不同林齡杉木人工林凋落物持水特性研究

夏璟鈺，王雯穎，蔣林君，鐘 翔，劉 龍，徐傳洪，2，歐陽帥，2

（1.中南林業科技大學生命科學與技術學院，湖南長沙 410004；2.湖南會同杉木林生態系統國家野外科學觀測研究站，會同 438107）

森林凋落物是由林木及林下植被所凋落的枝、葉、花、果實和枯死的植物體所構成的地表覆蓋層[1]，作為一個存在輸出輸入、連接地上植被層和地下土壤層的獨特結構層次，它不但參與元素循環和土壤營養元素調節，且在維持森林水量平衡方面有著重要作用[2-4]。林冠層、凋落物層及土壤層3個作用層對降水進行攔截滯儲，實現森林生態系統涵養水源的功能。凋落物層作為第2個功能層，在截持降雨、減少林地蒸發、阻滯地表徑流、增強土壤抗沖能力、防止土壤濺蝕等方面有著十分重要的水文效應[5]。學者們從水文角度對不同林分凋落物層持水特性及儲量進行了研究[6-7]，陳水蓮等[8]研究了不同樹種人工林凋落物的持水特性，針對同一樹種不同林齡階段凋落物層持水特性的研究較少。

杉木（Cunninghamia lanceolata）生長快、經濟價值高，是中國南方最常見的用材、人工生態防護林樹種。在過去幾十年里，由于國內外市場對木材及林產品的需求，大面積天然常綠闊葉林被人工林取代[9]。我國現有杉木人工林面積約為900萬hm2，約占全國人工林面積的30%[10-11]。全球氣候變化問題日益嚴峻，杉木人工林不僅具有木材生產功能，還具有保持水土的生態功能。了解不同發育階段杉木人工林凋落物的持水特性對于杉木多目標經營和可持續發展具有重要意義[12]。本研究以杉木中心產區湖南會同不同林齡階段人工林為研究對象，采用野外調查與室內浸提相結合的方法，對凋落物現存量和凋落物（葉和枝）持水特征2個方面進行探究，以期為我國南方杉木人工林科學經營提供數據與理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于杉木中心產區湖南會同杉木林生態系統國家野外科學觀測研究站（109°45'E，26°50'N），海拔270～400 m，屬低山丘陵地貌（圖1）。為亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，年均氣溫16.5℃，相對濕度77%以上。年均降水量1 200～1 400 mm。年日照時數超過1 900 h。土壤類型為山地黃壤。水、熱基本同期，降雨集中在春夏（3—8月），有利于杉木生長[13]。

圖1 湖南會同杉木林生態系統國家野外科學觀測研究站Fig.1 Huitong national field station for scientific observation and research of Chinese fir planation ecosystem in Hunan

1.2 凋落物現存量調查

2018年10月選取立地條件與營林方式基本一致的杉木人工林純林，按照《國家森林資源連續清查湖南省第七次復查操作細則》，選取中齡林（11～20年生）、近熟林（21～25年生）和成熟林（26～35年生）3個林齡階段（表1）。每個林齡階段設置標準樣地4 塊，面積為20 m×20 m，在每塊標準樣地內按“S”形隨機布設5個小樣方（1 m×1 m），分別按已分解層、半分解層和未分解層收集各小樣方內的全部凋落物。將收集到的樣品置于65℃恒溫干燥箱內烘干至恒重，稱重，據此換算成林地凋落物現存量（t/hm2）。隨后，將烘干樣品枝、葉、果分離，去除雜質，分別稱重，并記錄數據。

表1 不同林齡杉木人工林林分特征Tab.1 Stand characteristics of different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

1.3 凋落物持水特性測定

取不同林齡階段葉、枝凋落物樣品各10 g，稱重后裝入尼龍網袋中，浸水0.5、1、1.5、2、4、6、8、10、12、24 h后撈出，懸掛靜止至不滴水時（約5 min），用毛巾輕微擦干，以減少尼龍袋網格中殘留水分帶來的計算誤差，稱樣品與尼龍袋總重和去掉樣品后尼龍袋袋重，計算差值得到每個時間段凋落物持水量，根據持水量計算每個時間段凋落物的持水率和吸水速率。每個樣品3次重復，取平均值。

1.4 指標計算

本研究根據以下公式計算凋落物持水特性相關指標[14]：

凋落物持水率=（經t時間浸泡后的凋落物重量-凋落物烘干重量）/凋落物烘干重量×100%；

凋落物持水量=凋落物現存量×凋落物持水率；凋落物吸水速率=凋落物持水率/浸泡時間。

2 結果與分析

2.1 不同林齡階段杉木人工林凋落物現存量比較

不同林齡階段的凋落物現存量表現為成熟林最大（2.72 t/hm2），近熟林次之（2.36 t/hm2），中齡林最小（1.26 t/hm2）（圖2）。中齡林階段未發現已分解層凋落物，近熟林已分解層凋落物量為0.59 t/hm2，成熟林為0.67 t/hm2，分別占凋落物總量的25.00%和24.63%。中齡林未分解層凋落物量小于半分解層，成熟林未分解層凋落物量大于半分解層。各林分凋落物未分解層中，落葉占33.90%～52.07%，中齡林葉凋落物最少（0.18 t/hm2），成熟林最多（0.53 t/hm2）；枯枝占12.00%～29.13%，中齡林枝凋落物最少（0.07 t/hm2），近熟林最多（0.22 t/hm2）。

圖2 不同林齡階段杉木人工林凋落物現存量Fig.2 Standing crop of litters in different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

2.2 不同林齡階段杉木人工林凋落物持水特性比較

2.2.1 凋落物持水量

不同林齡階段杉木人工林葉、枝凋落物的持水量隨浸泡時間的延長而增加，快速增加期為前1.5 h，之后增長趨于平緩，6 h 后接近飽和（圖3）。整個浸泡過程中，葉凋落物最大持水量表現為成熟林（5.50 t/hm2）稍高于近熟林（4.49 t/hm2），顯著高于中齡林（2.20 t/hm2）；枝凋落物最大持水量最高為近熟林（1.20 t/hm2），成熟林（1.09 t/hm2）稍低于近熟林，最低為中齡林（0.27 t/hm2）。

圖3 不同林齡階段杉木人工林凋落物（葉和枝）持水量Fig.3 Water holding capacity of litters(leaves and branches)in different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

2.2.2 凋落物持水率

不同林齡階段杉木人工林葉、枝凋落物持水率在前1.5 h 迅速增加，之后增長趨于平緩，18 h 左右趨近飽和（圖4）。葉凋落物最大持水率表現為中齡林最高（241.37%），近熟林次之（224.80%），成熟林最低（208.17%）；枝凋落物最大持水率表現為成熟林最高（148.63%），近熟林次之（107.37%），中齡林最低（81.80%）。

圖4 不同林齡階段杉木人工林凋落物（葉和枝）持水率Fig.4 Retention rate of litters(leaves and branches)in different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

2.2.3 凋落物吸水速率

不同林齡階段杉木人工林葉凋落物最大吸水速率表現為中齡林（3.54 g·g-1·h-1）＞近 熟 林（3.06 g·g-1·h-1）＞成熟林（2.79 g·g-1·h-1）。葉凋落物吸水率均表現為前0.5 h 最快，之后隨浸泡時間的增加而降低，5 h 后下降變緩，浸泡24 h 后，均降至0.09 g·g-1·h-1左右。枝凋落物最大吸水速率表現為近熟林（1.92 g·g-1·h-1）＞成熟林（1.74 g·g-1·h-1）＞中齡林（1.44 g·g-1·h-1）。前2 h，枝凋落物吸水速率均快速下降，之后下降變緩。

圖5 不同林齡階段杉木人工林凋落物（葉和枝）吸水速率Fig.5 Water absorption rate of litters(leaves and branches)in different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

2.3 相關性分析

不同林齡階段杉木人工林葉、枝凋落物持水量、持水率及吸水速率與浸泡時間進行對數擬合，大部分方程R2大于0.845，相關性較強（表2、3）。不同林齡階段杉木葉、枝凋落物吸水速率與浸泡時間按照冪函數方程進行擬合，方程R2均大0.900。

表2 不同林齡杉木人工林葉凋落物持水特性與浸泡時間的相關性Tab.2 Correlation between water holding characteristics of leaf litters and immersion time in different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

表3 杉木人工林枝凋落物持水特性與浸泡時間的相關性Tab.3 Correlation between water holding characteristics of branch litters and immersion time in different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

3 結論與討論

3.1 凋落物現存量

凋落物的輸入量、分解速率與累積年限是影響凋落物現存量的主要因素，同時凋落物現存量也受森林樹種組成與林分所處水熱條件狀況影響[15]。本研究中，3個林齡階段人工林凋落物現存量的動態變化模式呈對數增長，峰值出現在成熟林期，現存量為1.26～2.72 t/hm2，略低于同氣候帶針葉人工林凋落物現存量[16]，明顯低于熱帶雨林或季雨林[17]。結果顯示，隨著林齡的增加、成長期中各器官的成熟，植株新陳代謝速率加快，杉木人工林未分解層凋落物現存量從中齡林至成熟林階段不斷增加。

已分解層與半分解層凋落物現存也隨林齡增加逐漸增長，說明杉木人工林生態系統凋落物層分解能力隨林齡增加逐漸增強。凋落物層對杉木人工林生態系統的養分歸還起到重要作用，其各組分對凋落物堆積量有不同的貢獻，其中枯葉、枝為凋落物的主要歸還組分[18]。

3.2 凋落物的持水性能

3個林齡階段杉木人工林葉凋落物最大持水量的動態變化模式為單峰型，峰值出現在成熟林期，該動態變化與凋落物現存量動態變化趨勢相同。葉凋落物的持水率將決定該林區凋落物的截水能力，隨著凋落物浸泡時間推移，凋落物持水率擬合曲線逐漸平緩，凋落物持水率接近飽和。試驗中發現凋落物持水量、持水率與浸泡時間的關系可以很好地擬合為對數函數。葉凋落物在持水量及最大持水率方面均明顯高于枝凋落物，說明葉凋落物在持水能力方面起主要作用。葉與枝凋落物吸水速率與浸泡時間的關系可以很好地擬合為冪函數，這與其他學者的研究結果一致[19-20]。中齡林葉凋落物吸水速率在0～2 h 時明顯高于成熟林與近熟林，說明在短時強降雨過程中，中齡林高效的持水能力可以緩解由于其凋落物現存量較少而產生的水土流失。前1.5 h，各林齡階段凋落物吸水能力最強，表明凋落物層能有效的截留與攔截短時強降水和初期降雨，使流域的地表徑流減少、地下徑流增加，總產流量減少、產流時間延長，有利于調控降水的分配、減輕土壤侵蝕、減少土壤養分流失[21]。枯枝在持水量與持水率方面遠小于凋落物平均持水量與持水率，因此，凋落物層的枝葉比例將會影響凋落物的持水性能。觀察發現在實際林地環境中，雨水并不能與凋落物充分接觸，凋落物層中枝的存在可以增加凋落物層的空隙，從而增加雨水與凋落物層的接觸面，增加了凋落物層的截水能力與涵養水源的作用。