冰雪災(zāi)害對粵北杉木林林冠殘?bào)w和凋落物持水特性的影響

侯曉麗 ，許建新 ，2，薛 立

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642；2. 深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳 518040）

冰雪災(zāi)害對粵北杉木林林冠殘?bào)w和凋落物持水特性的影響

侯曉麗1，許建新1，2，薛 立1

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642；2. 深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳 518040）

2008 年1～2 月廣東粵北地區(qū)遭受冰雪災(zāi)害的襲擊，導(dǎo)致杉木林產(chǎn)生了大量的林冠殘?bào)w。作者對2008年林冠殘?bào)w各組分和2008-2011年各年的凋落物持水特性進(jìn)行研究，可以了解災(zāi)后杉木林凋落物的涵養(yǎng)水源特點(diǎn)和為生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)提供參考。結(jié)果表明：2008年，各組分最大持水量為葉（10.9 t/hm2）＞凋落物（8.22 t/hm2）＞枝（8.13 t/hm2）＞干（6.25 t/hm2）＞皮（2.72 t/hm2），各組分最大持水率呈現(xiàn)葉（320%）＞干（296%）＞皮（280%）＞凋落物（227%）＞枝（214%）；各年度凋落物層的最大持水量呈現(xiàn)2008年（27.25 t/hm2）＞2011年（19.68 t/hm2）＞2010年（22.71 t/hm2）＞2009年（24.06 t/hm2）。2008年凋落物層的最大持水率為268%，2009—2011年在194%～200%之間。林冠殘?bào)w或凋落物持水量與浸泡時(shí)間、持水率與浸泡時(shí)間的關(guān)系均按照自然對數(shù)方程變化，而各組分和各年度的吸水速率隨浸泡時(shí)間按負(fù)指數(shù)方程下降。

杉木林；冰雪災(zāi)害；林冠殘?bào)w；凋落物；持水特性

凋落物對于生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)有重要影響[1]，同時(shí)發(fā)揮著截持降水、保持土壤水分、緩和土壤溫度、減少水土流失的作用[2]。因此，凋落物水源涵養(yǎng)能力成為森林凋落物研究的重點(diǎn)內(nèi)容。2008年初，我國南方發(fā)生了近50 年不遇的冰雪災(zāi)害，粵北杉木林在這次冰雪災(zāi)害中受嚴(yán)重?fù)p害，許多樹冠集中折斷，產(chǎn)生了大量的林冠殘?bào)w[3]，通過攔蓄雨水，減少地表徑流，短期內(nèi)提高了林地的水源涵養(yǎng)能力。我國學(xué)者對多種林分凋落物持水特性進(jìn)行過研究較多[4-8]，但是罕見冰雪災(zāi)害后林分凋落物水源涵養(yǎng)特性的報(bào)道[9-10]。

杉木Cunninghamia lanceolata是我國南方特有的速生針葉用材樹種[11-12]，面積達(dá) 9.21×106hm2[13]。盡管有冰雪災(zāi)害后杉木林冠殘?bào)w持水特性的報(bào)道[9]，但是林林冠殘?bào)w和正常凋落物會逐漸混合，其持水特性也會發(fā)生變化。作者對此進(jìn)行研究，可以為了解災(zāi)后杉木林凋落物的涵養(yǎng)水源特點(diǎn)和生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然環(huán)境概況

研究地位于廣東省北部的樂昌市樂昌林 場（24°57′～ 25°31′N， 東 經(jīng) 112°51′～113°34′E），屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，光照充足。年平均、最熱月平均（7月）、最冷月平均（1月）溫度分別為19.6℃、28.2℃和9.3℃。年平均降水量達(dá)2 522.3 mm，集中在3～8 月，11月至翌年2月為旱季。無霜期270 d，相對濕度70%～84%。土壤為花崗巖發(fā)育成的中厚腐殖質(zhì)層厚土層山地黃紅壤。

1.2 樣地基本情況

2008年3月在冰雪災(zāi)害后的17a的杉木林內(nèi)建立面積為20 m×20 m的固定樣地，三個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)林地處西南坡（SW 20°），坡度約30°，海拔約為700 m。林下植被主要為樓梯草Elatostema involucratum和狗脊Woodwardia japonica，蓋度分別占林地面積的15%～20%和10%～15%。試驗(yàn)林的杉木全部折干，殘干的平均胸徑、平均樹高和密度分別為17.99 cm、12.69 m和 1 667株/hm2。

2 研究方法

2.1 凋落物采集方法

2008的3月在每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置6個(gè)面積為2 m×2 m的固定樣方，測定樣方內(nèi)的林冠殘?bào)w的組分和正常凋落物的鮮重。由于冰雪災(zāi)害一年后，林冠殘?bào)w的枝葉和正常凋落物混雜在一起，無法區(qū)分，2009—2011年的每年3月調(diào)查樣方內(nèi)的混合凋落物的鮮重。為了使樣方內(nèi)凋落物不受干擾，取樣方旁邊的凋落物樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，在80℃恒溫下烘干，得出干重。

2.2 測定指標(biāo)

凋落物持水特性：凋落物的持水量、持水率、吸水速率。

2.3 測定方法

取100 g凋落物樣品裝入20 cm×20 cm的尼龍網(wǎng)袋后放入水盆，淹沒樣品。經(jīng)過0.5、1、1.5、2、4、6、8、10、12、16和24 h后，撈起樣品并靜置至凋落物不滴水時(shí)稱質(zhì)量，每個(gè)設(shè)3個(gè)重復(fù)，取平均值。凋落物凋落物持水量、凋落物持水率和凋落物吸水速率計(jì)算公式如下[7,9]：

凋落物持水量 WH(t·hm-2)= [凋落物濕重 (kg·m-2)－凋落物烘干重 (kg·m-2)]×10。

凋落物持水率WR(%)=(凋落物持水量WH/凋落物干重)×100。

凋落物吸水速率WA(g·kg-1h-1)= 凋落物持水量WR(g·kg-1)/吸水時(shí)間 t(h)。

2.4 數(shù)據(jù)處理軟件

測定數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2003 進(jìn)行數(shù)據(jù)初處理和作圖。數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2003整理后，采 用 SPSS16.0（Statistical Product and Service Solutions）軟件進(jìn)行相關(guān)分析，采用SAS 8.1軟件系統(tǒng)進(jìn)行方差分析和多重比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 受災(zāi)杉木林地的凋落物儲量變化

2008年雪災(zāi)后，大量的林冠隨著折斷的樹干輸入杉木林林地，包括枝、葉、干和皮。重量達(dá)19.11 t/hm2，各組分儲量大小為枝（7.11 t/hm2）＞葉（5.14 t/hm2）＞干（5.35 t/hm2）＞皮（1.51 t/hm2），凋落物的儲量為3.72 t/hm2，林冠殘?bào)w和凋落物合計(jì)為22.83 t/hm2（見表1）。

3.2 林冠殘?bào)w和凋落物的持水量

如圖1所示，浸泡0.5 h后，林冠殘?bào)w各組分持水量呈現(xiàn)葉 ＞ 枝 ＞ 凋落物 ＞ 干 ＞ 皮。此后凋落物持水量迅速增加，在浸泡2 h后超過枝持水量。浸水24 h后，葉、物、枝、干、皮達(dá)到其最大持水量，分別為 10.90、8.22、8.13、6.25、2.72 t/hm2。

表1 2008年林冠殘?bào)w和正常凋落物的儲量Table 1 Stem debris and litter mass

圖1 林冠殘?bào)w各組分和凋落物持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系Fig. 4 Relationship between water holding and immersed time of normal and non-normal litter components

由表2可知，2008林冠殘?bào)w和凋落物各組分的持水量WH和浸泡時(shí)間t的關(guān)系按照自然對數(shù)方程WH=alnt+b變化（式中a和b為系數(shù)）。用自然對數(shù)方程對各組分的持水量模擬的理論值接近實(shí)測結(jié)果，（R2＞ 0.933 0），二者極顯著相關(guān)（P＜0.001）。

表2 林冠殘?bào)w各組分和凋落物持水量與浸泡時(shí)間關(guān)系的模擬方程Table 2 Equation between water holding and immersed time of crown debris and litter

冰雪災(zāi)害后各年度凋落物的持水量隨著時(shí)間不斷增加（見圖2）。浸泡0.5～4 h的時(shí)間段內(nèi)，各年持水量快速增長，此后緩慢增長，均在24 h達(dá)到最大持水量。各年凋落物層的蓄水能力表現(xiàn)為2008年＞2011年＞2010年＞2009年。

2008林冠殘?bào)w和凋落物各組分的持水量WH和浸泡時(shí)間t的關(guān)系按照自然對數(shù)方程WH=alnt+b變化（見表3）。用自然對數(shù)方程模擬的理論值接近實(shí)測結(jié)果（R2＞ 0.964 4），呈現(xiàn)極顯著相關(guān)（P＜0.001）。

圖2 2008—2011凋落物持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系Fig. 2 Relationship between water holding and immersed time of crown debris and litter from 2008 to 2011

表3 2008—2011年凋落物層持水量與浸泡時(shí)間關(guān)系的模擬方程Table 3 Equation between water holding and immersed time from 2008 to 2011

3.3 林冠殘?bào)w和凋落物的持水率

凋落物吸收的水分與凋落物儲量的比值用來表示凋落物的持水率。在浸泡的0.5～1.5 h時(shí)間段內(nèi)，各組分的持水率表現(xiàn)為葉 ＞ 凋落物 ＞ 皮 ＞ 枝 ＞干（見圖3）；浸泡2 h后，干的持水率超過枝的持水率，呈現(xiàn)現(xiàn)為葉 ＞ 凋落物 ＞ 皮 ＞ 干 ＞ 枝。

由表4可知，各組分的持水率WR和凋落物浸泡時(shí)間t的關(guān)系按照自然對數(shù)方程WR=alnt+b變化（式中a和b為系數(shù)）。用自然對數(shù)方程模擬的各組分和凋落物的持水率與實(shí)測結(jié)果接近（R2＞0.886 0），呈現(xiàn)極顯著相關(guān)（P＜0.001）。

圖4顯示了各年度凋落物層持水率動態(tài)。隨著浸泡不同時(shí)間的延長，各年杉木林地的凋落物層持水率平緩上升。2008年凋落物層持水率在浸泡8 h后，達(dá)到飽和狀態(tài)，持水率為256%，而其他年份凋落物層持水率在8 h后仍然緩慢增長。2008年凋落物層持水率大于其他年份相差不大。

各年度凋落物層持水率（WR）與浸泡時(shí)間（t）的關(guān)系按照對數(shù)方程變化，方程模擬的各年份凋落物層持水率理論值接近實(shí)測結(jié)果相近（R2＞0.957 0），二者極顯著相關(guān)（P＜0.001）（表5）。

圖3 林冠殘?bào)w各組分和凋落物持水率與浸泡時(shí)間的關(guān)系Fig. 3 Relationship between water holding rate and immersed time of crown debris and litter

表4 林冠殘?bào)w各組分和凋落物持水率與浸泡時(shí)間關(guān)系的模擬方程Table 15 Equation between water holding rate and immersed time of crown debris and litter

圖4 2008—2011凋落物持水率與浸泡時(shí)間的關(guān)系Fig. 4 Relationship between water holding rate and immersed time of litter from 2008 to 2011

3.4 林冠殘?bào)w和凋落物的吸水速率

圖5顯示2008年的林冠殘?bào)w和凋落物的吸水速率。各組分和凋落物的吸水速率在0.5～4 h浸泡時(shí)間段急劇下降，此后緩慢下降。在0.5～2 h浸泡時(shí)間段，各組分的吸水速率表現(xiàn)為葉 ＞ 凋落物 ＞ 皮＞ 枝 ＞ 干，此后干的吸水速率超過枝的吸水速率，呈現(xiàn)為葉 ＞ 凋落物 ＞ 皮 ＞ 干 ＞ 枝。

由表6可知，各組分和凋落物的吸水速率WA和浸泡時(shí)間t的關(guān)系按照方程WA=a·t-b變化（a和b為系數(shù)）。用乘冪方程模擬的各組分和凋落物吸水速率理論值與實(shí)測結(jié)果接近（R2＞ 0.999 8），二者極顯著相關(guān)（P＜0.001）。

表5 2008—2010年凋落物層持水率與浸泡時(shí)間關(guān)系的模擬方程Table 5 Equation between water holding rate and immersed time from 2008 to 2011

表6 林冠殘?bào)w各組分和凋落物吸水速率與浸泡時(shí)間關(guān)系的模擬方程Table 6 Equation between water absorption rate and immersed time of crown debris and litter

各年度凋落物層吸水速率動態(tài)見圖6。2008年的凋落物層吸水速率在浸泡時(shí)間0.5～4.0 h時(shí)間段內(nèi)急劇下降，此后緩慢下降。2009年的凋落物層在浸泡不同時(shí)間后，其凋落物層吸水速率的下降趨勢和2010年、2011年的較為相似。0.5 h時(shí)，2008、2009、 2010和2011年杉木林地凋落物層的吸水速率分別為4 693、2 783、 2 919和2 748 g/(kg·h)，浸泡4 h 后，吸水速率分別下降了86.9%、84.6% 、85.4%和85.2%，浸泡16 h后分別下降到 165、119、119和115 g/(kg·h)。此后，各年杉木林地凋落物層的吸水速率相差不是很大。

由表7可知，凋落物層吸水速率（WA）與浸泡時(shí)間（t）的關(guān)系按照乘冪方程變化，各年份的凋落物層吸水速率理論值相近實(shí)測結(jié)果（R2＞0.999 8），二者極顯著相關(guān)（P＜0.001）。

4 結(jié)論與討論

圖5 林冠殘?bào)w各組分和凋落物持水率與浸泡時(shí)間的關(guān)系Fig. 5 Relationship between water absorption rate and immersed time of crown debris and litter

圖6 2008—2011年凋落物層吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系Fig. 6 Relationship between water absorption rate and immersed time from 2008 to 2011

2008年，林冠殘?bào)w各組分中，枝的質(zhì)量最大（7.11 t/hm2），干和葉相近，分別為5.35和5.14 t/hm2，而正常凋落物和皮的質(zhì)量較小，分別僅為3.72和1.51 t/hm2。各組分的持水量由其質(zhì)量和持水特性共同決定。林冠殘?bào)w中葉的質(zhì)量僅列第3，但是其最大持水率最（320%）大，所以持水量最大，達(dá)10.9 t/hm2；正常凋落物的質(zhì)量僅列第4，但是其最大持水率略小于葉（296%），所以其持水量僅次于葉（8.22 t/hm2）；枝的干質(zhì)量是其他組分的1.3倍以上，但是最大持水率最?。?14%），故最大持水量僅為8.13 t/hm2；干的干質(zhì)量略小于枝，其最大持水率僅列第4 （227%），故最大持水量在各組分中僅高于皮，為8.13 t/hm2； 皮的最大持水率中等（280%），干質(zhì)量卻在組分中最小，不到其他組分的41%，所以最大持水量最小，僅2.72 t/hm2。林冠殘?bào)w總的最大持水量為36.72 t/hm2，為凋落物的4.5倍，成為受災(zāi)杉木林地表涵養(yǎng)水源的主體。干的木質(zhì)部的導(dǎo)管具有大量的孔隙，凋落物由于分解物質(zhì)的流失變得疏松，故2者吸水速度快，持水率最早達(dá)到飽和；枝、葉和皮由于的細(xì)胞內(nèi)含物較多而影響了吸水速度，持水率飽和較晚。

表7 2008—2011年凋落物層吸水速率與浸泡時(shí)間關(guān)系的模擬方程Table 7 Equation between water absorption rate and immersed time from 2008 to 2011

在冰雪災(zāi)害后杉木林各年凋落物層的持水量存在差異，表現(xiàn)為2008年＞2011年＞2010年＞2009年；2008年的持水量、持水率和吸水速率明顯較大，其他年份相差不大，變化幅度較小；2008年，杉木林地凋落物層的最大持水量為27.25 t/hm2， 而 2009年 的 則 為 19.74 t/hm2。2009 和2008年相比，杉木林地凋落物層的持水量有所下降。凋落物的蓄水量與林地上的數(shù)量及其本身的持水能力密切相關(guān)[14]。本研究中凋落物的現(xiàn)存量越大時(shí)，持水能力越強(qiáng)。另外，冰雪災(zāi)害初期，產(chǎn)生的大量林冠殘?bào)w可以吸收水分，因而林地表面的水源涵養(yǎng)能力增強(qiáng)。冰雪災(zāi)害后期凋落物儲量隨著分解而下降，從而導(dǎo)致其蓄水能力的下降。2010和2011年，凋落物儲量的增加，從而導(dǎo)致林分蓄水能力的提高。

凋落物的持水率用凋落物吸收的水分與凋落物干質(zhì)量的比值來表示，該值越大，凋落物的持水能力就越強(qiáng)[15]。2008年，杉木林地凋落物層的最大持水率為268%，2009—2011年在194%～200%之間。2008—2011年的持水率與持水量的變化趨勢基本一致。因?yàn)?008年初，冰雪災(zāi)害造成大量凋落物的林冠殘?bào)w，其中包括含水率較高的新鮮葉片，使得2008年凋落物層的最大持水率高于其他年份。

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Effect of ice-storm damage on water holding characteristics of crown debris and litter in a Cunninghamia lanceolata stand

HOU Xiao-li1, XU Jian-xin1,2, XUE Li1
(1.College of Forestry, South China Agricultural University, Guangzhou, 510642, Guangdong, China)2.Shenzhen Tech and Ecology ＆ Environment CO., LTD, Shenzhen 518040, Guangdong, China)

A huge ice storm stroke on the north of Guangdong province from January to February 2008, resulting in a lot of crown debris in a Cunninghamia lanceolata stand. Water Holding Characteristic of components of crown debris in 2008 and litter from 2008 to 2011 were studied, to understand hydrological function of litter and to provide basis for the recovery of the C. lanceolata stand suffering from ice storm damage. The order of maximum water holding capacity of the components was leaves (10.9 t/hm2) ＞litter (8.22 t/hm2)＞ branches (8.13 t/hm2) ＞ stem (6.25 t/hm2) ＞ bark (2.72 t/hm2). The proportional water holding capacity as a percentage of dry weight in the components was 320%, 296%，280%，227% and 214% for leaves, stem, bark, litter and branches, respectively. The order of maximum water holding capacity was 27.25, 24.06, 22.71 and 19.68 t/hm2for 2008, 2009, 2010 and 2011, respectively, and the proportional water holding capacity was 268% in 2008 and 194%～200% from 2009 to 2011. The total water holding capacity and proportional water holding capacity of the components or litter increased logarithmically with increasing time immersed in water,whereas their water absorption rates decreased according to negative exponential equation with increasing time immersed in water.

Cunninghamia lanceolata; ice storm damage; crown debris; litter; water holding characteristics

S715.3

A

1673-923X(2016)11-0086-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.11.015

2015-05-18

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目“粵北森林冰雪災(zāi)害評估及災(zāi)后復(fù)產(chǎn)技術(shù)研究與示范”（2008A020100013）；廣東省省級科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015B090904008）

侯曉麗，碩士研究生 通訊作者：薛 立，教授，博士；E-mail：forxue@scau.edu.cn

侯曉麗，許建新，薛 立.冰雪災(zāi)害對粵北杉木林林冠殘?bào)w和凋落物持水特性的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,36(11): 86-91.

[本文編校：吳 毅]