森林枯落物持水特性影響因素研究進(jìn)展

耿琦，王海燕*，張美娜，鄭永林

北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京100083

0 前言

枯落物持水特性的影響因素較多，包括生物、氣候以及地形地貌等諸多因素。本文根據(jù)現(xiàn)階段枯落物持水特性研究中的熱點(diǎn)問題，總結(jié)了影響枯落物持水特性的重要因素(如，森林類型、林分特征和成土因素等)，并探討了各因素與枯落物持水特性的關(guān)系及影響程度，以期為人工林造林樹種的選擇和配置，天然林營(yíng)林措施的選擇以及森林枯落物的處理提供指導(dǎo)。

1 森林類型對(duì)枯落物持水特性的影響

枯落物持水特性常用有效攔蓄量這一指標(biāo)表示，它與枯落物的儲(chǔ)量、自然含水率和最大持水率等因素有關(guān)，而這些因素又由枯落物的組成、質(zhì)地和分解程度等決定。不同森林類型下的枯落物，其持水特性也不相同。

1.1 針葉林、闊葉林及其混交林的枯落物持水特性

森林類型依據(jù)森林外貌可大體分為針葉林、闊葉林和針闊混交林三類。許多學(xué)者就這幾類森林類型的枯落物持水特性展開了深入的研究。何琴飛等[4]通過對(duì)珠江流域中游主要森林類型枯落物的研究發(fā)現(xiàn)，其枯落物儲(chǔ)量表現(xiàn)為濕地松和荷木混交林＞桉樹林＞馬尾松林＞紅錐林＞大葉櫟林，有效攔蓄量為濕地松和荷木混交林＞大葉櫟林＞紅錐林＞桉樹林＞馬尾松林。由此可見，針闊混交林由于其儲(chǔ)量較大，其有效攔蓄量也隨之增大。而闊葉林雖然儲(chǔ)量有時(shí)不及針葉林，但由于其吸水率高，導(dǎo)致其有效攔蓄量整體優(yōu)于針葉林。Zhou等[5]對(duì)喀斯特地區(qū)不同林地枯落物的持水特性研究中也得出針闊混交林的持水能力優(yōu)于純林的結(jié)論。然而，在其他因素的作用下，這一結(jié)論的準(zhǔn)確性也會(huì)受到一定的影響。如劉芝芹等[6]研究顯示，雖然云南高原的華山松+云南松+馬?；旖涣钟行r蓄量最大，但當(dāng)?shù)氐脑颇纤杉兞值挠行r蓄量卻略高于云南松+栓皮櫟混交林。這可能與混交樹種的比例有關(guān)。殷沙等[7]在比較贛南地區(qū)不同比例的馬尾松木荷混交林枯落物的持水特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混交林中馬尾松和木荷的比例為6:4時(shí)，其持水特性顯著優(yōu)于馬尾松和木荷的比例為8:2的混交林以及馬尾松純林。這在馮楷斌等[8]對(duì)冀北山地不同混交比例的落葉松與白樺的持水特性的差異中也有體現(xiàn)，說明混交林良好的持水特性也需要在適當(dāng)?shù)幕旖槐壤虏拍軐?shí)現(xiàn)。

1.2 灌木林、竹林的枯落物持水特性

竹林作為一種非針葉也非闊葉的特殊林，其持水特性與其他森林類型存在差異。孫歐文等[9]研究表明，在浙江省的 5種典型林型中，枯落物儲(chǔ)量表現(xiàn)為針闊混交林＞闊葉林＞針葉林(馬尾松林、杉木林)＞毛竹林，有效攔蓄量為針闊混交林＞杉木林＞闊葉林＞馬尾松林＞毛竹林。就竹林純林來說，其儲(chǔ)量整體低于針闊混交林、闊葉林和針葉林，有效攔蓄量也最低。灌木林作為森林和灌叢之間的過渡類型，也常被用來進(jìn)行枯落物持水特性的研究。周娟等[10]研究了大遼河流域水源涵養(yǎng)林枯落物持水特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)孛晒艡盗钟行r蓄量最大，其他闊葉林如楊樺林、雜木林(闊葉混交林)等緊隨其后，針葉林(紅松林、落葉松林)整體較低，而灌木林比任何一種森林都差，僅優(yōu)于草地。

總體而言，枯落物的持水特性方面，針闊混交林通常最好，闊葉林和針葉林其次，竹林和灌木林相對(duì)較差。

2 林分特征對(duì)枯落物持水特性的影響

林分特征因子，如林分密度和林齡，對(duì)枯落物的持水特性也會(huì)產(chǎn)生重要的影響。

2.1 林分密度對(duì)枯落物持水特性的影響

林分密度是指單位面積林地上林木的株數(shù)，也是枯落物持水特性的影響因素之一。目前對(duì)于林分密度與枯落物持水特性關(guān)系的研究相對(duì)較少。部分研究認(rèn)為，枯落物有效攔蓄量隨林分密度的增加而增大。究其原因，是枯落物儲(chǔ)量的增加，提高了枯落物層的有效攔蓄量[11]。然而對(duì)于更大范圍的林分密度研究中，枯落物持水特性隨林分密度的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且研究的林分密度范圍越大，這一規(guī)律越顯著。不同地區(qū)、不同林分類型的林地，其達(dá)到最佳持水特性的林分密度一般不同，研究結(jié)果詳見表1。

撫育采伐與封育等營(yíng)林措施，通過調(diào)節(jié)林分密度，對(duì)枯落物持水特性產(chǎn)生影響。

2.1 兩組女性血清中AsAb抗體水平檢測(cè)結(jié)果比較 在AsAb-T檢測(cè)水平方面，不孕不育組總陽(yáng)性率(65.8%)與健康對(duì)照組總陽(yáng)性率(5.4%)相比明顯提高(P<0.05)；其中不孕不育組女性血清IgG-AsAb、IgM- AsAb、IgA- AsAb的總陽(yáng)性率均明顯高于健康對(duì)照組(均P<0.05)。見表1。

2.1.1 采伐對(duì)枯落物持水特性的影響

撫育采伐是調(diào)節(jié)林分密度的重要手段之一，包括透光伐、疏伐和生長(zhǎng)伐等。對(duì)于天然林，自然稀疏(也稱自疏)是調(diào)節(jié)林木密度的方式，在一定程度上可以減輕林分密度過大的問題。當(dāng)自疏不能滿足林木正常生長(zhǎng)需求時(shí)，就需要人為開展撫育采伐工作，輔助林分密度達(dá)到適宜的狀態(tài)。而對(duì)于人工林通過撫育采伐處理林內(nèi)生長(zhǎng)狀態(tài)不好的林木，能夠達(dá)到調(diào)節(jié)林分密度、縮短種植周期的作用[25]。

表1 林分密度對(duì)枯落物持水特性的影響(源自參考文獻(xiàn))Table 1 The effect of stand density on water-holding characteristics of litter (from literature)

采伐強(qiáng)度對(duì)枯落物的持水特性會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。國(guó)內(nèi)外在這方面也已有報(bào)道。曹旭平等[26]通過對(duì)間伐條件下黃龍山的天然次生林—遼東櫟林下枯落物持水特性的研究發(fā)現(xiàn)，輕度間伐下枯落物持水特性最好，整體表現(xiàn)為輕度＞對(duì)照(CK)＞中度＞重度間伐。雖然許多研究在未采伐、中度采伐和重度采伐對(duì)枯落物持水特性的影響方面結(jié)果不一致，但均得出了輕度采伐后的森林枯落物持水性能最優(yōu)的結(jié)論[27-28]。Ishikawa 等[29]通過對(duì)比皆伐與未采伐的(對(duì)照組)溫帶次生林枯落物后發(fā)現(xiàn)，皆伐后的枯落物持水性能明顯低于未采伐的林地。這說明適度采伐有利于枯落物持水性能的增強(qiáng)，過度采伐反而會(huì)削弱森林枯落物的持水性能。因此，關(guān)于保持枯落物持水性的最適采伐強(qiáng)度仍待探究。

2.1.2 封育對(duì)枯落物持水特性的影響

封育作為一種重要的營(yíng)林措施，對(duì)枯落物的持水特性具有一定的促進(jìn)作用，這在魏文俊等[30]的研究中得到了證實(shí)。該研究指出，通過封育，柞蠶林得到了恢復(fù)，且恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，枯落物儲(chǔ)量增加的越多，其有效攔蓄量也明顯提高。王景燕等[31]通過對(duì)川南坡地不同退耕模式下枯落物持水特性的研究也發(fā)現(xiàn)，增加植被后，枯落物的持水特性得到提升。需要指出的是，封育是基于被破壞的森林，也就是林分密度本就極為稀疏的森林展開的，因此呈現(xiàn)出恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，有效攔蓄量越高的狀態(tài)。實(shí)際上，其林分密度尚未達(dá)到需要人工干預(yù)的程度，故此與經(jīng)過輕度采伐后的森林比未經(jīng)采伐的森林枯落物持水性能強(qiáng)的結(jié)論并不沖突。

2.2 林齡對(duì)枯落物持水特性的影響

林齡是指林分的平均年齡。根據(jù)樹種的生長(zhǎng)速度和生長(zhǎng)階段等劃分不同的齡級(jí)，并將齡級(jí)按照生長(zhǎng)階段劃分成不同的齡組。

2.2.1 不同生長(zhǎng)速度的林分的枯落物持水特性

由于林木生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，難以準(zhǔn)確記錄林齡，因此在實(shí)際測(cè)量中，常有用林木徑級(jí)結(jié)構(gòu)，即用林木的胸徑為標(biāo)準(zhǔn)來劃分齡級(jí)的情況。劉成功等[32]在研究不同林齡無患子人工林枯落物持水性特點(diǎn)時(shí)，以5 cm為每?jī)蓚€(gè)徑級(jí)間的間隔距離，按照林木胸徑將該無患子人工林分為Ⅰ [胸徑(10.0±0.5) cm]、Ⅱ [胸徑(15.0±0.5) cm]、Ⅲ [胸徑(20.0±0.5) cm]三個(gè)齡級(jí)，并且發(fā)現(xiàn)，枯落物持水特性與林齡顯著相關(guān)，且隨林齡增大，林地枯落物儲(chǔ)量減少，枯落物持水特性也隨之降低。

2.2.2 不同生長(zhǎng)階段的林分的枯落物持水特性

根據(jù)樹種生長(zhǎng)階段，通常將林分分為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林五個(gè)齡級(jí)。對(duì)于天然林來說，王美蓮等[33]通過對(duì)不同林齡興安落葉松枯落物持水特性的研究發(fā)現(xiàn)，隨林齡增加，分解程度越大，其有效攔蓄量也隨之增加。整體表現(xiàn)為過熟林有效攔蓄量高于中齡林、近熟林和成熟林。石亮等[34]對(duì)大興安嶺地區(qū)興安落葉松林的研究也證實(shí): 不同林齡的興安落葉松林的枯落物持水特性差異顯著，成熟林、近熟林和中齡林的枯落物持水特性均優(yōu)于幼齡林。對(duì)于人工林來說，有研究認(rèn)為，隨著林齡的增大，枯落物的持水能力也隨之增強(qiáng)。鄧厚銀等[35]通過對(duì)粵北地區(qū)杉木人工林的研究發(fā)現(xiàn)，其枯落物的持水能力從大到小依次為近熟林(23—25 年)＞中齡林(16—18 年)＞幼齡(7—8 年)。這在高迪等[36]對(duì)寧夏六盤山華北落葉松人工林的研究中也得到了印證。然而有研究指出，枯落物的持水能力隨林齡增大也會(huì)出現(xiàn)功能衰退的趨勢(shì)[37]。陳進(jìn)等[38]通過對(duì)貴陽(yáng)市馬尾松林的研究發(fā)現(xiàn)，成熟林的枯落物持水能力最佳，整體表現(xiàn)為成熟林＞過熟林＞中齡林＞幼齡林。

3 成土因素對(duì)枯落物持水特性的影響

除森林自身的性質(zhì)外，成土因素也會(huì)通過影響土壤性質(zhì)而影響到枯落物的持水特性。自然成土因素包括母質(zhì)、氣候、生物、地形和時(shí)間。其中，母質(zhì)是土壤形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)土壤肥力有重要的影響。土壤肥力的不同會(huì)造成森林植被的差異，進(jìn)而導(dǎo)致枯落物的組成及現(xiàn)存量上的差異，由此產(chǎn)生了枯落物持水特性的不同；地形主要影響森林中水熱條件的再分配，從而影響枯落物的持水特性；生物因素包括動(dòng)物、植物和微生物。植物對(duì)枯落物持水特性的影響主要體現(xiàn)在森林類型上，而對(duì)于微生物和土壤動(dòng)物，微生物能夠降解枯落物中的難分解物質(zhì)，土壤動(dòng)物則是通過粉碎枯落物，進(jìn)而促進(jìn)其分解[39]，以上過程都是通過影響各個(gè)分解階段枯落物的儲(chǔ)量，間接對(duì)枯落物的持水特性造成影響。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于此方面的研究較為鮮見；氣候因素的影響將在“4 討論與展望”中作進(jìn)一步的分析。

3.1 海拔對(duì)枯落物持水特性的影響

對(duì)于地處山地的森林來說，海拔是一個(gè)不可忽視的影響因素。在不同森林類型的林地之間，針闊混交林的枯落物持水特性常優(yōu)于針葉林、闊葉林以及竹林等，這一結(jié)論是基于在海拔相近的森林類型之間的比較研究。在海拔不同的情況下，王會(huì)京等[40]研究表示，枯落物的儲(chǔ)量及有效攔蓄量都表現(xiàn)為針葉林＞混交林。這是由于高海拔地區(qū)的樹木遮擋，太陽(yáng)光不能直射到低海拔地區(qū)，導(dǎo)致該地區(qū)林分接受的陽(yáng)光相對(duì)較少，使林下枯落物不能快速充分分解，進(jìn)而導(dǎo)致高海拔地區(qū)的針葉林的持水特性反而優(yōu)于低海拔地區(qū)的針闊混交林，呈現(xiàn)出太行山枯落物持水特性隨著海拔的增加而增強(qiáng)的情況。這與胡曉聰?shù)萚41]對(duì)西雙版納熱帶山地雨林枯落物持水特性的研究結(jié)果一致。而對(duì)于同種森林類型的林地來說，張引等[42]通過對(duì)冀北山地油松林的研究發(fā)現(xiàn)，油松枯落物持水能力隨海拔的升高，呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。這與盧振啟等[43]對(duì)河北霧靈山油松林的研究結(jié)果一致。

3.2 母巖對(duì)枯落物持水特性的影響

成土母巖也會(huì)對(duì)森林枯落物的持水特性產(chǎn)生影響。聶朝俊等[44]通過對(duì)喀斯特山地杜仲人工林枯落物的持水特性研究，發(fā)現(xiàn)白云質(zhì)石灰?guī)r發(fā)育而來的土壤上的杜仲林枯落物的持水量大于泥質(zhì)灰?guī)r發(fā)育成的土壤上的杜仲林枯落物的持水量。究其原因，可能是由于白云質(zhì)石灰?guī)r土壤上的林下植被更為豐富，持水特性更優(yōu)。

4 討論與展望

枯落物的持水特性是森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源的重要一環(huán)，對(duì)于土壤的固持也具有重要意義。對(duì)于人工林來說，通過合理配置樹木種類，調(diào)節(jié)種植密度，可以達(dá)到增強(qiáng)枯落物持水特性的目的，對(duì)合理利用水資源也有積極的影響；對(duì)于天然林來說，應(yīng)采用合理的營(yíng)林措施，增強(qiáng)其枯落物的持水特性，這對(duì)退化森林的恢復(fù)也具有積極的意義?？萋湮锍炙芰εc其儲(chǔ)量緊密相關(guān)，而林齡以及林分密度等均能影響到枯落物儲(chǔ)量的大小。此外，由于成土母巖的不同，林下植被也有所不同，進(jìn)而導(dǎo)致其枯落物持水特性的差異[27]。Chomel等[45]也表示，向森林枯落物中加入草本植物枯落物可以增加其持水能力。

氣候與森林是相互影響的。對(duì)于枯落物來說，當(dāng)代氣候甚至是氣候歷史都會(huì)影響分解者及其群落的特征，進(jìn)而影響枯落物的分解程度。這一點(diǎn)在Strickland等[46]的研究中得到了證實(shí)。Li等[47]通過對(duì)冰雪災(zāi)害后林冠各部分碎屑的研究發(fā)現(xiàn)，枯落物的持水能力也是比直接被冰雪砸落尚未分解的殘枝莖干要好，這也印證了持水特性與分解程度呈正相關(guān)的觀點(diǎn)。大量文獻(xiàn)表明，無論是針葉林、闊葉林，還是針闊混交林，甚至是不同林齡、不同林分密度以及不同成土母質(zhì)上的森林，均表現(xiàn)為半分解層枯落物的持水特性優(yōu)于未分解層枯落物[1-9，45]。

就已有的研究來看，關(guān)于枯落物持水特性的研究主要集中在未分解層和半分解層上，而對(duì)于完全分解層的研究較少，或是未將分解階段作為研究重點(diǎn)[48]，因此難以與其余分解層進(jìn)行對(duì)比研究。建議完善對(duì)完全分解層枯落物持水特性的研究。

除了文中提到的影響因素外，氣溫也與枯落物的分解息息相關(guān)。有研究表明，氣溫升高會(huì)增強(qiáng)枯落物中微生物的活性[39]，從而加快枯落物的分解，進(jìn)而影響到枯落物的持水特性。在全球變暖的大環(huán)境下，各地區(qū)氣溫均有上升，枯落物中微生物的分解速度也會(huì)隨之發(fā)生變化，這勢(shì)必會(huì)影響到其持水特性。然而，目前結(jié)合全球變暖問題對(duì)枯落物持水特性展開的研究較為少見，這也將是未來研究中探索的內(nèi)容。此外，森林所處地區(qū)的降水量、持續(xù)時(shí)間、郁閉度以及坡向坡位等因素也會(huì)對(duì)枯落物的持水特性造成影響[49-51]，但相關(guān)的研究整體而言數(shù)量較少。且目前的研究中，多將枯落物和土壤的持水特性分別討論，結(jié)合土壤理化性質(zhì)(土壤溫度、土壤濕度等)展開的枯落物持水特性研究幾乎為空白，以上影響因素也是未來研究中需要關(guān)注的重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外結(jié)合兩種及兩種以上因素對(duì)枯落物持水特性影響的研究較少，然而在Hui等[52]的研究中，已經(jīng)開展對(duì)坡向和林齡雙因素影響下枯落物持水特性的研究?？梢?，隨著單因素條件下森林枯落物持水特性變化規(guī)律的明晰，對(duì)于多因素共同作用的研究將會(huì)是未來森林枯落物持水特性研究的重點(diǎn)。