滇東北4種典型筇竹林凋落物的持水性

鐘 歡 董文淵 李 吉 張 煒 柳治倫 鄭靜楠 吳義遠(yuǎn)

(1 西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院 昆明 650224；2 西南林業(yè)大學(xué)筇竹研究院 昆明 650224；3 西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院 昆明 650224；4 西南林業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 昆明 650224；5 云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院 昆明 650051)

森林凋落物也稱為有機(jī)碎屑或枯落物，是由森林生態(tài)系統(tǒng)中的地上生物產(chǎn)生并歸還給林地表面的有機(jī)物質(zhì)的總稱[1-3]。森林凋落物是林地營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要來(lái)源，其凋落和分解是森林生態(tài)系統(tǒng)中的物流和能流的重要環(huán)節(jié)[4]。植物吸收土壤養(yǎng)分，同時(shí)又以凋落物的形式把養(yǎng)分歸還給地表[5]。森林凋落物包括林內(nèi)灌木及喬木的枯枝落葉、繁殖器官、落皮及枯死的根莖，枯萎的草本植物，動(dòng)物殘骸及其代謝產(chǎn)物等[6-8]。凋落物層具有重要的生態(tài)學(xué)意義，不僅可以補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，還有保持水土、涵養(yǎng)水源的生態(tài)功能。凋落物涵養(yǎng)水源功能的大小與其組成、儲(chǔ)量、自然含水率及分解速率相關(guān)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)森林凋落物的研究較多，主要集中在森林凋落物對(duì)土壤養(yǎng)分的影響、森林凋落物的分解速率、森林凋落物量及其分解速率產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)特征及森林凋落物分解的影響因子等方面，對(duì)凋落物層持水性能研究相對(duì)缺乏。

筇竹(Qiongzhueatumidinoda)為禾本科竹亞科筇竹屬竹種，屬中小型混生竹類，是國(guó)家3級(jí)保護(hù)珍稀瀕危竹種之一，為我國(guó)西南地區(qū)所特有[9-10]。滇東北大關(guān)縣是著名的“中國(guó)筇竹之鄉(xiāng)”，現(xiàn)有天然筇竹—人工黃皮樹(Phellodendronchinense)混交林、人工筇竹—黃皮樹混交林、天然筇竹—人工厚樸(Magnoliaofficinalis)混交林、天然筇竹純林等4種典型筇竹林類型。本研究以上述4種典型筇竹林凋落物為研究對(duì)象，根據(jù)凋落物分解狀況對(duì)滇東北不同類型筇竹林凋落物儲(chǔ)量及其持水性能進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)比分析不同類型筇竹林凋落物的儲(chǔ)量及持水性能，從而為滇東北筇竹林生態(tài)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 研究地概況

研究區(qū)位于大關(guān)縣木桿鎮(zhèn)，地處云南省東北部，位于103°52′—104°01′E，28°02′—28°14′N；屬烏蒙山系，地勢(shì)南北高，中間低，山高谷深，境內(nèi)群山林立，海拔高差大，最高為2 263 m，最低為980 m；屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，垂直差異明顯，全年平均氣溫為14.6 ℃，年均降水量1 335 mm，降水豐富。木桿鎮(zhèn)有林地1.6萬(wàn)余hm2，森林覆蓋率高達(dá)74%，其中筇竹林面積大，筇竹資源極其豐富。該地區(qū)土壤以山地紅壤及黃壤為主。林下植被中灌木主要有西南繡球(Hydrangeadavidii)、寒莓(Rubusbuergeri)、菝葜(Smilaxchina)等，草本主要有鳳仙花(Impatiensbalsamina)、樓梯草(Elatostemainvolucratum)、粗齒冷水花(Pileasinofasciata)等。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置及凋落物采集

2019年7月，在大關(guān)縣木桿鎮(zhèn)選擇天然筇竹—人工黃皮樹混交林(A)、人工筇竹—黃皮樹混交林(B)、天然筇竹—人工厚樸混交林(C)、天然筇竹純林(D)等4種典型筇竹林。在4種林分類型中分別設(shè)置3個(gè)20 m × 20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，在標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)沿對(duì)角線S型布設(shè)5個(gè)1 m × 1 m的小樣方。先測(cè)定凋落物層厚度并記錄數(shù)值，然后分未分解層、半分解層、全分解層收集小樣方內(nèi)的全部凋落物，稱取凋落物的鮮質(zhì)量，帶回實(shí)驗(yàn)室取部分凋落物烘干至質(zhì)量恒定，烘箱設(shè)定溫度為80 ℃。計(jì)算凋落物蓄積量及自然含水率[11-16]。

2.2 凋落物持水量、吸水速率及有效攔蓄量的測(cè)定

將凋落物烘干至質(zhì)量恒定的樣本稱取500 g左右裝入尼龍網(wǎng)袋，浸入清水中，在0.5、1、2、4、6、8、10和24 h后將裝有枯落物的網(wǎng)袋取出，靜置10 min左右，直至凋落物不滴水時(shí)迅速稱其質(zhì)量，最后將凋落物倒出，洗凈網(wǎng)袋并稱其濕質(zhì)量，重復(fù)3次取均值。當(dāng)?shù)蚵湮锖窟_(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)稱為其最大持水量。通常情況下，凋落物浸入水中24 h后即吸水飽和，此時(shí)的持水量即為凋落物的最大持水量，此時(shí)的持水率稱為最大持水率[16-21]。

凋落物持水量及持水率的計(jì)算公式如下：

凋落物持水量(t/hm2)=凋落物濕質(zhì)量-凋落物干質(zhì)量

凋落物持水率(%)=(凋落物持水量/凋落物干質(zhì)量)×100%

凋落物有效攔蓄量(t/hm2)=(0.85×最大持水率-自然含水率)×凋落物蓄積量

凋落物吸水速率[g/(m2·h)]=即時(shí)持水量/浸泡時(shí)間

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel及SPSS17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同類型筇竹林凋落物儲(chǔ)量

從表1可以看出，人工筇竹—黃皮樹混交林的凋落物總儲(chǔ)量最高，為7.61 t/hm2；其次是天然筇竹—人工黃皮樹混交林為6.61 t/hm2，天然筇竹—人工厚樸混交林的為5.73 t/hm2，天然筇竹純林的最低為5.23 t/hm2。人工筇竹—黃皮樹混交林、天然筇竹—人工厚樸混交林及天然筇竹純林均是半分解層的凋落物儲(chǔ)量最高，而天然筇竹—人工黃皮樹混交林的凋落物儲(chǔ)量最高的是全分解層，這可能是由于不同類型筇竹林中的水熱狀況及凋落物組成不同，導(dǎo)致其分解速率不一樣。

3.2 不同類型筇竹林凋落物層持水性

3.2.1 不同類型筇竹林凋落物持水量

由表2可知，人工筇竹—黃皮樹混交林(B)的未分解層凋落物最大持水量最大為1.19 t/hm2，天然筇竹—人工厚樸混交林(C)的凋落物最大持水量在半分解層及全分解層中均為最大，分別為1.26 t/hm2、1.22 t/hm2，表明其凋落物持水能力較強(qiáng)。天然筇竹純林(D)的未分解層及半分解層凋落物的最大持水量均為最低，分別為0.61 t/hm2、0.90 t/hm2，表明其凋落物持水能力較弱，天然筇竹—人工黃皮樹混交林(A)的全分解層凋落物最大持水量最低為0.96 t/hm2。綜合分析表明，天然筇竹—人工厚樸混交林的凋落物最大持水量最高，人工筇竹—黃皮樹混交林次之，天然筇竹純林最差，說(shuō)明筇竹混交林凋落物持水性能較筇竹純林好。

表1 不同類型筇竹林凋落物儲(chǔ)量及組成

表2 不同類型筇竹林凋落物持水量 t/hm2

3.2.2 不同類型筇竹林凋落物持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系

利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)不同類型筇竹林凋落物持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，可以得出凋落物持水量與浸泡時(shí)間的動(dòng)態(tài)關(guān)系式為：

Y=aInt+b

式中：Y是凋落物持水量(t/hm2)，a是方程系數(shù)，t是浸泡時(shí)間(h)，b是常數(shù)。

通過(guò)擬合得到的不同類型筇竹林凋落物各層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系式見表3。

表3 不同類型筇竹林凋落物層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系

從凋落物各層持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系(圖1—圖3)可以明顯看出，4種類型筇竹林的凋落物持水量均隨浸泡時(shí)間的遞增而增大，均在0～4 h內(nèi)持水量上升速度較快，4 h之后變緩，10 h之后變化極小，說(shuō)明凋落物持水量在10 h之后趨于飽和狀態(tài)。凋落物總持水量表現(xiàn)為天然筇竹—人工厚樸混交林>人工筇竹—黃皮樹混交林>天然筇竹—人工黃皮樹混交林>天然筇竹純林。

3.2.3 不同類型筇竹林凋落物吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系

由表4及圖4、圖5、圖6可以得出，凋落物吸水速率在前2 h內(nèi)急劇下降，2 h后下降速度減緩并逐漸趨于穩(wěn)定。4種類型筇竹林凋落物在剛浸入水中時(shí)吸水速率相差均較大，但隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，不同類型筇竹林凋落物吸水速率趨于一致，因?yàn)殡S著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，不同類型筇竹林凋落物吸水逐漸趨于飽和狀態(tài)。同時(shí)，在一定程度上也表明，筇竹混交林凋落物吸水速率及其最大持水量均高于筇竹純林。

圖1 凋落物未分解層持水性隨浸泡時(shí)間的變化

圖2 凋落物半分解層持水性隨浸泡時(shí)間的變化

圖3 凋落物全分解層持水性隨浸泡時(shí)間的變化

圖4 凋落物未分解層吸水速率隨浸泡時(shí)間的變化

圖5 凋落物半分解層吸水速率隨浸泡時(shí)間的變化

圖6 凋落物全分解層吸水速率隨浸泡時(shí)間的變化

表4 不同類型筇竹林凋落物吸水速率 g/(m2·h)

利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)不同類型筇竹林凋落物吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合，可以得出凋落物吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系式為：

V=c/t+d

式中：V是凋落物吸水速率[g/(m2·h)]，c是方程系數(shù)，t是浸泡時(shí)間(h)，d是常數(shù)。

通過(guò)擬合得到的不同類型筇竹林凋落物未分解層、半分解層、全分解層的吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系式見表5。

表5 不同類型筇竹林凋落物吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系

3.2.4 不同類型筇竹林凋落物攔蓄量

由表6可得，不同類型筇竹林凋落物最大持水率及自然含水率具有顯著差異，且同一類型筇竹林不同凋落物層的最大持水率及自然含水率也有較大差異，凋落物未分解層最大持水率范圍為125.15%～246.18%，半分解層最大持水率范圍為185.34%～259.63%，全分解層最大持水率范圍為198.22%～251.96%。其中：對(duì)于未分解層最大持水率而言，人工筇竹—黃皮樹混交林的最高，天然筇竹—人工厚樸混交林次之；對(duì)于半分解層最大持水率而言，天然筇竹—人工厚樸混交林的最高，天然筇竹—人工黃皮樹混交林的次之；對(duì)于全分解層最大持水率而言，天然筇竹—人工厚樸混交林的最高，天然筇竹純林的次之。這與不同類型筇竹林中物種組成及凋落物化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。各類型筇竹林凋落物自然含水量與凋落物儲(chǔ)量相關(guān)，凋落物儲(chǔ)量大，其自然含水量也相對(duì)較高，而各類型筇竹林凋落物的總有效攔蓄量按大小順序依次為：人工筇竹—黃皮樹混交林>天然筇竹—人工厚樸混交林>天然筇竹—人工黃皮樹混交林>天然筇竹純林。

表6 不同類型筇竹林凋落物最大持水率與攔蓄量

4 結(jié)論

在不同類型筇竹林中，人工筇竹—黃皮樹混交林的凋落物總儲(chǔ)量最高為7.61 t/hm2，天然筇竹—人工黃皮樹混交林次之為6.61 t/hm2，天然筇竹—人工厚樸混交林的為5.73 t/hm2，天然筇竹純林的最低為5.23 t/hm2。天然筇竹—人工黃皮樹混交林全分解層凋落物儲(chǔ)量所占比例最大，其余3種林分均是半分解層凋落物儲(chǔ)量占比較大，這與不同類型筇竹林中水熱狀況及凋落物組成差異相關(guān)。

不同類型筇竹林的凋落物持水量隨浸泡時(shí)間的遞增而增大，凋落物最大持水量及持水量之和均為天然筇竹—人工厚樸混交林>人工筇竹—黃皮樹混交林>天然筇竹—人工黃皮樹混交林>天然筇竹純林。凋落物吸水速率在前2 h內(nèi)急劇下降，2 h后下降速度減緩并逐漸趨于穩(wěn)定。不同類型筇竹林在剛浸入水中時(shí)吸水速率相差均較大，但隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)，凋落物吸水速率逐漸趨于一致。因?yàn)殡S著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，不同類型筇竹林凋落物吸水逐漸趨于飽和狀態(tài)。且在一定程度上也表明，筇竹混交林凋落物吸水速率及其最大持水量均高于筇竹純林。

不同類型筇竹林凋落物最大持水率及自然含水率具有顯著差異，且同一類型筇竹林不同凋落物層次的最大持水率及自然含水率也有較大差異。凋落物自然含水量與凋落物儲(chǔ)量相關(guān)，凋落物儲(chǔ)量大其自然含水量也相對(duì)較高，各類型筇竹林凋落物的總有效攔蓄量為人工筇竹—黃皮樹混交林(9.74 t/hm2)>天然筇竹—人工厚樸混交林(8.95 t/hm2)>天然筇竹—人工黃皮樹混交林(7.73 t/hm2)>天然筇竹純林(6.23 t/hm2)。