楠桿自然保護(hù)區(qū)不同植被類型枯落物儲(chǔ)量與持水功能*

王勇，楊瑞，裴儀岱，張海濤

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.德江縣林業(yè)局，貴州 銅仁 565200)

枯落物是森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，主要由植物的花、果實(shí)、葉、枝等凋落物組成，在截留降水、防止土壤侵蝕、減緩?fù)寥浪终舭l(fā)和影響地表徑流等方面都具有非常重要的意義，是實(shí)現(xiàn)森林水土保持和水源涵養(yǎng)功能的主要作用層[1]。森林枯落物層處于森林植被與土壤層之間，是林地與大氣間水汽交換的重要界面，依靠其強(qiáng)大的表面積和疏松多孔的性質(zhì)，具有明顯的截持降雨、調(diào)節(jié)地表徑流、減少土壤流失及改善土壤理化性質(zhì)功能，成為森林生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)水分分配的第二作用層[2]?？萋湮飳?duì)降雨以及對(duì)雨水的再分配過程，也具有涵養(yǎng)水源功能的生態(tài)意義[3-5]。不同植被類型因其植被組成不同和植物生長(zhǎng)年齡差異，每年枯落物產(chǎn)量、性質(zhì)和分解難易程度等存在一定差異，從而導(dǎo)致不同植被類型的林地枯落物層厚度、蓄積量及其持水能力存在差異[6-7]。但由于區(qū)域分異的特點(diǎn)和人類干擾的強(qiáng)度與程度的差異性，決定了植物生長(zhǎng)的自然環(huán)境基礎(chǔ)，最終影響枯落物的組成、結(jié)構(gòu)和功能[8]。本文通過對(duì)德江自然保護(hù)區(qū)不同植被類型的枯落物進(jìn)行分層，并對(duì)枯落物的貯量、持水量以及持水過程進(jìn)行分析，以示不同植被類型枯落物的持水效應(yīng)，對(duì)于科學(xué)認(rèn)識(shí)不同區(qū)域植被的水分循環(huán)規(guī)律、蓄水保土效應(yīng)、生態(tài)功能評(píng)價(jià)、植物組成結(jié)構(gòu)的合理配置、森林經(jīng)營(yíng)和管理等具有一定的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

貴州楠桿自然保護(hù)區(qū)位于貴州省東北部德江縣境內(nèi)，處于貴州四大山脈之大婁山脈與武陵山脈的接合部。保護(hù)區(qū)包括“楠桿-黃河溪保護(hù)單元”和“馬耳河保護(hù)單元”2個(gè)片區(qū)。其中，楠桿-黃河溪片區(qū)位于108°05′10″-107°50′46″E、28°09′42″-28°22′42″N，海拔800-1 200m；馬耳河片區(qū)位于108°04′48″-108°06′12″E、28°33′27″-28°37′50″N，海拔1 100-1 400m。保護(hù)區(qū)屬于中亞熱季風(fēng)氣候區(qū)，年平均溫度13.6℃，≥0℃的活動(dòng)積溫為5 300℃，熱量資源主要集中在6月、7月、8月、9月，屬貴州溫度較高、熱量較好的區(qū)域之一。區(qū)內(nèi)年降雨量約1 200mm，主要集中在春、夏、秋3季，其中6月份降水量最多。保護(hù)區(qū)最高點(diǎn)位于沙溪鄉(xiāng)北面的香火龕，海拔1 444.61m，最低點(diǎn)位于馬蹄河右岸，海拔467.52m。保護(hù)區(qū)在大地構(gòu)造上位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)-黔北臺(tái)隆-遵義斷拱-鳳岡北北東向構(gòu)造變形區(qū)，區(qū)內(nèi)巖溶地貌與常態(tài)地貌交錯(cuò)，河谷地貌特征明顯，具有良好的水文地質(zhì)條件。其中，楠桿-黃河溪保護(hù)單元主要河流有雪基河、豐樂河、沙壩河、五龍河和周家河，馬耳河保護(hù)單元主要有馬耳河，全部屬于烏江水系。該地區(qū)碳酸鹽巖石出露廣泛，常與砂頁(yè)巖、碎屑巖交錯(cuò)分布，發(fā)育有多種土壤類型，主要土壤為黃壤、山地黃壤和石灰土。

1.2 試驗(yàn)材料與方法

在楠桿自然保護(hù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行實(shí)地核查與分析，分別選取落葉闊葉林〔主要物種組成為白櫟(Quercusfabric)、麻櫟(Quercusacutissima)、板栗(Castaneamollissima)、漆樹(Toxicodendronvernicifluum)、油桐(Verniciafordii)等〕、麻櫟林、楊樹(Populusspp.)林、馬尾松(Pinusmassoniana)林、華山松(Pinusarmandii)林、杉木(Cunninghamialanceolata)林、針闊混交林〔主要物種組成為麻櫟、馬尾松、油桐(Verniciafordii)〕、竹林〔主要物種組成為毛金竹(Phyllostchysnigravar.henonis)、慈竹(Neosinocalamusaffinis)〕和灌木林〔主要物種組成為圓果化香(Platycaryalongipes)、火棘(Pyracanthafortuneana)、香葉樹(Linderacommunis)、大葉新木姜子(Neolitsealevinei)、馬桑(Coriarianepalensis)〕共9種林分作為研究對(duì)象，具體的各植被類型基本概況見表1。

1.2.1 枯落物的采集與儲(chǔ)量測(cè)定

在保護(hù)區(qū)內(nèi)具有代表性的不同林分類型中，分別選擇5個(gè)1m×1m的枯落物小樣方。在樣方內(nèi)拉2條對(duì)角線，采用等距離布點(diǎn)的方式分別測(cè)定10個(gè)點(diǎn)，取平均值作為林分類型枯落物層的總厚度、未分解層厚度、半分解層厚度；用紗網(wǎng)對(duì)不同樣方內(nèi)未分解層和半分解層的枯落物分別進(jìn)行收集，帶回實(shí)驗(yàn)室，置于85℃烘箱內(nèi)烘干至恒重，求算單位面積干重。

表1 不同植被類型基本概況

注：白櫟(Quercusfabri)、麻櫟(Quercusacutissima)、板栗(Castaneamollissima)、漆樹(Toxicodendronvernicifluum)、油桐(Verniciafordii)、楊樹(Populusspp.)、馬尾松(Pinusmassoniana)、華山松(Pinusarmandii)、杉木(Cunninghamialanceolata)、圓果化香(Platycaryalongipes)、火棘(Pyracanthafortuneana)、香葉樹(Linderacommunis)、大葉新木姜子(Neolitsealevinei)、馬桑(Coriarianepalensis)、毛金竹(Phyllostchysnigravar.henonis)、慈竹(Neosinocalamusaffinis)。

1.2.2 枯落物持水測(cè)定

枯落物蓄水過程測(cè)定用室內(nèi)浸泡法測(cè)定持水量和吸水速率，一般認(rèn)為枯落物浸泡24h的持水量和持水率為最大持水量和最大持水率。分別選取9個(gè)林分類型中烘干至恒重后的枯落物進(jìn)行浸水實(shí)驗(yàn)，每隔5min、10min、15min、30min、60min、90min、150min、270min、720min、1 440min取出靜置后，稱其重量?？萋湮镒畲蟪炙亢妥畲蟪炙实挠?jì)算公式為，Mm=M24-M，Rm=(M24-M)/M。式中，Mm是枯落物最大持水量，Rm是枯落物最大持水率，M24是枯落物浸泡24h后的重量，M是枯落物干重[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型枯落物存儲(chǔ)量

林分枯落物層吸水作用的大小，取決于其本身的厚度和性質(zhì)[7]。從表2可知，保護(hù)區(qū)內(nèi)不同植被類型枯落物厚度與蓄積量明顯不同。在枯落物厚度的比較中，9種不同植被類型枯落物厚度表現(xiàn)為落葉闊葉林(4.57cm)>杉木林(4.50cm)>馬尾松林(3.63cm)>麻櫟林(3.60cm)>竹林(3.48cm)>灌木林(2.13cm)>針闊混交林(1.70cm)>楊樹林(1.25cm)>華山松林(1.15cm)，厚度在1.15-4.57cm之間，且未分解層厚度均明顯高于半分解層。

表2 不同林分類型的枯落物厚度與存儲(chǔ)量

從表2還可知，在枯落物存儲(chǔ)量的比較中，9種不同植被類型枯落物存儲(chǔ)量表現(xiàn)為杉木林(11.36t/hm2)>馬尾松林(6.51t/hm2)>竹林(5.99t/hm2)>落葉闊葉林(4.93t/hm2)>針闊混交林(3.50t/hm2)>麻櫟林(3.37t/hm2)>灌木林(2.14t/hm2)>華山松林(2.07t/hm2)>楊樹林(1.13t/hm2)，其中杉木林存儲(chǔ)量最大，楊樹林最小，二者相差10.23t/hm2；9種不同植被類型下枯落物存儲(chǔ)量除了落葉闊葉林半分解層高于未分解層外，其余8種不同植被類型下枯落物未分解層儲(chǔ)量均大于半分解層，其中半分解層存儲(chǔ)量最大的是杉木林，落葉闊葉林次之，楊樹林幾乎沒有半分解層，蓄積量幾乎為零，這是由于楊樹林郁閉度小，受人為因素影響較大，所以半分解層幾乎不存在。

2.2 不同植被類型枯落物持水能力

不同植被類型枯落物的持水能力受到林分內(nèi)樹種的組成、林齡、林分密度和枯落物的組成以及分解狀況的影響；枯落物具有很強(qiáng)的吸水能力和透水性，在涵養(yǎng)水源方面發(fā)揮著重要的作用，因此枯落物的持水量被作為評(píng)估植被水源涵養(yǎng)功能的重要指標(biāo)之一[10]。從表3中可以看出，9種植被類型枯落物的最大持水率與最大持水量呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律?？偝炙勘憩F(xiàn)為杉木林(21.405 3t/hm2)>馬尾松林(14.460 7t/hm2)>竹林(11.985 4t/hm2)>落葉闊葉林(10.334 7t/hm2)>麻櫟林(7.586 6t/hm2)>針闊混交林(6.158 7t/hm2)>華山松林(4.602t/hm2)>灌木林(4.134t/hm2)>楊樹林(3.817 9t/hm2)，并且9種不同植被類型枯落物半分解層最大持水量均低于未分解層。

而枯落物的總持水率表現(xiàn)為落葉闊葉林(460.45%)>馬尾松林(439.79%)>華山松林(424.58%)>麻櫟林(418.35%)>灌木林(395.38%)>竹林(386.82%)>杉木林(377.48%)>針闊混交林(348.7%)>楊樹林(336.46%)。

表3 不同植被類型枯落物最大持水量與最大持水率

將不同植被類型下枯落物最大持水量進(jìn)行單因素方差分析，差異顯著(P<0.05)。由表4可知，杉木林枯落物持水量最大，馬尾松林枯落物持水量次之，楊樹林枯落物持水量最小。杉木林枯落物持水量與馬尾松林枯落物持水量差異性不顯著，而與其它7種植被類型枯落物持水量差異性顯著；馬尾松林枯落物持水量與竹林和落葉闊葉林枯落物持水能量差異性不顯著，與麻櫟林、針闊混交林、灌木林、華山松林和楊樹林枯落物持水量差異性顯著；竹林枯落物持水量與落葉闊葉林枯落物持水量差異性不顯著，而與麻櫟林、針闊混交林、灌木林、華山松林和楊樹林枯落物持水量差異性顯著；麻櫟林、針闊混交林、灌木林、華山松林和楊樹林差異性不顯著。

表4 不同植被類型枯落物持水量分析

注：同列中不同的字母表示各類型間的差異顯著性(5%水平)。

不同植被類型枯落物持水量存在差異性可能是枯落物蓄積量的不同，或是林下枯落物不同引起的；不同植被類型枯落物持水量越大，其持水能力越強(qiáng)。因此，本研究中持水能力從大到小順序?yàn)樯寄玖?馬尾松林>竹林>落葉闊葉林>麻櫟林>針闊混交林>華山松林>灌木林>楊樹林。

2.3 不同植被類型枯落物的持水過程

枯落物層的持水量與吸水速率可用于模擬不同林分類型下枯落物對(duì)雨水的吸持過程，以了解不同林分類型下枯落物的持水動(dòng)態(tài)。

圖1 不同植被類型枯落物未分解層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系

從圖1可看出，馬尾松林、竹林、杉木林枯落物未分解層持水過程大致相似，持水量和持水速率相對(duì)較大；麻櫟林、落葉闊葉林和針闊混交林枯落物未分解層持水過程大致相似，持水量和持水速率次之；而華山松林、楊樹林和灌木林枯落物未分解層持水過程基本相似，持水速率最小。

從圖2可以看出，馬尾松林枯落物半分解層和落葉闊葉林半分解層持水過程相對(duì)較大；竹林半分解層和杉木林半分解層持水過程次之；而灌木林枯落物半分解層、麻櫟林枯落物半分解層、針闊混交林枯落物半分解層、華山松林枯落物半分解層和楊樹林半分解層持水過程基本相似，持水量和持水速率也最小。

從總的來看，枯落物的持水量與浸水時(shí)間呈一定的正相關(guān)關(guān)系，但達(dá)到一定時(shí)間時(shí)，枯落物持水量不再隨時(shí)間變化而變化。在浸水的24h內(nèi)枯落物持水量均表現(xiàn)為未分解層大于半分解層。在浸水的5min內(nèi)枯落物持水量迅速增加，之后隨著浸水時(shí)間的增加，速度逐漸減緩。個(gè)別植被類型的枯落物尤其是竹林和麻櫟林下枯落物半分解層枯落物的變化趨勢(shì)很不穩(wěn)定，一方面是做持水過程實(shí)驗(yàn)時(shí)誤差所致，另一方面是實(shí)驗(yàn)操作時(shí)水滴難控制所致。因此，不難看出9種不同植被類型枯落物半分解層吸水隨時(shí)間變化逐漸變得平緩。未分解層和半分解層的持水量分別在5min以內(nèi)吸水最快，浸水5min后都趨于平緩，未分解層和半分解層分別在720min和90min基本達(dá)到飽和，再增加浸泡時(shí)間持水量基本沒有增加，也就達(dá)到了最大持水量。表明枯落物未分解層比半分解層吸水時(shí)間久。

圖2 不同植被類型枯落物半分解層持水量與浸泡時(shí)間關(guān)系

3 結(jié)論與討論

(1)本文研究的楠桿自然保護(hù)區(qū)9種不同植被類型下的枯落物總厚度變化在1.15-4.57cm之間，大小順序?yàn)槁淙~闊葉林>杉木林>馬尾松林>麻櫟林>竹林>灌木林>針闊混交林>楊樹林>華山松林，落葉闊葉林最大，華山松林最??；9種枯落物總蓄積量變化在1.13t-11.36t/hm2之間，其大小順序?yàn)樯寄玖?馬尾松林>竹林>落葉闊葉林>針闊混交林>麻櫟林>灌木林>華山松林>楊樹林，杉木林蓄積量最大，其中楊樹林蓄積量最小；其大小順序與厚度有一定差異，是由枯落物的疏密度不同和半分解層厚度順序大小與總厚度不一致所引起的?？萋湮镂捶纸鈱雍穸然径悸源笥诳萋湮锇敕纸鈱?，因此9種不同植被類型下枯落物的未分解層蓄積量所占比重均大于半分解層蓄積量。

(2)不同植被類型下枯落物的最大持水量范圍為3.817 9-21.405 3t/hm2，其大小順序?yàn)樯寄玖?馬尾松林>竹林>落葉闊葉林>麻櫟林>針闊混交林>華山松林>灌木林>楊樹林，其中杉木林最大，楊樹林最小，二者相差10.542 8t/hm2；并且9種植被類型枯落物半分解層最大持水量均低于未分解層最大持水量；最大持水率范圍為336.46%-460.45%，表現(xiàn)為落葉闊葉林>馬尾松林>華山松林>麻櫟林>灌木林>竹林>杉木林>針闊混交林>楊樹林。其中，落葉闊葉林最大持水率最大，楊樹林最大持水率最小。最大值與最小值相差123.99%。因此不同植被類型下枯落物最大持水量與最大持水率大小順序是存在一定差異的。相關(guān)研究表明[11]，不同植被類型枯落物的種類、厚度、貯量、性質(zhì)以及分解程度不同，導(dǎo)致其持水量和持水過程也存在一定差異。9種植被類型枯落物未分解層最大持水量均高于半分解層最大持水量，未分解層最大持水率均高于半分解層最大持水率。杉木林枯落物持水能力最強(qiáng)，馬尾松林枯落物持水能力次之，楊樹林枯落物持水能力最弱。因此在楠桿自然保護(hù)區(qū)針葉林下枯落物持水能力相比闊葉林持水能力較強(qiáng)。

已有研究表明，枯落物最大持水率與最大持水量呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，這是因?yàn)榭萋湮锓纸獾某潭仍礁?，半分解層枯落物量就越大，枯落物的持水能力也越?qiáng)[12]。由于闊葉林的枯落物分解程度高于針葉林，所以闊葉林的枯落物持水能力高于針葉林[11,13]。本研究中華山松林最大持水量比竹林、落葉闊葉林、麻櫟林、闊葉林和針闊混交林都小，而杉木林和馬尾松林持水量相對(duì)較大，原因可能是杉木林和馬尾松林有較厚的枯落物層，且積累了較多的未分解和半分解枯落物，所以即使是針葉林也有可能比純闊葉林有較高的持水能力。

(3)9種不同植被類型的枯落物持水量和吸水速率隨時(shí)間的變化規(guī)律均很相似。在浸泡前5min內(nèi)枯落物持水速率最大，但未分解層枯落物和半分解層枯落物都在5min后就趨于平緩最終在720min和90min基本達(dá)到飽和，表明未分解層枯落物持水時(shí)間大于半分解層。從表3、圖1和圖2綜合來看，由于未分解層枯落物持水量大于半分解層枯落物持水量，并且在5min內(nèi)最大持水速率都大致相似，未分解層枯落物持水時(shí)間又比半分解層枯落物持水時(shí)間久。因此，未分解層枯落物持水能力相對(duì)半分解層枯落物持水能力較強(qiáng)。

(4)大量試驗(yàn)表明，枯落物層的水文作用主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是其吸水能力，而這與枯落物的現(xiàn)存量、分解狀況、含水量、天氣狀況等多種因子有關(guān)[14]；并因植被和樹種類型組成不同而有很大差異[15]。楠桿自然保護(hù)區(qū)森林植被中的枯落物層充分發(fā)揮了水源涵養(yǎng)和水土保持功能，枯落物層是極為重要的一層，由于樹種構(gòu)成、環(huán)境特性、生物量多少、枯落物分解速度差異和厚度不同等多方面原因?qū)е驴萋湮镄罘e量有很大差異，從而導(dǎo)致涵養(yǎng)水源功能的明顯差異。所以在楠桿自然保護(hù)區(qū)的森林植被經(jīng)營(yíng)與保護(hù)中，應(yīng)有意識(shí)地利用不同林分類型枯落物的涵養(yǎng)水源功能差異，采取有效保護(hù)枯落物積累措施，從而形成結(jié)構(gòu)合理的水源涵養(yǎng)型林分。

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