草海流域6种林分枯落物水源涵养功能研究

侯春兰,杨 瑞,王 勇,刘 志,瞿 爽,文 慧,2,马思怡,3,陈颜明,3

(1.贵州大学 林学院,贵阳 550025；2.贵州省安顺市林业局,贵州 安顺 561000；3.贵州草海国家级自然保护区管理委员会,贵州 威宁 553100)

枯落物作为森林地表的覆盖层及保护层,是森林生态系统的重要组成成分之一,也是重要的水源涵养功能区[1]。近年来,大量学者对不同类型的森林群落枯落物层开展了许多研究,认为枯落物是涵养水源功能评价不可忽略的环节,林下枯落物的现存量及其本身的持水特性二者共同决定枯落物层的水源涵养功能,且林分的树种组成对枯落物层的蓄积量及持水特性具有重要影响[2-6]。威宁草海作为贵州高原典型的湿地生态系统,其特殊的地理区位导致当地居民的生产生活与草海湿地生态保护的矛盾日益突出,导致草海湿地水质污染严重,水位下降,趋于沼泽化,开展草海湿地生态修复亟待实现[7]。草海湿地流域森林群落作为草海湿地保护区外围的生态屏障,其水源涵养功能调控对保护湿地生态、缓解湿地退化发挥着重要的作用。目前,关于草海的研究多集中于珍稀动植物,针对草海湿地流域森林涵养水源功能的研究较少,缺乏对草海流域不同林分枯落物层涵养水源的能力量化评估,无法为草海流域植被恢复调控提供科学的指导依据[8-11]。本文选择草海流域6种林分的枯落物作为研究对象,对枯落物层厚度、蓄积量及涵养水源过程的差异进行量化研究,为草海流域水文生态功能调控与植被恢复的物种组合配置提供依据。

1 研究区概况

研究区位于草海自然保护区(N26°49′～26°53′,E104°12′～104°18′),地处乌蒙山脉腹地,属长江水系的上游湖泊,湿地的水源来自周边河流及降雨,年均气温在10.5℃、降雨量约1 000 mm、相对湿度约为79%[12]。草海流域内植被类型主要为云南松(Pinusyunnanensis)、滇杨(Populusyunnanensis)、茶树(Camelliasinensis)、华山松(Pinusarmandi)、杉木(Cunninghamialanceolata)等。

2 研究方法

2.1 样地设置

基于对草海流域森林林分及分布状况的实地调查,分别于2017年8月20日至2017年8月30日在草海流域选取云南松林、针阔混交林(云南松-滇杨)、滇杨林、茶树林、华山松林、杉木林等6种林分中布设样地,样地面积为20 m×20 m,记录林分起源、树种组成、树高、林分郁闭度、土壤类型等林分特征,样地基本概况如表1所示。

表1 不同林分基本概况Tab.1 The basic situation of different stands

2.2 枯落物的收集与蓄积量测定

在6种林分样地中单独布设5个小样方(1m×1m),根据枯落物分解状况分为未分解层和半分解层,采用等距离布点式对厚度进行分层测量并分层收集,将收集的枯落物带回实验室阴干,计算出不同林分枯落物层的蓄积量。

2.3 枯落物水文功能测定

将采集的6种不同林分的枯落物阴干称重后,浸入清水中,分别间隔5,10,15,20,30,40,60,90,120,180,240,300,420,540,720,900,1 440min后取出,静置到枯落物未滴水时进行称重,用于计算枯落物的水文功能,计算公式如下:

Qmax=M24-M

(1)

Rmax=(M24-M)/M

(2)

vt=(Mt-M)/t

(3)

式中：Qmax,Rmax,vt分别为最大持水量、最大持水率和不同浸水时间(t)的持水速率,M,Mt,M24分别为枯落物的干重、不同浸水时间(t)的湿重、浸水24 h的湿重。

2.4 坐标综合评价法

坐标综合评价法是以各指标的实际值到最优值的距离作为该值的得分对其进行评价,可对不同单位的多个指标进行得分比较。有学者研究表明,可通过枯落物厚度、蓄积量、最大持水量与最大持水率等指标对枯落物层的水源涵养功能进行综合评价[13-15]。

本研究评定方法如下:首先,分别用Xij表示各指标的原始数据,i和j分别代表林分类型和指标类型；其次,为了消除单位带来的影响,取与每一指标最大者Xj的比值作为相对值dij,列出相对值数据表；再次,根据公式计算各指标实际值到最优值的距离pi；最后,对同一林分类型不同水源涵养功能指标的实际值到最优点的距离求和,记作S,即为综合评价值,综合评价值最小即涵养水源功能表现最优,其中n为指标量。具体公式为:

dij=Xij/Xmax

(4)

(5)

(6)

3 结果分析

3.1 不同林分枯落物蓄积量

枯落物层的厚度和蓄积量很大程度决定了枯落物层的蓄水能力,其中影响林分蓄积量的重要因子包括树种类型及其组成等[16]。由表2可知,6种林分枯落物层的总厚度变化范围为1.34～3.26cm,其中,厚度最大的为云南松林,其次为滇杨林和杉木林,茶树林最小。6种林分枯落物蓄积量比较中,未分解层和半分解层的蓄积量均表现为云南松林最大,其次为滇杨林,茶树林最小,云南松林与茶树林的总蓄积量相差2.91t/hm2。6种林分枯落物半分解层的厚度和蓄积量均小于未分解层,未分解层的枯落物蓄积量均占到总枯落物层的57%以上,占比最大的为杉木林(75.57%),其次为华山松林(74.31%),最小的为滇杨林(57.89%)。

表2 不同林分的枯落物厚度与蓄积量Tab.2 The thickness and accumulation of litter in different stands

注:不同小写字母表示不同林分各指标具有显著差异(P<0.05),下同。

3.2 不同林分枯落物持水能力

枯落物自身的持水性能对其枯落物层的蓄水能力具有重要影响。由表3可知,6种林分枯落物半分解层的持水量均比未分解层的低,除华山松外,其余林分的枯落物半分解层的持水率均较未分解层的持水率低,且不同林分半分解层枯落物的持水率没有显著差异(P>0.05)。总持水量最大的为滇杨林,其次为云南松林,茶树林最小。平均持水率的排序与总持水量的不同,平均持水率从大到小依次为：针阔混交林>滇杨林>云南松林>华山松林>杉木林>茶树林,针阔混交林的平均持水率为茶树林的1.56倍。

表3 不同林分枯落物持水能力Tab.3 The water-holding capacity of litter in different stands

3.3 不同林分枯落物的持水过程

模拟降雨时枯落物对降雨的吸持动态变化,常常用枯落物能够吸持的水量和吸持水分的速率随浸水时间变化的趋势表示。由图1可知,6种林分未分解层和半分解层的枯落物持水量均随浸水时间增加呈现急剧增加—缓慢增加—趋于平缓的变化趋势。在图1(a)中,未分解层枯落物的持水量在浸水前5min急剧增加,浸水5 min时的持水量最大的为滇杨林(2.38t/hm2),针阔混交林(1.79t/hm2)次之,最小的为茶树林(0.23t/hm2),此时茶树林和杉木林的未分解层枯落物浸水5 min时的持水量分别达到最大持水量的46.32%和30.34%,云南松林、针阔混交林、滇杨林及华山松林未分解层枯落物的持水量分别达到最大持水量的53.00%、67.38%,68.58%,64.82%。浸水5～120 min时,云南松林、针阔混交林、茶树林及华山松林的持水量缓慢增加,浸水120 min时的持水量分别达到最大持水量的90.06%,85.06%,81.67%,88.96%,浸水120～1 440 min时持水量趋于平缓,并达到饱和持水量。滇杨林与杉木林的未分解层枯落物在浸水5～720 min时的持水量缓慢增加,浸水720 min时的持水量分别达到最大持水量的96.39%,95.96%,浸水720～1440 min时持水量趋于平缓,并达到饱和持水量。

在图1(b)中,半分解层的枯落物持水量在浸水前5min急剧增加,持水量最大的为滇杨林(1.40t/hm2),其次为云南松林(1.13t/hm2),最小的为茶树林(0.06t/hm2)。6种林分半分解层枯落物浸水5～120 min时的持水量缓慢增加,持水量均达到最大持水量的73%以上,120～1 440 min时持水量趋于平缓并达到最大持水量。

图1 不同林分枯落物持水量与浸水时间关系Fig.1 The relationship between water-holding capacity and soaking time in different stands

由图2可知,枯落物持水速率随浸水时间的增加呈现急剧下降—缓慢下降—趋于平缓的变化趋势,半分解层枯落物吸持水分的速率低于未分解层。枯落物浸入水中的前5min,巨大的水势差使得枯落物快速吸收水分,此时的持水速率达到最大,浸水30min后,枯落物对水分的吸持速率减缓并达到稳定,1 440min时枯落物吸水达到饱和,持水速率几乎为零。在图2(a)中,浸水5min时,未分解层枯落物对水分的吸持速率最快的为滇杨林(0.47 (t/hm2)/min),其次为针阔混交林(0.36 (t/hm2)/min),茶树林最小(0.05 (t/hm2)/min)。在图2(b)中,浸水前5min时,半分解层枯落物对水分的吸持速率最快的仍为滇杨林(0.28 (t/hm2)/min),其次为云南松林(0.23 (t/hm2)/min),最小的仍为茶树林(0.01 (t/hm2)/min)。

分别对6种林分的未分解层和半分解层枯落物的持水量与浸水时间、持水速率与浸水时间进行模型拟合,结果如表4所示,持水量与浸水时间、持水速率与浸水时间分别符合方程:Q=alnt+b,R2>0.82；v=ktn,R2>0.98,结果表明,枯落物对水分的吸持量以及吸持速率与浸水的时间均具有相关性。

图2 不同林分枯落物持水速率与浸水时间关系Fig.2 The relationship between water absorption rate of litter and soaking time in different stands

表4 不同林分枯落物持水量 持水速率与浸水时间关系式
Tab.4 The relationship between water-holding capacity,water absorption rate of litter and soaking time in different stands

林分类型枯落物层持水量与浸水时间关系式R2持水速率与浸水时间关系式R2云南松林杉木林滇杨林针阔混交林华山松林茶树林未分解Q=0.249lnt+1.7000.923 v=1.823t-0.9060.998半分解 Q=0.109lnt+1.0760.959 v=1.125t-0.9280.999未分解 Q=0.256lnt+0.3180.973 v=0.617t-0.8170.997半分解 Q=0.114lnt+0.4560.917 v=0.527t-0.8710.995未分解 Q=0.197lnt+1.9450.916 v=2.069t-0.9320.999半分解 Q=0.120ln t +1.2340.993 v=1.295t-0.9310.999未分解 Q=0.147lnt+1.6150.978 v=1.689t-0.9350.999半分解 Q=0.104lnt+0.1420.990 v=0.253t-0.8150.997未分解 Q=0.117lnt+1.2150.964 v=1.268t-0.9310.999半分解 Q=0.098lnt+0.1350.986 v=0.245t-0.820.998未分解 Q=0.037lnt+0.2360.911 v=0.255t-0.9030.998半分解 Q=0.023lnt+0.0850.827 v=0.093t-0.8520.984

3.4 枯落物层水源涵养功能综合评价

为比较草海流域6种林分枯落物层涵养水源的功能,研究选取枯落物层的总厚度、蓄积量、最大持水量、平均持水率4个指标对6种林分的水源涵养功能进行综合评价,各指标的最大值均为最优值,综合评价值表现如表5所示:云南松林(0.30)<滇杨林(0.42)<针阔混交林(1.19)<杉木林(1.35)<华山松林(1.51)<茶树林(2.64)。

表5 不同林分枯落物水源涵养功能综合评价排序Tab.5 Comprehensive evaluation and ranking of water conservation function of litter in different stands

4 结论与讨论

1)草海流域6种林分的枯落物厚度与蓄积量存在差异,未分解层的厚度、蓄积量与最大持水量显著高于半分解层,枯落物层的总厚度变化范围在1.34～3.26 cm之间,蓄积量变化范围在0.62～3.53 t/hm2之间,云南松林的蓄积量最大,其次为滇杨林,茶树林的最小；总持水量在0.76 ～5.57 t/hm2之间,最大的为滇杨林,其次为云南松林,茶树林的最小。研究中茶树林的郁闭度较低,且茶树不易落叶,枯落物积累较少,导致茶树林与云南松林蓄积量相差2.91 t/hm2,其持水量差异达4.40t/hm2,表明不同林分枯落物的蓄积量对其水源涵养功能具有较大影响,枯落物对水分的吸持能力随枯落物层的厚度、蓄积量的增加而增强,与前人研究结果一致[17]。研究中未分解层的枯落物蓄积量均占到枯落物层的57%以上,其单位面积的持水量也较半分解层的大。但是,持水率的大小顺序与持水量不一致,除华山松外,其余林分枯落物的持水率和持水速率均表现为未分解层大于半分解层,与周巧稚等[18]研究结果相似,而一些学者认为半分解层存在亲水性强的腐殖质,持水性能随着分解程度的加深逐渐增强[19-21]。关于枯落物持水性能与分解程度关系的研究结果尚存在分歧,导致这种分歧的原因可能与我国地域差异性较大有关,且不同林分物种组成比例、林分密度、枯落物层组分、气候和土壤等外部因素的综合影响导致其枯落物层水文生态功能复杂多变,今后有必要进一步研究其相关性。

2)通过对草海流域6种林分的枯落物层持水能力的研究发现,最大持水率在119.05%～207.69%之间,平均持水率从大到小依次为:针阔混交林>滇杨林>云南松林>华山松林>杉木林>茶树林,与王佑民[22]对我国各地乔木林下枯枝落叶层进行持水能力研究的结果存在差异,他认为枯落物的最大持水量与其干重的比值约为2～4,不同区域、不同林分枯落物的持水能力因其树种组成及地域差异而具有很大差异。

3)持水量、持水速率与浸水时间分别符合方程:Q=alnt+b,R2>0.82；v=ktn,R2>0.98。综合分析结果表明,草海流域6种林分枯落物层涵养水源的能力从强到弱表现为:云南松林(0.30)>滇杨林(0.42)>针阔混交林(1.19)>杉木林(1.35)>华山松林(1.51)>茶树林(2.64)。云南松与滇杨混交林具有较优的涵养水源功能,在对草海流域进行水文生态功能调控与植被恢复的物种组合配置时,可在针叶林中混植阔叶树种,茶树林中混植乔木树种,促进枯落物的积累,提高涵养水源功能。