不同林龄杉木人工林凋落物持水特性研究

夏璟钰，王雯颖，蒋林君，钟 翔，刘 龙，徐传洪，2，欧阳帅，2

（1.中南林业科技大学生命科学与技术学院，湖南长沙 410004；2.湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站，会同 438107）

森林凋落物是由林木及林下植被所凋落的枝、叶、花、果实和枯死的植物体所构成的地表覆盖层[1]，作为一个存在输出输入、连接地上植被层和地下土壤层的独特结构层次，它不但参与元素循环和土壤营养元素调节，且在维持森林水量平衡方面有着重要作用[2-4]。林冠层、凋落物层及土壤层3个作用层对降水进行拦截滞储，实现森林生态系统涵养水源的功能。凋落物层作为第2个功能层，在截持降雨、减少林地蒸发、阻滞地表径流、增强土壤抗冲能力、防止土壤溅蚀等方面有着十分重要的水文效应[5]。学者们从水文角度对不同林分凋落物层持水特性及储量进行了研究[6-7]，陈水莲等[8]研究了不同树种人工林凋落物的持水特性，针对同一树种不同林龄阶段凋落物层持水特性的研究较少。

杉木（Cunninghamia lanceolata）生长快、经济价值高，是中国南方最常见的用材、人工生态防护林树种。在过去几十年里，由于国内外市场对木材及林产品的需求，大面积天然常绿阔叶林被人工林取代[9]。我国现有杉木人工林面积约为900万hm2，约占全国人工林面积的30%[10-11]。全球气候变化问题日益严峻，杉木人工林不仅具有木材生产功能，还具有保持水土的生态功能。了解不同发育阶段杉木人工林凋落物的持水特性对于杉木多目标经营和可持续发展具有重要意义[12]。本研究以杉木中心产区湖南会同不同林龄阶段人工林为研究对象，采用野外调查与室内浸提相结合的方法，对凋落物现存量和凋落物（叶和枝）持水特征2个方面进行探究，以期为我国南方杉木人工林科学经营提供数据与理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于杉木中心产区湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站（109°45'E，26°50'N），海拔270～400 m，属低山丘陵地貌（图1）。为亚热带季风气候，温暖湿润，年均气温16.5℃，相对湿度77%以上。年均降水量1 200～1 400 mm。年日照时数超过1 900 h。土壤类型为山地黄壤。水、热基本同期，降雨集中在春夏（3—8月），有利于杉木生长[13]。

图1 湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站Fig.1 Huitong national field station for scientific observation and research of Chinese fir planation ecosystem in Hunan

1.2 凋落物现存量调查

2018年10月选取立地条件与营林方式基本一致的杉木人工林纯林，按照《国家森林资源连续清查湖南省第七次复查操作细则》，选取中龄林（11～20年生）、近熟林（21～25年生）和成熟林（26～35年生）3个林龄阶段（表1）。每个林龄阶段设置标准样地4 块，面积为20 m×20 m，在每块标准样地内按“S”形随机布设5个小样方（1 m×1 m），分别按已分解层、半分解层和未分解层收集各小样方内的全部凋落物。将收集到的样品置于65℃恒温干燥箱内烘干至恒重，称重，据此换算成林地凋落物现存量（t/hm2）。随后，将烘干样品枝、叶、果分离，去除杂质，分别称重，并记录数据。

表1 不同林龄杉木人工林林分特征Tab.1 Stand characteristics of different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

1.3 凋落物持水特性测定

取不同林龄阶段叶、枝凋落物样品各10 g，称重后装入尼龙网袋中，浸水0.5、1、1.5、2、4、6、8、10、12、24 h后捞出，悬挂静止至不滴水时（约5 min），用毛巾轻微擦干，以减少尼龙袋网格中残留水分带来的计算误差，称样品与尼龙袋总重和去掉样品后尼龙袋袋重，计算差值得到每个时间段凋落物持水量，根据持水量计算每个时间段凋落物的持水率和吸水速率。每个样品3次重复，取平均值。

1.4 指标计算

本研究根据以下公式计算凋落物持水特性相关指标[14]：

凋落物持水率=（经t时间浸泡后的凋落物重量-凋落物烘干重量）/凋落物烘干重量×100%；

凋落物持水量=凋落物现存量×凋落物持水率；凋落物吸水速率=凋落物持水率/浸泡时间。

2 结果与分析

2.1 不同林龄阶段杉木人工林凋落物现存量比较

不同林龄阶段的凋落物现存量表现为成熟林最大（2.72 t/hm2），近熟林次之（2.36 t/hm2），中龄林最小（1.26 t/hm2）（图2）。中龄林阶段未发现已分解层凋落物，近熟林已分解层凋落物量为0.59 t/hm2，成熟林为0.67 t/hm2，分别占凋落物总量的25.00%和24.63%。中龄林未分解层凋落物量小于半分解层，成熟林未分解层凋落物量大于半分解层。各林分凋落物未分解层中，落叶占33.90%～52.07%，中龄林叶凋落物最少（0.18 t/hm2），成熟林最多（0.53 t/hm2）；枯枝占12.00%～29.13%，中龄林枝凋落物最少（0.07 t/hm2），近熟林最多（0.22 t/hm2）。

图2 不同林龄阶段杉木人工林凋落物现存量Fig.2 Standing crop of litters in different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

2.2 不同林龄阶段杉木人工林凋落物持水特性比较

2.2.1 凋落物持水量

不同林龄阶段杉木人工林叶、枝凋落物的持水量随浸泡时间的延长而增加，快速增加期为前1.5 h，之后增长趋于平缓，6 h 后接近饱和（图3）。整个浸泡过程中，叶凋落物最大持水量表现为成熟林（5.50 t/hm2）稍高于近熟林（4.49 t/hm2），显著高于中龄林（2.20 t/hm2）；枝凋落物最大持水量最高为近熟林（1.20 t/hm2），成熟林（1.09 t/hm2）稍低于近熟林，最低为中龄林（0.27 t/hm2）。

图3 不同林龄阶段杉木人工林凋落物（叶和枝）持水量Fig.3 Water holding capacity of litters(leaves and branches)in different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

2.2.2 凋落物持水率

不同林龄阶段杉木人工林叶、枝凋落物持水率在前1.5 h 迅速增加，之后增长趋于平缓，18 h 左右趋近饱和（图4）。叶凋落物最大持水率表现为中龄林最高（241.37%），近熟林次之（224.80%），成熟林最低（208.17%）；枝凋落物最大持水率表现为成熟林最高（148.63%），近熟林次之（107.37%），中龄林最低（81.80%）。

图4 不同林龄阶段杉木人工林凋落物（叶和枝）持水率Fig.4 Retention rate of litters(leaves and branches)in different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

2.2.3 凋落物吸水速率

不同林龄阶段杉木人工林叶凋落物最大吸水速率表现为中龄林（3.54 g·g-1·h-1）＞近 熟 林（3.06 g·g-1·h-1）＞成熟林（2.79 g·g-1·h-1）。叶凋落物吸水率均表现为前0.5 h 最快，之后随浸泡时间的增加而降低，5 h 后下降变缓，浸泡24 h 后，均降至0.09 g·g-1·h-1左右。枝凋落物最大吸水速率表现为近熟林（1.92 g·g-1·h-1）＞成熟林（1.74 g·g-1·h-1）＞中龄林（1.44 g·g-1·h-1）。前2 h，枝凋落物吸水速率均快速下降，之后下降变缓。

图5 不同林龄阶段杉木人工林凋落物（叶和枝）吸水速率Fig.5 Water absorption rate of litters(leaves and branches)in different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

2.3 相关性分析

不同林龄阶段杉木人工林叶、枝凋落物持水量、持水率及吸水速率与浸泡时间进行对数拟合，大部分方程R2大于0.845，相关性较强（表2、3）。不同林龄阶段杉木叶、枝凋落物吸水速率与浸泡时间按照幂函数方程进行拟合，方程R2均大0.900。

表2 不同林龄杉木人工林叶凋落物持水特性与浸泡时间的相关性Tab.2 Correlation between water holding characteristics of leaf litters and immersion time in different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

表3 杉木人工林枝凋落物持水特性与浸泡时间的相关性Tab.3 Correlation between water holding characteristics of branch litters and immersion time in different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

3 结论与讨论

3.1 凋落物现存量

凋落物的输入量、分解速率与累积年限是影响凋落物现存量的主要因素，同时凋落物现存量也受森林树种组成与林分所处水热条件状况影响[15]。本研究中，3个林龄阶段人工林凋落物现存量的动态变化模式呈对数增长，峰值出现在成熟林期，现存量为1.26～2.72 t/hm2，略低于同气候带针叶人工林凋落物现存量[16]，明显低于热带雨林或季雨林[17]。结果显示，随着林龄的增加、成长期中各器官的成熟，植株新陈代谢速率加快，杉木人工林未分解层凋落物现存量从中龄林至成熟林阶段不断增加。

已分解层与半分解层凋落物现存也随林龄增加逐渐增长，说明杉木人工林生态系统凋落物层分解能力随林龄增加逐渐增强。凋落物层对杉木人工林生态系统的养分归还起到重要作用，其各组分对凋落物堆积量有不同的贡献，其中枯叶、枝为凋落物的主要归还组分[18]。

3.2 凋落物的持水性能

3个林龄阶段杉木人工林叶凋落物最大持水量的动态变化模式为单峰型，峰值出现在成熟林期，该动态变化与凋落物现存量动态变化趋势相同。叶凋落物的持水率将决定该林区凋落物的截水能力，随着凋落物浸泡时间推移，凋落物持水率拟合曲线逐渐平缓，凋落物持水率接近饱和。试验中发现凋落物持水量、持水率与浸泡时间的关系可以很好地拟合为对数函数。叶凋落物在持水量及最大持水率方面均明显高于枝凋落物，说明叶凋落物在持水能力方面起主要作用。叶与枝凋落物吸水速率与浸泡时间的关系可以很好地拟合为幂函数，这与其他学者的研究结果一致[19-20]。中龄林叶凋落物吸水速率在0～2 h 时明显高于成熟林与近熟林，说明在短时强降雨过程中，中龄林高效的持水能力可以缓解由于其凋落物现存量较少而产生的水土流失。前1.5 h，各林龄阶段凋落物吸水能力最强，表明凋落物层能有效的截留与拦截短时强降水和初期降雨，使流域的地表径流减少、地下径流增加，总产流量减少、产流时间延长，有利于调控降水的分配、减轻土壤侵蚀、减少土壤养分流失[21]。枯枝在持水量与持水率方面远小于凋落物平均持水量与持水率，因此，凋落物层的枝叶比例将会影响凋落物的持水性能。观察发现在实际林地环境中，雨水并不能与凋落物充分接触，凋落物层中枝的存在可以增加凋落物层的空隙，从而增加雨水与凋落物层的接触面，增加了凋落物层的截水能力与涵养水源的作用。