重慶鐵山坪馬尾松林凋落物輸入及分解動態(tài)與持水特性

王軼浩,周建崗,王彥輝

(1.重慶師范大學 地理與旅游學院 重慶市三峽庫區(qū)地表生態(tài)過程野外科學觀測研究站,重慶 401331;2.沁縣漳源林場,山西 沁縣 046400; 3.中國林業(yè)科學研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所 國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室,北京 100091)

凋落物層作為森林的重要水文功能層，在截持降水、減緩地表徑流和防止土壤侵蝕等方面都發(fā)揮著重要作用[1]。凋落物輸入及分解直接影響著凋落物現(xiàn)存量多少，成為決定凋落物水文功能的重要因素。因此，研究森林凋落物輸入、分解對于理解和掌握凋落物水文功能的作用機理顯得非常必要，并受到林學、生態(tài)學、土壤學等領域的專家學者廣泛關注[2-3]。目前國內(nèi)外學者對森林凋落物輸入、分解、持水特征等都做了大量研究[4-6]，如張建利等[7]研究認為杜鵑林的凋落物儲量及持水功能受到干擾強度明顯影響；侯玲玲等[8]研究認為不同群落類型的年凋落物量差異顯著，并且凋落高峰出現(xiàn)時間以及各組分所占比例與群落類型有關；韓雪等[9]研究認為氮沉降能使凋落物分解速率減緩，且與氮沉降類型有關；武啟騫等[10]研究認為紅松人工林凋落物的持水性能優(yōu)于蒙古櫟天然林凋落物。但是，由于影響森林凋落物的因素較多，許多研究結(jié)果缺乏可比性[11]，并且以往研究大都是針對凋落物現(xiàn)存量及持水特性或者凋落物輸入、分解、持水等單個過程及特性研究，而對森林凋落物輸入、分解、持水等多過程與特性研究還不足，尤其是系統(tǒng)開展馬尾松林凋落物輸入、分解及持水特性的研究鮮有報道。

馬尾松(Pinusmassoniana)作為我國南方山地丘陵區(qū)主要造林樹種和先鋒樹種，是三峽庫區(qū)防護林體系中面積最大和最重要的森林類型，在保護庫區(qū)生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用[12]。本文在三峽庫區(qū)的重慶江北區(qū)鐵山坪林場，較為系統(tǒng)地開展馬尾松林凋落物輸入、分解與持水特性研究，以期揭示三峽庫區(qū)馬尾松林凋落物儲量及其生態(tài)水文效應，為理解和評價三峽庫區(qū)馬尾松林水源涵養(yǎng)功能提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市江北區(qū)鐵山坪林場(29°38′N，106°41′E)的林中園小流域，流域面積0.274 km2，屬亞熱帶濕潤氣候，多年平均降水量1 100 mm，年均氣溫18℃。該地屬四川盆東平行嶺谷地貌，海拔變化為242～584 m，坡度變化為5°～30°。土壤以砂巖上發(fā)育的山地黃壤為主，土壤質(zhì)地為粉砂壤土和粉砂黏壤土，厚度50～80 cm。鐵山坪林場現(xiàn)有森林面積1 200 hm2，主要是20世紀60年代森林被破壞后天然更新形成的馬尾松次生林，森林覆蓋率高達90%以上。林分分層較明顯，上層以馬尾松為主，伴有少量香樟(Cinnamomumcamphora)、楠木(Phoebezhennan)；下木層主要有木荷(Schimasuperba)、杜英(Elaeocarpussylvestris)、毛竹(Phyllostachysheterocycla)、杉木(Cuninhamalanceolata)、毛桐(Mallotusbarbatus)、白櫟(Quercusfabric)等；草本層以鐵芒萁(Dicranopterislinearis)為主。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置 在鐵山坪林場林中園小流域布設4個馬尾松林典型樣地，林齡均為62 a左右，規(guī)格為30 m×30 m，然后調(diào)查馬尾松林典型樣地的基本情況和每木檢尺(表1)。

1.2.2 凋落物輸入監(jiān)測及其現(xiàn)存量調(diào)查 凋落物量輸入監(jiān)測采用收集網(wǎng)法。首先在各典型樣地內(nèi)隨機布設10個1 m×1 m凋落物收集網(wǎng)。收集網(wǎng)用孔徑為1 mm的尼龍網(wǎng)做成，置于距離地面50 cm高處。每月按時收集凋落物2～3次，將凋落物帶回實驗室后，區(qū)分枯死針葉、青黃針葉、闊葉、樹皮及球果、樹枝、有機碎屑(包括花朵、蟲尸、糞等有機體)6類凋落物組分，然后在85℃烘箱中烘干至恒重、稱重，最后計算出單位面積的總凋落物量及其組分重量。

凋落物現(xiàn)存量測定采用烘干法。首先在各典型樣地內(nèi)隨機布設3個1 m×1 m凋落物樣方，用鋼尺測量凋落物未分解層(由新鮮凋落物組成，顏色變化不明顯，結(jié)構(gòu)完整，無分解痕跡)、半分解層(多數(shù)凋落物已粉碎，開始分解，顏色變黑，結(jié)構(gòu)已破壞，但尚可分辨)和已分解層(凋落物徹底粉碎，無法識別原有結(jié)構(gòu))厚度[7]，然后分層收集，烘干稱重，計算單位面積的凋落物現(xiàn)存量。

1.2.3 凋落物分解測定 凋落物分解采用分解袋法。首先將自然風干的馬尾松未分解凋落物放在70℃烘箱中烘干后，稱取50 g凋落物裝入用孔徑為0.5 mm的尼龍網(wǎng)制成的分解袋(規(guī)格為15 cm×20 cm)，共36袋。2011年2月份將分解袋放在已清除地面凋落物的2號馬尾松林樣地內(nèi)，并確保分解袋與表層土壤緊密接觸，然后每月固定時間收集3袋分解袋，直到2012年2月全部回收完畢。每次將分解袋回收后，將其表面雜物清除，同樣在70℃烘箱中烘干稱重，其與凋落物初始干質(zhì)量的差值即凋落物累積失質(zhì)量，采用公式(1)—(2)計算凋落物累積失質(zhì)量率和月失質(zhì)量率。

(1)

(2)

式中:D為凋落物累積失質(zhì)量率(%);Di為第i個月的凋落物失質(zhì)量率(%);Wi為第i月凋落物失質(zhì)量(g);Wi-1為第i-1個月凋落物失質(zhì)量(g);W0為凋落物初始干質(zhì)量(g)。

凋落物累積分解殘留率與分解時間關系采用Olson負指數(shù)衰減模型(3)擬合，并采用公式(4)和(5)計算凋落物分解半衰期和全衰期。

(3)

(4)

(5)

式中:y為凋落物分解t時間的干質(zhì)量殘留率(%);Gt為凋落物分解t時間的干質(zhì)量(g);A為擬合參數(shù),k為凋落物年分解系數(shù);t為分解時間(a);t0.5和t0.95為凋落物分解50%和95%時所需時間(a)。

1.2.4 凋落物持水特性測定 采用浸水法測定凋落物持水特性。首先將烘干的凋落物按未分解、半分解、未分解+半分解混合3種處理，分別稱取一定重量的凋落物裝入孔徑為1 mm的25 cm×30 cm尼龍袋，每種處理6個重復，共18個尼龍袋。然后放入水中浸泡，分別在浸水0.5，1，2，4，6，8，10，12，24，48 h時，取出靜置直到凋落物不滴水為止，稱重，所得重量與烘干重量差值即凋落物在不同時間的持水量，持水量與烘干重量比值即凋落物持水率，持水率與浸水時間比值即凋落物吸水速率。將浸水48 h的凋落物持水率視為最大持水率，并根據(jù)凋落物現(xiàn)存量計算凋落物最大持水量和最大持水深。凋落物有效攔蓄量采用公式(6)計算得到。

Ws=(0.85Rmax-R0)×M

(6)

式中:Ws為凋落物有效攔蓄量(t/hm2);Rmax為凋落物最大持水率(%);R0為凋落物自然含水率(%);M為凋落物現(xiàn)存量(t/hm2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 凋落物輸入及現(xiàn)存量

森林凋落物輸入不僅與樹種組成、林齡、密度及其生物節(jié)律等特征有關，還受到自然環(huán)境條件明顯影響[13]，如干旱、大風等。由表2可知，2011年馬尾松林總凋落物量為493.44 g/m2，其中，以枯死針葉最多，為231.35 g/m2，占總凋落物量46.89%；其次是有機碎屑，為103.57 g/m2，占總凋落物量20.99%；以青黃針葉最少，為11.55 g/m2，占總凋落物量2.34%。馬尾松林凋落物不同組分排序為枯死針葉>有機碎屑>樹枝>闊葉>樹皮及球果>青黃針葉。

馬尾松林月總凋落物變化在11.54～90.31 g/m2，基本呈雙峰模式，其中，第1高峰發(fā)生在4—5月份，總凋落物為129.13 g/m2；第2高峰發(fā)生在7—9月份，總凋落物為146.7 g/m2，兩個高峰的總凋落物為275.83 g/m2，占年總凋落物的69.89%。馬尾松林總凋落物第1高峰的出現(xiàn)，可能是因為4月、5月份正值馬尾松開花期和闊葉樹種換葉期。由表2可知，4月、5月份有機碎屑的月凋落物分別為22.26，22.28 g/m2，處于其年內(nèi)變化的第三、二位，共占其年凋落物的43%和總凋落物第1高峰的34.49%。4月、5月份闊葉凋落物達到其月凋落物年內(nèi)變化的最高峰，分別為9.55，6.77 g/m2，共占其年凋落物41.63%。馬尾松林總凋落物的第2高峰出現(xiàn)，可能是因為馬尾松林受到干旱環(huán)境脅迫影響[13]，其中7月、8月份正值重慶地區(qū)的伏旱季節(jié)。7—9月份枯死針葉凋落物達到其年內(nèi)變化的峰值(99.82 g/m2)，占其年凋落物的42.96%和總凋落物第2高峰的36.19%。同樣地，樹枝凋落物在該時段達到其年內(nèi)變化的峰值，其中7月、8月份樹枝分別為18.05，12.28 g/m2，共占其年凋落物的40.80%。

青黃針葉為非正常凋落的針葉，更能反映針葉對自然環(huán)境脅迫的響應，本研究青黃針葉月凋落物變化在0.15～3.71 g/m2，也在7月、8月份的伏旱季節(jié)達到其年內(nèi)變化的峰值，分別為3.71，1.89 g/m2，共占其年凋落物的48.48%，同樣可說明馬尾松林凋落物受干旱環(huán)境明顯影響。

總體上，除闊葉凋落物的年內(nèi)變化呈單峰模式外，其他組分的年內(nèi)變化趨勢與總凋落物一致，均呈雙峰模式，這可能是因為馬尾松林中闊葉凋落物的年內(nèi)變化只受其生物節(jié)律支配，而馬尾松凋落物的年內(nèi)變化除受其生物節(jié)律支配外，還受到干旱等外界環(huán)境明顯影響[13]

由表3可知，馬尾松林凋落物現(xiàn)存量為1 204 g/m2，其中以已分解層凋落物最多，為463 g/m2，占凋落物現(xiàn)存量38.46%；其次是半分解層，為380 g/m2，占凋落物現(xiàn)存量31.56%；以未分解層凋落物最少，為361 g/m2，占凋落物現(xiàn)存量29.98%。同時，結(jié)合表2可知，馬尾松林凋落物的年輸入量占現(xiàn)存量的40.98%。

表3 馬尾松林凋落物現(xiàn)存量

2.2 凋落物分解

凋落物分解直接決定著凋落物現(xiàn)存量及其層次組成與分配，從而影響著凋落物層的生態(tài)水文功能。由表4可知，馬尾松林凋落物的累積失質(zhì)量和累積失質(zhì)量率均隨分解時間延長而增大，其中，馬尾松林凋落物分解1個月后，其累積失質(zhì)量和累積失質(zhì)量率分別為1.85 g，3.71%；分解半年后，其累積失質(zhì)量和累積失質(zhì)量率分別為11.36 g，22.72%，是年失質(zhì)量(17.81 g)和年失質(zhì)量率(35.62%)的63.78%，這可能是3—8月份的溫度、濕度等自然環(huán)境條件比較適宜馬尾松林凋落物分解所致。從馬尾松林凋落物月失質(zhì)量率也可看出(表4)，3—8月份月失質(zhì)量率普遍較高，除7月份為1.55%外，其余月份均在2%以上，平均為3.79%。而9—次年2月份的月失質(zhì)量率普遍較低，除9月份、12月份外，其余月份基本在1.5%以下，平均為2.15%。馬尾松林凋落物月失質(zhì)量率年內(nèi)變化為1.04%～6.75%，最大值發(fā)生在8月份，最小值發(fā)生在2月份，平均為2.97%。

表4 馬尾松林凋落物分解特征

由圖1可知，馬尾松林凋落物干質(zhì)量殘留率(y)與分解時間(x)呈顯著指數(shù)函數(shù)關系，隨分解時間增大而減小，擬合方程為y=99.414e-0.46x(R2=0.9855，p<0.01，n=12)。分解1 a后，馬尾松林凋落物干質(zhì)量殘留率為64.38%，進一步研究表明馬尾松林凋落物年分解系數(shù)為0.46，分解50%(半衰期)為1.51 a；分解95%(全衰期)為6.51 a。

圖1 馬尾松林凋落物干質(zhì)量殘留率和分解時間的關系

2.3 凋落物持水特征

馬尾松林未分解、半分解、未分解+半分解凋落物的持水率均隨浸水時間增加而增大，呈倒“J”型，其持水過程可劃分為快速增加階段(0～4 h)、緩慢增加階段(4～12 h)、趨于穩(wěn)定階段(12～48 h)3個階段(圖2)。在浸水0.5 h時，持水率即分別達到104.72%，160.61%，141.14%；在浸水4 h時，持水率則分別為139.18%，184.08%，169.63%，相比0.5 h時分別增加了34.46%，23.47%，28.49%?？傮w上，不同浸水時間的馬尾松林凋落物持水率均表現(xiàn)為半分解>半分解+未分解>未分解，說明半分解凋落物的持水能力優(yōu)于其他層次凋落物。由圖2可知，馬尾松林未分解、半分解、未分解+半分解凋落物的吸水速率隨浸水時間增加而減小，呈“J”型。同樣地，馬尾松林凋落物吸水過程也可劃分為急劇減小階段(0～4 h)、緩慢減小階段(4～12 h)、趨于穩(wěn)定階段(12～48 h)3個階段。在快速減小階段，未分解、半分解、未分解+半分解凋落物的吸水速率由0.5 h時2.10，3.15，2.82 kg/(kg·h)分別下降到4 h時0.36，0.46，0.42 kg/(kg·h)，僅為0.5 h的1/7左右；在趨于穩(wěn)定階段，各層次凋落物的吸水速率最后接近于“0”。這說明馬尾松林凋落物在0.5 h內(nèi)發(fā)揮的水文功能最強，對短時降水的截持調(diào)蓄功能也最大，其后則急劇下降，4 h之后其截持調(diào)蓄能力趨于飽和，12 h之后則完全飽和。

圖2 馬尾松林凋落物持水和吸水過程

馬尾松林未分解、半分解、未分解+半分解凋落物的持水率與浸水時間均呈極顯著正相關關系(p<0.01，表5)，可用對數(shù)函數(shù)擬合：s=alnt+b，式中：s為持水率(%)；t為浸水時間(h)；a為方程系數(shù)；b為方程常數(shù)項。由表5可知，馬尾松林各凋落物的吸水速率與浸水時間則均呈極顯著負相關關系(p<0.01)，可用冪函數(shù)擬合：v=at-b，式中：v為吸水速率[kg/(kg·h)]；t為浸水時間(h)；a為方程系數(shù)；b為方程常數(shù)項。

表5 馬尾松林凋落物持水率、吸水速率與浸水時間的擬合方程

最大持水能力是評價凋落物水源涵養(yǎng)功能的最重要指標，由表6可以看出，馬尾松林未分解層、半分解層、未分解+半分解層凋落物的最大持水量分別為6.63，7.84，14.64 t/hm2，最大持水深分別為0.66，0.78，1.46 mm。有效攔蓄能力則更能反映凋落物實際截持調(diào)蓄降水的效果，它與凋落物初始濕度密切相關，研究表明，馬尾松林未分解層、半分解層、未分解+半分解層凋落物的有效攔蓄率分別為139.37%，154.14%，150.52%，有效攔蓄水深分別為0.50，0.59，1.12 mm。

表6 馬尾松林凋落物持水特征

3 討 論

樹木凋落物多少由其本身生物學特性和自然環(huán)境條件共同影響，不同樹種的凋落物量及其凋落節(jié)律各不相同[10-11]，本研究馬尾松針葉凋落主要發(fā)生在7—9月份，而闊葉凋落主要發(fā)生在3—5月份。森林凋落物多少則主要取決于森林類型及樹種組成、起源、林齡、密度等林分特征和氣候、土壤、地形等自然環(huán)境因素，不同立地條件、森林類型的凋落物量差異很大[14]，但其年內(nèi)月變化規(guī)律一般呈“單峰”型、“雙峰”型或不規(guī)則類型[13]。本研究馬尾松林年凋落物量為4.93 t/hm2，高于郭婧等[11]對中亞熱帶杉木人工林研究結(jié)果(4.14 t/hm2)，但低于中亞熱帶石礫+青岡常綠闊葉林(7.24 t/hm2)、南酸棗落葉闊葉林(7.95 t/hm2)和馬尾松針闊混交林(8.18 t/hm2)。此外，本研究馬尾松林總凋落物年內(nèi)變化呈雙峰模式，而除闊葉外，其他組分凋落物年內(nèi)變化規(guī)律也呈雙峰模式，這與中亞熱帶杉木人工林和南酸棗落葉闊葉林一致[11]。

凋落物現(xiàn)存量由凋落物輸入和分解共同決定，處于動態(tài)平衡，并直接影響著凋落物層水文功能。本研究馬尾松林現(xiàn)存量為12.04 t/hm2，與賈秀紅等[15]研究結(jié)果相近(馬尾松林未分解層和半分解層凋落物儲量為6.32 t/hm2)，但要低于鼎湖山馬尾松林(21.96 t/hm2)[6]、貴州龍里林場馬尾松林(32.20 t/hm2)[16]、重慶四面山馬尾松+杉木+木荷混交林(64.47 t/hm2)[17]和三峽庫區(qū)馬尾松林枯落物貯存量平均值(15.70 t/hm2)[18]。這可能與本研究馬尾松林林分密度較小以及受酸沉降影響而針葉凋落物年輸入較少[13]有關。

凋落物分解主要是由溫度、濕度、酸堿度等外界環(huán)境條件以及凋落物組分通過影響土壤生物活動而起作用的，不同森林類型凋落物的分解特征不同，一般闊葉林>針闊混交林>針葉林[19]。我國針葉林凋落物年失質(zhì)量率變化在20%～40%，闊葉林凋落物變化在43.5%～85%[20]。本研究馬尾松林年失質(zhì)量率為35.62%，半衰期為1.51 a，全衰期6.51 a，這與任來陽等[21]在該地區(qū)的研究結(jié)果相近，但高于三峽庫區(qū)秭歸馬尾松人工林(30.4%)[3]，明顯低于福建洋口林場馬尾松人工林(年失質(zhì)量率為91.6%，半衰期為4.7個月，全衰期為19個月)[22]、江西千煙洲馬尾松林(50%)[23]和廣西祿峰山林場馬尾松林(全衰期為2.13～2.46 a)[24]，這可能是由本研究馬尾松林的土壤酸化嚴重、土壤動物和微生物種類和數(shù)量減少所致[21,25]。

凋落物以其疏松的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和巨大的表面積，在截持降水、增加降雨入滲、減少地表徑流、防止土壤侵蝕等方面都具有重要作用[10]。研究表明，不同浸水時間的馬尾松林凋落物持水率均以半分解最大，未分解最小，未分解+半分解居中，這與魏強等[14]研究結(jié)果一致，主要是因為相比未分解凋落物，馬尾松林的半分解針葉凋落物含油率更高、表面積更大。凋落物持水能力則由凋落物現(xiàn)存量和持水率共同決定，本研究馬尾松林未分解、半分解、未分解+半分解層凋落物的最大持水深分別為0.66，0.78，1.46 mm，均明顯低于其他研究地區(qū)的馬尾松林凋落物[16-18]，這主要與本研究馬尾松林的凋落物現(xiàn)存量較少及其最大持水率較小有關。

4 結(jié) 論

(1)馬尾松林總凋落物量為493.44 g/m2，為現(xiàn)存量(1 204 g/m2)的40.98%；馬尾松林月總凋落物變化在11.54～90.31 g/m2，與其他組分(除闊葉外)凋落物的年內(nèi)變化趨勢均呈雙峰模式，年凋落物組分排序為枯死針葉>有機碎屑>樹枝>闊葉>樹皮及球果>青黃針葉。

(2)馬尾松林凋落物年失質(zhì)量率為35.62%，半衰期為1.51 a，全衰期為6.51 a；月失質(zhì)量率變化在1.04%～6.75%，平均為2.97%，以3—8月份的月失質(zhì)量率普遍較高；凋落物的干質(zhì)量殘留率與分解時間呈顯著負相關(p<0.01)。

(3)馬尾松林未分解層、半分解層和未分解+半分解層凋落物的最大持水量分別為6.63，7.84，14.64 t/hm2，有效攔蓄水深分別為0.50，0.59，1.12 mm；各凋落物的持水率均隨浸水時間呈倒“J”型變化，不同浸水時間的凋落物持水率均為半分解>半分解+未分解>未分解，吸水速率則均隨浸水時間呈“J”型變化。