南京近郊人工林地表枯落物的累积量及持水性

金雅琴，李冬林，孙丽娟，张文豹，叶子卿

(1.金陵科技学院园艺学院, 200038, 江苏南京；2.江苏省林业科学研究院，211153, 江苏南京；3.南京滨江公园管理有限公司，210019, 江苏南京)

城市森林作为城市结构的重要组成元素，自身承担着改善生态环境、美化城市风貌、防灾减灾等多种职能。研究表明，森林中广泛分布的枯落物作为城市森林的重要成分对降雨的二次分配起着重要作用[1]。森林枯落物凭借其强大的表面积，有利于缓冲雨滴冲击，减少雨滴溅落时对土壤表层结构的破坏和土壤侵蚀，可有效的阻拦地表径流，增强土壤的抗冲性能[1-2]；因此，森林群落中枯落物层在维持城市水生态平衡和创建海绵型城市水循环体系工程中承担着重要角色。目前，国内学者对于天然林分的生态功能研究颇多，并取得较多的研究成果，而城市森林的研究多涉及城市小气候调节[3-4]、景观美学[5-6 ]、群落结构及多样性[7-8]等方面，与当前海绵城市建设密切相关的城市人工林枯落物结构、蓄积量，以及持水性、拦蓄量研究少有报道。在当前城市建设日益扩张，森林面积增量有限的大背景下，选择何种树种，建设何种结构的人工林才能提高城市森林的水源涵养功能，才能有效发挥城市森林的“海绵”调节功能，这是城市森林建设中遇到的难点，也是各级政府需要面对的重大问题。笔者选取南京近郊8种不同类型的人工林群落，对其地表枯落物累积量和持水状况进行了定量研究，揭示不同人工林群落枯落物的累积量及其持水、拦蓄性能差异，旨在为我国城市人工林的建设与管理，以及海绵城市森林群落体系的构建提供一定的参考依据。

1 研究区概况

研究区域位于江苏省南京市，地理坐标为E 118.22°～119.14°，N 31.14°～32.36°，属北亚热带季风气候区，受海洋性气候的影响，四季分明，雨量充沛。年平均气温15.0～15.9 ℃，年降雨量1 034～1 276 mm，年日照时间2 212.8 h，无霜期220～250 d，地带性森林植被为含有常绿成分的落叶阔叶林。

研究地点位于南京河西新城区滨江风光带内的中国绿化博览园，西临长江，东靠滨江大道。该园建于2005年春，园区总面积77 hm2，分布有组成均一、年龄相当、管护规范的人工林群落。经过数年的生长、养护和管理，目前园区内树木生长茂盛，林冠郁闭，树木已进入成年，森林群落结构稳定。

2 研究方法

2.1 样地布设与样品采集

2016年12月中旬，事先通过踏查，选取树木组成一致、林龄相当、密度均匀、人为干扰轻的人工林群落作为试验林分，并在林分内采集样品。各试验林分均为纯林，自然式样配置，其生境状况和群落特征列于表1。在每一类型林分内分别设置典型样地3块(重复)，样地大小10 m×10 m。在每调查样地内沿对角线用样框选取30 cm×30 cm的小样方6块进行凋落物测定、取样。依据群落内凋落物的分解情况，将小样方内凋落物按未分解层(凋落物组颜色变化不大，基本保持原状) 和半分解层(颜色基本变褐色，叶片已无完整的轮廓，部分已腐烂)2个层次记录厚度，并分别取样带回实验室分析。凋落物取样后，随即用环刀进行林下土壤取样，分0～10 cm，10～20 cm 2层进行物理性质分析。

2.2 指标测定

枯落物厚度(d)用直尺量测，3次重复，精确到0.1 cm；枯落物累积量(M)测定采用实验室烘干法，并应用取样面积换算出单位面积的累积量(t/hm2)。枯落物各分解层持水性测定用清水浸泡法[9-10]，将样框内凋落物风干后称重，随后装入网袋分别浸入清水中0.25、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、和24 h，捞起并静置5～8 min，至枯落物不滴水时重新称量。浸泡结束后对各网袋内凋落物烘干(85 ℃) 8 h后称量，计算不同浸泡时段枯落物的持水量、持水率、吸水速率。所有称量均重复3次读数，取平均值。

表1 不同人工林群落的基本特征

2.3 指标计算与处理

枯落物自然含水率计算式为

R0=(M0-MD)/MD×100%。

(1)

式中：R0为枯落物自然含水率,%；M0为枯落物自然湿质量,g；MD为枯落物自然干质量,g。

枯落物持水率计算式为

Rt=(Mt-MD)/MD×100%。

(2)

式中：Rt为浸泡t小时后枯落物持水率，%；Mt为枯落物浸水t小时后吸水饱和后的质量，g。

枯落物最大持水率计算式为

Rmax=(M24-MD)/MD×100%。

(3)

式中：Rmax为枯落物最大持水率，%；M24为枯落物浸水24 h吸水饱和后的质量，g。

枯落物最大持水量计算式为

Wmax=MRmax。

(4)

式中：Wmax为枯落物最大持水量,t/hm2；M为枯落物累积量,t/hm2。

枯落物吸水速率计算式为

v=Wt/t。

(5)

式中：v为枯落物某时间段的吸水速率,t/hm2· h；Wt为t时刻落物持水量,t/hm2；t为浸泡时间,h。

最大拦蓄率根据凋落物最大持水率及平均自然含水率进行计算，然后结合单位面积累积量，推算出最大拦蓄量。其计算公式为：最大拦蓄率R拦=最大持水率Rmax-自然含水率R0；最大拦蓄量W拦=最大拦蓄率R拦×枯落物累积量M。

有效拦蓄量(WSV)估算参考文献[11-12]，计算公式为

WSV=(0.85Rmax-R0)M。

(6)

数据处理采用Excel2003绘图，用SAS612软件进行ANOVA分析，多重比较采用t测验(Ttest，LSD=Least significant difference)法。

3 结果与分析

3.1 不同人工林群落地表枯落物的累积量

由表2可知，8种人工林群落枯落物的总厚度(N)为2.10～5.24 cm，大小顺序依次为香樟(Cinnamomumcamphora)林 (Ⅰ)、乐昌含笑(Micheliachapensis)林 (Ⅱ)、女贞(Ligustrumlucidum)林 (Ⅲ)、马褂木(Liriodendronchinense)林 (Ⅳ)、朴树(Celtissinensis)林(Ⅴ)、槭树(Acerpalmatum)林(Ⅵ), 榉树(Zelkovaserrata)林(Ⅶ)和淡竹(Phyllostachysglauca)林(Ⅷ)。方差分析表明：不同群落枯落物总厚度有极显著差异(P<0.01)。从枯落物累积量(M)的变化来看，变动区间为4.42～8.14 t/hm2，而以香樟林为最高(8. 14±0.41 t/hm2)，槭树林最小(4.42 ±0.27 t/hm2)，其他几种群落累积量分别为乐昌含笑林(7.43±0.37 t/hm2)、女贞林(7.53±0.29 t/hm2)、马褂木林(7.31±0.32 t/hm2)、淡竹林(4. 87±0.34 t/hm2)、榉树林(4. 86±0.31 t/hm2)、朴树林(4.59±0.28 t/hm2)，且不同人工林群落枯落物累积量存在显著差异(P<0.05)。

从枯落物厚度的分层变化来看，所有群落枯落物未分解层厚度显著高于半分解层的厚度，说明林下枯落物分解不畅，枯落物以未分解形态为主体。但不同群落中枯落物分解层次的结构比例存在一定差异，这可能是枯落物累积和分解除了受水、热因子限制外，往往还受不同群落结构、土壤条件、植食动物等因素影响，表现较大变异性[13]。

表2 不同人工林群落枯落物厚度及累积量

用8种人工林群落枯落物累积量(M)与枯落物厚度(d)之间进行回归分析，二者存在显著的直线相关，其线性方程为：

M=1.405 4d+0.665 4,
(R2=0.823 4，P<0.05)。

(7)

3.2 不同人工林群落地表枯落物的持水性

1)枯落物持水量与浸水时间的关系。应用浸水试验法测定不同人工林群落地表枯落物的持水量。图1结果表明: 8种人工林地表枯落物持水量呈现出相似的动态变化特征，即随着浸水时间的延长，持水量依次增加，并呈现出倒“J”形曲线。浸水后的前30 min，持水量迅猛上升。2 h以后持水量趋于平稳，几乎呈现出直线变化，表明吸水趋于饱和。浸水24 h后未分解和半分解枯落物的累计持水量相比较，除了榉树林(Ⅶ)以外其余人工林群落的半分解层持水量明显要高于未分解层。不同人工林未分解层枯落物的持水量(图1A)而言，榉树林(Ⅶ)群落的持水量最大(24 h持水量16.36 t/hm2)，马褂木林(Ⅳ)群落的持水量最小(24 h持水量2.71 t/hm2)，8种群落的持水量大小排序为榉树林(Ⅶ)、槭树林(Ⅵ)、香樟林(Ⅰ)、乐昌含笑林(Ⅱ)、朴树林(Ⅴ) 、女贞林(Ⅲ)、淡竹林(Ⅷ)、马褂木林(Ⅳ)。从不同人工林半分解层枯落物的持水量变化(图1B)而言，女贞林(Ⅲ)群落的持水量最大(24 h持水量17.90 t/hm2)，朴树林(Ⅴ) 群落的持水量最小(24 h持水量10.09 t/hm2)，8种群落的持水量大小排序为女贞林(Ⅲ)、榉树林(Ⅶ)、乐昌含笑林(Ⅱ)、香樟林(Ⅰ)、马褂木林(Ⅳ)、槭树林(Ⅵ)、淡竹林(Ⅷ)、朴树林(Ⅴ)。

A：未分解层Un-decomposed layer； B：半分解层Semi-decomposed layer图1 不同人工林群落枯落物持水量随浸水时间的变化Fig.1 Change of water-holding capacity of litter with immersion time in different man-made forests

对8种人工林地表枯落物的持水量变化进行曲线回归，持水量(W)与浸泡时间(t)之间呈现如下关系：W=alnt+b，拟合的回归方程见表3，回归方程的R2均在0.9以上，说明持水量与浸泡时间拟合方程的拟合程度较高，较好地反映了枯落物持水量的动态变化。

表3 不同人工林群落枯落物持水量与浸水时间的回归方程

2)枯落物吸水速率与浸水时间的关系。图2示出8种人工林地表枯落物的吸水速率的动态变化， 不同人工林地表枯落物的吸水速率呈现出一致的“L”型变化，即随着浸水时间的延长，吸水速率依次递减。浸水后的前30 min，吸水速率由高到低迅猛下降。2 h以后吸水速率趋于平稳，4 h以后变化几乎是一条直线，说明枯落物在吸水2 h几乎吸水饱和，若再有外界水分浸入将出现外溢。若对固定时点半分解(B)和未分解(A)枯落物的吸水速率进行比较，半分解层(B)的吸水速率要明显高于未分解层(A)。不同人工林半分解层(B)枯落物的浸水1 h的吸水速率大小顺序为: 女贞林(Ⅲ)、榉树林(Ⅶ)、乐昌含笑林(Ⅱ)、香樟林(Ⅰ)、马褂木林(Ⅳ)、淡竹林(Ⅷ) 、槭树林(Ⅵ) 、朴树林(Ⅴ), 女贞林(Ⅲ)群落的吸水速率最大，达到4.52 t/(hm2·h)，为最小值朴树林(Ⅴ)群落吸水速率[2.53 t/(hm2·h)]的1.78倍；而未分解层(A)枯落物的浸水1 h的吸水速率大小顺序为: 榉树林(Ⅶ) 、槭树林(Ⅵ)、香樟林(Ⅰ)、乐昌含笑林(Ⅱ)、朴树林(Ⅴ) 、女贞林(Ⅲ)、淡竹林(Ⅷ) 、马褂木林(Ⅳ)。吸水速率大说明该群落对外源水分具有较强的调节能力，能够在短时间内吸收地表降水，并有效地减少地表径流。

对8种人工林地表枯落物吸水速率随浸水时间的变化进行曲线回归见表4。吸水速率(v)与浸泡时间(t)之间呈现如下指数关系：v=at-b。所有群落回归方程的R2均在0.9以上，说明吸水速率(v)与浸泡时间(t)拟合方程的拟合程度较高。

A：未分解层Un-decomposed layer； B：半分解层Semi-decomposed layer图2 不同人工林群落枯落物吸水速率随浸水时间的变化Fig.2 Change of water absorption rate of litter with immersion time in different man-made forests

3)不同人工林群落地表枯落物的持水拦蓄能力。持水量反应枯落物持水能力的大小，还不能代表枯落物的实际拦蓄能力。自然含水量反应枯落物样品最初的含水状态，对后期的有效拦蓄量研究提供参照性依据[12]。由最大持水量(Wmax)、自然含水率(R0)和群落枯落物累积量(M)可以推算出不同群落的最大持水率(Rmax)、最大拦蓄率(R拦)、最大拦蓄量(W拦)，以及有效拦蓄量(WSV)，表5示出不同人工林群落对水分的拦蓄能力进行评价。从评价结果来看，不同人工林群落地表枯落物Rmax及W拦显著不同，说明不同人工林群落持水、拦蓄能力有明显差异。榉树林(Ⅶ)、槭树林(Ⅵ)、朴树林(Ⅴ)3种人工林群落的持水能力较高，其Rmax均值分别为667.56%、462.90%和341.18%；相对的，马褂木林(Ⅳ)、香樟林群落(Ⅰ)两者群落的持水能力较低，其Rmax均值分别为191.38%和271.99%；其余几种群落的Rmax均值中等。这种结果与不同人工林群落的树种组成和枯落物层厚度、累积量、分解程度等要素相联系。

表4 不同人工林群落枯落物吸水速率(v)与浸水时间(t)的回归方程

表5 不同人工林群落枯落物持水能力指标

研究表明，不同群落内枯落物的持水特性与树种自身的生物学特性紧密相关，尤其是叶片质地、枯枝等枯落物的组成、内含物、化学特性等直接影响枯落物的分解快慢，进而影响到地表枯落物厚度、结构，从而对地表降水的存留、滞吸、和拦截产生重要影响[14-15]。从不同森林群落的生境结构来看，尽管其林分年龄相当，但树种组成和林分密度相差较大，地表枯落物结构和分解速度存在显著差异，这必然导致不同林分枯落物持水量不同，进而影响到不同森林群落的持水量和拦蓄率。有效拦蓄量(WSV)可用来估算枯落物对降雨的实际拦蓄能力，因此进一步计算不同群落类型的WSV更有说服力。8种人工林群落中以榉树林群落(Ⅶ)的WSV最大，达到26.32 t/hm2，表现为极强的拦蓄能力；槭树林(Ⅵ)和女贞林(Ⅲ)群落的WSV较大，分别达到16.64和16.44 t/hm2，在所有人工林群落中拦蓄能力较强；相对的，马褂木群落(Ⅳ)的WSV较小，仅为9.55 t·hm-2,相对拦蓄能力最弱。不同人工林群落有效拦蓄量的明显差别，说明在城市人工林建设中树种组成及群落类型的选择对成林后林地持水拦蓄和水源涵养能力有重要影响。

4 讨论和结论

1)森林枯落物的积累和分解, 是森林生态系统中物流和能流的重要环节[1]。 枯落物厚度及累积量反映了森林生态系统中养分的归还量和物质循环的能量流，对维持自然界的生态平衡具有重要作用。大量研究表明，枯落物的累积量大小主要取决于植物群落生产力，同时还依赖于当地的气候、土壤肥力、土壤含水量和物种组成[16]。从本研究的结果来看，8种人工林枯落物总厚度在2.10～5.24 cm，而累积量为4.42～8.14 t/hm2，这个测定结果明显低于同纬度的天然林群落[17-18]。究其原因，一方面是由于城市森林的树种组成相对简单，群落层次单一，其生产力明显低于天然林，另一方面，城市人工林多属于游赏性城市绿地，与天然林相比要遭受更多的人为干扰和生物侵害。当前，在我国城市公园和风景林养护中，枯落物的存在及其生态功能尚未受到足够的重视，大多被认为是一种固体废弃物而被清扫、填埋或者移走焚烧。其实，这种管护方式从生态学观念来看不可取，因为这不仅增加了城市绿地养护的投入和市容环境管理的压力，更为重要的是这种方式破坏了城市森林生态系统自身的物质循环和能量流动，森林地表枯落物的持水蓄养能力随之消失，土壤贫瘠化加剧，通透性降低。保护城市森林地表枯落物是对森林资源的保护，更是对城市森林生态系统的维护。

2)文献表明：森林枯落物的成分组成、内含物、化学特性等直接影响到枯落物的分解快慢，进而影响到地表枯落物的累积量[14-15]。本研究表明：不同人工林群落枯落物厚度和累积量有显著差异，这一点与张洪江等[19]、孙艳红等[20]、饶良懿等[21]对天然林群落的研究结果基本一致。从不同森林群落的生境和群落结构来看，尽管其林分年龄相当，但树种组成和林分密度相差较大，不同林分的叶片质地和分解速度也有显著差异，这些因素必然导致人工林内环境和林内物质循环的速度存在较大差异。地表枯落物的厚度及其分解程度、枯落物成分及年循环量差异是不同林分枯落物持水量不同、具有不同持水率和拦蓄量的内因，其相应的定量关系还有待今后作深入地研究。

3)随浸水时间的不断增加，8种人工林群落枯落物持水量不断增加，但增速为前30 min最快，30 min后增速逐渐变缓，2 h后趋于平稳。一定时期内持水量(W)与浸泡时间(t)之间呈现如下关系：W=alnt+b；吸水速率(v)与浸泡时间(t)呈现指数相关关系：v=at-b，这与天然林群落枯落物持水量的变化动态基本一致[12,22-23]。因此，城市人工林枯落物对林间短期降水具有良好的储蓄作用，尤其是半分解层的持水作用明显。这是由于半分解层枯落物已近腐烂，疏松多孔，吸水容量较大；因此，城市森林枯落物的半分解层是城市人工林水源涵养、吸水拦蓄功能的主要承担者。在当前发展节约型园林、构建建设海绵型城市的大背景下，地表枯落物应受到足够的重视而加以存留和保护。

4)枯落物的持水能力主要取决于枯落物累积量(M)、自然含水率(R0)、最大持水量(Wmax)、最大持水率(Rmax)、有效拦蓄量(WSV)等指标[24]。本研究表明：树龄相当、种类不同的人工林群落枯落物的持水能力显著不同。榉树林、槭树林、朴树林3种落叶人工林群落的持水能力较高，其Rmax高于其他常绿人工林群落(如香樟林、女贞林)。而就WSV测定结果来看，以榉树林群落的WSV最大(26.32 t/hm2)，表现为极强的拦蓄能力。可见，常绿树种组成的人工林其地表枯落物的持水拦蓄能力并非比落叶树种组成的人工林占优势。榉树是江苏常见的落叶阔叶树种，也是重要的珍贵用材树种，该树种生长快，适应性强，枝叶繁茂，成林后具有庞大的叶面积。尽管榉树林群落中地表枯落物的累积量不高，但其最大持水率和最大拦蓄率均较高，因此该群落仍能维持较高的蓄水功能，在当前海绵城市建设中应具有广阔的应用潜力。