重慶市幾種常見(jiàn)經(jīng)濟(jì)林凋落物持水性能研究

張志蘭，鄭云澤，于秀娟

(重慶市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，重慶 401147)

森林是地球上最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，不但可以源源不斷地為人類(lèi)提供各類(lèi)物質(zhì)所需，而且在涵養(yǎng)水源、減少地表徑流、攔截泥沙等諸多方面均具有重要作用[1]。凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組分和物質(zhì)循環(huán)的載體[2]。森林凋落物不僅影響森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)、土壤肥力的維持等，還能夠有效維持森林的水量平衡[3]。森林凋落物一方面能增加地表層的粗糙度，減緩及減少地表徑流，增加土壤水分下滲；另一方面由于其結(jié)構(gòu)疏松，能減緩林內(nèi)降水對(duì)地面的直接沖擊，阻滯和分散降水，吸收通過(guò)林冠而降落到地表的水分。因此，森林凋落物對(duì)于保持水土和涵養(yǎng)水源具有重要作用[4]。

近年來(lái)，隨著水資源需求量不斷增加和水環(huán)境惡化，森林涵養(yǎng)水源功能越來(lái)越受到重視。不同森林類(lèi)型的樹(shù)種生物學(xué)特性不同，必然導(dǎo)致其凋落物層水源涵養(yǎng)效能存在差異。國(guó)內(nèi)學(xué)者在不同森林類(lèi)型凋落物持水能力方面做了不少研究[5]。重慶市主要為低山丘陵地貌，近年來(lái)隨著農(nóng)業(yè)的大力發(fā)展，柑橘[6]、核桃[7]、花椒[8]等產(chǎn)業(yè)也逐步發(fā)展，成為重慶市的特色產(chǎn)業(yè)。通過(guò)對(duì)2017年渝西、渝東北地區(qū)柑橘林、核桃林、花椒林、脆紅李林、雷竹林5種典型經(jīng)濟(jì)林的凋落物吸水、持水特性的研究，探討了不同人工林凋落物持水性能，為構(gòu)建高效水源涵養(yǎng)林和正確評(píng)價(jià)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提供技術(shù)參考。

1 研究區(qū)域概況

重慶地處105°11′～110°11′E、28°10′～32°13′N(xiāo)，屬中亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)，常年平均氣溫18.0 ℃左右，年日照時(shí)數(shù)1 000～1 200 h，冬暖夏熱，無(wú)霜期300 d以上，降水量充沛。5種經(jīng)濟(jì)林研究區(qū)位于渝東北和渝西地區(qū)，渝西主要為丘陵地貌，渝東北則以中山、低山地貌為主。渝東北年均降水量較渝西多，渝東北年降水量在1 200 mm左右，渝西年降水量在1 000 mm左右。渝東北海拔多在1 000 m以上，山地氣候顯著，地形雨較多，氣溫相比渝西明顯降低。

2 研究材料與方法

2.1 研究方法

2.1.1 凋落物采集

在眾多林分類(lèi)型中，本研究選取了應(yīng)用較廣的柑橘林、核桃林、花椒林、雷竹林、脆紅李林等5種主要經(jīng)濟(jì)林，對(duì)其凋落物的持水特性進(jìn)行研究。2017年7—9月，在實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，于每種林分中選凋落物層典型地段，設(shè)置面積1 m×1 m的樣方3個(gè)，測(cè)定新鮮凋落物的厚度及林分基本指標(biāo)。5種經(jīng)濟(jì)林及其凋落物的基本特征見(jiàn)表1。

表1 5種經(jīng)濟(jì)林及其凋落物的基本特征

2.1.2 凋落物持水能力測(cè)定

各林分林地凋落物分布比較均勻，故在各樣地對(duì)角線上設(shè)置面積為1 m×1 m 的樣方3個(gè)，收集該樣方內(nèi)所有凋落物，裝入塑料袋，稱(chēng)量凋落物鮮質(zhì)量。之后從中取出一部分(約0.3 kg)，稱(chēng)完鮮質(zhì)量后裝入自封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室烘干，測(cè)定凋落物樣品的自然含水量，依據(jù)自然含水量和鮮質(zhì)量計(jì)算樣方凋落物干質(zhì)量，并推算單位面積林地上凋落物蓄積量(t/hm2)。另取各樣方的凋落物混合樣品烘干裝入尼龍網(wǎng)袋后分別放入水中浸泡，測(cè)定其在浸泡0.5、1、1.5、2、4、6、8、10、18、24 h后的質(zhì)量變化。測(cè)定時(shí)先將尼龍網(wǎng)袋取出并靜置到凋落物不滴水時(shí)再進(jìn)行稱(chēng)量，設(shè)定3個(gè)重復(fù)。凋落物的持水量、持水率、吸水速率及有效攔蓄量按以下公式[5，9]進(jìn)行計(jì)算：

凋落物持水量(t/hm2)=[凋落物濕質(zhì)量(kg/m2)-

凋落物干質(zhì)量(kg/m2)]×10

(1)

凋落物持水率(%)=[凋落物濕質(zhì)量(kg)-

凋落物干質(zhì)量(kg)]/

凋落物干質(zhì)量(kg)×100%

(2)

凋落物吸水速率[g/(kg·h)]=

凋落物吸水量(g/kg)/吸水時(shí)間(h)

(3)

凋落物有效攔蓄量(t/hm2)=[0.85×

最大持水率(%)-平均自然含水率(%)]×

凋落物蓄積量(t/hm2)

(4)

凋落物的最大持水量即凋落物含水量達(dá)到飽和時(shí)的持水量，一般情況下為該凋落物浸水24 h后的持水量，此時(shí)的持水率稱(chēng)為最大持水率。

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0和Excel 2003軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并進(jìn)行單因素方差分析和差異顯著性檢驗(yàn)(LSD法)，采用Origin 8.5軟件作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 凋落物蓄積量

一般而言，凋落物的蓄積量越多，其水源涵養(yǎng)功能越好[10]。植物凋落物蓄積量與其生長(zhǎng)量、郁閉度和生長(zhǎng)年限等有關(guān)。本研究中，柑橘林的凋落物蓄積量最大，達(dá)4.46 t/hm2(表2)；雷竹林的最小，為1.14 t/hm2。5種經(jīng)濟(jì)林按凋落物的自然含水率大小排序?yàn)榇嗉t李林>核桃林>柑橘林>花椒林>雷竹林。

表2 5種經(jīng)濟(jì)林凋落物的基本特征

3.2 凋落物持水量

凋落物持水量能夠反映凋落物層的水文特性，進(jìn)而反映出某一特定林分的水源涵養(yǎng)能力。它與凋落物的類(lèi)型、組成、結(jié)構(gòu)、蓄積量、濕度及分解狀況等有密切關(guān)系[11]。由圖1可以看出，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，凋落物持水量呈逐漸增加的趨勢(shì)。在浸泡初始的4 h，持水量呈快速增加狀態(tài)，4 h后持水量增幅逐漸減緩，浸泡10 h后持水量變化很小，說(shuō)明凋落物在經(jīng)過(guò)10 h的浸泡后持水量已基本達(dá)到飽和。5種經(jīng)濟(jì)林按凋落物最大持水量大小排序?yàn)楦涕倭?花椒林>核桃林>脆紅李林>雷竹林(表2)。

由表3可知，5種經(jīng)濟(jì)林凋落物的持水量與浸泡時(shí)間呈極顯著的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系(P<0.001)，且相關(guān)性均較高(R2>0.9)。

圖1 凋落物持水量隨浸泡時(shí)間的變化

林分方程R2P柑橘林WH=1.13lnt+11.3940.959<0.001核桃林WH=0.325lnt+6.7580.963<0.001花椒林WH=0.148lnt+7.4370.914<0.001雷竹林WH=0.062lnt+1.7550.955<0.001脆紅李林WH=0.058lnt+5.1050.930<0.001

3.3 凋落物持水率

凋落物的持水率能夠反映凋落物的持水能力[5]。由圖2可以看出，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，凋落物的持水率呈逐漸增加的趨勢(shì)。5種經(jīng)濟(jì)林凋落物的持水率在浸泡的初期(0～4 h)呈快速上升趨勢(shì)，4 h后增幅逐漸減緩，浸泡10 h后其持水率基本恒定。5種經(jīng)濟(jì)林按凋落物最大持水率大小排序?yàn)楦涕倭?核桃林>脆紅李林>花椒林>雷竹林。

圖2 凋落物持水率隨浸泡時(shí)間的變化

由表4可知，5種經(jīng)濟(jì)林凋落物的持水率與浸泡時(shí)間呈極顯著的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系(P<0.001)，且相關(guān)性均較高(R2>0.9)。

表4 凋落物持水率(WR)與浸泡時(shí)間(t)的回歸方程

3.4 凋落物吸水速率

吸水速率是衡量凋落物吸持降水強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)。吸水速率越大，凋落物在單位時(shí)間內(nèi)的吸水量就越大，林內(nèi)凋落物對(duì)降水的涵蓄速度就越快，從而可以更好地減少地表徑流[12]。由圖3可以看出，5種經(jīng)濟(jì)林凋落物的最大吸水速率為其浸泡最初0.5 h的吸水速率，按其大小排序?yàn)楹颂伊?脆紅李林>柑橘林>花椒林>雷竹林，表明5種經(jīng)濟(jì)林凋落物涵蓄降水的速度為核桃林>脆紅李林>柑橘林>花椒林>雷竹林。0.5 h后吸水速率明顯變慢，此后逐漸減小，10 h后吸水速率基本維持恒定，說(shuō)明此時(shí)的凋落物吸水趨于飽和狀態(tài)。

由表5可知，研究區(qū)5種經(jīng)濟(jì)林凋落物的吸水速率與浸泡時(shí)間呈極顯著的冪函數(shù)關(guān)系(P<0.001)，且相關(guān)性均極高(R2>0.999)。

圖3 凋落物吸水速率隨浸泡時(shí)間的變化

林分方程R2P柑橘林WA=2 544.712t-0.910.999 4<0.001核桃林WA=2 532.935t-0.9540.999 9<0.001花椒林WA=2 276.286t-0.980.999 9<0.001雷竹林WA=1 547.686t-0.9660.999 9<0.001脆紅李林WA=2 355.905t-0.9890.999 9<0.001

3.5 凋落物有效攔蓄量

凋落物蓄積量、自然含水率和最大持水率是影響凋落物層對(duì)降雨有效攔蓄的主要因素[2]。由于在實(shí)際環(huán)境中受到坡度和降雨量等條件的影響，凋落物的實(shí)際持水率要略小于其最大持水率[9]，因此用最大持水率來(lái)推算凋落物對(duì)降雨的攔蓄能力將會(huì)產(chǎn)生偏差。研究中一般用有效攔蓄量[13]估算凋落物對(duì)降雨的實(shí)際滯納能力。由表2可以看出，不同林分凋落物層對(duì)降雨的有效攔蓄量為柑橘林>花椒林>核桃林>脆紅李林>雷竹林。其中，有效攔蓄量最大的柑橘林凋落物層可截留1.09 mm林內(nèi)降雨，而有效攔蓄量最小的雷竹林凋落物層只能截留0.14 mm的林內(nèi)降雨。

凋落物的有效攔蓄量主要受凋落物的蓄積量、自然含水率、最大持水率等因子的影響。線性回歸分析表明，本研究中凋落物的有效攔蓄量與其蓄積量和最大持水率呈顯著的線性相關(guān)，其模型分別為y=0.341x+0.929(R2=0.952 7)和y=14.707x+175.06(R2=0.801 5)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.976(P=0.004)和0.895(P=0.04)，而有效攔蓄量與自然含水率無(wú)顯著相關(guān)性。由此可見(jiàn)，凋落物蓄積量和最大持水率顯著影響其對(duì)降雨的有效攔蓄量。

4 結(jié)論與討論

(1)重慶地區(qū)5種經(jīng)濟(jì)林按凋落物蓄積量大小排序?yàn)楦涕倭?花椒林>核桃林>脆紅李林>雷竹林，這與柑橘的凋落物特點(diǎn)有關(guān)。柑橘的枝較其他幾種經(jīng)濟(jì)林植物粗壯，葉片也相對(duì)較大、較厚，使其干質(zhì)量明顯高于其他植物；此外，柑橘的凋落物含有不利于微生物定殖的物質(zhì)，影響微生物對(duì)凋落物的分解，導(dǎo)致較高的凋落物積累量。而其他幾種經(jīng)濟(jì)林凋落物的蓄積量較小可能與其凋落物的初始化學(xué)成分有關(guān)，許多研究表明，凋落物的初始化學(xué)成分對(duì)其分解有較大的影響。

(2)5種經(jīng)濟(jì)林凋落物經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的浸泡后，其最大持水量表現(xiàn)為柑橘林>花椒林>核桃林>脆紅李林>雷竹林，最大持水率表現(xiàn)為柑橘林>核桃林>脆紅李林>花椒林>雷竹林，最大吸水速率表現(xiàn)為核桃林>脆紅李林>柑橘林>花椒林>雷竹林。這表明重慶地區(qū)5種經(jīng)濟(jì)林中柑橘林凋落物的持水能力較強(qiáng)。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，凋落物的持水量與持水率均呈對(duì)數(shù)函數(shù)變化，而吸水速率則呈指數(shù)函數(shù)變化，且5種經(jīng)濟(jì)林的變化趨勢(shì)相同，說(shuō)明這種變化與林分類(lèi)型沒(méi)有顯著的關(guān)系。該結(jié)果與趙曉春等[5，9]的研究結(jié)果相同。

(3)5種經(jīng)濟(jì)林按凋落物的有效攔蓄量大小排序?yàn)楦涕倭?花椒林>核桃林>脆紅李林>雷竹林，凋落物的有效攔蓄量與其蓄積量和最大持水率呈顯著的線性相關(guān)。

(4)本研究?jī)H對(duì)經(jīng)濟(jì)林凋落物的持水性能方面做了研究，經(jīng)濟(jì)林木對(duì)降雨的直接攔蓄作用及其水土保持作用方面的研究尚需進(jìn)一步加強(qiáng)，以便更加全面地評(píng)價(jià)特定經(jīng)濟(jì)林的生態(tài)效益。