喀斯特灌木林枯落物持水特性分析

周秋文, 罗雅雪， 罗 娅， 韦小茶

(贵州师范大学 地理与环境科学学院， 贵州 贵阳 550001)

1 研究背景

通过林冠、枯落物、土壤层截持并存储降雨，森林生态系统发挥着特有的水文生态功能[1-2]。 枯落物作为有效截持降雨的第二层次，具备显著的降雨截留、径流调节、控制土壤流失的功能[3-4]。在生态环境方面，喀斯特森林生态系统明显不同于其它森林生态系统，包括高裸岩率、多层次生态空间、高异质性生境、土壤层薄、土壤覆盖层破碎、土壤蓄水能力弱等[5-6]，这些特点导致喀斯特地区生态恢复能力较差。而灌木树种耐旱、适应环境能力强、萌孽性好，是荒山绿化主要先锋树种[7]，因此探讨喀斯特地区灌木枯落物的持水特性具有重要的理论和实践意义。

目前，国内外学者针对森林群落枯落物水文效应做了大量研究，并获得了一定的成果[8-10]。由于地貌、土壤、植被等条件的差异，喀斯特森林生态系统的生态水文功能具有显著的独特性[11-13]。目前已有一些学者开展了喀斯特森林生态水文功能的研究[14]。戴晓勇等[15]研究了梵净山地区不同植被类型枯落物的持水特性；刘玉国等[16]以贵州喀斯特山区的5种森林为研究对象，研究了枯落物蓄积量和生态水文功能，结果表明落叶乔木林枯落物抑制土壤蒸发能力大于阔叶乔木和灌木。除了中国西南喀斯特地区外，其它地区也开展了一些类似研究工作，如李红云等[17]研究了山东省石灰岩山区灌木林枯落物的持水性能；齐瑞等[18]在白龙江上游做了灌木水文效应相关研究；Li等[19]通过控制实验的方法，研究了中国北方森林枯落物的持水特性；Ilek等[20]分析了不同树种组成对枯落物持水性的影响。综上所述，目前喀斯特地区有关枯落物持水性的研究主要集中在乔木枯落物，而灌木枯落物的相关研究较少。少量有关喀斯特灌木枯落物持水性的研究，主要在中国北方开展，而南方喀斯特地区的研究较少。中国南方喀斯特地区由于自然条件限制，水土流失、土壤侵蚀等现象严重，灌木林对喀斯特地区防止土壤侵蚀和涵养水源有重要作用。因此，有必要开展喀斯特灌木林持水特性的研究，尤其是在中国南方地区。

本文以贵州省典型喀斯特地区为研究区，以3种灌木群落和生长在坡上、坡中、坡下3个不同坡位的灌木林枯落物为研究对象，进行枯落物野外取样，在室内使用烘干法、浸泡法等获取枯落物蓄积量、最大持水量、有效拦蓄率等数据。目的在于了解不同坡位、不同群落灌木枯落物的生态水文功能，为喀斯特地区的植被恢复与生态建设提供支持。

2 研究区概况

本研究区域位于贵州省贵阳市花溪区，经纬度坐标为东经106.6°，北纬26.4°，平均高程为1 199 m。研究区位于珠江流域与长江流域分水岭处，地貌类型主要是山地和丘陵，地表景观呈破碎化，植被覆盖较少，岩石裸露比例大，属于典型喀斯特地貌。该区属于典型的亚热带季风湿润气候，具有明显的高原气候特点，年平均降雨量1 187.1 mm，水资源丰富。土壤类型以黄壤、石灰土为主，植被包括乔木、灌木和草本植物，其中灌木优势种为月月青、圆果化香、球核荚蒾等。

3 研究方法

3.1 样地设置及样品采集

2016年8月中旬在研究区通过实地调查，确定以球核荚蒾、月月青、圆果化香3种灌木群落和坡上、坡中、坡下3个不同坡位的灌木群落为研究对象。对各研究对象设置5 m×5 m的标准样地1个，共6个样地，逐样地测量林木胸径、郁闭度、平均树高等指标(表1)。为减少采样误差，在样地中观察实际地形及岩石出露情况，选取岩石出露面积较小、地势较平坦的位置作为样方。在每个样地划分出3个30 cm×30 cm的样方，取最后的数据平均值以减小误差。测定样方内半分解层和未分解层枯落物厚度并记录，分别采集各枯落物样品装袋，并立即标记、称量鲜重。

3.2 测定方法

把采集到的各层枯落物样品分别放在烘箱烘烤8 h，温度设置为85℃，待烘干后分别对枯落物称干重并记录。从烘干的各层枯落物样品中提取50g，放到已测定重量的纱布袋中。把纱布袋中的样品完全淹没于水槽的水面以下，分别浸泡6 min、15 min、0.5 h、1 h、2 h、4 h，6 h、10 h、16 h和24 h后，取出装有枯落物的纱布袋，放置到不出现连续水滴位置(一般在15 min左右)，用电子天平称取重量并分别记录。

用于计算枯落物持水性能各项指标的公式如下[21-23]：

R0=(G0-Gd)/Gd×100%

(1)

Rhmax=(G24-Gd)/Gd×100%

(2)

Rsmax=Rhmax-R0

(3)

Rsv=0.85Rhmax-R0

(4)

Whmax=(G24-Gd)/A

(5)

Wsmax=Rsmax·Gd/A

(6)

Wsv=Rsv·Gd/A

(7)

式中：G0为样品的鲜重，g；Gd为样品被烘干后的质量，g；G24是样品在水中浸泡24 h后的质量，g；R0为枯落物自然状态下的含水率，%；Rhmax为样品的最大持水率，%；Rsmax为样品的最大拦蓄率，%；Rsv为样品的有效拦蓄率，%；Whmax为单位面积枯落物最大持水量，t/hm2；Wsmax为单位面积枯落物最大拦蓄量，t/hm2；Wsv为单位面积枯落物有效拦蓄量，t/hm2；A为采样样方面积，m2。

4 结果与分析

4.1 枯落物厚度和蓄积量

表2为不同灌木群落及坡位枯落物的厚度和蓄积量，由表2可见，不同灌木群落中，球核荚蒾的枯落物总厚度和总蓄积量均最大，圆果化香的枯落物总厚度最小，月月青的枯落物总蓄积量最小。不同坡位状态下，坡上的枯落物总厚度最大，坡下的枯落物总厚度最小。但是坡下的枯落物总蓄积量最大，坡上的枯落物总蓄积量最小，枯落物的厚度与蓄积量不成正比。除此之外，不同灌木群落或坡位状态下，枯落物半分解层的厚度和蓄积量均大于枯落物未分解层的厚度和蓄积量。

4.2 枯落物最大持水量

表3为不同灌木群落及坡位枯落物的持水状况，由表3可见，圆果化香枯落物的最大持水量和最大持水率均最大，球核荚蒾枯落物的最大持水量和最大持水率均最小。不同坡位状态下，坡中枯落物的最大持水量和最大持水率均最大，坡下枯落物的最大持水量和最大持水率均最小。枯落物最大持水量和最大持水率指标在未分解层和半分解层均无明显规律。上述结果表明，不同灌木群落中圆果化香的持水能力大于月月青、球核荚蒾，不同坡位状态下坡中的枯落物持水能力大于坡上、坡下。

表1 标准样地基本特征

表2 不同灌木群落及坡位枯落物的厚度和蓄积量

表3 不同灌木群落及坡位枯落物持水状况

4.3 枯落物持水过程

图1为不同灌木群落及坡位枯落物持水状况。图1表明，在浸水的24 h内未分解层的持水量整体表现为圆果化香>球核荚蒾>月月青(图1(a))，而半分解层持水量在整个吸水过程中表现为圆果化香>月月青>球核荚蒾(图1(b))。圆果化香枯落物持水量在各时段均大于月月青和球核荚蒾，月月青在浸泡0.25 h之前的持水量与球核荚蒾相差无几，却在0.25 h后逐渐拉开差距，并保持一直大于球核荚蒾持水量的趋势。不同坡位上，枯落物未分解层的持水量整体表现为坡中>坡下>坡上，半分解层持水量整体表现亦为坡中>坡下>坡上，由图1(b)可清楚地看出不同坡位未分解层间的持水量差距较大。总体而言，6个样地上各层枯落物持水量与浸泡时间均表现出正相关关系，各层枯落物持水量在从浸泡开始至1 h内迅速增加，在1 h之后持水量继续增加，但增大速率减小(图1(c))，未分解层和半分解层持水量分别在浸泡16、10 h后基本达到饱和。说明生长在喀斯特地区的灌木林枯落物，未分解层吸水时间比半分解层更长。

经回归拟合后，枯落物持水量与浸水时间相关性的决定系数(R2)除坡上、球核荚蒾未分解层以及月月青半分解层未达到0.90外，其他的均在0.90以上。分析结果表明，枯落物持水量与浸泡时间的相关性较强(表4)，拟合方程为：Q=aln(t) +b，式中：Q为枯落物持水量，t/hm2；t为浸水时间，h；a为回归系数；b为常数项。

4.4 枯落物吸水速率

在浸泡实验的早期，各分解层枯落物吸水速率均很大(图2(a)、2(b))。实验开始后的0.25 h，各层吸水速率很高，0.25～6 h逐渐减小，吸水速率在浸泡实验开始6 h后减小缓慢，枯落物浸泡24 h时吸水速率接近0。各群落枯落物样品开始浸泡时，吸水速率差异较大，吸水速率在样品浸泡1h后差异减小。不同群落浸泡0.25 h内，枯落物吸水速率表现为圆果化香>月月青>球核荚蒾，此关系持续至2 h，2 h后吸水速率大小基本相同。在浸泡实验开始后4 h内，吸水速率指标在不同坡位上表现为坡中>坡下>坡上，4 h之后不同坡位枯落物的吸水率基本一致，后期缓慢减小并趋近于0。对3种群落、3种坡位的各层枯落物吸水速率与浸泡时间关系进析拟合，决定系数(R2)均达到0.99，相关性良好(表4)，拟合方程为V=ktn，式中：V为吸水速率，kg/h；t为浸水时间，h；k为回归系数；n为指数。

图1 不同灌木群落及坡位枯落物持水状况

分解层群落/坡位持水量与浸泡时间关系关系式R2吸水速率与浸泡时间关系关系式R2球核荚蒾y=1.3406 ln (t)+9.46420.88y=0.0807t-0.8460.99月月青y=1.4621 ln (t)+9.33060.95y=0.0797t-0.8370.99未分解层圆果化香y=1.6234 ln (t)+11.2260.93y=0.0965t-0.8500.99坡下y=1.6767 ln (t)+11.5240.96y=0.0995t-0.8510.99坡中y=1.8141 ln (t)+13.6810.92y=0.1183t-0.8610.99坡上y=1.4118 ln (t)+9.42850.89y=0.0804t-0.8410.99球核荚蒾y=1.2203 ln (t)+8.60880.97y=0.0747t-0.8580.99月月青y=1.4996 ln (t)+10.8340.88y=0.0927t-0.8500.99半分解层圆果化香y=1.5947 ln (t)+11.5630.94y=0.0998t-0.8570.99坡下y=1.4641 ln (t)+11.6880.98y=0.1021t-0.8740.99坡中y=1.4986 ln (t)+12.3160.98y=0.1073t-0.8740.99坡上y=1.2475 ln (t)+9.45180.95y=0.0823t-0.8660.99

图2 不同灌木群落及不同坡位的枯落物吸水速率状况

4.5 枯落物的有效拦蓄率与有效拦蓄量

可通过枯落物的有效拦蓄率和有效拦蓄量分析枯落物的拦蓄能力。不同灌木群落中，枯落物未分解层的有效拦蓄率变化为球核荚蒾>月月青>圆果化香，有效拦蓄量表现为球核荚蒾>月月青>圆果化香(表5)。枯落物半分解层有效拦蓄率为月月青>圆果化香>球核荚蒾，有效拦蓄量表现为月月青>圆果化香>球核荚蒾。表明不同灌木群落中，不论枯落物的未分解层或是半分解层，枯落物的有效拦蓄率的变化特征与有效拦蓄量一致。

不同坡位状态下，枯落物未分解层有效拦蓄率指标在不同坡位变化情况为坡中>坡下>坡上，但其有效拦蓄量大小却为坡下>坡中>坡上，分析此处有效拦蓄量表现为坡下大于坡中的原因为坡下枯落物的蓄积量大于坡中(表2)，因为蓄积量的大小与枯落物鲜重变化成正比，而有效拦蓄量与枯落物鲜重直接相关。有效拦蓄率指标在半分解层的情况为坡上>坡中>坡上，有效拦蓄量表现为坡中>坡上>坡下，分析此处有效拦蓄量表现为坡中大于坡下的原因为半分解层鲜重质量较大，虽然蓄积量表现为坡上大于坡中，但是坡中枯落物的鲜重大于坡下枯落物的鲜重。

结果表明，不同灌木群落中，枯落物未分解层中球核荚蒾的拦蓄能力较好；在枯落物半分解层中，月月青的拦蓄能力较好；不同坡位状态下，枯落物未分解层和半分解层中均表现为坡中的拦蓄能力较好。

表5 不同灌木群落及坡位枯落物拦蓄能力

5 讨 论

本次研究中群落枯落物的最大持水量范围为25.04～32.30 t/hm2，有效拦蓄量范围为10.63～17.88 t/hm2。已有研究中关于山东省石灰岩山区灌木最大持水量范围为27.09～46.86 t/hm2，有效拦蓄量范围为19.25～32.27 t/hm2[17]；山西省石灰岩山区的研究结果显示该地灌木枯落物最大持水量为28.59～39.76 t/hm2，有效拦蓄量为10.25～23.65 t/hm2[7]；黑龙江省东部的相关研究表明，灌木枯落物最大持水量范围为20.90～33.48 t/hm2，有效拦蓄量为12.83～25.07 t/hm2[24]。与已有研究数据相比，本次研究的数据较小，说明贵州喀斯特地区的灌木枯落物持水能力比这些地区弱，分析原因是贵州的岩石裸露率较高，植被覆盖率较低，导致相关灌木群落的枯落物持水性能数据有差异。

本研究结果表明，坡中位置的枯落物持水性能较其他坡位的枯落物持水性能好，与凌继华等[25]的研究结论有差异，该研究结论为随着坡位的降低，枯落物持蓄水和吸水能力均有提高。但王安宁等[26]研究结论为坡中是坡面承上启下的关键部位，与本研究结果相近。喀斯特地区坡顶通常灌木稀疏，以草本植物为主，而草本植物分解速率快，无法形成较厚的枯落物，因此其持水能力较差。而喀斯特山体的坡底通常土层厚、水分条件好，灌木茂密，林下草本植物少，灌木枯落物分解速率慢，导致枯落物层多为较大的枯落物个体，无法形成类似海绵的结构，因此持水率较低。坡中植被既有灌木也有草本植物，在大量的灌木枯落物中，填充了一些细小的草本植物枯落物，能形成有利于蓄水的结构，因此坡中的持水能力较强。

本文从群落与坡位两方面分别对比喀斯特地区灌木林枯落物持水特性。研究结果表明，为提升喀斯特地区植被恢复的水土保持效果，在对树种进行选择的同时，对坡位也有要求，即可直接选择坡位最好的位置种植持水能力较好的灌木树种，以更好地发挥枯落物的持水作用。因3种群落中圆果化香枯落物层表现出较强的持水能力、月月青有较强拦蓄能力，所以在森林植被恢复过程中，可增加圆果化香和月月青的种植面积。在3种坡位中，坡中处的灌木持水性能更好，改善森林群落及树种种植坡位，也可提高林木枯落物的持水能力，更好地发挥喀斯特灌木林涵养水源的作用。本研究对象为较纯灌木树种，但是自然环境中多为几种灌木组成混合群落。因此，可进一步对不同的混合灌木群落做相关研究，了解不同类型的混合灌木枯落物的持水能力，选择其中持水效果最好的群落进行栽种，以达到更好的水土保持效果。本研究存在一定的局限性，研究样地中灌木林的树种没有达到绝对的一致，除含有灌木研究对象外，还有一些草本、蕨类植物存在。这些植物的存在使实测枯落物蓄积量较灌木本身枯落物蓄积量有所增加，使实验结果略有误差。

6 结 论

(1)林下枯落物层总厚度和总蓄积量最大的为球核荚蒾群落，但最大持水量和最大持水率均表现为圆果化香群落最大，有效拦蓄量表现为月月青群落最大，说明月月青枯落物的有效拦蓄能力最强。

(2)坡上的枯落物总厚度最大，枯落物总蓄积量从大到小依次为坡下、坡中、坡上，最大持水量、最大持水率和有效拦蓄量均为坡中最大，表明坡中的持水能力、有效拦蓄能力最大。

(3)在不同群落或者坡位上，半分解层的枯落物蓄积量大于未分解层，枯落物持水量和浸泡时间两项指标在不同群落、坡位均表现出对数关系，吸水速率和浸泡时间呈幂函数关系。

(4)在24 h浸水过程中，圆果化香的吸水速率整体最大，说明其吸水能力在3种群落中最强。

(5)就坡位而言，坡中吸水速率最大，表明坡中位置的枯落物吸水能力最强。

(6)研究结果可在树种和坡位选择方面为喀斯特地区退耕还林、石漠化治理等植被恢复措施提供一定的科学依据。