廣州市流溪河小流域典型林分枯落物的持水特性

邱治軍，牛 強(qiáng) ，周光益，朱寧華

（1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州 510520；2. 中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004）

廣州市流溪河小流域典型林分枯落物的持水特性

邱治軍1，牛 強(qiáng)2，周光益1，朱寧華2

（1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州 510520；2. 中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004）

通過對廣州市流溪河常綠闊葉林和竹林地表枯落物的儲(chǔ)量和持水性能進(jìn)行調(diào)查分析，結(jié)果表明：(1)常綠闊葉林地表枯落物的儲(chǔ)量為7.73 t·hm-2，是竹林的1.7倍；(2)常綠闊葉林枯落物的最大持水量相當(dāng)于截持1.23 mm的降雨，高于竹林的0.87 mm；各枯落物層的吸水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系可用對數(shù)方程很好地?cái)M合；(3)常綠闊葉林未分解層和樹枝在浸泡4 h左右基本達(dá)到飽和，而半分解層在浸泡6 h～8 h時(shí)達(dá)到飽和；竹林枯落物層在浸泡8 h～10 h時(shí)基本達(dá)到飽和；(4)各枯落物層的吸水速率隨著浸泡時(shí)間的增長呈下降趨勢，兩者之間的關(guān)系用冪函數(shù)方程進(jìn)行擬合最好。(5)流溪河地區(qū)常綠闊葉林地表枯落物的持水性能優(yōu)于竹林，從水土保持和水源涵養(yǎng)功能角度出發(fā)，應(yīng)盡量減少竹林，增加闊葉林比例。

常綠闊葉林；竹林；地表枯落物；持水量

地表枯落物層是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，主要是由植物的葉、枝、花、果實(shí)等凋落物組成。作為大氣降雨進(jìn)入林內(nèi)后的第一個(gè)接觸層，它不僅能夠起到截持降雨、防止土壤濺蝕、減少地表徑流的作用，而且在抑制土壤水分蒸發(fā)、增強(qiáng)土壤抗沖性能等方面也有著重要的意義[1-3]。目前，國內(nèi)學(xué)者對于我國不同地域、不同林分類型的地表枯落物的生態(tài)水文功能的研究取得了一定的成果[4-8]。

流溪河是廣州市的母親河，是廣州市重要的水源地，加強(qiáng)流溪河典型林分的水源涵養(yǎng)功能研究具有非常重要的意義，而地表枯落物的儲(chǔ)量和持水性能是水源涵養(yǎng)功能的一個(gè)重要指標(biāo)。目前，已有不少學(xué)者對流溪河森林的土壤水文特性[9]、林冠截留特性[10]等進(jìn)行了初步的研究，但是對地表枯落物的研究還未見報(bào)導(dǎo)。本文針對流溪河兩種典型林分常綠闊葉林和毛竹林的地表枯落物水文效應(yīng)進(jìn)行研究，以期為流溪河水源林建設(shè)和水土保持工作提供基礎(chǔ)的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省廣州市流溪河國家森林公園，距廣州市區(qū)93 km，地理坐標(biāo)為東經(jīng)113°45′～ 113°54′，北緯 23°32′～ 23°50′。研究區(qū)內(nèi)山體密集，坡度較大，土壤的成土母巖主要是花崗巖，部分的頁巖和石英巖，大部分地區(qū)為紅壤或黃紅壤，東南部為輕沙黃壤，質(zhì)地以粉沙和細(xì)沙為主，土壤肥力較差，呈中性或弱酸性。

研究區(qū)位于北回歸線附近，氣候以南亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候?yàn)橹鳎炅砍渑?，溫度高，空氣潮濕。該區(qū)的年平均降雨量為2 104.7 mm，年平均空氣相對濕度79%，年平均氣溫20.3℃，日平均最高氣溫 31.0℃，日平均最低氣溫11.8℃，歷史記錄最高氣溫39.2℃（1980年7月1日），最低氣溫-6.8℃（1960年1月12日）；最冷的1月份平均氣溫11.5℃，最熱的7月份平均27.4℃。研究區(qū)植被屬南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林，群落結(jié)構(gòu)外貌終年常綠，主要的林分類型有常綠闊葉林、毛竹林、針闊混交林、馬尾松林。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 樣地及植被概況

試驗(yàn)樣地位于廣州市流溪河森林公園內(nèi)，其中常綠闊葉林樣地面積為30m×40m，喬木主要由殼斗科Fagaceae、樟科 Lauraceae、山茶科Theaceae、五加科Araliaceae和衛(wèi)矛科Celastraceae物種組成。樣地喬木層物種大都以中華錐Gomp Hostemmachinense、黃樟Cinnamomum parthenoxylon、鴨腳木Schef flera octophylla和木荷Schima superba等陽性樹種為主。竹林樣地的面積為20 m×30 m，竹林群落結(jié)構(gòu)單一，基本都是單層水平郁閉。樣地的基本信息如下表所示：

表1 樣地基本信息表Table 1 Basic information of two sample plots

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

在闊葉林和竹林樣地內(nèi)，分別隨機(jī)收集30份地表枯落物樣品，每次收集時(shí)先用框框出50 cm×50 cm的面積，現(xiàn)場測量枯落物層的厚度后，將全部枯落物收入準(zhǔn)備好的樣品袋中。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，先將其分成為樹枝、未分解層和半分解層，各取一部分進(jìn)行烘干稱重，然后進(jìn)行泡水實(shí)驗(yàn)，測定其持水量和吸水速率。泡水實(shí)驗(yàn)方法如下：將樣品浸泡水中，分別測其在0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h、14 h、16 h、24 h時(shí)的質(zhì)量變化，每次稱取放至無重力水滴下時(shí)的濕重，濕重與其干重之差即為樣品在不同浸泡時(shí)間的持水量。持水量與浸泡時(shí)間的比值為枯落物的吸水速率。

表2 兩種林分地表枯落物儲(chǔ)量Table 2 Litter fall storage of two forest stands

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物儲(chǔ)量

林分的樹種組成、林齡以及林內(nèi)溫濕度的都會(huì)影響地表枯落物的輸入量和分解速度，進(jìn)而影響到林內(nèi)地表枯落物的儲(chǔ)量[11]。常綠闊葉林和竹林的地表枯落物厚度分別為2.10 mm、1.50 mm（見表2）。這種差異可能是由于林分類型的不同所決定的：常綠闊葉林落葉量大，枯枝較多，枯落物層比較疏松，因而枯落物層較厚；而竹葉很細(xì)小，少有枯枝，枯落物層比較緊實(shí)，因而枯落物厚較薄。常綠闊葉林和竹林的枯落物儲(chǔ)量分別為7.73 t·hm-2和 4.57 t·hm-2，常綠闊葉林的地表枯落物儲(chǔ)量是竹林的1.7倍。 常綠闊葉林地表枯落物的半分解層儲(chǔ)量高于未分解層和樹枝，竹林則表現(xiàn)為未分解層稍高于半分解層。常綠闊葉林枯落物各層所占的比例依次為：半分解層58.86%、未分解層26.39%、樹枝14.75%；竹林為：未分解層59.12%、半分解層40.88%。

3.2 枯落物持水性能

地表枯落物層對林內(nèi)降雨的截持是森林生態(tài)系統(tǒng)中水分循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)?？萋湮锏淖畲蟪炙?、最大持水率、吸水速率等也是反映枯落物層生態(tài)水文功能的重要指標(biāo)[11]。通常來講，枯落物層的最大持水量是由枯落物儲(chǔ)量及其持水特性決定的。如表3所示，通過泡水實(shí)驗(yàn)測得的兩種林分的枯落物的持水性能有所不同，兩種林分枯落物半分解層的最大持水量都高于未分解層的最大持水量。常綠闊葉林的樹枝吸持水能力很差，其最大持水量相當(dāng)于0.06 mm的降雨，僅為未分解層和半分解層最大持水量的1/6、1/14。常綠闊葉林枯落物層總的最大持水量相當(dāng)于1.23 mm的降雨，高于竹林的0.87 mm。因此，常綠闊葉林對降雨的截持能力優(yōu)于竹林。枯落物的最大持水率通常與枯落物本身的性質(zhì)，以及枯落物層的分解程度和發(fā)育狀況有關(guān)[12]，兩種林分半分解層的最大持水率均高于未分解層的最大持水率，整個(gè)枯落物層的持水率表現(xiàn)為竹林（208.8%）大于常綠闊葉林（161.7%），這可能是由于竹林枯落物層分解程度高，具有孔隙多、小、細(xì)、吸水面大的特點(diǎn)，因而吸水性能更好[12]。

表3 兩種林分枯落物持水能力?Table 3 Water- holding capacity of litter fall in two forest stands

3.3 枯落物層的吸水過程

枯落物層的持水量隨著浸泡時(shí)間的延長而增加，但變化趨勢各不相同。從圖1（a）可以看出，常綠闊葉林枯落物層的未分解層和樹枝在浸泡4 h左右時(shí)吸水量基本趨于飽和，而半分解層的吸水量在浸泡6～8 h左右時(shí)才趨于飽和，這說明常綠闊葉林的枯落物層中半分解層的持水能力優(yōu)于未分解層和樹枝。而竹林枯落物的未分解層和半分解層的吸水量均在8～10 h左右達(dá)到飽和。對兩種林分各枯落物層的吸水量和浸泡時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)用對數(shù)曲線擬合效果最好，其關(guān)系式如下：

圖1 枯落物吸水量和浸泡時(shí)間的關(guān)系Fig.1 Relationship between the holding water of litter and immersion time

常綠闊葉林：

竹林：

式中：W為吸水量，t為浸泡時(shí)間。

枯落物層的吸水速率隨浸泡時(shí)間的延長逐漸減小，在開始浸泡時(shí)，由于枯枝落葉的死細(xì)胞間或枝葉表面水勢差較大，吸水速率高[13]。由表4可以看出，無論是常綠闊葉林還是竹林的枯落物層在0.5 h內(nèi)的吸水速率最大，而后隨著浸泡時(shí)間的延長吸水速率明顯下降，在4 h之后下降趨勢減緩，8 h以后吸水速率變化趨勢趨于平緩。雖然不同林分的枯落物層在浸泡初始階段的吸水速率各不相同，但隨著浸泡時(shí)間的增加，各枯落物層的持水量趨于穩(wěn)定，因此各枯落物層的吸水速率隨浸泡時(shí)間的變化趨勢基本一致。

枯落物層吸水速率和浸泡時(shí)間呈明顯的相關(guān)性，采用回歸分析表明，用冪函數(shù)方程擬合兩者之間的關(guān)系效果最好，其擬合結(jié)果見表5。

表4 不同浸泡時(shí)間的枯落物吸水速率Table 4 Water absorption rate at different immersion time

表5 枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系?Table 5 Relationship between absorption rate of litter fall and immersion time

4 結(jié)論與討論

(1) 本文通過泡水實(shí)驗(yàn)對流溪河常綠闊葉林和竹林地表枯落物的持水過程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明枯落物層的持水量隨浸泡時(shí)間的延長逐漸增加，最終達(dá)到飽和，兩者的關(guān)系用對數(shù)函數(shù)擬合效果最好。兩種林分枯落物層的吸水速率隨浸泡時(shí)間的延長逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定，保持不變，兩者的關(guān)系用冪函數(shù)擬合效果最好，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果[5-8]基本一致。

(2) 流溪河常綠闊葉林的地表枯落物儲(chǔ)量為7.73 t·hm-2，高于2012年鄭燕柔等[14]在佛山市西樵山觀測的常綠闊葉林地表枯落物儲(chǔ)量（4.09 t·hm-2），但 遠(yuǎn) 低于 2014 年 周 利軍 等[15]在 重慶縉云山觀測的常綠闊葉林的地表枯落物儲(chǔ)量（25.48 t·hm-2）。這種差異可能是由其所處地域氣候條件的不同造成的，廣州流溪河地處北回歸線附近，空氣溫度和濕度都比重慶縉云山高，因而地表枯落物的分解速度快，枯落物儲(chǔ)量就少。

(3) 常綠闊葉林地表枯落物的最大持水量相當(dāng)于1.23 mm的降雨，介于西樵山和縉云山常綠闊葉林地表枯落物的最大持水量之間[14-15]。竹林的地表枯落物儲(chǔ)量為4.57 t·hm-2，最大持水量為0.87 mm，這與2010年張昌順等[16]在閩北研究毛竹林枯落物的結(jié)果相差無幾，但低于我國毛竹林的平均水平(1.48 mm)[17]。

(4) 常綠闊葉林枯落物層的厚度、儲(chǔ)量、以及最大持水量均高于竹林。當(dāng)降雨透過冠層進(jìn)入林內(nèi)，首先接觸的就是地表枯落物層，因而常綠闊葉林能夠吸持和攔蓄更多的林內(nèi)降雨，避免形成更多的地表徑流沖刷地表，造成水土流失。此外，常綠闊葉林在土壤水文特性[6]、林冠截留[6]等方面都要優(yōu)于竹林。流溪河是廣州市重要的水源保護(hù)地，提高森林的水土保持和水源涵養(yǎng)功能至關(guān)重要。因此，從水土保持角度出發(fā)，流溪河小流域應(yīng)盡量減少竹林，并增加常綠闊葉林比例。

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Water-holding capability of litter fall in Liuxihe catchment, Guangzhou city

QIU Zhi-jun1, NIU Qiang1,2, ZHOU Guang-yi1, ZHU Ning-hua2
(1. Research Institute of Tropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Guangzhou 510520, Guangdong, China;2 . Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

storage and water-holding capability of litter fall in evergreen broad-leaved forest and Moso bambooPhyllostachys pubescensforest stand in Liuxihe forest park were investigated and analyzed. It indicated that: (1) Litter fall storage of evergreen broad-leaved forest was 7.73 t·hm-2, which was 1.7 times that of Moso bamboo forest stand. (2) Max holding water of litter fall in evergreen broadleaved forest stand and Moso bamboo forest stand were 1.23 mm and 0.87 mm, respectively. The relationship between holding water of litter fall and immersion time can be fi tted by logarithm equation. (3) Non-decomposed litter of evergreen broad-leaved forest reached saturation after about 4h, and the saturation time of half-decomposed litter of evergreen broad-leaved forest and Moso bamboo were 6h to 8h and 8h to 10h, respectively. (4) Water absorption rate decreased with immersion time, and their relationship can be fi tted by power function. (5) Water-holding capability of litter fall in evergreen broad-leaved forest was better than that in bamboo. Therefore, for the purpose of soil and water conservation, Moso bamboo forest should be cut off in Liuxihe forest park.

evergreen broad-leaved forest; bamboo; litter fall; water-holding capability

S715.2

A

1673-923X(2016)04-0064-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.04.012

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-11-12

廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新專項(xiàng)（2013KJCX018-01）；廣州市林業(yè)和園林局科技項(xiàng)目

邱治軍，博士，助理研究員；E-mail：qzhijun@126.com

邱治軍，牛 強(qiáng)，周光益，等. 廣州市流溪河小流域典型林分枯落物的持水特性[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016, 36(4):64-67, 79.

[本文編校：吳 彬]