北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)枯落物及其林下土壤持水能力研究

曾丹娟, 徐廣平, 黃玉清, 莫 凌, 張中峰, 何成新, 李先琨

(廣西喀斯特植物保育與恢復(fù)生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣西壯族自治區(qū)中國(guó)科學(xué)院廣西植物研究所， 廣西 桂林 541006)

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北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)枯落物及其林下土壤持水能力研究

曾丹娟, 徐廣平, 黃玉清, 莫 凌, 張中峰, 何成新, 李先琨

(廣西喀斯特植物保育與恢復(fù)生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣西壯族自治區(qū)中國(guó)科學(xué)院廣西植物研究所， 廣西 桂林 541006)

通過(guò)對(duì)北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)5個(gè)典型生態(tài)系統(tǒng)的枯落物和土壤持水性能進(jìn)行的研究，結(jié)果表明:枯落物累積量為防城港>十萬(wàn)山>大明山>藥用植物園>金花茶保護(hù)區(qū)；最大持水率為藥用植物園>大明山>金花茶保護(hù)區(qū)>十萬(wàn)山>防城港;最大持水量為大明山>十萬(wàn)山>金花茶保護(hù)區(qū)>藥用植物園>防城港；0—20 cm土壤的總孔隙度和毛管孔隙度是大明山>十萬(wàn)山>藥用植物園>金花茶保護(hù)區(qū)>防城港，大明山的毛管持水量和最大持水量都最大，分別達(dá)到了882.6，954.9 g/kg，防城港最低，只有231.3，269.0 g/kg。

北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū); 枯落物; 持水性能; 土壤物理性質(zhì)

森林枯落物層是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是森林水文效應(yīng)的第二個(gè)層次,它通過(guò)對(duì)地表的覆蓋，一方面消弱雨滴對(duì)土壤的直接濺擊，另一方面吸收一部分降水，減少了到達(dá)土壤表面的降水量[1-3]；枯落物層結(jié)構(gòu)疏松，具有良好的透氣性和持水能力，而且增加了地表的粗糙度和徑流阻力，減緩了地表徑流速度，從而明顯地降低了徑流侵蝕力[4-6]。因此枯落物層在森林涵養(yǎng)水源和水土保持過(guò)程中發(fā)揮著十分重要的作用。而森林枯落物層厚度、累積量及其持水性能與森林水土保持和涵養(yǎng)水源功能有著緊密聯(lián)系，通過(guò)對(duì)森林凋落物厚度、累積量和持水性能的研究，將有助于對(duì)森林水土保持和涵養(yǎng)水源機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)，也有利于水源涵養(yǎng)林和水土保持林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)管理。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在不同區(qū)域?qū)Χ喾N森林類(lèi)型下的枯落物特性作了研究，在枯落物的凋落量、凋落動(dòng)態(tài)、分解速率、截持降水、影響地表徑流和土壤侵蝕機(jī)理等方面都取得了一定成果[7-13]，但對(duì)北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)不同林分枯落物水文生態(tài)功能的研究甚少。本文主要針對(duì)北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)5個(gè)典型生態(tài)系統(tǒng)的枯落物層蓄積量、持水能力以及枯落物覆被下的表層土壤物理性質(zhì)進(jìn)行了定量研究分析，對(duì)枯落物水文效應(yīng)的研究具有重要意義，以期為該區(qū)域森林涵養(yǎng)水源的功能評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概述

大明山地理位置為23°10′—23°38′N(xiāo)，108°18′—108°45′E。年平均溫度為14～19℃，最低溫度為-8℃。年平均降水量2 511.0 mm，豐水年達(dá)2 827.4 mm。生長(zhǎng)著以銀荷木(Schimaargentea)、甜櫧(Castanopsiseyrei)、米椎(Castanopsiscarlesii)、羅浮栲(Castanopsisfabri)、華南石櫟(Lithocarpusfenestratus)和栲樹(shù)(Castanopsisfargesii)為主要群落的常綠闊葉林[14]。

防城港西灣地處21°31′00″—21°37′30″N，108°00′30″—108°19′30″E，屬南亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，年平均氣溫22.5℃，極端最高氣溫37.8℃，極端最低氣溫1.8℃，年平均降雨量2 220.5 mm[15]。

廣西防城金花茶國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)地理坐標(biāo)是108°07′04″—108°07′25″E 和21°45′04″—21°45′15″N，地處十萬(wàn)大山的藍(lán)山支脈，屬北熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，總面積9 195.1 hm2，年日照時(shí)數(shù)為1 525 h，年均氣溫21.9℃，年均降雨量2 900 mm 以上，生長(zhǎng)著以熱帶季雨林為主的地帶性植被[16]。

十萬(wàn)大山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于桂西南，地理座標(biāo)為107°29′59″—108°13′11″E，21°40′03″—22°04′18″N，總面積58 277 hm2。十萬(wàn)大山處于中國(guó)東部北熱帶季風(fēng)區(qū)，氣候溫暖，保護(hù)區(qū)年均氣溫21.1～21.8℃，極端最高溫9.1℃，最低溫-1.9℃，年均氣溫在20.0～21.8℃，最冷月(1月)均溫12.5～13.1℃，最熱月(7月)均溫28.0～28.2℃，≥0℃活動(dòng)積溫達(dá)7 700～7 900℃，熱量在東南坡稍高于西北坡。由于主山脈呈東西走向，東南坡面向海洋，迎臨海上東南季風(fēng)，雨量尤為豐富，是廣西雨量最集中的區(qū)域，多年平均降水量2 000～2 700 mm[17]。

廣西藥用植物園地處首府南寧，園內(nèi)種植有幾千種珍貴藥用植物。由于為人工種植與管護(hù)，人為干擾較大。樣地概況如下(表1)。

表1　研究樣地概況

2　研究方法

2011年1月在廣西藥用植物園(以下簡(jiǎn)稱(chēng)藥用園)，防城港西灣(以下簡(jiǎn)稱(chēng)防城港)，金花茶上岳保護(hù)站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)金花茶)，十萬(wàn)山平龍山保護(hù)站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)十萬(wàn)山)，大明山舞臺(tái)歷山(以下簡(jiǎn)稱(chēng)大明山)5個(gè)典型生態(tài)系統(tǒng)中各設(shè)置面積為1 m×1 m的樣方6個(gè),調(diào)查凋落物鮮重,并各取部分凋落物測(cè)定含水率。各采樣地點(diǎn)的樣方凋落物鮮干重見(jiàn)表2。另取各樣方的部分凋落物裝入網(wǎng)袋后分別浸入水中0.5，1，1.5，2，4，6，8，10，13，24 h后,撈起并靜置到凋落物不滴水時(shí)稱(chēng)重,做3個(gè)重復(fù)。

土壤物理性質(zhì)的測(cè)定:采用環(huán)刀法,于2011年1月在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)挖掘土壤剖面,用環(huán)刀按照土層0—20,20—40,40—60 cm分層取樣,每個(gè)組合重復(fù)3次,用烘干法和浸水法測(cè)定土壤的自然含水量、土壤的各項(xiàng)物理性狀和持水性能指標(biāo)。

3　結(jié)果與分析

3.1凋落物儲(chǔ)量

5個(gè)典型生態(tài)系統(tǒng)的凋落物儲(chǔ)量各不相同(表2)。大明山的凋落物的鮮重最大，達(dá)15.21×103kg/hm2,其它4個(gè)采樣地點(diǎn)的順序?yàn)榉莱歉?十萬(wàn)山>藥用園>金花茶。而5個(gè)采樣地點(diǎn)的凋落物的干重順序?yàn)榉莱歉?十萬(wàn)山>大明山>藥用園>金花茶。同時(shí)大明山的凋落物自然含水率最高，達(dá)49.17%。

表2　凋落物厚度及儲(chǔ)量

3.2凋落物持水量

在浸泡不同時(shí)間后，采樣點(diǎn)的凋落物持水量均呈現(xiàn)大明山>十萬(wàn)山>金花茶>藥用園>防城港，在浸泡0.5～4.0 h內(nèi),各點(diǎn)的凋落物持水量增長(zhǎng)較為迅速.此后,隨著浸泡時(shí)間的增加,凋落物持水量增長(zhǎng)緩慢,浸泡8～10 h時(shí),其持水量接近飽和,即8～10 h后增加浸泡時(shí)間,其持水量變化很小(圖1).大明山的凋落物最大持水量在各點(diǎn)中居首位,達(dá)8.6×103kg/hm2,防城港的凋落物最大持水量最小為3.81×103kg/hm2。

圖1　凋落物持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系

采樣地點(diǎn)方程Rp防城港y=0．4058lnt+2．30220．9165<0．001金花茶y=0．7970lnt+4．05780．9661<0．001大明山y(tǒng)=0．5433lnt+6．88860．9786<0．001藥用園y=0．5957lnt+4．12620．9725<0．001十萬(wàn)山y(tǒng)=0．8203lnt+4．88040．9725<0．001

凋落物持水量(WH)與浸泡時(shí)間(t)的關(guān)系按照對(duì)數(shù)方程變化.各點(diǎn)不同浸泡時(shí)間的凋落物持水量理論值與實(shí)測(cè)結(jié)果相近,相關(guān)系數(shù)R>0.91,達(dá)到顯著相關(guān)水平(p<0.001,表3)。

3.3凋落物持水率

凋落物的持水率用凋落物吸收的水分與凋落物干質(zhì)量的比值來(lái)表示,該值越大,凋落物的持水能力就越強(qiáng).在浸泡不同時(shí)間后,各點(diǎn)的凋落物持水率均呈現(xiàn)藥用園>大明山>金花茶>十萬(wàn)山>防城港(圖2).浸泡時(shí)間在0.5～6 h時(shí),各點(diǎn)的凋落物持水率隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)而迅速增長(zhǎng),此后增長(zhǎng)較為緩慢,浸泡時(shí)間達(dá)13 h時(shí),持水率趨于飽和.藥用園、大明山、金花茶、十萬(wàn)山和防城港的凋落物最大持水率分別為174.97%，162.09%，159.9%，159.81%和118.24%,藥用園的凋落物顯示了較強(qiáng)的持水能力。

凋落物持水率(WR)與浸泡時(shí)間(t)可以用對(duì)數(shù)方程模擬.各點(diǎn)不同浸泡時(shí)間的凋落物持水率理論值與實(shí)測(cè)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)R>0.91,二者關(guān)系達(dá)到極顯著相關(guān)水平(p<0.001,表4)。

圖2　凋落物持水率與浸泡時(shí)間的關(guān)系

3.4凋落物吸水速率

浸泡時(shí)間在0.5～4.0 h時(shí),各點(diǎn)凋落物的吸水速率隨浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)急劇下降,此后緩慢下降(圖3).藥用園的凋落物在浸泡不同時(shí)間后,其吸水速率均居首位,防城港的凋落物吸水速率最小.浸泡0.5 h時(shí),藥用園、大明山、金花茶、十萬(wàn)山和防城港的凋落物的吸水速率分別為2 228.31，1 900.15，1 813.21，1 759.95，1 169.4 g/(kg·h),浸泡24 h后分別下降到54.49，51.04，53.41，47.51，42.5 g/(kg·h),其中,浸泡4 h時(shí),吸水速率分別下降了85.2%，86.5%，85.1%，84.2%和83.1%.由圖3可知,5種采樣地凋落物的吸水速率相差不是很大。

圖3　凋落物吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系

凋落物吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系可以用乘冪方程模擬.用乘冪方程得出的凋落物吸水速率理論值與實(shí)測(cè)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)R>0.993,二者極顯著相關(guān)(p<0.001,表5)。

3.5土壤物理性狀和持水性能

土壤的物理性狀指土層厚度、土壤容重及土壤孔隙度等指標(biāo)，土壤的物理性狀直接影響到土壤的持水性能、保水能力等，從表6中可見(jiàn)，不同地點(diǎn)土壤的物理性狀具有一定的差異，表層土壤容重是藥用園最大，最小的是十萬(wàn)山；而土壤的總孔隙度、毛管孔隙度是大明山>十萬(wàn)山>藥用園>金花茶>防城港；非毛管孔隙度以藥用園最大4.2%，金花茶最小1.2%，由此可知，在改善土壤物理性質(zhì)方面的潛力由大到小藥用園>防城港>十萬(wàn)山>大明山>金花茶。原因主要是，枯落物種類(lèi)不同，導(dǎo)致分解程度和對(duì)土壤的影響不同，另外，人為因素的影響也不盡相同。

從土壤的持水性能看，無(wú)論是最小持水量還是最大持水量都以大明山最大，分別達(dá)到了882.6,954.9 g/kg，防城港最低，只有231.3,269.0 g/kg。原因主要是枯落物種類(lèi)的不同。

總體來(lái)說(shuō)，大明山土壤的最大持水量達(dá)到了954.9 g/kg，因此只要有足夠的時(shí)間讓水分滲入土壤，一般的降雨量土壤都可以完全吸收，不會(huì)形成地表徑流。

表6　不同地點(diǎn)土壤的物理性狀及持水性能

4　結(jié) 論

(1) 5個(gè)典型生態(tài)系統(tǒng)森林凋落物的厚度在1.6～4.2 cm，現(xiàn)存量烘干重在4.81～9.26 t/hm2，具有防城港>十萬(wàn)山>大明山>藥用園>金花茶的規(guī)律。各采樣點(diǎn)凋落物的最大持水量介于3.81～8.60 t/hm2，表現(xiàn)為大明山>十萬(wàn)山>金花茶>藥用園>防城港。

(2) 凋落物持水率與時(shí)間存在對(duì)數(shù)曲線(xiàn)關(guān)系,凋落物持水率隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加,約在10～13 h時(shí)接近飽和,最大持水率在118.2%～174.9%間，不同采樣點(diǎn)表現(xiàn)為藥用園>大明山>金花茶>十萬(wàn)山>防城港。凋落物吸水速率與浸泡時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系，浸泡時(shí)間在0.5～4.0 h時(shí),各點(diǎn)凋落物的吸水速率隨浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)急劇下降,此后緩慢下降，5個(gè)采樣地凋落物的吸水速率相差不是很大。

(3) 凋落物的持水率、吸水速率、現(xiàn)存量和最大持水量是研究森林凋落物持水能力和水文功能的重要指標(biāo),對(duì)5個(gè)典型生態(tài)系統(tǒng)森林凋落物的分析表明:大明山、金花茶、藥用園、十萬(wàn)山等闊葉林具有較高的持水效能,而防城港的馬尾松林凋落物的吸水速率、持水率以及最大持水量均最低,其林地凋落物涵養(yǎng)水源、保持水土能力較差。

(4) 0—20 cm土壤容重是十萬(wàn)山最小，其次是金花茶，最大的是藥用園；而土壤的總孔隙度、毛管孔隙度從大到小依次為大明山、十萬(wàn)山、藥用園、金花茶、防城港；非毛管孔隙度以藥用園最大，防城港較??；從土壤的持水性能看，大明山的毛管持水量和最大持水量都最大，分別達(dá)到了882.6，954.9 g/kg,防城港最低，只有231.3，269.0 g/kg?？傮w來(lái)看，植被土壤的持水性能明顯，大明山土壤的最大持水量達(dá)到了954.9 g/kg，因此只要有足夠的時(shí)間讓水分滲入土壤，一般的降雨量土壤都可以完全吸收，不會(huì)形成地表徑流。

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Study on Different Forest Litter and Soil Water-holding Capacity in Guangxi North Gulf Economic Zone

ZENG Danjuan, XU Guangping, HUANG Yuqing, MO Ling,ZHANG Zhongfeng, HE Chengxin, LI Xiankun

(Guangxi Key Laboratory of Plant Conservation and Restoration Ecology in Karst Terrain,GuangxiInstituteofBotany,GuangxiZhuangAutonomousRegionandChineseAcademyofSciences,Guilin，Guanxi541006,China)

Through the study on litter and soil water-holding capacity 5 representative ecosystems in Guangxi North Gulf Economic Zone, the results showed that the accumulation amount of litter was in the order of Fangchenggang>Shiwanshan>Damingshan>Medicinal Herb Garden>Yellow Camellia Natural Reserve; the maximum water-holding rate was in the order of Medicinal Herb Garden>Damingshan>Yellow Camellia Natural Reserve>Shiwanshan>Fangchenggang; the maximum water-holding capacity was in the order of Damingshan> Shiwanshan>Yellow Camellia Natural Reserve>Medicinal Herb Garden>Fangchenggang. The total porosity and capillary porosity in 0—20 cm soil were in the order of Damingshan>Shiwanshan>Medicinal Herb Garden> Yellow Camellia Natural Reserve>Fangchenggang. The capillary and the maximum water-holding capacity were largest in Damingshan, reaching to 882.6 g/kg and 954.9 g/kg, respectively, while the lowest ones were only 231.3 g/kg and 269.0 g/kg in Fangchenggang.

North Gulf Economic Zone; litter; water-holding ability; physical characteristics of soil

2014-08-08

2014-09-18

廣西自然科學(xué)基金重大專(zhuān)項(xiàng)(2010GXNSFE013002;2010GXNSFE013003);國(guó)家自然科學(xué)基金(41172313;41361057);廣西植物研究所基本業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(桂植業(yè)11001);中國(guó)科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(科發(fā)人教字[2011]180)

曾丹娟(1982—),女,湖南洞口人，學(xué)士，助理研究員,主要從事植物生理生態(tài)研究。E-mail:djzeng221@163.com

S714

A

1005-3409(2015)04-0210-04