喀斯特灌木林枯落物持水特性分析

周秋文, 羅雅雪， 羅 婭， 韋小茶

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550001)

1 研究背景

通過(guò)林冠、枯落物、土壤層截持并存儲(chǔ)降雨，森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮著特有的水文生態(tài)功能[1-2]。 枯落物作為有效截持降雨的第二層次，具備顯著的降雨截留、徑流調(diào)節(jié)、控制土壤流失的功能[3-4]。在生態(tài)環(huán)境方面，喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)明顯不同于其它森林生態(tài)系統(tǒng)，包括高裸巖率、多層次生態(tài)空間、高異質(zhì)性生境、土壤層薄、土壤覆蓋層破碎、土壤蓄水能力弱等[5-6]，這些特點(diǎn)導(dǎo)致喀斯特地區(qū)生態(tài)恢復(fù)能力較差。而灌木樹種耐旱、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、萌孽性好，是荒山綠化主要先鋒樹種[7]，因此探討喀斯特地區(qū)灌木枯落物的持水特性具有重要的理論和實(shí)踐意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)森林群落枯落物水文效應(yīng)做了大量研究，并獲得了一定的成果[8-10]。由于地貌、土壤、植被等條件的差異，喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)水文功能具有顯著的獨(dú)特性[11-13]。目前已有一些學(xué)者開展了喀斯特森林生態(tài)水文功能的研究[14]。戴曉勇等[15]研究了梵凈山地區(qū)不同植被類型枯落物的持水特性；劉玉國(guó)等[16]以貴州喀斯特山區(qū)的5種森林為研究對(duì)象，研究了枯落物蓄積量和生態(tài)水文功能，結(jié)果表明落葉喬木林枯落物抑制土壤蒸發(fā)能力大于闊葉喬木和灌木。除了中國(guó)西南喀斯特地區(qū)外，其它地區(qū)也開展了一些類似研究工作，如李紅云等[17]研究了山東省石灰?guī)r山區(qū)灌木林枯落物的持水性能；齊瑞等[18]在白龍江上游做了灌木水文效應(yīng)相關(guān)研究；Li等[19]通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)的方法，研究了中國(guó)北方森林枯落物的持水特性；Ilek等[20]分析了不同樹種組成對(duì)枯落物持水性的影響。綜上所述，目前喀斯特地區(qū)有關(guān)枯落物持水性的研究主要集中在喬木枯落物，而灌木枯落物的相關(guān)研究較少。少量有關(guān)喀斯特灌木枯落物持水性的研究，主要在中國(guó)北方開展，而南方喀斯特地區(qū)的研究較少。中國(guó)南方喀斯特地區(qū)由于自然條件限制，水土流失、土壤侵蝕等現(xiàn)象嚴(yán)重，灌木林對(duì)喀斯特地區(qū)防止土壤侵蝕和涵養(yǎng)水源有重要作用。因此，有必要開展喀斯特灌木林持水特性的研究，尤其是在中國(guó)南方地區(qū)。

本文以貴州省典型喀斯特地區(qū)為研究區(qū)，以3種灌木群落和生長(zhǎng)在坡上、坡中、坡下3個(gè)不同坡位的灌木林枯落物為研究對(duì)象，進(jìn)行枯落物野外取樣，在室內(nèi)使用烘干法、浸泡法等獲取枯落物蓄積量、最大持水量、有效攔蓄率等數(shù)據(jù)。目的在于了解不同坡位、不同群落灌木枯落物的生態(tài)水文功能，為喀斯特地區(qū)的植被恢復(fù)與生態(tài)建設(shè)提供支持。

2 研究區(qū)概況

本研究區(qū)域位于貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)，經(jīng)緯度坐標(biāo)為東經(jīng)106.6°，北緯26.4°，平均高程為1 199 m。研究區(qū)位于珠江流域與長(zhǎng)江流域分水嶺處，地貌類型主要是山地和丘陵，地表景觀呈破碎化，植被覆蓋較少，巖石裸露比例大，屬于典型喀斯特地貌。該區(qū)屬于典型的亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，具有明顯的高原氣候特點(diǎn)，年平均降雨量1 187.1 mm，水資源豐富。土壤類型以黃壤、石灰土為主，植被包括喬木、灌木和草本植物，其中灌木優(yōu)勢(shì)種為月月青、圓果化香、球核莢蒾等。

3 研究方法

3.1 樣地設(shè)置及樣品采集

2016年8月中旬在研究區(qū)通過(guò)實(shí)地調(diào)查，確定以球核莢蒾、月月青、圓果化香3種灌木群落和坡上、坡中、坡下3個(gè)不同坡位的灌木群落為研究對(duì)象。對(duì)各研究對(duì)象設(shè)置5 m×5 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地1個(gè)，共6個(gè)樣地，逐樣地測(cè)量林木胸徑、郁閉度、平均樹高等指標(biāo)(表1)。為減少采樣誤差，在樣地中觀察實(shí)際地形及巖石出露情況，選取巖石出露面積較小、地勢(shì)較平坦的位置作為樣方。在每個(gè)樣地劃分出3個(gè)30 cm×30 cm的樣方，取最后的數(shù)據(jù)平均值以減小誤差。測(cè)定樣方內(nèi)半分解層和未分解層枯落物厚度并記錄，分別采集各枯落物樣品裝袋，并立即標(biāo)記、稱量鮮重。

3.2 測(cè)定方法

把采集到的各層枯落物樣品分別放在烘箱烘烤8 h，溫度設(shè)置為85℃，待烘干后分別對(duì)枯落物稱干重并記錄。從烘干的各層枯落物樣品中提取50g，放到已測(cè)定重量的紗布袋中。把紗布袋中的樣品完全淹沒于水槽的水面以下，分別浸泡6 min、15 min、0.5 h、1 h、2 h、4 h，6 h、10 h、16 h和24 h后，取出裝有枯落物的紗布袋，放置到不出現(xiàn)連續(xù)水滴位置(一般在15 min左右)，用電子天平稱取重量并分別記錄。

用于計(jì)算枯落物持水性能各項(xiàng)指標(biāo)的公式如下[21-23]：

R0=(G0-Gd)/Gd×100%

(1)

Rhmax=(G24-Gd)/Gd×100%

(2)

Rsmax=Rhmax-R0

(3)

Rsv=0.85Rhmax-R0

(4)

Whmax=(G24-Gd)/A

(5)

Wsmax=Rsmax·Gd/A

(6)

Wsv=Rsv·Gd/A

(7)

式中：G0為樣品的鮮重，g；Gd為樣品被烘干后的質(zhì)量，g；G24是樣品在水中浸泡24 h后的質(zhì)量，g；R0為枯落物自然狀態(tài)下的含水率，%；Rhmax為樣品的最大持水率，%；Rsmax為樣品的最大攔蓄率，%；Rsv為樣品的有效攔蓄率，%；Whmax為單位面積枯落物最大持水量，t/hm2；Wsmax為單位面積枯落物最大攔蓄量，t/hm2；Wsv為單位面積枯落物有效攔蓄量，t/hm2；A為采樣樣方面積，m2。

4 結(jié)果與分析

4.1 枯落物厚度和蓄積量

表2為不同灌木群落及坡位枯落物的厚度和蓄積量，由表2可見，不同灌木群落中，球核莢蒾的枯落物總厚度和總蓄積量均最大，圓果化香的枯落物總厚度最小，月月青的枯落物總蓄積量最小。不同坡位狀態(tài)下，坡上的枯落物總厚度最大，坡下的枯落物總厚度最小。但是坡下的枯落物總蓄積量最大，坡上的枯落物總蓄積量最小，枯落物的厚度與蓄積量不成正比。除此之外，不同灌木群落或坡位狀態(tài)下，枯落物半分解層的厚度和蓄積量均大于枯落物未分解層的厚度和蓄積量。

4.2 枯落物最大持水量

表3為不同灌木群落及坡位枯落物的持水狀況，由表3可見，圓果化香枯落物的最大持水量和最大持水率均最大，球核莢蒾枯落物的最大持水量和最大持水率均最小。不同坡位狀態(tài)下，坡中枯落物的最大持水量和最大持水率均最大，坡下枯落物的最大持水量和最大持水率均最小。枯落物最大持水量和最大持水率指標(biāo)在未分解層和半分解層均無(wú)明顯規(guī)律。上述結(jié)果表明，不同灌木群落中圓果化香的持水能力大于月月青、球核莢蒾，不同坡位狀態(tài)下坡中的枯落物持水能力大于坡上、坡下。

表1 標(biāo)準(zhǔn)樣地基本特征

表2 不同灌木群落及坡位枯落物的厚度和蓄積量

表3 不同灌木群落及坡位枯落物持水狀況

4.3 枯落物持水過(guò)程

圖1為不同灌木群落及坡位枯落物持水狀況。圖1表明，在浸水的24 h內(nèi)未分解層的持水量整體表現(xiàn)為圓果化香>球核莢蒾>月月青(圖1(a))，而半分解層持水量在整個(gè)吸水過(guò)程中表現(xiàn)為圓果化香>月月青>球核莢蒾(圖1(b))。圓果化香枯落物持水量在各時(shí)段均大于月月青和球核莢蒾，月月青在浸泡0.25 h之前的持水量與球核莢蒾相差無(wú)幾，卻在0.25 h后逐漸拉開差距，并保持一直大于球核莢蒾持水量的趨勢(shì)。不同坡位上，枯落物未分解層的持水量整體表現(xiàn)為坡中>坡下>坡上，半分解層持水量整體表現(xiàn)亦為坡中>坡下>坡上，由圖1(b)可清楚地看出不同坡位未分解層間的持水量差距較大。總體而言，6個(gè)樣地上各層枯落物持水量與浸泡時(shí)間均表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，各層枯落物持水量在從浸泡開始至1 h內(nèi)迅速增加，在1 h之后持水量繼續(xù)增加，但增大速率減小(圖1(c))，未分解層和半分解層持水量分別在浸泡16、10 h后基本達(dá)到飽和。說(shuō)明生長(zhǎng)在喀斯特地區(qū)的灌木林枯落物，未分解層吸水時(shí)間比半分解層更長(zhǎng)。

經(jīng)回歸擬合后，枯落物持水量與浸水時(shí)間相關(guān)性的決定系數(shù)(R2)除坡上、球核莢蒾未分解層以及月月青半分解層未達(dá)到0.90外，其他的均在0.90以上。分析結(jié)果表明，枯落物持水量與浸泡時(shí)間的相關(guān)性較強(qiáng)(表4)，擬合方程為：Q=aln(t) +b，式中：Q為枯落物持水量，t/hm2；t為浸水時(shí)間，h；a為回歸系數(shù)；b為常數(shù)項(xiàng)。

4.4 枯落物吸水速率

在浸泡實(shí)驗(yàn)的早期，各分解層枯落物吸水速率均很大(圖2(a)、2(b))。實(shí)驗(yàn)開始后的0.25 h，各層吸水速率很高，0.25～6 h逐漸減小，吸水速率在浸泡實(shí)驗(yàn)開始6 h后減小緩慢，枯落物浸泡24 h時(shí)吸水速率接近0。各群落枯落物樣品開始浸泡時(shí)，吸水速率差異較大，吸水速率在樣品浸泡1h后差異減小。不同群落浸泡0.25 h內(nèi)，枯落物吸水速率表現(xiàn)為圓果化香>月月青>球核莢蒾，此關(guān)系持續(xù)至2 h，2 h后吸水速率大小基本相同。在浸泡實(shí)驗(yàn)開始后4 h內(nèi)，吸水速率指標(biāo)在不同坡位上表現(xiàn)為坡中>坡下>坡上，4 h之后不同坡位枯落物的吸水率基本一致，后期緩慢減小并趨近于0。對(duì)3種群落、3種坡位的各層枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間關(guān)系進(jìn)析擬合，決定系數(shù)(R2)均達(dá)到0.99，相關(guān)性良好(表4)，擬合方程為V=ktn，式中：V為吸水速率，kg/h；t為浸水時(shí)間，h；k為回歸系數(shù)；n為指數(shù)。

圖1 不同灌木群落及坡位枯落物持水狀況

分解層群落/坡位持水量與浸泡時(shí)間關(guān)系關(guān)系式R2吸水速率與浸泡時(shí)間關(guān)系關(guān)系式R2球核莢蒾y=1.3406 ln (t)+9.46420.88y=0.0807t-0.8460.99月月青y=1.4621 ln (t)+9.33060.95y=0.0797t-0.8370.99未分解層圓果化香y=1.6234 ln (t)+11.2260.93y=0.0965t-0.8500.99坡下y=1.6767 ln (t)+11.5240.96y=0.0995t-0.8510.99坡中y=1.8141 ln (t)+13.6810.92y=0.1183t-0.8610.99坡上y=1.4118 ln (t)+9.42850.89y=0.0804t-0.8410.99球核莢蒾y=1.2203 ln (t)+8.60880.97y=0.0747t-0.8580.99月月青y=1.4996 ln (t)+10.8340.88y=0.0927t-0.8500.99半分解層圓果化香y=1.5947 ln (t)+11.5630.94y=0.0998t-0.8570.99坡下y=1.4641 ln (t)+11.6880.98y=0.1021t-0.8740.99坡中y=1.4986 ln (t)+12.3160.98y=0.1073t-0.8740.99坡上y=1.2475 ln (t)+9.45180.95y=0.0823t-0.8660.99

圖2 不同灌木群落及不同坡位的枯落物吸水速率狀況

4.5 枯落物的有效攔蓄率與有效攔蓄量

可通過(guò)枯落物的有效攔蓄率和有效攔蓄量分析枯落物的攔蓄能力。不同灌木群落中，枯落物未分解層的有效攔蓄率變化為球核莢蒾>月月青>圓果化香，有效攔蓄量表現(xiàn)為球核莢蒾>月月青>圓果化香(表5)?？萋湮锇敕纸鈱佑行r蓄率為月月青>圓果化香>球核莢蒾，有效攔蓄量表現(xiàn)為月月青>圓果化香>球核莢蒾。表明不同灌木群落中，不論枯落物的未分解層或是半分解層，枯落物的有效攔蓄率的變化特征與有效攔蓄量一致。

不同坡位狀態(tài)下，枯落物未分解層有效攔蓄率指標(biāo)在不同坡位變化情況為坡中>坡下>坡上，但其有效攔蓄量大小卻為坡下>坡中>坡上，分析此處有效攔蓄量表現(xiàn)為坡下大于坡中的原因?yàn)槠孪驴萋湮锏男罘e量大于坡中(表2)，因?yàn)樾罘e量的大小與枯落物鮮重變化成正比，而有效攔蓄量與枯落物鮮重直接相關(guān)。有效攔蓄率指標(biāo)在半分解層的情況為坡上>坡中>坡上，有效攔蓄量表現(xiàn)為坡中>坡上>坡下，分析此處有效攔蓄量表現(xiàn)為坡中大于坡下的原因?yàn)榘敕纸鈱吁r重質(zhì)量較大，雖然蓄積量表現(xiàn)為坡上大于坡中，但是坡中枯落物的鮮重大于坡下枯落物的鮮重。

結(jié)果表明，不同灌木群落中，枯落物未分解層中球核莢蒾的攔蓄能力較好；在枯落物半分解層中，月月青的攔蓄能力較好；不同坡位狀態(tài)下，枯落物未分解層和半分解層中均表現(xiàn)為坡中的攔蓄能力較好。

表5 不同灌木群落及坡位枯落物攔蓄能力

5 討 論

本次研究中群落枯落物的最大持水量范圍為25.04～32.30 t/hm2，有效攔蓄量范圍為10.63～17.88 t/hm2。已有研究中關(guān)于山東省石灰?guī)r山區(qū)灌木最大持水量范圍為27.09～46.86 t/hm2，有效攔蓄量范圍為19.25～32.27 t/hm2[17]；山西省石灰?guī)r山區(qū)的研究結(jié)果顯示該地灌木枯落物最大持水量為28.59～39.76 t/hm2，有效攔蓄量為10.25～23.65 t/hm2[7]；黑龍江省東部的相關(guān)研究表明，灌木枯落物最大持水量范圍為20.90～33.48 t/hm2，有效攔蓄量為12.83～25.07 t/hm2[24]。與已有研究數(shù)據(jù)相比，本次研究的數(shù)據(jù)較小，說(shuō)明貴州喀斯特地區(qū)的灌木枯落物持水能力比這些地區(qū)弱，分析原因是貴州的巖石裸露率較高，植被覆蓋率較低，導(dǎo)致相關(guān)灌木群落的枯落物持水性能數(shù)據(jù)有差異。

本研究結(jié)果表明，坡中位置的枯落物持水性能較其他坡位的枯落物持水性能好，與凌繼華等[25]的研究結(jié)論有差異，該研究結(jié)論為隨著坡位的降低，枯落物持蓄水和吸水能力均有提高。但王安寧等[26]研究結(jié)論為坡中是坡面承上啟下的關(guān)鍵部位，與本研究結(jié)果相近?？λ固氐貐^(qū)坡頂通常灌木稀疏，以草本植物為主，而草本植物分解速率快，無(wú)法形成較厚的枯落物，因此其持水能力較差。而喀斯特山體的坡底通常土層厚、水分條件好，灌木茂密，林下草本植物少，灌木枯落物分解速率慢，導(dǎo)致枯落物層多為較大的枯落物個(gè)體，無(wú)法形成類似海綿的結(jié)構(gòu)，因此持水率較低。坡中植被既有灌木也有草本植物，在大量的灌木枯落物中，填充了一些細(xì)小的草本植物枯落物，能形成有利于蓄水的結(jié)構(gòu)，因此坡中的持水能力較強(qiáng)。

本文從群落與坡位兩方面分別對(duì)比喀斯特地區(qū)灌木林枯落物持水特性。研究結(jié)果表明，為提升喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)的水土保持效果，在對(duì)樹種進(jìn)行選擇的同時(shí)，對(duì)坡位也有要求，即可直接選擇坡位最好的位置種植持水能力較好的灌木樹種，以更好地發(fā)揮枯落物的持水作用。因3種群落中圓果化香枯落物層表現(xiàn)出較強(qiáng)的持水能力、月月青有較強(qiáng)攔蓄能力，所以在森林植被恢復(fù)過(guò)程中，可增加圓果化香和月月青的種植面積。在3種坡位中，坡中處的灌木持水性能更好，改善森林群落及樹種種植坡位，也可提高林木枯落物的持水能力，更好地發(fā)揮喀斯特灌木林涵養(yǎng)水源的作用。本研究對(duì)象為較純灌木樹種，但是自然環(huán)境中多為幾種灌木組成混合群落。因此，可進(jìn)一步對(duì)不同的混合灌木群落做相關(guān)研究，了解不同類型的混合灌木枯落物的持水能力，選擇其中持水效果最好的群落進(jìn)行栽種，以達(dá)到更好的水土保持效果。本研究存在一定的局限性，研究樣地中灌木林的樹種沒有達(dá)到絕對(duì)的一致，除含有灌木研究對(duì)象外，還有一些草本、蕨類植物存在。這些植物的存在使實(shí)測(cè)枯落物蓄積量較灌木本身枯落物蓄積量有所增加，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果略有誤差。

6 結(jié) 論

(1)林下枯落物層總厚度和總蓄積量最大的為球核莢蒾群落，但最大持水量和最大持水率均表現(xiàn)為圓果化香群落最大，有效攔蓄量表現(xiàn)為月月青群落最大，說(shuō)明月月青枯落物的有效攔蓄能力最強(qiáng)。

(2)坡上的枯落物總厚度最大，枯落物總蓄積量從大到小依次為坡下、坡中、坡上，最大持水量、最大持水率和有效攔蓄量均為坡中最大，表明坡中的持水能力、有效攔蓄能力最大。

(3)在不同群落或者坡位上，半分解層的枯落物蓄積量大于未分解層，枯落物持水量和浸泡時(shí)間兩項(xiàng)指標(biāo)在不同群落、坡位均表現(xiàn)出對(duì)數(shù)關(guān)系，吸水速率和浸泡時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系。

(4)在24 h浸水過(guò)程中，圓果化香的吸水速率整體最大，說(shuō)明其吸水能力在3種群落中最強(qiáng)。

(5)就坡位而言，坡中吸水速率最大，表明坡中位置的枯落物吸水能力最強(qiáng)。

(6)研究結(jié)果可在樹種和坡位選擇方面為喀斯特地區(qū)退耕還林、石漠化治理等植被恢復(fù)措施提供一定的科學(xué)依據(jù)。