格氏栲天然林3種群落類型凋落物的持水性

劉艷會， 劉金福， 馬瑞豐，何中聲，洪 偉， 馮雪萍

(1.福建農林大學林學院，福建福州 350002； 2.福建農林大學海峽自然保護區研究中心，福建福州 350002)

森林凋落物是森林在新陳代謝過程中，經自然、人為干擾后產生的有機殘留物[1]。在物質循環、土壤理化性質調節、水量平衡維持、抑制土壤水分蒸發、阻滯地表徑流上發揮著不可替代的生態服務功能[2-3]。許多學者對凋落物涵養水源能力進行了研究，目前主要從不同林分類型(針葉林、闊葉林、混交林等)和影響因素(組成、儲量、分解度等)2個方面進行研究[4-9]。通過不同林分類型和各種影響因素與凋落物涵養水源關系的研究，對合理經營森林資源、改善水環境、實現水資源科學管理和利用具有重要意義[10]。

福建省三明小湖地區約有700 hm2以格氏栲(CastanopsiskawakamiiHayata)占優勢的天然林，為中亞熱帶常綠闊葉林地帶南緣局部地區的重要林型，是目前全世界獨一無二的大面積格氏栲林，堪稱“世界格氏栲林”[11]。目前該天然林出現斷代嚴重、更新困難等問題，久之可能會被馬尾松(Pinusmassoniana)、木荷(Schimasuperba)、米櫧(Castanopsiscarlesii)演替[12]。為合理保護格氏栲的優勢地位，許多學者從不同角度對該格氏栲林進行了研究，關于凋落物的研究主要集中在分解程度和養分周轉方面，對林下凋落物持水特性的研究還鮮有報道[11-16]。因此，通過實地調查選取立地條件相同的3種典型格氏栲群落，研究不同群落類型凋落物的持水特性，旨在促進格氏栲天然林的可持續經營[15]。

1 研究地概況

格氏栲自然保護區位于福建省三明市莘口鎮，地理坐標為26°01′～26°06′N，117°24′～117°27′E，地處武夷山東伸支脈地帶，是低山丘陵地貌區，海拔在250～500 m之間，屬中亞熱帶季風性氣候，年平均溫度19.5 ℃，最高溫度40.0 ℃，最低溫度 5.5 ℃，年平均降水量1 500 mm。土壤類型為暗紅壤，腐殖質豐富，水肥條件好。主要功能為保護以格氏栲為主的珍稀樹種及其伴生動植物資源和生態環境。研究區喬木層主要由格氏栲、馬尾松、木荷、米櫧等構成。種群密度為 100株/hm2，平均樹高21.5 m，胸徑32.4 cm，郁閉度約為0.8；灌木層主要有狗骨柴(Diplosporadubia)、山黃皮(Clausenadentata)、杜莖山(Measajaponica)、沿海紫金牛(Ardisiapunctata)等；草本植物主要有狗脊蕨(Woodwardiajaponica)、華山姜(Alpiniajaponica)、芒其(Dicranopterisdichotoma)等[11]。

2 研究方法

2.1 凋落物現存量的測定

于2014年4月進行取樣，調查分析福建省三明市小湖地區格氏栲林后，選取3個典型群落類型(G1：格氏栲-馬尾松群落；G2：格氏栲-木荷群落；G3：格氏栲-米櫧群落)，沿“之”字形分別設置9個樣方。每個樣方為10 m×10 m，收集1 m×1 m的凋落物，按未分解(L，由新鮮凋落物組成，葉片保持原有形態，顏色變化不明顯，質地堅硬，外表無分解痕跡)、半分解(F，顏色明顯變黑，葉片無完整外觀輪廓，多數凋落物已粉碎)、全分解(H，被分解成碎屑，葉肉已不能辨識原形)3個層次取樣，并稱取鮮質量，然后將各層凋落物在實驗室 85 ℃ 下烘干至恒質量，測定各層現存量及凋落物含水率。

2.2 凋落物持水特性的測定

采用浸水法測定凋落物的持水量。將每個樣方內各層凋落物樣品稱質量記做m1，分別裝入濕布袋(預先稱量記錄干布袋質量)進行稱質量；接下來將凋落物烘干稱質量，記做m2；再將裝有凋落物的布袋完全浸沒于盛有清水的容器中，分別浸泡 0.25、0.50、1.00、2.00、4.00、8.00、16.00、24.00 h后取出稱質量，直至凋落物不滴水為止，迅速稱量凋落物的濕質量，記做m3。將凋落物連同布袋一并取出靜置后稱質量。浸水結束后，將凋落物連同布袋一同烘干(85 ℃，24 h)后再稱質量。凋落物持水率、凋落物持水量和凋落物吸水速率按下列公式計算：

自然持水量：R0=m1-m2；

最大持水量：Rmax=m3-m2；

最大持水率：R′=(m3-m2)/m2×100%。

3 結果與分析

3.1 3種群落類型及分解層凋落物現存量

由表1可知，凋落物現存量總量表現為G2>G1>G3。3個群落全分解層均占各群落凋落物現存量總量的比例最大，不同分解層凋落物現存量分布不均勻。G1群落未分解層的凋落物現存量略大于半分解層，而G2和G3群落的半分解層凋落物現存量大于未分解層。

表1 3種群落類型凋落物的現存量

3.2 3種群落類型及分解層凋落物的持水能力

由表2可知，3種群落類型相同分解層的自然持水量和最大持水量無顯著性差異，G3群落在未分解層自然持水率方面顯著高于G2、G1群落，同時其半分解層的最大持水率顯著高于G2群落。同一群落類型不同層次之間的最大持水量無顯著性差異，G1、G2群落未分解層自然持水率顯著低于半分解層和全分解層，而半分解層和全分解層之間的自然持水率差異不顯著。3種群落類型的自然持水量除G1群落外，G2、G3群落內不同層次之間均存在顯著性差異，且G2、G3群落的自然持水量呈現出全分解層>半分解層>未分解層，G1群落的自然持水量呈現出全分解層顯著高于未分解層的持水特性。總體上，G1群落的自然持水率、自然持水量、最大持水量基本占據相應最大值，該群落的持水能力較強。G3群落在最大持水率方面高于其他2個群落，可能是G3群落初始干質量過低，浸水后持水總量增加幅度較大造成的。就各分解層而言，3種群落全分解層的自然持水量和最大持水量高于半分解層和未分解層的對應值；半分解層在自然持水率方面高于其他2個層次，而未分解層在G2、G3群落的最大持水率方面呈現最大值。

3.3 3種群落類型及分解層凋落物持水過程

由圖1可知，3個群落類型的持水量隨浸水時間延長而增加，在0～2 h內增加較快，該階段凋落物吸水速率較高，其持水量占總持水量的60%以上，浸水2 h后增速逐漸趨緩，8 h 后呈現平穩狀態，表明凋落物持水量已基本達到飽和。由圖2可知，3個群落類型凋落物持水速率隨時間增加而下降，在0.5 h內尤為明顯，2 h后浸水速率下降幅度趨緩，8 h后變化曲線基本平穩。整個研究過程中，總體持水量隨著時間的變化呈現G1>G2>G3的趨勢，而持水速率下降趨勢表現為G3>G2>G1，與表2研究結果一致。

凋落物各分解層浸水時間t與持水量W(H)、持水速率W(A)之間的關系分別可以用W(H)=Alnt+B、W(A)=At-B表示，其中A、B為調整系數。將3種群落不同分解層浸水時間與持水量及持水速率按照以上方程進行擬合，并與實際測量結果進行比較。由表3可知，所得方程持水量與浸水時間相關系數除格氏栲-米櫧群落和格氏栲-木荷群落的全分解層外，其余均屬顯著相關(相關系數>0.600 0為顯著相關)，表明凋落物持水能力與浸水時間關系密切。

表2 3種群落類型凋落物的持水能力

注：不同大寫字母表示同一層次不同群落之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一群落不同層次之間差異顯著(P<0.05)。

4 結論與討論

凋落物現存量受多種因素影響，各樹種凋落峰期不同會使現存量產生差異。木荷有春、秋季2個凋落高峰期，米櫧凋落峰期在初夏和秋季，而馬尾松凋落峰期在深秋[17]。因此，4月采樣會出現格氏栲-木荷群落凋落物現存量高于其他2個群落的情況。3種群落各分解層占凋落物總量的比例也存在差異，原因在于三明市春季期間降水量增加，光照相對充足，土壤溫度上升，微生物活動頻繁，現存凋落物分解加速，使得凋落物全分解層現存量較大。

表3 3個群落不同分解層凋落物持水量、持水速率與浸水時間的擬合方程

不同林分類型凋落物的持水能力存在差異，陳玉生等認為針葉樹優于闊葉樹，針葉吸水面積比闊葉吸水面積大，持水性更好[7]。受郁閉度、組成、特性、海拔等因子的影響，賈秀紅等認為闊葉林的持水性能好于針葉林[5，10]。相同林分、不同地區、不同取樣時間下凋落物持水性也存在差異[18-19]。在所研究的3種群落內，總體上格氏栲-馬尾松群落凋落物持水性能最強，即針闊混交林優于闊葉混交林，這與鄭文輝等的研究結果[20]不同，可能是群落間凋落物現存量之間差異造成的，或是取樣地點不同，林分立地條件差異使得凋落物持水能力表現不同。3種群落類型最大持水量方面的最高值均在全分解層，可見全分解層持水能力較強。原因在于全分解層凋落物現存量占各群落凋落物總現存量的比例最大，其持水能力又最強，由此也表明凋落物持水能力與現存量之間密切相關[21]。

3種群落類型凋落物的持水量隨浸水時間呈先快后慢的增加趨勢，主要與凋落物浸水之初的水勢有關，浸水初期水勢較低，前2 h持水率的增長速度較快，隨后凋落物表面水勢差逐漸減小，吸水速率隨之減緩。浸水8 h后，凋落物對水的吸附作用已經趨于飽和，凋落物表面與外界的水勢基本一致，持水速率基本保持不變[22]。相同時間內，格氏栲-馬尾松群落的持水量高于其他2個群落的持水量，說明其持水性能優于格氏栲-木荷群落和格氏栲-米櫧群落。同時，半分解層隨著時間的延長表現出最高持水能力，與常雅軍等的研究結果[23]一致，全分解層持水能力最小，這說明半分解層吸水最快，可容納的水量空間最大，全分解層較小，而全分解層最大持水量最大，原因在于其自然持水量大于其他層次群落內各分解層。凋落物持水速率隨時間的增加而減弱，0.5 h內下降趨勢明顯，2 h后逐漸趨于平緩，對截獲短期降水具有重要意義[20]。持水量、持水速率與浸水時間的擬合結果表明，凋落物持水性能受時間的影響較大。隨著降水時間的延長，雨量增多，凋落物持水能力逐漸減弱，即持續降水8 h后，可能會出現水分飽和，水分滲入土壤，甚至形成地表徑流。

格氏栲作為珍稀瀕危樹種，已處于衰退階段，野外種子萌發困難，幼苗生長緩慢，米櫧、木荷、馬尾松侵入趨勢明顯，為保護格氏栲的優勢地位，須要進行人為干擾，以促進其苗木更新[14]。種子萌發和幼苗建立是物種更新的關鍵階段，凋落物持水能力是決定種子萌發和幼苗生長的關鍵因素，同時凋落物現存量也決定著格氏栲種子的萌發條件[12，24]。1月下旬，格氏栲種子掉落近尾聲，之后進入萌發階段，春季幼苗生長對水分的需求使得凋落物持水能力顯得尤為重要[12]。此次研究僅對4月份凋落物現存量及分解層持水性能進行探討，3種群落類型林下凋落物對種子萌發狀態的影響及其持水特性對格氏栲幼苗生長、種群更新的具體作用須做進一步觀察研究，以期為格氏栲種群合理經營提供依據。

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