貴陽市不同林齡馬尾松林凋落物儲量及持水特性

陳 進(jìn), 徐 明, 鄒 曉, 陶實德, 汪東宇, 張 健

(貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 貴陽 550025)

凋落物是覆被在森林生態(tài)系統(tǒng)土壤表面由森林植被群落隨季節(jié)凋落的枯落物組成的地被物，是森林生態(tài)系統(tǒng)水土保持的重要功能層，它在阻截地表徑流、損耗雨滴動能以防止土壤飛濺侵蝕、涵養(yǎng)土壤水分以及促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動等方面具有重要生態(tài)服務(wù)功能[1-3]。馬尾松(PinusmassonianaLamb.)是我國南方的鄉(xiāng)土物種和退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)造林工程中主要的先鋒樹種，在南方省區(qū)分布廣泛，西起四川二郎山、貴州青衣江和廣西百色，東至東南沿海以及臺灣北部；南抵廣東雷州半島和廣西南部；北達(dá)秦嶺和淮河以南，具有重要的經(jīng)濟(jì)價值和生態(tài)地位[4]。目前，有關(guān)學(xué)者對森林凋落物的儲量及持水特性、分解動態(tài)、土壤理化性質(zhì)的影響及地表糙率系數(shù)等研究取得了一定的進(jìn)展[5-7]。有關(guān)學(xué)者探討了湖北不同演替階段馬尾松凋落物儲量及持水特性以及鼎湖山馬尾松針葉林及其混交林森林凋落物的持水特性[7-8]。然而，有關(guān)貴陽地區(qū)不同林齡馬尾松林凋落物儲量及持水特性的研究尚鮮為報道。筆者通過對貴州省貴陽市花溪區(qū)孟關(guān)林場不同林齡馬尾松林凋落物儲量及持水特性的研究，旨在為該區(qū)域馬尾松人工林的生態(tài)管理和保護(hù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省貴陽市花溪區(qū)孟關(guān)鄉(xiāng)孟關(guān)林場(東經(jīng)106°44′6.91′—30″，北緯26°22′7.27—1.59″)，該研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，林區(qū)海拔1 100～1 300 m，屬于黔中山原地貌，土壤類型主要為黃壤。林區(qū)坡度15°～30°，年均氣溫15℃，無霜期276 d左右，年均降雨量1 085 mm左右。氣溫及降水量年際變化如圖1所示。

圖1研究區(qū)1980-2016年年降雨量與年平均氣溫變化

1.2 研究方法

1.2.1 樣方設(shè)計與樣品采集 本研究于2017年3—6月在孟關(guān)林場內(nèi)開展調(diào)查試驗，研究設(shè)置以林窗為對照，利用時空替代法選取林齡分別為幼齡林、中齡林、成熟林和過熟林的4個馬尾松人工林調(diào)查樣地。每個樣地設(shè)置1個20 m×20 m調(diào)查樣方，在每個樣方內(nèi)隨機(jī)選取6個0.5 m×0.5 m的凋落物調(diào)查樣方，凋落物樣品按照未分解層、半分解層進(jìn)行采集，將樣品帶回實驗室進(jìn)行生物量測定和持水能力等分析，4個不同林齡馬尾松調(diào)查樣地和林窗的基本概況如表1所示。

表1 不同林齡馬尾松調(diào)查樣地基本概況

1.2.2 凋落物現(xiàn)存量調(diào)查 將已稱鮮重的凋落物樣品用紙袋分袋包裝，放入80℃恒溫箱中烘24 h以上至恒重，將烘干的凋落物樣品分別放入孔徑為0.2 mm規(guī)格為25 cm×35 cm尼龍網(wǎng)袋中，用精度為0.01 g的電子天平稱量凋落物樣品的干重，最后換算成1 hm2的凋落物儲量。

1.2.3 凋落物持水性和吸水特性的測定 將網(wǎng)袋中烘干后的凋落物完全浸沒于水中(室溫25℃，)，等待分別浸水時間0.25，0.5，1，2，4，8，24 h后提起靜置至凋落物不再滴水，置于精度為0.01 g的電子天平上稱重，然后計算不同浸水時間凋落物的持水量、持水率和吸水速率。

1.2.4 指標(biāo)計算公式

(1)

Hw=Mr×Rw

(2)

(3)

(4)

Eh=(0.85Rmax-Rn)×Mr

(5)

(6)

式中：Rw為持水率(%)；Mt為浸水t時間后凋落物重(g)；t取值為0.25,0.5,1,2,4,8,24 h；Md為凋落物干重(g)；Hw為持水量(t/hm2)；Mr為凋落物現(xiàn)存量(t/hm2)；Rmax為最大持水率(%)；M24h為浸水24 h凋落物濕重(g)；Rn為自然持水率(%)；Mn為凋落物鮮重(g)；Eh為有效攔蓄量(t/hm2)；S為吸水速率[g/(g·h)]；公式(5)中0.85為比例系數(shù)，一般認(rèn)為，當(dāng)降雨量達(dá)到20～30 mm以后，不管植被類型如何，凋落物的實際持水率約為最大持水率的85%，因此用0.85Rmax表示凋落物的實際持水率[7]。

1.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計 數(shù)據(jù)的匯總使用Excel 2010，數(shù)據(jù)處理使用SPSS 22.0，作圖使用Sigmaplot 10，使用SPSS 22.0進(jìn)行單因素方差分析、LSD檢驗和Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡馬尾松凋落物厚度

凋落物層的厚度可以反映凋落物儲量的大小。由圖2可知，凋落物厚度隨林齡的變化呈現(xiàn)單峰的趨勢。在一定時間內(nèi)，不同林齡的凋落物厚度隨林齡的增加而增加，成熟林最大，為5.63 cm，之后隨著林齡的增加厚度減小，過熟林凋落物厚度為4.39 cm。半分解凋落物的厚度隨林齡的變化趨勢同凋落物厚度變化趨勢一致。不同林齡馬尾松林凋落物厚度組間差異極顯著(p<0.01)。

圖2 不同林齡馬尾松林凋落物厚度

2.2 不同林齡馬尾松凋落物儲量

凋落物儲量主要取決于凋落物的形成量、凋落物的分解速度和積累時間，此外，馬尾松林下植物多樣性和所處的氣候條件對凋落物儲量也具有一定程度的影響[9]。由表2可知，隨著林齡的增加，不同林齡馬尾松凋落物儲量之間差異顯著(p<0.05)，隨著林齡變化總體呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，具體表現(xiàn)為成熟林(35.29 t/hm2)>過熟林(29.18 t/hm2)>中齡林(20.00 t/hm2)>幼齡林(10.19 t/hm2)。表明隨著林齡的增加，不同馬尾松林齡階段凋落物的形成量和分解量之間的動態(tài)關(guān)系存在差異，這也是不同林齡馬尾松群落的密度、個體生長能力強(qiáng)弱、土壤含水量、小氣候環(huán)境和微生物群落等綜合作用的結(jié)果[6]。在凋落物組成成分中，各林齡凋落物的半分解量差異顯著(p<0.05)，中齡林、成熟林和過熟林的未分解存量與半分解存量之間差異顯著(p<0.05)，且各林齡階段的半分解量均大于未分解量，尤其在中齡林、成熟林和過熟林中，半分解量遠(yuǎn)大于未分解量。

表2 不同林齡馬尾松凋落物儲量 t/hm2

注：同一列數(shù)據(jù)后面不同的小寫字母表示不同林齡馬尾松林凋落物儲量達(dá)到顯著水平(p<0.05)，同一行數(shù)據(jù)后面的*表示同一林齡馬尾松林凋落物未分解存量與半分解存量之間達(dá)到顯著水平(p<0.05)，**表示達(dá)到極顯著水平(p<0.01)。

2.3 不同林齡馬尾松林凋落物持水特性

2.3.1 不同林齡馬尾松林凋落物的持水量 由圖3可知，馬尾松林凋落物持水量隨浸水時間的增加而增加，在浸水時間的前1 h內(nèi)，持水量增加最快，在浸水時間8～24 h內(nèi)，凋落物持水量逐漸趨于飽和狀態(tài)。在浸水試驗中，馬尾松林凋落物最大持水量隨著林齡變化呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，表現(xiàn)為成熟林(84.48 t/hm2)>過熟林(62.01 t/hm2)>中齡林(33.87 t/hm2)>幼齡林(12.33 t/hm2)，林窗(8.28 t/hm2)。表明在一定林齡階段內(nèi)，馬尾松林的持水能力逐漸增強(qiáng)，到成熟林達(dá)到最大，之后持水能力開始下降。不同林齡馬尾松凋落物最大持水量與儲量變化趨勢一致，說明持水量與儲量具有一定的正相關(guān)關(guān)系，成熟林階段凋落物儲量和持水量最大。

2.3.2 不同林齡馬尾松林凋落物的持水率 持水率是表征凋落物持水能力強(qiáng)弱的指標(biāo)之一。由圖4可知，在一定時間內(nèi)，4個林齡階段的馬尾松林凋落物持水率隨浸水時間的增加而增加，最大持水率表現(xiàn)為成熟林(239.49%)>中齡林(169.80%)>過熟林(157.24%)>幼齡林(120.38%)>林窗(87.16%)。在浸水時間的前0.25 h時間內(nèi)，持水率增加得最快，在浸水時間8～24 h內(nèi)，凋落物持水率逐漸趨于飽和狀態(tài)。說明演替的正向進(jìn)行，馬尾松林的持水能力逐漸增強(qiáng)，到成熟林達(dá)到最大，之后持水能力開始下降。

圖3 不同林齡馬尾松群落凋落物持水量與

圖4 不同林齡馬尾松凋落物持水率

2.3.3 不同林齡馬尾松林凋落物的吸水速率 吸水速率也是指示凋落物持水能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)之一。凋落物的吸水速率越快，在開始降雨階段，凋落物吸持的雨量就越大，就能夠有效防止形成地表徑流，減少不必要的水土流失[10]。如圖5所示，不同林齡馬尾松林凋落物的吸水速率隨時間呈冪函數(shù)曲線降低，4 h后吸水速率下降趨于平緩，最大吸水速率表現(xiàn)為成熟林[6.09 g/(g·h)]>過熟林[5.58 g/(g·h)]>中齡林[5.22 g/(g·h)]>幼年林[3.13 g/(g·h)]>林窗[2.52 g/(g·h)]。結(jié)果表明：不同演替階段馬尾松凋落物對水的吸收保持作用主要集中在前0.25 h時間段內(nèi)，說明馬尾松凋落物對于快速吸收短時間的急速降雨和防止地表徑流的產(chǎn)生具有積極作用。

圖5 不同林齡馬尾松凋落物吸水速率

2.4 不同林齡馬尾松凋落物的有效攔蓄量

最大持水量和最大持水率來表示凋落物對降雨的攔截作用會比實際情況高。一般認(rèn)為，當(dāng)降雨量達(dá)到20～30 mm以后，不管植被類型如何，它的凋落物的實際持水率約為最大持水率的85%[11]。用有效攔蓄量表示凋落物對降雨的攔截作用會比較貼合實際。不同林齡馬尾松林凋落物的有效攔蓄量的值介于6.71～38.31 t/hm2之間(圖6)。最大值在成熟林，最小值在幼齡林。各林齡演替階段中，成熟林與中齡林、近熟林、過熟林、幼齡林之間的有效攔蓄量存在顯著差異(p<0.05)。結(jié)果表明，隨著演替階段的進(jìn)行，在一定時間內(nèi)，有效攔蓄量隨演替階段進(jìn)行而增加，成熟林時達(dá)到最大值，之后開始下降。

注：同一列數(shù)據(jù)后面不同的小寫字母表示不同林齡馬尾松林凋落物有效攔蓄量達(dá)到顯著水平(p<0.05)。

圖6不同林齡馬尾松凋落物的有效攔蓄量

2.5 相關(guān)性分析

2.5.1 變量相關(guān)性 使用SPSS 22.0 對最大持水率、凋落物儲量、最大持水量和有效攔蓄量進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，得到的結(jié)果見表3。由表3可知，儲量與最大持水量、有效攔蓄量之間達(dá)到極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)；最大持水量與有效攔蓄量之間達(dá)到了顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)。儲量與最大持水量和有效攔蓄量之間關(guān)系密切，儲量越大，最大持水量和有效攔蓄量越大，凋落物持水能力越強(qiáng)。

2.5.2 數(shù)據(jù)擬合性 由表4可知，將不同發(fā)育階段馬尾松林凋落物持水量Hw與浸水時間t進(jìn)行對數(shù)方程Hw=Alnt+B(A，B為方程的系數(shù))擬合，得到每個演替階段的方程式及R2的值，每個演替階段擬合方程的R2值均大于0.94，由此可以認(rèn)為，持水量Hw與時間t具有很好的對數(shù)相關(guān)性。再將不同發(fā)育階段馬尾松林凋落物吸水速率S與吸水時間t進(jìn)行冪函數(shù)S=At-B(A，B為方程的系數(shù))擬合，得到各演替階段馬尾松凋落物吸水速率與浸水時間的方程，每個方程的R2值都大于0.99，再次驗證了凋落物吸水速率與浸水時間具有很好的冪函數(shù)相關(guān)性。

表3 馬尾松林凋落物持水能力與環(huán)境因子間相關(guān)性

注：*表示兩相關(guān)變量之間相關(guān)性達(dá)到了顯著水平(p<0.05)，**表示兩相關(guān)變量之間相關(guān)性達(dá)到了極顯著水平(p<0.01)。

表4 不同林齡馬尾松林凋落物持水特性與浸水時間的擬合性

3 討 論

3.1 不同林齡馬尾松林凋落物儲量

孟關(guān)林場不同林齡馬尾松的凋落物儲量存在顯著差異(p<0.05)，凋落物儲量范圍為10.19～35.29 t/hm2，比同地區(qū)其他林分儲量(1.8～3.3 t/hm2)高[12]。這種儲量變化規(guī)律與不同林齡禿杉凋落物儲量的規(guī)律以及不同演替階段針闊混交林凋落物持水特性的變化趨勢一致[13-14]。此外，馬尾松凋落物的儲量高于闊葉林和落葉林，這與馬尾松的松針分解比較困難有關(guān)[15]。這一結(jié)論也說明馬尾松純林凋落物儲量比混交林儲量大[7]。成熟林凋落物的儲量大于過熟林，這與有關(guān)學(xué)者研究本區(qū)域馬尾松凋落物儲量變化趨勢一致[16]，說明在演替過程中，當(dāng)演替到成熟林時，馬尾松林結(jié)構(gòu)和功能比較完善，凋落物的輸入量和積累量處于最佳時期。到過熟林階段，可能的原因是馬尾松林的林齡、密度、冠幅和所處小氣候的不同，促進(jìn)了馬尾松凋落物的輸入量減小，分解速度較快，所以，過熟林的儲量小于成熟林。

3.2 不同林齡馬尾松凋落物持水能力

最大持水量和最大持水率是表征凋落物持水特性的重要指標(biāo)之一[7]。最大持水量和最大持水率最大的都是成熟林，最小的為幼齡林，且最大持水量和最大持水率隨浸水時間的變化規(guī)律都符合對數(shù)方程Hw=Alnt+B(A，B為方程的系數(shù))。到過熟林后，凋落物持水能力開始下降，說明隨著演替進(jìn)行，馬尾松純林逐漸變?yōu)榛旖涣种螅炙芰σ查_始下降，這與研究鼎湖山3種不同演替階段森林凋落物持水特性得出的最大持水率規(guī)律：馬尾松針葉林>馬尾松針闊混交林>季風(fēng)常綠闊葉林的結(jié)論一致[7]。由表3可知，最大持水量與儲量的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，說明最大持水量與儲量的動態(tài)變化密不可分，儲量越大，最大持水量越大，凋落物持水能力越強(qiáng)。最大持水率與儲量、最大持水量都存在相關(guān)關(guān)系，但是未到達(dá)顯著水平。

不同林齡馬尾松林凋落物的吸水速率隨浸水時間呈現(xiàn)冪函數(shù)S=At-B(A，B為方程的系數(shù))遞減。在開始浸水的2 h內(nèi)，凋落物吸水速率最快，特別是前0.25～0.5 h內(nèi)速率最快。到浸水時間4 h以后，凋落物吸水速率逐漸趨于平緩，浸水時間24 h后，凋落物的吸水趨于飽和，這與研究華北落葉松人工林凋落物儲量及其持水特性得出的結(jié)論一致[17]。不同林齡馬尾松凋落物最大吸水速率表現(xiàn)為成熟林[6.09 g/(g·h)]>過熟林[5.58 g/(g·h)]>中齡林[5.22 g/(g·h)]>幼齡林[3.13 g/(g·h)]。這一結(jié)論與現(xiàn)有研究結(jié)論一致[16]，說明在演替后期，馬尾松混交林的持水能力開始下降。

有效攔蓄量是表征凋落物持水能力的重要指標(biāo)。本次試驗中，不同林齡馬尾松的有效攔蓄量不同，表現(xiàn)為成熟林(29.88 t/hm2)最大，幼齡林(5.47 t/hm2)最小。本試驗中有效攔蓄大于賀蘭山4種典型林型凋落物的有效攔蓄量[18]。

4 結(jié) 論

不同林齡馬尾松凋落物輸入量大，分解速率低，致使馬尾松凋落物儲量較其他林分凋落物大。不同林齡馬尾松凋落物儲量均呈現(xiàn)出顯著性差異(p<0.05)，其中，成熟林最大，幼齡林最小。

不同林齡馬尾松林的最大持水率、最大持水量和有效攔蓄量表現(xiàn)出顯著性差異(p<0.05)，具體表現(xiàn)為成熟林>過熟林>中齡林>幼齡林。最大持水量和最大持水率隨浸水時間的變化都較好地符合對數(shù)方程Hw=Alnt+B(A，B為方程的系數(shù))，吸水速率與浸水時間的變化較好地服從冪函數(shù)S=At-B變化。

所以，不同林齡馬尾松人工林中，成熟林生態(tài)水文功能最佳。