天山云杉枯落物持水特性的空间异质性1)

范 静 刘 华

(安徽农业大学，合肥，230036)

白志强 臧润国 刘贵峰 郭仲军

(新疆林业科学院) (中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所) (内蒙古民族大学) (新疆林业科学院)

枯落物是指在生态系统内，由地上植物组分产生并归还到地表面，作为分解者的物质和能量来源，借以维持生态系统功能的所有有机质的总称［1］。作为森林生态系统中重要的结构层次，枯落物层在促进生态系统内物质循环［2］、养分平衡［3－4］、保持水土［5－6］、水源涵养［7］等方面具有重要作用，其持水能力是整个森林生态系统水分循环中的重要一环。它的持水性能体现在持水量、吸水速率、持水率等的大小，持水性能不仅与林地上枯落物的储量及其本身的持水能力有关，还与森林生态系统的树种组成［8－10］，林分发育［11］，坡度，坡向［12］，枯落物的组成、分解程度［13－14］等因子关系密切。其中，枯落物的储量主要取决于枯落物的输入量、分解速度和累积年限，而森林生态系统的种群结构及多样性［15－16］、功能类型［17］及其所处水热条件的差异都对枯落物储量有较大影响。有关枯落物水分特征研究表明，林下枯落物储量对其持水量有重大影响［18］;枯落物持水量可达到自身干质量的2 ～4 倍［1］。

天山 云 杉(Picea schrenkiana var. tianschanica(Rapi)Cheng et Fu)是新疆天山山地森林中分布最广、蓄积量最大的森林生态树种，对新疆的水源涵养、水土保持和林区生态系统的形成与维护起着主导作用。目前，对新疆天山云杉林分的研究涉及天山云杉种群的结构、动态、分布格局，针叶、球果大小性状的变化，林分因子、物种多样性和生物量等群落特征［19］，而对其林下枯落物持水特性的研究相对较少，仅见张洪亮等［20］研究的关于天山中部的4 种不同林分郁闭度状态下天山云杉枯落物层的持水特性。文中选择沿天山山脉由西至东5 个地点对天山云杉枯落物进行大尺度对比研究，分析其持水特性随立地条件的变化规律，旨在揭示天山云杉林水文生态功能，为天山林区实行天然林保护工程提供理论依据，也为当地天山云杉林经营管理提供技术支撑。

1 研究地概况

天山山系是亚洲中部最大山系之一，全长2 500 km，新疆境内天山东西长1 760 km，占天山全长的2/3，宽250 ～350 km，面积46.4 万km2。在新疆境内的天山，有若干平行山脉组成，一般较高的山峰达3 500 ～4 500 m，山结处高达5 000 m，最高峰在海拔7 000 m 以上。新疆天山山脉横贯新疆中部，把全疆分成南疆和北疆;在地形上为南高北低，西高东低;降水规律是北疆多于南疆，西部多于东部，北疆的降水为100 ～600 mm;年日照时间是从北向南略减，从西到东增加。天山云杉林主要分布在天山北坡1 400 ～2 800 m 的中山地带，且只生长在土壤湿度较大的阴坡和半阴坡，林下土壤有机质和全氮含量较高。文中研究地从西到东依次选择昭苏、新源、呼图壁、天池和奇台5 个地点，各地自然环境概况见表1。新源、呼图壁两地实际调查过程中由于遇到道路被冲毁无法到达其最高分布界限的区域，故两地调查的最高海拔分别为2 300、2 150 m。

表1 调查地概况

2 材料与方法

标准地选择:于2010年7—8月份，在昭苏、新源、呼图壁、天池和奇台5 个地点沿海拔每隔50 m设置一块20 m×20 m 的样地，5 个地点的样地数分别为19、13、10、19 和19 块，进行天山云杉的群落调查。测定每个样地所处的坡度、坡向、海拔、郁闭度等林分因子，记录树种名称、树高、地径、更新与死亡情况(包括枯立木、倾倒木、风折木)。

枯落物储量调查:将每块样地按5 m×5 m 划分16 个网格，在网格内依对角线分别在四角及中心区域设置1 m×1 m 的小样方测定枯落物厚度，每个小样方内枯落物按照未分解层(A)和半分解层(B)分两层收集，分层混合后装入密封袋中编号、称质量，由此可计算枯落物单位面积的储量。5 个地点A、B两层枯落物分别采集80 个样本。其中，未分解层枯落物指枝叶基本上保持原有的形状及质地;半分解层枯落物指枝叶未完全腐烂，肉眼还能分辨出枝叶的大体形状。

枯落物持水性能测定:取部分采集的枯落物在实验室烘干(80 ℃)至恒质量，用浸泡法测其持水性能。称取烘干后的枯落物样品70 g，放入自制的PVC 筛中，置于盛有清水的水池中，水面高于PVC筛的上沿。在分别浸泡2、4、6、8、10、12、24 h 后称质量，每次拿出后静置5 min 左右，直至PVC 筛及凋落物不滴水为止，迅速称枯落物的湿质量并记录数据，每个样品重复3 次，取其平均值，以研究其吸水速度及吸水过程。分别根据公式(1)、(2)和(3)计算枯落物在不同浸水时间的持水量、吸水速率和持水率的大小。

当枯落物含水量达到饱和时称最大持水量。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［10］，此时的持水率称为最大持水率。

3 结果与分析

3.1 天山云杉枯落物的储量

5 个地点天山云杉枯落物储量见表2。从表2中可以看出不同地点枯落物层总厚度变化于0.44 ～1.58 cm，且半分解层的厚度均大于未分解层的。处于最西部的昭苏林区天山云杉枯落物厚度要大于其他4 个地点的。从西到东5 个地点未分解层中枯落物储量占总储量的比例分别为48%、48%、51%、52%和51%，半分解层中枯落物储量占总储量的比例分别为52%、52%、49%、48%和49%。

5 个地点天山云杉枯落物总储量变化于(8.48±0.52)～(11.10 ±0.33)t·hm－2，其由大到小的排序为天池、奇台、昭苏、呼图壁、新源。在昭苏和新源林区天山云杉半分解层枯落物储量略高于未分解层的，在呼图壁、天池和奇台3 个林区天山云杉半分解层枯落物储量略低于未分解层的。其中，天山云杉未分解层枯落物储量在昭苏、新源及呼图壁3 地点间及在奇台和天池之间的差异均不显著(p ＞0.05)，但昭苏、新源及呼图壁3 地点均显著低于奇台和天池的(p ＜0.05);半分解层枯落物的储量昭苏、新源及呼图壁处差异不明显(p ＞0.05)，奇台与天池和昭苏与奇台处差异也不明显(p ＞0.05)，但奇台与天池和新源与呼图壁间有明显差异(p ＜0.05)。

表2 不同地点天山云杉枯落物厚度及储量

3.2 不同地点天山云杉林下枯落物持水量动态分析

枯落物的最大持水量决定于枯落物的质和量。不同林分枯落物层的最大持水量与枯落物的种类、厚度、储量、湿度及分解程度关系密切。经过24 h浸泡后，昭苏、新源、呼图壁、天池、奇台枯落物的最大持水量分别为(163. 49 ±3. 22)、(170. 15 ± 5.77)、(175.43 ±3.13)、(233.75 ±3.33)、(162.91 ±2.68)g。总持水量由大到小的排序为天池、呼图壁、新源、昭苏、奇台，其中天池地区枯落物的持水量明显大于其他地区(p ＜0.05)，奇台地区与呼图壁间有明显差异(p ＜0.05)，昭苏、新源和奇台地区间差异不显著(p ＞0.05)(表3)。

5 个地点天山云杉枯落物半分解层的持水量均大于未分解层的。在未分解层中，天池地区云杉枯落物未分解层的饱和持水量最大，为(96.46±1.61)g，显著高于其他4 个地点的(p ＜0.05);昭苏地区的最小，为(67.84±1.21)g，其由大到小排序为天池、呼图壁、新源、奇台、昭苏;其中昭苏与奇台之间、新源与呼图壁之间都没有明显差异(p ＞0.05)，但昭苏和奇台与新源和呼图壁间有显著差异(p ＜0.05)。半分解层的饱和持水量也是以天池林区的为最大，其值为(137.29±2.52)g，明显高于另外4 个地点的(p ＜0.05)，而另外4 个地点之间没有显著差异(p ＞0.05)。

5 个地点天山云杉枯落物未分解层及半分解层枯落物的持水量随时间延长呈增加的趋势，且在前2 h 内吸水量增加较快;随后吸水速率逐渐减小，在浸泡12 h 左右接近饱和，即12 h 后，随着浸泡时间的增加，其持水量大小基本不增加。5 个地点的天山云杉枯落物持水量(Q)与浸泡时间(t)进行回归分析发现二者存在对数函数关系:Q=kln(t)+p(其中k，p 为拟合方程参数)，且均达到极显著差异水平(p ＜0.01)。

表3 不同地点天山云杉林下枯落物持水量

3.3 不同地点天山云杉林下枯落物吸水速率动态分析

将不同地点云杉枯落物不同浸泡时间的持水量除以相应的浸泡时间，即为不同地点云杉枯落物的吸水速率测定值。5 个地点天山云杉枯落物吸水速率与浸泡时间的变化趋势见图1，天山云杉枯落物的未分解层和半分解层的吸水速率均随着浸泡时间的增加呈递减的趋势，前2 h 吸水速率最大，之后急剧降低，12 h 基本趋于稳定。且每个地点天山云杉枯落物半分解层的吸水速率大于未分解层的。不同地点枯落物吸水速率(Y)与浸泡时间(t)进行回归分析表明，二者之间存在幂函数关系为Y=ktn(其中k，n 为拟合方程参数)。

图1 天山云杉枯落物吸水速率与浸泡时间的关系

3.4 不同地点天山云杉林下枯落物持水率动态测定

枯落物的持水率是其持水能力的一个重要方面，用枯落物吸收的水分与其干质量的比值来表示，该值越大，枯落物的持水能力就越强［21］。从表4中可以看出，半分解层枯落物持水率均大于未分解层枯落物持水率。对最大持水率进行方差分析，得到未分解层中奇台、昭苏、天池3 个地点枯落物持水率差异性不明显(p ＞0.05)，同时新源、呼图壁地区也没有明显差异(p ＞0.05)，但奇台、昭苏和天池地区与新源和呼图壁地区有显著差异(p ﹤0.05)。半分解层中奇台、新源、昭苏、呼图壁4 个地点枯落物持水率差异不明显(p ＞0.05)，同时新源、昭苏、呼图壁、天池差异性也不明显(p ＞0.05)，但奇台与天池地区有明显差异(p ﹤0.05)。未分解层枯落物持水率由大到小的顺序为呼图壁、新源、天池、奇台、昭苏。半分解层枯落物持水率由大到小的顺序为天池、呼图壁、昭苏、新源、奇台。平均持水率由大到小的顺序为呼图壁(170.83%)、新源(163.62%)、天池(163.19%)、昭苏(158.16%)、奇台(154.65%)。

表4 不同地点枯落物最大、平均持水率

5 个地点枯落物持水率与浸泡时间的关系见图2，从图2中可以明显看出，持水率随浸泡时间的增加呈现递增趋势。对5 个地点的天山云杉枯落物持水率(S)与浸泡时间(t)进行回归分析，发现二者存在对数函数关系:S=kln(t)+p(其中k，p 为拟合方程参数)，且均达到极显著水平(p ＜0.01)。

图2 天山云杉枯落物持水率与浸泡时间的关系

4 结论与讨论

枯落物单位面积储量呈现东部地区(天池、奇台)＞中部地区(呼图壁)＞西部地区(昭苏、新源)的规律，根据枯落物分解过程的影响因素来分析，由于试验所选5 个地点不同样地的天山云杉林分郁闭度及表层土壤温度基本一致，则这种变化规律与降水量从东到西逐渐增加的关系密切，降水量大的地区枯落物分解速度就会加快。从组成来看，从西到东未分解层储量所占比例呈现增加的趋势，西部地区未分解层小于半分解层，东部是未分解层大于半分解层。

各枯落物层的储量和持水性能共同决定枯落物持水能力。持水量的大小和质量大小存在正相关的关系，吸收的水分与枯落物干质量的比值越大，枯落物的持水率越大，持水能力就越强。储量越多，持水量越大则持水能力越强。5 个地点天山云杉枯落物的总持水量由大到小的排序为天池、呼图壁、新源、昭苏、奇台，其中天池地区的总持水量与其他4 个地区存在明显差异(p ＜0.05);每一地点天山云杉枯落物半分解层的持水量均大于未分解层的。持水量与浸水时间存在对数关系:Q =kln(t)+p。这与张峰等［9］的研究结果，即针叶类型枯落物未分解层的持水量大于半分解层的不同，枯落物储量的大小与林分结构及其所处的环境存在很大的关系，所以对于不同地区林分枯落物未分解层及半分解层枯落物持水量大小的确定，不能一概而论，而应该根据当地的实际情况进行分析研究。

天山云杉枯落物吸水速率与浸泡时间存在幂函数关系:Y=ktn。枯落物未分解层及半分解层吸水速率随时间均呈递减趋势，且不同地点枯落物半分解层吸水速率大于未分解层。也有研究表明，枯落物吸水速率与浸泡时间的关系呈反函数关系:y =p+kt－1［14］。不同地点天山云杉枯落物持水率与浸水时间存在对数关系:S=kln(t)+p，随着浸泡时间的增加枯落物持水率呈递增趋势，且半分解层均大于未分解层，枯落物持水率由大到小的顺序为呼图壁(170.83%)、新源(163.62%)、天池(163.19%)、昭苏(158.16%)、奇台(154.65%)。

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