不同林分林下枯落物及其吸濕持水能力的比較

不同林分林下枯落物及其吸濕持水能力的比較

下層凋落物是指覆蓋在森林表面的未分解和半分解植物的凋落物。這是森林植物地上器官的死亡和脫落總數(shù)?？萋湮镒鳛樯稚鷳B(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的3個(gè)層次之一,除截持降水外,更有吸收和阻延地表徑流,抑制土壤蒸發(fā),改善土壤性質(zhì),增加降水入滲,防止土壤濺蝕,增強(qiáng)土壤抗沖能力等功能。國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別在枯落物的截留降雨作用、攔沙效應(yīng)、分解速率、化學(xué)性質(zhì)等方面取得一定成果。油松林地去除枯落物層后徑流量比原狀林增加5.8倍,足見(jiàn)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與降雨量有關(guān);另一方面枯落物對(duì)降雨的截留量大小取決于其蓄水容量(即最大蓄水量)。而枯落物的蓄水容量與枯落物的厚度、儲(chǔ)量及性質(zhì)有關(guān)。枯落物阻延徑流流出的時(shí)間與其厚度呈正相關(guān),枯落物的儲(chǔ)量越大其蓄水能力越強(qiáng)。石灰?guī)r地區(qū)土壤滲漏性強(qiáng),土層淺薄,保水能力差,水分是限制石灰?guī)r地區(qū)植物生長(zhǎng)的重要因素。因此,在石灰?guī)r地區(qū)進(jìn)行枯落物吸持降水能力的研究尤為重要。重慶碳酸鹽巖出露面積占幅員面積的38.9%,這給重慶地區(qū)的植被恢復(fù)和重建帶來(lái)極大阻礙。本文以重慶市石灰?guī)r地區(qū)慈竹[Neosinocalamusaffinis(Rendle)Kengf.]、柏木(CupressusfunebrisEndl.)、女貞(LigustrumlucidumAit.)3種林分林下枯落物為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)其厚度、儲(chǔ)量、保水及吸水能力的研究,比較3種林分林下枯落物吸持降水能力的強(qiáng)弱。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于針葉林、闊葉林林下枯落物截留降雨能力的比較研究較多,而對(duì)竹類的報(bào)道較少。本文可一定程度上比較針葉林、闊葉林及竹林林下枯落物截留降雨能力的強(qiáng)弱。1研究領(lǐng)域的總結(jié)和研究方法1.1喬木層種類實(shí)驗(yàn)地位于重慶市北碚區(qū)(北緯29°39′～10°4′,東經(jīng)106°18′～106°57′),屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,具有春早、夏長(zhǎng)、秋短、冬遲,四季分明,氣溫高,濕度大等特點(diǎn)。該區(qū)植被的喬木層以慈竹、柏木、女貞、構(gòu)樹(shù)[Broussonetiapapyrifera(L.)Vent.]、馬尾松(PinusmassonianaLamb.)為主,灌木層以黃荊(VitexnegundoL.)、鹽膚木(RhuschinensisMill.)、莢蒾(ViburnumdilatatumThunb.)為主,草本層以蘭草(CymbidiumfaberiMiq.)、白茅(Imperatacylindricavar.major)、井欄邊草(PerismultifidaPoir.)為主。1.2枯落物吸持水率測(cè)定在實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上,于2006年3月20日在3種林分內(nèi)選擇具有代表性的部位各設(shè)置6個(gè)1m×0.5m的樣方,分別收集枯落物的未分解層、半分解層,保持原樣裝入保鮮袋中,并現(xiàn)場(chǎng)記錄枯落物厚度。采用室內(nèi)風(fēng)干法測(cè)定枯落物的保水能力(平均室溫20℃)。將采集的枯落物分別平鋪于1m×0.5m(與采集樣方大小一致)的塑料薄膜上使其自然風(fēng)干。稱得枯落物的鮮重后,在其風(fēng)干9h后稱重1次,之后白天每隔6h、隔夜(12h)后稱重1次,3d后每隔12h稱重1次,12d后每1d稱重1次至質(zhì)量不再減少(共34d)。計(jì)算各時(shí)段的失水量及失水速率。采用室內(nèi)浸泡法測(cè)定林下枯落物的吸水能力(共36h),并計(jì)算各時(shí)段的吸水量及吸水速率。以單位質(zhì)量枯落物的失水、吸水量比較各林分間枯落物吸持水率的大小;以單位面積枯落物的失水、吸水量比較各林分間枯落物總吸持水量的大小。為方便表示,結(jié)果部分以“Ⅰ”表示慈竹林,“Ⅱ”表示柏木林,“Ⅲ”表示女貞林。計(jì)算公式如下:單位質(zhì)量失水量(g·kg-1)=(0時(shí)刻枯落物質(zhì)量-t時(shí)刻枯落物質(zhì)量)/枯落物風(fēng)干質(zhì)量(1)單位面積失水量(kg·hm-2)=(0時(shí)刻枯落物質(zhì)量-t時(shí)刻枯落物質(zhì)量)/枯落物所占面積(2)自然含水率(%)=(0時(shí)刻枯落物質(zhì)量-枯落物風(fēng)干質(zhì)量)/枯落物風(fēng)干質(zhì)量(3)失水速率(g·kg-1·d-1)=[t時(shí)刻枯落物質(zhì)量-(t+1)時(shí)刻枯落物質(zhì)量]/枯落物風(fēng)干質(zhì)量/Δt(4)單位質(zhì)量吸水量(g·kg-1)=(t時(shí)刻枯落物質(zhì)量-0時(shí)刻枯落物質(zhì)量)/枯落物風(fēng)干質(zhì)量(5)單位面積吸水量(kg·hm-2)=[t時(shí)刻枯落物質(zhì)量-(t+1)時(shí)刻枯落物質(zhì)量]/枯落物所占面積(6)吸水速率(g·kg-1·h-1)=[(t+1)時(shí)刻枯落物質(zhì)量-t時(shí)刻枯落物質(zhì)量]/枯落物風(fēng)干質(zhì)量/Δt(7)枯落物單位質(zhì)量最大總失水(吸水)量(g·kg-1)=[未分解層單位質(zhì)量最大失水(吸水)量×未分解層風(fēng)干重+半分解層單位質(zhì)量最大失水(吸水)量×半分解層風(fēng)干重]/(未分解層風(fēng)干重+半分解層風(fēng)干重)(8)枯落物單位面積最大總失水(吸水)量(kg·hm-2)=[未分解層單位面積最大失水(吸水)量+半分解層單位面積最大失水(吸水)量]/2(9)使用SPSS和Excel程序完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及制圖。2結(jié)果與分析2.1半分解層和基性層由表1可知,不同林分枯落物厚度慈竹林>女貞林>柏木林;枯落物儲(chǔ)量未分解層為柏木林>慈竹林>女貞林,半分解層為慈竹林>柏木林>女貞林;總儲(chǔ)量為慈竹林>柏木林>女貞林。從未分解層和半分解層枯落物占總儲(chǔ)量的比例看,半分解層大于未分解層。3種林分各層枯落物所占比例有所不同,未分解層占總儲(chǔ)量的比例由大到小依次為女貞林(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不同林下未分解層枯落物的自然含水率林下枯落物的風(fēng)干失水過(guò)程體現(xiàn)了枯落物在自然狀態(tài)下的保水情況及其自然含水率,決定著枯落物的吸持水能力,是枯落物截流能力的間接體現(xiàn)。3種林下未分解層枯落物的單位質(zhì)量最大失水量為慈竹林(2452g·kg-1)>女貞林(2175g·kg-1)>柏木林(1649g·kg-1),即其自然含水率為慈竹林(245.2%)>女貞林(217.5%)>柏木林(164.9%);半分解層最大失水量為女貞林(1777g·kg-1)>慈竹林(1742g·kg-1)>柏木林(1442g·kg-1),其自然含水率為女貞林(177.7%)>慈竹林(174.2%)>柏木林(144.2%),均為柏木林與另兩林分間有顯著差異?？萋湮锏目傋匀缓蕿榇戎窳?188.3%)和女貞林(194.9%)大于柏木林(150.4%)(表2)。未分解層與半分解層相比,具有相對(duì)較高的自然含水率。3種林下未分解層枯落物的單位面積最大失水量為慈竹林>柏木林>女貞林,其中慈竹與另兩林分間有顯著差異。半分解層枯落物的最大失水量為慈竹林>柏木林>女貞林,三者均有顯著差異?？萋湮锏淖畲罂偸繛榇戎窳?gt;柏木林>女貞林,三者均有顯著差異。半分解層與未分解層相比,最大失水量相對(duì)較大。柏木林和女貞林下未分解層枯落物在風(fēng)干13d和14d時(shí)失水量分別為1318g·kg-1和1667g·kg-1,之后隨著風(fēng)干時(shí)間的增加,失水量的增加量不足其風(fēng)干質(zhì)量的10%;而慈竹林下未分解層枯落物在其風(fēng)干22d時(shí),失水量(2108g·kg-1)才達(dá)到上述情況(圖1)。說(shuō)明慈竹林下未分解層枯落物的保水時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。對(duì)于3種林下半分解層枯落物而言,其失水量分別在19d、21d、26d時(shí)達(dá)到上述情況。說(shuō)明3種林下半分解層枯落物的保水時(shí)間為慈竹林>柏木林>女貞林。半分解層與未分解層相比,具有相對(duì)較長(zhǎng)的保水時(shí)間。失水速率體現(xiàn)了枯落物保水能力的強(qiáng)弱。最初階段的失水速率越大,枯落物在短時(shí)間內(nèi)的失水強(qiáng)度越大,即短期內(nèi)保水能力越差,反之則越強(qiáng)。由枯落物失水量——風(fēng)干時(shí)間曲線(圖1)的斜率可知,最初4d內(nèi)3種林下未分解層枯落物的失水速率由大到小為女貞林>慈竹林>柏木林,說(shuō)明3種林下未分解層枯落物的短期保水能力由強(qiáng)到弱為:柏木林>慈竹林>女貞林。半分解層枯落物在最初4d內(nèi)的失水速率表現(xiàn)為女貞林>慈竹林>柏木林,說(shuō)明3種林下半分解層枯落物的短期保水能力由強(qiáng)到弱為柏木林>慈竹林>女貞林?？傮w而言,3種林下枯落物的短期保水能力表現(xiàn)為柏木林>慈竹林>女貞林。2.2.2枯落物單位吸水量和未分解層單位面積的最大吸持降水量枯落物的吸水能力同樣決定著其吸持水能力的強(qiáng)弱。最大吸水量越大,吸水能力越強(qiáng),反之則越弱。3種林下未分解層枯落物的單位質(zhì)量最大吸水量為慈竹林(2766g·kg-1)>女貞林(2566g·kg-1)>柏木林(1879g·kg-1),占其風(fēng)干重的百分比分別為慈竹林(276.6%)>女貞林(256.6%)>柏木林(187.9%),其中柏木林與另兩林分間有顯著差異。半分解層的最大吸水量為女貞林(2075g·kg-1)>慈竹林(1756g·kg-1)>柏木林(1616g·kg-1),占其風(fēng)干重的百分比分別為女貞林(207.5%)>慈竹林(175.6%)>柏木林(161.6%),其中女貞林與另兩林分間有顯著差異?？萋湮锏膯挝毁|(zhì)量最大總吸水量占其風(fēng)干重的百分比即最大吸水率為女貞林(229.8%)>慈竹林(195.3%)>柏木林(155.6%)(表2)。未分解層與半分解層相比具有較大的最大吸水量。3種林下未分解層枯落物的單位面積最大吸水量為慈竹林>柏木林>女貞林,其中僅慈竹林與女貞林間差異顯著,說(shuō)明3種林分林下未分解層枯落物的吸持降水量以慈竹林為最大,女貞林為最小。3種林下半分解層枯落物的單位面積最大吸水量為慈竹林>柏木林>女貞林,三者間均有顯著差異,說(shuō)明3種林分林下半分解層枯落物的吸持降水量為慈竹林>柏木林>女貞林。3種林分林下枯落物的吸持降水量總量為慈竹林>柏木林>女貞林。3種林下未分解和半分解層枯落物均在浸水8～10h時(shí)達(dá)到其最大吸水量,即各林分各層枯落物間的浸水飽和時(shí)間沒(méi)有顯著差異(圖2)。吸水速率體現(xiàn)了枯落物吸持降水的強(qiáng)度。吸水速率越大,枯落物在單位時(shí)間內(nèi)的吸水強(qiáng)度越大,即吸持降水的強(qiáng)度越大,反之則越小。3種林下未分解層枯落物的最大吸水速率即其在最初階段(0.5h內(nèi))的吸水速率為慈竹林(5845g·kg-1·h-1)>女貞林(4628g·kg-1·h-1)>柏木林(3571g·kg-1·h-1),表明未分解層枯落物吸持降水強(qiáng)度為慈竹林>女貞林>柏木林。3種林下半分解層枯落物的最大吸水速率為女貞林(3861g·kg-1·h-1)>慈竹林(3664g·kg-1·h-1)>柏木林(3534g·kg-1h-1),表明半分解層枯落物吸持降水強(qiáng)度為女貞林>慈竹林>柏木林?？傮w而言,3種林分林下枯落物吸持降水強(qiáng)度為慈竹林和女貞林大于柏木林,未分解層大于半分解層。3枯落物的年耗量和年吸水量在自然狀況下的吸持能力,對(duì)于林下本文通過(guò)單位質(zhì)量和單位面積枯落物的保水、吸水情況衡量不同林分枯落物的吸持降水能力的大小,其中單位面積枯落物的保水、吸水量又由枯落物的厚度、儲(chǔ)量及其性質(zhì)(即單位質(zhì)量枯落物的保水、吸水量)所決定。國(guó)內(nèi)自20世紀(jì)80年代以來(lái)對(duì)枯落物的蓄水特性報(bào)道不斷,大多以枯落物的儲(chǔ)量和浸水實(shí)驗(yàn)來(lái)衡量其蓄水能力,本文還對(duì)枯落物的風(fēng)干失水情況進(jìn)行了研究。3種林下枯落物的保水時(shí)間以慈竹林最長(zhǎng),而未分解層枯落物的保水時(shí)間表現(xiàn)出慈竹林>女貞林>柏木林,這除與枯落物的單位面積自然含水量有關(guān)即與其儲(chǔ)量、厚度有關(guān)外,可能也與慈竹葉片表面分布大量的表皮毛有關(guān)。半分解層的保水時(shí)間與未分解層相比相對(duì)較長(zhǎng),可能是由于半分解層相對(duì)未分解層形狀不規(guī)則,從而在風(fēng)干過(guò)程中相互疊合程度較強(qiáng),從而與未分解層相比暴露了相對(duì)較小的表面積。而慈竹林下半分解層枯落物的比例較高,也增長(zhǎng)了枯落物的保水時(shí)間。比較3種林下各層枯落物在最初4d內(nèi)的失水速率可知,3種林分林下枯落物在短期重度干旱情況下的保水能力為女貞林>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,在充足降雨情況下枯落物所能吸持的降雨量越大,即吸持降水能力越強(qiáng)。3種林分林下枯落物的單位質(zhì)量最大總吸水量為慈竹林和女貞林大于柏木林,這與3種林分本身的性質(zhì)有關(guān)。國(guó)內(nèi)外對(duì)于闊葉林和針葉林林下枯落物的蓄水能力比較已有一定報(bào)道,其結(jié)果均為闊葉林>針葉林。王佑民指出,針葉樹(shù)種枯落物含有較多的油脂,不易分解,其吸水率和有效吸水量往往沒(méi)有闊葉樹(shù)種的枯落物大。而對(duì)于竹類與其他物種林下枯落物蓄水能力的比較研究極少。有研究表明,毛竹