廣西貓兒山水青岡天然林凋落物的持水特性

宋賢沖，田紅燈，譚一波，葉建平，王會利，曹繼釗

（1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院 廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室，南寧 530002；2.廣西漓江源森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，桂林 541316；3.廣西桂林貓兒山自然保護區(qū)管理局，桂林 541316）

森林凋落物層是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其在調節(jié)地表徑流和保持水土等水源涵養(yǎng)功能方面起著重要作用[1-3]。不同森林類型凋落物層的儲量、粗糙系數和分層結構不同，其林分在阻緩徑流、增加徑流入滲時間和入滲量、抑制土壤水分蒸發(fā)等方面的功能也存在差異[4-5]。近年來，隨著水資源需求量的增加和漓江“缺水”問題日益嚴重，漓江上游森林的水源涵養(yǎng)功能越來越受到人們的重視[6]。

貓兒山是漓江重要的發(fā)源地，在調節(jié)漓江水量和改善水質方面都有重要作用[7]。對貓兒山林區(qū)植被的保護，有利于提高森林水源涵養(yǎng)功能，促進桂林山水旅游的可持續(xù)發(fā)展[7]。國內學者對漓江流域森林水源涵養(yǎng)[7]、地表徑流[8]、水資源量[9]等開展了大量研究，但對水青岡（Fagus longipetiolata）天然林不同分解層凋落物的持水情況研究相對較少，不同分解層凋落物持水狀況對水青岡天然林水文變化規(guī)律和水源涵養(yǎng)功能的影響有待深入研究。本研究以漓江上游典型的水青岡天然林為研究對象，進行不同層次凋落物持水特性的研究，旨在了解水青岡天然林不同層次凋落物的水文變化規(guī)律和水源涵養(yǎng)功能。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

貓兒山自然保護區(qū)（110°19′～110°31′E，25°44′～25°58′N）位于廣西壯族自治區(qū)桂林市北部，與興安、龍勝、資源3縣相交[10]，屬于我國東南部濕潤地區(qū)海拔較高、相對高差較大的山區(qū)，形成了明顯的垂直地帶性植被[11]，其中水青岡天然林是最典型的中亞熱帶森林類型，也是貓兒山重要的水源涵養(yǎng)林。

1.2 研究方法

2018年12月選擇水青岡天然林，建立3個20 m×20 m 的樣地進行調查研究。在樣地中設置面積為0.5 m×0.5 m 的樣方5 個，調查凋落物的鮮重。參照陳立新等[12]的凋落物分層標準，根據凋落物的完整程度將其分為未分解層、半分解層和全分解層。在不同分解層樣品中取部分樣品烘干測定含水率；另取部分樣品自然風干，參考張昌順等[13]的試驗方法測定凋落物的持水量和吸水速率。5個樣方的凋落物按照不同層次混合成1個樣品，不同分解層取20 g左右的樣品，進行3次重復。用100 目的尼龍網袋裝好不同層次的凋落物樣品，將其完全浸泡在清水中，隔0.25、0.25、0.5、0.5、1.0、1.0、2.0、2.0、2.0、2.0、8.5和4.0 h將調落物連同網袋一起取出，靜置5 min左右，直至調落物不滴水為止，迅速稱取調落物和網袋的濕重。試驗結束后洗凈尼龍網袋并稱其濕重。凋落物浸泡不同時間的持水量為不同時間凋落物濕重與其烘干重和網袋濕重的差值，吸水速率為持水量與浸泡時間的比值。

計算公式參照文獻[13-15]，如下：

式中，M0、M2和M3分別為凋落物樣品的烘干重、自然狀態(tài)鮮重和用于浸泡試驗凋落物干重（g）；M1和M分別代表鮮凋落物儲量和干凋落物儲量（t∕hm2）；R0和R1分別為凋落物含水率和浸水t小時后的持水率（%）；Mt為浸水t小時后凋落物的濕重（g）；H0和Ht分別為凋落物層的自然持水量和浸水t小時后的累積持水量（mm）；Vt表示累積吸水速率（mm∕h）。

在Excel 2010表格中對原始數據進行初步整理和分析，采用SPSS 17.0 對不同分解層的凋落物進行持水量、持水率及吸水速率的方程擬合，采用Excel 2010進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同分解層凋落物的儲量與持水量

不同分解層的凋落物儲量不同（表1）。全分解層的鮮凋落物和干凋落物儲量均為最高，分別為5.25 和2.28 t∕hm2；其含水率最低（129.13%）。未分解層鮮凋落物儲量為4.23 t∕hm2，但其含水率最高（314.00%），導致其干凋落物儲量低于全分解層和半分解層。

表1 不同分解層凋落物的儲量Tab.1 Litter accumulation in different decomposed layers

浸泡0.5～3.5 h 內，各分解層的凋落物持水量迅速增長；浸泡3.5 h 后各分解層的凋落物持水量增長變緩，浸泡到9.5 h后持水量基本達到飽和（圖1）。在整個浸泡試驗過程中，不同分解層的凋落物持水量均表現(xiàn)為全分解層＞半分解層＞未分解層。

圖1 凋落物持水量與浸泡時間的關系Fig.1 Relationship between water holding capacity of litter and soaking time

凋落物持水量（Ht）和浸泡時間（t）的關系按照對數方程變化（表2）。用對數方程得出的凋落物持水量理論值與實測結果的相關系數（R）均大于0.89，二者極顯著相關（P＜0.001）。

表2 凋落物持水量與浸泡時間的方程Tab.2 Equation of water holding capacity of litter and soaking time

2.2 不同分解層凋落物的持水率

凋落物的持水率的值與凋落物的持水能力呈正相關。在整個浸泡試驗過程中，不同分解層的凋落物持水率均表現(xiàn)為半分解層＞未分解層＞全分解層（圖2）。不同分解層的凋落物持水率在浸泡的前3.5 h 迅速增長，此后增長變緩。半分解層和未分解層在浸泡20 h 時，持水率幾乎達到飽和；全分解層在浸泡11.5 h 時幾乎達到飽和。半分解層、未分解層和全分解層的凋落物最大持水率分別為131%、128%和91%，半分解層和未分解層凋落物的持水能力較為接近，且強于全分解層。

通過對數方程來模擬凋落物持水率（Rt）與浸泡時間（t）的關系，結果表明，不同分解層凋落物持水率理論值與實測值的相關系數（R）均大于0.89，二者極顯著相關（P＜0.001）（表3）。

圖2 凋落物持水率與浸泡時間的關系Fig.2 Relationship between water holdup of litter and soaking time

表3 凋落物含水率與浸泡時間的方程Tab.3 Equation of water holdup of litter and soakingtime

2.3 不同層次凋落物的吸水速率

全分解層凋落物的吸水速率在整個浸泡過程中均最高，半分解層次之，未分解層最低。在前1.5 h，不同分解層凋落物的吸水速率相對較高；2 h后，吸水速率開始緩慢下降；11.5 h后，持水接近飽和，吸水速率也趨于平緩（圖3）。

擬合凋落物吸水速率（Vt）與浸泡時間（t）的關系，發(fā)現(xiàn)吸水速率與浸泡時間的動態(tài)關系為：Vt=at-b。式中，Vt為凋落物吸水速率（mm∕h）；t為凋落物吸水時間（h）；a為方程回歸系數，b為指數。不同分解層凋落物吸水速率與浸泡時間的理論值和實測值有很好的擬合結果，相關系數（R）均大于0.89，為極顯著相關水平（P＜0.001）（表4）。

圖3 凋落物吸水速率與浸泡時間的關系Fig.3 Relationship between water absorption rate and soaking time

表4 凋落物吸水速率與浸泡時間的方程Tab.4 Equation of water absorption rate of litter and soaking time

3 結論與討論

3.1 不同分解層凋落物儲量的比較

凋落物的儲量主要受植物生長量、凋落物輸入量、郁閉度和累積年限的影響，不同分解層凋落物的儲量則與凋落物分解速度、累積年限和采樣時間密切相關[2]。劉尚華等[2]研究了京西百花山區(qū)植物凋落物的持水特性，發(fā)現(xiàn)半分解層的凋落物蓄積量高于未分解層。宋飛等[16]對桂西北5種退耕還林林分枯落物的持水特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)除任豆林外，其余林分半分解層蓄積量均大于未分解層。鄭江坤等[3]研究發(fā)現(xiàn)川中丘陵區(qū)典型林分枯落物不同分解層蓄積量均表現(xiàn)為半分解層＞已分解層＞未分解層。本研究中，水青岡天然林凋落物不同分解層鮮蓄積量表現(xiàn)為全分解層＞未分解層＞半分解層，干蓄積量表現(xiàn)為全分解層＞半分解層＞未分解層，與上述研究結果不同。本研究中，水青岡天然林全分解層蓄積量最高，這可能是因為闊葉林凋落物容易分解[3]，且采樣時間為冬季，已分解凋落物大量積累。未分解層和半分解層中鮮蓄積量和干蓄積量排序的不同，與其自然含水率相關。

3.2 不同分解層凋落物持水特性分析

不同分解層凋落物的持水量、持水率和吸水速率，主要由凋落物組成結構、分解程度和干燥程度等決定[3]。本研究中不同分解層的凋落物持水量表現(xiàn)為全分解層＞半分解層＞未分解層，與潘紫重等[4]對闊葉樹種不同分解層凋落物持水量的研究結果不同。潘明亮等[17]認為蓄積量對持水量也有重要影響，本研究中凋落物全分解層蓄積量最高，其持水量也最高。

持水率表征單位重量凋落物的持水量。鄭江坤等[3]的研究結果表明未分解層持水率高于半分解層和已分解層，半分解層和已分解層的持水率相當。國內較多研究結果表明[2,18]，半分解層的持水率高于未分解層；本研究中不同分解層的持水率表現(xiàn)為半分解層＞未分解層＞全分解層，與前人研究基本一致。

不同分解層凋落物的吸水速率變化趨勢基本一致，前期吸水速率相對較高，隨后緩慢下降，這說明不同分解層的凋落物在降雨初期，能迅速吸水，對降雨有很好的截留和阻滯作用。王曉榮等[19]研究了丹江口湖北庫區(qū)不同林分類型枯落物的特性，發(fā)現(xiàn)闊葉林的吸水速率為已分解層＞半分解層＞未分解層，并認為吸水性能與枯落物分解程度呈正比。本研究中全分解層凋落物的吸水速率在整個浸泡過程中均最高，半分解層次之，未分解層最低，與王曉榮等[19]的研究結果一致。

本研究對不同分解層的凋落物進行持水量、持水率及吸水速率與浸泡時間相關性的方程擬合，結果表明不同分解層的凋落物持水量、持水率與浸泡時間呈對數關系；凋落物吸水速率與浸泡時間呈冪指數關系。上述方程的相關系數均達到極顯著水平，可以用于描述凋落物持水量、持水率及吸水速率隨著浸泡時間的變化。