侯曉麗 ，許建新 ，2，薛 立

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學 林學與風景園林學院，廣東 廣州 510642；2. 深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳 518040）

冰雪災害對粵北杉木林林冠殘體和凋落物持水特性的影響

侯曉麗1，許建新1，2，薛 立1

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學 林學與風景園林學院，廣東 廣州 510642；2. 深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東 深圳 518040）

2008 年1～2 月廣東粵北地區(qū)遭受冰雪災害的襲擊，導致杉木林產(chǎn)生了大量的林冠殘體。作者對2008年林冠殘體各組分和2008-2011年各年的凋落物持水特性進行研究，可以了解災后杉木林凋落物的涵養(yǎng)水源特點和為生態(tài)系統(tǒng)的修復提供參考。結果表明：2008年，各組分最大持水量為葉（10.9 t/hm2）＞凋落物（8.22 t/hm2）＞枝（8.13 t/hm2）＞干（6.25 t/hm2）＞皮（2.72 t/hm2），各組分最大持水率呈現(xiàn)葉（320%）＞干（296%）＞皮（280%）＞凋落物（227%）＞枝（214%）；各年度凋落物層的最大持水量呈現(xiàn)2008年（27.25 t/hm2）＞2011年（19.68 t/hm2）＞2010年（22.71 t/hm2）＞2009年（24.06 t/hm2）。2008年凋落物層的最大持水率為268%，2009—2011年在194%～200%之間。林冠殘體或凋落物持水量與浸泡時間、持水率與浸泡時間的關系均按照自然對數(shù)方程變化，而各組分和各年度的吸水速率隨浸泡時間按負指數(shù)方程下降。

杉木林；冰雪災害；林冠殘體；凋落物；持水特性

凋落物對于生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)有重要影響[1]，同時發(fā)揮著截持降水、保持土壤水分、緩和土壤溫度、減少水土流失的作用[2]。因此，凋落物水源涵養(yǎng)能力成為森林凋落物研究的重點內(nèi)容。2008年初，我國南方發(fā)生了近50 年不遇的冰雪災害，粵北杉木林在這次冰雪災害中受嚴重損害，許多樹冠集中折斷，產(chǎn)生了大量的林冠殘體[3]，通過攔蓄雨水，減少地表徑流，短期內(nèi)提高了林地的水源涵養(yǎng)能力。我國學者對多種林分凋落物持水特性進行過研究較多[4-8]，但是罕見冰雪災害后林分凋落物水源涵養(yǎng)特性的報道[9-10]。

杉木Cunninghamia lanceolata是我國南方特有的速生針葉用材樹種[11-12]，面積達 9.21×106hm2[13]。盡管有冰雪災害后杉木林冠殘體持水特性的報道[9]，但是林林冠殘體和正常凋落物會逐漸混合，其持水特性也會發(fā)生變化。作者對此進行研究，可以為了解災后杉木林凋落物的涵養(yǎng)水源特點和生態(tài)系統(tǒng)的修復提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然環(huán)境概況

研究地位于廣東省北部的樂昌市樂昌林 場（24°57′～ 25°31′N， 東 經(jīng) 112°51′～113°34′E），屬中亞熱帶季風氣候，光照充足。年平均、最熱月平均（7月）、最冷月平均（1月）溫度分別為19.6℃、28.2℃和9.3℃。年平均降水量達2 522.3 mm，集中在3～8 月，11月至翌年2月為旱季。無霜期270 d，相對濕度70%～84%。土壤為花崗巖發(fā)育成的中厚腐殖質(zhì)層厚土層山地黃紅壤。

1.2 樣地基本情況

2008年3月在冰雪災害后的17a的杉木林內(nèi)建立面積為20 m×20 m的固定樣地，三個重復。試驗林地處西南坡（SW 20°），坡度約30°，海拔約為700 m。林下植被主要為樓梯草Elatostema involucratum和狗脊Woodwardia japonica，蓋度分別占林地面積的15%～20%和10%～15%。試驗林的杉木全部折干，殘干的平均胸徑、平均樹高和密度分別為17.99 cm、12.69 m和 1 667株/hm2。

2 研究方法

2.1 凋落物采集方法

2008的3月在每個樣地內(nèi)設置6個面積為2 m×2 m的固定樣方，測定樣方內(nèi)的林冠殘體的組分和正常凋落物的鮮重。由于冰雪災害一年后，林冠殘體的枝葉和正常凋落物混雜在一起，無法區(qū)分，2009—2011年的每年3月調(diào)查樣方內(nèi)的混合凋落物的鮮重。為了使樣方內(nèi)凋落物不受干擾，取樣方旁邊的凋落物樣品帶回實驗室，在80℃恒溫下烘干，得出干重。

2.2 測定指標

凋落物持水特性：凋落物的持水量、持水率、吸水速率。

2.3 測定方法

取100 g凋落物樣品裝入20 cm×20 cm的尼龍網(wǎng)袋后放入水盆，淹沒樣品。經(jīng)過0.5、1、1.5、2、4、6、8、10、12、16和24 h后，撈起樣品并靜置至凋落物不滴水時稱質(zhì)量，每個設3個重復，取平均值。凋落物凋落物持水量、凋落物持水率和凋落物吸水速率計算公式如下[7,9]：

凋落物持水量 WH(t·hm-2)= [凋落物濕重 (kg·m-2)－凋落物烘干重 (kg·m-2)]×10。

凋落物持水率WR(%)=(凋落物持水量WH/凋落物干重)×100。

凋落物吸水速率WA(g·kg-1h-1)= 凋落物持水量WR(g·kg-1)/吸水時間 t(h)。

2.4 數(shù)據(jù)處理軟件

測定數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2003 進行數(shù)據(jù)初處理和作圖。數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2003整理后，采 用 SPSS16.0（Statistical Product and Service Solutions）軟件進行相關分析，采用SAS 8.1軟件系統(tǒng)進行方差分析和多重比較。

3 結果與分析

3.1 受災杉木林地的凋落物儲量變化

2008年雪災后，大量的林冠隨著折斷的樹干輸入杉木林林地，包括枝、葉、干和皮。重量達19.11 t/hm2，各組分儲量大小為枝（7.11 t/hm2）＞葉（5.14 t/hm2）＞干（5.35 t/hm2）＞皮（1.51 t/hm2），凋落物的儲量為3.72 t/hm2，林冠殘體和凋落物合計為22.83 t/hm2（見表1）。

3.2 林冠殘體和凋落物的持水量

如圖1所示，浸泡0.5 h后，林冠殘體各組分持水量呈現(xiàn)葉 ＞ 枝 ＞ 凋落物 ＞ 干 ＞ 皮。此后凋落物持水量迅速增加，在浸泡2 h后超過枝持水量。浸水24 h后，葉、物、枝、干、皮達到其最大持水量，分別為 10.90、8.22、8.13、6.25、2.72 t/hm2。

表1 2008年林冠殘體和正常凋落物的儲量Table 1 Stem debris and litter mass

圖1 林冠殘體各組分和凋落物持水量與浸泡時間的關系Fig. 4 Relationship between water holding and immersed time of normal and non-normal litter components

由表2可知，2008林冠殘體和凋落物各組分的持水量WH和浸泡時間t的關系按照自然對數(shù)方程WH=alnt+b變化（式中a和b為系數(shù)）。用自然對數(shù)方程對各組分的持水量模擬的理論值接近實測結果，（R2＞ 0.933 0），二者極顯著相關（P＜0.001）。

表2 林冠殘體各組分和凋落物持水量與浸泡時間關系的模擬方程Table 2 Equation between water holding and immersed time of crown debris and litter

冰雪災害后各年度凋落物的持水量隨著時間不斷增加（見圖2）。浸泡0.5～4 h的時間段內(nèi)，各年持水量快速增長，此后緩慢增長，均在24 h達到最大持水量。各年凋落物層的蓄水能力表現(xiàn)為2008年＞2011年＞2010年＞2009年。

2008林冠殘體和凋落物各組分的持水量WH和浸泡時間t的關系按照自然對數(shù)方程WH=alnt+b變化（見表3）。用自然對數(shù)方程模擬的理論值接近實測結果（R2＞ 0.964 4），呈現(xiàn)極顯著相關（P＜0.001）。

圖2 2008—2011凋落物持水量與浸泡時間的關系Fig. 2 Relationship between water holding and immersed time of crown debris and litter from 2008 to 2011

表3 2008—2011年凋落物層持水量與浸泡時間關系的模擬方程Table 3 Equation between water holding and immersed time from 2008 to 2011

3.3 林冠殘體和凋落物的持水率

凋落物吸收的水分與凋落物儲量的比值用來表示凋落物的持水率。在浸泡的0.5～1.5 h時間段內(nèi)，各組分的持水率表現(xiàn)為葉 ＞ 凋落物 ＞ 皮 ＞ 枝 ＞干（見圖3）；浸泡2 h后，干的持水率超過枝的持水率，呈現(xiàn)現(xiàn)為葉 ＞ 凋落物 ＞ 皮 ＞ 干 ＞ 枝。

由表4可知，各組分的持水率WR和凋落物浸泡時間t的關系按照自然對數(shù)方程WR=alnt+b變化（式中a和b為系數(shù)）。用自然對數(shù)方程模擬的各組分和凋落物的持水率與實測結果接近（R2＞0.886 0），呈現(xiàn)極顯著相關（P＜0.001）。

圖4顯示了各年度凋落物層持水率動態(tài)。隨著浸泡不同時間的延長，各年杉木林地的凋落物層持水率平緩上升。2008年凋落物層持水率在浸泡8 h后，達到飽和狀態(tài)，持水率為256%，而其他年份凋落物層持水率在8 h后仍然緩慢增長。2008年凋落物層持水率大于其他年份相差不大。

各年度凋落物層持水率（WR）與浸泡時間（t）的關系按照對數(shù)方程變化，方程模擬的各年份凋落物層持水率理論值接近實測結果相近（R2＞0.957 0），二者極顯著相關（P＜0.001）（表5）。

圖3 林冠殘體各組分和凋落物持水率與浸泡時間的關系Fig. 3 Relationship between water holding rate and immersed time of crown debris and litter

表4 林冠殘體各組分和凋落物持水率與浸泡時間關系的模擬方程Table 15 Equation between water holding rate and immersed time of crown debris and litter

圖4 2008—2011凋落物持水率與浸泡時間的關系Fig. 4 Relationship between water holding rate and immersed time of litter from 2008 to 2011

3.4 林冠殘體和凋落物的吸水速率

圖5顯示2008年的林冠殘體和凋落物的吸水速率。各組分和凋落物的吸水速率在0.5～4 h浸泡時間段急劇下降，此后緩慢下降。在0.5～2 h浸泡時間段，各組分的吸水速率表現(xiàn)為葉 ＞ 凋落物 ＞ 皮＞ 枝 ＞ 干，此后干的吸水速率超過枝的吸水速率，呈現(xiàn)為葉 ＞ 凋落物 ＞ 皮 ＞ 干 ＞ 枝。

由表6可知，各組分和凋落物的吸水速率WA和浸泡時間t的關系按照方程WA=a·t-b變化（a和b為系數(shù)）。用乘冪方程模擬的各組分和凋落物吸水速率理論值與實測結果接近（R2＞ 0.999 8），二者極顯著相關（P＜0.001）。

表5 2008—2010年凋落物層持水率與浸泡時間關系的模擬方程Table 5 Equation between water holding rate and immersed time from 2008 to 2011

表6 林冠殘體各組分和凋落物吸水速率與浸泡時間關系的模擬方程Table 6 Equation between water absorption rate and immersed time of crown debris and litter

各年度凋落物層吸水速率動態(tài)見圖6。2008年的凋落物層吸水速率在浸泡時間0.5～4.0 h時間段內(nèi)急劇下降，此后緩慢下降。2009年的凋落物層在浸泡不同時間后，其凋落物層吸水速率的下降趨勢和2010年、2011年的較為相似。0.5 h時，2008、2009、 2010和2011年杉木林地凋落物層的吸水速率分別為4 693、2 783、 2 919和2 748 g/(kg·h)，浸泡4 h 后，吸水速率分別下降了86.9%、84.6% 、85.4%和85.2%，浸泡16 h后分別下降到 165、119、119和115 g/(kg·h)。此后，各年杉木林地凋落物層的吸水速率相差不是很大。

由表7可知，凋落物層吸水速率（WA）與浸泡時間（t）的關系按照乘冪方程變化，各年份的凋落物層吸水速率理論值相近實測結果（R2＞0.999 8），二者極顯著相關（P＜0.001）。

4 結論與討論

圖5 林冠殘體各組分和凋落物持水率與浸泡時間的關系Fig. 5 Relationship between water absorption rate and immersed time of crown debris and litter

圖6 2008—2011年凋落物層吸水速率與浸泡時間的關系Fig. 6 Relationship between water absorption rate and immersed time from 2008 to 2011

2008年，林冠殘體各組分中，枝的質(zhì)量最大（7.11 t/hm2），干和葉相近，分別為5.35和5.14 t/hm2，而正常凋落物和皮的質(zhì)量較小，分別僅為3.72和1.51 t/hm2。各組分的持水量由其質(zhì)量和持水特性共同決定。林冠殘體中葉的質(zhì)量僅列第3，但是其最大持水率最（320%）大，所以持水量最大，達10.9 t/hm2；正常凋落物的質(zhì)量僅列第4，但是其最大持水率略小于葉（296%），所以其持水量僅次于葉（8.22 t/hm2）；枝的干質(zhì)量是其他組分的1.3倍以上，但是最大持水率最?。?14%），故最大持水量僅為8.13 t/hm2；干的干質(zhì)量略小于枝，其最大持水率僅列第4 （227%），故最大持水量在各組分中僅高于皮，為8.13 t/hm2； 皮的最大持水率中等（280%），干質(zhì)量卻在組分中最小，不到其他組分的41%，所以最大持水量最小，僅2.72 t/hm2。林冠殘體總的最大持水量為36.72 t/hm2，為凋落物的4.5倍，成為受災杉木林地表涵養(yǎng)水源的主體。干的木質(zhì)部的導管具有大量的孔隙，凋落物由于分解物質(zhì)的流失變得疏松，故2者吸水速度快，持水率最早達到飽和；枝、葉和皮由于的細胞內(nèi)含物較多而影響了吸水速度，持水率飽和較晚。

表7 2008—2011年凋落物層吸水速率與浸泡時間關系的模擬方程Table 7 Equation between water absorption rate and immersed time from 2008 to 2011

在冰雪災害后杉木林各年凋落物層的持水量存在差異，表現(xiàn)為2008年＞2011年＞2010年＞2009年；2008年的持水量、持水率和吸水速率明顯較大，其他年份相差不大，變化幅度較??；2008年，杉木林地凋落物層的最大持水量為27.25 t/hm2， 而 2009年 的 則 為 19.74 t/hm2。2009 和2008年相比，杉木林地凋落物層的持水量有所下降。凋落物的蓄水量與林地上的數(shù)量及其本身的持水能力密切相關[14]。本研究中凋落物的現(xiàn)存量越大時，持水能力越強。另外，冰雪災害初期，產(chǎn)生的大量林冠殘體可以吸收水分，因而林地表面的水源涵養(yǎng)能力增強。冰雪災害后期凋落物儲量隨著分解而下降，從而導致其蓄水能力的下降。2010和2011年，凋落物儲量的增加，從而導致林分蓄水能力的提高。

凋落物的持水率用凋落物吸收的水分與凋落物干質(zhì)量的比值來表示，該值越大，凋落物的持水能力就越強[15]。2008年，杉木林地凋落物層的最大持水率為268%，2009—2011年在194%～200%之間。2008—2011年的持水率與持水量的變化趨勢基本一致。因為2008年初，冰雪災害造成大量凋落物的林冠殘體，其中包括含水率較高的新鮮葉片，使得2008年凋落物層的最大持水率高于其他年份。

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Effect of ice-storm damage on water holding characteristics of crown debris and litter in a Cunninghamia lanceolata stand

HOU Xiao-li1, XU Jian-xin1,2, XUE Li1
(1.College of Forestry, South China Agricultural University, Guangzhou, 510642, Guangdong, China)2.Shenzhen Tech and Ecology ＆ Environment CO., LTD, Shenzhen 518040, Guangdong, China)

A huge ice storm stroke on the north of Guangdong province from January to February 2008, resulting in a lot of crown debris in a Cunninghamia lanceolata stand. Water Holding Characteristic of components of crown debris in 2008 and litter from 2008 to 2011 were studied, to understand hydrological function of litter and to provide basis for the recovery of the C. lanceolata stand suffering from ice storm damage. The order of maximum water holding capacity of the components was leaves (10.9 t/hm2) ＞litter (8.22 t/hm2)＞ branches (8.13 t/hm2) ＞ stem (6.25 t/hm2) ＞ bark (2.72 t/hm2). The proportional water holding capacity as a percentage of dry weight in the components was 320%, 296%，280%，227% and 214% for leaves, stem, bark, litter and branches, respectively. The order of maximum water holding capacity was 27.25, 24.06, 22.71 and 19.68 t/hm2for 2008, 2009, 2010 and 2011, respectively, and the proportional water holding capacity was 268% in 2008 and 194%～200% from 2009 to 2011. The total water holding capacity and proportional water holding capacity of the components or litter increased logarithmically with increasing time immersed in water,whereas their water absorption rates decreased according to negative exponential equation with increasing time immersed in water.

Cunninghamia lanceolata; ice storm damage; crown debris; litter; water holding characteristics

S715.3

A

1673-923X(2016)11-0086-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.11.015

2015-05-18

廣東省科技計劃項目“粵北森林冰雪災害評估及災后復產(chǎn)技術研究與示范”（2008A020100013）；廣東省省級科技計劃項目（2015B090904008）

侯曉麗，碩士研究生 通訊作者：薛 立，教授，博士；E-mail：forxue@scau.edu.cn

侯曉麗，許建新，薛 立.冰雪災害對粵北杉木林林冠殘體和凋落物持水特性的影響[J].中南林業(yè)科技大學學報，2016,36(11): 86-91.

[本文編校：吳 毅]