不同林分林下枯落物及其吸湿持水能力的比较

不同林分林下枯落物及其吸湿持水能力的比较

下层凋落物是指覆盖在森林表面的未分解和半分解植物的凋落物。这是森林植物地上器官的死亡和脱落总数。枯落物作为森林生态系统水源涵养的3个层次之一,除截持降水外,更有吸收和阻延地表径流,抑制土壤蒸发,改善土壤性质,增加降水入渗,防止土壤溅蚀,增强土壤抗冲能力等功能。国内外学者分别在枯落物的截留降雨作用、拦沙效应、分解速率、化学性质等方面取得一定成果。油松林地去除枯落物层后径流量比原状林增加5.8倍,足见枯落物在森林水土保持中的重要性。一方面枯落物的截留降雨作用与降雨量有关;另一方面枯落物对降雨的截留量大小取决于其蓄水容量(即最大蓄水量)。而枯落物的蓄水容量与枯落物的厚度、储量及性质有关。枯落物阻延径流流出的时间与其厚度呈正相关,枯落物的储量越大其蓄水能力越强。石灰岩地区土壤渗漏性强,土层浅薄,保水能力差,水分是限制石灰岩地区植物生长的重要因素。因此,在石灰岩地区进行枯落物吸持降水能力的研究尤为重要。重庆碳酸盐岩出露面积占幅员面积的38.9%,这给重庆地区的植被恢复和重建带来极大阻碍。本文以重庆市石灰岩地区慈竹[Neosinocalamusaffinis(Rendle)Kengf.]、柏木(CupressusfunebrisEndl.)、女贞(LigustrumlucidumAit.)3种林分林下枯落物为研究对象,通过对其厚度、储量、保水及吸水能力的研究,比较3种林分林下枯落物吸持降水能力的强弱。国内外学者对于针叶林、阔叶林林下枯落物截留降雨能力的比较研究较多,而对竹类的报道较少。本文可一定程度上比较针叶林、阔叶林及竹林林下枯落物截留降雨能力的强弱。1研究领域的总结和研究方法1.1乔木层种类实验地位于重庆市北碚区(北纬29°39′～10°4′,东经106°18′～106°57′),属亚热带季风性湿润气候,具有春早、夏长、秋短、冬迟,四季分明,气温高,湿度大等特点。该区植被的乔木层以慈竹、柏木、女贞、构树[Broussonetiapapyrifera(L.)Vent.]、马尾松(PinusmassonianaLamb.)为主,灌木层以黄荆(VitexnegundoL.)、盐肤木(RhuschinensisMill.)、荚蒾(ViburnumdilatatumThunb.)为主,草本层以兰草(CymbidiumfaberiMiq.)、白茅(Imperatacylindricavar.major)、井栏边草(PerismultifidaPoir.)为主。1.2枯落物吸持水率测定在实地调查的基础上,于2006年3月20日在3种林分内选择具有代表性的部位各设置6个1m×0.5m的样方,分别收集枯落物的未分解层、半分解层,保持原样装入保鲜袋中,并现场记录枯落物厚度。采用室内风干法测定枯落物的保水能力(平均室温20℃)。将采集的枯落物分别平铺于1m×0.5m(与采集样方大小一致)的塑料薄膜上使其自然风干。称得枯落物的鲜重后,在其风干9h后称重1次,之后白天每隔6h、隔夜(12h)后称重1次,3d后每隔12h称重1次,12d后每1d称重1次至质量不再减少(共34d)。计算各时段的失水量及失水速率。采用室内浸泡法测定林下枯落物的吸水能力(共36h),并计算各时段的吸水量及吸水速率。以单位质量枯落物的失水、吸水量比较各林分间枯落物吸持水率的大小;以单位面积枯落物的失水、吸水量比较各林分间枯落物总吸持水量的大小。为方便表示,结果部分以“Ⅰ”表示慈竹林,“Ⅱ”表示柏木林,“Ⅲ”表示女贞林。计算公式如下:单位质量失水量(g·kg-1)=(0时刻枯落物质量-t时刻枯落物质量)/枯落物风干质量(1)单位面积失水量(kg·hm-2)=(0时刻枯落物质量-t时刻枯落物质量)/枯落物所占面积(2)自然含水率(%)=(0时刻枯落物质量-枯落物风干质量)/枯落物风干质量(3)失水速率(g·kg-1·d-1)=[t时刻枯落物质量-(t+1)时刻枯落物质量]/枯落物风干质量/Δt(4)单位质量吸水量(g·kg-1)=(t时刻枯落物质量-0时刻枯落物质量)/枯落物风干质量(5)单位面积吸水量(kg·hm-2)=[t时刻枯落物质量-(t+1)时刻枯落物质量]/枯落物所占面积(6)吸水速率(g·kg-1·h-1)=[(t+1)时刻枯落物质量-t时刻枯落物质量]/枯落物风干质量/Δt(7)枯落物单位质量最大总失水(吸水)量(g·kg-1)=[未分解层单位质量最大失水(吸水)量×未分解层风干重+半分解层单位质量最大失水(吸水)量×半分解层风干重]/(未分解层风干重+半分解层风干重)(8)枯落物单位面积最大总失水(吸水)量(kg·hm-2)=[未分解层单位面积最大失水(吸水)量+半分解层单位面积最大失水(吸水)量]/2(9)使用SPSS和Excel程序完成数据统计分析及制图。2结果与分析2.1半分解层和基性层由表1可知,不同林分枯落物厚度慈竹林>女贞林>柏木林;枯落物储量未分解层为柏木林>慈竹林>女贞林,半分解层为慈竹林>柏木林>女贞林;总储量为慈竹林>柏木林>女贞林。从未分解层和半分解层枯落物占总储量的比例看,半分解层大于未分解层。3种林分各层枯落物所占比例有所不同,未分解层占总储量的比例由大到小依次为女贞林(44.81%)>柏木林(29.99%)>慈竹林(20.43%)。2.2不同森林中干旱林的吸收能力2.2.1不同林下未分解层枯落物的自然含水率林下枯落物的风干失水过程体现了枯落物在自然状态下的保水情况及其自然含水率,决定着枯落物的吸持水能力,是枯落物截流能力的间接体现。3种林下未分解层枯落物的单位质量最大失水量为慈竹林(2452g·kg-1)>女贞林(2175g·kg-1)>柏木林(1649g·kg-1),即其自然含水率为慈竹林(245.2%)>女贞林(217.5%)>柏木林(164.9%);半分解层最大失水量为女贞林(1777g·kg-1)>慈竹林(1742g·kg-1)>柏木林(1442g·kg-1),其自然含水率为女贞林(177.7%)>慈竹林(174.2%)>柏木林(144.2%),均为柏木林与另两林分间有显著差异。枯落物的总自然含水率为慈竹林(188.3%)和女贞林(194.9%)大于柏木林(150.4%)(表2)。未分解层与半分解层相比,具有相对较高的自然含水率。3种林下未分解层枯落物的单位面积最大失水量为慈竹林>柏木林>女贞林,其中慈竹与另两林分间有显著差异。半分解层枯落物的最大失水量为慈竹林>柏木林>女贞林,三者均有显著差异。枯落物的最大总失水量为慈竹林>柏木林>女贞林,三者均有显著差异。半分解层与未分解层相比,最大失水量相对较大。柏木林和女贞林下未分解层枯落物在风干13d和14d时失水量分别为1318g·kg-1和1667g·kg-1,之后随着风干时间的增加,失水量的增加量不足其风干质量的10%;而慈竹林下未分解层枯落物在其风干22d时,失水量(2108g·kg-1)才达到上述情况(图1)。说明慈竹林下未分解层枯落物的保水时间相对较长。对于3种林下半分解层枯落物而言,其失水量分别在19d、21d、26d时达到上述情况。说明3种林下半分解层枯落物的保水时间为慈竹林>柏木林>女贞林。半分解层与未分解层相比,具有相对较长的保水时间。失水速率体现了枯落物保水能力的强弱。最初阶段的失水速率越大,枯落物在短时间内的失水强度越大,即短期内保水能力越差,反之则越强。由枯落物失水量——风干时间曲线(图1)的斜率可知,最初4d内3种林下未分解层枯落物的失水速率由大到小为女贞林>慈竹林>柏木林,说明3种林下未分解层枯落物的短期保水能力由强到弱为:柏木林>慈竹林>女贞林。半分解层枯落物在最初4d内的失水速率表现为女贞林>慈竹林>柏木林,说明3种林下半分解层枯落物的短期保水能力由强到弱为柏木林>慈竹林>女贞林。总体而言,3种林下枯落物的短期保水能力表现为柏木林>慈竹林>女贞林。2.2.2枯落物单位吸水量和未分解层单位面积的最大吸持降水量枯落物的吸水能力同样决定着其吸持水能力的强弱。最大吸水量越大,吸水能力越强,反之则越弱。3种林下未分解层枯落物的单位质量最大吸水量为慈竹林(2766g·kg-1)>女贞林(2566g·kg-1)>柏木林(1879g·kg-1),占其风干重的百分比分别为慈竹林(276.6%)>女贞林(256.6%)>柏木林(187.9%),其中柏木林与另两林分间有显著差异。半分解层的最大吸水量为女贞林(2075g·kg-1)>慈竹林(1756g·kg-1)>柏木林(1616g·kg-1),占其风干重的百分比分别为女贞林(207.5%)>慈竹林(175.6%)>柏木林(161.6%),其中女贞林与另两林分间有显著差异。枯落物的单位质量最大总吸水量占其风干重的百分比即最大吸水率为女贞林(229.8%)>慈竹林(195.3%)>柏木林(155.6%)(表2)。未分解层与半分解层相比具有较大的最大吸水量。3种林下未分解层枯落物的单位面积最大吸水量为慈竹林>柏木林>女贞林,其中仅慈竹林与女贞林间差异显著,说明3种林分林下未分解层枯落物的吸持降水量以慈竹林为最大,女贞林为最小。3种林下半分解层枯落物的单位面积最大吸水量为慈竹林>柏木林>女贞林,三者间均有显著差异,说明3种林分林下半分解层枯落物的吸持降水量为慈竹林>柏木林>女贞林。3种林分林下枯落物的吸持降水量总量为慈竹林>柏木林>女贞林。3种林下未分解和半分解层枯落物均在浸水8～10h时达到其最大吸水量,即各林分各层枯落物间的浸水饱和时间没有显著差异(图2)。吸水速率体现了枯落物吸持降水的强度。吸水速率越大,枯落物在单位时间内的吸水强度越大,即吸持降水的强度越大,反之则越小。3种林下未分解层枯落物的最大吸水速率即其在最初阶段(0.5h内)的吸水速率为慈竹林(5845g·kg-1·h-1)>女贞林(4628g·kg-1·h-1)>柏木林(3571g·kg-1·h-1),表明未分解层枯落物吸持降水强度为慈竹林>女贞林>柏木林。3种林下半分解层枯落物的最大吸水速率为女贞林(3861g·kg-1·h-1)>慈竹林(3664g·kg-1·h-1)>柏木林(3534g·kg-1h-1),表明半分解层枯落物吸持降水强度为女贞林>慈竹林>柏木林。总体而言,3种林分林下枯落物吸持降水强度为慈竹林和女贞林大于柏木林,未分解层大于半分解层。3枯落物的年耗量和年吸水量在自然状况下的吸持能力,对于林下本文通过单位质量和单位面积枯落物的保水、吸水情况衡量不同林分枯落物的吸持降水能力的大小,其中单位面积枯落物的保水、吸水量又由枯落物的厚度、储量及其性质(即单位质量枯落物的保水、吸水量)所决定。国内自20世纪80年代以来对枯落物的蓄水特性报道不断,大多以枯落物的储量和浸水实验来衡量其蓄水能力,本文还对枯落物的风干失水情况进行了研究。3种林下枯落物的保水时间以慈竹林最长,而未分解层枯落物的保水时间表现出慈竹林>女贞林>柏木林,这除与枯落物的单位面积自然含水量有关即与其储量、厚度有关外,可能也与慈竹叶片表面分布大量的表皮毛有关。半分解层的保水时间与未分解层相比相对较长,可能是由于半分解层相对未分解层形状不规则,从而在风干过程中相互叠合程度较强,从而与未分解层相比暴露了相对较小的表面积。而慈竹林下半分解层枯落物的比例较高,也增长了枯落物的保水时间。比较3种林下各层枯落物在最初4d内的失水速率可知,3种林分林下枯落物在短期重度干旱情况下的保水能力为女贞林>慈竹林>柏木林。最大吸水量表明枯落物吸持降水量的大小,最大吸水量越大,在充足降雨情况下枯落物所能吸持的降雨量越大,即吸持降水能力越强。3种林分林下枯落物的单位质量最大总吸水量为慈竹林和女贞林大于柏木林,这与3种林分本身的性质有关。国内外对于阔叶林和针叶林林下枯落物的蓄水能力比较已有一定报道,其结果均为阔叶林>针叶林。王佑民指出,针叶树种枯落物含有较多的油脂,不易分解,其吸水率和有效吸水量往往没有阔叶树种的枯落物大。而对于竹类与其他物种林下枯落物蓄水能力的比较研究极少。有研究表明,毛竹