亚热带12种人工幼林凋落层水文效应分析

贾 辉,朱 敏,张 恒,李佳玉

(1.福建师范大学地理科学学院， 福建 福州 350007； 2.湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地， 福建 福州 350007)

森林凋落物作为生态系统的重要组成部分，是森林发挥涵养水源、保持水土等生态系统功能的重要环节[1]。首先，森林凋落物层能够增加地表的粗糙程度，减少雨水对地表土壤的冲刷，增加雨水的下渗和减少土壤的侵蚀[2]。其次，地表覆盖的凋落物能够减少土壤水分蒸发[3]，对于保持土壤水分以及维持土壤环境稳定具有重要作用。此外，水溶性有机物等养分能够在凋落物持水过程中归还土壤，深刻地影响着森林生态系统的养分循环[4]。因此，开展凋落物层水文效应的研究，对于更加深入的理解森林水土保持和养分循环具有重要意义。

不同树种的凋落物层在保持水土、涵养水源的能力上具有差异[5-7]。凋落物储蓄量和凋落物层的持水特性共同决定了凋落物层的持水能力。目前已有一些学者对不同树种人工林凋落物的持水能力、持水速率、阻滞径流等方面进行研究。例如，郑文辉等[8]对亚热带7个人工林树种凋落物持水特性的研究，发现火力楠、闽粤栲的持水性能良好，能够很好地涵养水源。丁咸兴等[4]研究发现落叶阔叶林的最大持水量显著高于针叶林和常绿阔叶林。王金悦等[6]在南亚热带5种人工林凋落物的研究中发现，杉木和米老排凋落物层的最大持水量和拦蓄量显著高于红锥、桉树和马尾松林。然而，目前关于凋落物层水文效应的研究主要集中在成熟林中，关于幼林阶段不同树种凋落物层水文效应研究较少。

根据全国第九次森林资源清查报告，我国人工幼林面积占人工林总面积33%，约2 300万hm2。在幼林阶段凋落物量少[9]，且在皆伐、炼山等营林措施的影响下亚热带人工幼林凋落物储蓄量少[10]。凋落物储蓄量少是人工幼林阶段的水土流失现象高于其他林龄阶段的重要原因[10-11]。因此，研究我国亚热带地区不同树种人工幼林凋落物的持水特性，对于发挥人工幼林的水土保持等服务功能具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及样地选择

试验样地位于福建上杭的全球变化背景下树种多样性与生态系统功能实验平台(25°6′51.27″N，116°31′42.79″E)，气候类型为亚热带季风，年平均气温为18.5℃，年平均降雨量为1 780 mm，海拔高度在470～570 m。

1.2 试验设计

2018年选择13 hm227年生杉木纯林进行皆伐、炼山和整地，并清理所有的采伐剩余物和林下植被。2019年3月开始造林，选取亚热带32个常见树种建立了多样性试验林，共营造303个样方。考虑到工作量的因素，在试验平台的树种库中选取12个树种进行试验，分别是：枫香、火力楠、苦槠、柳杉、马尾松、米老排、木荷、南方枳椇、青钱柳、栓皮栎、无患子、樟树。12个树种所在样方土壤基本理化性质见表1。

表1 12个树种样方土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of quadrat soils of 12 tree species

1.3 凋落物蓄积量

凋落物蓄积量估算在2021年12月上旬进行，在每个样方内沿上、中、下坡设置5个小样方(0.5 m×0.5 m)，收集小样方内所有的地表凋落物并带回实验室。将凋落物样品在65℃下烘干至恒重，并通过5个小样方的凋落物量估算样方内的凋落物蓄积量和凋落物自然含水率，计算公式如下：

R0=(M1-M0)/M0×100%

(1)

式中：R0为凋落物自然含水率(%)；M1为鲜重(g)；M0为干重(g)。

1.4 凋落物持水量与吸水速率测定

采用室内浸水法测定凋落物持水量及吸水速率。每个树种称取20 g烘干后的凋落物，装入孔径为1 mm的网袋，将网袋放入盛有清水的容器中浸泡，分别在浸泡0.5、1、2、4、6、8、12、24 h时称取重量。静置样品到不滴水后，进行称重。所得凋落物的质量与凋落物干重的差值为凋落物的持水量，依据各个时刻的持水量计算凋落物的吸水速率、持水率、最大持水量和最大持水率。各指标计算公式如下：

ΔM=Mt -M0

(2)

V= (Mt-M0)/t

(3)

R= (Mt-M0)/M0×100%

(4)

Mmax=M24-M0

(5)

Rmax= (M24-M0) /M0×100%

(6)

式中：ΔM为凋落物浸泡th的持水量(t·hm-2)；V为浸泡th的持水速率；Mt为浸泡th的质量(g)；M0为凋落物初始质量(g)；R为浸泡th时的持水率(%)；Mmax为最大持水量(t·hm-2)；M24为浸泡24 h的质量 (g)；Rmax为最大持水率(%)。

1.5 凋落物有效拦蓄量测定

依据凋落物的蓄积量、自然含水率、最大持水率可以推算出凋落物的最大拦蓄量、最大拦蓄率、有效拦蓄量、有效拦蓄率。各指标计算公式为：

Wmax=Wm×M

(7)

Wm=Rmax-R0

(8)

W=(0.85Rmax-R0)×M

(9)

式中：Wmax为最大拦蓄量(t·hm-2)；Wm为最大拦蓄率(%)；M为凋落物的蓄积量(t·hm-2)；W为有效拦蓄量(t·hm-2)。

1.6 数据与分析

通过单因素方差分析，分析树种和林型对凋落物持水特性的影响，并通过最小显著性差异法(LSD)对不同树种和林型之间持水特性差异显著性进行分析。数据分析在R语言中进行，在Excel中进行绘图。

2 结果与分析

2.1 12个树种凋落物的持水特征分析

2.1.112个树种凋落物持水量与浸水时间的关系分析 凋落物的持水量是凋落物持水过程的重要指标之一，凋落物的分解程度、类型、蓄积量都会影响凋落物的持水量。由图1可知，随着浸水时间的延长，12个树种凋落物的持水量也呈现出增加的趋势。在浸水2 h以内，凋落物持水量迅速增加。在12 h后，持水量趋于饱和，24 h后达到最大持水量。这种趋势表明，在降雨量充足的情况下，凋落物层对降水的吸收主要发生在2 h以内，能够及时阻挡雨水的侵蚀和减缓水流速度。

图1 12个树种凋落物的持水量Fig.1 Water holding capacity of litter of 12 tree species

2.1.212个树种凋落物吸水速率与浸水时间的关系分析 凋落物层的吸水速率是衡量凋落物层吸持降水强度的重要指标。由表2可知，随着浸水时间的增加，凋落物吸水速率不断降低。其中，浸水0.5 h的吸水速率约是1 h的2倍。在0～2 h吸水速率最高， 2 h之后吸水速率下降速度减缓。4 h以后，吸水速率趋于稳定。这样的趋势表明凋落物吸水的作用主要发生在0～2 h，这与郑文辉等[8]的研究结果一致。在浸水0.5 h后，米老排的吸水速率最大(27.20 t·hm-2·h-1)，栓皮栎的吸水速率最低(1.23 t·hm-2·h-1)。在浸水24 h后，所有树种的吸水速率都小于1 t·hm-2·h-1。总体上来看，3种林型的吸水速率为常绿阔叶树种>落叶阔叶树种>常绿针叶树种。

表2 12个树种凋落物的持水速率Table 2 Water-holding rate of litter of 12 tree species

2.2 12个树种凋落物层最大持水率和最大持水量分析

由表3可知，12个树种最大持水率范围为147.63%～293.05%(均值230.32%)。在常绿阔叶树种中，最大持水率最高的是米老排(293.05%)，最低为苦槠(181.68%)，均值为230.32%；在常绿针叶树种中，马尾松(184.73%)最大持水率高于柳杉(147.63%)，均值为166.18%；在落叶阔叶树种中，最高的是无患子(289.45%)，最低的是青钱柳(227.27%)，均值为260.61%。树种对凋落物最大持水率具有显著影响(P<0.001)，米老排和无患子的最大持水率显著(P<0.05)高于其他树种。落叶阔叶树种的最大持水率显著高于针叶树种(P<0.05)，与常绿阔叶树种差异不显著(P>0.05)。

表3 凋落物层的蓄积量、自然含水率、最大持水量和最大持水率Table 3 Accumulation, natural water content, maximum water holding capacity, and maximum water-holding rate of litter layers

本试验中12个树种的最大持水量范围为0.7～20.73 t·hm-2(均值4.27 t·hm-2)。在常绿阔叶树种中，最大持水量最高的是米老排(20.73 t·hm-2)，最低为苦槠(2.04 t·hm-2)，均值为7 t·hm-2；在常绿针叶树种中，马尾松(2.11 t·hm-2)高于柳杉(0.7 t·hm-2)，均值为1.40 t·hm-2；在落叶阔叶树种中，最高的是枫香(6.33 t·hm-2)，最低的是栓皮栎(0.91 t·hm-2)，均值为2.64 t·hm-2。树种对最大持水量具有显著影响(P<0.001)，米老排的最大持水量显著(P<0.05)的高于另外11个树种。常绿阔叶树种最大持水量高于落叶阔叶树种和常绿针叶树种，但是不存在显著差异(P>0.05)。以上结果表明不同树种的凋落物层在涵养水源方面具有显著的差异。

2.3 12个树种凋落物层的拦蓄能力分析

有效拦蓄率和有效拦蓄量是能够真实反映凋落物拦蓄降水能力的指标。由表4可知，不同树种凋落物层的有效拦蓄率在106.49%～236.87%(均值184.78%)。常绿阔叶树种中苦槠(145.79%)的有效拦蓄率最低，米老排最高(236.87%)，均值为181.15%。常绿针叶树种有效拦蓄量的均值为124.90%，马尾松(143.32%)高于柳杉(106.49%)。落叶阔叶树种中无患子(228.49%)的有效拦蓄量最高，栓皮栎最低(186.69%)，均值为212.34%。阔叶树种的有效拦蓄率显著高于针叶树种(P<0.05)。米老排的有效拦蓄率显著高于其他树种(P<0.05)。

表4 12个树种凋落物层的拦蓄能力Table 4 Storage capacity of litter layers of 12 tree species

本试验中有效拦蓄量的范围在0.26～11.28 t·hm-2(均值2.52 t·hm-2)。常绿阔叶树种的有效拦蓄量最高的是米老排(11.28 t·hm-2)，最低的是苦槠(1.3 t·hm-2)，均值为3.95 t·hm-2。常绿针叶树种有效拦蓄量的均值为0.74 t·hm-2，马尾松(1.21 t·hm-2)高于柳杉(0.26 t·hm-2)。落叶阔叶树种中枫香(4.07 t·hm-2)的有效拦蓄量最高，栓皮栎最低(0.71 t·hm-2)，均值为1.81 t·hm-2。整体来看，各个林型的有效拦蓄量为常绿阔叶林>落叶阔叶林>常绿针叶林，但无显著差异(P>0.05)。树种对凋落物层拦蓄量具有显著的影响(P<0.001)，米老排、枫香、樟树、木荷这4个树种的凋落物层拦蓄量显著(P<0.05)高于其他树种。其中，米老排的有效拦蓄率显著(P<0.05)高于其他11个树种。

3 讨论与结论

在本试验中，不同树种的持水量、吸水速率变化有相似的规律，在浸水0～2 h内吸水速率快，持水量迅速增加，随后吸水速率降低，持水量增加速度放缓，这与其他学者的研究一致[6,12]。烘干后的凋落物在浸水初期凋落物水分含量极少，凋落物表面水势差较大，这也是导致浸水初期吸水速度快的原因[13]。由此可见，凋落物持水的过程主要发生降水的初期阶段，这与其他报道的结果一致[5,8,14]。

在本试验中，落叶树种的凋落物最大持水率高于其他林型，这与李倩茹等[15]的研究结果一致。枫香、南方枳椇、无患子等落叶阔叶树种的凋落物具有更大比叶面积和叶片密度。这些特点使得单位面积的叶片能够接触更多的水分，且凋落物表面起保护作用的疏水性物质更少[16]，这可能是导致阔叶树种凋落物最大持水率高的原因[7]。柳杉和马尾松的凋落物持水率低，可能是由于针叶树种凋落叶的油脂含量更高[4]，不易吸水。凋落层的最大持水量受到凋落物蓄积量和最大持水率共同影响。在本试验中，凋落物层最大持水量的顺序为米老排>枫香>樟树>木荷>无患子>火力楠>马尾松>苦槠>南方枳椇>青钱柳>栓皮栎>柳杉。其中米老排较高的凋落物蓄积量和最大持水率决定其最大持水量最高。马尾松的最大持水率低而蓄积量较高，导致其具有较高的最大持水量，这与郭伟等[17]研究结果一致。通过对12个树种凋落物最大拦蓄量、有效拦蓄量计算结果进行分析，其与最大持水量的变化具有相同的趋势。

本研究结果表明米老排、枫香、樟树、木荷具有较强的凋落物层持水能力。亚热带营造人工林可以考虑选择这些在幼林阶段具有较高凋落物储蓄量和持水能力的树种，以此来减少人工幼林阶段的水土流失。在亚热带人工幼林中，树种比林型并更能影响凋落物层的持水能力。因此，树种的哪些特性在影响凋落物层的持水能力需要进一步探讨。本试验中由于部分树种产生凋落物的时间较短，未产生明显的分解层和未分解层，所以在本试验未考虑不同凋落物层之间的持水能力的差异。因此，今后还将长期监测各个树种不同凋落物层的蓄积量及其持水能力。