刘成功 万志兵 李 燕 戴淑娟 姜 航 王立超 徐胜林

(黄山学院生命与环境科学学院，安徽 黄山 245041)



不同林龄无患子人工林枯落物的持水性

刘成功 万志兵 李 燕 戴淑娟 姜 航 王立超 徐胜林

(黄山学院生命与环境科学学院，安徽 黄山 245041)

采用枯落物林地调查和浸泡实验法，研究黄山地区不同林龄无患子人工林枯落物层的水文效应，建立枯落物持水量与浸水时间、吸水速率和浸水时间之间的回归关系。结果表明：同一人工林内3个龄级无患子林分枯落物持水特性差异显著，龄级与持水特性间呈多项式回归，第Ⅰ龄级林分枯落物的持水性能最佳，其自然持水量、自然持水率、最大持水量、最大持水率、最大净持水量均最大；不同龄级林分枯落物的吸水量与浸水时间呈现对数函数关系，相关系数R2为0.912 4～0.919 4，吸水速率与浸水时间表现为幂函数关系，相关系数R2为0.986 0～0.987 5；随着浸水时间的增加其吸水速率越来越低，浸水1 h时吸水速率最大，达195.25 g/h，浸水2 h后吸水速率降为109.81 g/h，浸水20 h后吸水速率降为零。

无患子；人工林；枯落物；持水性

森林生态系统通过林冠层、枯落物层和土壤层3个作用层实现森林的水源涵养功能[1]。林地的枯落物层是森林水源涵养的第2个功能层[2]，它是由林木及林下植被凋落下来的枝条、花、果实、茎叶、树皮和枯死的植物残体所形成的一层地表覆盖层[3]，在截持降雨、防止土壤溅蚀[4]、拦蓄地表径流[5-6]、减少土壤水分蒸发[7]、增强土壤水分入渗[8]等方面具有非常重要的意义，是实现森林水土保持和水源涵养功能的主要作用层[9]。森林枯落物的凋落量和凋落动态是影响地表径流的主导因子[10]，不同枯落物截持降雨过程的吸水率具有一定的差异性[11]，针叶为172%、软阔叶为386%、硬阔叶为250%、乔灌木枝条为152%[12]。桉树林地枯枝落叶层贮量与年龄大小存在紧密的相关性，呈二次函数回归关系，6年生时林地枯枝落叶层的最大净持水量达2.0 mm[13]。因此，研究林木枯落物层的持水特性具有重要意义。

无患子(Sapindusmukorossi)为无患子科、无患子属植物，落叶乔木[14]，其根系发达、树型美观，可吸收空气中的SO2、汽车尾气、工业废气等有害气体，在城市绿化、环境保护、水土保持与建设等方面也具有十分重要的价值[15]，无患子分布地域广、跨度大，从温带到热带均有分布，在我国主要分布于江苏、福建、安徽、陕西、云南等地，为低山、丘陵及石灰岩山地常见树种，在西南地区垂直分布可达海拔2 000 m[16]。目前有关无患子研究的报道主要集中在其生物学特性[17]、繁殖技术[18]、引种栽培[19]、化学成分及分离提取技术[20]等方面，少有涉及其在水土保持、水源涵养方面的报道。本研究以同一人工林内不同林龄样地的无患子为对象，对其枯落物的持水特性进行研究，对无患子在水土保持方面的作用加以评估，为今后无患子在生态工程建设中的应用提供参考依据。

1 研究区概况

研究林分位于安徽省黄山市屯溪区黄山学院南校区无患子人工林内，地处东经118°17′30″，北纬29°41′51″，属皖南山区变层岩系的低山、丘陵地区。海拔200～380 m，年均气温15.5～16.3 ℃，极端最高气温达40.0～41.5 ℃，1月平均气温3.5 ℃，7月平均气温27.9 ℃，地表平均气温为17.9～19.3 ℃。平均无霜期达229 d，年降水量1 395～1 670 mm，降水平均天数152 d，呈不均匀季节性分配，且雨量集中，垂直变化程度较大。季风明显，暖湿同季，适合植物的生长与发育。土壤类型为第四纪红色黏土母质，典型的黄壤亚类-黄红壤。研究林分的主要乔木除优势种无患子外，尚有杉木(Cunninghamialanceolata)、马尾松(Pinusmassoniana)、樟树(Cinnamonumcampora)等，树龄在4～21 a，高5.8～15.4 m；灌木植物有小构树(Broussonetiakazinoki)、乌药(Linderaaggregata)、檵木(Loropetalumchinense)等，平均高1.4 m，盖度19%～28%；草本以千根草(Euphorbiathymiflia)、乌蕨(Stenolomachusanum)等为主，盖度22%～45%。由于该无患子人工林经营管理强度高，林内其余乔木、灌木稀少。

2 研究方法

2.1 样地设置及枯落物储量调查

2013年11月于生长健壮、无病虫害、郁闭度0.4～0.6、树龄5～10 a的无患子人工林区域内，选取密度相近，立地条件和营林方式一致的3个不同造林时间段林分设置样地。采用空间代替时间法[21]，即用林木的径级结构代替年龄结构,以胸径大小为标准将样地内的无患子分为3个径级，每径级的间隔距离为5 cm。具体为：胸径(10.0±0.5)cm为第Ⅰ龄级,胸径(15.0±0.5)cm为第Ⅱ龄级,胸径(20.0±0.5)cm为第Ⅲ龄级，各龄级分别选取上、中、下坡3个不同立地设置固定调查样地，样地面积为20 m×20 m。在20 m×20 m的样地内依“S”形各取面积1 m×1 m的小样方5个，记录枯落物未分解层、半分解层及已全分解3个层次的厚度、质量等指标，采用全收获法收集无患子林枯落物(包括未分解、半分解和已分解)，并全部称其质量，然后将每个样地的枯落物混合，取样品2 000 g装入布袋备用。

2.2 无患子枯落物持水性测定

将野外采集的未分解层、半分解层和已分解层3种分解程度的枯落物混合后的湿样，用“四分法”[22]，取相应胸径下无患子枯落物各200 g装入尼龙袋，置于85 ℃烘箱内烘干至恒质量，计算自然持水量。用下列公式计算枯落物自然持水量和自然持水率。

枯落物自然持水量=枯落物湿样质量-枯落物干质量

枯落物自然持水率=枯落物自然持水量/枯落物干质量×100%

采用室内浸泡法，测定枯落物的持水量和吸水速度。将烘干样品置于透水条件良好的尼龙袋中，放入清水中分别浸泡26 h，同时每隔1、2、4、8、12、16、20、22、24、26 h捞起并静置5 min至不滴水时称其质量，得出不同林龄级无患子人工林枯落物的最大持水量、最大持水率和吸水速率，其计算公式[23]如下：

枯落物最大持水量=浸泡后的枯落物质量-干质量

枯落物最大持水率=枯落物最大持水量/枯落物干质量 ×100%

根据即时持水量，即每次称量所得的枯落物湿质量与其风干质量差值，该差值与浸水时间的比值即为枯落物的吸水速率。计算公式为：

枯落物吸水速率=即时持水量/浸泡时间

在相同采集及试验条件下，由最大持水量和自然持水量可计算其最大净持水量，公式为：

枯枝落叶最大净持水量=最大持水量-自然持水量

2.3 数据处理

运用SPSS软件对数据进行处理分析,Excel 2003进行图表制作。

3 结果与分析

3.1 枯落物储量

枯落物层储量是森林凋落物归还与地表枯枝落叶分解动态平衡的结果。分别对3个龄级无患子林分枯落物储量、枯落物层(未分解层、半分解层、全分解层)的厚度进行测定，结果见表1。

表1 枯落物厚度及储量调查结果Tab.1 Survey results of the Litter thickness and amount

枯落物厚度主要与枯落物储量有关，一般是储量越大厚度越大。由表1可知，3个龄级无患子林下枯落物的总厚度和总储量表现不同，且Ⅰ龄级(总厚度6.79 cm，总储量22.12 t/hm2)>Ⅱ龄级(总厚度5.21 cm，总储量18.05 t/hm2)>Ⅲ龄级(总厚度3.87 cm，总储量13.94 t/hm2)，表明枯落物层的厚度和总量与林分的发育阶段相关。从表1还可以看出，不同龄级无患子林枯落物的厚度和储量均随龄级的增加而逐渐减小，表明不同年龄的无患子枯落物枝叶组成有差异，降解程度也有差异。

3.2 枯落物的持水特性

同一人工林林分内3个龄级无患子林分的枯落物持水性与龄级的关系见图1～3。

由图1～3可以看出，不同龄级无患子林分枯落物的持水特性存在差异。第Ⅰ龄级林分的枯落物持水性最好，其次是第Ⅱ龄级，最低为第Ⅲ龄级，表现为在同一人工林林分内，第Ⅰ龄级林分的枯落物自然持水量、自然持水率、最大持水量、最大持水率、最大净持水量均为最大，分别为：131.05 g/kg、15.082%、1 694.1 g/kg、194.960%、1 563.05 g/kg，而第Ⅲ龄级林分的无患子枯落物相应的指标都为最小值，分别为：118.28 g/kg、13.417%、1 500.20 g/kg、170.147%、1 381.92 g/kg。同时可以看出，枯落物的持水能力越强，枯落物的持水率就越大。

将林分内3个龄级无患子林分枯落物的持水性进行方差分析，自然持水量和自然持水率各龄级均存在显著差异，最大持水性的3个指标在各龄级之间均存在极显著差异，多重比较结果见表2。从表2可以看出，第Ⅰ龄级与第Ⅲ龄级林分的枯落物自然持水量、自然持水率均存在显著差异，且龄级Ⅰ要比龄级Ⅲ林分自然持水量、自然持水率分别高10.80%和12.41%；而龄级Ⅱ与龄级Ⅰ及龄级Ⅲ林分的枯落物自然持水量、自然持水率差异均不显著，第Ⅰ龄级与第Ⅱ龄级、第Ⅱ龄级与第Ⅲ龄级林分枯落物的3个最大持水性指标间均存在极显著差异，且龄级Ⅰ林下枯落物的最大持水量、最大持水率、最大净持水量要比龄级Ⅱ和龄级Ⅲ分别高6.37%、12.92%，7.31%、14.58%和6.39%、13.11%。由表1～2知，第Ⅰ龄级林分枯落物拦截降水、减轻地表径流等效果较另外2个龄级的效果好。

以对数式、多项式及幂函数3种数学模型，对无患子林枯落物持水性与龄级的关系进行回归分析，结果见表3。

从表3可以看出，无患子枯落物的持水性与龄级之间的关系以多项式回归模型最佳，回归方程为Y=a1X2+b1X-C(R2=1.000 0)，另外两种回归模型相关系数R2均低于1.000 0。本研究表明，林地枯落物的持水性与龄级的关系存在显著的相关性。

表2 不同龄级无患子林枯落物持水性比较Tab.2 Water-holding characters comparison of Sapindus muorossi plantation litter in different age class

注：不同小写字母表示在0.05水平上差异显著，不同大写字母表示在0.01水平上差异显著；*P<0.05 ，**P<0.01。

表3 无患子林枯落物持水性与龄级的回归方程Tab.3 The regression equation of water-holding characters and age class of Sapindus mukorossi plantation litter

3.3 枯落物吸水特性

以浸水时间为横坐标，吸水质量为纵坐标建立二维坐标系，见图4。

由图4可以看出，浸水0～1 h时段的吸水量最大，占最大吸水总量的57.63%～60.95%；1～2 h时段的吸水量占最大吸水总量的5.04%～7.73%；12～16 h时段的吸水量仅占最大吸水总量的3.79%～7.78%，以后随着浸水时间的延长，其吸水量逐渐减少，至浸水20 h时基本达到饱和状态。

分别对各龄级林分枯落物吸水量与浸水时间的关系进行回归，各回归方程见表4。

表4 无患子林枯落物吸水量与时间的回归方程Tab.4 Regression equation of absorbing water and time of Sapindus mukorossi plantation litter

由表4可看出，各龄级林分枯落物浸水时间与吸水量的关系以对数模型最佳，回归模型表达式为:

y=k1·tn

式中：y为枯落物吸水量(g)；t为浸水时间(h)；n为指数；k1为方程系数。

由回归模型可知，相关系数R2在0.912 4～0.919 4。因此，可通过人工林内不同龄级无患子林分枯落物层不同浸水时间来预测吸水量。

对各龄级林分枯落物吸水速率与浸水时间的关系进行回归，各回归方程见表5。

表5 无患子枯落物吸水速率与时间的回归方程Tab.5 Regression equations of water absorption rate and time of Sapindus mukorossi plantation litter

由表5可看出，各龄级林分枯落物的吸水速率与时间的关系以幂函数最佳，回归模型表达式为:

y=k2·tm

式中：y为枯落物吸水率(g/h)；t为浸水时间(h)；m为指数；k2为方程系数。

由方程可知，同一人工林内无患子枯落物层吸水速率(g/h)与龄级的相关系数R2在0.986 0～0.987 5，各龄级林分枯落物层平均吸水速率的相关系数R2=0.986 9。因此，可以通过枯落物浸泡时间预测各龄级林分枯落物的吸水速率。

4 结论与讨论

林木枯落物层具有良好的吸水和透水性能，在森林水源涵养、水土保持等方面扮演着重要角色[24]。枯落物浸水24 h后的持水量可视为该枯落物的最大持水量，此时的持水率为最大持水率[25]。由于林木生长周期很长，难以追踪其整个生命周期[21]，为此，本研究采用径级结构代替年龄结构的“空间代替时间”的方法，以胸径大小为标准对同一人工林林分内不同造林时间的3种树龄无患子林分枯落物的自然持水量、自然持水率、最大持水量、最大持水率、最大净持水量分别进行研究。结果表明：第Ⅰ龄级(胸径10 cm)的无患子人工林枯落物的5个持水性指标均为最大，分别为：131.05 g/kg、15.082%、1 694.1 g/kg、194.960%、1 563.05 g/kg，表明枯落物的持水能力越强其持水率也就越大，与4种杉木人工林枯落物持水性研究结果及辽宁东部山区几种主要森林植被枯落物层持水性研究结果相一致[26-27]。枯落物的持水能力与持水率间的关系可能与枯落物的分解程度有关，对木荷、罗桴栲、观光木等研究表明，半分解层枯落物的最大持水量均大于未分解层[28]。通常林木枝叶的碳含量与树龄呈显著正相关[29]，其枯落物纤维素、木质素等难分解物含量越高被微生物等分解的程度也相对较低。本研究中龄级Ⅰ的无患子林枯落物相对龄级Ⅱ、龄级Ⅲ林其木质化程度低，更容易被微生物分解，其表面空隙多、细、小，相对吸水面积大，枯落物表面张力也变大，持水性能就越好，与帽儿山主要森林类型凋落物层水文效应研究[30]的结果一致。厚荚相思林枯落物最大持水率为70%[31]、刺槐麻栎混交林枯落物的最大持水率为210.9%[32]，本研究无患子林枯落物最大持水率比厚荚相思高，比刺槐麻栎混交林枯落物的最大持水率低，这是由于树种不同其枯落物成分不同，直接影响土壤生物类群，使得枯落物分解程度存在差异所导致。

枯落物持水量仅说明枯落物潜在的持水能力，而吸水速度则是衡量其持水效率的重要指标[22]。本研究表明：吸水量与浸水时间呈对数函数关系，吸水速率则与浸水时间呈现幂函数关系，随着浸水时间的增加其吸水速率降低，这与桉树林地枯枝落叶层的水文特性及养分贮量的研究结果一致[13]，也表明可以通过枯落物浸泡时间(h)预测各林龄无患子人工林枯落物的吸水量和吸水速率。无患子林枯落物随着浸水时间的增加其吸水速率越来越低，20 h后吸水速率降为零，此时枯落物吸水基本趋于饱和，与贺兰山4种典型森林类型凋落物持水性能研究[33]及不同林龄华北落叶松人工林枯落物储量及持水特性研究[34]的结果一致，森林对土壤物理性状的影响是多层面的，但对0～20 cm土壤层影响最显著的是林下的枯落物[35]。林分枯落物层吸水作用的大小，取决于其本身的厚度和性质[36]。一般情况下，枯落物的现存量越多、未分解层相对较少，其水源涵养功能越好、吸水速率相对较快，枯落物覆盖地面， 保护地表免遭雨滴击溅侵蚀， 土壤结构疏松，吸收和调节地表径流能力强[37-38]。以上分析表明，无患子人工林枯落物层对于分散、阻滞地表径流的形成，减缓、减少地表径流，增加水分下渗，防止雨滴对地表土壤直接冲击，保持水土等具有一定的作用。

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(责任编辑 赵粉侠)

Study on Water-Holding Properties of Litter Layer ofSapindusmukorossiPlantation with Different Age Class

LIU Cheng-gong,WAN Zhi-bing,LI Yan,Dai Shu-juan,JIANG Hang,WANG Li-chao，XU Sheng-lin

(College of Life and Environmental Sciences,Huangshan University,Huangshan Anhui 245041,China)

By using the methods of field investigation and soaking extraction, the water-holding properties of litter layer ofSapindusmukorossiplantation with different age class were investigated,and the regression relationship between the water-holding properties and soaking time,water uptake rate and soaking time was build.The results showed that: the water-holding properties of litter layer ofSapindusmukorossiplantation with different age class existed significant differences.There was a polynomial regression relationship between the water-holding properties and the age class.The class I ofSapindusmukorossiplantation had the best water-holding properties.The natural water holding capacity,natural water holding rate,the maximum of water-holding content,the maximum of water-holding rate,the biggest net capacity were all the highest.The water-holding capacity inSapindusmukorossiplantation with different age class increased in the form of logarithmic functional model with the increase of soaking time, with the correlation coefficient from 0.912 4 to 0.919 4.The water-absorption rates of the litters decreased in the form of power function,with the correlation coefficient between 0.986 0 and 0.987 5.The water-absorption rates became lower with the increase of soaking time.The water-absorption rate was 195.25 g/h while soaking in the water for 1 h.It reduced to 109.81 g/h while soaking in the water for 2 h.After 20 h,the water-absorption rates became zero.

Sapindusmukorossi;plantation;litter layer;water-holding properties

2014-10-21

安徽高校省厅自然科学研究重点项目(KJ2013A241)资助；国家级大学生创新训练项目(201310375006)资助；黄山学院自然科学研究项目(2014xkj002)资助。

万志兵(1980—)，男，副教授。研究方向：植物栽培和育种。Email: wanzb626@hsu.edu.cn。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.04.008

S718.45

A

2095-1914(2015)04-0046-07

第1作者：刘成功(1991—)，男，本科生。研究方向：林木遗传育种。Email:970974659@qq.com。