貝江河林場杉木人工林凋落物儲量及其持水特性

何琴飛，鄭 威，彭玉華，譚長強，何 峰，申文輝*

(1.廣西林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530002；2.廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室，廣西 南寧 530002；3.國家林業(yè)局 中南速生材繁育實驗室，廣西 南寧 530002)

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國特有的常綠針葉樹種之一，具有生長快、成林迅速等優(yōu)點，也是我國南方重要的速生用材樹種。近些年由于杉木人工林連栽等經(jīng)營方式，導(dǎo)致地力衰退、水土流失等生態(tài)問題突出。森林凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，不僅能改良土壤、提高土壤肥力，而且其結(jié)構(gòu)疏松，具有良好的透水性和持水能力，能夠阻滯和分散降水，吸收降落到地表的水分，減緩降水對土壤的直接沖擊，增加土壤水分下滲，減少地表徑流，起到保持水土和涵養(yǎng)水源的作用[1-2]。因此，人工林凋落物的研究越來越引人重視，關(guān)于杉木人工林凋落物的研究主要在凋落物量、組成、空間分布特征及其分解作用[3-7]、養(yǎng)分含量[8]、碳循環(huán)與化學(xué)計量特征[9-11]及持水特性[12-15]等方面，其中持水特性的研究主要集中在福建、湖南、江西等地，廣西關(guān)于杉木人工林凋落物的持水特性及其內(nèi)在機理的研究很少。而凋落物累積量受凋落物產(chǎn)量、分解速度、積累年限等因素的影響，這些因素又與林型、林分發(fā)育、林分生產(chǎn)力、氣候狀況和人為活動等相關(guān)[16-17]，且不同地區(qū)不同年齡杉木林分年凋落量差異較大[3]。融水縣位于廣西北部，是全國杉木優(yōu)良種源區(qū)，也是廣西杉木的中心產(chǎn)區(qū)之一，研究該地區(qū)不同林齡的杉木人工林凋落物儲量和持水特性對杉木人工林的多目標(biāo)經(jīng)營和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。因此，本試驗在融水縣貝江河林場選取不同生長年限的杉木人工林，即幼齡林(3 a)、中齡林(8 a)、近熟林(12 a)、成熟林(20 a)4個林齡組為研究對象，研究其凋落物的累積量、持水量和持水動態(tài)變化規(guī)律，旨在為杉木人工林的合理經(jīng)營和生態(tài)服務(wù)功能提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于廣西融水縣貝江河林場，地理坐標(biāo)109°14′E，25°04′N，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)；年均氣溫19.6℃，最熱7月均溫27.9℃，極端最高溫38.6℃；最冷1月均溫9.3℃；極端最低溫-3℃；光熱充足，年均日照時數(shù)1 699.0 h，≥10℃積溫為6 000～6 500℃；雨量充沛，年均降水量1 824.8 mm，年均相對濕度為80%左右，年總蒸發(fā)量1 561.2 mm；夏濕冬干，干濕季節(jié)明顯，年均無霜期322 d。

選擇立地條件基本一致、生長狀況良好的幼齡林(3 a)、中齡林(8 a)、近熟林(12 a)、成熟林(20 a)4個林齡組的杉木人工林，每組設(shè)置3個20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，林分樣地基本情況見表1。

表1 林分樣地基本特征Table 1 Generalcharacteristics of test plantations

1.2 凋落物儲量測定

在每個標(biāo)準(zhǔn)樣地的4個邊角和對角線中心點布設(shè)50 cm×50 cm的小樣方5個，按未分解(由新鮮凋落物組成，保持原有形態(tài)，顏色變化不明顯，外表無分解的痕跡)和半分解(葉無完整的外觀輪廓，顏色變黑，多數(shù)凋落物已粉碎)分層收集各小樣方內(nèi)的全部凋落物，稱其鮮重，并帶回實驗室于80℃下烘干至恒重，據(jù)此換算成林地的凋落物儲量。

1.3 凋落物持水特性測定

每個標(biāo)準(zhǔn)樣地選取3個小樣方的烘干凋落物，分別裝入100目20 cm×30 cm的尼龍網(wǎng)袋中，每個林齡組共計9個，然后把網(wǎng)袋完全浸入清水中，分別浸水0.25、0.5、1、2、4、8、12、24 h后取出，懸掛靜置約5 min至無水滴滴下時立刻稱重。不同浸泡時間凋落物的持水量、持水率和吸水速率計算公式如下[18-20]：

凋落物持水量W(t·hm-2)=[凋落物濕質(zhì)量(kg·m-2)-凋落物干質(zhì)量(kg·m-2)]×10

凋落物持水率R/%=(凋落物持水量/凋落物干質(zhì)量)×100

凋落物吸水速率V(g·kg-1·h-1)=凋落物持水量(g·kg-1)/吸水時間(h)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理和繪圖；運用SPSS19.0統(tǒng)計軟件對凋落物儲量、最大持水量和最大持水率進行單因素方差分析(One-way AVOVA)和多重比較分析(Duncan)，同時對凋落物持水量、持水率和吸水速率與浸水時間的關(guān)系進行回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 凋落物儲量、最大持水量和最大持水率

由表2可知，不同林齡的杉木人工林凋落物總儲量1.41～7.77 t·hm-2，大小順序為成熟林>近熟林>幼齡林>中林齡，且未分解層大于半分解層，各分層的大小順序與總量基本一致，除了中林齡的未分解層略大于幼齡林；總最大持水量為2.88～12.01 t·hm-2，大小順序與總儲量一致，說明隨著林齡的增加，杉木人工林林分結(jié)構(gòu)更加完整，林地凋落物的量呈增加趨勢，持水能力也在增強。平均最大持水率171.0～266.8%，由大到小的排序為幼齡林>中林齡>近熟林>成熟林，與林齡的增長呈負(fù)相關(guān)，這可能與凋落物本身組成及其分解速率有關(guān)。方差分析表明，未分解層和半分解層的儲量、最大持水率和最大持水量，以及總儲量和最大持水量、平均最大持水率均存在顯著差異(P<0.05)。

表2 不同林齡杉木人工林凋落物累積量、最大持水量和最大持水率Table 2 Litter accumulation amount,max water-holding capacity and max water-holding content rateof different age groups (mean±se,n=15,9)

2.2 凋落物持水量動態(tài)過程

不同林齡杉木人工林凋落物持水量與浸水時間的變化關(guān)系有共性也有差異(圖1)。4種林齡的凋落物累積持水量的變化規(guī)律相同，即凋落物的累積持水量隨著浸水時間的增加而不斷增加，前0.25 h內(nèi)快速增加，隨后開始減慢，漸漸趨于穩(wěn)定，浸水24 h后達(dá)到最大值。但4種林齡的凋落物總累積持水量差異明顯，大小順序為成熟林>近熟林>幼齡林>中齡林，未分解層和半分解層大小順序與總量一致，且未分解層大于半分解層，可見，林齡的增加對持水能力有促進作用，尤其是未分解層表現(xiàn)得更加明顯，增幅更大。

對不同林齡的杉木人工林各層凋落物持水量與浸水時間數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)，凋落物持水量W與浸水時間t之間呈極顯著的對數(shù)函數(shù)關(guān)系(P<0.01，表3)，相關(guān)系數(shù)R2均>0.94，表達(dá)式為：W=a+blnt，表明凋落物持水量與浸水時間相關(guān)性較好。

2.3 凋落物持水率動態(tài)過程

圖2表明，4種林齡的凋落物持水率隨浸水時間的變化規(guī)律一致，在開始浸水時增加較快，0.25 h后隨著浸水時間的增加，累積持水率增幅逐漸減小，最后達(dá)到某一穩(wěn)定值。不同林齡的杉木人工林累積持水率存在差異，平均持水率為幼齡林明顯較高，其次是近熟林和中齡林，最后是成熟林，未分解層為幼齡林>中齡林>成熟林>近熟林，半分解層為幼齡林>近熟林>中齡林>成熟林，可見，持水率與林齡不存在明顯的相關(guān)性，其中幼林齡持水率較高，可以緩解由于儲量不多而導(dǎo)致持水能力較差的狀況。成熟林的未分解層明顯大于半分解層，近熟林則剛好相反，幼齡林和中齡林的未分解層和半分解層之間相差很小。

表3 不同林齡杉木人工林的凋落物持水量與浸水時間的回歸方程Table 3 Equations between the water-holding capacity of litter and the immersion time in the different age groups (n=8)

不同林齡的杉木人工林各層凋落物持水率與浸水時間經(jīng)方程擬合表明，凋落物持水率R與浸水時間t之間呈極顯著的對數(shù)函數(shù)關(guān)系(P<0.01，表4)，表達(dá)式為：R=a+blnt，相關(guān)系數(shù)R2均均在0.97以上，說明凋落物持水率與浸水時間存在良好的相關(guān)性。

圖1 不同林齡杉木人工林凋落物持水量與浸水時間的關(guān)系Fig.1 Relationship between the water-holding capacity of litter and the immersion time in different age groups

2.4 凋落物吸水速率動態(tài)過程

從圖3可看出，4種林齡杉木人工林的凋落物吸水變化規(guī)律相同，在剛浸水時吸水速率高，0.5 h后吸水速率明顯下降，4 h后吸水速率降幅逐漸變小，12 h后凋落物吸水速率基本不變，逐漸趨于飽和。這表明凋落物對截獲短時降雨的作用很大，但當(dāng)?shù)蚵湮镂_(dá)到極值后，凋落物層幾乎成為一層水流通道。不同林齡的杉木人工林吸水速率存在差異，未分解層為幼齡林>成熟林>中齡林>近熟林，半分解層為幼齡林和近熟林明顯大于成熟林和中齡林，平均吸水速率大小順序為幼齡林>成熟林>近熟林>中齡林，可見，吸水速率不受林齡增長的影響。一般而言，凋落物的吸水速率越大，林內(nèi)降水涵蓄的速率越快，可以更好地減少地表徑流，其中幼齡林凋落物層具有較高的吸水速率，也可以一定程度地緩解由于儲量不多而產(chǎn)生水土流失的問題。同一林齡不同分解層的吸水速率存在差異，幼林齡和中齡林的未分解層和半分解的吸水速率相差很小，成熟林的未分解層明顯大于半分解層，近熟林則剛好相反，與持水率表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。

圖2 不同林齡杉木人工林凋落物持水率與浸水時間的關(guān)系Fig.2 Relationship between the water content rate of litter and the immersion time in different age groups

擬合不同林齡的杉木人工林各層凋落物吸水速率與浸水時間可知，凋落物吸水速率V與浸水時間t之間呈極顯著的冪函數(shù)關(guān)系(P<0.01，表5)，表達(dá)式為：V=kt-a，相關(guān)系數(shù)R2均>0.99，說明凋落物吸水速率與浸水時間相關(guān)性較好。

3 討論

不同林齡的杉木人工林的凋落物儲量差異顯著，大小順序為成熟林(7.77t·hm-2)>近熟林(4.40 t·hm-2)>幼齡林(1.58 t·hm-2)>中林齡(1.41 t·hm-2)，這說明在一定的年齡范圍內(nèi)，林齡的增加有利于凋落物的積累，而幼齡林略大于中齡林，可能原因是幼齡林的郁閉度小，林下灌草植被、碎屑雜物等會增加其凋落物的累積量。曾有研究表明，凋落物現(xiàn)存量與林齡基本呈正相關(guān)關(guān)系，但達(dá)到一定林齡后，凋落物現(xiàn)存量開始下降[21]。植物在不同發(fā)育階段，再生能力與新陳代謝能力差異明顯，在生長的最旺盛時期凋落量最大[22]。周麗麗等[12]人的研究表明杉木人工林的凋落物現(xiàn)存量隨著林齡的增加而增加。相比其他地區(qū)同齡段杉木人工林的年均凋落物量，廣西融水縣大于福建尤溪縣(1.06 t·hm-2，8 a)、湖南會同(4.47 t·hm-2，22 a)、廣西龍勝(4.62 t·hm-2，23 a)[3]，可見杉木人工林的凋落物量受地域影響。不同分解層的凋落物儲量不同，4種齡林的凋落物儲量均為未分解層大于半分解層，與蒼梧縣的馬尾松針葉林表現(xiàn)相同，與大葉櫟林、紅錐林等[23]闊葉樹種表現(xiàn)相反，可能與杉木屬針葉樹種，且葉表面被有蠟粉難分解有關(guān)，一般針葉林未分解層所占比例普通高于闊葉林[21]。

表4 不同林齡杉木人工林凋落物持水率與浸水時間的回歸方程Table 4 Equations between the water content rate of litter and the immersion time in the different age groups (n=8)

圖3 不同林齡杉木人工林凋落物吸水速率與浸水時間的關(guān)系Fig.3 Relationship between the water-absorption rate of litter and the immersion time in different age groups

表5 不同林齡杉木人工林凋落物吸水速率與浸水時間的回歸方程Table 5 Equations between the water-absorption rate of litter and the immersion time in the different age groups (n=8)

凋落物最大持水量差異顯著，大小順序為成熟林(12.01 t·hm-2)>近熟林(8.52 t·hm-2)>幼齡林(4.19 t·hm-2)>中林齡(2.88 t·hm-2)，與儲量大小順序一致，但大于福建三明的杉木人工林(10～34 a)持水量(1.71～4.24 t·hm-2)[12]，且均為未分解層大于半分解層。一般認(rèn)為，凋落物的現(xiàn)存量越多，持水能力越強，水源涵養(yǎng)功能越好[24]。平均最大持水率大小順序為幼齡林(266.8%)>中林齡(201.5%)>近熟林(200.3%)>成熟林(171.0%)， 接近湖南會同杉木人工林葉凋落物(208.2%～241.4%)、大于枝凋落物(81.8%～148.6%)[14]，與累積量的大小順序不一致，不同分解層凋落物持水率受林齡影響，成熟林持水率表現(xiàn)為未分解層明顯大于半分解層，近熟林則剛好相反，幼齡林和中齡林的未分解層和半分解層之間相差較小，這可能與凋落物的組成成分有關(guān)，不同發(fā)育階段杉木人工林凋落物的組成存在差異[3]，而不同組成成分的持水率也存在差異[14]。

不同林齡的杉木人工林凋落物持水量、持水率和吸水速率隨浸水時間的動態(tài)變化規(guī)律一致，表現(xiàn)出相同的持水特性，即凋落物持水量和持水率隨著浸水時間的增加而不斷增加，增速先快后慢，逐漸趨于穩(wěn)定，浸泡24 h達(dá)到理論最大值，且與浸水時間均呈對數(shù)關(guān)系，符合已有的研究結(jié)果[13,15]。吸水速率在初浸水時很高，隨后慢慢下降，最后到達(dá)飽和，且與浸水時間呈冪函數(shù)關(guān)系，與顧宇書等[25]、楊玉蓮等[26]研究結(jié)果一致。一般在降雨開始時，凋落物層吸水量迅速增加，當(dāng)水分到達(dá)細(xì)胞內(nèi)部，吸水量增加緩慢[27]，各組分細(xì)胞吸水速率不會無限增大。可見，凋落物層在短時間內(nèi)具有迅速攔截降水、減少地表徑流的作用。

4 結(jié)論

不同林齡杉木人工林凋落物儲量為成熟林(7.77 t·hm-2)>近熟林(4.40 t·hm-2)>幼齡林(1.58 t·hm-2)>中林齡(1.41 t·hm-2)；最大持水量為成熟林(12.01 t·hm-2)>近熟林(8.52 t·hm-2)>幼齡林(4.19 t·hm-2)>中林齡(2.88 t·hm-2)；最大持水率為幼齡林(266.8%)>中林齡(201.5%)>近熟林(200.3%)>成熟林(171.0%)。這表明在一定年齡范圍內(nèi)，林齡的增加有利于凋落物的積累和持水量的增加，而持水率不受其影響。

杉木人工林4個林齡組的凋落物儲量和持水量均為未分解層大于半分解層，而持水率和吸水速率未分解和半分解層的大小因林齡不同而表現(xiàn)不同。

不同林齡杉木人工林凋落物的持水特性一致，即持水量和持水率隨著浸水時間的增加而增加，與浸水時間呈顯著的對數(shù)關(guān)系，可用W/R=a+blnt方程式表達(dá)；吸水速率隨著浸水時間的增加而降低，與浸水時間呈冪函數(shù)關(guān)系，即V=kt-a。