重庆市几种常见经济林凋落物持水性能研究

张志兰，郑云泽，于秀娟

(重庆市水土保持生态环境监测总站，重庆 401147)

森林是地球上最重要的生态系统之一，不但可以源源不断地为人类提供各类物质所需，而且在涵养水源、减少地表径流、拦截泥沙等诸多方面均具有重要作用[1]。凋落物是森林生态系统的重要组分和物质循环的载体[2]。森林凋落物不仅影响森林生态系统的养分循环、土壤肥力的维持等，还能够有效维持森林的水量平衡[3]。森林凋落物一方面能增加地表层的粗糙度，减缓及减少地表径流，增加土壤水分下渗；另一方面由于其结构疏松，能减缓林内降水对地面的直接冲击，阻滞和分散降水，吸收通过林冠而降落到地表的水分。因此，森林凋落物对于保持水土和涵养水源具有重要作用[4]。

近年来，随着水资源需求量不断增加和水环境恶化，森林涵养水源功能越来越受到重视。不同森林类型的树种生物学特性不同，必然导致其凋落物层水源涵养效能存在差异。国内学者在不同森林类型凋落物持水能力方面做了不少研究[5]。重庆市主要为低山丘陵地貌，近年来随着农业的大力发展，柑橘[6]、核桃[7]、花椒[8]等产业也逐步发展，成为重庆市的特色产业。通过对2017年渝西、渝东北地区柑橘林、核桃林、花椒林、脆红李林、雷竹林5种典型经济林的凋落物吸水、持水特性的研究，探讨了不同人工林凋落物持水性能，为构建高效水源涵养林和正确评价森林生态系统服务功能提供技术参考。

1 研究区域概况

重庆地处105°11′～110°11′E、28°10′～32°13′N，属中亚热带季风性湿润气候区，常年平均气温18.0 ℃左右，年日照时数1 000～1 200 h，冬暖夏热，无霜期300 d以上，降水量充沛。5种经济林研究区位于渝东北和渝西地区，渝西主要为丘陵地貌，渝东北则以中山、低山地貌为主。渝东北年均降水量较渝西多，渝东北年降水量在1 200 mm左右，渝西年降水量在1 000 mm左右。渝东北海拔多在1 000 m以上，山地气候显著，地形雨较多，气温相比渝西明显降低。

2 研究材料与方法

2.1 研究方法

2.1.1 凋落物采集

在众多林分类型中，本研究选取了应用较广的柑橘林、核桃林、花椒林、雷竹林、脆红李林等5种主要经济林，对其凋落物的持水特性进行研究。2017年7—9月，在实地调查的基础上，于每种林分中选凋落物层典型地段，设置面积1 m×1 m的样方3个，测定新鲜凋落物的厚度及林分基本指标。5种经济林及其凋落物的基本特征见表1。

表1 5种经济林及其凋落物的基本特征

2.1.2 凋落物持水能力测定

各林分林地凋落物分布比较均匀，故在各样地对角线上设置面积为1 m×1 m 的样方3个，收集该样方内所有凋落物，装入塑料袋，称量凋落物鲜质量。之后从中取出一部分(约0.3 kg)，称完鲜质量后装入自封袋，带回实验室烘干，测定凋落物样品的自然含水量，依据自然含水量和鲜质量计算样方凋落物干质量，并推算单位面积林地上凋落物蓄积量(t/hm2)。另取各样方的凋落物混合样品烘干装入尼龙网袋后分别放入水中浸泡，测定其在浸泡0.5、1、1.5、2、4、6、8、10、18、24 h后的质量变化。测定时先将尼龙网袋取出并静置到凋落物不滴水时再进行称量，设定3个重复。凋落物的持水量、持水率、吸水速率及有效拦蓄量按以下公式[5，9]进行计算：

凋落物持水量(t/hm2)=[凋落物湿质量(kg/m2)-

凋落物干质量(kg/m2)]×10

(1)

凋落物持水率(%)=[凋落物湿质量(kg)-

凋落物干质量(kg)]/

凋落物干质量(kg)×100%

(2)

凋落物吸水速率[g/(kg·h)]=

凋落物吸水量(g/kg)/吸水时间(h)

(3)

凋落物有效拦蓄量(t/hm2)=[0.85×

最大持水率(%)-平均自然含水率(%)]×

凋落物蓄积量(t/hm2)

(4)

凋落物的最大持水量即凋落物含水量达到饱和时的持水量，一般情况下为该凋落物浸水24 h后的持水量，此时的持水率称为最大持水率。

2.2 数据处理

采用SPSS 22.0和Excel 2003软件对数据进行处理并进行单因素方差分析和差异显著性检验(LSD法)，采用Origin 8.5软件作图。

3 结果与分析

3.1 凋落物蓄积量

一般而言，凋落物的蓄积量越多，其水源涵养功能越好[10]。植物凋落物蓄积量与其生长量、郁闭度和生长年限等有关。本研究中，柑橘林的凋落物蓄积量最大，达4.46 t/hm2(表2)；雷竹林的最小，为1.14 t/hm2。5种经济林按凋落物的自然含水率大小排序为脆红李林>核桃林>柑橘林>花椒林>雷竹林。

表2 5种经济林凋落物的基本特征

3.2 凋落物持水量

凋落物持水量能够反映凋落物层的水文特性，进而反映出某一特定林分的水源涵养能力。它与凋落物的类型、组成、结构、蓄积量、湿度及分解状况等有密切关系[11]。由图1可以看出，随着浸泡时间的延长，凋落物持水量呈逐渐增加的趋势。在浸泡初始的4 h，持水量呈快速增加状态，4 h后持水量增幅逐渐减缓，浸泡10 h后持水量变化很小，说明凋落物在经过10 h的浸泡后持水量已基本达到饱和。5种经济林按凋落物最大持水量大小排序为柑橘林>花椒林>核桃林>脆红李林>雷竹林(表2)。

由表3可知，5种经济林凋落物的持水量与浸泡时间呈极显著的对数函数关系(P<0.001)，且相关性均较高(R2>0.9)。

图1 凋落物持水量随浸泡时间的变化

林分方程R2P柑橘林WH=1.13lnt+11.3940.959<0.001核桃林WH=0.325lnt+6.7580.963<0.001花椒林WH=0.148lnt+7.4370.914<0.001雷竹林WH=0.062lnt+1.7550.955<0.001脆红李林WH=0.058lnt+5.1050.930<0.001

3.3 凋落物持水率

凋落物的持水率能够反映凋落物的持水能力[5]。由图2可以看出，随着浸泡时间的延长，凋落物的持水率呈逐渐增加的趋势。5种经济林凋落物的持水率在浸泡的初期(0～4 h)呈快速上升趋势，4 h后增幅逐渐减缓，浸泡10 h后其持水率基本恒定。5种经济林按凋落物最大持水率大小排序为柑橘林>核桃林>脆红李林>花椒林>雷竹林。

图2 凋落物持水率随浸泡时间的变化

由表4可知，5种经济林凋落物的持水率与浸泡时间呈极显著的对数函数关系(P<0.001)，且相关性均较高(R2>0.9)。

表4 凋落物持水率(WR)与浸泡时间(t)的回归方程

3.4 凋落物吸水速率

吸水速率是衡量凋落物吸持降水强度的一个重要指标。吸水速率越大，凋落物在单位时间内的吸水量就越大，林内凋落物对降水的涵蓄速度就越快，从而可以更好地减少地表径流[12]。由图3可以看出，5种经济林凋落物的最大吸水速率为其浸泡最初0.5 h的吸水速率，按其大小排序为核桃林>脆红李林>柑橘林>花椒林>雷竹林，表明5种经济林凋落物涵蓄降水的速度为核桃林>脆红李林>柑橘林>花椒林>雷竹林。0.5 h后吸水速率明显变慢，此后逐渐减小，10 h后吸水速率基本维持恒定，说明此时的凋落物吸水趋于饱和状态。

由表5可知，研究区5种经济林凋落物的吸水速率与浸泡时间呈极显著的幂函数关系(P<0.001)，且相关性均极高(R2>0.999)。

图3 凋落物吸水速率随浸泡时间的变化

林分方程R2P柑橘林WA=2 544.712t-0.910.999 4<0.001核桃林WA=2 532.935t-0.9540.999 9<0.001花椒林WA=2 276.286t-0.980.999 9<0.001雷竹林WA=1 547.686t-0.9660.999 9<0.001脆红李林WA=2 355.905t-0.9890.999 9<0.001

3.5 凋落物有效拦蓄量

凋落物蓄积量、自然含水率和最大持水率是影响凋落物层对降雨有效拦蓄的主要因素[2]。由于在实际环境中受到坡度和降雨量等条件的影响，凋落物的实际持水率要略小于其最大持水率[9]，因此用最大持水率来推算凋落物对降雨的拦蓄能力将会产生偏差。研究中一般用有效拦蓄量[13]估算凋落物对降雨的实际滞纳能力。由表2可以看出，不同林分凋落物层对降雨的有效拦蓄量为柑橘林>花椒林>核桃林>脆红李林>雷竹林。其中，有效拦蓄量最大的柑橘林凋落物层可截留1.09 mm林内降雨，而有效拦蓄量最小的雷竹林凋落物层只能截留0.14 mm的林内降雨。

凋落物的有效拦蓄量主要受凋落物的蓄积量、自然含水率、最大持水率等因子的影响。线性回归分析表明，本研究中凋落物的有效拦蓄量与其蓄积量和最大持水率呈显著的线性相关，其模型分别为y=0.341x+0.929(R2=0.952 7)和y=14.707x+175.06(R2=0.801 5)，其相关系数分别为0.976(P=0.004)和0.895(P=0.04)，而有效拦蓄量与自然含水率无显著相关性。由此可见，凋落物蓄积量和最大持水率显著影响其对降雨的有效拦蓄量。

4 结论与讨论

(1)重庆地区5种经济林按凋落物蓄积量大小排序为柑橘林>花椒林>核桃林>脆红李林>雷竹林，这与柑橘的凋落物特点有关。柑橘的枝较其他几种经济林植物粗壮，叶片也相对较大、较厚，使其干质量明显高于其他植物；此外，柑橘的凋落物含有不利于微生物定殖的物质，影响微生物对凋落物的分解，导致较高的凋落物积累量。而其他几种经济林凋落物的蓄积量较小可能与其凋落物的初始化学成分有关，许多研究表明，凋落物的初始化学成分对其分解有较大的影响。

(2)5种经济林凋落物经过一定时间的浸泡后，其最大持水量表现为柑橘林>花椒林>核桃林>脆红李林>雷竹林，最大持水率表现为柑橘林>核桃林>脆红李林>花椒林>雷竹林，最大吸水速率表现为核桃林>脆红李林>柑橘林>花椒林>雷竹林。这表明重庆地区5种经济林中柑橘林凋落物的持水能力较强。随着浸泡时间的延长，凋落物的持水量与持水率均呈对数函数变化，而吸水速率则呈指数函数变化，且5种经济林的变化趋势相同，说明这种变化与林分类型没有显著的关系。该结果与赵晓春等[5，9]的研究结果相同。

(3)5种经济林按凋落物的有效拦蓄量大小排序为柑橘林>花椒林>核桃林>脆红李林>雷竹林，凋落物的有效拦蓄量与其蓄积量和最大持水率呈显著的线性相关。

(4)本研究仅对经济林凋落物的持水性能方面做了研究，经济林木对降雨的直接拦蓄作用及其水土保持作用方面的研究尚需进一步加强，以便更加全面地评价特定经济林的生态效益。