珠江流域中游主要森林類型凋落物持水特性

何琴飛，鄭 威，彭玉華，侯遠瑞，何 峰，申文輝

（1.廣西林業科學研究院，南寧530002；2.廣西優良用材林資源培育重點實驗室，南寧530002；3.國家林業局 中南速生材繁育實驗室，南寧530002）

珠江流域中游主要森林類型凋落物持水特性

何琴飛1，2，3，鄭 威1，2，3，彭玉華1，2，3，侯遠瑞1，2，3，何 峰1，2，3，申文輝1，2，3

（1.廣西林業科學研究院，南寧530002；2.廣西優良用材林資源培育重點實驗室，南寧530002；3.國家林業局 中南速生材繁育實驗室，南寧530002）

采用野外實地調查與室內分析相結合的方法，對珠江流域中游蒼梧縣的5種森林類型的凋落物累積量和持水量、持水率、吸水速率等持水特性進行了研究。結果表明：不同森林類型凋落物總儲量為濕地松（Pinus elliottii）+荷木（Schima superba）混交林（40.18 t/hm2）＞桉樹（Eucalyptus）林（11.77 t/hm2）＞馬尾松（Pinus massoniana）林（10.97 t/hm2）＞紅錐（Castanopsis hystrix）林（8.75 t/hm2）＞大葉棟（Quercus griffithii）林（7.71 t/hm2），且半分解層累積量所占比例均大于未分解層，馬尾松林則相反；5種森林類型不同分解程度的凋落物持水量和持水率與浸泡時間均呈對數關系，吸水速率與浸泡時間呈冪函數關系；凋落物最大持水量為13.12～77.09 t/hm2，濕地松+荷木混交林最大，紅錐林最小；最大持水率為150.8～187.9%，大葉棟林最大，紅錐林最小；有效攔蓄量為8.26～49.31 t/hm2，大小順序為濕地松+荷木混交林＞大葉棟林＞紅錐林＞桉樹林＞馬尾松林。綜合考慮，研究區5種森林類型中濕地松+荷木針闊混交林持水能力最強，且優勢明顯，因此，水源涵養林宜優先選擇針闊混交林模式。

凋落物；持水量；持水率；吸水速率；珠江

森林凋落物是森林生態系統的重要組成部分，其結構疏松、透水性和持水能力良好，一方面能夠阻滯和分散降水、減緩林內降水對地面的沖擊；另一方面能吸收降落到地表的水分、減少地表徑流、增加土壤水分下滲，防止土壤侵蝕，在森林水源涵養、水量平衡等方面起著非常重要的作用[1-2]。在全球水資源緊缺和水環境日益惡化的背景下，森林水源涵養功能越來越受到人們的重視，而凋落物的持水性能是反映森林水源涵養作用的重要指標。已有許多學者對森林凋落物作了大量研究，主要集中在凋落物儲量、分解速率、動態特征、持水能力、截持降水、影響地表徑流和增強土壤入滲等方面[3-8]，并取得了一定的研究成果。

珠江流域面積4.4×105km2，河長2 000 km，年徑流量3.0×1011m3，占全國河川徑流量的12.3%，僅次于長江，是黃河年徑流量的5.7倍[9]，是我國非常重要的一條河流。廣西地處珠江流域中上游，流域面積占珠江流域面積的77.8%[10]，因此，廣西在珠江流域的生態環境建設中起著至關重要的作用。廣西蒼梧縣位于廣西東部、珠江流域中游，其森林植被覆蓋情況直接影響到珠江下游地區乃至港澳地區的生態安全。長期以來，由于過度的、不合理的開發利用，蒼梧縣森林資源遭受嚴重破壞，林分、樹種單一，森林群落退化，導致生態環境持續惡化，水土流失嚴重，目前該區域的森林水源涵養功能研究缺乏，因此，本試驗在蒼梧縣境內選取馬尾松（Pinus massoniana）純林（常綠針葉林）、桉樹（Eucalyptus）純林（常綠闊葉林）、紅錐（Castanopsis hystrix）純林（常綠闊葉林）、大葉棟（Quercus griffithii）萌芽純林（落葉闊葉林）、濕地松（Pinus elliottii）與荷木（Schima superba）混交林（針闊混交林）5種有代表性的森林類型為研究對象，研究不同森林類型的凋落物累積量、持水動態和持水能力，分析對比不同森林類型凋落物的水源涵養和水土保持功能，旨在為珠江流域水源涵養林的森林結構改善和森林生態系統恢復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區廣西蒼梧縣位于珠江流域中游，110°51′—111°40′E，22°58′—24°10′N，北回歸線從縣境中部貫穿，屬南亞熱帶季風氣候區、海洋性氣候與大陸性氣候的過渡地帶。年均氣溫為21.2℃，極端最高溫39.9℃，最低溫-2.4℃，年均降雨量為1 506.9 mm，最多1 925.9 mm，最少1 002.9 mm，年平均相對濕度為80%。土壤以薄層花崗巖土壤、薄層砂頁巖黃紅壤和中厚砂頁巖紅壤為主。主要森林群落類型為南亞熱帶常綠闊葉林，有樹種66科300多種，主要樹種為馬尾松、杉木（Cunninghamia lanceolata）、濕地松、荷木、大葉棟、稠木（Lithocarpus glaber）等[11]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置 2013年7—10月，在蒼梧縣境內選擇5種森林類型（均為近熟林或成熟林）的主要分布區域，設置20 m×20 m的樣地，每種類型設置3個重復。記錄樣地的林齡、郁閉度、海拔、坡度、坡向等生長環境因子，對樣地內胸徑≥1 cm的喬木進行每木檢尺，記錄樹高、胸徑、冠幅等生長指標，在樣地的4個角落及對角線的中心點設置2 m×2 m調查灌木、草本層的物種組成、數量等。研究區5種森林類型的基本特征見表1。

表1 主要森林類型基本特征

1.2.2 凋落物累積量測定 在每個樣地的上、中、下部隨機布設3個50 cm×50 cm的樣方，按未分解（顏色變化不明顯，原有形態完整，外表無分解的痕跡）和半分解（顏色變黑，外觀輪廓不完整，多數已粉碎）收集全部凋落物，分層裝袋，并立即稱量其鮮重，同時記錄凋落物總厚度及分層厚度，然后帶回實驗室在75℃下烘干至恒重，由此計算凋落物含水率，并以凋落物干質量計算各層儲量和總儲量。

1.2.3 凋落物持水動態分析 將烘干的凋落物全部或稱取部分（凋落物干重超過400 g）分別裝入100目20 cm×30 cm的尼龍網袋中，每個處理9個重復，把裝有凋落物的網袋完全浸入清水中，分別在浸水0.25，0.5，1，2，4，8，12，24 h后，將網袋從水中取出并懸掛在空中靜置約5 min，當無水滴滴下時立刻稱量，計算不同浸泡時段凋落物的持水量、持水率及吸水速率，計算公式如下[12-13]：

式中：Rmax為凋落物最大持水率（%）；M24為凋落物浸水24 h吸水飽和后的質量（g）；MD為凋落物干質量（g）。

凋落物最大持水量：

式中：Wmax為凋落物最大持水量（t/hm2）；M為凋落物累積量（t/hm2）；Rmax為凋落物最大持水率（%）。

凋落物吸水速率：

式中：V為凋落物某時間段的吸水速率[g/（kg·h）]；Mt為t時刻凋落物持水量（g/kg）；t為凋落物浸泡時間（h）。

1.2.4 凋落物持水能力測定 凋落物持水能力主要取決于凋落物累積量、最大持水率和有效攔蓄量。凋落物浸水24 h的持水量和持水率為最大持水量和最大持水率，但在實際降水過程中，凋落物的實際攔蓄降水量要小于最大持水量，因此，通常采用有效攔蓄量來估算凋落物層對降雨的實際攔蓄量，有效攔蓄量的調整系數為0.85，計算公式如下[14-15]：

凋落物自然含水率：

梅蘭芳出身于梨園世家，8歲學戲，9歲拜吳菱仙為師學青衣，10歲登臺演出。在50余年的舞臺生活中，繼承發展和提高了京劇旦角的演唱和表演藝術，形成一個具有獨特風格的藝術流派，稱之為”梅派”。其代表作有《貴妃醉酒》《天女散花》《宇宙鋒》《打漁殺家》等，先后培養了一批學生。

式中：R0為凋落物自然含水率（%）；M0為凋落物自然濕質量（g）；MD為凋落物干質量（g）。

凋落物有效攔蓄量：

式中：Wsv為凋落物有效攔蓄量（t/hm2）；Rmax為凋落物最大持水率（%）；R0為凋落物自然含水率（%）；M為凋落物累積量（t/hm2）。

1.2.5 數據分析方法 采用Excel 2010繪圖、SPSS 19.0軟件進行數據分析，通過單因素方差分析（Oneway AVOVA）、Duncan多重比較法比較不同森林類型凋落物厚度和累積量的差異性，差異顯著性檢驗α=0.05，通過曲線回歸分析擬合方程探討凋落物持水量、持水率、吸水速率與浸水時間的相關關系。

2 結果與分析

2.1 凋落物累積量

由表2可知，5種森林類型凋落物的總厚度為3.8～9.4 cm，大小順序為濕地松+荷木混交林＞大葉棟林＞紅錐林=馬尾松林＞桉樹林；總累積量為7.71～40.18 t/hm2，大小順序為濕地松+荷木混交林＞桉樹林＞馬尾松林＞紅錐林＞大葉棟林；半分解層累積量所占比例均大于未分解層，馬尾松林除外。經方差分析可知，不同森林類型的凋落物的厚度、未分解層、半分解層和總累積量均存在顯著差異，其中凋落物的厚度、半分解層和總累積量均是濕地松+荷木混交林顯著大于其他4個類型，未分解層累積量是紅錐林和大葉棟林顯著小于其他3個類型。

表2 不同森林類型凋落物厚度與累積量

2.2 凋落物持水動態

2.2.1 凋落物持水量 由圖1可知，5種森林類型的凋落物持水量變化規律基本一致，即隨著浸水時間的增加，凋落物的累積持水量不斷增加，前0.25 h內增速較快，0.25 h后增速減慢，浸水12 h后持水量達到穩定值。凋落物的持水量動態變化隨著分解程度的不同而不同，半分解層累積持水量均大于未分解層，只有馬尾松林相反，而濕地松+荷木混交林之間的差值最大。就整個凋落物累積持水量而言，不同森林類型間為濕地松+荷木混交林＞桉樹林＞馬尾松林＞大葉棟林＞紅錐林。

圖1 不同森林類型凋落物持水量與浸水時間的關系

5種森林類型各層凋落物的持水量W與浸水時間t經方程擬合發現兩者之間呈極顯著的對數函數關系（p＜0.001），方程式為：W=a+blnt，結果見表3，回歸方程的相關系數R2＞0.9，表明各層凋落物的持水量與浸水時間存在較好的相關性。

表3 不同森林類型凋落物持水量與浸水時間的回歸方程

2.2.2 凋落物持水率 由圖2可知，5種森林類型的凋落物持水率在開始浸水時增加較快，0.25 h后隨著浸水時間的增加，累積持水率增幅逐漸減小，最后達到某一穩定值。凋落物的分解程度不同，其持水率動態變化不同；同一種森林類型，持水率半分解層大于未分解層，大葉棟林除外，大葉棟林凋落物浸水2 h后半分解層持水率小于未分解層；不同森林類型同一分解程度的累積持水率有差異，未分解層為大葉棟林＞桉樹林＞馬尾松林＞紅錐林＞濕地松+荷木混交林，半分解層為濕地松+荷木混交林＞桉樹林＞大葉棟林＞馬尾松林＞紅錐林，而平均持水率為大葉棟林＞桉樹林＞濕地松+荷木混交林＞馬尾松林＞紅錐林。

圖2 不同森林類型凋落物持水率與浸水時間的關系

5種森林類型各層凋落物的持水率R與浸水時間t經方程擬合發現兩者之間呈極顯著的對數函數關系（p＜0.001），方程式為：R=a+blnt，結果見表4，回歸方程的相關系數R2＞0.9，表明各層凋落物的持水量與浸水時間的相關性較好。

表4 不同森林類型凋落物持水率與浸水時間的回歸方程

2.2.3 凋落物吸水速率 由圖3可知，5種森林類型凋落物剛浸水時吸水速率高，0.5 h后顯著下降，4 h后降幅逐漸變小，8 h后基本不變，逐漸趨于飽和。凋落物吸水速率半分解層大于未分解層，大葉棟林除外，大葉棟林凋落物浸水2 h后半分解層吸水速率開始小于未分解層，這與其持水率的規律一致；在浸水0.25 h時，未分解層吸水速率為大葉棟林＞桉樹林＞紅錐林＞濕地松+荷木混交林＞馬尾松林，半分解層吸水速率為濕地松+荷木混交林＞桉樹林＞馬尾松林＞大葉棟林＞紅錐林。

圖3 不同森林類型凋落物吸水速率與浸水時間的關系

對5種森林類型各層凋落物吸水速率V與浸水時間t經方程擬合發現兩者之間呈極顯著的冪函數關系（p＜0.001），方程式為：V=kt-a，結果見表5，回歸方程的相關系數R2＞0.9，表明各層凋落物的吸水速率與浸水時間相關性較好。

表5 不同森林類型凋落物吸水速率與浸水時間的回歸方程

2.3 凋落物持水能力

由表6可知，不同森林類型的最大持水率在150.81～187.92%，大小順序為大葉棟林＞桉樹林＞濕地松+荷木混交林＞馬尾松林＞紅錐林，其中未分解層最大持水率為大葉棟林最大，濕地松+荷木混交林最小，半分解層最大持水率為濕地松+荷木混交林最大，紅錐林最小。最大持水量為13.12～77.09 t/hm2，大小順序為濕地松+荷木混交林＞桉樹林＞馬尾松林＞大葉棟林＞紅錐林，其中未分解層最大持水量馬尾松林最大，紅錐林最小，半分解層最大持水量濕地松+荷木混交林最大，紅錐林最小。

不同森林類型凋落物最大攔蓄量為10.92～60.95 t/hm2，大小順序為濕地松+荷木混交林＞大葉棟林＞桉樹林＞紅錐林＞馬尾松林；有效攔蓄量為8.26～49.31 t/hm2，大小順序為濕地松+荷木混交林＞大葉棟林＞紅錐林＞桉樹林＞馬尾松林，濕地松+荷木混交林的有效攔蓄量為馬尾松林的5.97倍。

在5種森林類型中，濕地松+荷木混交林凋落物的厚度、累積量、最大持水量、最大攔蓄量、有效攔蓄量均最大，凋落物的持水能力較強。大葉棟林凋落物的最大持水率、最大攔蓄率和有效攔蓄率均最大，最大攔蓄量和有效攔蓄量僅次于濕地松+荷木混交林。

3 討論

不同森林類型由于其樹種生物學特性和林分結構等不同，其水源涵養功能也存在一定的差異[16]。凋落物的現存量越多，持水能力越強，其水源涵養功能越好[17]。同一地區不同森林類型間的凋落物累積量差異很大，珠江流域廣西蒼梧縣的5種森林類型凋落物累積量為7.71～40.18 t/hm2，排序為濕地松+荷木混交林＞桉樹林＞馬尾松林＞紅錐林＞大葉棟林。凋落物蓄積量受凋落物產量、現存量、分解速度、積累年限等因子的影響，而這些因子又與林型、林分發育、林分組成、生長季節、氣候狀況、人為活動和林分生產力等有關[18-19]。在實地調查中發現桉樹成熟林樹皮脫落現象嚴重，有可能導致其凋落物儲量增加；而大葉棟是良好的薪炭材，經人為砍伐后成為萌發林，萌發林生長量小，凋落物層受到破壞，會導致儲量減少。凋落物累積量半分解層所占比例均大于未分解層，與常雅軍等[12]的研究結果一致，但馬尾松林除外，這與馬尾松樹種本身的特性有關，常綠針葉林凋落葉因質地較硬，木質素類難分解物質含量高[15]，其凋落物具較低的分解率，因此儲量多且未分解層所占比例略高于半分解層。

表6 不同森林類型凋落物持水能力指標

不同森林類型凋落物持水量和持水率均有差異，但其隨浸水時間的變化規律相似，這與已有的研究結果一致[20]。5種森林類型的凋落物持水量和持水率隨著浸水時間的增加而不斷增加，前0.25 h內增速較快，0.25 h后增速減慢，逐漸趨于穩定，達到理論最大值。就整個凋落物累積持水量而言，不同森林類型間為濕地松+荷木混交林＞桉樹林＞馬尾松林＞大葉棟林＞紅錐林，與凋落物累積量順序基本一致；平均持水率為大葉棟林＞桉樹林＞濕地松+荷木混交林＞馬尾松林＞紅錐林，王勤等[16]研究表明針葉林凋落物的持水率明顯低于闊葉林和針闊混交林，本文研究結果只有紅錐林凋落物持水率偏小。5種森林類型凋落物在剛浸水時吸水速率高，0.5 h后明顯下降，4 h后降幅逐漸變小，8 h后基本不變，逐漸趨于飽和，其變化規律與楊玉蓮等[14]研究結果類似。凋落物的吸水速率與其類型、分解程度等有關，在剛浸水0.25 h時，凋落物未分解層的吸水速率為大葉棟林＞桉樹林＞紅錐林＞濕地松+荷木混交林＞馬尾松林，而半分解層為濕地松+荷木混交林＞桉樹林＞馬尾松林＞大葉棟林＞紅錐林。

同一森林類型凋落物的分解程度不同，其持水量、持水率和吸水速率不同，累積持水量、持水率和吸水速率均為半分解層大于未分解層，與王佑民[21]的研究結果一致，但馬尾松林凋落物累積持水量表現相反，這可能與其分解層的儲量有關；大葉棟林凋落物在浸水2 h后持水率和吸水速率半分解層小于未分解層，其原因有待進一步研究。不同森林類型不同分解程度凋落物的持水量和持水率與浸泡時間均呈對數關系，吸水速率與浸泡時間呈冪函數關系，這與顧宇書等[22]、彭云等[23]、羅新萍[24]的研究結果一致。

凋落物持水能力主要取決于凋落物的累積量、最大持水率、最大持水量、自然含水率和有效攔蓄量[25]。濕地松+荷木混交林凋落物累積量、最大持水量、最大攔蓄量、有效攔蓄量均有最大值，持水能力較強；馬尾松林凋落物累積量排第3，其持水量也排第3，但最大攔蓄量和有效攔蓄量均最小；桉樹林凋落物累積量、最大持水率和最大持水量均排第2位，但其有效攔蓄量僅大于馬尾松林；紅錐林凋落物由于累積量較少，最大持水率和最大持水量最小，有效攔蓄量排第3；大葉棟萌發林凋落物累積量最少，但其最大持水率和最大攔蓄率均最大，最大攔蓄量和有效攔蓄量僅次于濕地松+荷木混交林。基于凋落物持水能力的理論值，濕地松+荷木混交林、桉樹林和馬尾松林持水能力較好，而在實際降水過程中，山地坡面上的浸水時間一般不會太長，降落到坡面的雨水一部分被凋落物層攔蓄吸收，絕大部分很快透過凋落物層滲入到土中[20]。用最大持水率來計算凋落物層對降雨的攔蓄能力偏高，有效攔蓄率才是反映凋落物對降水攔蓄效果的真實指標[26]。

4 結論

（1）不同森林類型間的凋落物厚度和累積量差異顯著，大部分森林類型的凋落物累積量半分解層所占比例大于未分解層，馬尾松林除外。

（2）不同森林類型凋落物的持水量、持水率和吸水速率均有差異，但其隨浸水時間的變化規律一致。5種森林類型凋落物的持水量和持水率隨著浸水時間的增加而不斷增加，隨后增幅減慢，逐漸趨于穩定，最后達到最大值；吸水速率在剛浸水時高，隨后明顯下降，慢慢地達到飽和。

（3）同一森林類型凋落物的分解程度不同，其持水量、持水率和吸水速率不同，基本表現為半分解層大于未分解層。5種森林類型不同分解程度的凋落物持水量和持水率與浸泡時間均呈對數關系，吸水速率與浸泡時間呈冪函數關系。

（4）在研究的5種森林類型中，濕地松+荷木混交林凋落物累積量、最大持水量、最大攔蓄量、有效攔蓄量均有最大值，分別為40.18，77.09，60.95，49.31 t/hm2，持水能力最強；大葉棟萌發林凋落物累積量最少，但其最大持水率和最大攔蓄率均最大，最大攔蓄量和有效攔蓄量僅次于濕地松+荷木混交林。因此，從有效攔蓄率和有效攔蓄量上考慮，濕地松+荷木混交林和大葉棟林持水能力較好。

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Water-holding Characteristics of Litter Under Main Forest Types in the Middle Reaches of Pearl River Basin

HE Qinfei1，2，3，ZHENG Wei1，2，3，PENG Yuhua1，2，3，HOU Yuanrui1，2，3，HE Feng1，2，3，SHEN Wenhui1，2，3

（1.Guangxi Forestry Research Institute，Nanning530002，China；2.Guangxi Key Laboratory of Superior Timber Trees Cultivation，Nanning530002，China；3.Central South Key Laboratory，Fast-growing Tree Cultivation of Forestry Ministry，Nanning530002，China）

Litter layer plays a significant hydro-ecological role in forest ecosystem.By the field investigation and laboratory analysis，a study was conducted on the accumulation amount，water-holding capacity，waterholding rate and water-absorption rate of the litter under five main forests（Pinus massonianaforest，Eucalyptusforest，Castanopsis hystrixforest，Quercus griffithiiforest，Pinuselliottii+Schima superbaforest）in the middle reaches of Pearl River.The litter accumulation under the forest decreased in the order ofP.elliottii+S.superbaforest（40.18 t/hm2）＞Eucalyptusforest（11.77 t/hm2）＞P.massonianaforest（10.97 t/hm2）＞C.hystrixforest（8.75 t/hm2）＞Q.griffithiiforest（7.71 t/hm2），and the percentage of semi-decomposed litter storage was higher than that of un-decomposed litter，whereas forP.massonianaforest，it was in adverse.The water-holding capacity and water-holding rate of litter at different decomposition degrees changed logarithmically，while the water-absorption rate assumed a power function of soaking time.The maximum water-holding capacity of the litter varied from 13.12 t/hm2to 77.09 t/hm2，being the highest forP.elliottii+Schima superbaforest and the lowest forC.hystrixforest.The maximum water-holding rate of the litter was 150.8～187.9%，being the highest forQ.griffithiiforest and the lowest forC.hystrixforest.The effective retaining capacity of the litter ranged from 8.26 t/hm2to 49.31 t/hm2，and decreased in the order ofP.elliottii+S.superbaforest＞Q.griffithiiforest＞C.hystrixfores t＞Eucalyptusforest＞P.massonianaforest.Water conservation capacity ofP.elliottii+S.superbaforest was the strongest among these forests.So，this study can provide the important basic theory that can select conifer-broadleaf forest needle modes and broadleaved deciduous in improving hydro-ecological effects of water conservation forests.

litter；water-holding capacity；water-holding rate；water-absorption rate；Pearl River

S715.7

A

1005-3409（2017）01-0128-07

2016-01-18

2016-01-27

“十二五”廣西林業科技項目“珠江流域中上游水源涵養林結構及功能研究”（桂林科字[2012]第7號）；國家林業公益性行業科研專項“南方幾種森林類型公益林經營技術研究”（201204512）

何琴飛（1982—），女，湖南新化人，工程師，碩士，主要從事森林生態研究。E-mail：dragonfly.hqf＠126.com

申文輝（1972—），男，湖南安鄉人，教授級高工，在讀博士，主要從事森林生態、森林培育研究。E-mail：shenwenhui2003＠163.com