长春市2种常见树种凋落物水文特性研究

王炳翰， 陈家琦， 翟 畅， 白 山， 宋玥娇

(1. 长春大学园林学院， 吉林 长春 130012； 2. 吉林省林业调查规划院， 吉林 长春 130022； 3. 吉林省重点国有林技术服务中心， 吉林 长春 130022)

森林凋落物是森林生态系统的重要组成部分，凋落物层的结构疏松，持水能力和透水能力较强，不仅可以降低雨水对地面直接冲击而造成的侵蚀，还能增加地面粗糙程度，从而减缓地表径流[1]。森林凋落物在养分循环、调节土壤有机物构成、保持水土、涵养水源等方面也起着重要的生态作用[2]。当今社会快速的城市化进程极大改变了区域水文及气候条件，城市内不透水地表面积比例的增加很大程度上抑制了雨水的入渗，导致地表汇量增加，径流峰值提高，地表径流量在时间较短的情况下无法迅速下降[3]，进一步导致洪涝灾害在城市内出现。因此，笔者对长春市南湖公园内的兴安落叶松林和红皮云杉林凋落物水文特性进行研究，以期为本地水源涵养林的营造提供科学依据。

1 研究区域和方法

1.1 研究区域概况

试验样地布设于长春市南湖公园内，样地的基本情况见表1。长春市位于北半球中纬度地带，为温带大陆性季风气候。南湖公园位于市区西南部，是一个人工林演化成的森林群落，共有树木137种(其中：乔木类80种，约62 000株；针叶类15种，约21 800株；阔叶类66种，约40 000株)，绿化覆盖率85 %[4]。

表1 样地基本情况

1.2 研究方法

1.2.1 凋落物采集与蓄积量测定

每一树种设置20 m×20 m的大样方，对其中树种进行情况调查。在每个大样方里，设置3个30 cm×30 cm的小样方，每个样方按照未分解层、半分解层收集全部凋落物[5]，装入自封袋内并标记好，将其带回实验室，称量各样方内凋落物自然状态下的质量即鲜质量，后置于室内自然风干，称重，计算其单位面积的干重。

1.2.2 凋落物持水过程测定

采用室内浸泡法获取2个树种凋落物持水性特征的相关数据[6，7]。具体过程为：将未分解层和半分解层的凋落物均化处理，称取烘干样装入规格为100目尼龙网袋并封口[8]，置于容器内浸泡。浸泡过程中将所有的凋落物淹没于水面以下，分别在浸水5 min、10 min、15 min、30 min、1 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h和24 h后，捞起并静置5 min左右至凋落物不滴水时称量，测其持水性，每组试验各重复3次。

1.2.3 凋落物失水过程测定

将浸水24 h后的凋落物置于实验室内通风处自然风干，分别在5 min、10 min、15 min、30 min、1 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h和24 h后称量，测其失水性，每组试验各重复3次。

1.2.4 数据处理

分别计算不同树种的持水性及失水性各水文参数[5]，运用SPSS 20.0对数据进行相关性分析及曲线拟合，采用Origin绘图。

2 结果与分析

2.1 凋落物累积量

试验结果表明(见表2)，兴安落叶松林总累积量为17.03 t·hm-2，红皮云杉林为19.89 t·hm-2，兴安落叶松林半分解层累积量高于未分解层，而红皮云杉林正相反，其最高值是未分解层，为12.19 t·hm-2，且红皮云杉林总累积量显著高于兴安落叶松林(P<0.05)。

表2 不同林分类型凋落物水文特性参数

表3 不同林分凋落物各水文参数相关性分析

2.2 凋落物平均自然含水率

从表2、表3中可以看出，兴安落叶松林平均自然含水率极显著高于红皮云杉林(P<0.01)，且其各个分解层平均自然含水率皆为最高值，最高可达8.94 %，而半分解层红皮云杉林最低，为5.37 %。

2.3 不同林分类型凋落物持水性

2.3.1 凋落物持水率

半分解层兴安落叶松林凋落物最大持水率最高，达到了362.57 %，而红皮云杉林最低，为135.50 %，且兴安落叶松林最大持水率总量也为最高值，其极显著高于红皮云杉林(P<0.01)(见表2、表3)。

不同林分类型凋落物最大持水率与浸水时间的关系见图1，可以看出，兴安落叶松林未分解层持水率动态为前6 h迅速增长，后缓慢增加至24 h，而半分解层前1.5 h内快速增长，后平缓增加直至10 h左右达到饱和状态；红皮云杉林未分解层9～11 h增长速率最快，前8 h平缓增加，12 h后逐渐饱和，而半分解层前1 h迅速增长，后缓慢增加直至12 h达到饱和状态。

通过对2种林分未分解、半分解层的凋落物的持水率(R， %)和浸水时间(t，h)的曲线拟合发现，二者存在R=alnt+b的关系(见表4)。

图1 不同林分类型凋落物最大持水率与浸水时间的关系

表4 不同林分类型凋落物持水率、持水量与浸水时间的回归方程

2.3.2 凋落物持水量

兴安落叶松林凋落物最大持水量与红皮云杉林差异不显著(P>0.05)，其半分解层为各层最高值38.15 t·hm-2，而红皮云杉林最大持水量总量为31.16 t·hm-2，其总量低于兴安落叶松林半分解层凋落物的最大持水量(见表2、表3)。

兴安落叶松林半分解层24 h内持水量均为最高值，其变化趋势为前2 h快速增长，后缓慢增加直至10 h左右达到饱和状态；红皮云杉林未分解层、半分解层持水量变化趋势与兴安落叶松林未分解层大体相同，前10 h平缓增加，10 h后达到饱和状态(见图2)。

通过对不同林分未分解层和半分解层凋落物持水量(W，t·hm-2)和浸水时间(t，h)进行曲线拟合发现，存在W=alnt+b的关系(见表4)。

图2 不同林分类型凋落物最大持水量与浸水时间的关系

2.3.3 凋落物的最大拦蓄率(量)

兴安落叶松林凋落物最大拦蓄率极显著高于红皮云杉林(P<0.01)，其中未分解层兴安落叶松林最大拦蓄率最高，达到了355.22 %，而同层红皮云杉林最大拦蓄率最低，为129.32 %。兴安落叶松林最大拦蓄量极显著高于红皮云杉林(P<0.01)。兴安落叶松林半分解层最大拦蓄量最高，为44.09 t·hm-2，而同层红皮云杉林为15.26 t·hm-2。红皮云杉林各层最大拦蓄量差异不大，而兴安落叶松林凋落物2层最大拦蓄量差异较大(见表2、表3)。

2.3.4 有效拦蓄率(量)

从表2、表3中可以看出，兴安落叶松林凋落物有效拦蓄率极显著高于红皮云杉林(P<0.01)。兴安落叶松林半分解层有效拦蓄率最高，为300.84 %；而同层的红皮云杉林为最低值108.99 %。有效拦蓄量最高值为兴安落叶松林，达到了44.37 t·hm-2，而红皮云杉林为26.18 t·hm-2。

2.4 不同林分类型凋落物失水性

2.4.1 凋落物最大失水率

凋落物最大失水率最高为兴安落叶松林，为122.67 %，而红皮云杉林为62.82 %，兴安落叶松林极显著高于红皮云杉林(P<0.01)。兴安落叶松林未分解层最大失水率为各层最高值127.64 %，而同层红皮云杉林最大失水率最低，为41.48 %(见表2、表3)。

2.4.2 凋落物最大失水量

凋落物最大失水量最高值为兴安落叶松林19.24 t·hm-2，而红皮云杉林为11.61 t·hm-2，二者差异极显著(P<0.01)，且2种林分半分解层最大失水量均高于未分解层(见表2、表3)。

3 结论与讨论

红皮云杉林总累积量显著高于兴安落叶松林(P<0.05)，这可能与林分成熟期有关。从表1中可以看出，兴安落叶松平均树龄在35年左右，属于近熟林期，其生长量随树龄升高而降低，呈下降趋势。而红皮云杉生长量随树龄增加由低升高，呈上升趋势[9]，因此，红皮云杉林凋落物总累积量较多。但半分解层兴安落叶松林累积量明显高于未分解层，这也是由于兴安落叶松林处于近熟林期，所在小型生态系统物质循环良好，分解速率加快。

兴安落叶松林最大持水量高于红皮云杉林，达到了47.50 t·hm-2，而总累积量却低于红皮云杉林，从试验结果可以看出，兴安落叶松林半分解层累积量所占百分比较高，而红皮云杉林与此相反，由此可得出2种林分半分解层持水性更好，这可能与凋落物自身组织结构有关。刘小娥等研究表明，针叶树种叶子内含油脂，其亲水性不佳，而随着分解程度增加，凋落物亲水性能提高，随之最大持水量增大[3]。凋落物持水量随时间变化的特性是凋落物水文特征研究的重要指标之一[10]，本试验结果发现，2种林分各分解层持水量随浸水时间变化趋势大体相同，前期迅速增长，后缓慢增加直至饱和状态，这与陆恩富等的研究结果相同[11]。凋落物有效拦蓄量可较为真实反映其对雨水的拦截作用[12，13]。由表3可知，有效拦蓄量与最大持水量呈正相关关系，且兴安落叶松林凋落物有效拦蓄量极显著高于红皮云杉林(P<0.01)，这表明兴安落叶松林凋落物对降雨具有较好的拦蓄能力。

凋落物最大失水率(量)与最大持水率(量)呈正相关关系(表3)，凋落物失水量越高则持水量越高[12]。从表2中可以看出，兴安落叶松林最大持水率(量)均高于红皮云杉林，且兴安落叶松林处于低累积量的水平下，仍能保持较高的持水参数，故兴安落叶松林持水性能更佳，本地城市水源涵养林营建时，建议优先选择该树种，可取得良好的生态效益。