黔中久安現(xiàn)代生態(tài)茶園不同地表殘存物的持水性能研究*

寇冬梅，蘇宇陽(yáng)，楊 瑞▲

(1貴州省農(nóng)業(yè)資源環(huán)境管理站，貴州 貴陽(yáng) 550001；2貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

森林是最主要的生態(tài)系統(tǒng)之一，既源源不斷地為人類(lèi)提供各類(lèi)物質(zhì)所需，還在減緩地表徑流、攔截泥沙、涵養(yǎng)水源、保持水土等方面發(fā)揮著重要作用。殘存物是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要載體，不僅影響土壤的養(yǎng)分循環(huán)，還能維持森林的水量平衡。它一方面能增加森林地被的粗糙度，減緩地表徑流并延長(zhǎng)土壤的吸水時(shí)間；另一方面能減少林窗降雨對(duì)地表的直接沖刷，阻隔、分散和吸收地表雨水。而茶是貴州山區(qū)開(kāi)展水土流失治理，實(shí)現(xiàn)綠水青山與推動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要植物之一。隨著茶林種植面積的增加，單一種植導(dǎo)致茶園土壤地力衰退，病蟲(chóng)害持續(xù)發(fā)生，生態(tài)環(huán)境日漸惡化，嚴(yán)重影響茶產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。開(kāi)展茶園不同物種的配置，增加茶園生物多樣性，實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)中物種共生，促進(jìn)茶園物質(zhì)與能量良性循環(huán)，構(gòu)建現(xiàn)代生態(tài)茶園與促進(jìn)茶的生態(tài)化生產(chǎn)具有重要意義。本文以黔中久安生態(tài)茶園內(nèi)人工堆集的茶園殘存物和不同林分自然枯落的殘存物為對(duì)象，探索這些地表殘存物的持水性能，以期為生態(tài)茶園的經(jīng)營(yíng)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究試驗(yàn)區(qū)域位于貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)的久安鄉(xiāng)阿哈湖畔，位于北緯26°30′～26°31′、東經(jīng)106°36′～106°37′。當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?3 ℃，最冷月平均氣溫3 ℃，最熱月平均氣溫22 ℃，無(wú)霜期260天，年平均降雨量1150 mm，海拔在1090～1450 m之間，相對(duì)高差在100～360 m之間，土壤類(lèi)型以黃壤分布為主。

2 試驗(yàn)研究方法

2.1 測(cè)定殘存物的選擇

結(jié)合黔中久安生態(tài)茶園的空間功能分布格局設(shè)置測(cè)定區(qū)域，測(cè)試分別為茶(Camelliasinensis)林、杉木(Cunninghamialanceolata)林、馬尾松(Pinusmassoniana)林、光皮樺(Cornuswalteri)林、混交林((漆Toxicodendronvernicifluum+光皮樺Cornuswalteri)5種林分類(lèi)型下的殘存物。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 殘存物采集和現(xiàn)存量測(cè)定

采用樣方法，結(jié)合林分類(lèi)型的分布，在每個(gè)林分類(lèi)型中設(shè)置1個(gè)樣地(10 m×10 m)，每個(gè)樣地布置3個(gè)殘存物小樣方(1 m×1 m)，測(cè)定殘存物厚度，并收集小樣方內(nèi)的全部殘存物，未分解部分與半分解部分分開(kāi)置放并進(jìn)行編號(hào)。將收集的殘存物帶回實(shí)驗(yàn)室后，將其晾干，通過(guò)采集殘存物的現(xiàn)存量，推算出不同林分類(lèi)型單位面積殘存物的蓄積量。

2.2.2 殘存物持水性能測(cè)定

將殘存物分別裝入尼龍網(wǎng)袋中并進(jìn)行編號(hào)，未分解層裝入孔徑為1 mm的網(wǎng)袋，半分解層裝入孔徑為0.125 mm網(wǎng)袋，將網(wǎng)袋放進(jìn)盛滿清水的大容器，分別浸泡5 min，15 min，30 min，40 min，2 h，4 h，8 h，24 h，在每個(gè)時(shí)間段撈起殘存物不滴水時(shí)迅速稱(chēng)量其重量。通過(guò)3個(gè)重復(fù)測(cè)定平均值，計(jì)算殘存物的持水量、持水率、最大持水量、最大持水率和吸水速度等[1-3]。每個(gè)時(shí)間段稱(chēng)量的殘存物濕重與干重差值為殘存物不同浸泡時(shí)間的持水量，該差值與浸泡時(shí)間的比值即為殘存物的吸水速度，殘存物的最大持水量和最大持水率分別為殘存物浸水24 h的持水量和持水率。

不同時(shí)間段殘存物的持水量=浸泡后殘存物的重量-殘存物烘干重

不同時(shí)間段殘存物的持水率=不同時(shí)間段殘存物的持水量/殘存物烘干重×100%

殘存物最大持水量=浸泡24 h后殘存物重量-殘存物烘干重

殘存物最大持水率=殘存物最大持水量/殘存物烘干重×100%

吸水速度=(泡后殘存物的重量-殘存物烘干重)/浸水時(shí)間

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

將測(cè)定的數(shù)據(jù)錄成電子檔，應(yīng)用Excel、SPSS軟件將測(cè)定的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分殘存物的蓄積量分析

林地地表的殘存物主要是由植物的枯枝、落葉組成，而茶林較為特殊，其殘存物由人工收集堆積，沒(méi)有半分解的殘存物。一般林地內(nèi)殘存物的蓄積量越大，其水源涵養(yǎng)的能力越強(qiáng)。根據(jù)表1、表2可知，不同林分類(lèi)型的殘存物蓄積量存在顯著差異(P<0.01)。從殘存物總量來(lái)看，大小排列順序?yàn)轳R尾松林(787.33 g/m2)>光皮樺林(569.88 g/m2)>杉木林(446.42 g/m2)>混交林(328.18 g/m2)>茶林(256.01 g/m2)。從殘存物的未分解層蓄積量來(lái)看，大小排列順序?yàn)轳R尾松林(408.61 g/m2)>茶林(265.01 g/m2)>杉木林(216.38 g/m2)>光皮樺林(162.19 g/m2)>混交林(108.01 g/m2)；從殘存物的半分解層蓄積量來(lái)看，順序表現(xiàn)為光皮樺林(493.69 g/m2)>馬尾松林(378.72 g/m2)>杉木林(230.04 g/m2)>混交林(220.17 g/m2)。除了馬尾松林和茶林，其余林分類(lèi)型的殘存物蓄積量均表現(xiàn)為半分解層大于未分解層。

表1 不同林分的殘存物蓄積量數(shù)據(jù)表Tab.1 Accumulation data of residues of five kindsof forest stands

表2 不同林分的殘存物蓄積量差異表Tab.2 Differences in the accumulation of different residues

3.2 殘存物的持水能力分析

殘存物的持水性能分析主要包含以下指標(biāo)：持水量、持水率、最大持水量、最大持水率和吸水速度。殘存物的持水能力越強(qiáng)，則在降雨時(shí)吸存水分就越多，有效減少水分流失。

3.2.1 殘存物的持水量和持水率分析

由圖1可知，殘存物的持水量、持水率與浸水時(shí)間呈正相關(guān)，其基本趨勢(shì)是殘存物浸水后，初期增長(zhǎng)迅速，隨時(shí)間推移而不斷減緩，在24 h后，殘存物的持水量趨于飽和，殘存物在降雨前2 h吸收雨水的作用最強(qiáng)，對(duì)減少地表徑流有很大的作用。不同林分殘存物的半分解層持水量均高于未分解層持水量。不同林分殘存物的持水率變化趨勢(shì)與持水量變化趨勢(shì)一致。通過(guò)對(duì)殘存物在不同浸水時(shí)間的持水量和持水率數(shù)值進(jìn)行對(duì)數(shù)關(guān)系擬合：y=aln(x)+b，式中：y為殘存物持水量(g/m2)或持水率(%)；x為浸水時(shí)間(h)；a、b均為待計(jì)算參數(shù)。表3顯示在5 min～24 h內(nèi)的吸水過(guò)程中，殘存物持水量、持水率與浸水時(shí)間的對(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系顯著，其相關(guān)系數(shù)R2大部分大于0.80，回歸模型擬合效果比較理想。

圖1 殘存物持水量、持水率與浸水時(shí)間的關(guān)系Fig.1 Relationship between water holding capacity/waterholding rate and water immersion time

表3 殘存物持水量、持水率與浸水時(shí)間關(guān)系式Tab.3 Relationship between water holding capacity/water holding rate and water immersion time

3.2.2 殘存物最大持水量與最大持水率分析

殘存物的最大持水量是浸水24 h后的持水量，相應(yīng)的持水率為最大持水率。殘存物的最大持水量與最大持水率可以反映殘存物的持水能力。由圖2可知，不同林分殘存物的最大持水量順序?yàn)轳R尾松林>杉木林>光皮樺林>光皮樺林純林>混交林>茶林。不同林分殘存物的各層最大持水量也存在較大的差別，半分解層的最大持水量順序?yàn)轳R尾松林>光皮樺林>杉木林>光皮樺林純林>混交林；未分解層的最大持水量順序?yàn)轳R尾松林>杉木林>茶林>光皮樺林>光皮樺林純林>混交林。各層殘存物的最大持水量和總持水量均為馬尾松最高。在未分解層中，馬尾松和杉木的最大持水量均高于茶林，其余林分未分解層最大持水量均小于茶林。殘存物半分解層的最大持水量均高于未分解層的最大持水量(茶林沒(méi)有半分解層)，半分解層與未分解層最大持水量相差9.16～315.33 g/m2。

殘存物的最大持水率為殘存物能吸收的最大水量占自身干重的百分比，是反映殘存物涵養(yǎng)水源能力的重要指標(biāo)。由圖2可知，不同林分殘存物的最大持水率順序?yàn)轳R尾松林>杉木林>混交林>光皮樺林純林>光皮樺林>茶林；半分解層的最大持水率順序?yàn)樯寄玖?馬尾松林>混交林>光皮樺林純林>光皮樺林；未分解層的最大持水率排列順序?yàn)榛旖涣?馬尾松林>光皮樺林純林>杉木林>光皮樺林>茶林。顯然，同一林分殘存物的最大持水率與最大持水量之間的變化規(guī)律不一致，針葉林表現(xiàn)為未分解殘存物的最大持水率高于半分解層，而闊葉林則表現(xiàn)為未分解殘存物的最大持水率低于半分解層，這是殘存物自身的植被特性、分解程度等因素的影響。

圖2 殘存物的最大持水量與最大持水率Fig.2 Maximum water holding capacity and maximumwater holding rate of residues

3.2.3 不同林分殘存物的吸水速度分析

不同林分殘存物持水能力的另一重要指標(biāo)是殘存物的吸水速度，其速度越快，就能迅速吸收林下降雨，減少地表徑流，增加雨水的涵蓄量。通過(guò)對(duì)殘存物的吸水速度與浸水時(shí)間進(jìn)行擬合分析表明，吸水速度與浸水時(shí)間呈指數(shù)相關(guān)性，表達(dá)式為：y=aebx，式中：y為殘存物的吸水速度(g/h)，x為浸水時(shí)間(h)，a、b均為待估參數(shù)。經(jīng)回歸方程擬合，表4數(shù)據(jù)顯示，在5 min～24 h的吸水過(guò)程中，殘存物吸水速度與浸水時(shí)間的指數(shù)相關(guān)關(guān)系非常顯著，其相關(guān)系數(shù)R2均大于0.90。由圖3可知，各林分類(lèi)型殘存物的吸水速度在前4 h能看到明顯的變化趨勢(shì)，4 h后漸趨平緩，24 h后達(dá)到飽和。吸水初期的數(shù)據(jù)顯示馬尾松林殘存物的吸水速度遠(yuǎn)高于其余林分類(lèi)型，未分解層吸水5 min達(dá)到7310.72 g/h，半分解層吸水5 min更是達(dá)到了7941.4 g/h。而其余林分殘存物的吸水速度變化規(guī)律趨于一致，未分解層吸水5 min達(dá)到2000～3000 g/h之間，半分解層吸水5 min則達(dá)到4000～5000 g/h之間，之后速度同步下降。整體來(lái)看，不同林分殘存物的半分解層吸水速度大于未分解層吸水速度，其吸水速度的變化規(guī)律與持水量、持水率的變化規(guī)律相反。

表4 殘存物的吸水速度與浸水時(shí)間關(guān)系式Tab.4 Relationship between water absorption speedand water immersion time

4 結(jié)論與討論

(1)不同林分殘存物厚度和蓄積量因樹(shù)種、林齡、氣候、人為活動(dòng)以及殘存物自身特性、數(shù)量、分解速率、累積年限和下墊面水熱狀況的不同而有所差別[1]。生態(tài)茶園內(nèi)5 種類(lèi)型殘存物的厚度介于4.5～10 cm，蓄積量介于265.01～787.33 g/m2。除馬尾松林以外，其余林分的殘存物蓄積量均體現(xiàn)為半分解層大于未分解層，這與侯貴榮等在吉縣蔡家川的研究結(jié)果一致，不同樹(shù)種由于獨(dú)有特性導(dǎo)致分解程度不同，馬尾松殘存物中含有大量的油脂類(lèi)物質(zhì)不容易分解[2]。不同林分殘存物的蓄積量也存在很大的差異，差異的根源既與樹(shù)種間的生物學(xué)特性相關(guān)，更與其立地條件相關(guān)聯(lián)[3]。5種林分類(lèi)型中，茶林蓄積量265.01 g/m2最小，馬尾松林蓄積量787.33 g/m2最大。主要原因是茶林下基本沒(méi)有灌木和草本，加之茶葉采摘的影響，使得林下殘存物蓄積量在人工添置下依然相對(duì)較低；反觀馬尾松林下表層土壤硬實(shí)板結(jié)，殘存物下墊面水分較少，較其他林分殘存物不易分解，這與呂剛等在遼西丘陵區(qū)的研究結(jié)果一致，殘存物的平均蓄積量為針葉林大于闊葉林，殘存物的平均厚度也是針葉林大于闊葉林[4]。

圖3 殘存物吸水速度與浸水時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relationship between water absorption speed andwater immersion time

(2)殘存物的最大持水量約為自身干重的2～4倍[5]。研究區(qū)的5種林分殘存物的持水量、持水率與浸水時(shí)間存在著明顯的相關(guān)性，浸水初期殘存物的持水量、持水率增加幅度較大，至4 h后，增加的幅度趨于平緩。這是因?yàn)闅埓嫖镌诮跗诜浅８稍铮实?，短時(shí)間內(nèi)能吸收大量的水分，隨著含水率的增加使殘存物的空隙不斷減少，持水量與持水率增幅逐步減緩，直至飽和狀態(tài)。不同林分殘存物半分解層的持水量均高于未分解層的持水量，這是由于半分解層殘存物含有腐殖質(zhì)，且具有較多的空隙，從而致使殘存物中吸水的空間增大，吸水能力也隨之增強(qiáng)[6-7]。

(3)未分解層與半分解層的最大持水量均為馬尾松林的殘存物最高，這與馬尾松林殘存物的總蓄積量遠(yuǎn)大于其余林分類(lèi)型有關(guān)，而且馬尾松林和杉木林殘存物的最大持水率也高于茶林、光皮樺林和混交林，這是由于馬尾松和杉木都是針葉樹(shù)，枯枝落葉較為細(xì)小，殘存物間的空隙較多，可容納的吸水量更大[8]。此外，各林分殘存物半分解層的最大持水量均高于未分解層，但各林分殘存物的最大持水量與最大持水率之間的變化規(guī)律并不一致。針葉林殘存物表現(xiàn)為未分解層的最大持水率高于半分解層，而闊葉林則相反，這可能與殘存物的分解程度有關(guān)，分解程度越高，殘存物越破碎以致其間空隙越多，可吸收水分也就越豐富[9]。

(4)各林分殘存物的吸水速度在15 min內(nèi)遠(yuǎn)高于浸水15 min后，這是由于浸泡前的殘存物處于烘干的狀態(tài)，殘存物非常干燥，枯枝落葉的死細(xì)胞與外界存在較大的水勢(shì)差，水勢(shì)差隨著進(jìn)水的時(shí)間增加而減小。不同林分殘存物半分解層的吸水速度大于未分解層的吸水速度，主要原因是不同層次的殘存物分解程度不同，總吸水面積存在差異，導(dǎo)致吸水的速度也不同[10]。由此可見(jiàn)，殘存物的吸水速度在初期最快，對(duì)于短時(shí)間內(nèi)的強(qiáng)降雨有較好的攔截作用，可有效減緩地表徑流。