冰雪灾害对粤北杉木林林冠残体和凋落物持水特性的影响

侯晓丽 ，许建新 ，2，薛 立

（1. 华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510642；2. 深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东 深圳 518040）

冰雪灾害对粤北杉木林林冠残体和凋落物持水特性的影响

侯晓丽1，许建新1，2，薛 立1

（1. 华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510642；2. 深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东 深圳 518040）

2008 年1～2 月广东粤北地区遭受冰雪灾害的袭击，导致杉木林产生了大量的林冠残体。作者对2008年林冠残体各组分和2008-2011年各年的凋落物持水特性进行研究，可以了解灾后杉木林凋落物的涵养水源特点和为生态系统的修复提供参考。结果表明：2008年，各组分最大持水量为叶（10.9 t/hm2）＞凋落物（8.22 t/hm2）＞枝（8.13 t/hm2）＞干（6.25 t/hm2）＞皮（2.72 t/hm2），各组分最大持水率呈现叶（320%）＞干（296%）＞皮（280%）＞凋落物（227%）＞枝（214%）；各年度凋落物层的最大持水量呈现2008年（27.25 t/hm2）＞2011年（19.68 t/hm2）＞2010年（22.71 t/hm2）＞2009年（24.06 t/hm2）。2008年凋落物层的最大持水率为268%，2009—2011年在194%～200%之间。林冠残体或凋落物持水量与浸泡时间、持水率与浸泡时间的关系均按照自然对数方程变化，而各组分和各年度的吸水速率随浸泡时间按负指数方程下降。

杉木林；冰雪灾害；林冠残体；凋落物；持水特性

凋落物对于生态系统养分循环有重要影响[1]，同时发挥着截持降水、保持土壤水分、缓和土壤温度、减少水土流失的作用[2]。因此，凋落物水源涵养能力成为森林凋落物研究的重点内容。2008年初，我国南方发生了近50 年不遇的冰雪灾害，粤北杉木林在这次冰雪灾害中受严重损害，许多树冠集中折断，产生了大量的林冠残体[3]，通过拦蓄雨水，减少地表径流，短期内提高了林地的水源涵养能力。我国学者对多种林分凋落物持水特性进行过研究较多[4-8]，但是罕见冰雪灾害后林分凋落物水源涵养特性的报道[9-10]。

杉木Cunninghamia lanceolata是我国南方特有的速生针叶用材树种[11-12]，面积达 9.21×106hm2[13]。尽管有冰雪灾害后杉木林冠残体持水特性的报道[9]，但是林林冠残体和正常凋落物会逐渐混合，其持水特性也会发生变化。作者对此进行研究，可以为了解灾后杉木林凋落物的涵养水源特点和生态系统的修复提供参考。

1 研究区概况

1.1 自然环境概况

研究地位于广东省北部的乐昌市乐昌林 场（24°57′～ 25°31′N， 东 经 112°51′～113°34′E），属中亚热带季风气候，光照充足。年平均、最热月平均（7月）、最冷月平均（1月）温度分别为19.6℃、28.2℃和9.3℃。年平均降水量达2 522.3 mm，集中在3～8 月，11月至翌年2月为旱季。无霜期270 d，相对湿度70%～84%。土壤为花岗岩发育成的中厚腐殖质层厚土层山地黄红壤。

1.2 样地基本情况

2008年3月在冰雪灾害后的17a的杉木林内建立面积为20 m×20 m的固定样地，三个重复。试验林地处西南坡（SW 20°），坡度约30°，海拔约为700 m。林下植被主要为楼梯草Elatostema involucratum和狗脊Woodwardia japonica，盖度分别占林地面积的15%～20%和10%～15%。试验林的杉木全部折干，残干的平均胸径、平均树高和密度分别为17.99 cm、12.69 m和 1 667株/hm2。

2 研究方法

2.1 凋落物采集方法

2008的3月在每个样地内设置6个面积为2 m×2 m的固定样方，测定样方内的林冠残体的组分和正常凋落物的鲜重。由于冰雪灾害一年后，林冠残体的枝叶和正常凋落物混杂在一起，无法区分，2009—2011年的每年3月调查样方内的混合凋落物的鲜重。为了使样方内凋落物不受干扰，取样方旁边的凋落物样品带回实验室，在80℃恒温下烘干，得出干重。

2.2 测定指标

凋落物持水特性：凋落物的持水量、持水率、吸水速率。

2.3 测定方法

取100 g凋落物样品装入20 cm×20 cm的尼龙网袋后放入水盆，淹没样品。经过0.5、1、1.5、2、4、6、8、10、12、16和24 h后，捞起样品并静置至凋落物不滴水时称质量，每个设3个重复，取平均值。凋落物凋落物持水量、凋落物持水率和凋落物吸水速率计算公式如下[7,9]：

凋落物持水量 WH(t·hm-2)= [凋落物湿重 (kg·m-2)－凋落物烘干重 (kg·m-2)]×10。

凋落物持水率WR(%)=(凋落物持水量WH/凋落物干重)×100。

凋落物吸水速率WA(g·kg-1h-1)= 凋落物持水量WR(g·kg-1)/吸水时间 t(h)。

2.4 数据处理软件

测定数据利用Microsoft Excel 2003 进行数据初处理和作图。数据经Excel 2003整理后，采 用 SPSS16.0（Statistical Product and Service Solutions）软件进行相关分析，采用SAS 8.1软件系统进行方差分析和多重比较。

3 结果与分析

3.1 受灾杉木林地的凋落物储量变化

2008年雪灾后，大量的林冠随着折断的树干输入杉木林林地，包括枝、叶、干和皮。重量达19.11 t/hm2，各组分储量大小为枝（7.11 t/hm2）＞叶（5.14 t/hm2）＞干（5.35 t/hm2）＞皮（1.51 t/hm2），凋落物的储量为3.72 t/hm2，林冠残体和凋落物合计为22.83 t/hm2（见表1）。

3.2 林冠残体和凋落物的持水量

如图1所示，浸泡0.5 h后，林冠残体各组分持水量呈现叶 ＞ 枝 ＞ 凋落物 ＞ 干 ＞ 皮。此后凋落物持水量迅速增加，在浸泡2 h后超过枝持水量。浸水24 h后，叶、物、枝、干、皮达到其最大持水量，分别为 10.90、8.22、8.13、6.25、2.72 t/hm2。

表1 2008年林冠残体和正常凋落物的储量Table 1 Stem debris and litter mass

图1 林冠残体各组分和凋落物持水量与浸泡时间的关系Fig. 4 Relationship between water holding and immersed time of normal and non-normal litter components

由表2可知，2008林冠残体和凋落物各组分的持水量WH和浸泡时间t的关系按照自然对数方程WH=alnt+b变化（式中a和b为系数）。用自然对数方程对各组分的持水量模拟的理论值接近实测结果，（R2＞ 0.933 0），二者极显著相关（P＜0.001）。

表2 林冠残体各组分和凋落物持水量与浸泡时间关系的模拟方程Table 2 Equation between water holding and immersed time of crown debris and litter

冰雪灾害后各年度凋落物的持水量随着时间不断增加（见图2）。浸泡0.5～4 h的时间段内，各年持水量快速增长，此后缓慢增长，均在24 h达到最大持水量。各年凋落物层的蓄水能力表现为2008年＞2011年＞2010年＞2009年。

2008林冠残体和凋落物各组分的持水量WH和浸泡时间t的关系按照自然对数方程WH=alnt+b变化（见表3）。用自然对数方程模拟的理论值接近实测结果（R2＞ 0.964 4），呈现极显著相关（P＜0.001）。

图2 2008—2011凋落物持水量与浸泡时间的关系Fig. 2 Relationship between water holding and immersed time of crown debris and litter from 2008 to 2011

表3 2008—2011年凋落物层持水量与浸泡时间关系的模拟方程Table 3 Equation between water holding and immersed time from 2008 to 2011

3.3 林冠残体和凋落物的持水率

凋落物吸收的水分与凋落物储量的比值用来表示凋落物的持水率。在浸泡的0.5～1.5 h时间段内，各组分的持水率表现为叶 ＞ 凋落物 ＞ 皮 ＞ 枝 ＞干（见图3）；浸泡2 h后，干的持水率超过枝的持水率，呈现现为叶 ＞ 凋落物 ＞ 皮 ＞ 干 ＞ 枝。

由表4可知，各组分的持水率WR和凋落物浸泡时间t的关系按照自然对数方程WR=alnt+b变化（式中a和b为系数）。用自然对数方程模拟的各组分和凋落物的持水率与实测结果接近（R2＞0.886 0），呈现极显著相关（P＜0.001）。

图4显示了各年度凋落物层持水率动态。随着浸泡不同时间的延长，各年杉木林地的凋落物层持水率平缓上升。2008年凋落物层持水率在浸泡8 h后，达到饱和状态，持水率为256%，而其他年份凋落物层持水率在8 h后仍然缓慢增长。2008年凋落物层持水率大于其他年份相差不大。

各年度凋落物层持水率（WR）与浸泡时间（t）的关系按照对数方程变化，方程模拟的各年份凋落物层持水率理论值接近实测结果相近（R2＞0.957 0），二者极显著相关（P＜0.001）（表5）。

图3 林冠残体各组分和凋落物持水率与浸泡时间的关系Fig. 3 Relationship between water holding rate and immersed time of crown debris and litter

表4 林冠残体各组分和凋落物持水率与浸泡时间关系的模拟方程Table 15 Equation between water holding rate and immersed time of crown debris and litter

图4 2008—2011凋落物持水率与浸泡时间的关系Fig. 4 Relationship between water holding rate and immersed time of litter from 2008 to 2011

3.4 林冠残体和凋落物的吸水速率

图5显示2008年的林冠残体和凋落物的吸水速率。各组分和凋落物的吸水速率在0.5～4 h浸泡时间段急剧下降，此后缓慢下降。在0.5～2 h浸泡时间段，各组分的吸水速率表现为叶 ＞ 凋落物 ＞ 皮＞ 枝 ＞ 干，此后干的吸水速率超过枝的吸水速率，呈现为叶 ＞ 凋落物 ＞ 皮 ＞ 干 ＞ 枝。

由表6可知，各组分和凋落物的吸水速率WA和浸泡时间t的关系按照方程WA=a·t-b变化（a和b为系数）。用乘幂方程模拟的各组分和凋落物吸水速率理论值与实测结果接近（R2＞ 0.999 8），二者极显著相关（P＜0.001）。

表5 2008—2010年凋落物层持水率与浸泡时间关系的模拟方程Table 5 Equation between water holding rate and immersed time from 2008 to 2011

表6 林冠残体各组分和凋落物吸水速率与浸泡时间关系的模拟方程Table 6 Equation between water absorption rate and immersed time of crown debris and litter

各年度凋落物层吸水速率动态见图6。2008年的凋落物层吸水速率在浸泡时间0.5～4.0 h时间段内急剧下降，此后缓慢下降。2009年的凋落物层在浸泡不同时间后，其凋落物层吸水速率的下降趋势和2010年、2011年的较为相似。0.5 h时，2008、2009、 2010和2011年杉木林地凋落物层的吸水速率分别为4 693、2 783、 2 919和2 748 g/(kg·h)，浸泡4 h 后，吸水速率分别下降了86.9%、84.6% 、85.4%和85.2%，浸泡16 h后分别下降到 165、119、119和115 g/(kg·h)。此后，各年杉木林地凋落物层的吸水速率相差不是很大。

由表7可知，凋落物层吸水速率（WA）与浸泡时间（t）的关系按照乘幂方程变化，各年份的凋落物层吸水速率理论值相近实测结果（R2＞0.999 8），二者极显著相关（P＜0.001）。

4 结论与讨论

图5 林冠残体各组分和凋落物持水率与浸泡时间的关系Fig. 5 Relationship between water absorption rate and immersed time of crown debris and litter

图6 2008—2011年凋落物层吸水速率与浸泡时间的关系Fig. 6 Relationship between water absorption rate and immersed time from 2008 to 2011

2008年，林冠残体各组分中，枝的质量最大（7.11 t/hm2），干和叶相近，分别为5.35和5.14 t/hm2，而正常凋落物和皮的质量较小，分别仅为3.72和1.51 t/hm2。各组分的持水量由其质量和持水特性共同决定。林冠残体中叶的质量仅列第3，但是其最大持水率最（320%）大，所以持水量最大，达10.9 t/hm2；正常凋落物的质量仅列第4，但是其最大持水率略小于叶（296%），所以其持水量仅次于叶（8.22 t/hm2）；枝的干质量是其他组分的1.3倍以上，但是最大持水率最小（214%），故最大持水量仅为8.13 t/hm2；干的干质量略小于枝，其最大持水率仅列第4 （227%），故最大持水量在各组分中仅高于皮，为8.13 t/hm2； 皮的最大持水率中等（280%），干质量却在组分中最小，不到其他组分的41%，所以最大持水量最小，仅2.72 t/hm2。林冠残体总的最大持水量为36.72 t/hm2，为凋落物的4.5倍，成为受灾杉木林地表涵养水源的主体。干的木质部的导管具有大量的孔隙，凋落物由于分解物质的流失变得疏松，故2者吸水速度快，持水率最早达到饱和；枝、叶和皮由于的细胞内含物较多而影响了吸水速度，持水率饱和较晚。

表7 2008—2011年凋落物层吸水速率与浸泡时间关系的模拟方程Table 7 Equation between water absorption rate and immersed time from 2008 to 2011

在冰雪灾害后杉木林各年凋落物层的持水量存在差异，表现为2008年＞2011年＞2010年＞2009年；2008年的持水量、持水率和吸水速率明显较大，其他年份相差不大，变化幅度较小；2008年，杉木林地凋落物层的最大持水量为27.25 t/hm2， 而 2009年 的 则 为 19.74 t/hm2。2009 和2008年相比，杉木林地凋落物层的持水量有所下降。凋落物的蓄水量与林地上的数量及其本身的持水能力密切相关[14]。本研究中凋落物的现存量越大时，持水能力越强。另外，冰雪灾害初期，产生的大量林冠残体可以吸收水分，因而林地表面的水源涵养能力增强。冰雪灾害后期凋落物储量随着分解而下降，从而导致其蓄水能力的下降。2010和2011年，凋落物储量的增加，从而导致林分蓄水能力的提高。

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[15]。2008年，杉木林地凋落物层的最大持水率为268%，2009—2011年在194%～200%之间。2008—2011年的持水率与持水量的变化趋势基本一致。因为2008年初，冰雪灾害造成大量凋落物的林冠残体，其中包括含水率较高的新鲜叶片，使得2008年凋落物层的最大持水率高于其他年份。

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Effect of ice-storm damage on water holding characteristics of crown debris and litter in a Cunninghamia lanceolata stand

HOU Xiao-li1, XU Jian-xin1,2, XUE Li1
(1.College of Forestry, South China Agricultural University, Guangzhou, 510642, Guangdong, China)2.Shenzhen Tech and Ecology ＆ Environment CO., LTD, Shenzhen 518040, Guangdong, China)

A huge ice storm stroke on the north of Guangdong province from January to February 2008, resulting in a lot of crown debris in a Cunninghamia lanceolata stand. Water Holding Characteristic of components of crown debris in 2008 and litter from 2008 to 2011 were studied, to understand hydrological function of litter and to provide basis for the recovery of the C. lanceolata stand suffering from ice storm damage. The order of maximum water holding capacity of the components was leaves (10.9 t/hm2) ＞litter (8.22 t/hm2)＞ branches (8.13 t/hm2) ＞ stem (6.25 t/hm2) ＞ bark (2.72 t/hm2). The proportional water holding capacity as a percentage of dry weight in the components was 320%, 296%，280%，227% and 214% for leaves, stem, bark, litter and branches, respectively. The order of maximum water holding capacity was 27.25, 24.06, 22.71 and 19.68 t/hm2for 2008, 2009, 2010 and 2011, respectively, and the proportional water holding capacity was 268% in 2008 and 194%～200% from 2009 to 2011. The total water holding capacity and proportional water holding capacity of the components or litter increased logarithmically with increasing time immersed in water,whereas their water absorption rates decreased according to negative exponential equation with increasing time immersed in water.

Cunninghamia lanceolata; ice storm damage; crown debris; litter; water holding characteristics

S715.3

A

1673-923X(2016)11-0086-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.11.015

2015-05-18

广东省科技计划项目“粤北森林冰雪灾害评估及灾后复产技术研究与示范”（2008A020100013）；广东省省级科技计划项目（2015B090904008）

侯晓丽，硕士研究生 通讯作者：薛 立，教授，博士；E-mail：forxue@scau.edu.cn

侯晓丽，许建新，薛 立.冰雪灾害对粤北杉木林林冠残体和凋落物持水特性的影响[J].中南林业科技大学学报，2016,36(11): 86-91.

[本文编校：吴 毅]