兰州市南北两山主要灌丛凋落物持水特性

2021-07-28刘小娥苏世平

草业科学 2021年6期

刘小娥，苏世平

（甘肃农业大学林学院，甘肃兰州 730070）

灌丛作为陆地生态系统重要组分之一，在区域生态平衡方面，具有举足轻重的作用[1-2]。在群落演替过程中，具有双向性，即前一阶段是草地，后一阶段是森林[3]，因此，演替朝着哪个方向推进，与群落树种组成、立地因子、人为活动等因子均有密切的关系。而凋落物可有效改善林地的内环境，对演替有一定的影响。一般而言，灌丛树种具有较强的抗逆性、适应性和萌蘖性，比乔木林密度高、郁闭早，成林早，在保持水土和涵养水源方面具有较强的优势[4]。凋落物是林分水源涵养功能形成的重要物质之一，其大小主要取决于凋落物的现存量和持水能力两方面[5]，而凋落物的现存量主要取决于林分对枯落层的输入量以及分解速度。输入量与树种[6]、林分密度有密切关系，分解速度除了与树种生物学特性有关外，还与林地的环境因素有密切的关系。研究表明，落叶树种组成的林分要比常绿树种组成的林分凋落物输入量高，在高温高湿的环境下，凋落物分解快，反之则慢[7]。凋落物的持水性能则受制于诸多因素，其含水量时空变化比较复杂，通常与林分树种组成、凋落物厚度、林地温度、湿度、凋落物分解程度、坡位、坡向、坡形、坡度和海拔等因素结合起来，直接或者间接地影响下垫面的水热分配和交换状况[8-9]。凋落物截流量与储量成正相关，相关研究表明，凋落物最大持水率在200%～500%[10]。因此，对不同灌丛类型凋落物持水特性进行研究，揭示其水文特征，可为今后植被人工恢复过程中，灌木树种的选择提供一定的理论依据。

兰州市南北两山是兰州市的重要生态屏障，对维护该区域的生态安全具有举足轻重的作用，自1926 年开始人工造林[11]，至今两山的面山基本已全部绿化，大面积的人工林和灌丛已初步发挥其生态效益和社会效益，不少学者在树种抗旱能力评价[12-13]、群落结构[14]、土壤理化性质[15-17]、植被组成[18]方面进行了相关研究，然而，对于南北两山人工林在生态、水文效益方面，目前鲜见报道。因此，本研究选取兰州市南北两山具有代表性的4 种主要人工灌丛，对其凋落物蓄积量和持水能力进行研究，揭示不同人工灌丛的蓄水保水、调节降雨的能力，旨在为该区域今后在灌木林营造过程中树种的合理选择提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

兰州市南北山，东起城关区青白石乡张儿沟，西至西固区达川乡达家沟，北至兰州中川机场。属于甘肃黄土高原陇中北部黄土丘陵区，土质为灰钙土，区域年降水量327.7 mm，蒸发量1 468 mm，年平均气温为9.1 ℃，气候干旱，降雨稀少，属于典型的暖温带半干旱大陆性季风气候。区域内植被类型主要为人工植被，人工造林树种主要有：刺槐(Robinia pseudoacacia)、侧柏(Platycladus orientalis)、千头柏(Platycladus orientalis)、山桃(Prunus davidian)、油松(Pinus tabulaeformis)、柠条(Caragana microphylla)、红花锦鸡儿(Caragana rosea)、沙枣(Elaeagnus angutifolia)、山杏(Armeniaca sibirica)、沙棘(Hippophae rhamnoides)等；甘蒙柽柳(Tamarix austrmongolica)、柽柳(T. chinensis)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)、红砂(Reaumuria soongorica)等[15,18]。本研究选取该区域分布较广、面积较大的4 种人工灌丛，进行凋落物持水特性研究，各灌丛植物组成及样地基本情况如表1 所列。

表1 样地基本情况Table 1 Basic conditions of the different shrub types

1.2 研究方法

1.2.1 凋落物采集与蓄积量测定

在对兰州市南北两山人工灌丛踏查的基础上，于2019 年8 月，选择4 种造林时间基本一致的灌丛，每灌丛选取海拔、林相基本一致的3 个代表性样地(10 m × 10 m)，其中，北山2 个，为九州台和徐家山，南山1 个，为大洼山，调查环境与林分因子(表1)，每个样地内沿对角线随机选取3 个1 m ×1 m 的小样方，每个样方内随机选取3 个点，测定凋落物厚度，各点按未分解层、半分解层收集全部凋落物，称取鲜重，凋落物在室内风干后称重，获得单位面积未分解、半分解凋落物干重。

1.2.2 凋落物最大持水率测定

将50 g 风干后的凋落物装入0.15 mm 孔径的15 cm × 20 cm 的尼龙网袋，将网袋中的凋落物完全浸入清水中吸水24 h，之后取出，在室内悬挂静置至无水滴滴下时称重，将袋中凋落物在75℃烘干24 h后称重，计算凋落物最大持水量，每样方重复3 次[19]。

1.2.3 凋落物持水过程的测定

将50 g 风干后的凋落物装入0.15 mm 孔径的15 cm × 20 cm 的尼龙网袋中，在吸水0.08、0.25、0.5、1、 1.5、 2、 3、 4.5、 6、 8、 10、 12、 14、 16、 18、 20、 22和24 h 后，将网袋从水中取出称重，在吸水试验结束后对各网袋内凋落物在75 ℃下烘干24 h 后称重，计算不同浸泡时段凋落物的持水量及吸水速率[19]。

计算公式如下：

式中：Wt为t时刻凋落物持水量，Gt为t时刻凋落物湿重，Gd为凋落物干重，Rh 为凋落物持水率，V为凋落物某时间段的吸水速率，t为凋落物浸泡时间，Rhmax为凋落物最大持水率，G24为凋落物浸水24 h后的重量，Gd为凋落物干重，Whmax为凋落物最大持水量，M为凋落物累积量，R0为平均自然含水率，G0为凋落物鲜重，Rsmax为凋落物最大拦蓄率，Wsmax为凋落物最大拦蓄量，Rsv为凋落物有效拦蓄率，Wsv凋落物有效拦蓄量。

1.2.4 数据处理

利用SPSS 17.0 软件进行Duncan 法多重比较、回归分析和显著性检验，用Excel 2007 软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同灌丛类型凋落物厚度及累积量

兰州市南北两山不同灌丛类型凋落物的厚度和累积量差异显著(P＜ 0.05)。4 种灌丛凋落物的总厚度在0.19～5.55 cm，红花锦鸡儿＞柽柳＞千头柏＞红砂。4 种灌丛凋落物的总累积量在0.44～48.51 t·hm-2，红花锦鸡儿最大，红砂灌丛最小(表2)。

表2 不同灌丛类型凋落物厚度及累积量(n = 9)Table 2 Litter thickness and accumulation amount in different shrub types (n = 9)

不同灌丛未分解层和半分解层所占比例各不相同，红砂灌丛厚度和总累积量均很小，且凋落物多为未分解，所以将凋落物全部划分为未分解层。柽柳灌丛未分解层占总蓄积量的比例最大，红花锦鸡儿灌丛未分解层所占比例最小。千头柏和柽柳灌丛未分解层的蓄积量所占比例高于半分解层，而红花锦鸡儿灌丛相反。

2.2 不同灌丛类型凋落物持水过程分析

2.2.1 凋落物持水量

4 种灌丛类型凋落物的持水量随着浸水时间的变化趋势基本一致，随浸水时间的延长，凋落物的持水量呈先增加后平稳的趋势(图1)，浸水0～2 h各灌丛的持水量快速增加，2～6 h 增速减缓，浸水12 h 后基本趋于稳定。

图1 不同灌丛类型凋落物的持水量、持水率和吸水速率随浸水时间的变化Figure 1 Changes of the water holding capacity, the water holding rate, and the water-absorption rate of litter of different shrub types with the immersion time

不同凋落物层的持水量不同(图1)，红花锦鸡儿和千头柏灌丛凋落物持水量表现为未分解层小于半分解层，而柽柳灌丛相反。未分解层持水量表现为柽柳＞千头柏＞红花锦鸡儿＞红砂，柽柳持水量最大值达27.68 t·hm-2，红砂持水量最大值达0.85 t·hm-2。半分解层持水量表现为红花锦鸡儿＞千头柏＞柽柳，红花锦鸡儿持水量最大值达66.20 t·hm-2，柽柳持水量最大值达21.59 t·hm-2。

对4 种灌木凋落物的未分解和半分解层的持水量和浸水时间的数据进行拟合，二者关系均为W=alnt+b(表3)，且R2均在0.9 以上，表明二者呈显著的对数函数关系。

表3 不同灌丛类型凋落物持水率、持水量、吸水速率与浸水时间的线性关系Table 3 The linear relationship between the water holding rate, the water holding capacity, and the water-absorption rate of litter of different shrub types and the immersion time

2.2.2 凋落物持水率

4 种灌丛凋落物持水率随浸水时间的变化与持水量随浸水时间的变化规律一致(图1)。未分解层凋落物的持水率小于半分解层。未分解层凋落物持水率表现为柽柳＞红砂＞千头柏＞红砂锦鸡儿，柽柳持水率最大值达288.61%，红花锦鸡儿持水率最大值达124.84%。半分解层凋落物持水率表现为柽柳＞千头柏＞红花锦鸡儿，柽柳持水率最大值达376.99%，红花锦鸡儿持水率最大值达197.60%。

对4 种灌木凋落物的未分解层和半分解层的持水率和浸水时间进行拟合，二者均呈R=alnt+b关系，且R2均在0.9 以上，表明二者亦呈显著的对数函数关系。

2.2.3 凋落物吸水速率

4 种灌丛凋落物的吸水速率随浸水时间的变化趋势基本一致(图1)，浸水0～1 h，各灌丛吸水速率

直线下降，随后凋落物吸水速率的下降速度逐渐减慢，直至10 h 后，凋落物吸水速率趋于一致，曲线平直，凋落物吸水接近饱和。未分解层凋落物的吸水速率小于半分解层的吸水速率。在浸水的前5 min，未分解层的吸水速率在5.18～147.62 t·(hm2·h)-1，表现为柽柳＞千头柏＞红花锦鸡儿＞红砂，半分解层的吸水速率在159.74～505.86 t·(hm2·h)-1，表现为红花锦鸡儿＞千头柏＞柽柳。

对不同灌丛类型未分解和半分解凋落物的吸水速率[V, t·(hm2·h)-1]和浸水时间(t, h)拟合发现，二者呈V=Ktn的函数关系，K为方程回归系数，n为指数。R2均在0.9 以上，表明二者呈显著的指数函数关系。

2.3 不同灌丛凋落物持水能力

不同灌丛凋落物的持水能力不尽相同，未分解和半分解层凋落物的持水能力与总凋落物的持水能力在各灌丛之间表现趋势相同(表4)。不同灌丛类型的最大持水率在175.20%～323.73%，表现为柽柳＞红砂＞千头柏＞红花锦鸡儿，其中柽柳是红花锦鸡儿的1.85 倍；最大持水量在0.85～84.81 t·hm-2，表现为红花锦鸡儿＞千头柏＞柽柳＞红砂，其中红花锦鸡儿是红砂的99.78 倍。

表4 不同灌丛类型凋落物持水能力指标(n = 9)Table 4 Index of water holding capacity of the litter in different shrub types (n = 9)

不同灌丛的最大拦蓄率在138.79%～319.93%，为柽柳＞千头柏＞红砂＞红花锦鸡儿，其中柽柳是红花锦鸡儿的2.31 倍。最大拦蓄量在0.83～67.21 t·hm-2，表现为红花锦鸡儿＞千头柏＞柽柳＞红砂，其中红花锦鸡儿是柽柳的80.98 倍。

不同灌丛凋落物的有效拦蓄率在112.51%～271.37%，表现为柽柳＞千头柏＞红砂＞红花锦鸡儿，其中柽柳是红花锦鸡儿的2.41 倍；不同灌丛凋落物的有效拦蓄量在0.70～54.49 t·hm-2，表现为红花锦鸡儿＞千头柏＞柽柳＞红砂，其中红花锦鸡儿是红砂的77.84 倍；有效拦蓄深在0.07～5.45 cm，表现为红花锦鸡儿＞千头柏＞柽柳＞红砂，其中红花锦鸡儿是红砂的77.86 倍。

在不同灌丛类型中，红花锦鸡儿的最大持水率、最大拦蓄率和有效拦蓄率均最小，但因其凋落物的累积量(48.51 t·hm-2)、凋落物的厚度(5.55 cm)、凋落物的最大持水量(84.81 t·hm-2)、最大拦蓄量(67.21 t·hm-2)、有效拦蓄量(54.49 t·hm-2)和有效拦蓄深(5.45 mm)均很大，表现出较强的凋落物持水能力。

3 讨论

林分凋落物累积量不但受林分密度[20-21]、树种组成[22]等因素的影响，同时受气候[23]、土壤[24]、海拔[25]等因素的影响。本研究发现，兰州市南北两山不同灌丛凋落物累积量为0.44～48.51 t·hm-2，红花锦鸡儿最大，红砂最小，这可能与林分密度、树种生物学特性有关。尽管红花锦鸡儿属于小叶小灌木，但其林分密度高，为45 000 株·hm-2，高密度形成了较高的凋落物累积量，而红砂不但是小叶小灌木，同时密度也最低，这就直接决定了其在4 种灌丛中积累量最小。研究表明，在1 350～2 520 株·hm-2密度范围内，随着林分密度的增加马尾松(Pinus massoniana)人工林凋落物呈现增加趋势，且差异显著[20]；密度为1 250、1 667和2 000 株·hm-2的邓恩桉(Eucalyptus dunnii plantations)林分，密度为1 667株·hm-2凋落物累积量最大，这表明，在合理密度范围内，林分凋落物累积量与密度呈正相关关系[21]。

凋落物的持水率与林分类型、凋落物的特性和分解程度有关[26]。本研究表明，凋落物持水率半分解层大于未分解层，这可能由于凋落物经过分解，变得孔隙多、细、小、吸水面大的特点，因而表面张力亦较大，其蓄水性能良好，而未分解的凋落物，保持其完整性，故持水能力不高[27]。4 种灌丛类型未分解层和半分解层凋落物的持水率均表现为柽柳最大，红砂次之，红花锦鸡儿最小，这可能与不同树种叶的结构有关[28]，在表面积相同的情况下，柱体(柽柳叶鳞片状，钻形或卵状披针形、红砂叶片为柱状)比长方体 (红花锦鸡儿叶片为扁平状)具有更大的体积(储水空间)。凋落物的持水率和持水量在浸水0～2 h 快速增加，2～6 h 增幅逐渐减缓，7～11 h缓慢增加，12～24 h 基本趋于稳定。凋落物持水量在灌丛之间差异显著，表现为未分解层柽柳最大，半分解层红花锦鸡儿最大，这是因为红花锦鸡儿总累积量最大，并有69.22%为半分解层，柽柳累积量较小，但62.58%为未分解层。由此可见，凋落物的累积量在一定程度上决定了其持水能力[29]。

凋落物的吸水速率与凋落物组成和分解程度有关，总体来看，浸水0～1 h，各灌丛吸水速率直线下降，随后下降速度逐渐减慢，直至10 h 后，各灌丛吸水速率趋于一致。不同灌丛半分解层凋落物的吸水速率大于未分解层的吸水速率，这与兴隆山6 种林分凋落物吸水速率研究结果相似[30]。

凋落物的持水能力取决于凋落物的累积量、自然平均含水量和最大持水率。有效拦蓄量反映凋落物对降雨的实际拦截能力。本研究表明，兰州市南北两山不同灌丛中，尽管柽柳具有较高的凋落物最大持水率、最大拦蓄率和有效拦蓄率，但是由于其累积量小，导致其持水能力不高，相反，红花锦鸡儿灌丛虽然最大持水率、最大拦蓄率和有效拦蓄率最小，但是由于其具有最高的凋落物累积量，因而表现出最好的持水能力，凋落物的累积量与林分水源涵养的能力呈正相关关系[31]。因此，在降水量少、蒸发量高的兰州市南北两山区域内，适宜营造以红花锦鸡儿为主的灌丛，提高水土保持和水源涵养的能力，充分发挥灌丛的生态效益。