滇中高原磨盘山典型森林类型枯落物持水性能研究

彭邦晓孙煜镕黎建强杨关吕张建玲

(西南林业大学 生态与环境学院,昆明 650224)

0 引言

森林枯落物作为林地表面十分重要的组成部分[1],具有疏松多孔、表面积大、透水性良好的特殊结构,使其有较好的地表径流调节能力,能够有效减缓降雨流失的速度、改善土壤理化性质、促进雨水下渗[2-4]。因此,对森林枯落物的持水性能进行研究,对于了解森林的水源涵养和水土保持作用具有重要意义。

Laws[5]早在1941年就开始对森林枯落物的截持降水和持水性能等方面展开了研究,我国在20世纪80年代也开始对枯枝落叶层的水文特性进行了深入探索,关于枯落物水文生态效应的研究取得了一系列的进展和成果,主要集中在枯落物生物量、枯落物持水性[6-10]及水源涵养生态效应[11-14]等方面。在对枯落物层的水源涵养功能研究中发现,枯落物的持水量随着其生物量增加而增加,枯落物的持水量与浸泡时间呈对数函数关系,持水速率与浸泡时间符合幂函数关系,枯落物在不同分解阶段持水能力不同[15-17]。国内外关于枯落物持水能力的研究,基本上都是测定其吸水速率[18-19]来反映枯落物的持水能力,而失水速率更符合枯落物层的持水能力真实的状态[20],因此,开展基于失水速率的枯落物的持水性能研究,对理解枯落物的水源涵养能力具有重要的意义。此外,磨盘山地处云贵高原、横断山地和青藏高原南缘的地理连接区域,是植物区系地理和植被地理研究的重要区域[21],针对磨盘山集中典型森林类型的相关研究主要围绕土壤理化性质[22-23]和营养元素[24-25]等方面开展,而对于磨盘山典型森林类型的枯落物不同分解层持水特性的研究则较少。因此本研究以滇中高原磨盘山典型森林为研究对象,基于对枯落物厚度、生物量的调查和室内浸泡试验对枯落物不同分解层的持水性能进行研究,研究结果可为滇中高原森林生态效益评价和林地的管理与保护提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

本研究区位于云南省玉溪市新平县云南磨盘山国家森林公园,地处101°16′06″～101°16′12″E、 23°46′18″～23°54′34″N,海拔1 330～2 614 m,具有典型的亚热带山地气候,干湿季分明,夏季多雨。该地区年平均气温15 ℃,极端最高气温33 ℃,极端最低气温2.2 ℃,降水集中在5—10月份,年平均降水量为1 050 mm。土壤以第三纪古红土发育的山地红壤和玄武岩红壤,较高海拔地区有黄棕壤。

2020年11月在调查和分析滇中高原磨盘山森林类型、分布情况及周围环境的基础上,选择典型森林类型,云南松林(Pinusyunnanensis, PY)、华山松林(Pinusarmandii, PA)、高山栎林(Quercussemecarpifolia, QS)、滇油杉林(Keteleeriaevelynianat, KE)和常绿阔叶林(Evergreen broad-leaved forest,EB)为研究对象。5种典型森林的地理特征、土壤类型及林分特性见表1。

表1 样地基本情况Tab.1 The basic information of sample plots

1.2 枯落物采集和生物量测定

在5种森林类型中选择立地条件、坡度、坡向基本相同、人为干扰程度一致的地段,分别设置3个20 m×20 m的调查样地,在每个样地对角线上均匀选择3个50 cm×50 cm的小样方,剪除样方内植物活体部分,按未分解层(Un-decomposed layer, UL,最上层肉眼可辨别的外表无明显分解痕迹且较为新鲜)、半分解层(Semi-decomposed layer, SL,无明显外观轮廓且颜色较深)和腐殖质层(Decompose layer, DL,颜色最深且呈腐殖质状态)[26]测量各样方厚度(Thickness)并取样带回实验室,称其自然状态下枯落物质量,再于85 ℃条件下烘干8 h后称重,以干物质重计算出单位面积生物量[27]。

式中:M为枯落物生物量,t/hm2;G0为样品烘干质量,g。

1.3 持水能力测定

枯落物最大持水量(率)采用室内浸泡法进行测定[28]。将烘干后的枯落物装入尼龙网袋中,同时将一个空的尼龙网袋一起置于盛有清水的容器中(做平行矫正),使水浸过枯落物,让枯落物充分吸水24 h后,取出尼龙网袋,悬挂沥水,不再滴水时称取重量,计算枯落物最大持水量(率)。计算公式为

式中:Rmax为枯落物最大持水率,%;Wmax为最大持水量,mm;G24为枯落物充分吸水24 h的质量,g。

枯落物自然含水率是表示枯落物干湿状况的数量指标,也是反映枯落物蓄水量多寡的指标。枯落物有效持水量(率)可用于预算枯落物对降雨的现实情况的拦蓄量[29],计算公式为

式中:R0为自然含水率,%;Ws为有效拦蓄量,mm;Rs为有效拦蓄率,%;0.85为有效拦蓄系数,Gd为自然状态下枯落物质量,g。

失水速率的测定,首先将称重浸水24 h的枯落物均匀放置在沙堆上,接触面积尽量保持一致,然后测定该枯落物自取出后放置在自制沙堆上1、2、4、8、12、24 h时的质量,最后计算出枯落物失水速率[30]。计算公式为

式中:Vi为枯落物的吸水速率,g/(kg·h);Gt为相对应t时段风干的质量,g;Gt+1为t+1时段风干的质量,g;Δt为进水间隔时间差,h。

1.4 数据处理

利用Excel 2010对数据进行整理分析、绘图和对不同分解层的枯落物进行失水速率的方程拟合;运用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著法(LSD)查验组间差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同森林类型枯落物的厚度和生物量

滇中高原磨盘山典型森林类型枯落物厚度和生物量见表2。5种典型森林枯落物总厚度以云南松林和滇油杉林最大,均为9.00 cm,其次为常绿阔叶林,其枯落物总厚度为8.80 cm,与高山栎林和华山松林差异显著(P＜0.05),其枯落物总厚度分别为5.70 cm和3.50 cm。常绿阔叶林和滇油杉林枯落物总生物量分别为69.83 t/hm2和57.89 t/hm2,显著高于其他各类型森林(P＜0.05),而华山松林和高山栎林枯落物总生物量分别为31.04 t/hm2和26.46 t/hm2,显著小于其他各森林类型(P＜0.05)。5种森林类型不同层次枯落物生物量均由大到小表现顺序为:腐殖质层、半分解层、未分解层,腐殖质层的枯落物生物量占总生物量的46.82%～76.10%,而未分解层的枯落物生物量仅占总生物量的10.19%～19.95%。

表2 不同森林类型枯落物层的厚度及生物量Tab.2 The litter thickness and biomass of different forests

2.2 不同森林类型枯落物的持水性能

2.2.1 不同森林类型枯落物最大持水量(率)

5种森林类型枯落物的最大持水量(率)见表3。5种典型森林类型中,常绿阔叶林和云南松林最大持水量显著高于其他森林类型(P＜0.05),分别为24.82 t/hm2和23.33 t/hm2,其次为滇油杉林,其枯落物最大持水量为19.07 t/hm2,华山松林和高山栎林枯落物最大持水量显著小于其他森林类型(P＜0.05),分别为15.71 t/hm2和14.23 t/hm2。5种典型林分不同层次枯落物的最大持水量均以未分解层最小,而半分解层和腐殖质层枯落物最大持水量无显著规律。云南松林、高山栎林和华山松林枯落物平均最大持水率无显著差异(P＞0.05),其平均值分别为532.93%、532.76%和527.56%,而常绿阔叶林和滇油杉林枯落物最大持水率分别为395.94%和370.89%,显著小于云南松林、高山栎林和华山松林(P＜0.05)。枯落物不同层次最大持水率在不同森林类型中,均表现为半分解层最大。

表3 不同森林类型枯落物层的最大持水量(率)Tab.3 The litter maximum water holding capacity of(rate) different forests

2.2.2 不同森林类型枯落物自然含水率和有效拦蓄量(率)

5种森林枯落物的自然含水率如图1所示。不同森林类型自然含水率为42.37%～77.21%,高山栎林和云南松林自然含水率,显著高于其他森林类型(P＜0.05)。自然含水率不同林分3种分解层由大到小顺序均为:高山栎林、云南松林、常绿阔叶林、华山松林、滇油杉林,且3种分解层的自然含水率均值由大到小表现顺序为:半分解层、未分解层、腐殖质层。

图1 不同森林类型枯落物层自然含水率Fig.1 The litter natural moisture content of different forests

5种森林枯落物的有效持水量(率)见表4。5种森林枯落物有效拦蓄量以云南松林和常绿阔叶林显著高于其他森林类型(P＜0.05),分别为17.08 mm和17.04 mm,其次为滇油杉林,其枯落物有效拦蓄量为13.47 mm,华山松林和高山栎林枯落物有效拦蓄量显著小于其他森林类型(P＜0.05),分别为11.67 mm和10.19 mm。5种典型森林枯落物不同层次的有效拦蓄量均以未分解层最小,而半分解层和腐殖质层枯落物有效拦蓄量无显著规律。不同层次枯落物有效拦蓄量均值由大到小表现为:腐殖质层、半分解层、未分解层。高山栎林、云南松林和华山松林的枯落物有效拦蓄率无显著差异(P＞0.05),其平均值分别为392.45%、388.02%和379.87%,而常绿阔叶林和滇油杉林落物有效拦蓄率分别为275.91%和266.90%,显著小于高山栎林、云南松林和华山松林(P＜0.05)。

2.3 不同森林类型枯落物的失水速率

枯落物持水能力应该是在充分吸水状态下,当停止吸水后枯落物维持其本身含水量的能力。因此,本文采用失水速率的测定来反映其持水能力。失水速率下降得越慢,说明其持水能力越强[31]。5种不同森林类型枯落物的失水速率在同一时间内具有差异,如图2所示,但其随风干时间延长的变化曲线大致一致。

表4 不同森林类型枯落物层有效拦蓄量(率)Tab.4 The litter effective storage capacity(rate) of different forests

图2 不同森林类型枯落物分解层失水速率Fig.2 The water loss rate of the litter layers of different forests

由图2可知,不同森林类型枯落物3个分解层失水速率随风干时间的增加均呈现逐渐减小的趋势。在整个失水的过程中,开始的3 h内枯落物失水速率显著下降,在3～9 h下降趋势变得缓慢,之后趋于稳定。常绿阔叶林的枯落物的失水速率下降得最慢,其次是滇油杉林、华山松林、云南松林,下降最快的是高山栎林。

不同森林类型的枯落物失水速率和风干时间回归分析结果见表5。

表5 不同森林类型枯落物的失水速率与风干时间的回归方程(n=9)Tab.5 The regression equation of litter water loss rate and air drying time of different forests(n=9)

研究表明,不同森林3个分解层枯落物的失水速率与风干时间均呈幂函数关系,其方程式为

式中:Y为枯落物失水速率,g/(kg·h);x为风干时间,h;a为方程系数;b为幂指数。

3 讨论

3.1 森林类型对枯落物的生物量和厚度的影响

滇中高原常绿阔叶林枯落物的生物量约是高山栎林、华山松林的2倍,阔叶林枯落物的生物量高于针叶林,这与Jin等[32]发现的结果一致,表明枯落物生物量不仅与森林类型和森林枯落物叶形态密切相关,还与物候、植物群落生产力、土壤条件、人类活动与经营等因素有关[33-34]。然而,常绿阔叶林的枯落物与其他森林类型相比,更易于分解,随着分解时间的增加,组织结构崩溃分解会加快[35],半分解层和腐殖质层生物量较大。本研究中枯落物的总厚度与总生物量没有表现出显著的正相关关系,这是由于不同森林类型枯落物的组成和周围环境,不同程度地作用于枯落物的输入与分解,导致森林枯落物的积累发生了变化,而且枯落物厚度还受自身堆叠情况和组成成分等影响[36]。常绿阔叶林由于自身特性和堆叠状态的影响,腐殖质层占比较大,虽然厚度不是最大,但生物量却是最大;而云南松林和滇油杉林自身特性其枯落物堆叠状态较为蓬松,虽然厚度最大,但其枯落物生物量却小于常绿阔叶林。

3.2 森林类型对枯落物的持水性能的影响

不同森林类型枯落物自然含水率与持水能力特征并无一致规律,因为枯落物自然含水率除与物质本身有关,还与森林郁闭度、降雨等有关[37]。滇中高原森林枯落物最大持水率与最大持水量之间无显著相关性,这是因为最大持水率同时受枯落物本身的构成和生物量的影响,而5种林分各层次的最大持水量和最大持水率表现为半分解层大于未分解层,但腐殖质层并不一定都大于半分解层和未分解层,这与饶良懿等[38]的研究结果相同,因此不能简单笼统地说枯落物分解程度越高其持水能力越强,因为森林枯落物持水能力受到森林类型、枯落物厚度以及湿度、分解程度等因素的影响[39]。不同森林枯落物最大持水量(率)通常仅能反映出枯落物层持水性能的好坏程度,但并不能反映出枯落物对降水的真实截留情况[40-41]。在自然状况下,枯落物的最大持水量与其有效拦蓄量并不完全相同,因此用最大持水量(率)来估算枯落物层对降水的截持拦蓄能力,结果与实际情况不符,乃至偏高,故通常用有效拦蓄量(率)来估算枯落物层对降水的实际拦蓄效果。本研究中不同森林类型枯落物有效拦蓄量表现出分解能力越强,持水性能也越好。

本研究从枯落物失水的角度对枯落物的持水能力进行了研究,结果发现不同类型森林枯落物失水速率与失水时间呈幂函数关系。前期失水过程中,失水速率较高,这是因为由于枯落物在自然状态下充分吸收水分后达到自身最大持水量,其物质间水势高于外界[30],导致水分快速向外界流出,随着枯落物含水量的降低,枯落物物质间水势降低,失水速度减慢[42],并逐渐趋于稳定。不同类型森林枯落物失水速率也存在一定差异,这说明枯落物的失水速率不仅与枯落物前期含水量密切相关,而且与枯落物的构成、生物量等因素有关[43-44]。本文中枯落物失水过程中常绿阔叶失水速率随失水时间下降最慢,且常绿阔叶林枯落物最大持水量最大,因此常绿阔叶林具有较强的拦蓄保水能力,这与刘琳等[45]及刘一霖等[46]的研究结果一致。

4 结论

(1)滇中高原5种典型森林枯落物的生物量表现为常绿阔叶林的枯落物生物量最大,滇油杉林、云南松林和华山松林次之,高山栎林最小;不同枯落物层生物量由大到小表现为:腐殖质层、半分解层、未分解层。

(2)常绿阔叶林和滇油杉林不同分解层枯落物平均最大持水率和有效拦蓄率显著小于其他森林,而常绿阔叶林和云南松林不同分解层枯落物最大持水量和有效拦蓄量则显著高于其他森林;滇中高原5种典型森林类型枯落物中,最大持水率与自然含水率大小规律表现一致,其中半分解层的最大持水率与自然含水率均显著高于其他分解层,5种森林类型枯落物层最大持水量和有效拦蓄量在不同分解层随着分解程度的增加而增加。

(3)枯落物失水速率与风干时间呈幂函数关系,枯落物分解程度越高,持水性能也越好;不同森林类型以常绿阔叶林的失水速率最小,持水能力最好,具有较强的涵养水源能力。