广西壮族自治区4种典型灌丛凋落物层的水文效应

代奉林,陈芳清,吕 坤,刘杨赟

(三峡大学 湖北省三峡地区生态保护与治理国际联合研究中心 湖北 宜昌 443000 )

凋落物层主要是由植物群落所脱落的叶片、枝干、表皮、花朵、果实等聚集而成,介于植被和土壤之间。凋落物层因疏松多孔,具有吸收雨量、调节地表径流、减少土壤水分蒸发、防止土壤被冲刷流失等作用,在生态系统的水土保持功能中发挥着重要的作用[1-4]。影响生态系统凋落物层水文效应的因素很多,除了凋落物吸水能力、凋落物蓄积量等因素外,林分类型也是一个重要因子[5-7]。目前,对森林凋落物层水文效应及其机理的研究已比较充分,相对而言,对灌丛凋落物层的相关研究则相对较少[8-11]。灌丛是指以灌木为优势物种所构成的植被类型,与草地和森林并称为三大陆地自然生态系统。灌丛的占地面积仅次于森林,在全球范围内其面积占陆地总面积的45 %,其中在中国的占地面积就达到了319万hm2,因此灌丛在全球以及中国的水土保持中都发挥着十分重要的作用[12-15]。随着全球气温的升高,灌丛的覆盖面积将进一步扩张[16.17]。研究和探讨灌丛凋落物层的水文效应有利于客观评价其水土保持功能,指导灌丛的生态恢复与管理,为后续水文涵养相关研究提供参考。

广西壮族自治区(以下简称“广西”)地处中国南部,界于北纬20°54′～26°24′和东经104°28′～112°04′之间,总面积达2.38×107hm2。因横跨南亚热带、北热带和中亚热带等3个气候带,地貌多为山地、气候多变、雨热条件优越,广西是中国植被类型最为丰富的地区之一[18]。灌丛在广西植被中占据十分重要的地位,共分布有72种灌丛群系,面积占全区林地总面积的21.10%[19-20]。广西的地貌多为喀斯特地貌,独特的地质条件使得该地区的生态系统十分脆弱,极易因人为干扰而发生退化,并导致水土流失。据水利部公布的2018年水土流失动态监测结果显示,广西水土流失面积达到393万hm2,占广西陆地面积的16.51%。充分利用好灌丛的水土保持效应,对于广西地区生态环境的保护具有重要的意义。牡荆(Vitexnegundo)、红背山麻杆(Alchorneatrewioides)、羊蹄甲(Bauhiniapurpurea)、杜茎山(Maesajaponica)灌丛是广西常见的4种典型灌丛,本研究拟通过对其凋落物层的蓄积量、持水性能和拦蓄量的调查与分析,探究各灌丛类型凋落物层的水文效应,揭示其保水机理,为区域内生态涵养林的建设与管理提供科学依据。

1 试验方法

1.1 样地设置

2019年10月,在广西境内,通过野外勘察,选取优势物种明显、结构典型、受干扰程度较低的牡荆灌丛、红背山麻杆灌丛、羊蹄甲灌丛和杜茎山灌丛,分别设置样地(表1),并在每个样地分别设置3个20 m×20 m的大样方,用于群落凋落物层水文效应的野外调查。4种灌丛坡度相近,草本层优势种分别为白茅(Imperatacylindrica)、荩草(Arthraxonhispidus)、破坏草(Eupatoriumcoelestinum)和荩草。凋落物厚度、海拔、盖度等样地详细信息如表1所示。

1.2 凋落物收集及蓄积量测定

在上述各灌丛类型的每个大样方中,分别随机设置9个0.5 m×0.5 m的小样方,即每种灌丛类型有3个大样方,27个小样方。将上述小样方内的凋落物层分为未分解层(由外表无分解痕迹,大致保持原状的落叶枯枝组成)和半分解层(由未完全分解,能肉眼辨别其形状的落叶枯枝组成),测量其厚度后分别将各层的所有原状凋落物装入自封袋,密封以防止凋落物水分蒸发[9,21]。每种灌丛类型分别采集凋落物未分解层样品27份,半分解层27份。将所取样品带回实验室,用精度为0.01 g的电子天平称其湿重,然后置于85 ℃烘箱中烘至恒重,称量其干重,以此计算凋落物的蓄积量。

1.3 凋落物水文效应测定

凋落物的水文效应研究采用室内浸泡法测定[3,5,9]。即将烘干后的未分解层和半分解层凋落物分别置于100目尼龙袋中,放入盛有清水的容器中浸泡,分别在浸泡 0.25,0.5,1,2,4,6,8,10,12,24h时后取出,静置至没有水滴落时,用电子秤称其重量。随着浸泡时间,凋落物重量会改变,凋落物重量与干重的比值也随之改变,根据比值的变化来分析凋落物的水文效应。各参数计算公式如下:

C自=(G鲜-G干)/G干×100%

C最大=(G24-G干)/G干×100%

Wc最大=M(C最大-G自)

Wc有效=M(0.85C最大-G自)

式中:C自为自然含水率(%)；C最大为最大持水率(%)；Wc最大为最大拦蓄量(t/hm2)；Wc有效为有效拦蓄量(t/hm2)；G鲜为鲜重(g)；G干为干重(g)；G24为浸泡24小时重量(g)。

表1 样地信息表

1.4 数据统计与分析

分别以未分解层蓄积量、半分解层蓄积量、总蓄积量、未分解层自然含水率、半分解层自然含水量、未分解层最大持水率、半分解层最大持水率、未分解层最大拦蓄量、半分解层最大拦蓄量、未分解层有效拦蓄量、半分解层有效拦蓄量和总拦蓄量为因变量,以不同灌丛类型为自变量,进行单因素方差分析,并采用Duncan多重比较法来检验各因变量在不同灌丛类型间的差异。同时以浸水时间为自变量(t),以凋落物持水量和凋落物吸水速率为因变量(y、v),拟合对数和幂回归方程,分析其随浸水时间的变化规律。以上数据分析均采用SPSS 22.0软件进行。

2 结果及分析

2.1 4种灌木群落的凋落物蓄积量

4种典型灌丛的凋落物总蓄积量以及未分解层、半分解层凋落物蓄积量存在一定差异,但是没有达到显著水平(表2)。各灌丛类型凋落物总蓄积量的变化范围在3.80～4.84 t/hm2,大小顺序依次为红背山麻杆>牡荆>杜茎山>羊蹄甲。其中凋落物未分解层蓄积量变化范围在1.87～2.24 t/hm2之间,大小排序为红背山麻杆>牡荆>杜茎山>羊蹄甲；半分解层蓄积量在1.93～2.60 t/hm2之间,大小排序为红背山麻杆>牡荆>杜茎山>羊蹄甲；从凋落物垂直空间分布来看,4种典型灌丛凋落物半分解层蓄积量均大于未分解层蓄积量。凋落物半分解层蓄积量占比最大的是红背山麻杆,达53.70%,其次是杜茎山和牡荆,占比53.58%和51.07%,最小的为羊蹄甲,其占比为50.71%。

2.2 4种灌丛类型凋落物的持水过程

4种灌丛类型未分解层和半分解层凋落物的持水量均随着浸水时间的延长呈先急剧增加、后缓慢增加的变化(图1(a),(b)),其中,红背山麻杆半分解层凋落物持水量较其他3种灌丛高,而杜茎山灌丛未分解层凋落物吸水量明显低于其他3个灌丛。4种灌丛类型未分解层和半分解层凋落物的吸水速率均随浸水时间的延长呈先急剧下降，后缓慢下降，最后趋于0的变化(图1(c),(d))。

表2 4种灌丛凋落物层的凋落物蓄积量

图1 凋落物持水量和吸水速率与浸水时间的关系

对凋落物持水量和吸水速率与时间的关系进行拟合,得到它们之间的关系式(表3)。凋落物持水量和吸水速率与浸水时间均有良好的相关性,其中凋落物持水量与时间关系均符合方程(1),凋落物吸水速率与时间关系均符合方程(2)。各灌丛类型方程(1)中凋落物未分解层的A,B值均小于半分解层,因此凋落物未分解层的持水性能比半分解层差。各灌丛类型方程(2)中未分解层的C值均小于半分解层,表明凋落物未分解层的吸水性能比半分解层差。

y=Aln(t)+B

(1)

v=CtD

(2)

式中:y为凋落物持水量(t/hm2)；v为凋落物吸水速率(t/(hm2h))；t为浸水时间(h)。A,B,C,D为常数。

表3 凋落物持水量和吸水速率与时间关系拟合方程

2.3 4种灌丛类型凋落物的自然含水率和最大持水率

4种灌丛凋落物层的自然含水率在15.24%～51.69%之间,凋落物层的最大持水率在178.37%～228.34%之间变化。4种灌丛凋落物层的自然含水率和最大持水率均存在显著差异,其中羊蹄甲灌丛自然含水率与最大持水率显著高于其它3种灌丛,而其它3种灌丛类型之间差异不显著,并以红背山麻杆灌丛的为最低(表4)。羊蹄甲灌丛凋落物层的自然含水率和最大持水率分别比红背山麻杆灌丛高出239.17%和17.06%。4种灌丛类型各凋落物未分解层和半分解层的自然含水率和最大持水率的变化规律与凋落物层相近,即羊蹄甲灌丛显著高于其它3种灌丛类型,而其它3种灌丛之间无显著差异。其中,未分解层与半分解层自然含水率变化范围分别在14.45～42.03%和16.04～61.35%之间,大小排序为羊蹄甲>杜茎山>牡荆>红背山麻杆；未分解层与半分解层最大持水率的变化范围分别在167.02～221.35%和189.72～235.33%之间,大小排序为羊蹄甲>牡荆>红背山麻杆>杜茎山。4种灌丛的未分解层的自然含水率和最大持水率均小于其半分解层,表明半分解层所发挥的保水效应高于未分解层。

表4 不同灌丛类型凋落物的自然含水率和最大持水率

2.4 4种灌丛类型凋落物层的拦蓄量

4种灌丛凋落物层的最大拦蓄量和有效拦蓄量分别在6.43～8.69 t/hm2和5.32～7.28 t/hm2之间。凋落物层的有效拦蓄量在各灌丛类型之间存在显著差异,以红背山麻杆灌丛最大,以杜茎山灌丛最低,前者比后者高36.84%。

4种灌丛未分解层凋落物的最大拦蓄量差异显著,但是半分解层的最大拦蓄量差异不显著。未分解层凋落物的最大拦蓄量大小排序依次为红背山麻杆>牡荆>羊蹄甲>杜茎山,其中红背山麻杆灌丛比杜茎山灌丛高40.00%。4种灌丛未分解层凋落物的有效拦蓄量差异显著,但是半分解层的有效拦蓄量差异不显著。各灌丛未分解层凋落物有效拦蓄量的大小排序依次为红背山麻杆>牡荆>羊蹄甲>杜茎山,红背山麻杆灌丛凋落物未分解层有效拦蓄量比杜茎山灌丛凋落物未分解层有效拦蓄量高41.38%。4种灌丛凋落物层有效拦蓄量为5.32～7.28 t/hm2,红背山麻杆灌丛凋落物层有效拦蓄分别比牡荆、羊蹄甲和杜茎山灌丛高11.15%,35.06%和36.84%。从凋落物层次上看,所调查的4种灌丛凋落物未分解层最大拦蓄量和有效拦蓄量均小于半分解层。

表5 凋落物最大拦蓄量和有效拦蓄量

3 讨论

3.1 不同灌木群落的凋落物蓄积量及其空间分布

影响植物群落凋落物蓄积量的因素很多,群落类型、群落盖度、群落年龄、物种组成、植株密度、季节、海拔梯度等因素都会影响植物群落的凋落物蓄积量,但影响凋落物蓄积量的首要因子还是植物群落类型[5,11,22-24]。Bai等[25]对5种针叶林与阔叶林凋落物蓄积情况的调查研究显示,凋落物蓄积量与林分类型密切相关。本研究中,4种灌丛群落类型的凋落物总蓄积量大小范围在3.80～4.84t/hm2之间,与邱丽霞等[26]对胡枝子灌丛、绣线菊灌丛、荆条灌丛研究凋落物蓄积量相近。4种灌丛群落类型之间的差异虽然没有达到显著水平,但不同类型之间仍然存在一定的差异,大小排序依次为红背山麻杆>牡荆>杜茎山>羊蹄甲。

各灌丛类型之间的差异既与其灌丛的物种组成及优势物种的生长特性有关,还与各灌丛类型所处的生态环境有关。红背山麻杆灌丛因所分布的海拔低、植株个体小、单株叶片数多、植株密度和群落盖度大,其凋落物蓄积量相对较大,而羊蹄甲灌丛由于所分布的海拔相对较高,植株个体大,单株叶片数较少,植株密度和群落盖度相对较小,其凋落物蓄积量相对较少。4种灌丛凋落物未分解层蓄积量均小于半分解层蓄积量,与梁文俊等[5]、马晓至等[27]和郝弯弯等[28]研究一致。这可能与采样时间有关,采样期间,牡荆处于开花期,杜茎山处于果期,红背山麻杆和羊蹄甲处于展叶期,均枝叶茂盛,枝叶凋落较少,因而凋落物未分解层蓄积量较少,半分解层蓄积量较大。

3.2 不同灌木群落凋落物层的持水性能

不同灌木植物凋落物的持水性能存在较大差异。凋落物持水性能的差异可能与凋落物(叶片)的形状结构和理化特性有关[29]。一般认为,富含萜类和酚苷类物质等亲油疏水成分的凋落物的吸水能力较弱[30],而叶表面覆有绒毛的凋落物,因其可增大水滴附着而具有较高的吸水率[31]。本研究中,牡荆叶片中含有较多的三萜、二萜和酚苷类物质,杜茎山叶片富含三萜皂苷,表面有一层脂质薄膜,红背山麻杆叶片富含萜类物质、仅叶脉覆有少量柔毛,因此它们的持水性能都相对较弱[32-34]。羊蹄甲叶片虽含有少量三萜类物质,但由于其叶背面覆有较密的微绒毛,因而其持水性能最高[35]。

不同灌丛群落因优势物种的不同而使得其凋落物层的持水性能也存在着较大差异[36-37]。本研究中,4种灌丛凋落物层的自然含水率在15.24%～51.69%之间,凋落物层的最大持水率在178.37%～228.34%之间变化。其中羊蹄甲灌丛凋落物具有最高的最大持水率,可以吸取自身干重2.28倍的水量；而杜茎山灌丛凋落物的最大持水率最低,只能吸取自身干重1.78倍的水量。4种灌丛凋落物未分解层最大持水率均小于半分解层,这是由于半分解层部分凋落物已经分解或正在分解,导致凋落物之间结构较为疏松,空隙增大,可以截留更多的水份[21,38]。

3.3 不同灌木群落凋落物层保水性能

植物群落凋落物的拦蓄量取决于凋落物蓄积量和凋落物持水性能[31]。本研究中,4种灌丛群落的凋落物最大拦蓄量为6.43～8.69 t/hm2,各灌丛类型大小排序依次为红背山麻杆>牡荆>羊蹄甲>杜茎山。红背山麻杆凋落物最大持水率虽不高,但它自然含水率最低,最大持水率与自然含水率差值较高,且凋落物蓄积量最高,因而拦蓄量高于其它3种灌丛。羊蹄甲凋落物最大持水率最高,其自然含水率远远高于其它3种灌丛,凋落物最大持水率与自然含水率差值较低,且凋落物蓄积最少,因而最大拦蓄量相对较低。

由于降雨达到一定雨量之后,灌丛实际拦蓄量只能达到最大拦蓄量的85%左右,因而多用有效拦蓄量来代表凋落物在实际降雨拦截中的拦截量[21]。本研究中的4种灌丛凋落物层有效拦蓄量为5.32%～7.28 t/hm2之间,与曹云生等[39]所研究的荆条、胡枝子、三裂绣线菊等灌丛的有效拦蓄量(5.37～8.26 t/hm2)较为接近。4种所研究灌丛凋落物未分解层的有效拦蓄量均比半分解层低,是由于半分解层最大持水率和凋落物蓄积量均高于未分解层,表明半分解层持水量较好,在凋落物持水效应中占据主体地位。

4 结论

1)4种灌丛的凋落物总蓄积量无显著差异,变化范围为3.80～4.84 t/hm2,且未分解层凋落物蓄积量小于半分解层。

2)4种灌丛凋落物自然含水率和最大持水率均存在显著差异,其中羊蹄甲灌丛凋落物的自然含水率与最大持水率显著高于其它3种灌丛。

3)4种灌丛的凋落物均能有效拦蓄水分,但拦蓄能力以红背山麻杆灌丛最优。各灌丛半分解层凋落物的拦蓄能力优于未分解层。

灌丛是广西喀斯特地貌地区的主要植被类型,对于上述4种典型灌丛应予以充分保护,以发挥它们在水土保持中的作用。4种灌丛凋落物层的水文效应以红背山麻杆灌丛和羊蹄甲灌丛较优,在区域生态涵养林建设和植被恢复中,适当地增加红背山麻杆和羊蹄甲的培育,有利于发挥其水土保持和水源涵养作用。但在实际条件中，应结合海拔、气候和土壤特征,选择适宜的灌丛类型进行栽种。