長(zhǎng)春市2種常見樹種凋落物水文特性研究

王炳翰， 陳家琦， 翟 暢， 白 山， 宋玥嬌

(1. 長(zhǎng)春大學(xué)園林學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012； 2. 吉林省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院， 吉林 長(zhǎng)春 130022； 3. 吉林省重點(diǎn)國(guó)有林技術(shù)服務(wù)中心， 吉林 長(zhǎng)春 130022)

森林凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，凋落物層的結(jié)構(gòu)疏松，持水能力和透水能力較強(qiáng)，不僅可以降低雨水對(duì)地面直接沖擊而造成的侵蝕，還能增加地面粗糙程度，從而減緩地表徑流[1]。森林凋落物在養(yǎng)分循環(huán)、調(diào)節(jié)土壤有機(jī)物構(gòu)成、保持水土、涵養(yǎng)水源等方面也起著重要的生態(tài)作用[2]。當(dāng)今社會(huì)快速的城市化進(jìn)程極大改變了區(qū)域水文及氣候條件，城市內(nèi)不透水地表面積比例的增加很大程度上抑制了雨水的入滲，導(dǎo)致地表匯量增加，徑流峰值提高，地表徑流量在時(shí)間較短的情況下無法迅速下降[3]，進(jìn)一步導(dǎo)致洪澇災(zāi)害在城市內(nèi)出現(xiàn)。因此，筆者對(duì)長(zhǎng)春市南湖公園內(nèi)的興安落葉松林和紅皮云杉林凋落物水文特性進(jìn)行研究，以期為本地水源涵養(yǎng)林的營(yíng)造提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域和方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)樣地布設(shè)于長(zhǎng)春市南湖公園內(nèi)，樣地的基本情況見表1。長(zhǎng)春市位于北半球中緯度地帶，為溫帶大陸性季風(fēng)氣候。南湖公園位于市區(qū)西南部，是一個(gè)人工林演化成的森林群落，共有樹木137種(其中：?jiǎn)棠绢?0種，約62 000株；針葉類15種，約21 800株；闊葉類66種，約40 000株)，綠化覆蓋率85 %[4]。

表1 樣地基本情況

1.2 研究方法

1.2.1 凋落物采集與蓄積量測(cè)定

每一樹種設(shè)置20 m×20 m的大樣方，對(duì)其中樹種進(jìn)行情況調(diào)查。在每個(gè)大樣方里，設(shè)置3個(gè)30 cm×30 cm的小樣方，每個(gè)樣方按照未分解層、半分解層收集全部凋落物[5]，裝入自封袋內(nèi)并標(biāo)記好，將其帶回實(shí)驗(yàn)室，稱量各樣方內(nèi)凋落物自然狀態(tài)下的質(zhì)量即鮮質(zhì)量，后置于室內(nèi)自然風(fēng)干，稱重，計(jì)算其單位面積的干重。

1.2.2 凋落物持水過程測(cè)定

采用室內(nèi)浸泡法獲取2個(gè)樹種凋落物持水性特征的相關(guān)數(shù)據(jù)[6，7]。具體過程為：將未分解層和半分解層的凋落物均化處理，稱取烘干樣裝入規(guī)格為100目尼龍網(wǎng)袋并封口[8]，置于容器內(nèi)浸泡。浸泡過程中將所有的凋落物淹沒于水面以下，分別在浸水5 min、10 min、15 min、30 min、1 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h和24 h后，撈起并靜置5 min左右至凋落物不滴水時(shí)稱量，測(cè)其持水性，每組試驗(yàn)各重復(fù)3次。

1.2.3 凋落物失水過程測(cè)定

將浸水24 h后的凋落物置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通風(fēng)處自然風(fēng)干，分別在5 min、10 min、15 min、30 min、1 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h和24 h后稱量，測(cè)其失水性，每組試驗(yàn)各重復(fù)3次。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

分別計(jì)算不同樹種的持水性及失水性各水文參數(shù)[5]，運(yùn)用SPSS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析及曲線擬合，采用Origin繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 凋落物累積量

試驗(yàn)結(jié)果表明(見表2)，興安落葉松林總累積量為17.03 t·hm-2，紅皮云杉林為19.89 t·hm-2，興安落葉松林半分解層累積量高于未分解層，而紅皮云杉林正相反，其最高值是未分解層，為12.19 t·hm-2，且紅皮云杉林總累積量顯著高于興安落葉松林(P<0.05)。

表2 不同林分類型凋落物水文特性參數(shù)

表3 不同林分凋落物各水文參數(shù)相關(guān)性分析

2.2 凋落物平均自然含水率

從表2、表3中可以看出，興安落葉松林平均自然含水率極顯著高于紅皮云杉林(P<0.01)，且其各個(gè)分解層平均自然含水率皆為最高值，最高可達(dá)8.94 %，而半分解層紅皮云杉林最低，為5.37 %。

2.3 不同林分類型凋落物持水性

2.3.1 凋落物持水率

半分解層興安落葉松林凋落物最大持水率最高，達(dá)到了362.57 %，而紅皮云杉林最低，為135.50 %，且興安落葉松林最大持水率總量也為最高值，其極顯著高于紅皮云杉林(P<0.01)(見表2、表3)。

不同林分類型凋落物最大持水率與浸水時(shí)間的關(guān)系見圖1，可以看出，興安落葉松林未分解層持水率動(dòng)態(tài)為前6 h迅速增長(zhǎng)，后緩慢增加至24 h，而半分解層前1.5 h內(nèi)快速增長(zhǎng)，后平緩增加直至10 h左右達(dá)到飽和狀態(tài)；紅皮云杉林未分解層9～11 h增長(zhǎng)速率最快，前8 h平緩增加，12 h后逐漸飽和，而半分解層前1 h迅速增長(zhǎng)，后緩慢增加直至12 h達(dá)到飽和狀態(tài)。

通過對(duì)2種林分未分解、半分解層的凋落物的持水率(R， %)和浸水時(shí)間(t，h)的曲線擬合發(fā)現(xiàn)，二者存在R=alnt+b的關(guān)系(見表4)。

圖1 不同林分類型凋落物最大持水率與浸水時(shí)間的關(guān)系

表4 不同林分類型凋落物持水率、持水量與浸水時(shí)間的回歸方程

2.3.2 凋落物持水量

興安落葉松林凋落物最大持水量與紅皮云杉林差異不顯著(P>0.05)，其半分解層為各層最高值38.15 t·hm-2，而紅皮云杉林最大持水量總量為31.16 t·hm-2，其總量低于興安落葉松林半分解層凋落物的最大持水量(見表2、表3)。

興安落葉松林半分解層24 h內(nèi)持水量均為最高值，其變化趨勢(shì)為前2 h快速增長(zhǎng)，后緩慢增加直至10 h左右達(dá)到飽和狀態(tài)；紅皮云杉林未分解層、半分解層持水量變化趨勢(shì)與興安落葉松林未分解層大體相同，前10 h平緩增加，10 h后達(dá)到飽和狀態(tài)(見圖2)。

通過對(duì)不同林分未分解層和半分解層凋落物持水量(W，t·hm-2)和浸水時(shí)間(t，h)進(jìn)行曲線擬合發(fā)現(xiàn)，存在W=alnt+b的關(guān)系(見表4)。

圖2 不同林分類型凋落物最大持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系

2.3.3 凋落物的最大攔蓄率(量)

興安落葉松林凋落物最大攔蓄率極顯著高于紅皮云杉林(P<0.01)，其中未分解層興安落葉松林最大攔蓄率最高，達(dá)到了355.22 %，而同層紅皮云杉林最大攔蓄率最低，為129.32 %。興安落葉松林最大攔蓄量極顯著高于紅皮云杉林(P<0.01)。興安落葉松林半分解層最大攔蓄量最高，為44.09 t·hm-2，而同層紅皮云杉林為15.26 t·hm-2。紅皮云杉林各層最大攔蓄量差異不大，而興安落葉松林凋落物2層最大攔蓄量差異較大(見表2、表3)。

2.3.4 有效攔蓄率(量)

從表2、表3中可以看出，興安落葉松林凋落物有效攔蓄率極顯著高于紅皮云杉林(P<0.01)。興安落葉松林半分解層有效攔蓄率最高，為300.84 %；而同層的紅皮云杉林為最低值108.99 %。有效攔蓄量最高值為興安落葉松林，達(dá)到了44.37 t·hm-2，而紅皮云杉林為26.18 t·hm-2。

2.4 不同林分類型凋落物失水性

2.4.1 凋落物最大失水率

凋落物最大失水率最高為興安落葉松林，為122.67 %，而紅皮云杉林為62.82 %，興安落葉松林極顯著高于紅皮云杉林(P<0.01)。興安落葉松林未分解層最大失水率為各層最高值127.64 %，而同層紅皮云杉林最大失水率最低，為41.48 %(見表2、表3)。

2.4.2 凋落物最大失水量

凋落物最大失水量最高值為興安落葉松林19.24 t·hm-2，而紅皮云杉林為11.61 t·hm-2，二者差異極顯著(P<0.01)，且2種林分半分解層最大失水量均高于未分解層(見表2、表3)。

3 結(jié)論與討論

紅皮云杉林總累積量顯著高于興安落葉松林(P<0.05)，這可能與林分成熟期有關(guān)。從表1中可以看出，興安落葉松平均樹齡在35年左右，屬于近熟林期，其生長(zhǎng)量隨樹齡升高而降低，呈下降趨勢(shì)。而紅皮云杉生長(zhǎng)量隨樹齡增加由低升高，呈上升趨勢(shì)[9]，因此，紅皮云杉林凋落物總累積量較多。但半分解層興安落葉松林累積量明顯高于未分解層，這也是由于興安落葉松林處于近熟林期，所在小型生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)良好，分解速率加快。

興安落葉松林最大持水量高于紅皮云杉林，達(dá)到了47.50 t·hm-2，而總累積量卻低于紅皮云杉林，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，興安落葉松林半分解層累積量所占百分比較高，而紅皮云杉林與此相反，由此可得出2種林分半分解層持水性更好，這可能與凋落物自身組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。劉小娥等研究表明，針葉樹種葉子內(nèi)含油脂，其親水性不佳，而隨著分解程度增加，凋落物親水性能提高，隨之最大持水量增大[3]。凋落物持水量隨時(shí)間變化的特性是凋落物水文特征研究的重要指標(biāo)之一[10]，本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2種林分各分解層持水量隨浸水時(shí)間變化趨勢(shì)大體相同，前期迅速增長(zhǎng)，后緩慢增加直至飽和狀態(tài)，這與陸恩富等的研究結(jié)果相同[11]。凋落物有效攔蓄量可較為真實(shí)反映其對(duì)雨水的攔截作用[12，13]。由表3可知，有效攔蓄量與最大持水量呈正相關(guān)關(guān)系，且興安落葉松林凋落物有效攔蓄量極顯著高于紅皮云杉林(P<0.01)，這表明興安落葉松林凋落物對(duì)降雨具有較好的攔蓄能力。

凋落物最大失水率(量)與最大持水率(量)呈正相關(guān)關(guān)系(表3)，凋落物失水量越高則持水量越高[12]。從表2中可以看出，興安落葉松林最大持水率(量)均高于紅皮云杉林，且興安落葉松林處于低累積量的水平下，仍能保持較高的持水參數(shù)，故興安落葉松林持水性能更佳，本地城市水源涵養(yǎng)林營(yíng)建時(shí)，建議優(yōu)先選擇該樹種，可取得良好的生態(tài)效益。