桂西北5種退耕還林林分枯落物的持水特性

宋 飛，吳立素，申慶海，莊 嘉*

(1.廣西大學(xué)林學(xué)院，廣西南寧 530004；2.廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州 545000)

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桂西北5種退耕還林林分枯落物的持水特性

宋 飛1，吳立素2，申慶海1，莊 嘉1*

(1.廣西大學(xué)林學(xué)院，廣西南寧 530004；2.廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州 545000)

[目的]為桂西北石漠化地區(qū)退耕還林生態(tài)建設(shè)提供一定的理論依據(jù)。[方法]對(duì)桂西北5種退耕林分枯落物蓄積量與持水特性進(jìn)行研究。[結(jié)果]5種林分林下枯落物總蓄積量大小依次為尾葉桉(11.59 t/hm2)、任豆(7.99 t/hm2)、核桃(7.71 t/hm2)、板栗(7.14 t/hm2)、香椿(3.70 t/hm2)；5種不同林分各分解層枯落物持水能力表現(xiàn)基本一致，從大到小均為香椿、板栗、任豆、尾葉桉、核桃，半分解層枯落物持水量大于未分解層；不同林分林下枯落物持水量隨著時(shí)間增加而增加，半分解層在浸泡2 h有較快上升，未分解層在浸泡4 h明顯上升，之后進(jìn)入平穩(wěn)階段；不同林分枯落物吸水速率隨著時(shí)間增加而減小，枯落物半分解層與未分解層吸水速率在浸泡2 h內(nèi)最快，2～8 h逐漸變小，8 h之后明顯減緩；不同林分林下枯落物的有效攔蓄量大小為尾葉桉(36.89 t/hm2)、板栗(26.65 t/hm2)、任豆(23.19 t/hm2)、香椿(16.64 t/hm2)、核桃(15.36 t/hm2)。[結(jié)論]尾葉桉具有較大蓄積量和有效攔蓄量，今后在以涵養(yǎng)水源與水土保持為目標(biāo)的森林經(jīng)營(yíng)中，可適當(dāng)增加該樹(shù)種的種植。

退耕還林；林下枯落物；持水特性

林地的枯落物層是由林木及林下植被凋落下來(lái)的莖、葉、枝條、花、果實(shí)、樹(shù)皮和枯死的植物殘?bào)w所形成的地面覆蓋層[1]。森林的枯落物在整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，不僅對(duì)截持降水、防止土壤濺蝕、阻延地表徑流、抑制土壤水分蒸發(fā)、增強(qiáng)土壤抗沖性等方面具有一定的作用，而且其作為森林水文效應(yīng)的第二活動(dòng)層，對(duì)森林涵養(yǎng)功能的調(diào)控具重要意義[2]。研究表明，森林枯落物層水源涵養(yǎng)功能大于森林的幼樹(shù)和灌草活地被層，能吸收相當(dāng)于自身質(zhì)量2～4倍的水分[3-5]，所滯留和吸收的水分對(duì)延緩徑流產(chǎn)生和發(fā)生數(shù)量，維持并提高土壤肥力具有積極作用[6]。

廣西為典型的喀斯特地貌，尤其是桂西北地區(qū)，水土流失、石漠化嚴(yán)重。自2001年廣西開(kāi)始實(shí)施退耕還林工程以來(lái)，成效顯著。筆者選取桂西北5種退耕還林模式，分別為板栗(Castaneamollissima)、香椿(Toonasinensis)、核桃(Juglansregia)、尾葉桉(Eucalyptusurophylla)、任豆特性(Zeniainsignis)林地，研究其林下枯落物的蓄積量和持水特性的變化，旨在為桂西北石漠化地區(qū)退耕還林生態(tài)建設(shè)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 桂西北位于廣西西北邊陲、云貴高原南麓，地理坐標(biāo)為104°29′～109°09′ E、23°41′～25°37′ N，屬于中亞熱帶南緣季風(fēng)氣候，年均溫19.5 ℃，年均降雨量1 000 mm，時(shí)空分布不均勻，占地總面積約6.94萬(wàn)km2，包含廣西河池市11個(gè)縣(市、區(qū))與百色市12個(gè)縣(區(qū))。以山地和峰叢洼地為主，山區(qū)面積占比較大(河池與百色分別為59%和30%)。成土母巖主要有石灰?guī)r、紫色巖等，喀斯特地貌廣為發(fā)育。

1.2 樣地設(shè)置 標(biāo)準(zhǔn)樣地設(shè)在廣西河池市的東蘭縣(板栗、香椿)、鳳山縣(核桃)和百色市的平果縣(尾葉桉、任豆)。選取板栗、香椿、核桃、尾葉桉、任豆5種退耕林分，每種林分類(lèi)型各設(shè)置20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)樣地3塊，共15塊。對(duì)應(yīng)每種樣地土壤類(lèi)型、氣候、坡度等條件基本一致，2015年11月對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣地進(jìn)行調(diào)查(表1)。各林分林下灌草層優(yōu)勢(shì)種主要為：板栗林為海金沙(Lygodiumjaponicum)、蔓生莠竹(Microstegiumvagans)、東方烏毛蕨(Blechnumorientale)；香椿林為地桃花(Urenalobata)、豬屎豆(Crotalariapallida)、毛蒿(Artemisiahandel-mazzettii)；核桃林為地桃花、三月泡(RubuscorchorifoliusL.F.)、勝紅薊(AgeratumconyzoidesL)、藎草(Arthraxonhispidus)；尾葉桉林為崗柃(Euryagroffii)、杜莖山(Maesajaponica)、蔓生莠竹、漸尖毛蕨(Cyclosorusacuminatus)；任豆林為紅背山麻桿(Alchorneatrewioides)、三月泡、艾草(ArtemisiaargyiLevl)、鴨跖草(CommelinacommunisL)。

表1 不同林分標(biāo)準(zhǔn)樣地概況

1.3 枯落物采集與蓄積量測(cè)定 在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)按照樣方對(duì)角線五點(diǎn)法設(shè)置5個(gè)20 cm×20 cm小樣方，共計(jì)75個(gè)，測(cè)量并記錄枯落物層總厚度、未分解層厚度、半分解層厚度。收集小樣方內(nèi)全部枯落物，按照未分解層和半分解層分別裝入布袋中，標(biāo)號(hào)并稱(chēng)其鮮重(m1)，帶回實(shí)驗(yàn)室，在85 ℃下烘干至恒重，記錄烘干后質(zhì)量(m2)，推算各林分不同分解層枯落物蓄積量(t/hm2)。

1.4 枯落物持水過(guò)程與持水能力測(cè)定 采用室內(nèi)泡水法測(cè)定枯落物持水量與吸水速率。將烘干至恒重的枯落物裝入40目網(wǎng)篩后，分別浸泡在盛有清水的容器中0.5、1、2、4、8、12、24 h，撈出瀝干至不因重力滴水后測(cè)量枯落物濕重，每個(gè)樣方持水試驗(yàn)重復(fù)3次，計(jì)算均值，通過(guò)換算成烘干質(zhì)量推算不同浸水時(shí)間的持水量與吸水速率。一般認(rèn)為枯落物浸水24 h的持水量和持水率為最大持水量和最大持水率[7]。

采用有效攔蓄量來(lái)估算枯落物對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄量[8]，按以下公式來(lái)計(jì)算各個(gè)含水指標(biāo)[9-12]：

C=(m1-m2)/m2×100%

(Ⅰ)

S=(mt-m2)/m2×1 000

(Ⅱ)

Sm=(m24-m2)/m2×100%

(Ⅲ)

Wm=(Rm-R0)×M

(Ⅳ)

W=(0.85Rm-R0)M

(Ⅴ)

式中，C為枯落物自然含水量(%)；m1為樣品鮮質(zhì)量(g)；m2為樣品烘干質(zhì)量(g)；S為枯落物持水量(g/kg)；mt為浸水時(shí)間為t時(shí)的枯物質(zhì)量(g)；Sm為飽和持水率(%)；m24為樣品浸水24 h后的質(zhì)量(g)；Wm為枯落物的最大攔蓄量(t/hm2)；R0為平均自然含水量(%)；Rm為最大持水率(%)；M為枯落物蓄積量(t/hm2)；W為有效攔蓄量(t/hm2)；0.85為有效攔蓄系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同退耕模式林下枯落物厚度及蓄積量比較 由表2可知，5種退耕林分的枯落物厚度從大到小依次為尾葉桉、核桃、香椿、任豆、板栗。5種林分中尾葉桉的總蓄積量最大(11.59 t/hm2)，香椿的總蓄積量最小(3.70 t/hm2)，其他林分總蓄積量由小到大分別為板栗(7.14 t/hm2)、核桃(7.71 t/hm2)、任豆(7.99 t/hm2)，這些差別主要由于枯落物的蓄積量與林分類(lèi)型有密切關(guān)系。樹(shù)種不同將影響林下枯落物的輸入與分解；不同退耕模式的林下主要灌草優(yōu)勢(shì)種不盡相同，這也影響到枯落物蓄積量大小。

分析發(fā)現(xiàn)，不同林分枯落物半分解層與未分解層蓄積量所占比例也有所不同。板栗半分解層蓄積量占總蓄積量的百分比最大(76.92%)，任豆所占比例最小(48.56%)，其他林分半分解層蓄積量占比由大到小分別為核桃(66.28%)、尾葉桉(63.98%)、香椿(58.00%)。其中，任豆林下枯落物半分解層蓄積量所占比例小于未分解層，可能由于任豆林分冠幅、密度較小，枯枝落葉分解較慢。

表2 不同退耕模式林下枯落物厚度及蓄積量

2.2 不同退耕模式林下枯落物持水性比較

2.2.1 枯落物持水量。根據(jù)枯落物持水量的測(cè)定方法，得到不同林分林下枯落物各層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系。由圖1可知，半分解層和未分解層中，均是香椿林持水能力最強(qiáng)，板栗林次之，核桃林持水能力最小。對(duì)不同分解層進(jìn)行比較，均是半分解層枯落物持水量大于未分解層枯落物持水量，這一結(jié)果可能與枯落物的物理性質(zhì)有關(guān)，包括枯落物葉片厚薄，軟硬程度，是否具蠟質(zhì)、角質(zhì)層或較厚的茸毛等[13]。

圖1 林下枯落物各層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系Fig.1 Relationship between water-holding capacity and soaking time of different forest litters

2.2.2 枯落物持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系。對(duì)所測(cè)定的5種林分林下枯落物持水量與浸泡時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析擬合處理發(fā)現(xiàn)，枯落物持水量與浸泡時(shí)間呈冪指數(shù)關(guān)系S=atb(R2最大)，式中S為枯落物持水量(g/kg)；t為浸泡時(shí)間(h)；a、b為方程指數(shù)。由分析擬合得到不同林分林下枯落物半分解層與未分解層持水量與浸泡時(shí)間的回歸方程(表3)。

由圖1可知，半分解層中，浸泡2 h，枯落物持水量有一個(gè)較快的上升階段，然后進(jìn)入平穩(wěn)上升階段，枯落物持水量隨時(shí)間變化增長(zhǎng)速度較慢，而在未分解層中，浸泡4 h，枯落物持水量明顯上升，之后進(jìn)入緩慢增長(zhǎng)階段。

2.2.3 枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系。將各林分林下枯落物不同浸泡時(shí)間的持水量除以浸泡時(shí)間得到枯落物吸水速率。對(duì)5種林分林下枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析擬合處理發(fā)現(xiàn)，枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間呈冪指數(shù)關(guān)系V=ktn(R2最大)，式中V為枯落物吸水速率[g/(kg·h)]；t為浸泡時(shí)間(h)；k、n為方程指數(shù)。由分析擬合得到不同林分林下枯落物半分解層與未分解層吸水速率與浸泡時(shí)間的回歸方程(表4)。

表3 林下枯落物各層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系式

Table 3 Relational expression of water-holding capacity and soaking time of different forest litters

林分類(lèi)型Typeofforeststand枯落物層Litterlayer關(guān)系式RelationalexpressionR2板栗Castaneamollissima半分解層S=1613．8t0．13190．9506未分解層S=1402．9t0．14320．9705香椿Toonasinensis半分解層S=2293．9t0．10930．9177未分解層S=1670．0t0．13370．9747核桃Juglansregia半分解層S=1111．3t0．14320．9661未分解層S=569．1t0．24620．9734尾葉桉Eucalyptus半分解層S=1410．4t0．11750．9908urophylla未分解層S=1064．3t0．18660．9833任豆Zeniainsignis半分解層S=1453．1t0．16050．9729未分解層S=662．9t0．18830．9632

由圖2可知，不同林分林下枯落物吸水速率均隨著浸泡時(shí)間的增加而減小。不同林分枯落物半分解層與未分解層吸水速率隨時(shí)間變化趨勢(shì)大致相同，吸水速率在浸泡2 h內(nèi)最快，2～8 h逐漸變小，8 h之后枯落物吸水速率隨時(shí)間變化減小、速度較慢，這主要是由于隨著浸泡時(shí)間的增加，枯落物的吸水量基本達(dá)到飽和[14]。

圖2 林下枯落物各層吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系Fig.2 Relationship between water absorption rate and soaking time of different forest litters

Table 4 Relational expression of water absorption rate and soaking time of different forest litters

林分類(lèi)型Typeofforeststand枯落物層Litterlayer關(guān)系式RelationalexpressionR2板栗Castaneamollissima半分解層V=1613．8t-0．8680．9988未分解層V=1402．9t-0．8570．9992香椿Toonasinensis半分解層V=2293．9t-0．8910．9987未分解層V=1670．0t-0．8660．9994核桃Juglansregia半分解層V=1111．3t-0．8570．9990未分解層V=569．1t-0．7540．9971尾葉桉Eucalyptus半分解層V=1410．4t-0．8820．9998urophylla未分解層V=1064．3t-0．8130．9991任豆Zeniainsignis半分解層V=1453．1t-0．8390．9990未分解層V=662．9t-0．8120．9979

2.2.4 枯落物攔蓄能力。在自然條件下，山地森林的坡面一般不會(huì)出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的浸水，落到枯落物層的雨水，一部分被攔蓄，另一部分透過(guò)空隙滲入到土壤中，枯落物層最大持水量并不等于其實(shí)際攔蓄的降雨量，故可以采用有效攔蓄量來(lái)衡量枯落物層實(shí)際持水能力的大小[15-16]。由表5可知，不同林分林下枯落物的最大持水率的大小順序?yàn)橄愦?、板栗、尾葉桉、任豆、核桃，而最大持水量的大小順序?yàn)楹颂?、板栗、香椿、尾葉桉、任豆，最大持水量的大小受枯落物蓄積量與最大持水率的共同影響。

根據(jù)枯落物最大持水率與平均自然含水率計(jì)算出最大攔蓄量與有效攔蓄量。由表5可知，不同林分林下枯落物最大攔蓄量的大小順序?yàn)槲踩~桉、板栗、任豆、香椿、核桃，這與枯落物最大持水率和最大持水量的變化規(guī)律并不一致，主要由于不同樹(shù)種枯落物自身吸水能力、單位面積枯落物蓄積量及平均自然含水率等特性的差異性共同導(dǎo)致的[14]?？萋湮镉行r蓄量與最大攔蓄量變化規(guī)律一致，有效攔蓄量為16.64～36.89 t/hm2。5種林分中尾葉桉的有效攔蓄量最大，核桃的有效攔蓄量最小。

表5 不同林分林下枯落物攔蓄能力

3 結(jié)論

(1)林冠層和枯落物層是森林水文功能的2個(gè)重要層次，其既能吸附、截留一定量的降雨，又能有效減輕或防止雨水沖擊和侵蝕土壤[17]，特別是枯落物層，它是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[18]，可使森林更好地發(fā)揮涵養(yǎng)水源和保持水土的作用。5種林分林下枯落物總蓄積量為尾葉桉(11.59 t/hm2)、任豆(7.99 t/hm2)、核桃(7.71 t/hm2)、板栗(7.14 t/hm2)、香椿(3.70 t/hm2)。各林分不同分解層蓄積量所占比例不同，除任豆林外，各林分半分解層蓄積量大于未分解層。

(2)枯落物持水能力方面，不同分解層各林分持水能力表現(xiàn)基本一致，從大到小均為香椿、板栗、任豆、尾葉桉、核桃，半分解層枯落物持水量均大于未分解層枯落物持水量。

(3)枯落物持水量與浸泡時(shí)間之間關(guān)系為：枯落物持水量隨著時(shí)間增加而增加，半分解層枯落物持水量在浸泡2 h有較快上升，未分解層持水量在浸泡4 h明顯上升，之后進(jìn)入平穩(wěn)階段?？萋湮镂俾逝c浸泡時(shí)間之間關(guān)系為：枯落物吸水速率隨著時(shí)間增加而減小，枯落物半分解層與未分解層吸水速率在浸泡2 h內(nèi)最快，2～8 h逐漸變小，8 h之后明顯減緩。

(4)不同林分林下枯落物最大持水率的大小順序?yàn)橄愦?、板栗、尾葉桉、任豆、核桃，由于蓄積量不同，不同林分林下枯落物最大持水量的大小順序?yàn)楹颂?、板栗、香椿、尾葉桉、任豆。

(5)不同林分林下枯落物的有效攔蓄量大小為尾葉桉(36.89 t/hm2)、板栗(26.65 t/hm2)、任豆(23.19 t/hm2)、香椿(16.64 t/hm2)、核桃(15.36 t/hm2)。5個(gè)樹(shù)種中，尾葉桉有效攔蓄量大于其他樹(shù)種，今后在以涵養(yǎng)水源與水土保持為目標(biāo)的森林經(jīng)營(yíng)中，可適當(dāng)增加該樹(shù)種的種植。

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Water-Holding Characteristics of Five Types of Forest Litters of Returning Farmland to Forest in Northwest Guangxi

SONG Fei1，WU Li-su2，SHEN Qing-hai1，ZHUANG Jia1*

(1.College of Forestry，Guangxi University，Nanning，Guangxi 530004;2.Guangxi Eco-engineering Vocational and Technical College，Liuzhou，Guangxi 545000)

[Objective] To provide the theoretical basis for ecological construction of returning farmland to forest in rocky desert area of northwest Guangxi. [Method] Stand volume and water-holding characteristics of five types of forest litters of returning farmland to forest were researched in northwest Guangxi. [Result] Total stand volume of five types of forest litters were in the order ofEucalyptusurophylla(11.59 t/hm2)>Zeniainsignis(7.99 t/hm2)>Juglansregia(7.71 t/hm2)>Castaneamollissima(7.14 t/hm2)>Toonasinensis(3.70 t/hm2). Water holding capacities of five types of forest litters were basically consistent，which were in the order ofToonasinensis>Castaneamollissima>Zeniainsignis>Eucalyptusurophylla>Juglansregia. The water-holding capacity of the semi-decomposed litter was greater than that of the undecomposed litter. Water-holding capacity of the forest litter increased with the time prolonged. Semi-decomposed litter increased rapidly at 2 h; and undecomposed litter enhanced greatly when soaked for 4 h，and then entered into stable stage. Water absorption rate of the forest litter decreased as time prolonged. In the first 2 h，both the water absorption rate of semi-decomposed and undecomposed litter were the fastest. In 2-8 h after soaking，the rate gradually decreased. The rate declined slowly after 8 h.The effective interception rate of different forest litters were in the order ofEucalyptusurophylla(36.89 t/hm2)>Castaneamollissima(26.65 t/hm2)>Zeniainsignis(23.19 t/hm2)>Toonasinensis(16.64 t/hm2)>Juglansregia(15.36 t/hm2). [Conclusion]Eucalyptusurophyllahas relatively great stand volume and effective holding capacity. During the construction of water conservation and soil and water conservation in future，we should increase the planting ofEucalyptusurophylla.

Returning farmland to forest; Forest litters; Water-holding characteristics

廣西壯族自治區(qū)林業(yè)廳資助項(xiàng)目(20120897)。

宋飛(1991- )，女，安徽潛山人，碩士研究生，研究方向：森林生態(tài)。*通訊作者，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事森林生態(tài)與水土保持方面的研究。

2016-08-14

S 718.5

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0517-6611(2016)28-0150-04