草海流域6種林分枯落物水源涵養(yǎng)功能研究

侯春蘭,楊 瑞,王 勇,劉 志,瞿 爽,文 慧,2,馬思怡,3,陳顏明,3

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院,貴陽(yáng) 550025；2.貴州省安順市林業(yè)局,貴州 安順 561000；3.貴州草海國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理委員會(huì),貴州 威寧 553100)

枯落物作為森林地表的覆蓋層及保護(hù)層,是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分之一,也是重要的水源涵養(yǎng)功能區(qū)[1]。近年來(lái),大量學(xué)者對(duì)不同類型的森林群落枯落物層開展了許多研究,認(rèn)為枯落物是涵養(yǎng)水源功能評(píng)價(jià)不可忽略的環(huán)節(jié),林下枯落物的現(xiàn)存量及其本身的持水特性二者共同決定枯落物層的水源涵養(yǎng)功能,且林分的樹種組成對(duì)枯落物層的蓄積量及持水特性具有重要影響[2-6]。威寧草海作為貴州高原典型的濕地生態(tài)系統(tǒng),其特殊的地理區(qū)位導(dǎo)致當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活與草海濕地生態(tài)保護(hù)的矛盾日益突出,導(dǎo)致草海濕地水質(zhì)污染嚴(yán)重,水位下降,趨于沼澤化,開展草海濕地生態(tài)修復(fù)亟待實(shí)現(xiàn)[7]。草海濕地流域森林群落作為草海濕地保護(hù)區(qū)外圍的生態(tài)屏障,其水源涵養(yǎng)功能調(diào)控對(duì)保護(hù)濕地生態(tài)、緩解濕地退化發(fā)揮著重要的作用。目前,關(guān)于草海的研究多集中于珍稀動(dòng)植物,針對(duì)草海濕地流域森林涵養(yǎng)水源功能的研究較少,缺乏對(duì)草海流域不同林分枯落物層涵養(yǎng)水源的能力量化評(píng)估,無(wú)法為草海流域植被恢復(fù)調(diào)控提供科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)[8-11]。本文選擇草海流域6種林分的枯落物作為研究對(duì)象,對(duì)枯落物層厚度、蓄積量及涵養(yǎng)水源過(guò)程的差異進(jìn)行量化研究,為草海流域水文生態(tài)功能調(diào)控與植被恢復(fù)的物種組合配置提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于草海自然保護(hù)區(qū)(N26°49′～26°53′,E104°12′～104°18′),地處烏蒙山脈腹地,屬長(zhǎng)江水系的上游湖泊,濕地的水源來(lái)自周邊河流及降雨,年均氣溫在10.5℃、降雨量約1 000 mm、相對(duì)濕度約為79%[12]。草海流域內(nèi)植被類型主要為云南松(Pinusyunnanensis)、滇楊(Populusyunnanensis)、茶樹(Camelliasinensis)、華山松(Pinusarmandi)、杉木(Cunninghamialanceolata)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

基于對(duì)草海流域森林林分及分布狀況的實(shí)地調(diào)查,分別于2017年8月20日至2017年8月30日在草海流域選取云南松林、針闊混交林(云南松-滇楊)、滇楊林、茶樹林、華山松林、杉木林等6種林分中布設(shè)樣地,樣地面積為20 m×20 m,記錄林分起源、樹種組成、樹高、林分郁閉度、土壤類型等林分特征,樣地基本概況如表1所示。

表1 不同林分基本概況Tab.1 The basic situation of different stands

2.2 枯落物的收集與蓄積量測(cè)定

在6種林分樣地中單獨(dú)布設(shè)5個(gè)小樣方(1m×1m),根據(jù)枯落物分解狀況分為未分解層和半分解層,采用等距離布點(diǎn)式對(duì)厚度進(jìn)行分層測(cè)量并分層收集,將收集的枯落物帶回實(shí)驗(yàn)室陰干,計(jì)算出不同林分枯落物層的蓄積量。

2.3 枯落物水文功能測(cè)定

將采集的6種不同林分的枯落物陰干稱重后,浸入清水中,分別間隔5,10,15,20,30,40,60,90,120,180,240,300,420,540,720,900,1 440min后取出,靜置到枯落物未滴水時(shí)進(jìn)行稱重,用于計(jì)算枯落物的水文功能,計(jì)算公式如下:

Qmax=M24-M

(1)

Rmax=(M24-M)/M

(2)

vt=(Mt-M)/t

(3)

式中：Qmax,Rmax,vt分別為最大持水量、最大持水率和不同浸水時(shí)間(t)的持水速率,M,Mt,M24分別為枯落物的干重、不同浸水時(shí)間(t)的濕重、浸水24 h的濕重。

2.4 坐標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法

坐標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法是以各指標(biāo)的實(shí)際值到最優(yōu)值的距離作為該值的得分對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià),可對(duì)不同單位的多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行得分比較。有學(xué)者研究表明,可通過(guò)枯落物厚度、蓄積量、最大持水量與最大持水率等指標(biāo)對(duì)枯落物層的水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[13-15]。

本研究評(píng)定方法如下:首先,分別用Xij表示各指標(biāo)的原始數(shù)據(jù),i和j分別代表林分類型和指標(biāo)類型；其次,為了消除單位帶來(lái)的影響,取與每一指標(biāo)最大者Xj的比值作為相對(duì)值dij,列出相對(duì)值數(shù)據(jù)表；再次,根據(jù)公式計(jì)算各指標(biāo)實(shí)際值到最優(yōu)值的距離pi；最后,對(duì)同一林分類型不同水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)的實(shí)際值到最優(yōu)點(diǎn)的距離求和,記作S,即為綜合評(píng)價(jià)值,綜合評(píng)價(jià)值最小即涵養(yǎng)水源功能表現(xiàn)最優(yōu),其中n為指標(biāo)量。具體公式為:

dij=Xij/Xmax

(4)

(5)

(6)

3 結(jié)果分析

3.1 不同林分枯落物蓄積量

枯落物層的厚度和蓄積量很大程度決定了枯落物層的蓄水能力,其中影響林分蓄積量的重要因子包括樹種類型及其組成等[16]。由表2可知,6種林分枯落物層的總厚度變化范圍為1.34～3.26cm,其中,厚度最大的為云南松林,其次為滇楊林和杉木林,茶樹林最小。6種林分枯落物蓄積量比較中,未分解層和半分解層的蓄積量均表現(xiàn)為云南松林最大,其次為滇楊林,茶樹林最小,云南松林與茶樹林的總蓄積量相差2.91t/hm2。6種林分枯落物半分解層的厚度和蓄積量均小于未分解層,未分解層的枯落物蓄積量均占到總枯落物層的57%以上,占比最大的為杉木林(75.57%),其次為華山松林(74.31%),最小的為滇楊林(57.89%)。

表2 不同林分的枯落物厚度與蓄積量Tab.2 The thickness and accumulation of litter in different stands

注:不同小寫字母表示不同林分各指標(biāo)具有顯著差異(P<0.05),下同。

3.2 不同林分枯落物持水能力

枯落物自身的持水性能對(duì)其枯落物層的蓄水能力具有重要影響。由表3可知,6種林分枯落物半分解層的持水量均比未分解層的低,除華山松外,其余林分的枯落物半分解層的持水率均較未分解層的持水率低,且不同林分半分解層枯落物的持水率沒(méi)有顯著差異(P>0.05)?？偝炙孔畲蟮臑榈釛盍?其次為云南松林,茶樹林最小。平均持水率的排序與總持水量的不同,平均持水率從大到小依次為：針闊混交林>滇楊林>云南松林>華山松林>杉木林>茶樹林,針闊混交林的平均持水率為茶樹林的1.56倍。

表3 不同林分枯落物持水能力Tab.3 The water-holding capacity of litter in different stands

3.3 不同林分枯落物的持水過(guò)程

模擬降雨時(shí)枯落物對(duì)降雨的吸持動(dòng)態(tài)變化,常常用枯落物能夠吸持的水量和吸持水分的速率隨浸水時(shí)間變化的趨勢(shì)表示。由圖1可知,6種林分未分解層和半分解層的枯落物持水量均隨浸水時(shí)間增加呈現(xiàn)急劇增加—緩慢增加—趨于平緩的變化趨勢(shì)。在圖1(a)中,未分解層枯落物的持水量在浸水前5min急劇增加,浸水5 min時(shí)的持水量最大的為滇楊林(2.38t/hm2),針闊混交林(1.79t/hm2)次之,最小的為茶樹林(0.23t/hm2),此時(shí)茶樹林和杉木林的未分解層枯落物浸水5 min時(shí)的持水量分別達(dá)到最大持水量的46.32%和30.34%,云南松林、針闊混交林、滇楊林及華山松林未分解層枯落物的持水量分別達(dá)到最大持水量的53.00%、67.38%,68.58%,64.82%。浸水5～120 min時(shí),云南松林、針闊混交林、茶樹林及華山松林的持水量緩慢增加,浸水120 min時(shí)的持水量分別達(dá)到最大持水量的90.06%,85.06%,81.67%,88.96%,浸水120～1 440 min時(shí)持水量趨于平緩,并達(dá)到飽和持水量。滇楊林與杉木林的未分解層枯落物在浸水5～720 min時(shí)的持水量緩慢增加,浸水720 min時(shí)的持水量分別達(dá)到最大持水量的96.39%,95.96%,浸水720～1440 min時(shí)持水量趨于平緩,并達(dá)到飽和持水量。

在圖1(b)中,半分解層的枯落物持水量在浸水前5min急劇增加,持水量最大的為滇楊林(1.40t/hm2),其次為云南松林(1.13t/hm2),最小的為茶樹林(0.06t/hm2)。6種林分半分解層枯落物浸水5～120 min時(shí)的持水量緩慢增加,持水量均達(dá)到最大持水量的73%以上,120～1 440 min時(shí)持水量趨于平緩并達(dá)到最大持水量。

圖1 不同林分枯落物持水量與浸水時(shí)間關(guān)系Fig.1 The relationship between water-holding capacity and soaking time in different stands

由圖2可知,枯落物持水速率隨浸水時(shí)間的增加呈現(xiàn)急劇下降—緩慢下降—趨于平緩的變化趨勢(shì),半分解層枯落物吸持水分的速率低于未分解層。枯落物浸入水中的前5min,巨大的水勢(shì)差使得枯落物快速吸收水分,此時(shí)的持水速率達(dá)到最大,浸水30min后,枯落物對(duì)水分的吸持速率減緩并達(dá)到穩(wěn)定,1 440min時(shí)枯落物吸水達(dá)到飽和,持水速率幾乎為零。在圖2(a)中,浸水5min時(shí),未分解層枯落物對(duì)水分的吸持速率最快的為滇楊林(0.47 (t/hm2)/min),其次為針闊混交林(0.36 (t/hm2)/min),茶樹林最小(0.05 (t/hm2)/min)。在圖2(b)中,浸水前5min時(shí),半分解層枯落物對(duì)水分的吸持速率最快的仍為滇楊林(0.28 (t/hm2)/min),其次為云南松林(0.23 (t/hm2)/min),最小的仍為茶樹林(0.01 (t/hm2)/min)。

分別對(duì)6種林分的未分解層和半分解層枯落物的持水量與浸水時(shí)間、持水速率與浸水時(shí)間進(jìn)行模型擬合,結(jié)果如表4所示,持水量與浸水時(shí)間、持水速率與浸水時(shí)間分別符合方程:Q=alnt+b,R2>0.82；v=ktn,R2>0.98,結(jié)果表明,枯落物對(duì)水分的吸持量以及吸持速率與浸水的時(shí)間均具有相關(guān)性。

圖2 不同林分枯落物持水速率與浸水時(shí)間關(guān)系Fig.2 The relationship between water absorption rate of litter and soaking time in different stands

表4 不同林分枯落物持水量 持水速率與浸水時(shí)間關(guān)系式
Tab.4 The relationship between water-holding capacity,water absorption rate of litter and soaking time in different stands

林分類型枯落物層持水量與浸水時(shí)間關(guān)系式R2持水速率與浸水時(shí)間關(guān)系式R2云南松林杉木林滇楊林針闊混交林華山松林茶樹林未分解Q=0.249lnt+1.7000.923 v=1.823t-0.9060.998半分解 Q=0.109lnt+1.0760.959 v=1.125t-0.9280.999未分解 Q=0.256lnt+0.3180.973 v=0.617t-0.8170.997半分解 Q=0.114lnt+0.4560.917 v=0.527t-0.8710.995未分解 Q=0.197lnt+1.9450.916 v=2.069t-0.9320.999半分解 Q=0.120ln t +1.2340.993 v=1.295t-0.9310.999未分解 Q=0.147lnt+1.6150.978 v=1.689t-0.9350.999半分解 Q=0.104lnt+0.1420.990 v=0.253t-0.8150.997未分解 Q=0.117lnt+1.2150.964 v=1.268t-0.9310.999半分解 Q=0.098lnt+0.1350.986 v=0.245t-0.820.998未分解 Q=0.037lnt+0.2360.911 v=0.255t-0.9030.998半分解 Q=0.023lnt+0.0850.827 v=0.093t-0.8520.984

3.4 枯落物層水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)

為比較草海流域6種林分枯落物層涵養(yǎng)水源的功能,研究選取枯落物層的總厚度、蓄積量、最大持水量、平均持水率4個(gè)指標(biāo)對(duì)6種林分的水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),各指標(biāo)的最大值均為最優(yōu)值,綜合評(píng)價(jià)值表現(xiàn)如表5所示:云南松林(0.30)<滇楊林(0.42)<針闊混交林(1.19)<杉木林(1.35)<華山松林(1.51)<茶樹林(2.64)。

表5 不同林分枯落物水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)排序Tab.5 Comprehensive evaluation and ranking of water conservation function of litter in different stands

4 結(jié)論與討論

1)草海流域6種林分的枯落物厚度與蓄積量存在差異,未分解層的厚度、蓄積量與最大持水量顯著高于半分解層,枯落物層的總厚度變化范圍在1.34～3.26 cm之間,蓄積量變化范圍在0.62～3.53 t/hm2之間,云南松林的蓄積量最大,其次為滇楊林,茶樹林的最?。豢偝炙吭?.76 ～5.57 t/hm2之間,最大的為滇楊林,其次為云南松林,茶樹林的最小。研究中茶樹林的郁閉度較低,且茶樹不易落葉,枯落物積累較少,導(dǎo)致茶樹林與云南松林蓄積量相差2.91 t/hm2,其持水量差異達(dá)4.40t/hm2,表明不同林分枯落物的蓄積量對(duì)其水源涵養(yǎng)功能具有較大影響,枯落物對(duì)水分的吸持能力隨枯落物層的厚度、蓄積量的增加而增強(qiáng),與前人研究結(jié)果一致[17]。研究中未分解層的枯落物蓄積量均占到枯落物層的57%以上,其單位面積的持水量也較半分解層的大。但是,持水率的大小順序與持水量不一致,除華山松外,其余林分枯落物的持水率和持水速率均表現(xiàn)為未分解層大于半分解層,與周巧稚等[18]研究結(jié)果相似,而一些學(xué)者認(rèn)為半分解層存在親水性強(qiáng)的腐殖質(zhì),持水性能隨著分解程度的加深逐漸增強(qiáng)[19-21]。關(guān)于枯落物持水性能與分解程度關(guān)系的研究結(jié)果尚存在分歧,導(dǎo)致這種分歧的原因可能與我國(guó)地域差異性較大有關(guān),且不同林分物種組成比例、林分密度、枯落物層組分、氣候和土壤等外部因素的綜合影響導(dǎo)致其枯落物層水文生態(tài)功能復(fù)雜多變,今后有必要進(jìn)一步研究其相關(guān)性。

2)通過(guò)對(duì)草海流域6種林分的枯落物層持水能力的研究發(fā)現(xiàn),最大持水率在119.05%～207.69%之間,平均持水率從大到小依次為:針闊混交林>滇楊林>云南松林>華山松林>杉木林>茶樹林,與王佑民[22]對(duì)我國(guó)各地喬木林下枯枝落葉層進(jìn)行持水能力研究的結(jié)果存在差異,他認(rèn)為枯落物的最大持水量與其干重的比值約為2～4,不同區(qū)域、不同林分枯落物的持水能力因其樹種組成及地域差異而具有很大差異。

3)持水量、持水速率與浸水時(shí)間分別符合方程:Q=alnt+b,R2>0.82；v=ktn,R2>0.98。綜合分析結(jié)果表明,草海流域6種林分枯落物層涵養(yǎng)水源的能力從強(qiáng)到弱表現(xiàn)為:云南松林(0.30)>滇楊林(0.42)>針闊混交林(1.19)>杉木林(1.35)>華山松林(1.51)>茶樹林(2.64)。云南松與滇楊混交林具有較優(yōu)的涵養(yǎng)水源功能,在對(duì)草海流域進(jìn)行水文生態(tài)功能調(diào)控與植被恢復(fù)的物種組合配置時(shí),可在針葉林中混植闊葉樹種,茶樹林中混植喬木樹種,促進(jìn)枯落物的積累,提高涵養(yǎng)水源功能。