老虎嶺庫(kù)區(qū)不同林型凋落物特征

彭玉華，黃小榮，申文輝，何琴飛，張合平

(1.廣西林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530002； 2.廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530002；3.國(guó)家林業(yè)局中南速生材繁育實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530002； 4.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

老虎嶺庫(kù)區(qū)不同林型凋落物特征

彭玉華1,2,3，黃小榮1,2,3，申文輝1,2,3，何琴飛1,2,3，張合平4

(1.廣西林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530002； 2.廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530002；3.國(guó)家林業(yè)局中南速生材繁育實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530002； 4.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

林型；凋落物特征；持水能力；養(yǎng)分；老虎嶺庫(kù)區(qū)

研究了老虎嶺庫(kù)區(qū)4種典型林型(馬尾松林、馬尾松-紅錐林、馬尾松-紅錐-椆木林、紅錐-大葉櫟林)的林下凋落物特征及持水能力，結(jié)果表明：不同林型對(duì)凋落物特征均存在顯著的影響，各林型凋落物現(xiàn)存量在2.83～6.40 t/hm2之間，以馬尾松-紅錐林最大，馬尾松林最??；各林型最大持水率、最大攔蓄率和有效攔蓄率分別在197.86%～302.43%、169.25%～281.36%、139.28%～236.00%之間，其中紅錐-大葉櫟林各指標(biāo)均明顯大于其他3種林型；各林型最大持水量、最大攔蓄量和有效攔蓄量分別在5.64～12.70、4.78～11.27、3.93～9.67 t/hm2之間，均表現(xiàn)為針闊混交林>針葉純林；凋落物碳含量在433.45～479.66 g/kg之間，各林型差異不顯著；氮含量、磷含量、鉀含量分別在8.24～15.23、0.32～0.46、0.98～1.66 g/kg之間，均表現(xiàn)為混交林>針葉純林。林型差異對(duì)凋落物持水性能的影響大于對(duì)凋落物養(yǎng)分的影響。

凋落物是森林植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中新陳代謝的產(chǎn)物，是森林生產(chǎn)力的重要組成部分，它的生產(chǎn)和分解是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的主要途徑，可促使植物群落發(fā)生結(jié)構(gòu)改變，對(duì)植被天然更新有重要影響[1-2]。凋落物層依靠其強(qiáng)大的表面積和疏松多孔的性質(zhì)，具有明顯的截持降水、調(diào)節(jié)阻抑地表徑流、減少土壤流失及改善土壤理化性質(zhì)的功能，成為森林生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)水分分配的第二功能層，在涵養(yǎng)水源、保持水土，以及促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分平衡方面有著不可替代的作用[3]。凋落物層蓄積量和持水能力在不同地區(qū)、不同森林類(lèi)型、不同林分類(lèi)型差異很大：寒溫帶和西部亞高山針葉林和落葉闊葉林凋落物的持水能力大于熱帶亞熱帶森林[4]；興隆山的針葉林凋落物蓄積量大于闊葉林，但針葉林的有效攔蓄率低于闊葉林[5]；桂西北典型喀斯特區(qū)次生林凋落物的持水量大于原生林，但原生林凋落物的持水率與吸水速率大于次生林[6]。

庫(kù)區(qū)的植物群落是以涵養(yǎng)水源、保持水土為主要目的的防護(hù)林。在防護(hù)林生長(zhǎng)過(guò)程中，由于不同林型的生物學(xué)特性與林分結(jié)構(gòu)不同，造成其地表凋落物儲(chǔ)存量與性質(zhì)的差異,使其凋落物層的水文生態(tài)功能及其養(yǎng)分含量也存在差異[7]。為此，本研究以位于廣西南寧老虎嶺庫(kù)區(qū)4種最典型的林型即馬尾松(Pinusmassoniana)林、馬尾松-紅錐(P.massoniana-Castanopsishystrix)林、馬尾松-紅錐-椆木(P.massoniana-C.hystrix-Lithocarpusthalassica)林、紅錐-大葉櫟(C.hystrix-Castanopsisfissa)林為研究對(duì)象，分析不同林型的凋落物特征，探討不同林型對(duì)凋落物特征的影響，以揭示該庫(kù)區(qū)不同林型凋落物層的現(xiàn)存量、持水特性及養(yǎng)分儲(chǔ)量，為客觀評(píng)價(jià)該庫(kù)區(qū)不同林型凋落物層水文生態(tài)功能，合理調(diào)整該庫(kù)區(qū)林分結(jié)構(gòu)布局，促進(jìn)防護(hù)林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于老虎嶺庫(kù)區(qū)(108°56′E，22° 56′N(xiāo))，處于廣西南寧市北郊，該水庫(kù)是以供水為主，兼顧灌溉、防洪等綜合利用的小型水庫(kù)，水庫(kù)總庫(kù)容640萬(wàn)m3。研究區(qū)海拔為90—250 m，年均氣溫21.7 ℃左右，極端最高氣溫40.4 ℃，極端最低氣溫-1.5 ℃，最冷的1月平均氣溫12.8 ℃，最熱的7、8月平均氣溫28.2 ℃，≥10 ℃年積溫7 200 ℃；年均降水量為1 347.2 mm，平均相對(duì)濕度80%，5—9月為雨季，月均降水量100 mm以上，10月至翌年4月為旱季，月均降水量80 mm以下。土壤為磚紅壤性紅壤，pH值5～6，肥力中等。地帶性植被為亞熱帶常綠季雨林。

1.2 研究方法

選取庫(kù)區(qū)最典型的4種林型(均為人工林)進(jìn)行林下凋落物水文特性研究，分別為：Ⅰ.馬尾松林；Ⅱ.馬尾松-紅錐林；Ⅲ.馬尾松-紅錐-椆木林；Ⅳ.紅錐-大葉櫟林。每種林型選擇坡向、坡度、海拔等基本相同或相似的坡中下位分別設(shè)3個(gè)20 m×20 m的樣方，在每個(gè)樣方內(nèi)按S形設(shè)置5個(gè)25 cm×25 cm的收集點(diǎn)收集凋落物，混合后入袋封裝。凋落物帶回實(shí)驗(yàn)室后，先稱(chēng)其自然狀態(tài)質(zhì)量，然后在80 ℃下烘至恒定質(zhì)量，稱(chēng)其干質(zhì)量，以干物質(zhì)質(zhì)量推算不同植物群落凋落物現(xiàn)存量。采用室內(nèi)浸泡法測(cè)定凋落物持水能力，并參照常雅軍等[7]公式計(jì)算其自然含水率、最大持水率、最大持水量、最大攔蓄率、最大攔蓄量和有效攔蓄率、有效攔蓄量。采用KCr2O7-H2SO4氧化法測(cè)定全碳含量，用H2SO4-H2O2消煮后利用凱氏法測(cè)定全氮含量，用鉬銻抗比色分光光度法測(cè)定全磷含量，用原子吸收分光光度法測(cè)定全鉀含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel和SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林型凋落物厚度、現(xiàn)存量及含水率

不同林型的凋落物厚度、現(xiàn)存量及含水率差異極顯著，見(jiàn)表1。由表1可知，不同林型凋落物的厚度在19.50～58.11 mm之間，以馬尾松-紅錐林的厚度最大(58.11 mm)，顯著大于其他林型，馬尾松-紅錐-椆木林次之，紅錐-大葉櫟林和馬尾松林較小。4種林型的凋落物現(xiàn)存量在2.83～6.40 t/hm2之間，按現(xiàn)存量排序?yàn)轳R尾松-紅錐林>馬尾松-紅錐-椆木林>紅錐-大葉櫟林>馬尾松林，其中馬尾松-紅錐林的凋落物現(xiàn)存量顯著大于其他林型，比最少的馬尾松林大1.26倍。凋落物自然含水率馬尾松林顯著大于其他林型，馬尾松-紅錐林和紅錐-大葉櫟林次之，馬尾松-紅錐-椆木林最小。

表1 不同林型凋落物現(xiàn)存量、厚度及含水率

注：同列數(shù)據(jù)后標(biāo)有相同字母表示在0.05水平上沒(méi)有顯著差異，不同字母表示有差異顯著(Tukey檢驗(yàn))，下同。

2.2 不同林型凋落物持水特性

不同林型凋落物的最大持水率、最大攔蓄率和有效攔蓄率有明顯的差異(表2)，變幅分別在197.86%～302.43%、169.25%～281.36%、139.28%～236.00%之間，其中紅錐-大葉櫟林的凋落物最大持水率、最大攔蓄率和有效攔蓄率均顯著大于其他3種林型，這可能與樹(shù)種組成有關(guān)，其他3種林型的組成均有針葉樹(shù)馬尾松。可見(jiàn)，在不同林分類(lèi)型中，闊葉樹(shù)種凋落物的持水率、攔蓄率比針葉樹(shù)種大。不同林型凋落物的最大持水量、最大攔蓄量和有效攔蓄量差異極顯著，分別在5.64～12.70、4.78～11.27、3.93～9.67 t/hm2之間。凋落物最大持水量、最大攔蓄量和有效攔蓄量是由其持水率、攔蓄率及其現(xiàn)存量決定的，雖然馬尾松-紅錐林的最大持水率、最大攔蓄率和有效攔蓄率均較小，但因其凋落物現(xiàn)存量最大，故其最大持水量、最大攔蓄量和有效攔蓄量均為最大，分別為12.70、11.27、9.67 t/hm2，均明顯大于最小的馬尾松林?？梢?jiàn)，凋落物的現(xiàn)存量對(duì)持水量、攔蓄量的大小起了決定作用。

2.3 不同林型凋落物養(yǎng)分特征

如表3所示，4種林型凋落物的碳含量在433.45～479.66 g/kg之間，差異不顯著；4種林型凋落物的氮含量、磷含量、鉀含量有明顯的差異，分別在8.24～15.23、0.32～0.46、0.98～1.66 g/kg之間，紅錐-大葉櫟林的凋落物氮含量、磷含量、鉀含量均顯著大于馬尾松林，分別大了84.83%、43.75%、69.39%。

表2 不同林型凋落物持水特性

2.4 不同林型對(duì)凋落物特征的影響

不同林型凋落物特征主成分分析表明(表4)，馬尾松林、馬尾松-紅錐林前4個(gè)主成分，馬尾松-紅錐-椆木林前3個(gè)主成分，紅錐-大葉櫟林前2個(gè)主成分的方差解釋累積貢獻(xiàn)率分別達(dá)到97.22%、92.60%、90.13%、91.82%，各主成分的貢獻(xiàn)率均較高，表明在小尺度范圍內(nèi)不同林型對(duì)凋落物特征的影響有一定的穩(wěn)定性。

表3 不同林型凋落物養(yǎng)分特征 g/kg

含有針葉林的馬尾松林、馬尾松-紅錐林和馬尾松-紅錐-椆木林對(duì)凋落物特征的影響基本一致，第1主成分的載荷量基本以最大持水量、最大攔蓄量和有效攔蓄量較大，其次為凋落物現(xiàn)存量；第2主成分的載荷量以持水率、攔蓄率較大；第3主成分中馬尾松林、馬尾松-紅錐-椆木林以磷含量的載荷量最大，馬尾松-紅錐林以氮含量的載荷量最大。闊葉混交林(紅錐-大葉櫟林)第1主成分的載荷量以凋落物現(xiàn)存量、自然含水率、持水率、攔蓄率較大，其次為磷含量，第2主成分以碳含量、氮含量、鉀含量的載荷量較大。這表明凋落物的持水能力、攔蓄能力、現(xiàn)存量最易受不同林型的影響；林型差異對(duì)凋落物持水性能的影響大于對(duì)凋落物養(yǎng)分的影響。

表4 不同林型凋落物特征主成分分析

3 討論與結(jié)論

凋落物現(xiàn)存量主要取決于植物群落生產(chǎn)力，同時(shí)依賴(lài)于氣候、物種組成等因素[8]，而且不同區(qū)域、不同林型間或同一區(qū)域不同林型、同一林型不同區(qū)域間的凋落物現(xiàn)存量差異很大。本研究中不同林型的凋落物現(xiàn)存量在2.38～6.40 t/hm2之間，這與甘肅興隆山[5]6種森林類(lèi)型和秦嶺西部山地[9]4種林分的凋落物現(xiàn)存量差異很大?？赡茉诖蟪叨壬?，氣候是影響凋落物產(chǎn)量的主要因子，甘肅興隆山和小隴山在我國(guó)西北部地區(qū)，降水量、有效積溫少，海拔高，凋落物分解較慢。有研究表明[10-12]，針闊混交林凋落物現(xiàn)存量明顯高于純林。本研究也表明凋落物現(xiàn)存量以馬尾松-紅錐林最大，馬尾松林最小。這可能是由于混交林喬木層生物生長(zhǎng)量大、層次多的緣故。可見(jiàn)，在小尺度上，森林類(lèi)型是影響凋落物產(chǎn)量的主要因子[13]。凋落物現(xiàn)存量反映了凋落物凋落、持水特性、分解之間的動(dòng)態(tài)平衡，因此研究林型間凋落物現(xiàn)存量可對(duì)庫(kù)區(qū)人工造林樹(shù)種的選擇或林分改造提供理論依據(jù)。

老虎嶺庫(kù)區(qū)不同林型凋落物最大持水率為197.86%～302.43%，與甘肅興隆山[5]溫帶和六盤(pán)山[14]溫帶的研究結(jié)果相似，但遠(yuǎn)低于寒溫帶[15]的研究結(jié)果，這可能是樹(shù)種組成、森林類(lèi)型、生境影響不同所致。老虎嶺林區(qū)4種林型凋落物最大持水率以紅錐-大葉櫟林最大，顯著大于有松樹(shù)林的其他3個(gè)林型，與時(shí)忠杰[14]等的研究結(jié)果闊葉林大于針葉林一致，這可能是針葉樹(shù)凋落葉細(xì)小、含油脂較高所致，具體原因還有待進(jìn)一步研究。不同林型最大持水量為5.64～12.70 t/hm2，遠(yuǎn)低于常雅軍[9]等的研究結(jié)果，這與凋落物現(xiàn)存量差異有關(guān)，凋落物持水量的大小主要取決于凋落物持水率和現(xiàn)存量，持水量隨著現(xiàn)存量的增加而增加。同區(qū)域不同林型研究結(jié)果也表明，馬尾松-紅錐林具有較大的凋落物現(xiàn)存量，其最大持水量也最大。

老虎嶺林區(qū)4種林型間凋落物攔蓄能力有差異，3種混交林林型的攔蓄率和攔蓄量均大于純林(馬尾松林)，這可能是混交林相對(duì)于純林有更多的凋落物現(xiàn)存量，而凋落物攔蓄能力與凋落物現(xiàn)存量密切相關(guān)，雖然馬尾松-紅錐林與馬尾松的攔蓄率差別不明顯，但馬尾松-紅錐林凋落物蓄積量很大，因此馬尾松-紅錐林的攔蓄量明顯大于馬尾松林。魏強(qiáng)等[5]研究表明，闊葉林凋落物攔蓄率高于針葉林，但針葉林凋落物現(xiàn)存量大于闊葉林，因此針葉林?jǐn)r蓄量高于闊葉林。這可能與研究尺度有關(guān)，因?yàn)樵诖蟪叨壬希瑲夂蚴怯绊懙蚵湮锂a(chǎn)量的主要因子，而在小尺度上，森林類(lèi)型是影響凋落物產(chǎn)量的主要因子。

凋落物的主要養(yǎng)分含量直接影響?zhàn)B分歸還的質(zhì)量和速率，間接影響植物根系的吸收，在陸地生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)中扮演重要角色[16]。老虎嶺庫(kù)區(qū)不同林型間凋落物氮含量、磷含量、鉀含量差異顯著，均以紅錐-大葉櫟林含量最大，其次為馬尾松-紅錐-椆木林，馬尾松林含量最??；碳含量差異不顯著。這與陳法霖[17]等研究結(jié)果針闊混交林凋落物養(yǎng)分含量大于針葉林吻合?？赡苁怯捎卺樔~林枯落物角質(zhì)層較厚和難以緊貼地面等，使其分解速率遠(yuǎn)低于闊葉林枯落物，造成其氮磷鉀含量也較低[18]。

不同林型對(duì)凋落物不同特征的影響不同，林型差異對(duì)凋落物持水性能的影響大于對(duì)凋落物養(yǎng)分的影響。這表明在小尺度上，不同林型是影響凋落物持水能力的主要因子，林型的變化可以改變凋落物水文生態(tài)功能。因此，進(jìn)行庫(kù)區(qū)營(yíng)林生態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，因地制宜選擇凋落物蓄積量大、持水性能好、養(yǎng)分高的林型進(jìn)行人工種植或林分改造，可增強(qiáng)水土保持和水源涵養(yǎng)生態(tài)功能。

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201204512)；廣西林業(yè)科技項(xiàng)目(桂林科字〔2012〕第7號(hào))

S718.52

A

1000-0941(2015)06-0056-04

彭玉華(1963—)，女，廣西橫縣人，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事森林生態(tài)和森林栽培研究；通信作者張合平(1965—)，男，湖南常德市人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事景觀生態(tài)學(xué)教學(xué)與科研工作。

2014-08-20