不同胸径无患子人工林林冠层的持水性

刘成功 陈文静 万志兵 戴淑娟 卢玉生

(黄山学院生命与环境科学学院，安徽 黄山 245041)

不同胸径无患子人工林林冠层的持水性

刘成功 陈文静 万志兵 戴淑娟 卢玉生

(黄山学院生命与环境科学学院，安徽 黄山 245041)

通过测定不同胸径无患子人工林林冠层3个部位的含水率，分析不同胸径林分不同部位可燃物的失水率，定量分析林冠层的防火效应。结果表明，不同胸径无患子人工林林冠层含水率差异极显著，且胸径20 cm的无患子人工林林冠层3个部位的枝叶含水率值均为最大；新鲜枝叶在烘干过程中其质量及失水速率与烘干时间分别呈指数回归、二项式回归关系，0～6 h内随着烘干时间的增加，3种胸径3个部位枝叶的质量都逐渐降低，6 h后随着烘干时间的继续延长其枝叶的质量均趋于稳定，8 h后质量不变，此时失水率也达到稳定状态，且无患子人工林林冠层上部和中部以胸径15 cm的新鲜枝叶失水速率最大，林冠层下部则以胸径10 cm的新鲜枝叶失水速率最大。

无患子；人工林；林冠层；含水率；可燃物

森林生态系统通过林冠层、枯落物层及土壤层3个作用层实现森林的水源涵养功能[1]。林地的林冠层是由森林上方郁闭的树叶、枝条、小枝和层内空气所构成[2-3]，是林木与其生存环境进行物质与能量交换的第一活动层[4]，是森林生态系统产生水文生态效应和大气-植物-土壤连续体水循环的主导者[5]。不同森林类型林木自身生物学特性与林分结构的不同，其森林效应存在一定的差异性[6-7]。森林活可燃物和枯落物的含水率直接影响着森林可燃物的着火难易程度，间接影响着火种的扩散速度及有效辐射范围，同时有降低温度、促使烟雾形成、减少热量产生的功能[8]，其枝叶含水率指标对火灾预报和火险等级划分起着直接或间接的作用[9-11]。因此，研究林木林冠层的持水率对于合理经营森林资源，实现人工林的可持续发展具有重要的现实意义。

无患子(SapindusmukorossiGaertn)又称木患子、皮皂树，为无患子科无患子属植物[12]。无患子根系深、抗风能力强，是工业城市生态绿化的首选树种，对CO2及SO2抗性很强[13]。无患子分布地域广、跨度大，在我国产自东部、南部、西南部，为低山、丘陵及石灰岩山地常见树种，在西南垂直分布可高达 2 000 m[14]。随着无患子重要价值的体现，有关无患子的研究也不断增多。我国对无患子的研究多集中于其药理作用[15]、繁殖技术与引种栽培[16]、化学成分提取与分离[17]等方面。关于无患子林冠层含水率及其森林防火等方面的研究还较少。本研究以黄山地区无患子人工林为对象，对其林冠层的持水特性进行分析，以期为今后黄山地区无患子在森林防火等工程中的应用提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于黄山市屯溪区，属黄山山脉向东北方向延伸的支脉，皖南山区变层岩系的低山、丘陵区，地处北纬29°41′，东经118°17′，海拔100～380 m，年均气温15.5～16.4 ℃，1月平均气温约3.5 ℃，7月平均气温约27.9 ℃，年均无霜期达229 d。年降水量 1 395 ～ 1 701 mm，降水天数长达152 d，呈不均匀季节性分配，且雨量集中，垂直变化程度较大。暖湿同季，四季分明，季风明显，适合动植物的生长和发育。土壤类型为典型的第四纪红色黏土母质的黄红壤。主要乔木层包括无患子、杉木(Cunninghamialanceolata)、马尾松(Pinusmassoniana)、樟树(Cinnamonumcampora)、鹅掌楸(Liriodendronchinense)等；灌木层植物包括小构树(Broussonetiakazinoki)、紫薇(Lagerstroemiaindica)、檵木(Loropetalumchinense)、红叶石楠(Photiniafraseri)等；草本层以凤尾蕨(Pteriscretica)、乌蕨(Stenolomachusanum)等为主。

2 材料与方法

2.1 试验材料

无患子人工林林冠层新鲜枝叶来源于黄山市屯溪区无患子人工林林地内。

2.2 材料选择

2013年5月，在无患子人工林林地内，选取胸径分别为(10.0±0.5)、(15.0±0.5)、(20.0±0.5)cm，生长健康、无病虫害、冠型优良的无患子活立木各50株，共计150株。从相应胸径的50株无患子林木林冠层东、西、南、北4个方位，分别搜集足量(>1 kg)的上、中、下3个部位的新鲜枝叶，每个胸径的3个部位各取3个重复。

2.3 林冠层可燃物持水率测定

将野外采集的新鲜枝叶湿样，用“四分法”，取不同胸径不同林冠部位的新鲜枝叶湿样200 g装入尼龙袋。再将湿样置于105 ℃的烘箱(型号DHG-9070AS)中杀青0.5 h(不计入烘干时间内)，再转入70 ℃烘箱内烘干至恒质量，计算新鲜枝叶的含水率，换算为单位质量的含水率。用下列公式计算无患子林冠层新鲜枝叶的含水率和失水速率。

2.4 数据处理

用Excel 2003制作图表。采用软件DPS 9.50进行数据整理与方析。

3 结果与分析

3.1 无患子林冠层可燃物含水率特性

3种胸径无患子人工林林冠层不同部位含水率状况见图1。

由图1可以看出，不同胸径无患子人工林林冠层不同部位含水率存在差异。20 cm胸径的无患子林冠层的上、中、下3个部位的枝叶含水率值均为最大；15 cm胸径无患子林冠层的上、中2个部位的含水率均高于10 cm胸径；10 cm胸径的无患子林冠层下部含水率高于15 cm相应部位。具体表现为胸径20 cm的无患子人工林林冠层的上、中、下3个部位的枝叶含水率分别为：67.55% 、93.47%、98.80%；而10 cm胸径的无患子人工林林冠层的上、中、下3个部位的枝叶含水率分别为：55.14%、78.26%、96.09%。同时可以看出，无患子的林冠层部位越高，其含水率反而越低。

对不同胸径无患子人工林林冠层不同部位的含水率进行方差分析，3种胸径无患子人工林林冠层的不同部位含水率之间存在极显著差异。从表1可以看出，胸径20 cm要比胸径10 cm的无患子人工林林冠层上、中、下3个部位的枝叶含水率分别高22.51%、19.44%、2.82%；胸径15 cm要比胸径10 cm的无患子人工林林冠层上、中、下3个部位的枝叶含水率分别高11.86%、2.24%、-11.34%，更加表明了不同胸径林冠层含水率存在差异。

表1 不同胸径林冠层不同部位持水性比较

注：数据为平均值±标准误；同列数据后不同大小写字母表示不同种间差异显著(p<0.05和p<0.01)。

3.2 无患子林冠层可燃物失水特性

分别对不同胸径的无患子人工林林冠层的上、中、下3个部位的枝叶质量和烘干过程中枝叶失水速率进行比较，结果见图2～7。

由图2～4可以看出，不同胸径不同部位的无患子枝叶达到恒质量时的数值不相同，但0～6 h内随着烘干时间的增加枝叶质量均逐渐降低，6 h以后随着烘干时间的继续延长其枝叶质量均趋于稳定，8 h后质量不变。

由图5～7可以看出，不同胸径的无患子人工林林冠层上、中、下3个部位的新鲜枝叶，烘干到0.5 h时失水速率最大。且林冠层上部和中部以胸径15 cm处理失水速率最大，分别达40.8 g/h和40.0 g/h;而林冠层下部以胸径10 cm处理失水速率最大，达36.2 g/h。以后随着烘干时间的延长，其失水速率皆呈现逐渐减小的趋势，直到8 h后失水速率不再减小，此时新鲜枝叶基本达到恒质量。

对3种胸径无患子人工林林冠层3个部位的枝叶，在烘干过程中的质量及失水速率与烘干时间的关系进行指数函数、对数函数、幂函数和多项式模型4种回归关系的分析。结果表明：枝叶在烘干过程中其质量与烘干时间的对数函数、幂函数和多项式模型3种回归结果均不符合要求(P>0.05)，而以指数函数关系最佳，关系式为：

Q=k1tm

式中：Q为烘干过程中枝叶质量(g/kg)；t为烘干时间(h)；m为指数；k1为方程系数。

枝叶在烘干过程中失水速率与烘干时间的指数函数、对数函数和幂函数3种回归结果均不符合要求(P>0.05)，而以二项式回归关系最佳，关系式为：

V=at2-bt+c

式中：V为烘干过程中枝叶失水速率(g/h)；t为烘干时间(h)；a,b为方程系数；c为常数项。

各回归关系见表2。

表2 无患子人工林林冠层不同部位可燃物失水特性与烘干时间的回归分析

4 结论与讨论

林木在森林中起着调节水分的流动和再分配作用，而森林内活体可燃物含水率的大小是其在明火产生和蔓延中的重要影响因子。本研究对3种胸径的无患子人工林林冠层上、中、下3个部位枝叶的含水率、失水量和失水速率分别进行研究，结果表明：各胸径无患子人工林林冠层上、中、下3个部位的枝叶在烘干过程中其质量及失水速率与烘干时间分别呈指数函数和一元二次函数的回归关系，且含水率和失水速率随烘干时间的延长均逐渐减小，这与防火林带不同树种枝叶持水率研究结果一致[18]，林冠层上部和中部以胸径15 cm处理失水速率最大，林冠层下部以胸径10 cm处理失水速率最大，这不仅是由于不同森林类型其群落结构、生物量、持水性能等存在一定的差异性所造成[19]，此外，同一树种不同部位枝和叶、老叶和新叶、老枝和新枝的含水率等因子也有差别[20-22]，从而影响不同胸径林分不同冠层部位持水能力，因此构成了不同的森林防火效应。

无患子分布广泛，其人工林林冠层的含水、持水等性质对于降低火源形成和蔓延，涵养水源保持水土等具有一定的作用，但是不同林分地上部分各层次的防火效应因林分结构、树种生物学特性及其立地条件的不同而存在较大差异，对于植被覆盖率相对较高的黄山地区，如何选择最佳防火树种，有关此类问题还有待于更进一步的研究。

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(责任编辑 赵粉侠)

Study on Water Holding Capacity of Canopy ofSapindusmukorossiPlantation with Different DBH

LIU Cheng-gong, CHEN Wen-jing, WAN Zhi-bing, DAI Shu-juan, LU Yu-sheng

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

The water-holding properties of canopy ofSapindusmukorossiplantation with different DBH (diameter at breast height) were measured to analyze the dehydration rate of different part fuel, and do quantitative analysis of fireproof effect of canopy. The results showed that, inSapindusmukorossiplantation, canopy′s water-holding properties had significant differences in different DBH stands. When the DBH ofSapindusmukorossiplantation was 20 cm, moisture content of canopy reached maximum. In the process of fresh branches drying, the relationship of branch′s weight and drying time was exponential regression, and branch′s water loss rate and drying time showed binominal regression relationship. In the first 6 h, the weight of all treated branches was decreased with drying time continuing. After 6 h, the value tended to be stable. After 8 h, the weight of branches and water loss rate had no change anymore. In the upper and middle portion of plantation canopy, those branches with 15 cm DBH showed the highest water loss rate, while in the below portion, those with 10 cm DBH reached were highest.

Sapindusmukorossi; plantation; canopy; water holding capacity; fuel

2014-05-29

科技部公益性林业行业科研专项(201304407)资助；安徽省级优秀青年人才基金项目(2012SQRL185)资助；安徽高校省厅自然科学研究重点项目(KJ2013A241)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。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.06.004

S715.4

A

2095-1914(2014)06-0024-05

第1作者：刘成功(1990—)，男，本科生。研究方向：植物栽培和育种。Email:970974659@qq.com。