海南典型人工林枯落物持水特征

陈更艳 王槐岳 宿少锋 王小燕 林之盼 薛杨

摘要 [目的]明确不同人工林枯落物持水特征。[方法]获取木麻黄、桉树、相思和次生林4种树林下未分解层和半分解层的枯落物，对枯落物持水率和吸水速率等持水性能进行测定。[结果]半分解层持水率大于未分解层，枯落物的持水率与持水时间有良好的相关性，枯落物未分解和半分解层的吸水速率和吸水时间的关系均可用幂函数V=axt拟合，其方程拟合程度均达极显著水平（P<0.01）。4个试验区平均枯落物未分解层最大持水率从大到小顺序为次生林、相思林、木麻黄林、桉树林；4个试验区平均枯落物半分解层最大持水率从大到小顺序为木麻黄林、相思林、桉树林、次生林。[结论]该研究为进一步研究海南省人工林植被对水资源形成过程的调控提供了科学参考。

关键词 海南省；林分类型；枯落物；持水特征

中图分类号 S714 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）17-0117-05

Abstract [Objective]To clarify the characteristics of water holding of litter in typical artificial forest. [Method]The litter of undecomposed layer and semidecomposed layer of Casuarina equisetifolia， Eucalyptus， Acacia and its secondary forests were obtained， and the water holding capacity and water absorption rate of litter were determined. [Result]The water content of the semidecomposed layer was higher than that of the undivided layer， and the water retention of the litter had a good correlation with the soaking time. The relationship between the water absorption rate and the water absorption time of undecomposed layer and semidecomposed layer were all available power function V=axt fitting， the fitting degree of the equation reached an extremely significant level. The maximum water holding capacity of undegraded litter in the four pilot areas ranked in descending order as follows： secondary forest， Acacia forest， Casuarina forest， Eucalyptus forest. The average water holding capacity of the semidecomposed litter ranked in descending order as follows： Casuarina forest，Acacia forest，Eucalyptus forest， secondary forest.[Conclusion]This study provided a scientific reference for further study on the regulation of artificial forest vegetation on water resources formation in Hainan Province.

Key words Hainan Province；Stand type；Litter；Water holding characteristics

森林枯落物層处于森林植被和土壤层之间，是林地与大气间水汽交换的重要界面，其在截持降水、阻滞地表径流、减少林地蒸发、改善土壤结构和增强土壤抗冲能力等方面均具有重要的水文效应[1]，它是实现森林保持水土和涵养水源的主要作用层[2-3]。研究表明，我国森林枯落物的最大持水率平均为自身干质量的309.54%，林地枯落层的最大持水量平均为4.18 mm[4]。目前森林枯落物研究集中在对土壤理化性质的影响、枯落物分解以及枯落物储蓄量等方面，研究区域大致为大兴安岭、北京山区、黄土丘陵区、云南高原、东江中上游等地区[5-10]。海南省具有独特的气候和地形条件，适合种植热带人工林，然而目前关于海南木麻黄林、相思林、桉树林、次生林这4种典型的林分枯落物水分特征研究甚少。笔者对海南省不同区域人工林的枯落物水文效应进行定量分析，以期为研究海南省人工林植被对水资源形成过程的调控提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区设在海南省的临高、乐东、万宁和文昌这4个县市，各试验区的经纬度、土壤类型和pH如表1所示。临高地处海南省西北部，属热带季风海洋气候，年均气温23 ℃，年均降雨量1 417.8 mm；乐东地处海南省西南部，属热带季风气候，年均气温25.0 ℃，年均降雨量1 181.1 mm；万宁地处海南省东南部，属热带季风气候，年均气温24.0 ℃，年均降雨量2 400.0 mm；文昌地处海南省东北部，属热地海洋季风气候，年均气温23.9 ℃，年均降雨量1 886.2 mm。各区域土壤呈酸性，主要林分类型为橡胶林、椰子林、木麻黄林、桉树林、相思类林、松类林、果树类林、红树林、灌木林、次生林、原生林等。

1.2 材料

在各研究区选取4种有代表性的典型林分进行观测。林分类型分别为木麻黄林、相思林、桉树林和次生林。每种林分类型选择3个20 m× 20 m的样方，记录每个样方的未分解层和半分解层厚度，保持原样分层采集样品并迅速称其鲜重，带回实验室在80 ℃烘干测定干重，并计算原始含水量。

1.3 测定指标及方法

采用室内浸泡法测定枯落物的持水率和吸水速率，分别称取每一林分3个样方的各层枯落物100 g左右（干重）浸入清水中，每隔一定时间取出，静置5 min左右直至枯落物不滴水为止，迅速称其湿重。枯落物的持水率用式（1）表示，枯落物的吸水速率用式（2）表示。

R=（M′-M）/M（1）

V=axt（2）

式中，R为持水率；M′为枯落物湿重；M为枯落物干重；V为吸水速率[g/（g·h）]；t为浸泡时间（h）；a为方程系数。

1.4 数据分析

采用Excel 2010进行数据处理，采用Origin 8.0进行作图。

2 结果与分析

2.1 枯落物自然持水率

枯落物自然持水率是其在一定时间内截持的水量所占自身干重的百分数，是反映枯落物涵蓄水分能力的重要指标[11]。由图1可知，未分解层枯落物持水

率基本低于半分解层枯落物持水率。不同地点各林分自然持水率具有较大差异，临高各林分枯落物自然持水率大小顺序为相思林、桉树林、次生林、木麻黄林（图1A）；而乐东以次生林枯落物自然持水率最大，以相思林的最小（图1B）；万宁则以相思林枯落物自然持水率较大，以桉树林的最小，其中次生林未收集到半分解层枯落物自然持水率数据（图1C）；文昌地区无半分解层，分解层枯落物自然持水率大小顺序为木麻黄林、桉树林、次生林、相思林（图1D）。由以上结果可以看出，不同林分枯落物自然持水率受气候、环境、降雨以及分解程度的影响。

2.2 枯落物持水率

持水率表征了枯落物的潜在持水能力[12]。从图2可以看出，浸泡开始时，枯落物持水率迅速增加，随吸水时间的延长，持水率趋于稳定，这与其他学者的研究结果相一致[13-15]。半分解层（I）枯落物的持水率在各时间段均大于未分解层（Ⅱ）的持水率。而不同林分的持水率大小顺序在不同区域差异较大。在临高（图2A-I，2A-Ⅱ）不同林分的持水率大小顺序为次生林、木麻黄林、桉树林、相思林；乐东地区各林分未分解层枯落物持水率大小顺序为次生林、相思林、木麻黄林、桉树林，而各林分半分解层枯落物持水率大小顺序为相思林、木麻黄林、桉树林、次生林（图2B）。万宁地区未分解层和半分解层均以相思林的持水率最大（图2C）；文昌地区各林分未分解层枯落物持水率大小顺序为木麻黄林、相思林、次生林、桉树林（图2D）。从以上结果可以看出，同一区域条件下的林分枯落物持水率由于吸水时间的不同而有所不同；不同林分枯落物的持水率存在较大差异。

2.3 枯落物吸水速率

枯落物未分解和半分解層的吸水速

率和吸水时间的关系均可用幂函数V=axt拟合，其方程拟合程度均达极显著水平（P<0.01）。吸水时间在1 h以内，吸水速率迅速下降，之后缓慢降低。未分解层和半分解层的吸水速率变化趋势基本表现一致（图3）。枯落物吸水速率V与吸水时间t之间的关系式见表2。

2.4 枯落物最大持水率

当各林分枯落物吸收达到一定程度后，枯落物质量趋于稳定，此时枯落物处于水分饱和状态。此刻的枯落物质量减去初始干重，即为枯落物最大持水率。枯落物的最大持水率也可表征一种枯落物的吸水能力[16]。从图4可以看出，木麻黄林和桉树林的未分解层枯落物最大持水率均低于半分解层，而次生林和相思林的未分解层枯落物最大持水率均高于半分解层。对于不同林分而言，临高（图4A）、乐东（图4B）和万宁（图4C）试验区均以次生林和相思林的未分解层最大持水率最高，以桉树林的未分解层最大持水率较低；而文昌（图4D）试验区则以木麻黄未分解层最大持水率最高，以桉树林的未分解层最大持水率较低。

3 结论与讨论

（1）海南岛不同区域各林分枯落物持水率差异较大。其中，临高各林分枯落物自然持水率大小顺序为相思林、桉树林、次生林、木麻黄林；乐东各林分枯落物自然持水率大小顺序为次生林、桉树林、木麻黄林、相思林；万宁以相思林枯落物自然持水率较大，以桉树林的最小；文昌地区无半分解层，分解层枯落物自然持水率大小顺序为木麻黄林、桉树林、次生林、相思林。不同地区各个林分枯落物自然持水率受温度、湿度、降雨量等环境因子的影响较大，这与高人等[17]、张洪江等[18]、马书国等[19]的研究结果相一致。

（2）枯落物未分解和半分解层的吸水速率和吸水时间的关系均可用幂函数V=axt拟合，其方程拟合程度均达极显著水平（P<0.01）。

（3）各个树种的林下枯落物未分解层和半分解层的持水率在1 h之前随时间增长最快，2～6 h放缓，24～48 h 达到吸水饱和。其中，木麻黄林和桉树林的未分解层枯落物最大持水率均低于半分解层，而次生林和相思林的未分解层枯落物最大持水率均高于半分解层。4个试验区平均枯落物未分解层最大持水率从大到小顺序为次生林、相思林、木麻黄林、桉树林；4个试验区平均枯落物半分解层最大持水率从大到小顺序为木麻黄林、相思林、桉树林、次生林。对于不同林分而言，临高、乐东试验区枯落物未分解层最大持水量从大到小顺序为次生林、相思林、木麻黄林、桉树林；万宁试验区未分解层最大持水率从大到小顺序为相思林、次生林、木麻黄林、桉树林，而文昌试验区则是木麻黄林、相思林、次生林、桉树林；临高试验区枯落物半分解层最大持水率从大到小顺序为次生林、木麻黄林、相思林、桉树林；乐东试验区枯落物半分解层最大持水率从大到小顺序为木麻黄林、相思林、桉树林、次生林。