北部湾经济区枯落物及其林下土壤持水能力研究

曾丹娟, 徐广平, 黄玉清, 莫 凌, 张中峰, 何成新, 李先琨

(广西喀斯特植物保育与恢复生态学重点实验室 广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所， 广西 桂林 541006)



北部湾经济区枯落物及其林下土壤持水能力研究

曾丹娟, 徐广平, 黄玉清, 莫 凌, 张中峰, 何成新, 李先琨

(广西喀斯特植物保育与恢复生态学重点实验室 广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所， 广西 桂林 541006)

通过对北部湾经济区5个典型生态系统的枯落物和土壤持水性能进行的研究，结果表明:枯落物累积量为防城港>十万山>大明山>药用植物园>金花茶保护区；最大持水率为药用植物园>大明山>金花茶保护区>十万山>防城港;最大持水量为大明山>十万山>金花茶保护区>药用植物园>防城港；0—20 cm土壤的总孔隙度和毛管孔隙度是大明山>十万山>药用植物园>金花茶保护区>防城港，大明山的毛管持水量和最大持水量都最大，分别达到了882.6，954.9 g/kg，防城港最低，只有231.3，269.0 g/kg。

北部湾经济区; 枯落物; 持水性能; 土壤物理性质

森林枯落物层是森林生态系统的重要组成部分，是森林水文效应的第二个层次,它通过对地表的覆盖，一方面消弱雨滴对土壤的直接溅击，另一方面吸收一部分降水，减少了到达土壤表面的降水量[1-3]；枯落物层结构疏松，具有良好的透气性和持水能力，而且增加了地表的粗糙度和径流阻力，减缓了地表径流速度，从而明显地降低了径流侵蚀力[4-6]。因此枯落物层在森林涵养水源和水土保持过程中发挥着十分重要的作用。而森林枯落物层厚度、累积量及其持水性能与森林水土保持和涵养水源功能有着紧密联系，通过对森林凋落物厚度、累积量和持水性能的研究，将有助于对森林水土保持和涵养水源机理的深入认识，也有利于水源涵养林和水土保持林的可持续经营管理。国内外许多学者在不同区域对多种森林类型下的枯落物特性作了研究，在枯落物的凋落量、凋落动态、分解速率、截持降水、影响地表径流和土壤侵蚀机理等方面都取得了一定成果[7-13]，但对北部湾经济区不同林分枯落物水文生态功能的研究甚少。本文主要针对北部湾经济区5个典型生态系统的枯落物层蓄积量、持水能力以及枯落物覆被下的表层土壤物理性质进行了定量研究分析，对枯落物水文效应的研究具有重要意义，以期为该区域森林涵养水源的功能评价提供理论基础和科学依据。

1　研究区概述

大明山地理位置为23°10′—23°38′N，108°18′—108°45′E。年平均温度为14～19℃，最低温度为-8℃。年平均降水量2 511.0 mm，丰水年达2 827.4 mm。生长着以银荷木(Schimaargentea)、甜槠(Castanopsiseyrei)、米椎(Castanopsiscarlesii)、罗浮栲(Castanopsisfabri)、华南石栎(Lithocarpusfenestratus)和栲树(Castanopsisfargesii)为主要群落的常绿阔叶林[14]。

防城港西湾地处21°31′00″—21°37′30″N，108°00′30″—108°19′30″E，属南亚热带海洋季风气候，年平均气温22.5℃，极端最高气温37.8℃，极端最低气温1.8℃，年平均降雨量2 220.5 mm[15]。

广西防城金花茶国家级自然保护区地理坐标是108°07′04″—108°07′25″E 和21°45′04″—21°45′15″N，地处十万大山的蓝山支脉，属北热带季风气候区，总面积9 195.1 hm2，年日照时数为1 525 h，年均气温21.9℃，年均降雨量2 900 mm 以上，生长着以热带季雨林为主的地带性植被[16]。

十万大山国家级自然保护区位于桂西南，地理座标为107°29′59″—108°13′11″E，21°40′03″—22°04′18″N，总面积58 277 hm2。十万大山处于中国东部北热带季风区，气候温暖，保护区年均气温21.1～21.8℃，极端最高温9.1℃，最低温-1.9℃，年均气温在20.0～21.8℃，最冷月(1月)均温12.5～13.1℃，最热月(7月)均温28.0～28.2℃，≥0℃活动积温达7 700～7 900℃，热量在东南坡稍高于西北坡。由于主山脉呈东西走向，东南坡面向海洋，迎临海上东南季风，雨量尤为丰富，是广西雨量最集中的区域，多年平均降水量2 000～2 700 mm[17]。

广西药用植物园地处首府南宁，园内种植有几千种珍贵药用植物。由于为人工种植与管护，人为干扰较大。样地概况如下(表1)。

表1　研究样地概况

2　研究方法

2011年1月在广西药用植物园(以下简称药用园)，防城港西湾(以下简称防城港)，金花茶上岳保护站(以下简称金花茶)，十万山平龙山保护站(以下简称十万山)，大明山舞台历山(以下简称大明山)5个典型生态系统中各设置面积为1 m×1 m的样方6个,调查凋落物鲜重,并各取部分凋落物测定含水率。各采样地点的样方凋落物鲜干重见表2。另取各样方的部分凋落物装入网袋后分别浸入水中0.5，1，1.5，2，4，6，8，10，13，24 h后,捞起并静置到凋落物不滴水时称重,做3个重复。

土壤物理性质的测定:采用环刀法,于2011年1月在标准地内挖掘土壤剖面,用环刀按照土层0—20,20—40,40—60 cm分层取样,每个组合重复3次,用烘干法和浸水法测定土壤的自然含水量、土壤的各项物理性状和持水性能指标。

3　结果与分析

3.1凋落物储量

5个典型生态系统的凋落物储量各不相同(表2)。大明山的凋落物的鲜重最大，达15.21×103kg/hm2,其它4个采样地点的顺序为防城港>十万山>药用园>金花茶。而5个采样地点的凋落物的干重顺序为防城港>十万山>大明山>药用园>金花茶。同时大明山的凋落物自然含水率最高，达49.17%。

表2　凋落物厚度及储量

3.2凋落物持水量

在浸泡不同时间后，采样点的凋落物持水量均呈现大明山>十万山>金花茶>药用园>防城港，在浸泡0.5～4.0 h内,各点的凋落物持水量增长较为迅速.此后,随着浸泡时间的增加,凋落物持水量增长缓慢,浸泡8～10 h时,其持水量接近饱和,即8～10 h后增加浸泡时间,其持水量变化很小(图1).大明山的凋落物最大持水量在各点中居首位,达8.6×103kg/hm2,防城港的凋落物最大持水量最小为3.81×103kg/hm2。

图1　凋落物持水量与浸泡时间的关系

采样地点方程Rp防城港y=0．4058lnt+2．30220．9165<0．001金花茶y=0．7970lnt+4．05780．9661<0．001大明山y=0．5433lnt+6．88860．9786<0．001药用园y=0．5957lnt+4．12620．9725<0．001十万山y=0．8203lnt+4．88040．9725<0．001

凋落物持水量(WH)与浸泡时间(t)的关系按照对数方程变化.各点不同浸泡时间的凋落物持水量理论值与实测结果相近,相关系数R>0.91,达到显著相关水平(p<0.001,表3)。

3.3凋落物持水率

凋落物的持水率用凋落物吸收的水分与凋落物干质量的比值来表示,该值越大,凋落物的持水能力就越强.在浸泡不同时间后,各点的凋落物持水率均呈现药用园>大明山>金花茶>十万山>防城港(图2).浸泡时间在0.5～6 h时,各点的凋落物持水率随着浸泡时间的增长而迅速增长,此后增长较为缓慢,浸泡时间达13 h时,持水率趋于饱和.药用园、大明山、金花茶、十万山和防城港的凋落物最大持水率分别为174.97%，162.09%，159.9%，159.81%和118.24%,药用园的凋落物显示了较强的持水能力。

凋落物持水率(WR)与浸泡时间(t)可以用对数方程模拟.各点不同浸泡时间的凋落物持水率理论值与实测结果的相关系数R>0.91,二者关系达到极显著相关水平(p<0.001,表4)。

图2　凋落物持水率与浸泡时间的关系

3.4凋落物吸水速率

浸泡时间在0.5～4.0 h时,各点凋落物的吸水速率随浸泡时间的增长急剧下降,此后缓慢下降(图3).药用园的凋落物在浸泡不同时间后,其吸水速率均居首位,防城港的凋落物吸水速率最小.浸泡0.5 h时,药用园、大明山、金花茶、十万山和防城港的凋落物的吸水速率分别为2 228.31，1 900.15，1 813.21，1 759.95，1 169.4 g/(kg·h),浸泡24 h后分别下降到54.49，51.04，53.41，47.51，42.5 g/(kg·h),其中,浸泡4 h时,吸水速率分别下降了85.2%，86.5%，85.1%，84.2%和83.1%.由图3可知,5种采样地凋落物的吸水速率相差不是很大。

图3　凋落物吸水速率与浸泡时间的关系

凋落物吸水速率与浸泡时间的关系可以用乘幂方程模拟.用乘幂方程得出的凋落物吸水速率理论值与实测结果的相关系数R>0.993,二者极显著相关(p<0.001,表5)。

3.5土壤物理性状和持水性能

土壤的物理性状指土层厚度、土壤容重及土壤孔隙度等指标，土壤的物理性状直接影响到土壤的持水性能、保水能力等，从表6中可见，不同地点土壤的物理性状具有一定的差异，表层土壤容重是药用园最大，最小的是十万山；而土壤的总孔隙度、毛管孔隙度是大明山>十万山>药用园>金花茶>防城港；非毛管孔隙度以药用园最大4.2%，金花茶最小1.2%，由此可知，在改善土壤物理性质方面的潜力由大到小药用园>防城港>十万山>大明山>金花茶。原因主要是，枯落物种类不同，导致分解程度和对土壤的影响不同，另外，人为因素的影响也不尽相同。

从土壤的持水性能看，无论是最小持水量还是最大持水量都以大明山最大，分别达到了882.6,954.9 g/kg，防城港最低，只有231.3,269.0 g/kg。原因主要是枯落物种类的不同。

总体来说，大明山土壤的最大持水量达到了954.9 g/kg，因此只要有足够的时间让水分渗入土壤，一般的降雨量土壤都可以完全吸收，不会形成地表径流。

表6　不同地点土壤的物理性状及持水性能

4　结 论

(1) 5个典型生态系统森林凋落物的厚度在1.6～4.2 cm，现存量烘干重在4.81～9.26 t/hm2，具有防城港>十万山>大明山>药用园>金花茶的规律。各采样点凋落物的最大持水量介于3.81～8.60 t/hm2，表现为大明山>十万山>金花茶>药用园>防城港。

(2) 凋落物持水率与时间存在对数曲线关系,凋落物持水率随时间延长而增加,约在10～13 h时接近饱和,最大持水率在118.2%～174.9%间，不同采样点表现为药用园>大明山>金花茶>十万山>防城港。凋落物吸水速率与浸泡时间呈幂函数关系，浸泡时间在0.5～4.0 h时,各点凋落物的吸水速率随浸泡时间的增长急剧下降,此后缓慢下降，5个采样地凋落物的吸水速率相差不是很大。

(3) 凋落物的持水率、吸水速率、现存量和最大持水量是研究森林凋落物持水能力和水文功能的重要指标,对5个典型生态系统森林凋落物的分析表明:大明山、金花茶、药用园、十万山等阔叶林具有较高的持水效能,而防城港的马尾松林凋落物的吸水速率、持水率以及最大持水量均最低,其林地凋落物涵养水源、保持水土能力较差。

(4) 0—20 cm土壤容重是十万山最小，其次是金花茶，最大的是药用园；而土壤的总孔隙度、毛管孔隙度从大到小依次为大明山、十万山、药用园、金花茶、防城港；非毛管孔隙度以药用园最大，防城港较小；从土壤的持水性能看，大明山的毛管持水量和最大持水量都最大，分别达到了882.6，954.9 g/kg,防城港最低，只有231.3，269.0 g/kg。总体来看，植被土壤的持水性能明显，大明山土壤的最大持水量达到了954.9 g/kg，因此只要有足够的时间让水分渗入土壤，一般的降雨量土壤都可以完全吸收，不会形成地表径流。

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Study on Different Forest Litter and Soil Water-holding Capacity in Guangxi North Gulf Economic Zone

ZENG Danjuan, XU Guangping, HUANG Yuqing, MO Ling,ZHANG Zhongfeng, HE Chengxin, LI Xiankun

(Guangxi Key Laboratory of Plant Conservation and Restoration Ecology in Karst Terrain,GuangxiInstituteofBotany,GuangxiZhuangAutonomousRegionandChineseAcademyofSciences,Guilin，Guanxi541006,China)

Through the study on litter and soil water-holding capacity 5 representative ecosystems in Guangxi North Gulf Economic Zone, the results showed that the accumulation amount of litter was in the order of Fangchenggang>Shiwanshan>Damingshan>Medicinal Herb Garden>Yellow Camellia Natural Reserve; the maximum water-holding rate was in the order of Medicinal Herb Garden>Damingshan>Yellow Camellia Natural Reserve>Shiwanshan>Fangchenggang; the maximum water-holding capacity was in the order of Damingshan> Shiwanshan>Yellow Camellia Natural Reserve>Medicinal Herb Garden>Fangchenggang. The total porosity and capillary porosity in 0—20 cm soil were in the order of Damingshan>Shiwanshan>Medicinal Herb Garden> Yellow Camellia Natural Reserve>Fangchenggang. The capillary and the maximum water-holding capacity were largest in Damingshan, reaching to 882.6 g/kg and 954.9 g/kg, respectively, while the lowest ones were only 231.3 g/kg and 269.0 g/kg in Fangchenggang.

North Gulf Economic Zone; litter; water-holding ability; physical characteristics of soil

2014-08-08

2014-09-18

广西自然科学基金重大专项(2010GXNSFE013002;2010GXNSFE013003);国家自然科学基金(41172313;41361057);广西植物研究所基本业务费项目(桂植业11001);中国科学院“西部之光”人才培养计划资助项目(科发人教字[2011]180)

曾丹娟(1982—),女,湖南洞口人，学士，助理研究员,主要从事植物生理生态研究。E-mail:djzeng221@163.com

S714

A

1005-3409(2015)04-0210-04