可通過人工林內不同齡級無患子林分枯落物層不同浸水時間來預測吸水量。

對各齡級林分枯落物吸水速率與浸水時間的關系進行回歸，各回歸方程見表5。

表5 無患子枯落物吸水速率與時間的回歸方程Tab.5 Regression equations of water absorption rate and time of Sapindus mukorossi plantation litter

由表5可看出，各齡級林分枯落物的吸水速率與時間的關系以冪函數(shù)最佳，回歸模型表達式為:

y=k2·tm

式中：y為枯落物吸水率(g/h)；t為浸水時間(h)；m為指數(shù)；k2為方程系數(shù)。

由方程可知，同一人工林內無患子枯落物層吸水速率(g/h)與齡級的相關系數(shù)R2在0.986 0～0.987 5，各齡級林分枯落物層平均吸水速率的相關系數(shù)R2=0.986 9。因此，可以通過枯落物浸泡時間預測各齡級林分枯落物的吸水速率。

4 結論與討論

林木枯落物層具有良好的吸水和透水性能，在森林水源涵養(yǎng)、水土保持等方面扮演著重要角色[24]?？萋湮锝?4 h后的持水量可視為該枯落物的最大持水量，此時的持水率為最大持水率[25]。由于林木生長周期很長，難以追蹤其整個生命周期[21]，為此，本研究采用徑級結構代替年齡結構的“空間代替時間”的方法，以胸徑大小為標準對同一人工林林分內不同造林時間的3種樹齡無患子林分枯落物的自然持水量、自然持水率、最大持水量、最大持水率、最大凈持水量分別進行研究。結果表明：第Ⅰ齡級(胸徑10 cm)的無患子人工林枯落物的5個持水性指標均為最大，分別為：131.05 g/kg、15.082%、1 694.1 g/kg、194.960%、1 563.05 g/kg，表明枯落物的持水能力越強其持水率也就越大，與4種杉木人工林枯落物持水性研究結果及遼寧東部山區(qū)幾種主要森林植被枯落物層持水性研究結果相一致[26-27]?？萋湮锏某炙芰εc持水率間的關系可能與枯落物的分解程度有關，對木荷、羅桴栲、觀光木等研究表明，半分解層枯落物的最大持水量均大于未分解層[28]。通常林木枝葉的碳含量與樹齡呈顯著正相關[29]，其枯落物纖維素、木質素等難分解物含量越高被微生物等分解的程度也相對較低。本研究中齡級Ⅰ的無患子林枯落物相對齡級Ⅱ、齡級Ⅲ林其木質化程度低，更容易被微生物分解，其表面空隙多、細、小，相對吸水面積大，枯落物表面張力也變大，持水性能就越好，與帽兒山主要森林類型凋落物層水文效應研究[30]的結果一致。厚莢相思林枯落物最大持水率為70%[31]、刺槐麻櫟混交林枯落物的最大持水率為210.9%[32]，本研究無患子林枯落物最大持水率比厚莢相思高，比刺槐麻櫟混交林枯落物的最大持水率低，這是由于樹種不同其枯落物成分不同，直接影響土壤生物類群，使得枯落物分解程度存在差異所導致。

枯落物持水量僅說明枯落物潛在的持水能力，而吸水速度則是衡量其持水效率的重要指標[22]。本研究表明：吸水量與浸水時間呈對數(shù)函數(shù)關系，吸水速率則與浸水時間呈現(xiàn)冪函數(shù)關系，隨著浸水時間的增加其吸水速率降低，這與桉樹林地枯枝落葉層的水文特性及養(yǎng)分貯量的研究結果一致[13]，也表明可以通過枯落物浸泡時間(h)預測各林齡無患子人工林枯落物的吸水量和吸水速率。無患子林枯落物隨著浸水時間的增加其吸水速率越來越低，20 h后吸水速率降為零，此時枯落物吸水基本趨于飽和，與賀蘭山4種典型森林類型凋落物持水性能研究[33]及不同林齡華北落葉松人工林枯落物儲量及持水特性研究[34]的結果一致，森林對土壤物理性狀的影響是多層面的，但對0～20 cm土壤層影響最顯著的是林下的枯落物[35]。林分枯落物層吸水作用的大小，取決于其本身的厚度和性質[36]。一般情況下，枯落物的現(xiàn)存量越多、未分解層相對較少，其水源涵養(yǎng)功能越好、吸水速率相對較快，枯落物覆蓋地面， 保護地表免遭雨滴擊濺侵蝕， 土壤結構疏松，吸收和調節(jié)地表徑流能力強[37-38]。以上分析表明，無患子人工林枯落物層對于分散、阻滯地表徑流的形成，減緩、減少地表徑流，增加水分下滲，防止雨滴對地表土壤直接沖擊，保持水土等具有一定的作用。

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(責任編輯 趙粉俠)

Study on Water-Holding Properties of Litter Layer ofSapindusmukorossiPlantation with Different Age Class

LIU Cheng-gong,WAN Zhi-bing,LI Yan,Dai Shu-juan,JIANG Hang,WANG Li-chao，XU Sheng-lin

(College of Life and Environmental Sciences,Huangshan University,Huangshan Anhui 245041,China)

By using the methods of field investigation and soaking extraction, the water-holding properties of litter layer ofSapindusmukorossiplantation with different age class were investigated,and the regression relationship between the water-holding properties and soaking time,water uptake rate and soaking time was build.The results showed that: the water-holding properties of litter layer ofSapindusmukorossiplantation with different age class existed significant differences.There was a polynomial regression relationship between the water-holding properties and the age class.The class I ofSapindusmukorossiplantation had the best water-holding properties.The natural water holding capacity,natural water holding rate,the maximum of water-holding content,the maximum of water-holding rate,the biggest net capacity were all the highest.The water-holding capacity inSapindusmukorossiplantation with different age class increased in the form of logarithmic functional model with the increase of soaking time, with the correlation coefficient from 0.912 4 to 0.919 4.The water-absorption rates of the litters decreased in the form of power function,with the correlation coefficient between 0.986 0 and 0.987 5.The water-absorption rates became lower with the increase of soaking time.The water-absorption rate was 195.25 g/h while soaking in the water for 1 h.It reduced to 109.81 g/h while soaking in the water for 2 h.After 20 h,the water-absorption rates became zero.

Sapindusmukorossi;plantation;litter layer;water-holding properties

2014-10-21

安徽高校省廳自然科學研究重點項目(KJ2013A241)資助；國家級大學生創(chuàng)新訓練項目(201310375006)資助；黃山學院自然科學研究項目(2014xkj002)資助。

萬志兵(1980—)，男，副教授。研究方向：植物栽培和育種。Email: wanzb626@hsu.edu.cn。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.04.008

S718.45

A

2095-1914(2015)04-0046-07

第1作者：劉成功(1991—)，男，本科生。研究方向：林木遺傳育種。Email:970974659@qq.com。