桂西北5种退耕还林林分枯落物的持水特性

宋 飞，吴立素，申庆海，庄 嘉*

(1.广西大学林学院，广西南宁 530004；2.广西生态工程职业技术学院，广西柳州 545000)



桂西北5种退耕还林林分枯落物的持水特性

宋 飞1，吴立素2，申庆海1，庄 嘉1*

(1.广西大学林学院，广西南宁 530004；2.广西生态工程职业技术学院，广西柳州 545000)

[目的]为桂西北石漠化地区退耕还林生态建设提供一定的理论依据。[方法]对桂西北5种退耕林分枯落物蓄积量与持水特性进行研究。[结果]5种林分林下枯落物总蓄积量大小依次为尾叶桉(11.59 t/hm2)、任豆(7.99 t/hm2)、核桃(7.71 t/hm2)、板栗(7.14 t/hm2)、香椿(3.70 t/hm2)；5种不同林分各分解层枯落物持水能力表现基本一致，从大到小均为香椿、板栗、任豆、尾叶桉、核桃，半分解层枯落物持水量大于未分解层；不同林分林下枯落物持水量随着时间增加而增加，半分解层在浸泡2 h有较快上升，未分解层在浸泡4 h明显上升，之后进入平稳阶段；不同林分枯落物吸水速率随着时间增加而减小，枯落物半分解层与未分解层吸水速率在浸泡2 h内最快，2～8 h逐渐变小，8 h之后明显减缓；不同林分林下枯落物的有效拦蓄量大小为尾叶桉(36.89 t/hm2)、板栗(26.65 t/hm2)、任豆(23.19 t/hm2)、香椿(16.64 t/hm2)、核桃(15.36 t/hm2)。[结论]尾叶桉具有较大蓄积量和有效拦蓄量，今后在以涵养水源与水土保持为目标的森林经营中，可适当增加该树种的种植。

退耕还林；林下枯落物；持水特性

林地的枯落物层是由林木及林下植被凋落下来的茎、叶、枝条、花、果实、树皮和枯死的植物残体所形成的地面覆盖层[1]。森林的枯落物在整个森林生态系统中发挥着重要的作用，不仅对截持降水、防止土壤溅蚀、阻延地表径流、抑制土壤水分蒸发、增强土壤抗冲性等方面具有一定的作用，而且其作为森林水文效应的第二活动层，对森林涵养功能的调控具重要意义[2]。研究表明，森林枯落物层水源涵养功能大于森林的幼树和灌草活地被层，能吸收相当于自身质量2～4倍的水分[3-5]，所滞留和吸收的水分对延缓径流产生和发生数量，维持并提高土壤肥力具有积极作用[6]。

广西为典型的喀斯特地貌，尤其是桂西北地区，水土流失、石漠化严重。自2001年广西开始实施退耕还林工程以来，成效显著。笔者选取桂西北5种退耕还林模式，分别为板栗(Castaneamollissima)、香椿(Toonasinensis)、核桃(Juglansregia)、尾叶桉(Eucalyptusurophylla)、任豆特性(Zeniainsignis)林地，研究其林下枯落物的蓄积量和持水特性的变化，旨在为桂西北石漠化地区退耕还林生态建设提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况 桂西北位于广西西北边陲、云贵高原南麓，地理坐标为104°29′～109°09′ E、23°41′～25°37′ N，属于中亚热带南缘季风气候，年均温19.5 ℃，年均降雨量1 000 mm，时空分布不均匀，占地总面积约6.94万km2，包含广西河池市11个县(市、区)与百色市12个县(区)。以山地和峰丛洼地为主，山区面积占比较大(河池与百色分别为59%和30%)。成土母岩主要有石灰岩、紫色岩等，喀斯特地貌广为发育。

1.2 样地设置 标准样地设在广西河池市的东兰县(板栗、香椿)、凤山县(核桃)和百色市的平果县(尾叶桉、任豆)。选取板栗、香椿、核桃、尾叶桉、任豆5种退耕林分，每种林分类型各设置20 m×20 m标准样地3块，共15块。对应每种样地土壤类型、气候、坡度等条件基本一致，2015年11月对标准样地进行调查(表1)。各林分林下灌草层优势种主要为：板栗林为海金沙(Lygodiumjaponicum)、蔓生莠竹(Microstegiumvagans)、东方乌毛蕨(Blechnumorientale)；香椿林为地桃花(Urenalobata)、猪屎豆(Crotalariapallida)、毛蒿(Artemisiahandel-mazzettii)；核桃林为地桃花、三月泡(RubuscorchorifoliusL.F.)、胜红蓟(AgeratumconyzoidesL)、荩草(Arthraxonhispidus)；尾叶桉林为岗柃(Euryagroffii)、杜茎山(Maesajaponica)、蔓生莠竹、渐尖毛蕨(Cyclosorusacuminatus)；任豆林为红背山麻杆(Alchorneatrewioides)、三月泡、艾草(ArtemisiaargyiLevl)、鸭跖草(CommelinacommunisL)。

表1 不同林分标准样地概况

1.3 枯落物采集与蓄积量测定 在每个标准样地内按照样方对角线五点法设置5个20 cm×20 cm小样方，共计75个，测量并记录枯落物层总厚度、未分解层厚度、半分解层厚度。收集小样方内全部枯落物，按照未分解层和半分解层分别装入布袋中，标号并称其鲜重(m1)，带回实验室，在85 ℃下烘干至恒重，记录烘干后质量(m2)，推算各林分不同分解层枯落物蓄积量(t/hm2)。

1.4 枯落物持水过程与持水能力测定 采用室内泡水法测定枯落物持水量与吸水速率。将烘干至恒重的枯落物装入40目网筛后，分别浸泡在盛有清水的容器中0.5、1、2、4、8、12、24 h，捞出沥干至不因重力滴水后测量枯落物湿重，每个样方持水试验重复3次，计算均值，通过换算成烘干质量推算不同浸水时间的持水量与吸水速率。一般认为枯落物浸水24 h的持水量和持水率为最大持水量和最大持水率[7]。

采用有效拦蓄量来估算枯落物对降雨的实际拦蓄量[8]，按以下公式来计算各个含水指标[9-12]：

C=(m1-m2)/m2×100%

(Ⅰ)

S=(mt-m2)/m2×1 000

(Ⅱ)

Sm=(m24-m2)/m2×100%

(Ⅲ)

Wm=(Rm-R0)×M

(Ⅳ)

W=(0.85Rm-R0)M

(Ⅴ)

式中，C为枯落物自然含水量(%)；m1为样品鲜质量(g)；m2为样品烘干质量(g)；S为枯落物持水量(g/kg)；mt为浸水时间为t时的枯物质量(g)；Sm为饱和持水率(%)；m24为样品浸水24 h后的质量(g)；Wm为枯落物的最大拦蓄量(t/hm2)；R0为平均自然含水量(%)；Rm为最大持水率(%)；M为枯落物蓄积量(t/hm2)；W为有效拦蓄量(t/hm2)；0.85为有效拦蓄系数。

2 结果与分析

2.1 不同退耕模式林下枯落物厚度及蓄积量比较 由表2可知，5种退耕林分的枯落物厚度从大到小依次为尾叶桉、核桃、香椿、任豆、板栗。5种林分中尾叶桉的总蓄积量最大(11.59 t/hm2)，香椿的总蓄积量最小(3.70 t/hm2)，其他林分总蓄积量由小到大分别为板栗(7.14 t/hm2)、核桃(7.71 t/hm2)、任豆(7.99 t/hm2)，这些差别主要由于枯落物的蓄积量与林分类型有密切关系。树种不同将影响林下枯落物的输入与分解；不同退耕模式的林下主要灌草优势种不尽相同，这也影响到枯落物蓄积量大小。

分析发现，不同林分枯落物半分解层与未分解层蓄积量所占比例也有所不同。板栗半分解层蓄积量占总蓄积量的百分比最大(76.92%)，任豆所占比例最小(48.56%)，其他林分半分解层蓄积量占比由大到小分别为核桃(66.28%)、尾叶桉(63.98%)、香椿(58.00%)。其中，任豆林下枯落物半分解层蓄积量所占比例小于未分解层，可能由于任豆林分冠幅、密度较小，枯枝落叶分解较慢。

表2 不同退耕模式林下枯落物厚度及蓄积量

2.2 不同退耕模式林下枯落物持水性比较

2.2.1 枯落物持水量。根据枯落物持水量的测定方法，得到不同林分林下枯落物各层持水量与浸泡时间的关系。由图1可知，半分解层和未分解层中，均是香椿林持水能力最强，板栗林次之，核桃林持水能力最小。对不同分解层进行比较，均是半分解层枯落物持水量大于未分解层枯落物持水量，这一结果可能与枯落物的物理性质有关，包括枯落物叶片厚薄，软硬程度，是否具蜡质、角质层或较厚的茸毛等[13]。

图1 林下枯落物各层持水量与浸泡时间的关系Fig.1 Relationship between water-holding capacity and soaking time of different forest litters

2.2.2 枯落物持水量与浸泡时间的关系。对所测定的5种林分林下枯落物持水量与浸泡时间的数据进行回归分析拟合处理发现，枯落物持水量与浸泡时间呈幂指数关系S=atb(R2最大)，式中S为枯落物持水量(g/kg)；t为浸泡时间(h)；a、b为方程指数。由分析拟合得到不同林分林下枯落物半分解层与未分解层持水量与浸泡时间的回归方程(表3)。

由图1可知，半分解层中，浸泡2 h，枯落物持水量有一个较快的上升阶段，然后进入平稳上升阶段，枯落物持水量随时间变化增长速度较慢，而在未分解层中，浸泡4 h，枯落物持水量明显上升，之后进入缓慢增长阶段。

2.2.3 枯落物吸水速率与浸泡时间的关系。将各林分林下枯落物不同浸泡时间的持水量除以浸泡时间得到枯落物吸水速率。对5种林分林下枯落物吸水速率与浸泡时间的数据进行回归分析拟合处理发现，枯落物吸水速率与浸泡时间呈幂指数关系V=ktn(R2最大)，式中V为枯落物吸水速率[g/(kg·h)]；t为浸泡时间(h)；k、n为方程指数。由分析拟合得到不同林分林下枯落物半分解层与未分解层吸水速率与浸泡时间的回归方程(表4)。

表3 林下枯落物各层持水量与浸泡时间的关系式

Table 3 Relational expression of water-holding capacity and soaking time of different forest litters

林分类型Typeofforeststand枯落物层Litterlayer关系式RelationalexpressionR2板栗Castaneamollissima半分解层S=1613．8t0．13190．9506未分解层S=1402．9t0．14320．9705香椿Toonasinensis半分解层S=2293．9t0．10930．9177未分解层S=1670．0t0．13370．9747核桃Juglansregia半分解层S=1111．3t0．14320．9661未分解层S=569．1t0．24620．9734尾叶桉Eucalyptus半分解层S=1410．4t0．11750．9908urophylla未分解层S=1064．3t0．18660．9833任豆Zeniainsignis半分解层S=1453．1t0．16050．9729未分解层S=662．9t0．18830．9632

由图2可知，不同林分林下枯落物吸水速率均随着浸泡时间的增加而减小。不同林分枯落物半分解层与未分解层吸水速率随时间变化趋势大致相同，吸水速率在浸泡2 h内最快，2～8 h逐渐变小，8 h之后枯落物吸水速率随时间变化减小、速度较慢，这主要是由于随着浸泡时间的增加，枯落物的吸水量基本达到饱和[14]。

图2 林下枯落物各层吸水速率与浸泡时间的关系Fig.2 Relationship between water absorption rate and soaking time of different forest litters

Table 4 Relational expression of water absorption rate and soaking time of different forest litters

林分类型Typeofforeststand枯落物层Litterlayer关系式RelationalexpressionR2板栗Castaneamollissima半分解层V=1613．8t-0．8680．9988未分解层V=1402．9t-0．8570．9992香椿Toonasinensis半分解层V=2293．9t-0．8910．9987未分解层V=1670．0t-0．8660．9994核桃Juglansregia半分解层V=1111．3t-0．8570．9990未分解层V=569．1t-0．7540．9971尾叶桉Eucalyptus半分解层V=1410．4t-0．8820．9998urophylla未分解层V=1064．3t-0．8130．9991任豆Zeniainsignis半分解层V=1453．1t-0．8390．9990未分解层V=662．9t-0．8120．9979

2.2.4 枯落物拦蓄能力。在自然条件下，山地森林的坡面一般不会出现较长时间的浸水，落到枯落物层的雨水，一部分被拦蓄，另一部分透过空隙渗入到土壤中，枯落物层最大持水量并不等于其实际拦蓄的降雨量，故可以采用有效拦蓄量来衡量枯落物层实际持水能力的大小[15-16]。由表5可知，不同林分林下枯落物的最大持水率的大小顺序为香椿、板栗、尾叶桉、任豆、核桃，而最大持水量的大小顺序为核桃、板栗、香椿、尾叶桉、任豆，最大持水量的大小受枯落物蓄积量与最大持水率的共同影响。

根据枯落物最大持水率与平均自然含水率计算出最大拦蓄量与有效拦蓄量。由表5可知，不同林分林下枯落物最大拦蓄量的大小顺序为尾叶桉、板栗、任豆、香椿、核桃，这与枯落物最大持水率和最大持水量的变化规律并不一致，主要由于不同树种枯落物自身吸水能力、单位面积枯落物蓄积量及平均自然含水率等特性的差异性共同导致的[14]。枯落物有效拦蓄量与最大拦蓄量变化规律一致，有效拦蓄量为16.64～36.89 t/hm2。5种林分中尾叶桉的有效拦蓄量最大，核桃的有效拦蓄量最小。

表5 不同林分林下枯落物拦蓄能力

3 结论

(1)林冠层和枯落物层是森林水文功能的2个重要层次，其既能吸附、截留一定量的降雨，又能有效减轻或防止雨水冲击和侵蚀土壤[17]，特别是枯落物层，它是森林生态系统的重要组成部分[18]，可使森林更好地发挥涵养水源和保持水土的作用。5种林分林下枯落物总蓄积量为尾叶桉(11.59 t/hm2)、任豆(7.99 t/hm2)、核桃(7.71 t/hm2)、板栗(7.14 t/hm2)、香椿(3.70 t/hm2)。各林分不同分解层蓄积量所占比例不同，除任豆林外，各林分半分解层蓄积量大于未分解层。

(2)枯落物持水能力方面，不同分解层各林分持水能力表现基本一致，从大到小均为香椿、板栗、任豆、尾叶桉、核桃，半分解层枯落物持水量均大于未分解层枯落物持水量。

(3)枯落物持水量与浸泡时间之间关系为：枯落物持水量随着时间增加而增加，半分解层枯落物持水量在浸泡2 h有较快上升，未分解层持水量在浸泡4 h明显上升，之后进入平稳阶段。枯落物吸水速率与浸泡时间之间关系为：枯落物吸水速率随着时间增加而减小，枯落物半分解层与未分解层吸水速率在浸泡2 h内最快，2～8 h逐渐变小，8 h之后明显减缓。

(4)不同林分林下枯落物最大持水率的大小顺序为香椿、板栗、尾叶桉、任豆、核桃，由于蓄积量不同，不同林分林下枯落物最大持水量的大小顺序为核桃、板栗、香椿、尾叶桉、任豆。

(5)不同林分林下枯落物的有效拦蓄量大小为尾叶桉(36.89 t/hm2)、板栗(26.65 t/hm2)、任豆(23.19 t/hm2)、香椿(16.64 t/hm2)、核桃(15.36 t/hm2)。5个树种中，尾叶桉有效拦蓄量大于其他树种，今后在以涵养水源与水土保持为目标的森林经营中，可适当增加该树种的种植。

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Water-Holding Characteristics of Five Types of Forest Litters of Returning Farmland to Forest in Northwest Guangxi

SONG Fei1，WU Li-su2，SHEN Qing-hai1，ZHUANG Jia1*

(1.College of Forestry，Guangxi University，Nanning，Guangxi 530004;2.Guangxi Eco-engineering Vocational and Technical College，Liuzhou，Guangxi 545000)

[Objective] To provide the theoretical basis for ecological construction of returning farmland to forest in rocky desert area of northwest Guangxi. [Method] Stand volume and water-holding characteristics of five types of forest litters of returning farmland to forest were researched in northwest Guangxi. [Result] Total stand volume of five types of forest litters were in the order ofEucalyptusurophylla(11.59 t/hm2)>Zeniainsignis(7.99 t/hm2)>Juglansregia(7.71 t/hm2)>Castaneamollissima(7.14 t/hm2)>Toonasinensis(3.70 t/hm2). Water holding capacities of five types of forest litters were basically consistent，which were in the order ofToonasinensis>Castaneamollissima>Zeniainsignis>Eucalyptusurophylla>Juglansregia. The water-holding capacity of the semi-decomposed litter was greater than that of the undecomposed litter. Water-holding capacity of the forest litter increased with the time prolonged. Semi-decomposed litter increased rapidly at 2 h; and undecomposed litter enhanced greatly when soaked for 4 h，and then entered into stable stage. Water absorption rate of the forest litter decreased as time prolonged. In the first 2 h，both the water absorption rate of semi-decomposed and undecomposed litter were the fastest. In 2-8 h after soaking，the rate gradually decreased. The rate declined slowly after 8 h.The effective interception rate of different forest litters were in the order ofEucalyptusurophylla(36.89 t/hm2)>Castaneamollissima(26.65 t/hm2)>Zeniainsignis(23.19 t/hm2)>Toonasinensis(16.64 t/hm2)>Juglansregia(15.36 t/hm2). [Conclusion]Eucalyptusurophyllahas relatively great stand volume and effective holding capacity. During the construction of water conservation and soil and water conservation in future，we should increase the planting ofEucalyptusurophylla.

Returning farmland to forest; Forest litters; Water-holding characteristics

广西壮族自治区林业厅资助项目(20120897)。

宋飞(1991- )，女，安徽潜山人，硕士研究生，研究方向：森林生态。*通讯作者，副教授，硕士生导师，从事森林生态与水土保持方面的研究。

2016-08-14

S 718.5

A

0517-6611(2016)28-0150-04