杉木不同生长阶段凋落物持水性与养分储量1)

2015-03-07张鹏王新杰衣晓丹杨俊玲高志雄卢妮妮张艳

东北林业大学学报 2015年10期

张鹏王新杰衣晓丹杨俊玲高志雄卢妮妮张艳

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

责任编辑:潘华。

森林中地上植被枯死后脱落覆盖在林地土壤表层，形成森林凋落物层。作为一个既有输出又有输入、连接森林地上植被层和地下土壤层的独特结构层次，凋落物不仅在元素循环、调节土壤营养元素方面扮演重要角色，在维持森林水量平衡方面也起着重大作用。一方面由于森林凋落物结构疏松，能够削弱雨滴对林地的溅蚀［1］，阻滞并吸收一部分通过林冠层降落在地表的水分;另一方面森林凋落物覆盖在地表，增大了地表的粗糙度［2-4］，大大减弱了地表径流［5-7］。刘广全等［8］研究秦岭主要林分调落物的水文生态功能，结果表明:锐齿林、油松林和华山松林凋落物层降水截留量分别为38、47 和49 mm，分别占大气降水总量的3.8%、4.6%和5.0%。由此可见，森林凋落物层对于保持森林土壤、涵养水源具有重要作用［9］。

凋落物分解是林地土壤肥力的主要来源［10］，大部分生态系统中植物所吸收的养分90%以上的氮和磷和60%以上的矿质元素都来自植物凋落残体储存给土壤的养分在循环［11-12］。全氮磷钾几乎都是来源于凋落物的分解。吴蔚东等的研究结果表明，杉木人工林凋落物层中所含的全氮、磷、钾养分的质量随着杉木树龄的增加而增加［13］。鉴于杉木凋落物对地表径流和养分归还的重要作用，本研究针对杉木不同生长阶段的凋落物持水性和养分归还量进行分析。

1 研究区概况

研究地点位于福建省将乐国有林场，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，为闽西北低丘陵地带，海拔高度在400～800 m。年平均气温18.7 ℃，年平均降水量1 669 mm，年平均蒸发量1 204 mm，无霜日287 d，气候温和，土层深厚，土壤肥沃，以红壤为主，并分布有黄红壤，适宜培育以杉木、马尾松为主的用材林和乡土珍贵树种。

2 材料与方法

本研究在将乐国有林场，选择海拔、坡向基本一致的杉木人工纯林，按照幼龄林(＜10 a)、中龄林(11～20 a)、近熟林(21～25 a)、成熟林(26～35 a)、过熟林(＞35 a)5 个生长阶段，分别设置样地3 块，样地面积为0.06 hm2，样地信息见表1。在每块标准地四角及中心位置，机械布设1 m×1 m 的小样方5 个，测定凋落物厚度。然后分别未分解层、半分解层、完全分解层收集小样方内的全部凋落物，调查凋落物鲜质量，取部分带回实验室烘干(85 ℃)至恒质量，称其干质量计算凋落物自然含水率。将其中部分烘干凋落物用粉碎机进行粉碎，称取0.8 g 用浓硫酸—高氯酸消煮，把消煮液用水全部洗入50 mL的容量瓶，定容到标度，供氮、磷、钾元素的测定。

表1 杉木样地基本概况

凋落物储量:将每块标准地中设置5 个小样方，测定凋落物厚度。然后分别未分解层、半分解层、完全分解层收集小样方内的全部凋落物，并且称取凋落物鲜质量，取部分带回实验室烘干(85 ℃)至恒质量，称其干质量计算凋落物现存量。

凋落物持水性:将烘干至恒质量的样本分别取部分称其质量，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 至不滴水时称其质量，重复3 次取平均值，用下列公式计算凋落物持水量、凋落物持水率［14］。

凋落物持水量=凋落物湿质量-凋落物干质量;

凋落物持水率= (凋落物持水量/凋落物干质量)×100%;

凋落物有效拦蓄量=(0.85 ×最大持水率-自然含水率)×凋落物储量。

一般情况下，凋落物浸水24 h 后的持水量可视为该凋落物的最大持水量，此时的持水率称为最大持水率［15］。

营养元素分析方法:将带回实验室的部分烘干凋落物用粉碎机进行粉碎，称取0.8 g 用浓硫酸—高氯酸消煮，把消煮液用水全部洗入50 mL 的容量瓶，定容到标度，分别采用凯式法测定全氮，钼锑抗比色法测全磷，火焰光度计法测全钾［16］。

3 结果与分析

3.1 杉木不同生长阶段凋落物储量

凋落物储量因林分的生长阶段和生长状态的不同而不同，本研究分析杉木人工林在不同生长阶段凋落物的储存量，从表2可以看出，幼龄林储量最少，仅为4.38 t/hm2，成熟林储量最多，达到了31.73 t/hm2，凋落物总量在林木过熟之前表现为随着林龄的增加而增加，到了过熟林，储存量有了明显的减少，仅为18.91 t/hm2。通过方差分析，幼龄林阶段凋落物储量显著低于其他各阶段，主要原因是该幼龄林林分在调查前期，进行过整地松土等抚育措施，且该林分郁闭度大，光照条件差，林下几乎没有植被，故凋落物明显小于其他各阶段。

不同生长阶段的杉木人工林凋落物不同分解层次所占比例也不同，从表2可以看出，幼龄林的未分解层所占比例最大，占到了73.5%，完全分解层只占4.4%，其主要原因是该幼龄林林下植被较少，凋落物主要是杉木落枝和落叶，杉木枝叶分解速度慢，因此，凋落物中未分解层所占比例大;中龄林，近熟林以及成熟林中，林分密度适宜，林下植被增加，特别是蕨类以及禾本科等叶多、易分解的草本植物的增加，以及光照条件的改善，大大的增加了凋落物中半分解层和全分解层的比例。

表2 不同生长阶段凋落物各层储量

3.2 杉木不同生长阶段凋落物持水性

杉木不同生长阶段凋落物持水量:根据前人研究，凋落物持水量与浸泡时间呈现较强的相关性，本研究运用对数函数(式1)对不同生长阶段凋落物持水量与浸泡时间建立回归方程，结果见表3，从中可以看出凋落物持水量与浸泡时间(0.5 h ＜t ＜24 h)呈极显著的对数函数关系。

式中:Q 为凋落物持水量，a 为方程系数，t 为浸泡时间，b 为常数项。

表3 凋落物持水量与浸泡时间的模型参数

表4 不同生长阶段的凋落物持水量随浸泡时间的变化

从表4可以看出，不同生长阶段的杉木人工林凋落物持水量随浸泡时间增长而增加，在浸泡的前4～5 h，各生长阶段的凋落物持水量增长迅速，之后增长变缓，8～10 h 之后，凋落物持水量变化幅度不大，此时，凋落物的持水基本饱和。这种变化规律与凋落物对地表径流的拦蓄原理相一致:降雨前期，凋落物对地表径流的拦蓄作用较强，之后随着凋落物含水量的增加，其对降水的吸收拦蓄能力下降。

从表4可以看出，在凋落物浸水的整个过程中，即时持水量由大到小顺序表现为成熟林、近熟林、中龄林、过熟林、幼龄林，这与凋落物储量排序一致，即凋落物的持水量与凋落物储量相关。

杉木不同生长阶段凋落物最大持水率:由于不同生长阶段杉木人工林凋落物的组成、分解程度不相同，其凋落物最大持水率也不相同，从表5可以看出，杉木生长的各阶段的最大持水率变化差异不是很大，并且变现为随着林龄的增加而减小，过熟林的最大持水率最小，为159.50%。幼龄林的最大持水率达到了200.83%，幼龄林凋落物储量少且基本都处于未分解状态，其值偏大，可能主要是由于幼龄林的自然凋落物数量少，经过浸水试验时，水分对实验的误差较大所导致的。持水率越大，凋落物的持水能力越强，幼龄林和中龄林的凋落物层具有较强的持水能力。通过比较不同分层下的持水率，各个生长阶段下森林凋落物的最大持水率都是半分解层最大，由此可以看出杉木人工林凋落物处于半分解状态时的持水能力最高［17］。

表5 不同生长阶段凋落物最大持水率 %

3.3 杉木不同生长阶段凋落物有效拦蓄量

在自然条件下，凋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［18］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。

表6 不同生长阶段凋落物有效拦蓄量

从表6可以得出，不同生长阶段的杉木人工林凋落物有效拦蓄量，其变化范围为4.40～14.33 t/hm2，成熟林有效拦蓄量最大，方差分析显示，中龄林、近熟林和成熟林差异不显著，幼龄林和其他各生长阶段差异显著，过熟林和成熟林差异显著。

3.4 杉木不同生长阶段凋落物养分含量和归还量

全氮质量分数及归还量:氮在植物营养中占突出地位，是植物体内许多重要物质的组成成分，被称为生命元素［19］。从表7可以看出，在未分解层，幼龄林和近熟林的全氮质量分数差异不显著，并且显著高于中龄林、成熟林和过熟林;在半分解层，各生长阶段的全氮质量分数差异不大;在全分解层，幼龄林的全氮质量分数显著低于其他几个生长阶段的;就平均含氮量来说，幼龄林的全氮质量分数低于其他几个生长阶段，近熟林的质量分数明显高于其他几个生长阶段，并且在生长阶段表现为升高—降低—升高的规律，在近熟林达到最大值。这与衣晓丹［20］研究的福建杉木土壤氮素的质量分数在生长阶段降低—升高—降低的规律是相对应的。

通过计算，氮素的归还量随着龄组的变化规律为成熟林(310.91 kg/hm2)＞近熟林(308.34 kg/hm2)＞中龄林(259.94 kg/hm2)＞过熟林(191.94 kg/hm2)＞幼龄林(36.09 kg/hm2)，成熟林的氮素归还量最大(表7)，因此，在杉木的采伐利用中，为了氮素的更好的归还，适宜在成熟龄期间采伐利用。

表7 不同生长阶段全氮质量分数

全磷质量分数及归还量:从表8可以看出，在未分解层，中龄林和近熟林的全磷质量分数差异不显著，并且显著低于于幼龄林、成熟林和过熟林;在半分解层，中龄林和过熟林的全氮含量明显高于其他几个生长阶段;在全分解层，幼龄林的全磷质量分数显著低于其他几个生长阶段的，近熟林的全磷质量分数显著高于其他几个生长阶段的;就平均含磷量来说，幼龄林、中龄林和近熟林的质量分数差异不显著，且低于成熟林和过熟林。

通过计算，磷素的归还量随着龄组的变化规律为成熟林(17.80 kg/hm2)＞近熟林(11.47 kg/hm2)＞过熟林(10.97 kg/hm2)＞中龄林(8.55 kg/hm2)＞幼龄林(1.49 kg/hm2)，幼龄林的磷素归还量最小，成熟林的归还量最大，因此，在杉木的采伐利用中，为了磷素的更好的归还，适宜在成熟龄期间采伐利用。

表8 不同生长阶段全磷质量分数

全钾质量分数及归还量:从表9可以看出，在未分解层，近熟林和成熟林的全钾质量分数差异不显著，并且显著低于幼龄林、中龄林和过熟林;在半分解层，各生长阶段的全钾质量分数差异不大;在全分解层，幼龄林的全钾质量分数显著低于其他几个生长阶段的;就平均含钾量来说，幼龄林的质量分数低于其他几个生长阶段。

通过计算，钾素的归还量随着龄组的变化规律为成熟林(203.46 kg/hm2)＞近熟林(172.08 kg/hm2)＞中龄林(157.33 kg/hm2)＞过熟林(123.67 kg/hm2)＞幼龄林(22.03 kg/hm2)，幼龄林的钾素归还量最小，成熟林的归还量最大，因此，在杉木的采伐利用中，为了钾素的更好的归还，为了保持土壤的肥力，适宜在成熟龄期间采伐利用。

表9 不同生长阶段全钾质量分数

4 结论与讨论

凋落物在调节土壤营养元素方面和维持森林水量平衡方面起着重要作用。不同生长阶段的杉木人工林凋落物总储量在4.38～31.73 t/hm2之间，在不同生长阶段由大到小表现为成熟林、近熟林、中龄林、过熟林、幼龄林，从幼龄林到成熟林呈现增加趋势，在成熟林阶段凋落物总储量达到最大值，随后在过熟林阶段储量开始下降。由于林分生长过程中会采取一定的经营措施，如间伐等，其强度和时间等因素都会影响到凋落物现存量和养分归还量，本研究所选取实验地都是林场经过常规抚育以后5 a 左右的，抚育强度和时间基本是处于同一水平，因此其对凋落物现存量和归还量的影响可以忽略。运用对数函数关系对不同生长阶段凋落物的持水量与浸泡时间建立回归方程，结果得出凋落物持水量与浸泡时间(0.5 h ＜t ＜24 h)呈极显著的。不同生长阶段的杉木人工林凋落物最大持水率范围在159.50%～200.33%，基本表现为随着林龄的递增而减小，依次为幼龄林、中龄林、成熟林、近熟林、过熟林，其中幼龄林的最大持水率最大，幼龄林凋落物储量少且基本都处于未分解状态，其值偏大，可能主要是由于幼龄林的自然凋落物储量少，经过浸水实验时，少量的误差水分对实验有较大影响。不同生长阶段的杉木人工林凋落物有效拦蓄量，其变化范围为4.40～14.33 t/hm2，成熟林的有效拦蓄量最大，对于调节森林水量，减弱地表径流发挥重大作用。氮素是植物体内许多重要物质的组成成分，杉木人工林凋落物中全氮质量分数在生长阶段表现为升高—降低—升高的规律，在近熟林达到最大值。氮素的归还量变化规律为成熟林(310.91 kg/hm2)＞近熟林(308.34 kg/hm2)＞中龄林(259.94 kg/hm2)＞过熟林(191.94 kg/hm2)＞幼龄林(36.09 kg/hm2)，成熟林的氮素归还量最大。不同生长阶段的杉木人工林凋落物全磷质量分数来说，幼龄林、中龄林和近熟林的含量差异不显著，且低于成熟林和过熟林。磷素的归还量的规律为成熟林(17.80 kg/hm2)＞近熟林(11.47 kg/hm2)＞过熟林(10.97 kg/hm2)＞中龄林(8.55 kg/hm2)＞幼龄林(1.49 kg/hm2)，幼龄林的磷素归还量最小，成熟林的归还量最大。不同生长阶段的杉木人工林凋落物全钾质量分数来说，幼龄林的含量低于其他几个生长阶段。钾素归还量的规律为成熟林(203.46 kg/hm2)＞近熟林(172.08 kg/hm2)＞中龄林(157.33 kg/hm2)＞过熟林(123.67 kg/hm2)＞幼龄林(22.03 kg/hm2)，幼龄林的钾素归还量最小，成熟林的归还量最大。

综上所述，不同生长阶段的杉木人工林凋落物中，幼龄林凋落物储量小、持水量小、吸水速率低，持水能力最弱，成熟林凋落物层具有储量大、持水量大、吸水速率强等特点，具有最强的森林持水功能，因此，杉木成熟林凋落物对于调节森林水量，减弱地表径流发挥最大作用。不同生长阶段的杉木人工林凋落物中，全氮、全磷和全钾的归还量都是在成熟林期间达到最大，因此，为了使凋落物中养分含量充分回归到土壤中，保持土壤的肥力，杉木人工林的釆伐期应该在成熟林期间。综合杉木不同生长阶段凋落物持水性及养分归还的分析，杉木人工林的适宜釆伐期在成熟林期间，即26～35 a。

［1］赵鸿雁，吴钦孝，刘国彬，等，黄土高原森林植被水土保持机理研究［J］.林业科学，2001，37(5):140-144.

［2］赵鸿雁，吴钦孝，刘国彬，等，黄土高原人工油松林枯枝落叶层的水土保持功能研究［J］.林业科学，2003，39(1):168-172.

［3］张洪江，解明曙.长江三峡地区花岗岩坡面土壤水分入渗特性初步研究［J］.北京林业大学学报，1994，16(S3):80-88.

［4］宋轩，李树人，姜凤岐，等.长江中游栓皮栎林水文生态效益研究［J］.水土保持学报，2001，15(2):76-79.

［5］陈开伍.杉木毛竹混交林水源涵养功能的研究［J］.福建林学院学报，2000，20(3):258-261.

［6］陈奇伯，张洪江，解明曙.森林凋落物及其苔藓层阻延径流速度研究［J］.北京林业大学学报，1996，18(1):1-5.

［7］何常淸，于澎涛，管伟，等.华北落叶松枯落物覆盖对地表径流的拦阻效应［J］.林业科学研究，2006，19(5):595-599.

［8］刘广全，倪文进，刘慧芳，等，秦岭南坡锐齿栎林的生态环境及其营养积累［J］.应用生态学报，2002，13(5):513-518.

［9］吴钦孝，刘向东，苏宁虎，等.山杨次生林枯枝落叶蓄积量及其水文作用［J］.水土保持学报，1992，6(1):71-76.

［10］冯宗炜，陈楚莹，王开平，等.亚热带杉木纯林生态系统中营养元素的积累、分配和循环的研究［J］.植物生态学与地植物学丛刊，1985，9(4):245-256.

［11］许晓静，张凯，刘波，等.森林凋落物分解研究进展［J］.中国水土保持科学，2007，5(4):108-114.

［12］ Chapin F S.Principles of Terrestrial Ecosystem Ecology［M］.New York:Springer Verlag，2002.