不同發育階段杉木人工林凋落物及不同組分持水特性的比較

周麗麗，吳鵬飛，馬祥慶* ，劉春華，王俊鴻

(1．福建農林大學林學院，福建福州350002;2．福建省杉木工程技術研究中心，福建福州350002;3．福建農林大學莘口教學林場，福建三明365000)

杉木(Cunninghamia lanceolata)是中國南方最重要的速生優良用材樹種之一，在南方林業生產中占有舉足輕重的地位(俞新妥，1996;馬祥慶等，2000)。由于單一樹種多代連栽及人為經營措施不當等原因，造成杉木人工林土壤性質變差和水源涵養功能下降(Ma et al．，2002)，限制了杉木人工林的可持續經營。

凋落物是森林水源涵養功能的重要組成部分，具有攔蓄雨水、保護地表土壤免遭雨滴直接濺蝕和削弱地表徑流對土壤沖刷的功能。不同森林生態系統由于其物種生物學特性、垂直結構、凋落物及土壤理化性質不同，其水源涵養功能存在較大差異(陳光升等，2008;王勤等，2003)。不同年齡階段的森林生態系統凋落物層和土壤層具有不同的理化性質，因而具有不同的水源涵養能力(游秀花，2005)。國內許多學者從杉闊混交的角度對不同杉木林的涵養水源功能進行研究，但對于不同發育階段杉木人工林的研究較少，有關杉木凋落物層不同組分對其涵養水源的生態效益還有待進一步探討。

有鑒于此，本文選擇福建杉木中心產區11年生、22年生和34年生杉木人工林為研究對象，采用野外調查與室內浸提相結合的方法，對不同發育階段杉木人工林凋落物現存量及凋落物各組分的持水能力進行研究，以期揭示各發育階段杉木人工林凋落物及各組分對降雨的攔蓄能力，為杉木人工林的合理管理提供科學依據。

1 試驗地概況

試驗地位于福建三明莘口教學林場，地理位置為北緯26°10＇，東經117°27＇。平均海拔205 m，土壤為砂頁巖發育的山地紅壤，林下植被主要有鐵線蕨(Adiantum capillus-veneris Linn．)、山姜(Alpinia japonica(Thunb．)Miq．)、天仙果(Ficus erecta Thunb．var．beecheyana(Hook．et Arn．)King)和繡球花(Hydrangea macrophylla(Thunb．)Ser．)等。三種林分的基本情況見表1。

表1 林分概況Table 1 General characteristics of different developmental stages of Chinese Fir plantations

三明屬亞熱帶海洋性季風氣候，氣候溫暖濕潤，四季分明，夏半年多東風，炎熱多雨;冬半年多東北風，寒冷干燥。年均氣溫19．1 ℃，≥10 ℃年積溫6677．9-5240．2 ℃，年均日照時數1698．8 h，年均風速為1．1 m/s，年均降水量，年均蒸發量1585．0 mm，相對濕度81．0%，無霜期300 d左右。

2 研究方法

2．1 凋落物現存量調查

依據典型性和代表性原則，2012年3月在幼齡林(2002年造林)、中齡林(1991年造林)和成齡林(1979年造林)林分中，分別設置3個20 m×20 m標準地。在每個標準地內隨機布設1 m×1 m的小樣方5個，將小樣方內的凋落物全部收集起來(包括分解層和半分解層)，取回，按葉、枝、花果和其它組分(指林地內其它樹種的葉凋落物和林下植被凋落物)分成四類，稱鮮重，隨后分別置于80℃恒溫干燥箱內烘干至恒重，稱干重，計算出自然含水率，并據此換算成單位面積林地的現存量。

2．2 凋落物持水特性的測定

分別稱取凋落物各組分(枝、葉、花果、其它)15-20 g置于自制的18 cm×18 cm尼龍網袋中，浸水0．5、1、1．5、2、4、6、8、10、12、16 和24 h 撈起，放置5 min 直到尼龍網袋不滴水時稱重，計算出不同組分的持水性指標。混合凋落物按照現存量中的葉、枝、花果和其它組分進行配比，幼齡林的比例為4:2:1:3，中齡林的為5:4:1:5，成齡林的為38:24:1:15，持水性指標的測定方法同上。

2．3 計算方法

凋落物持水率R(%)=(浸泡時間t的凋落物重量Wt-凋落物烘干重W0)/凋落物烘干重W0×100%;

凋落物持水量Q(t·hm-2)=凋落物現存量M×凋落物持水率R;

凋落物吸水速率V1(g·g-1·h-1)=(浸泡t時間的凋落物重量Wt-凋落物烘干重W0)/(凋落物烘干重W0×浸泡時間t);

凋落物最大持水率Rm(%)=凋落物浸泡24小時中最大持水率RX;

凋落物最大持水量Qm(t·hm-2)=凋落物最大持水率Rm×凋落物現存量M;

凋落物最大攔蓄率Lr(%)=凋落物最大持水率Rm-自然含水率R0;

凋落物最大攔蓄量L(t·hm-2)=凋落物最大攔蓄率Lr×凋落物現存量M;

凋落物有效攔蓄率W(%)=0．85Rm-R0［Rm-最大持水率(%);R0-平均自然含水率(%)］;

凋落物有效攔蓄率量L2(t·hm-2)=凋落物有效攔蓄率W×凋落物現存量M

3 結果與分析

3．1 不同發育階段杉木人工林凋落物及各組分現存量比較

如表2所示，不同發育階段凋落物現存量表現為成齡林 ＞中齡林 ＞幼齡林，在1．53-3．47 t·hm-2之間。其中成齡林現存量與幼齡林、中齡林間差異均達顯著水平。各凋落物組分占現存量的比例不同，不同發育階段杉木凋落物均表現為葉凋落物所占比例最大，在37．16%-47．32%之間，花果所占比例最小，僅為1．60%-5．45%。幼齡林與中齡林凋落物各組分現存量均表現為葉＞枝＞其它＞花果，成齡林各組分含量表現為葉＞其它＞枝＞花果。

3．2 不同發育階段杉木人工林凋落物及各組分持水能力的比較

3．2．1 持水率 表3可知，隨浸水時間延長，三種林齡凋落物不同組分的持水率均呈增加趨勢，前4 h增加迅速，之后增加緩慢。三種林齡混合物最大持水率平均值為318．82%，表現為中齡林(345．33%)＞成齡林(333．55%)＞幼齡林(277．59%)。幼齡林和成齡林不同組分的最大持水率均表現為葉＞其它＞花果＞枝，中齡林表現為其它＞葉＞枝＞花果。可見，最大持水率在各組分中分配規律表現為葉占比例較大，是混合組分的1．01-1．39倍;枝占比例較小，是混合組分的 0．72-0．96 倍。

表2 不同發育階段杉木凋落物現存量的比較(t·hm－2)Table 2 Comparison on the litterfall production under different developmental stages of Chinese Fir plantations(t·hm-2)

表3 不同發育階段杉木凋落物不同組分持水率比較(%)Table 3 Comparison on the water holding rate of different litter components under different developmental stages of Chinese Fir plantations(%)

表4 不同發育階段杉木凋落物不同組分持水量比較(t·hm－2)Table 4 Comparison on the water holding capacity of different litter components under different developmental stages of Chinese Fir plantations(t·hm-2)

3．2．2 持水量 表4可知，隨浸水時間的延長，三種林齡凋落物葉、枝、混合凋落物均呈增加趨勢，前4 h增加迅速，之后增加緩慢，達到飽和時間大約在10-12 h;花果凋落物持水量增加不明顯。三種林齡混合最大持水量平均值為7．86 t·hm-2，表現為成林(11．60 t·hm-2)＞中林(7．73 t·hm-2)＞幼林(4．24 t·hm-2)。說明隨著林齡的增長，凋落物的持水能力加強。幼齡林不同組分最大持水量表現為葉＞枝＞其它＞花果，中齡林和成齡林均表現為葉＞其它＞枝＞花果。可見，凋落物各組分的最大持水量不同，表現為葉占比例最大，在44．66%-51．65%之間;花果占比例最小，介于1．65%-4．66%。

3．2．3 吸水速率 表5可知，各組分吸水速率均表現為前0．5 h內最大，隨后急劇下降，至6 h后，開始緩慢下降，最后趨于一致。三種林齡凋落物最大吸水速率表現為中齡林＞成齡林＞幼齡林;幼齡林和成齡林不同組分的最大吸水速率均表現為葉＞其它＞花果＞枝，中齡林表現為其它＞葉＞花果＞枝，可見，凋落物各組分的吸水速率不同，葉與其它組分具有較大的吸水速率，枝的吸水速率最小。

表5不同發育階段杉木凋落物不同組分吸水速率比較(g·g－1·h－1)Table 5 Comparison on the water absorbing rate of different litter components under different developmental stages of Chinese Fir plantations(g·g-1·h-1)

3．3 不同發育階段杉木人工林凋落物及各組分對降雨攔蓄能力的比較

3．3．1 不同發育階段杉木人工林凋落物的攔蓄能力 表6可知，杉木不同發育階段的凋落物層及不同組分均表現為最大持水率(量)＞最大攔蓄率(量)＞有效攔蓄率(量)。不同發育階段杉木人工林凋落物層對降雨的攔蓄能力不同。混合組分的最大持水率、最大攔蓄率和有效攔蓄率均表現為中齡林＞老齡林＞幼齡林，最大持水量、最大攔蓄量和有效攔蓄量均表現為老齡林＞中齡林＞幼齡林。可見，不同發育階段杉木人工林凋落物有效攔蓄量明顯小于最大持水量和最大攔蓄量。以老齡林為例，每年最大持水量和最大攔蓄量分別為11．60 t·hm-2、9．92 t·hm-2，而有效攔蓄量卻僅為 5．93 t·hm-2。幼齡林與中齡林的有效攔蓄量分別為1．88 t·hm-2、4．04 t·hm-2。

3．3．2 凋落物不同組分的攔蓄能力 表6可知，凋落物各組分對降雨的攔蓄能力不同。幼齡林和老齡林最大持水率、最大攔蓄率和有效攔蓄率表現為葉占比例最大，枝最小;中齡林表現為其它組分的比例最大，花果最小。三種林分的最大持水量、最大攔蓄量和有效攔蓄量均表現為葉占比例最大，花果最小，二者之間差異顯著(P＜0．05)。由此可知，葉凋落物對降雨的攔蓄能力最強。不同發育階段的葉凋落物最大攔蓄量表現為成齡林(4．33 t·hm-2)＞中林齡(3．07 t·hm-2)＞ 幼齡林(1．85 t·hm-2)，分別占凋落物層的 43．65%、46．23% 和 53．78%。不同發育階段的葉凋落物有效攔蓄量表現為成齡林(2．80 t·hm-2)＞中林齡(1．98 t·hm-2)＞幼齡林(1．23 t·hm-2)，差異顯著(P ＜0．05)，分別占凋落物層的 51．95%、49．01%和 65．43%。

表6 不同發育階段杉木凋落物不同組分對降雨攔蓄能力的比較Table 6 Comparison on the water interception ability of different litter components under different developmental stages of Chinese Fir plantations

4 討論

凋落物層的持水能力與凋落物層的現存量有關，一般而言，凋落物層的現存量越大，儲水能力越強，水源涵養功能越好(何亞平等，2006)。本研究中發現:杉木人工林凋落物現存量表現為成齡林＞中齡林＞幼齡林，三種林分中成齡林的持水能力最強，但杉木成齡林的現存量為3．47 t·hm-2，仍小于氣候相近的常綠針葉林(申衛軍等，2001;Kavvadias et al．，2001)，可能的原因有兩個方面:一是可能與杉木凋落物的自身宿存特性有關，即杉木枯死枝葉會懸掛在樹上很長時間才會脫落(張家城和盛煒彤，2001);二可能與樹種自身的生物學特性有關，一般而言，闊葉樹的凋落量遠大于針葉林(Yang et al．，2003)。

凋落物的持水能力與凋落物的組成有關(馬書國等，2010)，凋落物不同組分的凋落量表現為葉＞枝＞花果＞其它(Ma et al．，2002)。本研究結果與以上結果略有不同，幼齡林與中齡林凋落物各組分現存量表現為葉＞枝＞其它＞花果，成齡林各組分則表現為葉＞其它＞枝＞花果，這可能與杉木的生物學特性有關。本研究發現:凋落物各組分中葉凋落物的最大持水率、最大持水量及最大吸水速率均最大，而花果較小，說明在凋落物不同組分中，杉木葉凋落物在持水性能方面發揮著重要作用。

影響凋落物層對降雨攔蓄能力的因素很多，但起主要作用的因素除現存量外，還有最大持水率和自然含水率(高人和周方柱，2002)。在自然狀態下，降落到地表的雨水，一部分被凋落物層攔蓄，一部分滲入到土壤中，余下部分形成地表徑流。因此，最大持水率(量)及最大攔蓄率(量)一般只能反映凋落物層的持水能力，并不能反映對實際降水的攔蓄能力(雷瑞德，1984)。本研究發現:杉木不同發育階段有效攔蓄量明顯低于最大攔蓄量和最大持水量，因此，簡單地把最大攔蓄量和最大持水量作為衡量凋落物對降雨攔蓄能力的指標不夠準確。

4 結論

不同發育階段杉木凋落物現存量表現為成齡林＞中齡林＞幼齡林;最大持水率、最大攔蓄率和有效攔蓄率均表現為中齡林＞成齡林＞幼齡林;最大持水量、最大攔蓄量和有效攔蓄量均表現為成齡林＞中齡林＞幼齡林;最大吸水速率表現為中齡林＞成齡林＞幼齡林。說明杉木人工林在發育過程中，隨杉木各器官不斷發育，其細胞透水、持水能力變強，但吸水率及吸水速率并不會隨林齡的增加而持續變大。由于成齡林凋落量大，其持水能力最強。

不同發育階段杉木凋落物不同組分中，現存量表現為葉占比例最大，達37．16%-47．32%;花果占比例最小，為1．60%-5．45%。幼齡林最大持水量表現為葉＞枝＞其它＞花果，中齡林和成齡林均表現為葉＞其它＞枝＞花果。幼齡林最大持水率表現為葉＞花果＞其它＞枝，中齡林表現為其它＞葉＞枝＞花果，成齡林表現為葉＞其它＞花果＞枝。幼齡林和成齡林最大吸水速率均表現為葉＞其它＞花果＞枝，中齡林表現為其它＞葉＞花果＞枝。可見，在杉木凋落物不同組分中，葉凋落物由于其自身的生物學特性及現存量較大等原因，成為杉木凋落物涵養水源功能的重要承擔者。

致謝:

福建農林大學莘口教學林場蔣宗塏科長、福建農林大學林學院研究生孟李群、李琦、劉鑫鼎和本科生馬新玉、程瀟朦、蘇啟將參加了野外調查工作，王春梅、鄒菲情、郭安琪同學參加了數據分析工作，特此致謝!

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