夏璟鈺，王雯穎，蔣林君，鐘 翔，劉 龍，徐傳洪，2，歐陽帥，2

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410004；2.湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，會同 438107）

森林凋落物是由林木及林下植被所凋落的枝、葉、花、果實(shí)和枯死的植物體所構(gòu)成的地表覆蓋層[1]，作為一個存在輸出輸入、連接地上植被層和地下土壤層的獨(dú)特結(jié)構(gòu)層次，它不但參與元素循環(huán)和土壤營養(yǎng)元素調(diào)節(jié)，且在維持森林水量平衡方面有著重要作用[2-4]。林冠層、凋落物層及土壤層3個作用層對降水進(jìn)行攔截滯儲，實(shí)現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源的功能。凋落物層作為第2個功能層，在截持降雨、減少林地蒸發(fā)、阻滯地表徑流、增強(qiáng)土壤抗沖能力、防止土壤濺蝕等方面有著十分重要的水文效應(yīng)[5]。學(xué)者們從水文角度對不同林分凋落物層持水特性及儲量進(jìn)行了研究[6-7]，陳水蓮等[8]研究了不同樹種人工林凋落物的持水特性，針對同一樹種不同林齡階段凋落物層持水特性的研究較少。

杉木（Cunninghamia lanceolata）生長快、經(jīng)濟(jì)價值高，是中國南方最常見的用材、人工生態(tài)防護(hù)林樹種。在過去幾十年里，由于國內(nèi)外市場對木材及林產(chǎn)品的需求，大面積天然常綠闊葉林被人工林取代[9]。我國現(xiàn)有杉木人工林面積約為900萬hm2，約占全國人工林面積的30%[10-11]。全球氣候變化問題日益嚴(yán)峻，杉木人工林不僅具有木材生產(chǎn)功能，還具有保持水土的生態(tài)功能。了解不同發(fā)育階段杉木人工林凋落物的持水特性對于杉木多目標(biāo)經(jīng)營和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[12]。本研究以杉木中心產(chǎn)區(qū)湖南會同不同林齡階段人工林為研究對象，采用野外調(diào)查與室內(nèi)浸提相結(jié)合的方法，對凋落物現(xiàn)存量和凋落物（葉和枝）持水特征2個方面進(jìn)行探究，以期為我國南方杉木人工林科學(xué)經(jīng)營提供數(shù)據(jù)與理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于杉木中心產(chǎn)區(qū)湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站（109°45'E，26°50'N），海拔270～400 m，屬低山丘陵地貌（圖1）。為亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖濕潤，年均氣溫16.5℃，相對濕度77%以上。年均降水量1 200～1 400 mm。年日照時數(shù)超過1 900 h。土壤類型為山地黃壤。水、熱基本同期，降雨集中在春夏（3—8月），有利于杉木生長[13]。

圖1 湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站Fig.1 Huitong national field station for scientific observation and research of Chinese fir planation ecosystem in Hunan

1.2 凋落物現(xiàn)存量調(diào)查

2018年10月選取立地條件與營林方式基本一致的杉木人工林純林，按照《國家森林資源連續(xù)清查湖南省第七次復(fù)查操作細(xì)則》，選取中齡林（11～20年生）、近熟林（21～25年生）和成熟林（26～35年生）3個林齡階段（表1）。每個林齡階段設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣地4 塊，面積為20 m×20 m，在每塊標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)按“S”形隨機(jī)布設(shè)5個小樣方（1 m×1 m），分別按已分解層、半分解層和未分解層收集各小樣方內(nèi)的全部凋落物。將收集到的樣品置于65℃恒溫干燥箱內(nèi)烘干至恒重，稱重，據(jù)此換算成林地凋落物現(xiàn)存量（t/hm2）。隨后，將烘干樣品枝、葉、果分離，去除雜質(zhì)，分別稱重，并記錄數(shù)據(jù)。

表1 不同林齡杉木人工林林分特征Tab.1 Stand characteristics of different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

1.3 凋落物持水特性測定

取不同林齡階段葉、枝凋落物樣品各10 g，稱重后裝入尼龍網(wǎng)袋中，浸水0.5、1、1.5、2、4、6、8、10、12、24 h后撈出，懸掛靜止至不滴水時（約5 min），用毛巾輕微擦干，以減少尼龍袋網(wǎng)格中殘留水分帶來的計算誤差，稱樣品與尼龍袋總重和去掉樣品后尼龍袋袋重，計算差值得到每個時間段凋落物持水量，根據(jù)持水量計算每個時間段凋落物的持水率和吸水速率。每個樣品3次重復(fù)，取平均值。

1.4 指標(biāo)計算

本研究根據(jù)以下公式計算凋落物持水特性相關(guān)指標(biāo)[14]：

凋落物持水率=（經(jīng)t時間浸泡后的凋落物重量-凋落物烘干重量）/凋落物烘干重量×100%；

凋落物持水量=凋落物現(xiàn)存量×凋落物持水率；凋落物吸水速率=凋落物持水率/浸泡時間。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡階段杉木人工林凋落物現(xiàn)存量比較

不同林齡階段的凋落物現(xiàn)存量表現(xiàn)為成熟林最大（2.72 t/hm2），近熟林次之（2.36 t/hm2），中齡林最?。?.26 t/hm2）（圖2）。中齡林階段未發(fā)現(xiàn)已分解層凋落物，近熟林已分解層凋落物量為0.59 t/hm2，成熟林為0.67 t/hm2，分別占凋落物總量的25.00%和24.63%。中齡林未分解層凋落物量小于半分解層，成熟林未分解層凋落物量大于半分解層。各林分凋落物未分解層中，落葉占33.90%～52.07%，中齡林葉凋落物最少（0.18 t/hm2），成熟林最多（0.53 t/hm2）；枯枝占12.00%～29.13%，中齡林枝凋落物最少（0.07 t/hm2），近熟林最多（0.22 t/hm2）。

圖2 不同林齡階段杉木人工林凋落物現(xiàn)存量Fig.2 Standing crop of litters in different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

2.2 不同林齡階段杉木人工林凋落物持水特性比較

2.2.1 凋落物持水量

不同林齡階段杉木人工林葉、枝凋落物的持水量隨浸泡時間的延長而增加，快速增加期為前1.5 h，之后增長趨于平緩，6 h 后接近飽和（圖3）。整個浸泡過程中，葉凋落物最大持水量表現(xiàn)為成熟林（5.50 t/hm2）稍高于近熟林（4.49 t/hm2），顯著高于中齡林（2.20 t/hm2）；枝凋落物最大持水量最高為近熟林（1.20 t/hm2），成熟林（1.09 t/hm2）稍低于近熟林，最低為中齡林（0.27 t/hm2）。

圖3 不同林齡階段杉木人工林凋落物（葉和枝）持水量Fig.3 Water holding capacity of litters(leaves and branches)in different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

2.2.2 凋落物持水率

不同林齡階段杉木人工林葉、枝凋落物持水率在前1.5 h 迅速增加，之后增長趨于平緩，18 h 左右趨近飽和（圖4）。葉凋落物最大持水率表現(xiàn)為中齡林最高（241.37%），近熟林次之（224.80%），成熟林最低（208.17%）；枝凋落物最大持水率表現(xiàn)為成熟林最高（148.63%），近熟林次之（107.37%），中齡林最低（81.80%）。

圖4 不同林齡階段杉木人工林凋落物（葉和枝）持水率Fig.4 Retention rate of litters(leaves and branches)in different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

2.2.3 凋落物吸水速率

不同林齡階段杉木人工林葉凋落物最大吸水速率表現(xiàn)為中齡林（3.54 g·g-1·h-1）＞近 熟 林（3.06 g·g-1·h-1）＞成熟林（2.79 g·g-1·h-1）。葉凋落物吸水率均表現(xiàn)為前0.5 h 最快，之后隨浸泡時間的增加而降低，5 h 后下降變緩，浸泡24 h 后，均降至0.09 g·g-1·h-1左右。枝凋落物最大吸水速率表現(xiàn)為近熟林（1.92 g·g-1·h-1）＞成熟林（1.74 g·g-1·h-1）＞中齡林（1.44 g·g-1·h-1）。前2 h，枝凋落物吸水速率均快速下降，之后下降變緩。

圖5 不同林齡階段杉木人工林凋落物（葉和枝）吸水速率Fig.5 Water absorption rate of litters(leaves and branches)in different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

2.3 相關(guān)性分析

不同林齡階段杉木人工林葉、枝凋落物持水量、持水率及吸水速率與浸泡時間進(jìn)行對數(shù)擬合，大部分方程R2大于0.845，相關(guān)性較強(qiáng)（表2、3）。不同林齡階段杉木葉、枝凋落物吸水速率與浸泡時間按照冪函數(shù)方程進(jìn)行擬合，方程R2均大0.900。

表2 不同林齡杉木人工林葉凋落物持水特性與浸泡時間的相關(guān)性Tab.2 Correlation between water holding characteristics of leaf litters and immersion time in different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

表3 杉木人工林枝凋落物持水特性與浸泡時間的相關(guān)性Tab.3 Correlation between water holding characteristics of branch litters and immersion time in different-aged Cunninghamia lanceolata plantations

3 結(jié)論與討論

3.1 凋落物現(xiàn)存量

凋落物的輸入量、分解速率與累積年限是影響凋落物現(xiàn)存量的主要因素，同時凋落物現(xiàn)存量也受森林樹種組成與林分所處水熱條件狀況影響[15]。本研究中，3個林齡階段人工林凋落物現(xiàn)存量的動態(tài)變化模式呈對數(shù)增長，峰值出現(xiàn)在成熟林期，現(xiàn)存量為1.26～2.72 t/hm2，略低于同氣候帶針葉人工林凋落物現(xiàn)存量[16]，明顯低于熱帶雨林或季雨林[17]。結(jié)果顯示，隨著林齡的增加、成長期中各器官的成熟，植株新陳代謝速率加快，杉木人工林未分解層凋落物現(xiàn)存量從中齡林至成熟林階段不斷增加。

已分解層與半分解層凋落物現(xiàn)存也隨林齡增加逐漸增長，說明杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)凋落物層分解能力隨林齡增加逐漸增強(qiáng)。凋落物層對杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分歸還起到重要作用，其各組分對凋落物堆積量有不同的貢獻(xiàn)，其中枯葉、枝為凋落物的主要?dú)w還組分[18]。

3.2 凋落物的持水性能

3個林齡階段杉木人工林葉凋落物最大持水量的動態(tài)變化模式為單峰型，峰值出現(xiàn)在成熟林期，該動態(tài)變化與凋落物現(xiàn)存量動態(tài)變化趨勢相同。葉凋落物的持水率將決定該林區(qū)凋落物的截水能力，隨著凋落物浸泡時間推移，凋落物持水率擬合曲線逐漸平緩，凋落物持水率接近飽和。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)凋落物持水量、持水率與浸泡時間的關(guān)系可以很好地擬合為對數(shù)函數(shù)。葉凋落物在持水量及最大持水率方面均明顯高于枝凋落物，說明葉凋落物在持水能力方面起主要作用。葉與枝凋落物吸水速率與浸泡時間的關(guān)系可以很好地擬合為冪函數(shù)，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致[19-20]。中齡林葉凋落物吸水速率在0～2 h 時明顯高于成熟林與近熟林，說明在短時強(qiáng)降雨過程中，中齡林高效的持水能力可以緩解由于其凋落物現(xiàn)存量較少而產(chǎn)生的水土流失。前1.5 h，各林齡階段凋落物吸水能力最強(qiáng)，表明凋落物層能有效的截留與攔截短時強(qiáng)降水和初期降雨，使流域的地表徑流減少、地下徑流增加，總產(chǎn)流量減少、產(chǎn)流時間延長，有利于調(diào)控降水的分配、減輕土壤侵蝕、減少土壤養(yǎng)分流失[21]?？葜υ诔炙颗c持水率方面遠(yuǎn)小于凋落物平均持水量與持水率，因此，凋落物層的枝葉比例將會影響凋落物的持水性能。觀察發(fā)現(xiàn)在實(shí)際林地環(huán)境中，雨水并不能與凋落物充分接觸，凋落物層中枝的存在可以增加凋落物層的空隙，從而增加雨水與凋落物層的接觸面，增加了凋落物層的截水能力與涵養(yǎng)水源的作用。