滇东北4种典型筇竹林凋落物的持水性

钟 欢 董文渊 李 吉 张 炜 柳治伦 郑静楠 吴义远

(1 西南林业大学生态与环境学院 昆明 650224；2 西南林业大学筇竹研究院 昆明 650224；3 西南林业大学林学院 昆明 650224；4 西南林业大学职业技术学院 昆明 650224；5 云南省林业调查规划院 昆明 650051)

森林凋落物也称为有机碎屑或枯落物，是由森林生态系统中的地上生物产生并归还给林地表面的有机物质的总称[1-3]。森林凋落物是林地营养物质的主要来源，其凋落和分解是森林生态系统中的物流和能流的重要环节[4]。植物吸收土壤养分，同时又以凋落物的形式把养分归还给地表[5]。森林凋落物包括林内灌木及乔木的枯枝落叶、繁殖器官、落皮及枯死的根茎，枯萎的草本植物，动物残骸及其代谢产物等[6-8]。凋落物层具有重要的生态学意义，不仅可以补充土壤养分，还有保持水土、涵养水源的生态功能。凋落物涵养水源功能的大小与其组成、储量、自然含水率及分解速率相关。当前，国内外对森林凋落物的研究较多，主要集中在森林凋落物对土壤养分的影响、森林凋落物的分解速率、森林凋落物量及其分解速率产生的动态特征及森林凋落物分解的影响因子等方面，对凋落物层持水性能研究相对缺乏。

筇竹(Qiongzhueatumidinoda)为禾本科竹亚科筇竹属竹种，属中小型混生竹类，是国家3级保护珍稀濒危竹种之一，为我国西南地区所特有[9-10]。滇东北大关县是著名的“中国筇竹之乡”，现有天然筇竹—人工黄皮树(Phellodendronchinense)混交林、人工筇竹—黄皮树混交林、天然筇竹—人工厚朴(Magnoliaofficinalis)混交林、天然筇竹纯林等4种典型筇竹林类型。本研究以上述4种典型筇竹林凋落物为研究对象，根据凋落物分解状况对滇东北不同类型筇竹林凋落物储量及其持水性能进行研究，通过对比分析不同类型筇竹林凋落物的储量及持水性能，从而为滇东北筇竹林生态可持续经营提供理论依据和实践指导。

1 研究地概况

研究区位于大关县木杆镇，地处云南省东北部，位于103°52′—104°01′E，28°02′—28°14′N；属乌蒙山系，地势南北高，中间低，山高谷深，境内群山林立，海拔高差大，最高为2 263 m，最低为980 m；属北亚热带季风气候，垂直差异明显，全年平均气温为14.6 ℃，年均降水量1 335 mm，降水丰富。木杆镇有林地1.6万余hm2，森林覆盖率高达74%，其中筇竹林面积大，筇竹资源极其丰富。该地区土壤以山地红壤及黄壤为主。林下植被中灌木主要有西南绣球(Hydrangeadavidii)、寒莓(Rubusbuergeri)、菝葜(Smilaxchina)等，草本主要有凤仙花(Impatiensbalsamina)、楼梯草(Elatostemainvolucratum)、粗齿冷水花(Pileasinofasciata)等。

2 材料与方法

2.1 样地设置及凋落物采集

2019年7月，在大关县木杆镇选择天然筇竹—人工黄皮树混交林(A)、人工筇竹—黄皮树混交林(B)、天然筇竹—人工厚朴混交林(C)、天然筇竹纯林(D)等4种典型筇竹林。在4种林分类型中分别设置3个20 m × 20 m的标准样地，在标准样地内沿对角线S型布设5个1 m × 1 m的小样方。先测定凋落物层厚度并记录数值，然后分未分解层、半分解层、全分解层收集小样方内的全部凋落物，称取凋落物的鲜质量，带回实验室取部分凋落物烘干至质量恒定，烘箱设定温度为80 ℃。计算凋落物蓄积量及自然含水率[11-16]。

2.2 凋落物持水量、吸水速率及有效拦蓄量的测定

将凋落物烘干至质量恒定的样本称取500 g左右装入尼龙网袋，浸入清水中，在0.5、1、2、4、6、8、10和24 h后将装有枯落物的网袋取出，静置10 min左右，直至凋落物不滴水时迅速称其质量，最后将凋落物倒出，洗净网袋并称其湿质量，重复3次取均值。当凋落物含水量达到饱和状态时称为其最大持水量。通常情况下，凋落物浸入水中24 h后即吸水饱和，此时的持水量即为凋落物的最大持水量，此时的持水率称为最大持水率[16-21]。

凋落物持水量及持水率的计算公式如下：

凋落物持水量(t/hm2)=凋落物湿质量-凋落物干质量

凋落物持水率(%)=(凋落物持水量/凋落物干质量)×100%

凋落物有效拦蓄量(t/hm2)=(0.85×最大持水率-自然含水率)×凋落物蓄积量

凋落物吸水速率[g/(m2·h)]=即时持水量/浸泡时间

2.3 数据处理

采用Excel及SPSS17.0对数据进行处理分析。

3 结果与分析

3.1 不同类型筇竹林凋落物储量

从表1可以看出，人工筇竹—黄皮树混交林的凋落物总储量最高，为7.61 t/hm2；其次是天然筇竹—人工黄皮树混交林为6.61 t/hm2，天然筇竹—人工厚朴混交林的为5.73 t/hm2，天然筇竹纯林的最低为5.23 t/hm2。人工筇竹—黄皮树混交林、天然筇竹—人工厚朴混交林及天然筇竹纯林均是半分解层的凋落物储量最高，而天然筇竹—人工黄皮树混交林的凋落物储量最高的是全分解层，这可能是由于不同类型筇竹林中的水热状况及凋落物组成不同，导致其分解速率不一样。

3.2 不同类型筇竹林凋落物层持水性

3.2.1 不同类型筇竹林凋落物持水量

由表2可知，人工筇竹—黄皮树混交林(B)的未分解层凋落物最大持水量最大为1.19 t/hm2，天然筇竹—人工厚朴混交林(C)的凋落物最大持水量在半分解层及全分解层中均为最大，分别为1.26 t/hm2、1.22 t/hm2，表明其凋落物持水能力较强。天然筇竹纯林(D)的未分解层及半分解层凋落物的最大持水量均为最低，分别为0.61 t/hm2、0.90 t/hm2，表明其凋落物持水能力较弱，天然筇竹—人工黄皮树混交林(A)的全分解层凋落物最大持水量最低为0.96 t/hm2。综合分析表明，天然筇竹—人工厚朴混交林的凋落物最大持水量最高，人工筇竹—黄皮树混交林次之，天然筇竹纯林最差，说明筇竹混交林凋落物持水性能较筇竹纯林好。

表1 不同类型筇竹林凋落物储量及组成

表2 不同类型筇竹林凋落物持水量 t/hm2

3.2.2 不同类型筇竹林凋落物持水量与浸泡时间的关系

利用SPSS统计分析软件对不同类型筇竹林凋落物持水量与浸泡时间的关系进行拟合分析，可以得出凋落物持水量与浸泡时间的动态关系式为：

Y=aInt+b

式中：Y是凋落物持水量(t/hm2)，a是方程系数，t是浸泡时间(h)，b是常数。

通过拟合得到的不同类型筇竹林凋落物各层持水量与浸泡时间的关系式见表3。

表3 不同类型筇竹林凋落物层持水量与浸泡时间的关系

从凋落物各层持水量与浸泡时间的关系(图1—图3)可以明显看出，4种类型筇竹林的凋落物持水量均随浸泡时间的递增而增大，均在0～4 h内持水量上升速度较快，4 h之后变缓，10 h之后变化极小，说明凋落物持水量在10 h之后趋于饱和状态。凋落物总持水量表现为天然筇竹—人工厚朴混交林>人工筇竹—黄皮树混交林>天然筇竹—人工黄皮树混交林>天然筇竹纯林。

3.2.3 不同类型筇竹林凋落物吸水速率与浸泡时间的关系

由表4及图4、图5、图6可以得出，凋落物吸水速率在前2 h内急剧下降，2 h后下降速度减缓并逐渐趋于稳定。4种类型筇竹林凋落物在刚浸入水中时吸水速率相差均较大，但随着浸泡时间延长，不同类型筇竹林凋落物吸水速率趋于一致，因为随着浸泡时间的延长，不同类型筇竹林凋落物吸水逐渐趋于饱和状态。同时，在一定程度上也表明，筇竹混交林凋落物吸水速率及其最大持水量均高于筇竹纯林。

图1 凋落物未分解层持水性随浸泡时间的变化

图2 凋落物半分解层持水性随浸泡时间的变化

图3 凋落物全分解层持水性随浸泡时间的变化

图4 凋落物未分解层吸水速率随浸泡时间的变化

图5 凋落物半分解层吸水速率随浸泡时间的变化

图6 凋落物全分解层吸水速率随浸泡时间的变化

表4 不同类型筇竹林凋落物吸水速率 g/(m2·h)

利用SPSS统计分析软件对不同类型筇竹林凋落物吸水速率与浸泡时间的关系进行拟合，可以得出凋落物吸水速率与浸泡时间的关系式为：

V=c/t+d

式中：V是凋落物吸水速率[g/(m2·h)]，c是方程系数，t是浸泡时间(h)，d是常数。

通过拟合得到的不同类型筇竹林凋落物未分解层、半分解层、全分解层的吸水速率与浸泡时间的关系式见表5。

表5 不同类型筇竹林凋落物吸水速率与浸泡时间的关系

3.2.4 不同类型筇竹林凋落物拦蓄量

由表6可得，不同类型筇竹林凋落物最大持水率及自然含水率具有显著差异，且同一类型筇竹林不同凋落物层的最大持水率及自然含水率也有较大差异，凋落物未分解层最大持水率范围为125.15%～246.18%，半分解层最大持水率范围为185.34%～259.63%，全分解层最大持水率范围为198.22%～251.96%。其中：对于未分解层最大持水率而言，人工筇竹—黄皮树混交林的最高，天然筇竹—人工厚朴混交林次之；对于半分解层最大持水率而言，天然筇竹—人工厚朴混交林的最高，天然筇竹—人工黄皮树混交林的次之；对于全分解层最大持水率而言，天然筇竹—人工厚朴混交林的最高，天然筇竹纯林的次之。这与不同类型筇竹林中物种组成及凋落物化学性质密切相关。各类型筇竹林凋落物自然含水量与凋落物储量相关，凋落物储量大，其自然含水量也相对较高，而各类型筇竹林凋落物的总有效拦蓄量按大小顺序依次为：人工筇竹—黄皮树混交林>天然筇竹—人工厚朴混交林>天然筇竹—人工黄皮树混交林>天然筇竹纯林。

表6 不同类型筇竹林凋落物最大持水率与拦蓄量

4 结论

在不同类型筇竹林中，人工筇竹—黄皮树混交林的凋落物总储量最高为7.61 t/hm2，天然筇竹—人工黄皮树混交林次之为6.61 t/hm2，天然筇竹—人工厚朴混交林的为5.73 t/hm2，天然筇竹纯林的最低为5.23 t/hm2。天然筇竹—人工黄皮树混交林全分解层凋落物储量所占比例最大，其余3种林分均是半分解层凋落物储量占比较大，这与不同类型筇竹林中水热状况及凋落物组成差异相关。

不同类型筇竹林的凋落物持水量随浸泡时间的递增而增大，凋落物最大持水量及持水量之和均为天然筇竹—人工厚朴混交林>人工筇竹—黄皮树混交林>天然筇竹—人工黄皮树混交林>天然筇竹纯林。凋落物吸水速率在前2 h内急剧下降，2 h后下降速度减缓并逐渐趋于稳定。不同类型筇竹林在刚浸入水中时吸水速率相差均较大，但随着浸泡时间的增长，凋落物吸水速率逐渐趋于一致。因为随着浸泡时间的延长，不同类型筇竹林凋落物吸水逐渐趋于饱和状态。且在一定程度上也表明，筇竹混交林凋落物吸水速率及其最大持水量均高于筇竹纯林。

不同类型筇竹林凋落物最大持水率及自然含水率具有显著差异，且同一类型筇竹林不同凋落物层次的最大持水率及自然含水率也有较大差异。凋落物自然含水量与凋落物储量相关，凋落物储量大其自然含水量也相对较高，各类型筇竹林凋落物的总有效拦蓄量为人工筇竹—黄皮树混交林(9.74 t/hm2)>天然筇竹—人工厚朴混交林(8.95 t/hm2)>天然筇竹—人工黄皮树混交林(7.73 t/hm2)>天然筇竹纯林(6.23 t/hm2)。