何琴飛，鄭 威，彭玉華，譚長(zhǎng)強(qiáng)，何 峰，申文輝*

(1.廣西林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530002；2.廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530002；3.國(guó)家林業(yè)局 中南速生材繁育實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530002)

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國(guó)特有的常綠針葉樹(shù)種之一，具有生長(zhǎng)快、成林迅速等優(yōu)點(diǎn)，也是我國(guó)南方重要的速生用材樹(shù)種。近些年由于杉木人工林連栽等經(jīng)營(yíng)方式，導(dǎo)致地力衰退、水土流失等生態(tài)問(wèn)題突出。森林凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，不僅能改良土壤、提高土壤肥力，而且其結(jié)構(gòu)疏松，具有良好的透水性和持水能力，能夠阻滯和分散降水，吸收降落到地表的水分，減緩降水對(duì)土壤的直接沖擊，增加土壤水分下滲，減少地表徑流，起到保持水土和涵養(yǎng)水源的作用[1-2]。因此，人工林凋落物的研究越來(lái)越引人重視，關(guān)于杉木人工林凋落物的研究主要在凋落物量、組成、空間分布特征及其分解作用[3-7]、養(yǎng)分含量[8]、碳循環(huán)與化學(xué)計(jì)量特征[9-11]及持水特性[12-15]等方面，其中持水特性的研究主要集中在福建、湖南、江西等地，廣西關(guān)于杉木人工林凋落物的持水特性及其內(nèi)在機(jī)理的研究很少。而凋落物累積量受凋落物產(chǎn)量、分解速度、積累年限等因素的影響，這些因素又與林型、林分發(fā)育、林分生產(chǎn)力、氣候狀況和人為活動(dòng)等相關(guān)[16-17]，且不同地區(qū)不同年齡杉木林分年凋落量差異較大[3]。融水縣位于廣西北部，是全國(guó)杉木優(yōu)良種源區(qū)，也是廣西杉木的中心產(chǎn)區(qū)之一，研究該地區(qū)不同林齡的杉木人工林凋落物儲(chǔ)量和持水特性對(duì)杉木人工林的多目標(biāo)經(jīng)營(yíng)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。因此，本試驗(yàn)在融水縣貝江河林場(chǎng)選取不同生長(zhǎng)年限的杉木人工林，即幼齡林(3 a)、中齡林(8 a)、近熟林(12 a)、成熟林(20 a)4個(gè)林齡組為研究對(duì)象，研究其凋落物的累積量、持水量和持水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，旨在為杉木人工林的合理經(jīng)營(yíng)和生態(tài)服務(wù)功能提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于廣西融水縣貝江河林場(chǎng)，地理坐標(biāo)109°14′E，25°04′N(xiāo)，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)；年均氣溫19.6℃，最熱7月均溫27.9℃，極端最高溫38.6℃；最冷1月均溫9.3℃；極端最低溫-3℃；光熱充足，年均日照時(shí)數(shù)1 699.0 h，≥10℃積溫為6 000～6 500℃；雨量充沛，年均降水量1 824.8 mm，年均相對(duì)濕度為80%左右，年總蒸發(fā)量1 561.2 mm；夏濕冬干，干濕季節(jié)明顯，年均無(wú)霜期322 d。

選擇立地條件基本一致、生長(zhǎng)狀況良好的幼齡林(3 a)、中齡林(8 a)、近熟林(12 a)、成熟林(20 a)4個(gè)林齡組的杉木人工林，每組設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，林分樣地基本情況見(jiàn)表1。

表1 林分樣地基本特征Table 1 Generalcharacteristics of test plantations

1.2 凋落物儲(chǔ)量測(cè)定

在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地的4個(gè)邊角和對(duì)角線中心點(diǎn)布設(shè)50 cm×50 cm的小樣方5個(gè)，按未分解(由新鮮凋落物組成，保持原有形態(tài)，顏色變化不明顯，外表無(wú)分解的痕跡)和半分解(葉無(wú)完整的外觀輪廓，顏色變黑，多數(shù)凋落物已粉碎)分層收集各小樣方內(nèi)的全部凋落物，稱其鮮重，并帶回實(shí)驗(yàn)室于80℃下烘干至恒重，據(jù)此換算成林地的凋落物儲(chǔ)量。

1.3 凋落物持水特性測(cè)定

每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地選取3個(gè)小樣方的烘干凋落物，分別裝入100目20 cm×30 cm的尼龍網(wǎng)袋中，每個(gè)林齡組共計(jì)9個(gè)，然后把網(wǎng)袋完全浸入清水中，分別浸水0.25、0.5、1、2、4、8、12、24 h后取出，懸掛靜置約5 min至無(wú)水滴滴下時(shí)立刻稱重。不同浸泡時(shí)間凋落物的持水量、持水率和吸水速率計(jì)算公式如下[18-20]：

凋落物持水量W(t·hm-2)=[凋落物濕質(zhì)量(kg·m-2)-凋落物干質(zhì)量(kg·m-2)]×10

凋落物持水率R/%=(凋落物持水量/凋落物干質(zhì)量)×100

凋落物吸水速率V(g·kg-1·h-1)=凋落物持水量(g·kg-1)/吸水時(shí)間(h)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖；運(yùn)用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)凋落物儲(chǔ)量、最大持水量和最大持水率進(jìn)行單因素方差分析(One-way AVOVA)和多重比較分析(Duncan)，同時(shí)對(duì)凋落物持水量、持水率和吸水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 凋落物儲(chǔ)量、最大持水量和最大持水率

由表2可知，不同林齡的杉木人工林凋落物總儲(chǔ)量1.41～7.77 t·hm-2，大小順序?yàn)槌墒炝?近熟林>幼齡林>中林齡，且未分解層大于半分解層，各分層的大小順序與總量基本一致，除了中林齡的未分解層略大于幼齡林；總最大持水量為2.88～12.01 t·hm-2，大小順序與總儲(chǔ)量一致，說(shuō)明隨著林齡的增加，杉木人工林林分結(jié)構(gòu)更加完整，林地凋落物的量呈增加趨勢(shì)，持水能力也在增強(qiáng)。平均最大持水率171.0～266.8%，由大到小的排序?yàn)橛g林>中林齡>近熟林>成熟林，與林齡的增長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)，這可能與凋落物本身組成及其分解速率有關(guān)。方差分析表明，未分解層和半分解層的儲(chǔ)量、最大持水率和最大持水量，以及總儲(chǔ)量和最大持水量、平均最大持水率均存在顯著差異(P<0.05)。

表2 不同林齡杉木人工林凋落物累積量、最大持水量和最大持水率Table 2 Litter accumulation amount,max water-holding capacity and max water-holding content rateof different age groups (mean±se,n=15,9)

2.2 凋落物持水量動(dòng)態(tài)過(guò)程

不同林齡杉木人工林凋落物持水量與浸水時(shí)間的變化關(guān)系有共性也有差異(圖1)。4種林齡的凋落物累積持水量的變化規(guī)律相同，即凋落物的累積持水量隨著浸水時(shí)間的增加而不斷增加，前0.25 h內(nèi)快速增加，隨后開(kāi)始減慢，漸漸趨于穩(wěn)定，浸水24 h后達(dá)到最大值。但4種林齡的凋落物總累積持水量差異明顯，大小順序?yàn)槌墒炝?近熟林>幼齡林>中齡林，未分解層和半分解層大小順序與總量一致，且未分解層大于半分解層，可見(jiàn)，林齡的增加對(duì)持水能力有促進(jìn)作用，尤其是未分解層表現(xiàn)得更加明顯，增幅更大。

對(duì)不同林齡的杉木人工林各層凋落物持水量與浸水時(shí)間數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)，凋落物持水量W與浸水時(shí)間t之間呈極顯著的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系(P<0.01，表3)，相關(guān)系數(shù)R2均>0.94，表達(dá)式為：W=a+blnt，表明凋落物持水量與浸水時(shí)間相關(guān)性較好。

2.3 凋落物持水率動(dòng)態(tài)過(guò)程

圖2表明，4種林齡的凋落物持水率隨浸水時(shí)間的變化規(guī)律一致，在開(kāi)始浸水時(shí)增加較快，0.25 h后隨著浸水時(shí)間的增加，累積持水率增幅逐漸減小，最后達(dá)到某一穩(wěn)定值。不同林齡的杉木人工林累積持水率存在差異，平均持水率為幼齡林明顯較高，其次是近熟林和中齡林，最后是成熟林，未分解層為幼齡林>中齡林>成熟林>近熟林，半分解層為幼齡林>近熟林>中齡林>成熟林，可見(jiàn)，持水率與林齡不存在明顯的相關(guān)性，其中幼林齡持水率較高，可以緩解由于儲(chǔ)量不多而導(dǎo)致持水能力較差的狀況。成熟林的未分解層明顯大于半分解層，近熟林則剛好相反，幼齡林和中齡林的未分解層和半分解層之間相差很小。

表3 不同林齡杉木人工林的凋落物持水量與浸水時(shí)間的回歸方程Table 3 Equations between the water-holding capacity of litter and the immersion time in the different age groups (n=8)

不同林齡的杉木人工林各層凋落物持水率與浸水時(shí)間經(jīng)方程擬合表明，凋落物持水率R與浸水時(shí)間t之間呈極顯著的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系(P<0.01，表4)，表達(dá)式為：R=a+blnt，相關(guān)系數(shù)R2均均在0.97以上，說(shuō)明凋落物持水率與浸水時(shí)間存在良好的相關(guān)性。

圖1 不同林齡杉木人工林凋落物持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系Fig.1 Relationship between the water-holding capacity of litter and the immersion time in different age groups

2.4 凋落物吸水速率動(dòng)態(tài)過(guò)程

從圖3可看出，4種林齡杉木人工林的凋落物吸水變化規(guī)律相同，在剛浸水時(shí)吸水速率高，0.5 h后吸水速率明顯下降，4 h后吸水速率降幅逐漸變小，12 h后凋落物吸水速率基本不變，逐漸趨于飽和。這表明凋落物對(duì)截獲短時(shí)降雨的作用很大，但當(dāng)?shù)蚵湮镂_(dá)到極值后，凋落物層幾乎成為一層水流通道。不同林齡的杉木人工林吸水速率存在差異，未分解層為幼齡林>成熟林>中齡林>近熟林，半分解層為幼齡林和近熟林明顯大于成熟林和中齡林，平均吸水速率大小順序?yàn)橛g林>成熟林>近熟林>中齡林，可見(jiàn)，吸水速率不受林齡增長(zhǎng)的影響。一般而言，凋落物的吸水速率越大，林內(nèi)降水涵蓄的速率越快，可以更好地減少地表徑流，其中幼齡林凋落物層具有較高的吸水速率，也可以一定程度地緩解由于儲(chǔ)量不多而產(chǎn)生水土流失的問(wèn)題。同一林齡不同分解層的吸水速率存在差異，幼林齡和中齡林的未分解層和半分解的吸水速率相差很小，成熟林的未分解層明顯大于半分解層，近熟林則剛好相反，與持水率表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。

圖2 不同林齡杉木人工林凋落物持水率與浸水時(shí)間的關(guān)系Fig.2 Relationship between the water content rate of litter and the immersion time in different age groups

擬合不同林齡的杉木人工林各層凋落物吸水速率與浸水時(shí)間可知，凋落物吸水速率V與浸水時(shí)間t之間呈極顯著的冪函數(shù)關(guān)系(P<0.01，表5)，表達(dá)式為：V=kt-a，相關(guān)系數(shù)R2均>0.99，說(shuō)明凋落物吸水速率與浸水時(shí)間相關(guān)性較好。

3 討論

不同林齡的杉木人工林的凋落物儲(chǔ)量差異顯著，大小順序?yàn)槌墒炝?7.77t·hm-2)>近熟林(4.40 t·hm-2)>幼齡林(1.58 t·hm-2)>中林齡(1.41 t·hm-2)，這說(shuō)明在一定的年齡范圍內(nèi)，林齡的增加有利于凋落物的積累，而幼齡林略大于中齡林，可能原因是幼齡林的郁閉度小，林下灌草植被、碎屑雜物等會(huì)增加其凋落物的累積量。曾有研究表明，凋落物現(xiàn)存量與林齡基本呈正相關(guān)關(guān)系，但達(dá)到一定林齡后，凋落物現(xiàn)存量開(kāi)始下降[21]。植物在不同發(fā)育階段，再生能力與新陳代謝能力差異明顯，在生長(zhǎng)的最旺盛時(shí)期凋落量最大[22]。周麗麗等[12]人的研究表明杉木人工林的凋落物現(xiàn)存量隨著林齡的增加而增加。相比其他地區(qū)同齡段杉木人工林的年均凋落物量，廣西融水縣大于福建尤溪縣(1.06 t·hm-2，8 a)、湖南會(huì)同(4.47 t·hm-2，22 a)、廣西龍勝(4.62 t·hm-2，23 a)[3]，可見(jiàn)杉木人工林的凋落物量受地域影響。不同分解層的凋落物儲(chǔ)量不同，4種齡林的凋落物儲(chǔ)量均為未分解層大于半分解層，與蒼梧縣的馬尾松針葉林表現(xiàn)相同，與大葉櫟林、紅錐林等[23]闊葉樹(shù)種表現(xiàn)相反，可能與杉木屬針葉樹(shù)種，且葉表面被有蠟粉難分解有關(guān)，一般針葉林未分解層所占比例普通高于闊葉林[21]。

表4 不同林齡杉木人工林凋落物持水率與浸水時(shí)間的回歸方程Table 4 Equations between the water content rate of litter and the immersion time in the different age groups (n=8)

圖3 不同林齡杉木人工林凋落物吸水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relationship between the water-absorption rate of litter and the immersion time in different age groups

表5 不同林齡杉木人工林凋落物吸水速率與浸水時(shí)間的回歸方程Table 5 Equations between the water-absorption rate of litter and the immersion time in the different age groups (n=8)

凋落物最大持水量差異顯著，大小順序?yàn)槌墒炝?12.01 t·hm-2)>近熟林(8.52 t·hm-2)>幼齡林(4.19 t·hm-2)>中林齡(2.88 t·hm-2)，與儲(chǔ)量大小順序一致，但大于福建三明的杉木人工林(10～34 a)持水量(1.71～4.24 t·hm-2)[12]，且均為未分解層大于半分解層。一般認(rèn)為，凋落物的現(xiàn)存量越多，持水能力越強(qiáng)，水源涵養(yǎng)功能越好[24]。平均最大持水率大小順序?yàn)橛g林(266.8%)>中林齡(201.5%)>近熟林(200.3%)>成熟林(171.0%)， 接近湖南會(huì)同杉木人工林葉凋落物(208.2%～241.4%)、大于枝凋落物(81.8%～148.6%)[14]，與累積量的大小順序不一致，不同分解層凋落物持水率受林齡影響，成熟林持水率表現(xiàn)為未分解層明顯大于半分解層，近熟林則剛好相反，幼齡林和中齡林的未分解層和半分解層之間相差較小，這可能與凋落物的組成成分有關(guān)，不同發(fā)育階段杉木人工林凋落物的組成存在差異[3]，而不同組成成分的持水率也存在差異[14]。

不同林齡的杉木人工林凋落物持水量、持水率和吸水速率隨浸水時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律一致，表現(xiàn)出相同的持水特性，即凋落物持水量和持水率隨著浸水時(shí)間的增加而不斷增加，增速先快后慢，逐漸趨于穩(wěn)定，浸泡24 h達(dá)到理論最大值，且與浸水時(shí)間均呈對(duì)數(shù)關(guān)系，符合已有的研究結(jié)果[13,15]。吸水速率在初浸水時(shí)很高，隨后慢慢下降，最后到達(dá)飽和，且與浸水時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系，與顧宇書(shū)等[25]、楊玉蓮等[26]研究結(jié)果一致。一般在降雨開(kāi)始時(shí)，凋落物層吸水量迅速增加，當(dāng)水分到達(dá)細(xì)胞內(nèi)部，吸水量增加緩慢[27]，各組分細(xì)胞吸水速率不會(huì)無(wú)限增大?？梢?jiàn)，凋落物層在短時(shí)間內(nèi)具有迅速攔截降水、減少地表徑流的作用。

4 結(jié)論

不同林齡杉木人工林凋落物儲(chǔ)量為成熟林(7.77 t·hm-2)>近熟林(4.40 t·hm-2)>幼齡林(1.58 t·hm-2)>中林齡(1.41 t·hm-2)；最大持水量為成熟林(12.01 t·hm-2)>近熟林(8.52 t·hm-2)>幼齡林(4.19 t·hm-2)>中林齡(2.88 t·hm-2)；最大持水率為幼齡林(266.8%)>中林齡(201.5%)>近熟林(200.3%)>成熟林(171.0%)。這表明在一定年齡范圍內(nèi)，林齡的增加有利于凋落物的積累和持水量的增加，而持水率不受其影響。

杉木人工林4個(gè)林齡組的凋落物儲(chǔ)量和持水量均為未分解層大于半分解層，而持水率和吸水速率未分解和半分解層的大小因林齡不同而表現(xiàn)不同。

不同林齡杉木人工林凋落物的持水特性一致，即持水量和持水率隨著浸水時(shí)間的增加而增加，與浸水時(shí)間呈顯著的對(duì)數(shù)關(guān)系，可用W/R=a+blnt方程式表達(dá)；吸水速率隨著浸水時(shí)間的增加而降低，與浸水時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系，即V=kt-a。