格氏栲天然林3種群落類型凋落物的持水性

劉艷會(huì)， 劉金福， 馬瑞豐，何中聲，洪 偉， 馮雪萍

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建福州 350002； 2.福建農(nóng)林大學(xué)海峽自然保護(hù)區(qū)研究中心，福建福州 350002)

森林凋落物是森林在新陳代謝過(guò)程中，經(jīng)自然、人為干擾后產(chǎn)生的有機(jī)殘留物[1]。在物質(zhì)循環(huán)、土壤理化性質(zhì)調(diào)節(jié)、水量平衡維持、抑制土壤水分蒸發(fā)、阻滯地表徑流上發(fā)揮著不可替代的生態(tài)服務(wù)功能[2-3]。許多學(xué)者對(duì)凋落物涵養(yǎng)水源能力進(jìn)行了研究，目前主要從不同林分類型(針葉林、闊葉林、混交林等)和影響因素(組成、儲(chǔ)量、分解度等)2個(gè)方面進(jìn)行研究[4-9]。通過(guò)不同林分類型和各種影響因素與凋落物涵養(yǎng)水源關(guān)系的研究，對(duì)合理經(jīng)營(yíng)森林資源、改善水環(huán)境、實(shí)現(xiàn)水資源科學(xué)管理和利用具有重要意義[10]。

福建省三明小湖地區(qū)約有700 hm2以格氏栲(CastanopsiskawakamiiHayata)占優(yōu)勢(shì)的天然林，為中亞熱帶常綠闊葉林地帶南緣局部地區(qū)的重要林型，是目前全世界獨(dú)一無(wú)二的大面積格氏栲林，堪稱“世界格氏栲林”[11]。目前該天然林出現(xiàn)斷代嚴(yán)重、更新困難等問(wèn)題，久之可能會(huì)被馬尾松(Pinusmassoniana)、木荷(Schimasuperba)、米櫧(Castanopsiscarlesii)演替[12]。為合理保護(hù)格氏栲的優(yōu)勢(shì)地位，許多學(xué)者從不同角度對(duì)該格氏栲林進(jìn)行了研究，關(guān)于凋落物的研究主要集中在分解程度和養(yǎng)分周轉(zhuǎn)方面，對(duì)林下凋落物持水特性的研究還鮮有報(bào)道[11-16]。因此，通過(guò)實(shí)地調(diào)查選取立地條件相同的3種典型格氏栲群落，研究不同群落類型凋落物的持水特性，旨在促進(jìn)格氏栲天然林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)[15]。

1 研究地概況

格氏栲自然保護(hù)區(qū)位于福建省三明市莘口鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)為26°01′～26°06′N，117°24′～117°27′E，地處武夷山東伸支脈地帶，是低山丘陵地貌區(qū)，海拔在250～500 m之間，屬中亞熱帶季風(fēng)性氣候，年平均溫度19.5 ℃，最高溫度40.0 ℃，最低溫度 5.5 ℃，年平均降水量1 500 mm。土壤類型為暗紅壤，腐殖質(zhì)豐富，水肥條件好。主要功能為保護(hù)以格氏栲為主的珍稀樹種及其伴生動(dòng)植物資源和生態(tài)環(huán)境。研究區(qū)喬木層主要由格氏栲、馬尾松、木荷、米櫧等構(gòu)成。種群密度為 100株/hm2，平均樹高21.5 m，胸徑32.4 cm，郁閉度約為0.8；灌木層主要有狗骨柴(Diplosporadubia)、山黃皮(Clausenadentata)、杜莖山(Measajaponica)、沿海紫金牛(Ardisiapunctata)等；草本植物主要有狗脊蕨(Woodwardiajaponica)、華山姜(Alpiniajaponica)、芒其(Dicranopterisdichotoma)等[11]。

2 研究方法

2.1 凋落物現(xiàn)存量的測(cè)定

于2014年4月進(jìn)行取樣，調(diào)查分析福建省三明市小湖地區(qū)格氏栲林后，選取3個(gè)典型群落類型(G1：格氏栲-馬尾松群落；G2：格氏栲-木荷群落；G3：格氏栲-米櫧群落)，沿“之”字形分別設(shè)置9個(gè)樣方。每個(gè)樣方為10 m×10 m，收集1 m×1 m的凋落物，按未分解(L，由新鮮凋落物組成，葉片保持原有形態(tài)，顏色變化不明顯，質(zhì)地堅(jiān)硬，外表無(wú)分解痕跡)、半分解(F，顏色明顯變黑，葉片無(wú)完整外觀輪廓，多數(shù)凋落物已粉碎)、全分解(H，被分解成碎屑，葉肉已不能辨識(shí)原形)3個(gè)層次取樣，并稱取鮮質(zhì)量，然后將各層凋落物在實(shí)驗(yàn)室 85 ℃ 下烘干至恒質(zhì)量，測(cè)定各層現(xiàn)存量及凋落物含水率。

2.2 凋落物持水特性的測(cè)定

采用浸水法測(cè)定凋落物的持水量。將每個(gè)樣方內(nèi)各層凋落物樣品稱質(zhì)量記做m1，分別裝入濕布袋(預(yù)先稱量記錄干布袋質(zhì)量)進(jìn)行稱質(zhì)量；接下來(lái)將凋落物烘干稱質(zhì)量，記做m2；再將裝有凋落物的布袋完全浸沒(méi)于盛有清水的容器中，分別浸泡 0.25、0.50、1.00、2.00、4.00、8.00、16.00、24.00 h后取出稱質(zhì)量，直至凋落物不滴水為止，迅速稱量凋落物的濕質(zhì)量，記做m3。將凋落物連同布袋一并取出靜置后稱質(zhì)量。浸水結(jié)束后，將凋落物連同布袋一同烘干(85 ℃，24 h)后再稱質(zhì)量。凋落物持水率、凋落物持水量和凋落物吸水速率按下列公式計(jì)算：

自然持水量：R0=m1-m2；

最大持水量：Rmax=m3-m2；

最大持水率：R′=(m3-m2)/m2×100%。

3 結(jié)果與分析

3.1 3種群落類型及分解層凋落物現(xiàn)存量

由表1可知，凋落物現(xiàn)存量總量表現(xiàn)為G2>G1>G3。3個(gè)群落全分解層均占各群落凋落物現(xiàn)存量總量的比例最大，不同分解層凋落物現(xiàn)存量分布不均勻。G1群落未分解層的凋落物現(xiàn)存量略大于半分解層，而G2和G3群落的半分解層凋落物現(xiàn)存量大于未分解層。

表1 3種群落類型凋落物的現(xiàn)存量

3.2 3種群落類型及分解層凋落物的持水能力

由表2可知，3種群落類型相同分解層的自然持水量和最大持水量無(wú)顯著性差異，G3群落在未分解層自然持水率方面顯著高于G2、G1群落，同時(shí)其半分解層的最大持水率顯著高于G2群落。同一群落類型不同層次之間的最大持水量無(wú)顯著性差異，G1、G2群落未分解層自然持水率顯著低于半分解層和全分解層，而半分解層和全分解層之間的自然持水率差異不顯著。3種群落類型的自然持水量除G1群落外，G2、G3群落內(nèi)不同層次之間均存在顯著性差異，且G2、G3群落的自然持水量呈現(xiàn)出全分解層>半分解層>未分解層，G1群落的自然持水量呈現(xiàn)出全分解層顯著高于未分解層的持水特性。總體上，G1群落的自然持水率、自然持水量、最大持水量基本占據(jù)相應(yīng)最大值，該群落的持水能力較強(qiáng)。G3群落在最大持水率方面高于其他2個(gè)群落，可能是G3群落初始干質(zhì)量過(guò)低，浸水后持水總量增加幅度較大造成的。就各分解層而言，3種群落全分解層的自然持水量和最大持水量高于半分解層和未分解層的對(duì)應(yīng)值；半分解層在自然持水率方面高于其他2個(gè)層次，而未分解層在G2、G3群落的最大持水率方面呈現(xiàn)最大值。

3.3 3種群落類型及分解層凋落物持水過(guò)程

由圖1可知，3個(gè)群落類型的持水量隨浸水時(shí)間延長(zhǎng)而增加，在0～2 h內(nèi)增加較快，該階段凋落物吸水速率較高，其持水量占總持水量的60%以上，浸水2 h后增速逐漸趨緩，8 h 后呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)，表明凋落物持水量已基本達(dá)到飽和。由圖2可知，3個(gè)群落類型凋落物持水速率隨時(shí)間增加而下降，在0.5 h內(nèi)尤為明顯，2 h后浸水速率下降幅度趨緩，8 h后變化曲線基本平穩(wěn)。整個(gè)研究過(guò)程中，總體持水量隨著時(shí)間的變化呈現(xiàn)G1>G2>G3的趨勢(shì)，而持水速率下降趨勢(shì)表現(xiàn)為G3>G2>G1，與表2研究結(jié)果一致。

凋落物各分解層浸水時(shí)間t與持水量W(H)、持水速率W(A)之間的關(guān)系分別可以用W(H)=Alnt+B、W(A)=At-B表示，其中A、B為調(diào)整系數(shù)。將3種群落不同分解層浸水時(shí)間與持水量及持水速率按照以上方程進(jìn)行擬合，并與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。由表3可知，所得方程持水量與浸水時(shí)間相關(guān)系數(shù)除格氏栲-米櫧群落和格氏栲-木荷群落的全分解層外，其余均屬顯著相關(guān)(相關(guān)系數(shù)>0.600 0為顯著相關(guān))，表明凋落物持水能力與浸水時(shí)間關(guān)系密切。

表2 3種群落類型凋落物的持水能力

注：不同大寫字母表示同一層次不同群落之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一群落不同層次之間差異顯著(P<0.05)。

4 結(jié)論與討論

凋落物現(xiàn)存量受多種因素影響，各樹種凋落峰期不同會(huì)使現(xiàn)存量產(chǎn)生差異。木荷有春、秋季2個(gè)凋落高峰期，米櫧凋落峰期在初夏和秋季，而馬尾松凋落峰期在深秋[17]。因此，4月采樣會(huì)出現(xiàn)格氏栲-木荷群落凋落物現(xiàn)存量高于其他2個(gè)群落的情況。3種群落各分解層占凋落物總量的比例也存在差異，原因在于三明市春季期間降水量增加，光照相對(duì)充足，土壤溫度上升，微生物活動(dòng)頻繁，現(xiàn)存凋落物分解加速，使得凋落物全分解層現(xiàn)存量較大。

表3 3個(gè)群落不同分解層凋落物持水量、持水速率與浸水時(shí)間的擬合方程

不同林分類型凋落物的持水能力存在差異，陳玉生等認(rèn)為針葉樹優(yōu)于闊葉樹，針葉吸水面積比闊葉吸水面積大，持水性更好[7]。受郁閉度、組成、特性、海拔等因子的影響，賈秀紅等認(rèn)為闊葉林的持水性能好于針葉林[5，10]。相同林分、不同地區(qū)、不同取樣時(shí)間下凋落物持水性也存在差異[18-19]。在所研究的3種群落內(nèi)，總體上格氏栲-馬尾松群落凋落物持水性能最強(qiáng)，即針闊混交林優(yōu)于闊葉混交林，這與鄭文輝等的研究結(jié)果[20]不同，可能是群落間凋落物現(xiàn)存量之間差異造成的，或是取樣地點(diǎn)不同，林分立地條件差異使得凋落物持水能力表現(xiàn)不同。3種群落類型最大持水量方面的最高值均在全分解層，可見全分解層持水能力較強(qiáng)。原因在于全分解層凋落物現(xiàn)存量占各群落凋落物總現(xiàn)存量的比例最大，其持水能力又最強(qiáng)，由此也表明凋落物持水能力與現(xiàn)存量之間密切相關(guān)[21]。

3種群落類型凋落物的持水量隨浸水時(shí)間呈先快后慢的增加趨勢(shì)，主要與凋落物浸水之初的水勢(shì)有關(guān)，浸水初期水勢(shì)較低，前2 h持水率的增長(zhǎng)速度較快，隨后凋落物表面水勢(shì)差逐漸減小，吸水速率隨之減緩。浸水8 h后，凋落物對(duì)水的吸附作用已經(jīng)趨于飽和，凋落物表面與外界的水勢(shì)基本一致，持水速率基本保持不變[22]。相同時(shí)間內(nèi)，格氏栲-馬尾松群落的持水量高于其他2個(gè)群落的持水量，說(shuō)明其持水性能優(yōu)于格氏栲-木荷群落和格氏栲-米櫧群落。同時(shí)，半分解層隨著時(shí)間的延長(zhǎng)表現(xiàn)出最高持水能力，與常雅軍等的研究結(jié)果[23]一致，全分解層持水能力最小，這說(shuō)明半分解層吸水最快，可容納的水量空間最大，全分解層較小，而全分解層最大持水量最大，原因在于其自然持水量大于其他層次群落內(nèi)各分解層。凋落物持水速率隨時(shí)間的增加而減弱，0.5 h內(nèi)下降趨勢(shì)明顯，2 h后逐漸趨于平緩，對(duì)截獲短期降水具有重要意義[20]。持水量、持水速率與浸水時(shí)間的擬合結(jié)果表明，凋落物持水性能受時(shí)間的影響較大。隨著降水時(shí)間的延長(zhǎng)，雨量增多，凋落物持水能力逐漸減弱，即持續(xù)降水8 h后，可能會(huì)出現(xiàn)水分飽和，水分滲入土壤，甚至形成地表徑流。

格氏栲作為珍稀瀕危樹種，已處于衰退階段，野外種子萌發(fā)困難，幼苗生長(zhǎng)緩慢，米櫧、木荷、馬尾松侵入趨勢(shì)明顯，為保護(hù)格氏栲的優(yōu)勢(shì)地位，須要進(jìn)行人為干擾，以促進(jìn)其苗木更新[14]。種子萌發(fā)和幼苗建立是物種更新的關(guān)鍵階段，凋落物持水能力是決定種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，同時(shí)凋落物現(xiàn)存量也決定著格氏栲種子的萌發(fā)條件[12，24]。1月下旬，格氏栲種子掉落近尾聲，之后進(jìn)入萌發(fā)階段，春季幼苗生長(zhǎng)對(duì)水分的需求使得凋落物持水能力顯得尤為重要[12]。此次研究?jī)H對(duì)4月份凋落物現(xiàn)存量及分解層持水性能進(jìn)行探討，3種群落類型林下凋落物對(duì)種子萌發(fā)狀態(tài)的影響及其持水特性對(duì)格氏栲幼苗生長(zhǎng)、種群更新的具體作用須做進(jìn)一步觀察研究，以期為格氏栲種群合理經(jīng)營(yíng)提供依據(jù)。

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