南京近郊人工林地表枯落物的累積量及持水性

金雅琴，李冬林，孫麗娟，張文豹，葉子卿

(1.金陵科技學(xué)院園藝學(xué)院, 200038, 江蘇南京；2.江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院，211153, 江蘇南京；3.南京濱江公園管理有限公司，210019, 江蘇南京)

城市森林作為城市結(jié)構(gòu)的重要組成元素，自身承擔(dān)著改善生態(tài)環(huán)境、美化城市風(fēng)貌、防災(zāi)減災(zāi)等多種職能。研究表明，森林中廣泛分布的枯落物作為城市森林的重要成分對(duì)降雨的二次分配起著重要作用[1]。森林枯落物憑借其強(qiáng)大的表面積，有利于緩沖雨滴沖擊，減少雨滴濺落時(shí)對(duì)土壤表層結(jié)構(gòu)的破壞和土壤侵蝕，可有效的阻攔地表徑流，增強(qiáng)土壤的抗沖性能[1-2]；因此，森林群落中枯落物層在維持城市水生態(tài)平衡和創(chuàng)建海綿型城市水循環(huán)體系工程中承擔(dān)著重要角色。目前，國內(nèi)學(xué)者對(duì)于天然林分的生態(tài)功能研究頗多，并取得較多的研究成果，而城市森林的研究多涉及城市小氣候調(diào)節(jié)[3-4]、景觀美學(xué)[5-6 ]、群落結(jié)構(gòu)及多樣性[7-8]等方面，與當(dāng)前海綿城市建設(shè)密切相關(guān)的城市人工林枯落物結(jié)構(gòu)、蓄積量，以及持水性、攔蓄量研究少有報(bào)道。在當(dāng)前城市建設(shè)日益擴(kuò)張，森林面積增量有限的大背景下，選擇何種樹種，建設(shè)何種結(jié)構(gòu)的人工林才能提高城市森林的水源涵養(yǎng)功能，才能有效發(fā)揮城市森林的“海綿”調(diào)節(jié)功能，這是城市森林建設(shè)中遇到的難點(diǎn)，也是各級(jí)政府需要面對(duì)的重大問題。筆者選取南京近郊8種不同類型的人工林群落，對(duì)其地表枯落物累積量和持水狀況進(jìn)行了定量研究，揭示不同人工林群落枯落物的累積量及其持水、攔蓄性能差異，旨在為我國城市人工林的建設(shè)與管理，以及海綿城市森林群落體系的構(gòu)建提供一定的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于江蘇省南京市，地理坐標(biāo)為E 118.22°～119.14°，N 31.14°～32.36°，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，受海洋性氣候的影響，四季分明，雨量充沛。年平均氣溫15.0～15.9 ℃，年降雨量1 034～1 276 mm，年日照時(shí)間2 212.8 h，無霜期220～250 d，地帶性森林植被為含有常綠成分的落葉闊葉林。

研究地點(diǎn)位于南京河西新城區(qū)濱江風(fēng)光帶內(nèi)的中國綠化博覽園，西臨長江，東靠濱江大道。該園建于2005年春，園區(qū)總面積77 hm2，分布有組成均一、年齡相當(dāng)、管護(hù)規(guī)范的人工林群落。經(jīng)過數(shù)年的生長、養(yǎng)護(hù)和管理，目前園區(qū)內(nèi)樹木生長茂盛，林冠郁閉，樹木已進(jìn)入成年，森林群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2 研究方法

2.1 樣地布設(shè)與樣品采集

2016年12月中旬，事先通過踏查，選取樹木組成一致、林齡相當(dāng)、密度均勻、人為干擾輕的人工林群落作為試驗(yàn)林分，并在林分內(nèi)采集樣品。各試驗(yàn)林分均為純林，自然式樣配置，其生境狀況和群落特征列于表1。在每一類型林分內(nèi)分別設(shè)置典型樣地3塊(重復(fù))，樣地大小10 m×10 m。在每調(diào)查樣地內(nèi)沿對(duì)角線用樣框選取30 cm×30 cm的小樣方6塊進(jìn)行凋落物測定、取樣。依據(jù)群落內(nèi)凋落物的分解情況，將小樣方內(nèi)凋落物按未分解層(凋落物組顏色變化不大，基本保持原狀) 和半分解層(顏色基本變褐色，葉片已無完整的輪廓，部分已腐爛)2個(gè)層次記錄厚度，并分別取樣帶回實(shí)驗(yàn)室分析。凋落物取樣后，隨即用環(huán)刀進(jìn)行林下土壤取樣，分0～10 cm，10～20 cm 2層進(jìn)行物理性質(zhì)分析。

2.2 指標(biāo)測定

枯落物厚度(d)用直尺量測，3次重復(fù)，精確到0.1 cm；枯落物累積量(M)測定采用實(shí)驗(yàn)室烘干法，并應(yīng)用取樣面積換算出單位面積的累積量(t/hm2)?？萋湮锔鞣纸鈱映炙詼y定用清水浸泡法[9-10]，將樣框內(nèi)凋落物風(fēng)干后稱重，隨后裝入網(wǎng)袋分別浸入清水中0.25、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、和24 h，撈起并靜置5～8 min，至枯落物不滴水時(shí)重新稱量。浸泡結(jié)束后對(duì)各網(wǎng)袋內(nèi)凋落物烘干(85 ℃) 8 h后稱量，計(jì)算不同浸泡時(shí)段枯落物的持水量、持水率、吸水速率。所有稱量均重復(fù)3次讀數(shù)，取平均值。

表1 不同人工林群落的基本特征

2.3 指標(biāo)計(jì)算與處理

枯落物自然含水率計(jì)算式為

R0=(M0-MD)/MD×100%。

(1)

式中：R0為枯落物自然含水率,%；M0為枯落物自然濕質(zhì)量,g；MD為枯落物自然干質(zhì)量,g。

枯落物持水率計(jì)算式為

Rt=(Mt-MD)/MD×100%。

(2)

式中：Rt為浸泡t小時(shí)后枯落物持水率，%；Mt為枯落物浸水t小時(shí)后吸水飽和后的質(zhì)量，g。

枯落物最大持水率計(jì)算式為

Rmax=(M24-MD)/MD×100%。

(3)

式中：Rmax為枯落物最大持水率，%；M24為枯落物浸水24 h吸水飽和后的質(zhì)量，g。

枯落物最大持水量計(jì)算式為

Wmax=MRmax。

(4)

式中：Wmax為枯落物最大持水量,t/hm2；M為枯落物累積量,t/hm2。

枯落物吸水速率計(jì)算式為

v=Wt/t。

(5)

式中：v為枯落物某時(shí)間段的吸水速率,t/hm2· h；Wt為t時(shí)刻落物持水量,t/hm2；t為浸泡時(shí)間,h。

最大攔蓄率根據(jù)凋落物最大持水率及平均自然含水率進(jìn)行計(jì)算，然后結(jié)合單位面積累積量，推算出最大攔蓄量。其計(jì)算公式為：最大攔蓄率R攔=最大持水率Rmax-自然含水率R0；最大攔蓄量W攔=最大攔蓄率R攔×枯落物累積量M。

有效攔蓄量(WSV)估算參考文獻(xiàn)[11-12]，計(jì)算公式為

WSV=(0.85Rmax-R0)M。

(6)

數(shù)據(jù)處理采用Excel2003繪圖，用SAS612軟件進(jìn)行ANOVA分析，多重比較采用t測驗(yàn)(Ttest，LSD=Least significant difference)法。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同人工林群落地表枯落物的累積量

由表2可知，8種人工林群落枯落物的總厚度(N)為2.10～5.24 cm，大小順序依次為香樟(Cinnamomumcamphora)林 (Ⅰ)、樂昌含笑(Micheliachapensis)林 (Ⅱ)、女貞(Ligustrumlucidum)林 (Ⅲ)、馬褂木(Liriodendronchinense)林 (Ⅳ)、樸樹(Celtissinensis)林(Ⅴ)、槭樹(Acerpalmatum)林(Ⅵ), 櫸樹(Zelkovaserrata)林(Ⅶ)和淡竹(Phyllostachysglauca)林(Ⅷ)。方差分析表明：不同群落枯落物總厚度有極顯著差異(P<0.01)。從枯落物累積量(M)的變化來看，變動(dòng)區(qū)間為4.42～8.14 t/hm2，而以香樟林為最高(8. 14±0.41 t/hm2)，槭樹林最小(4.42 ±0.27 t/hm2)，其他幾種群落累積量分別為樂昌含笑林(7.43±0.37 t/hm2)、女貞林(7.53±0.29 t/hm2)、馬褂木林(7.31±0.32 t/hm2)、淡竹林(4. 87±0.34 t/hm2)、櫸樹林(4. 86±0.31 t/hm2)、樸樹林(4.59±0.28 t/hm2)，且不同人工林群落枯落物累積量存在顯著差異(P<0.05)。

從枯落物厚度的分層變化來看，所有群落枯落物未分解層厚度顯著高于半分解層的厚度，說明林下枯落物分解不暢，枯落物以未分解形態(tài)為主體。但不同群落中枯落物分解層次的結(jié)構(gòu)比例存在一定差異，這可能是枯落物累積和分解除了受水、熱因子限制外，往往還受不同群落結(jié)構(gòu)、土壤條件、植食動(dòng)物等因素影響，表現(xiàn)較大變異性[13]。

表2 不同人工林群落枯落物厚度及累積量

用8種人工林群落枯落物累積量(M)與枯落物厚度(d)之間進(jìn)行回歸分析，二者存在顯著的直線相關(guān)，其線性方程為：

M=1.405 4d+0.665 4,
(R2=0.823 4，P<0.05)。

(7)

3.2 不同人工林群落地表枯落物的持水性

1)枯落物持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系。應(yīng)用浸水試驗(yàn)法測定不同人工林群落地表枯落物的持水量。圖1結(jié)果表明: 8種人工林地表枯落物持水量呈現(xiàn)出相似的動(dòng)態(tài)變化特征，即隨著浸水時(shí)間的延長，持水量依次增加，并呈現(xiàn)出倒“J”形曲線。浸水后的前30 min，持水量迅猛上升。2 h以后持水量趨于平穩(wěn)，幾乎呈現(xiàn)出直線變化，表明吸水趨于飽和。浸水24 h后未分解和半分解枯落物的累計(jì)持水量相比較，除了櫸樹林(Ⅶ)以外其余人工林群落的半分解層持水量明顯要高于未分解層。不同人工林未分解層枯落物的持水量(圖1A)而言，櫸樹林(Ⅶ)群落的持水量最大(24 h持水量16.36 t/hm2)，馬褂木林(Ⅳ)群落的持水量最小(24 h持水量2.71 t/hm2)，8種群落的持水量大小排序?yàn)闄螛淞?Ⅶ)、槭樹林(Ⅵ)、香樟林(Ⅰ)、樂昌含笑林(Ⅱ)、樸樹林(Ⅴ) 、女貞林(Ⅲ)、淡竹林(Ⅷ)、馬褂木林(Ⅳ)。從不同人工林半分解層枯落物的持水量變化(圖1B)而言，女貞林(Ⅲ)群落的持水量最大(24 h持水量17.90 t/hm2)，樸樹林(Ⅴ) 群落的持水量最小(24 h持水量10.09 t/hm2)，8種群落的持水量大小排序?yàn)榕懥?Ⅲ)、櫸樹林(Ⅶ)、樂昌含笑林(Ⅱ)、香樟林(Ⅰ)、馬褂木林(Ⅳ)、槭樹林(Ⅵ)、淡竹林(Ⅷ)、樸樹林(Ⅴ)。

A：未分解層Un-decomposed layer； B：半分解層Semi-decomposed layer圖1 不同人工林群落枯落物持水量隨浸水時(shí)間的變化Fig.1 Change of water-holding capacity of litter with immersion time in different man-made forests

對(duì)8種人工林地表枯落物的持水量變化進(jìn)行曲線回歸，持水量(W)與浸泡時(shí)間(t)之間呈現(xiàn)如下關(guān)系：W=alnt+b，擬合的回歸方程見表3，回歸方程的R2均在0.9以上，說明持水量與浸泡時(shí)間擬合方程的擬合程度較高，較好地反映了枯落物持水量的動(dòng)態(tài)變化。

表3 不同人工林群落枯落物持水量與浸水時(shí)間的回歸方程

2)枯落物吸水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系。圖2示出8種人工林地表枯落物的吸水速率的動(dòng)態(tài)變化， 不同人工林地表枯落物的吸水速率呈現(xiàn)出一致的“L”型變化，即隨著浸水時(shí)間的延長，吸水速率依次遞減。浸水后的前30 min，吸水速率由高到低迅猛下降。2 h以后吸水速率趨于平穩(wěn)，4 h以后變化幾乎是一條直線，說明枯落物在吸水2 h幾乎吸水飽和，若再有外界水分浸入將出現(xiàn)外溢。若對(duì)固定時(shí)點(diǎn)半分解(B)和未分解(A)枯落物的吸水速率進(jìn)行比較，半分解層(B)的吸水速率要明顯高于未分解層(A)。不同人工林半分解層(B)枯落物的浸水1 h的吸水速率大小順序?yàn)? 女貞林(Ⅲ)、櫸樹林(Ⅶ)、樂昌含笑林(Ⅱ)、香樟林(Ⅰ)、馬褂木林(Ⅳ)、淡竹林(Ⅷ) 、槭樹林(Ⅵ) 、樸樹林(Ⅴ), 女貞林(Ⅲ)群落的吸水速率最大，達(dá)到4.52 t/(hm2·h)，為最小值樸樹林(Ⅴ)群落吸水速率[2.53 t/(hm2·h)]的1.78倍；而未分解層(A)枯落物的浸水1 h的吸水速率大小順序?yàn)? 櫸樹林(Ⅶ) 、槭樹林(Ⅵ)、香樟林(Ⅰ)、樂昌含笑林(Ⅱ)、樸樹林(Ⅴ) 、女貞林(Ⅲ)、淡竹林(Ⅷ) 、馬褂木林(Ⅳ)。吸水速率大說明該群落對(duì)外源水分具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力，能夠在短時(shí)間內(nèi)吸收地表降水，并有效地減少地表徑流。

對(duì)8種人工林地表枯落物吸水速率隨浸水時(shí)間的變化進(jìn)行曲線回歸見表4。吸水速率(v)與浸泡時(shí)間(t)之間呈現(xiàn)如下指數(shù)關(guān)系：v=at-b。所有群落回歸方程的R2均在0.9以上，說明吸水速率(v)與浸泡時(shí)間(t)擬合方程的擬合程度較高。

A：未分解層Un-decomposed layer； B：半分解層Semi-decomposed layer圖2 不同人工林群落枯落物吸水速率隨浸水時(shí)間的變化Fig.2 Change of water absorption rate of litter with immersion time in different man-made forests

3)不同人工林群落地表枯落物的持水?dāng)r蓄能力。持水量反應(yīng)枯落物持水能力的大小，還不能代表枯落物的實(shí)際攔蓄能力。自然含水量反應(yīng)枯落物樣品最初的含水狀態(tài)，對(duì)后期的有效攔蓄量研究提供參照性依據(jù)[12]。由最大持水量(Wmax)、自然含水率(R0)和群落枯落物累積量(M)可以推算出不同群落的最大持水率(Rmax)、最大攔蓄率(R攔)、最大攔蓄量(W攔)，以及有效攔蓄量(WSV)，表5示出不同人工林群落對(duì)水分的攔蓄能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。從評(píng)價(jià)結(jié)果來看，不同人工林群落地表枯落物Rmax及W攔顯著不同，說明不同人工林群落持水、攔蓄能力有明顯差異。櫸樹林(Ⅶ)、槭樹林(Ⅵ)、樸樹林(Ⅴ)3種人工林群落的持水能力較高，其Rmax均值分別為667.56%、462.90%和341.18%；相對(duì)的，馬褂木林(Ⅳ)、香樟林群落(Ⅰ)兩者群落的持水能力較低，其Rmax均值分別為191.38%和271.99%；其余幾種群落的Rmax均值中等。這種結(jié)果與不同人工林群落的樹種組成和枯落物層厚度、累積量、分解程度等要素相聯(lián)系。

表4 不同人工林群落枯落物吸水速率(v)與浸水時(shí)間(t)的回歸方程

表5 不同人工林群落枯落物持水能力指標(biāo)

研究表明，不同群落內(nèi)枯落物的持水特性與樹種自身的生物學(xué)特性緊密相關(guān)，尤其是葉片質(zhì)地、枯枝等枯落物的組成、內(nèi)含物、化學(xué)特性等直接影響枯落物的分解快慢，進(jìn)而影響到地表枯落物厚度、結(jié)構(gòu)，從而對(duì)地表降水的存留、滯吸、和攔截產(chǎn)生重要影響[14-15]。從不同森林群落的生境結(jié)構(gòu)來看，盡管其林分年齡相當(dāng)，但樹種組成和林分密度相差較大，地表枯落物結(jié)構(gòu)和分解速度存在顯著差異，這必然導(dǎo)致不同林分枯落物持水量不同，進(jìn)而影響到不同森林群落的持水量和攔蓄率。有效攔蓄量(WSV)可用來估算枯落物對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄能力，因此進(jìn)一步計(jì)算不同群落類型的WSV更有說服力。8種人工林群落中以櫸樹林群落(Ⅶ)的WSV最大，達(dá)到26.32 t/hm2，表現(xiàn)為極強(qiáng)的攔蓄能力；槭樹林(Ⅵ)和女貞林(Ⅲ)群落的WSV較大，分別達(dá)到16.64和16.44 t/hm2，在所有人工林群落中攔蓄能力較強(qiáng)；相對(duì)的，馬褂木群落(Ⅳ)的WSV較小，僅為9.55 t·hm-2,相對(duì)攔蓄能力最弱。不同人工林群落有效攔蓄量的明顯差別，說明在城市人工林建設(shè)中樹種組成及群落類型的選擇對(duì)成林后林地持水?dāng)r蓄和水源涵養(yǎng)能力有重要影響。

4 討論和結(jié)論

1)森林枯落物的積累和分解, 是森林生態(tài)系統(tǒng)中物流和能流的重要環(huán)節(jié)[1]。 枯落物厚度及累積量反映了森林生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分的歸還量和物質(zhì)循環(huán)的能量流，對(duì)維持自然界的生態(tài)平衡具有重要作用。大量研究表明，枯落物的累積量大小主要取決于植物群落生產(chǎn)力，同時(shí)還依賴于當(dāng)?shù)氐臍夂?、土壤肥力、土壤含水量和物種組成[16]。從本研究的結(jié)果來看，8種人工林枯落物總厚度在2.10～5.24 cm，而累積量為4.42～8.14 t/hm2，這個(gè)測定結(jié)果明顯低于同緯度的天然林群落[17-18]。究其原因，一方面是由于城市森林的樹種組成相對(duì)簡單，群落層次單一，其生產(chǎn)力明顯低于天然林，另一方面，城市人工林多屬于游賞性城市綠地，與天然林相比要遭受更多的人為干擾和生物侵害。當(dāng)前，在我國城市公園和風(fēng)景林養(yǎng)護(hù)中，枯落物的存在及其生態(tài)功能尚未受到足夠的重視，大多被認(rèn)為是一種固體廢棄物而被清掃、填埋或者移走焚燒。其實(shí)，這種管護(hù)方式從生態(tài)學(xué)觀念來看不可取，因?yàn)檫@不僅增加了城市綠地養(yǎng)護(hù)的投入和市容環(huán)境管理的壓力，更為重要的是這種方式破壞了城市森林生態(tài)系統(tǒng)自身的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，森林地表枯落物的持水蓄養(yǎng)能力隨之消失，土壤貧瘠化加劇，通透性降低。保護(hù)城市森林地表枯落物是對(duì)森林資源的保護(hù)，更是對(duì)城市森林生態(tài)系統(tǒng)的維護(hù)。

2)文獻(xiàn)表明：森林枯落物的成分組成、內(nèi)含物、化學(xué)特性等直接影響到枯落物的分解快慢，進(jìn)而影響到地表枯落物的累積量[14-15]。本研究表明：不同人工林群落枯落物厚度和累積量有顯著差異，這一點(diǎn)與張洪江等[19]、孫艷紅等[20]、饒良懿等[21]對(duì)天然林群落的研究結(jié)果基本一致。從不同森林群落的生境和群落結(jié)構(gòu)來看，盡管其林分年齡相當(dāng)，但樹種組成和林分密度相差較大，不同林分的葉片質(zhì)地和分解速度也有顯著差異，這些因素必然導(dǎo)致人工林內(nèi)環(huán)境和林內(nèi)物質(zhì)循環(huán)的速度存在較大差異。地表枯落物的厚度及其分解程度、枯落物成分及年循環(huán)量差異是不同林分枯落物持水量不同、具有不同持水率和攔蓄量的內(nèi)因，其相應(yīng)的定量關(guān)系還有待今后作深入地研究。

3)隨浸水時(shí)間的不斷增加，8種人工林群落枯落物持水量不斷增加，但增速為前30 min最快，30 min后增速逐漸變緩，2 h后趨于平穩(wěn)。一定時(shí)期內(nèi)持水量(W)與浸泡時(shí)間(t)之間呈現(xiàn)如下關(guān)系：W=alnt+b；吸水速率(v)與浸泡時(shí)間(t)呈現(xiàn)指數(shù)相關(guān)關(guān)系：v=at-b，這與天然林群落枯落物持水量的變化動(dòng)態(tài)基本一致[12,22-23]。因此，城市人工林枯落物對(duì)林間短期降水具有良好的儲(chǔ)蓄作用，尤其是半分解層的持水作用明顯。這是由于半分解層枯落物已近腐爛，疏松多孔，吸水容量較大；因此，城市森林枯落物的半分解層是城市人工林水源涵養(yǎng)、吸水?dāng)r蓄功能的主要承擔(dān)者。在當(dāng)前發(fā)展節(jié)約型園林、構(gòu)建建設(shè)海綿型城市的大背景下，地表枯落物應(yīng)受到足夠的重視而加以存留和保護(hù)。

4)枯落物的持水能力主要取決于枯落物累積量(M)、自然含水率(R0)、最大持水量(Wmax)、最大持水率(Rmax)、有效攔蓄量(WSV)等指標(biāo)[24]。本研究表明：樹齡相當(dāng)、種類不同的人工林群落枯落物的持水能力顯著不同。櫸樹林、槭樹林、樸樹林3種落葉人工林群落的持水能力較高，其Rmax高于其他常綠人工林群落(如香樟林、女貞林)。而就WSV測定結(jié)果來看，以櫸樹林群落的WSV最大(26.32 t/hm2)，表現(xiàn)為極強(qiáng)的攔蓄能力?？梢?，常綠樹種組成的人工林其地表枯落物的持水?dāng)r蓄能力并非比落葉樹種組成的人工林占優(yōu)勢。櫸樹是江蘇常見的落葉闊葉樹種，也是重要的珍貴用材樹種，該樹種生長快，適應(yīng)性強(qiáng)，枝葉繁茂，成林后具有龐大的葉面積。盡管櫸樹林群落中地表枯落物的累積量不高，但其最大持水率和最大攔蓄率均較高，因此該群落仍能維持較高的蓄水功能，在當(dāng)前海綿城市建設(shè)中應(yīng)具有廣闊的應(yīng)用潛力。