亚热带4种典型人工林凋落物持水特性

伍 倩 ，闫文德 ，3，梁小翠 ，3，王姣龙 ，宁 晨 ，赵亮生

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004；3.城市森林生态湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410004；4.甘肃省白龙江林业管理局林科所，甘肃 武都746010）

亚热带4种典型人工林凋落物持水特性

伍 倩1，2，闫文德1，2，3，梁小翠1，2，3，王姣龙1，2，宁 晨1，2，赵亮生4

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004；3.城市森林生态湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410004；4.甘肃省白龙江林业管理局林科所，甘肃 武都746010）

对亚热带地区枫香林、樟树林、马尾松林及樟树+马尾松林这4种典型人工林凋落物持水特性进行研究，结果表明：（1）4种森林类型的凋落物年凋落量大小顺序为：樟树+马尾松林（6.09 t/hm2）＞枫香林（5.98 t/hm2）＞马尾松林（5.89 t/hm2）＞樟树（3.871 t/hm2）。（2）4种森林类型的凋落物持水量随着浸水时间的增加而增加，最大持水量为：樟树+马尾松林（19.15 t/hm2）＞枫香林（16.20 t/hm2）＞樟树林（15.04 t/hm2）＞马尾松林（13.84 t/hm2），最大持水率为樟树林（516.5%）＞樟树+马尾松林（408.6%）＞枫香林（314.4%）＞马尾松林（280.3%），有效持水深为樟树+马尾松林（1.48 mm）＞枫香林（1.29 mm）＞樟树林（1.18 mm）＞马尾松林（1.08 mm）。（3）浸泡时间在0.5～6 h之间时，特别是在2 h内，随浸泡时间的增加各林分凋落物的吸水速率急剧下降，吸水速率为樟树+马尾松林＞枫香林＞樟树林＞马尾松林。（4）随着浸水浸泡时间的增加使得凋落物持水量和凋落物持水率呈对数关系增加，凋落物吸水速率与浸水浸泡时间呈幂函数关系，且3种关系中的R2均大于0.9。由此可见，针阔混交林形式的营林模式，能够更大的发挥森林在涵养水源、水土保持等方面的作用，在今后的森林可持续经营管理中可以考虑。

人工林凋落物；持水量；持水率；吸水速率

在森林生态系统中，由凋落枝、叶、果等组成的森林凋落物是森林生态系统的重要成分[1]，在涵养水源、保持水土以及促进系统物质循环和养分平衡方面，凋落物层起着不可替代的作用发挥着重要的作用[2-3]。凋落物层的保持水土和涵养水源的功能主要是由于其特有的疏松结构、良好的透水性和持水能力，起到缓冲降雨及削弱雨滴对土壤的溅击作用，同时，由于凋落物层的机械阻拦作用，可减少到达土壤表面的降水量，减少地表径流的产生[4-5]。此外，树种不同，调落物吸水能力及分解情况有很大差异[6]，因此，针对不同地区不同森林类型的凋落物持水量的研究近些年也很多[7-15]。我国南方亚热带属典型的红壤丘陵区，地球上和我国纬度相同的亚热带地区，如南亚次大陆、中亚，北非，中美地区多沦为干旱地带和沙漠，这种地带性植被遭到大量破坏，主要是历史性的不合理土地利用模式。这种不合理的土地利用模式，破坏了大量地带性植被，这些通常以常绿阔叶林为主。上世纪80年代初开始了植树造林工程，希望通过此工程来恢复植被，与此同时，大批的人工针叶林和针阔混交林也因此出现，这些人工林通常以马尾松、樟树、枫香为主[16]。此外，由于不断增的CO2等温室气体排放，地球平均气温不断上升，导致气候极端化，夏天更热，冬天更冷；当全球变暖达到一定程度之后，它就会导致大气环流发生改变，导致西南季风和台风的迁移路径发生改变，而在本研究区内的极端气候事件频度加强广度加深，如极端干旱事件及暴雨事件的增多，降水分配的时和空间的不均匀。因此，针对降水的不均匀分配，本研究结合野外实地调查与室内浸泡法，对亚热带地区的枫香人工林、樟树人工林、马尾松人工林以及樟树+马尾松混交人工林的凋落物持水性能进行研究意义重要，能充分了解森林凋落物的水源涵养及水土保持功能等生态功能，还能为亚热带地区人工林的建设和经营提供依据。

1 研究地概况

研究地位于湖南省长沙市湖南省森林植物园（113°01′E，28°06′N），园区占地面积约 4 356 hm2，平均海拔80 m，平均坡度15 °，年均气温为17.2 ℃，年均降雨量1 422 mm，属典型的亚热带湿润季风气候。主要林分有枫香人工林、樟树人工林、湿地松人工林、马尾松人工林、樟树+马尾松混交林。本试验中选取针叶林（马尾松林）、常绿阔叶林（樟树林）、落叶阔叶林（枫香林）以及针阔混交林（樟树+马尾松混交林）为研究对象， 4块样地基本情况见表1，4个样地皆为20世纪80年代初所造的人工林，且均位于同一个丘陵坡地上，海拔为50～100 m，坡度在10°～22 °，4个林分的林下植被基本相同，以青冈Cyclobalnopsis glauca、白栎Quercus fabri、大青Cleredendrum cwtophyllum、山矾Symplocos caudate、酢浆草Oxalis Ccomiculata、淡竹叶Lophatherum sinense、肾蕨Nephrolepisa uriculata和商陆Phytolaccaa cinosa为主。

表1 林地环境因子Table 1 Basic environmental factors of four forests

2 研究方法

2.1 测定凋落物量

在研究区的枫香林、樟树林、马尾松林及樟树—马尾松混交林中各设置1个标准样地，每个标准样地设置3 m×4 m，距地40 cm高的凋落物收集器。研究期为2011年5月至翌年4月，采集时间为每月月底。将收回的凋落物分为“枝”、“叶”、“果”、“杂物”几类，并分类称取鲜质量，烘干48 h，称质量并计算干质量以及各组分占总量的百分比、月/年凋落量，最后将结果换算成单位面积的凋落量。

2.2 测定凋落物持水特性

在各林分样方内选取1 m x 1 m小样方，收集小样方内的凋落物，并将凋落物装入浸水实验所需的网袋中，并将网袋浸入水进行浸泡实验，在以下时间点捞起 网袋：0. 5、1、1.5、2、4、6、8、10、24 h，将凋落物静置到不再滴水时称质量，按下列公式计算凋落物持水性，4种林分类型重复3次[7]。凋落物持水率、凋落物持水量和凋落物吸水速率分别按照以下的公式进行计算：

持水量(t/hm2)＝[湿质量(kg/m2)-干质量(kg/m2)]×10；

持水率（%）＝（持水量/干质量）×100；

吸水速率（g·kg-1h-1）＝持水量（g/kg）/吸水时间（h）。

2.3 测定凋落物持水能力

凋落物最大持水量指凋落物在浸水 24 h 后的持水量，凋落物的最大持水率指凋落物在浸水 24 h 后的持水率，凋落物的持水能力可以用这两个指标来判断。但是最大持水量只是一个理论值。现实情况下，降雨透过林冠层，降落在具有一定坡度的山地坡面上一般上，一部分被凋落物层拦截蓄积，其余大部分会很快渗透到土壤中，不可能出现较长时间的浸水条件。因此，凋落物层对降水的实际拦蓄量在理论上的最大持水量和实际拦蓄降水量间。现阶段在凋落物持水量的研究中，估算实际拦蓄量一般采用有效拦蓄量。雷瑞德等提出[17]，当降雨量大于30 mm以后，凋落物层实际持水率达不到100%，而只有85%左右，并且这个值与植被类型及凋落物含水量无关，因此，本研究中也选取0.85为调整系数来估算凋落物层的有效拦蓄量。计算公式为：

有效拦蓄量=（0.85×最大持水率-自然含水率）×累计量。

3 结果与分析

3.1 4种森林类型凋落物年凋落量及组成

4种森林类型的凋落物的凋落量不同，但从组成成分看，凋落叶均为为凋落物的主要组成部分（见表2），樟树+马尾松混交林的年凋落量最大，樟树林的年凋落量最小，但是，樟树林凋落物的含水率确是最高的，达32.9%。4种森林类型年凋落物量大小为：樟树+马尾松林＞枫香林＞马尾松林＞樟树林，其凋落物含水率大小为：樟树林＞樟树+马尾松林＞马尾松林＞枫香林。

表2 4个林分凋落物年产量Table 2 Litter fall production in four forest types t·hm-2

3.2 4种森林类型凋落物的持水量

凋落物的持水量与凋落物的质与量有很大关系。通过浸泡实验，结果表明，4种森林类型的凋落物持水量有随时间不断增长的趋势（见图1），在浸水0.5 h后，樟树+马尾松林的持水量能达到10.72 t/hm2，枫香林为8.34 t/hm2，樟树林为7.28 t/hm2，马尾松林最低为5.24 t/hm2。在浸泡的前4 h，各森林类型的凋落物持水量增长较快，樟树+马尾松林为15.87 t/hm2，枫香林次之为12.94 t/hm2，樟树林为11.84 t/hm2，马尾松林依然最低，为9.87 t/hm2。在4 h之后，各森林类型凋落物持水量增长较平缓，到10 h时，其持水量随浸泡时间的变化幅度非常小，基本达到饱和的稳定状态。就整个凋落物累积持水量而言，不同森林类型凋落物的持水量的不同，说明不同树种组成对森林类型凋落物的持水量有所影响。4种森林类型凋落物在浸水24 h后的，其持水量为樟树+马尾松林（19.15 t/hm2）＞枫香林（16.20 t/hm2）＞樟树林（15.04 t/hm2）＞马尾松林（13.84 t/hm2）。

图1 4种森林类型凋落物持水量与浸泡时间的关系Fig.1 Relation between holding water of litters and immersed time in four forest types

由表3所示，不同森林类型凋落物持水量（LW）与浸水时间（t）的拟合关系为：凋落物持水量（LW）与浸水时间（t），之间关系为：LW=a+blnt，且4种林分凋落物持水量与浸水时间的回归方程中，表3为反应的是不同类型的森林凋落物持水量与浸泡时间的关系，然后用回归方程拟合4个林分凋落物与浸水时间的关系，最后得出，R2均在大于0.9，这说明凋落物持水量与浸泡时间存在较好的对数关系。

表3 凋落物持水量与浸水时间关系Table 3 Equations between the water capacity of litters and the immersion time

3.3 4种森林类型凋落物的持水率

凋落物持水率可反映出凋落物的持水能力，且凋落物持水能力越强其对应的持水率越大说明该森林类型凋落物持水能力越强。由图2所示，在浸水2 h内持水率迅速增加，浸水10 h后，持水率增长缓慢。凋落物在不同浸泡一段时间段后，林分的凋落物持水率维持在516.5%～280.3%之间，其大小关系顺序为：樟树林＞樟树+马尾松林＞枫香林＞马尾松林（见图2）。与持水量相似，持水率在浸泡的2 h内增加迅速，在10 h后增长缓慢。樟树林高持水率和其凋落物干重小有关。

图2 凋落物持水率与浸泡时间的关系Fig.3 Relation between holding water rate and immersed time

凋落物持水率（RWA）与浸水时间（t）通过方程模拟，从表4中可以看出，4种森林类型凋落物持水率与浸水时间呈显著的对数关系，R2均能达到0.9，拟合效果非常好。

表4 凋落物落物持水率与浸泡时间关系Table 4 Equations between water absorption rate of litters and the immersion time

3.4 4种森林类型凋落物的吸水速率

凋落物吸水速率与凋落物的持水能力紧密相关，在评价凋落物截留降水作用中，吸水速率是一个非常重要的指标。吸水速率越大，森林生态系统对降水的涵蓄速度就越快，从而可以更好地减少地表径流[18]，对保护水土流失起到重要的作用。从图3种可以看出，浸泡0.5～6 h之间时，4种林分凋落物随着浸泡时间的进一步增长从而使其吸水速率急剧下降，而后又呈下降趋势变缓。特别是在浸泡2 h内的吸水率基本上呈直线下降的趋势。4种森林类型中，樟树+马尾松林的凋落物吸水率最大，说明在针阔混交林中的凋落物对林内降雨的涵蓄速度最快，能够在短时间吸收大量的降雨。马尾松林的凋落物吸水率最低，针叶林中，由于其不同的生长形态，使得其对降雨的吸收最慢。

图3 凋落物吸水速率与浸泡时间的关系Fig.3 Relations between water absorption rate of litters and immersed time

凋落物持水率与浸水时间通过方程进行拟合（表5），4个林分类型凋落物持水率与浸水时间呈显著的幂函数关系，R2均能达到0.9，拟合效果非常好。

表5 4种森林类型凋落物吸水速率与浸泡时间关系Table 5 Equations between water absorption rate of litters and immersion time in four forest types

3.5 4种森林类型凋落物的有效拦蓄能力

很多因素对凋落物层对降雨有效拦蓄有很大的影响，但起其中起主要作用的因素有凋落物蓄积量、自然含水率和最大持水率[19]。从表6中可以看出，不同森林类型凋落物最大持水率为樟树林（516.508%）＞樟树+马尾松林（408.690%）＞枫香林（314.454%）＞马尾松林（280.384%），有效拦蓄量在14.873～10.801 t/hm2之间，最大为樟树+马尾松林，最小为马尾松林。有效持水深最大的为樟树+马尾松林，为1.487 mm，也就意味着，在林内降雨量小雨1.487 mm的降雨事件中，樟树+马尾松林林小凋落物能有效地截留降雨；有效持水深按大小排序依次为：樟树+马尾松林＞枫香林＞樟树林＞马尾松林。

表6 不同4种森林类型凋落物持水能力指标Table 6 Values of water-holding capacity of litters in different four forest types

4 讨 论

凋落物累积量反应了凋落物凋落和分解之间的动态平衡。有报道称，植物群落生产力影响到凋落物累积量的多少，同时气候、土壤肥力、土壤含水量以及物种组成在很大程度上还与凋落物累积量相关[20]。不仅仅是在不同地区和不同森林类型间，同时凋落物累积量差异很大也可以出现在是在同一地区的不同森林类型、同一森林类型在不同地区中。在本研究中，以樟树+马尾松针阔混交林的年凋落量最大（6.090 t/hm2），而樟树林的年凋落量最小（3.871 t/hm2），不同类型森林的凋落物年凋落量为：针阔混交林＞落叶阔叶林＞针叶林＞常绿阔叶林。其中，樟树林凋落物凋落量最小其原因为在樟树凋落物中，凋落果和杂物明显少于其余几种森林类型。本研究中，凋落物的年凋落量小于一些研究者的研究[21]，其原因是林分密度及不同的森林类型，本研究的森林为人工林，林分密度为1 600株/hm2，林分密度对凋落物的凋落量有很大的影响[22]。

凋落物持水率和累积量是决定凋落物持水量的大小的主要因素，随着浸水时间的不断增加，从而使得研究区内的4种森林类型凋落物累的积持水量也不断增加。特别是在浸水4 h以内，凋落物的持水量迅速上升，在10 h的时候基本上稳定，这与别的报道中的研究结果相似[21,23]。研究区不同林分的凋落物在浸泡不同时间后，不同森林类型间凋落物持水量不一样，浸泡24 h后的持水量的大小依次为：樟树林+马尾松林（19.15 t/hm2）＞枫香林（16.20 t/hm2）＞樟树林（15.04 t/hm2）＞马尾松林（13.84 t/hm2），持水率的大小依次为樟树林（516.5%）＞樟树+马尾松林（408.6%）＞枫香林（314.4%）＞马尾松林（280.3%）。浸水实验的结果表明，林分的类型、组成结构及蓄积量凋落物层最大持水量与有关[4]，从研究区4种森林类型凋落物的组成来看，樟树+马尾松林的凋落枝和凋落叶的量是最大的，而凋落枝和凋落叶在持水过程中起了很大的作用，因此，其持水能力很强；樟树林的凋落物的持水率大，是与其的干重小有很大的关系；马尾松林的持水量和持水率均为最小，陈水莲等[24]对马尾松人工林凋落物持水特性研究中，马尾松林枯落物最大持水量为21.53 t/hm2和187.68%，薛立等[7]的研究中，马尾松林凋落物最大持水量为10.6 t/hm2和191%，马尾松林凋落物持水量和持水量在这两个研究中都较其它林分凋落物的低，本研究结果马尾松林凋落物最大持水量位于该两个研究中间，但持水率却高于这两个研究结果，这是由于在陈水莲等的和薛立等的研究中，马尾松林凋落物的干重分别为11.47 t/hm2和5.5 t/hm2，均高于本研究中马尾松林凋落物干重4.93 t/hm2。马尾松林凋落物持水量和持水率最小，可能是由于马尾松凋落物中凋落叶占很大比例，而在马尾松的凋落叶中，难以分解的油脂含量很大，因此其吸水率和有效吸水量通常都是小于阔叶树种的凋落物[7,11]。此外，针叶林与阔叶林持水能力不同是由于其叶片形状与阔叶林的不同，对其持水能力也有所影响。阔叶林凋落物持水能力比针叶林强，因为阔叶林的凋落物中所含的油脂比针叶林凋落物中含有的少，而油脂的含量与亲水性有关，因此，阔叶林凋落物亲水性比针叶林凋落物亲水性强，因此，阔叶林凋落物吸水率以及有效吸水量均大于针叶林凋落物，这与薛立等研究结果一致[7]。

凋落物的吸水速率与凋落物的组成及凋落物特性有很大的关系，因此各森林类型凋落物的吸水速率也有很大的差别。在本研究中，浸水0～2 h内，各林地凋落物吸水速率直线下降，浸水后2 h后其吸水速率明显减小。其中樟树+马尾松林在浸水初期，其吸水速率高于其余森林类型，这也说明了樟树+马尾松林在降雨事件初期能够较好地截留降雨。

各凋落物持水量/持水率与浸泡时间皆呈对数关系，而吸水速率与浸泡时间则呈幂函数关系，且以上三种关系中R2均在0.9以上，说明这三个方程在模拟林分凋落物持水量、凋落物持水率和凋落物吸水速率的实际变化中可以被运用，也能为预测凋落物不同浸泡时间后的持水量、持水率和凋落物吸水速率的变化提供便利。

凋落物产量、自然含水率、最大持水率和有效持水深是体现凋落物持水能力的关键因素。在本研究中，樟树林凋落物最大持水率最大，但由于其本身的含水率高及凋落量小，因此，其有效持水深也受到了影响。4种森林类型凋落物，有效持水深大小依次为：樟树+马尾松林（1.487 mm）＞枫香林（1.294 mm）＞樟树林（1.182 mm）＞马尾松林（1.080 mm），4种森林类型凋落物有效持水深差别不大，但樟树+马尾松林的仍然为最大，说明在降雨历时短、降雨强度大的降水事件中樟树+马尾松林凋落物对降水的拦蓄作用要强于其它几种林分。

本研究中樟树+马尾松林在持水量和吸水速率上较其余森林类型更有优势，有研究者也对混交林的凋落物持水性能也有相关报道，赵晓春等[12]对贺兰山4种典型森林类型凋落物持水性能研究中发现，油松山杨林的凋落物的持水能力较强，表明凋落物最大持水量与森林类型与结构，凋落物的组成及储量有关。曹鹤等[10]对佛山市云勇生态公益林建设示范区3 种生态公益林凋落物的持水特性研究中，由火力楠和杉木组成的针阔混交林持水性能最优。因此可在以后的人工林经营管理中，采取针阔混交林的营林模式，充分发挥森林对水土保持、水源涵养的森林服务功能。

5 结 论

在本研究中，以樟树+马尾松针阔混交林的年凋落量最大（6.090 t/hm2），而樟树林的年凋落量最小（3.871 t/hm2），不同类型森林的凋落物年凋落量为：针阔混交林＞落叶阔叶林＞针叶林＞常绿阔叶林。

4种森林类型凋落物持水量不一样，浸泡24 h后的持水量的大小依次为：樟树林+马尾松林（19.15 t/hm2）＞枫香林（16.20 t/hm2）＞樟树林（15.04 t/hm2）＞马尾松林（13.84 t/hm2），持水率的大小依次为樟树林（516.5%）＞樟树+马尾松林（408.6%）＞枫香林（314.4%）＞马尾松林（280.3%）。

4种森林类型凋落物的吸水速率相差也较大。在浸水0～2 h内，凋落物吸水速率急剧下降，在浸水2 h后吸水速率呈明显的减小的趋势。凋落物持水量/持水率和浸水时间为对数关系，而凋落物吸水速率与浸水时间的关系为幂函数关系，且以上的三种关系中R2均在0.9以上。

4种森林类型凋落物，有效持水深大小依次为：樟树+马尾松林（1.487 mm）＞枫香林（1.294 mm）＞樟树林（1.182 mm）＞马尾松林（1.080 mm）。

通过研究可以得出结论，樟树+马尾松林在持水量和吸水速率上较其余森林类型更有优势，可在以后的人工林经营管理中，采取针阔混交林的营林模式，充分发挥森林对水土保持、水源涵养的森林服务功能。

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Water holding characteristics of litters in 4 plantations in subtropical zone

WU Qian1,2, YAN Wen-de1,2,3, LIANG Xiao-cui1,2,3, WANG Jiao-long1,2, NING Chen1,2, ZHAO Liang-sheng4
(1.Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2.National Engineering Lab. for Applied Technology of Forestry & Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China; 3.City of Hunan Province Key. Laboratory of Forest Ecology, Changsha 410004, Hunan China; 4.Bailongjiang Forest Administration, Wudu 746010, Gansu, China)

The water holding characteristics of litters were studied in four type of plantations ofLiquidambar formosana,Cinnamomum camphora,Pinus massonian, andCinnamomum camphora+Pinus massonianamixed forest. The results show that (1) the annual amount of litters in four forest types in size order were:C. camphora+P. massoniana(6.090 t/hm2)＞Liquidambar L. formosana(5.980 t/hm2)＞P. massoniana(5.899 t/hm2)＞C. camphora(3.871 t/hm2); (2) The maximum water holding capacity of litters increased with increasing time immersed in water, the order of litter’s total maximum water holding capacity of litters was:C. camphora+P. assoniana(19.15 t/hm2)＞Liquidambar formosana(16.20 t/hm2)＞C. camphora(15.04 t/hm2)＞P. massoniana(13.84 t/hm2), the proportional water holding capacity as a percentage of maximum water holding ratio to the litters dry weight was:C. camphora(516.5%)＞C. camphora+P. massoniana（408.6%）＞Liquidambar formosana(314.4%)＞P. smassoniana(280.3%), the effective depth of water holding was:C. camphora+P. massoniana(1.48 mm)＞Liquidambar formosana(1.29 mm)＞C. camphora(1.18 mm)＞P. massoniana(1.08 mm); (3)water absorption rates of litters in all plantations radically decreased with increasing time immersed in water within 0.5～6.0 hours,and with a obviously decrease for within 2 hours. The water absorption rates of litters in size order was:C. camphora+P. massoniana＞Liquidambar rmosana＞C.camphora＞P. massoniana; (4) There existed a typical logarithmic power function relationship between total water holding capacity and proportional water holding capacity of litters, and the correlation coef fi cients were more than 0.9. Therefore, the mixed forest can play a greater role in water resource conservation and water-soil, soil and water conservation. This compound afforestation pattern can be considered in as one of the sustainable forest management mode in the future.

litters in arti fi cial forest; water holding capacity; water absorption rate; water absorption rate

S718.55+1.2 文献标志码：A 文章编号：1673-923X(2015)12-0076-06

2015-04-17

国家林业公益性行业科研专项（201404316）；湖南省自然科学创新研究群体基金（湘基金委字[2013]7号）；湖南省高校创新平台开放基金项目（12K070）；国家林业局软科学研究项目（2013-R09）；城市森林生态湖南省重点实验室资助

伍 倩，博士研究生

闫文德，教授，博士生导师；E-mail：csfuywd@hotmail.com

伍 倩，闫文德，梁小翠，等. 亚热带4种典型人工林凋落物持水特性[J].中南林业科技大学学报,2015,35(12):76-81, 94.

[本文编校：文凤鸣]