四种杉木人工林枯落物持水性研究

杨俊玲，王新杰

（北京林业大学 林学院 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室， 北京100083）

四种杉木人工林枯落物持水性研究

杨俊玲，王新杰

（北京林业大学 林学院 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室， 北京100083）

以福建省将乐国有林场四种杉木人工林（杉木纯林、杉木马尾松混交林、杉木毛竹混交林、杉木火力楠混交林，以下简称杉纯、杉马、杉毛、杉火）为研究对象采用野外实地观测调查与室内浸提法，对枯落物层持水性能进行研究。结果表明：（1）枯落物储量为杉纯31.248 t/hm2＞杉毛15.151 t/hm2＞杉火10.058 t/hm2＞杉马9.572 t/hm2；最大持水率为杉马196.62%＞杉毛196.28%＞杉纯163.62%＞杉火162.87%，最大持水量为杉纯27.93 t/hm2＞杉毛21.60 t/hm2＞杉马14.15 t/hm2＞杉火11.68 t/hm2，（2）各林分枯落物持水量和持水率随着浸泡时间增加均以对数函数形式增加，吸水速率随着浸泡时间均以幂函数形式减小；（3）四种林分枯落物有效拦蓄量为杉毛19.491 t/hm2＞杉纯16.846 t/hm2＞杉马14.673 t/hm2＞杉火9.178 t/hm2。

杉木人工林；混交林; 枯落物；持水量；持水率；吸水速率；有效拦蓄量

森林枯落物是指覆盖在林地矿质土壤表层上的新鲜、半分解的凋落物，它是森林植物地上部分各器官的枯死脱落物的总称。在森林生态系统中，枯落物层对林地土壤的水、肥、气、热有重要的影响，是实现森林涵养水源、保持水土作用的重要作用层，其持水性能是反映森林水文效应的一个重要指标[1]。长期以来中国南方林区主要以杉木Cunninghamia lanceolata、马尾松Pinus massoniana Lamb等作为主要造林树种。目前，在改良地力和涵养水源功能方面的研究，多集中于天然林[2-9]。由于不同林型下森林地表枯落物层的性质有区别[10-11]，因此对水源的涵养作用也有不同。本文通过对四种杉木人工林枯落物层持水性的研究，为制定合理的经营管理措施提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于福建省将乐县国有林场，地理坐标为东经 117°05′～ 117°40′，北纬 26°26′～ 27°04′，地处武夷山脉东南麓、金溪河畔，为低丘陵地带，平均海拔400～800 m，最高1 203 m，最低140 m。年平均气温18.7℃，年平均降雨量1 669 mm，年平均蒸发量1 204 mm，霜日72 d，无霜日287 d，气候温和，土层深厚，土壤肥沃，土壤以红壤为主，适宜培育以杉木、马尾松为主的用材林，混交林多为杉木与毛竹Ph.edulis(carr)h.de、火力楠Micheliamacclurel、樟树等树种构成。林下灌木主要有黄瑞木Cornus stolonifera var. Glaviamea、乌 药（Root of Combined Spicebush）、 毛 冬 青Ilexpubescens Hook.etArn等，草本主要有五节芒Miscanthus floridulu (Labnll.)Warb和蕨类等。

2 研究方法

2.1 标准地的选择

选择立地条件及年龄相似的四种杉木人工林（杉纯、杉马、杉毛、杉火力）分别设置3块面积为600 m2的标准地。

2.2 枯落物储量调查

在每块标准地四角机械布设1 m×1 m的小样方各2个，共8个小样方。测定枯落物厚度，然后分未分解层、半分解层、完全分解层收集小样方内的全部凋落物，调查各层鲜质量，并取样烘干（80℃）至恒质量，可计算枯落物单位面积储量和自然含水率。共调查4个类型12块标准地，96个小样方，取枯落物样本384个。

2.3 枯落物持水性实验

将烘干至恒重的样本分别取部分称重，然后装入网袋后分别浸入水中0.5、1、2、4、6、8、10、24 h后捞起并静置5 min至不滴水时称重，重复3次取平均值，用下列公式计算枯落物持水量、枯落物持水率[12]。

枯落物持水量(t/hm2) = 枯落物湿重- 枯落物干重；

枯落物持水率%= (枯落物持水量/ 枯落物干质量)*100；

枯落物有效拦蓄量（t/hm2）＝（0.85×最大持水率-自然含水率）*枯落物储量；

枯落物吸水速率=即时持水量/浸泡时间。

一般情况下，枯落物浸水24 h后的持水量可视为该枯落物的最大持水量，此时的持水率称为最大持水率[13]。

2.4 数据处理

采用SPSS18.0和Excel 2007对数据进行相关性分析和回归方程的显著性检验。

3 结果分析

3.1 四种类型杉木人工林枯落物储量

枯落物的蓄积量主要取决于枯落物的输入量、分解速度和累积年限，而森林的树种组成不同、林分所处的水热条件不同都对枯落物蓄积量有较大影响[14]。一般情况下，枯落物的现存量越多，其水源涵养功能越好[15]。

从表1可以看出，四种林型的枯落物储量为杉纯31.248 t/hm2＞杉毛15.151 t/hm2＞杉火10.058 t/hm2＞杉马9.572 t/hm2。不同林型的枯落物储量中半分解层所占比例最大，杉纯更高达45.78%，这与高人、周广柱等[16]的研究结果一致。

表1 四种类型杉木人工林枯落物储量Table 1 Litter storages of four types of C. lanceolata plantations

3.2 四种类型杉木人工林枯落物持水性

表2数据表明，四种林型的最大持水率为杉马196.62%＞杉毛196.28%＞杉纯林163.62%＞杉火162.87%，枯落物的持水率越大，枯落物的持水能力就越强[17]，因而杉木马尾松林和杉木毛竹林的枯落物层具有较强的持水能力。最大持水量为杉木纯林27.93 t/hm2＞杉木毛竹21.60 t/hm2＞杉木马尾松14.15 t/hm2＞杉木火力楠11.68 t/hm2，表明不同林型的枯落物持水量受林分枯落物的储量影响较大，为正相关规律[18]。本研究区各类型森林枯落物的最大持水率和持水量都是半分解层最大，由此可以看出枯落物的半分解层的持水能力最高[19-21]。

利用Excel（或SPSS），以对数式、多项式

表2 最大持水率和最大持水量Table 2 Maximum water-holding rate and total water-holding capacity

及幂函数对各林型枯落物持水率与浸泡时间建立回归方程，结果见表3，从中可以看出枯落物持水率与浸泡时间（0.5 h＜t＜24 h）呈极显著的对数函数关系（p＜0.001），相关系数R的平方均高于0.921。

表3 枯落物持水率与浸泡时间的回归方程Table 3 Equations of litters water-holding rate changed with soaking time

不同林分类型枯落物持水率与浸泡时间的变化关系有共性也有差异，如图1所示，为四种林分的枯落物持水率与浸泡时间的对数关系曲线，它们的共同点是浸泡前期持水率上升的速度较快快，4 h之后变缓，8 h后持水率基本不变，说明枯落物持水趋于饱和，符合前人研究的普遍规律[22]。不同林分的枯落物的持水率也存在明显的差异，表现为杉木毛竹＞杉木马尾松＞杉木纯林＞杉木火力楠。

由表4可以看出，枯落物持水量与浸泡时间（0.5 h＜t＜24 h）之间呈极显著的对数函数关系（p＜0.001），相关系数R的平方均大于0.945。

图1 枯落物持水率与浸泡时间的对数关系Fig.1 Logarithmic relations of litters water-holding rate and soaking time

表4 枯落物持水量与浸泡时间的回归方程Table 4 Equations of litters water-holding capacity and soaking time

不同林型的枯落物持水量有随浸泡时间增长的趋势，如图2，在浸泡0～4 h，各林型的枯落物持水量增长迅速，之后增长变缓， 8 h后，浸泡时间增加枯落物持水量变化幅度不大，此时，枯落物的持水基本饱和。不同林分枯落物的即时持水量有显著差异，表现为杉纯＞杉毛＞杉马＞杉火，顺序与最大持水量一致。

图2 枯落物持水量与浸泡时间的对数关系Fig.2 Logarithmic relations of litters water-holding capacity and soaking time

3.3 四种类型杉木人工林枯落物有效拦蓄量

在自然条件下，枯落物最大持水量并不等于其对降雨的有效调蓄量，因为部分水会透过孔隙渗入到土壤中。据雷瑞德[23]的研究，当降雨量达到20～30 mm以后，不论哪种植被类型，实际持水率约为最大持水率的85 %；因而采用有效拦蓄量来表示对降雨的实际拦蓄量。用下式求算：

W=(0.85*Rm-R0)*M。 （1）

式（1）中： W为有效拦蓄量，t/ hm²；Rm为最大持水率，% ；R0为平均自然含水率，% ；M为枯落物储量，t/ hm2。

表5 四种类型杉木人工林枯落物有效拦蓄量Table 5 Effective impoundment capacity of water by litters in four plantations

由上表可知，四种林型的枯落物有效拦蓄量的变化范围在9.178～19.491 t/hm2之间，其中杉毛最大，杉纯、杉马次之，杉火最小。表明除了最大持水率、枯落物储量，枯落物的自然含水率对其有效拦蓄量也有影响，所以调查时研究区枯落物的干燥程度、近期降雨情况都会对调查结果有显著影响[24]。

3.4 四种类型杉木人工林吸水速率

在对四种林分的枯落物吸水速率与浸泡时间用三种函数拟合回归方程中，发现枯落物吸水速率与浸泡时间（0.5 h＜t＜24 h）呈现极显著地乘幂函数关系（p＜0.001），且相关系数R的平方均大于0.996，见表6。

表6 枯落物吸水速率与浸泡时间的回归方程Table 6 Equations of litters water-absorption rate and soaking time

从图3可以看出，各林型枯落物初期吸水速率高，0.5h后吸水速率明显降低，此后随着时间增加，吸水速率缓慢变小，10h后基本不再吸水，此时枯落物吸水基本趋于饱和。虽然不同林型的枯落物吸水速率过程线的整体变化趋势基本一致，但各林型吸水速率大小不同：杉纯＞杉毛＞杉马＞杉火，与前人研究结果[25]一致。一般来说枯落物吸水速率越大，林内降水涵蓄的速度就越快，从而可以更好地减少地表径流[26]。

图3 枯落物吸水速率与浸泡时间的乘幂关系Fig.3 Water-absorption rate of litters changed logarithmically with soaking time

4 结论与讨论

(1) 四种林型枯落物储量为杉纯31.248 t/hm2＞杉毛15.151 t/hm2＞杉火10.058 t/hm2＞杉马9.572 t/hm2；最大持水率为杉马196.62%＞杉毛196.28%＞杉纯163.62%＞杉火162.87%，最大持水量为杉纯27.93 t/hm2＞杉毛21.60 t/hm2＞杉马14.15 t/hm2＞杉火 11.68 t/hm2。

(2) 四种林型枯落物持水量和持水率均随着浸泡时间增加以对数函数形式增加，最大持水率为杉马＞杉毛＞杉纯＞杉火；最大持水量大小依次为杉纯＞杉毛＞杉马＞杉火，总体来看，研究区内的杉木纯林和杉木毛竹混交林显示出较好的持水能力。吸水速率随着浸泡时间增加以幂函数形式减小，不同林分吸水速率为杉纯＞杉毛＞杉马＞杉火。

(3) 四种林型枯落物有效拦蓄量为杉毛19.491 t/hm2＞杉纯16.846 t/hm2＞杉马14.673 t/hm2＞杉火9.178 t/hm2。

对四种类型杉木人工林的研究表明：枯落物层持水性能因林分类型、枯落物构成和现储量不同而有差异，而林分类型、枯落物构成和现储量可以通过森林经营手段进行人为调控。杉木人工林是研究区主要林分类型，为研究区带来巨大地经济效应，同时我们也不能忽视其可能带来的生态效益。在营林过程中，我们可以通过调节林分密度、搞好树种搭配和林分结构配置等多种经营管理措施使其既有利于枯落物的积累，又有利于其良好性能组分的形成，在不降低其经济效益的同时将其涵养水源功能最大化，这将是我们今后森林经营及研究的重要方向。

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Study on water-holding properties of litter layer in four forest types of Cunninghamia lanceolata plantations

YANG Jun-ling, WANG Xin-jie
(College of Forestry of Key Laboratory for Silviculture and Conservation of Ministry of Education, Beijing Forestry University,Beijing 100083, China)

By using the methods of filed investigation and soaking extraction, the water-holding properties of litter layer of four plantation types (pure Cunninghamia lanceolata, mixed of C. lanceolata and Pinus massoniana, mixed of C. lanceolata and Phyllostachys edulis, mixed of C. lanceolata and Michelia macclurei) were investigated in Jiangle State-owned Forest Farm of Fujian province. The results show that (1) the litter storages of the four plantations ranked in magnitude order: pure C. lanceolata 31.248 t/hm2＞ the mixed of C. lanceolata and P. edulis 15.151 t/hm2＞ the mixed of C. lanceolata and M. macclurel 10.058 t/hm2＞ the mixed of C.lanceolata and P. massoniana 9.572 t/hm2; the maximum water retention rates the four plantations sequenced by magnitude: the mixed of C. lanceolata and P. massoniana 196.62% ＞ the mixed of C. lanceolata and P .edulis 196.28% ＞ pure C. lanceolata 163.62% ＞ the mixed of C. lanceolata and M. macclurel 162.87%; the total water-holding capacity of the four plantations ordered from big to small:pure C. lanceolata 27.93 t/hm2＞ the mixed of C. lanceolata and P. edulis 21.60 t/hm2＞ the mixed of C. lanceolata and P. massoniana 14.15 t/hm2＞ the mixed of C. lanceolata and M. macclurel 11.68 t/hm2. (2) the water-holding capacity and water-holding rate of the litters in four plantations increased in the form of logarithmic function with the increase of soaking time, the water-absorption rates of the litters decreased in the form of power function with the increase of soaking time. (3) the modified interception of the four plantations decreased ordered from high to low: the mixed of C. lanceolata and P. edulis 19.491 t/hm2＞ pure C. lanceolata 16.846 t/hm2＞ the mixed of C. lanceolata and P. massoniana 14.673 t/hm2＞ the mixed of C. lanceolata and M. macclurel 9.178 t/hm2.

Cunninghamia lanceolata plantation; mixed plantation; litters; water-holding capacity; water-holding rate; water-absorption rate; modified interception

S791.27

A

1673-923X(2013)06-0070-05

2012-12-04

林业公益性行业科研专项（201004008）

杨俊玲(1986-)，女，新疆人，硕士研究生，主要研究方向：森林资源监测与评价

王新杰(1970-)，男，河南人，副教授，主要研究方向：森林资源调查、监测及林业3S综合应用；E-mail: xinjiew@ bjfu.edu.cn

[本文编校：吴 彬]