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森林是陆地生态系统的主体和蓄水库,具有保持水土、涵养水源的功能。我国森林水源涵养量约为7.43 × 1010 m3,占全国水源涵养总量的60%以上[1]。凋落物层作为森林涵养水源的第二功能层,不仅可以增加林地地表粗糙度、加快雨水下渗,还能减小降水对地表的溅蚀,降低水分蒸发[2-3]。据前人研究显示,凋落物能吸收相当于自身质量2~5倍的水分,拦蓄的降水超过林地径流量的60%[4-5],这对实现森林截留降水、降低雨水动能和减缓径流产生等水文功能具有重要作用[6]。另一方面,凋落物层还是连接森林植被与土壤的重要媒介,其中凋落物归还和分解过程可促进生态系统养分循环,改善土壤结构,进而增强土壤层涵养水源的能力[7-10]。因此,凋落物层的生态水文效应一直是研究的热点。目前,众多学者对不同区域、不同林分类型的凋落物蓄积量及水文功能进行了研究,如马书国等[11]认为,影响不同林龄杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook)人工林凋落物持水量的主要因素为凋落物现存量,且半分解层凋落物的现存量及最大持水量均大于未分解层;秦倩倩等[12]也发现云冷杉针阔混交林半分解层凋落物分解速度快,养分归还量大,持水性和水源涵养等生态功能较好。此外,李伟等[13]发现华南地区6种乡土树种凋落物储量和持水量均表现为米老排(Mytilaria laosensis Lec.) > 火力楠(Michelia macclurei Dandy.) > 樟树(Cinnamomum camphora (L.)Presl.) > 杉木 > 马尾松(Pinus massoniana Lamb.)。可见,由于林分类型、林龄和结构的不同,凋落物的水文效应也存在一定差异。因此,对区域性不同类型人工林凋落物持水特性进行针对性研究,不仅有助于揭示区域环境下其水文功能的差异,而且可为人工林结构优化和可持续经营提供重要参考。
湖南省会同县是我国杉木的中心产区之一,以往对该地区杉木人工林的研究多集中在碳储量[14]、土壤碳氮循环[15]、凋落物分解[16]等方面,而针对不同类型杉木人工林凋落物水文效应的研究较为少见[17]。本研究以湖南会同地区杉木纯林、杉木-樟树混交林、杉木-桤木(Alnus cremastogyne Burk.)混交林3种不同类型杉木人工林为研究对象,通过对其凋落物各分解层组成、储量及持水特性的比较研究,分析不同类型杉木人工林凋落物的生态水文效应和水源涵养功能的差异,为杉木人工林林下生态管理和生态系统服务评估提供科学依据。
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研究地点位于中国科学院会同森林生态实验站,为湖南省会同县广坪镇的林区(26°05′ N,109°30′ E),地处沅江上游,为云贵高原向江南丘陵过渡地段,海拔为300~600 m,属于典型的亚热带湿润季风气候,年均气温16.5℃,相对湿度30%~90%,年均降水量1200~1400 mm,多集中在4—6月,无霜期300 d左右,地貌为山地中丘陵,土壤类型以黄壤为主[18]。本研究选取的森林类型为1989年秋皆伐后1990年建立的杉木纯林、杉木-樟树混交林和杉木-桤木混交林,杉木与阔叶树的混交比为4:1,造林后各林分管理措施一致,乔木层主要树种为杉木、樟树、桤木;林下灌木层以杜茎山(Maesa japonica (Thunb.)Moritzi.)、火力楠、紫麻(Oreocnide frutescens(Thunb.)Miq.)、木荷(Schima superba Gardn. et Champ.)等为主,林下草本层主要有狗脊蕨(Woodwardia japonica(L.f.) Sm.)、金星蕨(Parathelypteris glanduligera(Kunze.)Ching.)和芒尖苔草(Carex doniana Spreng.)、淡竹叶(Lophatherum gracile Brongn.)等。各研究样地基本概况如表1所示。
表 1 不同林分类型杉木人工林样地基本概况
Table 1. Basic characteristics of different plantations
林分类型
Forest type海拔
Altitude/m密度
Density/
(stem·hm−2)坡向
Exposure林龄
Age/a平均胸径
Mean DBH/cm平均树高
Average tree height/m主要植物组成
Main plant species杉木纯林 PC 553.1 860~990 SW 29 23.38 16.71 乔木层:杉木
灌木层:杜茎山,绿叶爬山虎,火力楠
草本层:狗脊蕨,菝葜,芒尖苔草,等杉木-樟树混交林 MCC 484.5 850~985 SW 29 24.35 17.70 乔木层:杉木,樟树
灌木层:杜茎山,绿叶爬山虎,紫麻
草本层:狗脊蕨,金星蕨,淡竹叶,等杉木-桤木混交林 MCA 493.8 850~980 SW 29 23.38 18.28 乔木层:杉木,桤木
灌木层:杜茎山,绿叶爬山虎,木荷
草本层:狗脊蕨,金星蕨,粉叶菝葜,等 -
由表2可知,凋落物总现存量表现为杉木-桤木混交林 > 杉木-樟树混交林 > 杉木纯林,混交林凋落物现存量显著高于纯林(P < 0.05)。各分解层凋落物现存量在不同林分类型间存在一定差异,其中杉木-樟树混交林和杉木-桤木混交林未分解层凋落物现存量显著高于杉木纯林(P < 0.05);半分解层凋落物现存量在不同林分类型间差异不显著。不同林分类型杉木凋落物未分解层和半分解层占总现存量的比例各不相同,其中杉木-樟树混交林未分解层占总现存量的比例最高,为49.46%,杉木纯林半分解层占总现存量的比例最高,为62.34%,且所有林分类型中半分解层占总现存量的比例均高于未分解层。
表 2 不同林分类型杉木人工林凋落物特征及现存量
Table 2. Litter characteristics and accumulation of different plantations
林分类型
Forest type总现存量
Total accumulation/
(t·hm−2)未分解层
Undecomposed layer半分解层
Half-decomposed layer现存量
Accumulation/(t·hm−2)占总现存量比例
Ratio/%现存量
Accumulation /(t·hm−2)占总现存量比例
Ratio/%杉木纯林 PC 7.94 ± 0.22 b 2.99 ± 0.46 b 37.65 4.95 ± 0.27 a 62.35 杉木-樟树混交 MCC 8.83 ± 0.17 a 4.37 ± 0.83 ab 49.49 4.46 ± 0.75 a 50.51 杉木-桤木混交 MCA 8.88 ± 0.53 a 4.11 ± 0.55 a 46.28 4.77 ± 1.00 a 53.72 注:同列不同小写字母表示不同林分类型间差异显著(P < 0.05).
Note: Different small letters in the same column meant significant difference at 0.05 level among different stand types. -
凋落物持水量与浸水时间的变化如图1所示,在浸水0~4 h内凋落物的持水量迅速增加,尤其是在前0.5 h内吸水量迅速增加,在4~10 h内凋落物持水量增加速率减缓,并逐渐趋于饱和,浸水4 h后,3个林分凋落物的持水量已达1406.00~2080.67 g·kg−1,为最大持水量的75.95%~84.33%,其中不同浸水时间未分解层凋落物持水量均表现为杉木-桤木混交林 > 杉木-樟树混交林 > 杉木纯林,半分解层则表现为杉木-樟树混交林 > 杉木-桤木混交林 > 杉木纯林。将不同林分类型杉木人工林各分解层凋落物持水量与浸水时间进行拟合发现,凋落物持水量随时间的动态变化符合自然对数方程Q = a
$ \mathrm{l}\mathrm{n} $ t + b,式中:Q为凋落物持水量(g·kg−1);t为凋落物浸水时间(h);a表示方程系数;b表示方程常数项,同时与实际结果进行比较,发现各分解层持水量的拟合度参数(R2)均大于0.90,各分解层拟合的实际结果如表3所示。图 1 不同类型人工林凋落物持水量与浸水时间的关系
Figure 1. Relationship between water-holdingcapacity and immersion time of litters in different plantations
表 3 凋落物持水量与浸水时间的拟合方程
Table 3. Simulated equation between water holding capacity of litter (Q) and immersion time (t)
林分类型 Forest type 未分解层 Undecomposed layer 半分解层 Half-decomposed layer 方程 R2 方程 R2 杉木纯林 PC Q = 185.30lnt + 1241.4 0.928 0 Q = 192.74lnt + 1 369.8 0.969 7 杉木-樟树混交林 MCC Q = 162.25lnt + 1 504.6 0.942 3 Q = 211.62lnt + 1 854.5 0.965 0 杉木-桤木混交林 MCA Q = 193.45lnt + 1 623.0 0.963 3 Q = 204.90lnt + 1 552.3 0.994 4 -
由图2分析可知,杉木人工林凋落物吸水速率随浸水时间的延长而降低,其吸水速率在0~4 h内最大,4~10 h之间逐渐减缓,24 h基本趋于饱和。通过对不同林分类型杉木人工林各分解层凋落物吸水速率(V)与浸水时间(t)进行拟合发现,凋落物吸水速率随时间的动态变化符合幂函数方程V = ktn,式中:V为枯落物吸水速率,t为浸泡时间,k为方程系数,n为指数,并与实测值进行比较,发现不同林分类型杉木凋落物未分解层和半分解层持水速率的拟合度参数(R2)均大于0.99(表4),说明V、t两者之间存在较好的相关性(表4)。
图 2 不同类型人工林凋落物吸水速率与浸水时间的关系
Figure 2. Relationship between water-absorption rate and immersion time in different plantations
表 4 凋落物吸水速率与浸水时间的拟合方程
Table 4. Simulated equation between water-absorption rate of litter (V) and immersion time (t)
林分类型 Forest type 未分解层 Undecomposed layer 半分解层 Half-decomposed layer 方程 R2 方程 R2 杉木纯林 PC V = 1230.1t-0.862 0.9985 V = 1358.0t-0.876 0.9994 杉木-樟树混交林 MCC V = 1498.7t-0.903 0.9995 V = 1826.1t-0.901 0.9990 杉木-桤木混交林 MCA V = 1608.7t-0.891 0.9994 V = 1534.5t-0.880 0.9996 -
通过分析图3(A)可知,不同林分类型杉木人工林未分解层最大持水率变化范围为183.50%~239.50%,其中杉木-桤木混交林显著高于杉木纯林(P < 0.05);半分解层持水率最大持水率变化范围为207.40%~256.03%,杉木-樟树混交林显著高于杉木纯林(P < 0.05)。由图3(B)可知,不同林分类型杉木人工林总最大持水量依次为:杉木-樟树混交林 > 杉木-桤木混交林 > 杉木纯林,其中杉木-樟树混交林、杉木-桤木混交林的最大持水量显著高于杉木纯林(P < 0.05),分别为杉木纯林的1.30倍和1.29倍;未分解层中,杉木-樟树混交林和杉木-桤木混交林的最大持水量均在8.00 t·hm−2以上,显著高于杉木纯林的5.54 t·hm−2(P < 0.05);半分解层中,最大持水量依次为:杉木-樟树混交林(11.00 t·hm−2) > 杉木-桤木混交林(10.39 t·hm−2) > 杉木纯林(9.82 t·hm−2),但3个不同林分类型杉木人工林间的差异不显著。
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由图4(A)可知,不同林分类型杉木人工林凋落物有效拦蓄量不同,未分解层最大拦蓄率变化范围为152.33%~229.55%,其中杉木-樟树混交林、杉木-桤木混交林的最大拦蓄率显著高于杉木纯林(P < 0.05);半分解层最大拦蓄率变化范围为164.82%~228.00%,但不同林分类型杉木人工林间差异不显著。杉木凋落物总最大拦蓄量依次为:杉木-桤木混交林 > 杉木-樟树混交林 > 杉木纯林,而且针阔混交林显著高于针叶纯林(P < 0.05;图4(B))。未分解层最大拦蓄量变化范围为4.52~8.66 t·hm−2,杉木-桤木混交林和杉木-樟树混交林显著高于杉木纯林(P < 0.05);半分解层最大拦蓄量变化范围为8.10~9.47 t·hm−2,不同林分类型杉木人工林间差异不显著。
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有效拦蓄量和有效拦蓄率可反映凋落物的实际拦蓄能力,评估凋落物的持水特性[22]。通过分析图5可知,杉木凋落物未分解层有效拦蓄率依次为:杉木-桤木混交林 > 杉木-樟树混交林 > 杉木纯林,针阔混交林显著高于杉木纯林(P < 0.05);半分解层有效拦蓄率依次为:杉木-樟树混交林 > 杉木-桤木混交林 > 杉木纯林,且不同林分类型杉木人工林间差异不显著。杉木凋落物总有效拦蓄量变化范围为10.26~14.75 t·hm−2,杉木-樟树混交林、杉木-桤木混交林显著高于杉木纯林(P < 0.05)。未分解层中杉木-桤木混交林、杉木-樟树混交林的有效拦蓄量分别为7.18、6.99 t·hm−2,显著高于杉木纯林(3.70 t·hm−2);半分解层中有效拦蓄量依次为:杉木-樟树混交林 > 杉木-桤木混交林 > 杉木纯林,但不同林分类型杉木人工林间差异不显著。
湖南会同不同林分类型杉木人工林凋落物水文效应
Hydrological Effects of Litters in Different Types of Cunninghamia lanceolata Plantations in Huitong of Hunan, China
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摘要:
目的 以我国亚热带不同林分类型杉木人工林为研究对象,分析比较其凋落物层生态水文效应的差异,为杉木人工林林下生态管理和生态系统服务评估提供科学依据。 方法 采用野外调查和室内浸提试验相结合的方法,对湖南会同3种不同类型杉木人工林(杉木纯林、杉木-樟树混交林、杉木-桤木混交林)的各分解层凋落物储量、吸持水特性以及有效拦蓄能力进行测定分析。 结果 (1)不同林分类型杉木人工林凋落物现存量在7.94~8.88 t·hm−2,杉木-桤木混交林 > 杉木-樟树混交林 > 杉木纯林,半分解层现存量占总现存量的比例高于未分解层;(2)杉木人工林凋落物在浸水0~4 h内吸水速率增加较快,4~10 h内持水量增加速率减缓,并逐渐趋于饱和;最大持水率和最大持水量表现为半分解层大于未分解层,针阔混交林各分解层凋落物最大持水率和最大持水量高于杉木纯林;(3)3种类型杉木人工林最大拦蓄率变化范围为152.33%~229.55%,最大拦蓄量和有效拦蓄量分别在12.62~17.94 t·hm−2和10.26~14.75 t·hm−2,且均为杉木-樟树混交林和杉木-桤木混交林显著高于杉木纯林(P < 0.05)。 结论 湖南会同不同林分类型杉木人工林的水文效应存在一定差异,杉木-樟树混交林和杉木-桤木混交林的水文功能优于杉木纯林,建议今后该地区杉木人工林经营管理和植被恢复中优先考虑杉木与阔叶树种混交的模式。 Abstract:Objective To evaluate the impact of litter on hydrology in different types of Cunninghamia lanceolata plantations, and provide references for the management of understory and the assessment of ecosystem services. Method Based on field investigation and immersion experiments, the authors examined the storage capacity, water retention characteristics, and effective interception capacity of the litters collected from pure Cunninghamia lanceolata forest (PC), mixed forest of Cunninghamia lanceolata and Cinnamomum camphora (MCC) and mixed forest of Cunninghamia lanceolata and Alnus cremastogyne (MCA) in subtropical China. Result (1) The litter storage of different types of Cunninghamia lanceolata plantation varied from 7.94 to 8.88 t·hm−2, with an order of MCC > MCA > PC, and the proportion of semi-decomposed litters was greater than that of undecomposed litters. (2) The water-absorption rate of litter in various plantations increased rapidly within the initial 4 hours of immersion, followed by a slower increase at 4−10 hours of immersion, and finally saturated. Compared with semi-decomposed litter, the undecomposed litter had a higher maximum water-holding capacity and maximum water-holding capacity. Both semi-decomposed and undecomposed litters in mixed plantations exhibited higher maximum water-holding rate and maximum water holding capacity than that in pure Cunninghamia lanceolata plantation. (3) The maximum interception rate of the three types of plantation ranged from 152.33% to 229.55%. The maximum and effective interception capacity were 12.62−17.94 t·hm−2 and 10.26−14.75 t·hm−2, respectively, exhibiting higher in both MCC and MCA than in PC (P < 0.05). Conclusion The hydrological effect of litters varies among different types of Cunninghamia lanceolata plantation in Huitong, while the hydrological characteristics of mixed forests of Cunninghamia lanceolata with broad-leaved species are significantly better than that of pure Cunninghamia lanceolata plantation. Therefore, mixed stand of Cunninghamia lanceolata with broad-leaved species should be recommended in forest management and vegetation restoration. -
表 1 不同林分类型杉木人工林样地基本概况
Table 1. Basic characteristics of different plantations
林分类型
Forest type海拔
Altitude/m密度
Density/
(stem·hm−2)坡向
Exposure林龄
Age/a平均胸径
Mean DBH/cm平均树高
Average tree height/m主要植物组成
Main plant species杉木纯林 PC 553.1 860~990 SW 29 23.38 16.71 乔木层:杉木
灌木层:杜茎山,绿叶爬山虎,火力楠
草本层:狗脊蕨,菝葜,芒尖苔草,等杉木-樟树混交林 MCC 484.5 850~985 SW 29 24.35 17.70 乔木层:杉木,樟树
灌木层:杜茎山,绿叶爬山虎,紫麻
草本层:狗脊蕨,金星蕨,淡竹叶,等杉木-桤木混交林 MCA 493.8 850~980 SW 29 23.38 18.28 乔木层:杉木,桤木
灌木层:杜茎山,绿叶爬山虎,木荷
草本层:狗脊蕨,金星蕨,粉叶菝葜,等表 2 不同林分类型杉木人工林凋落物特征及现存量
Table 2. Litter characteristics and accumulation of different plantations
林分类型
Forest type总现存量
Total accumulation/
(t·hm−2)未分解层
Undecomposed layer半分解层
Half-decomposed layer现存量
Accumulation/(t·hm−2)占总现存量比例
Ratio/%现存量
Accumulation /(t·hm−2)占总现存量比例
Ratio/%杉木纯林 PC 7.94 ± 0.22 b 2.99 ± 0.46 b 37.65 4.95 ± 0.27 a 62.35 杉木-樟树混交 MCC 8.83 ± 0.17 a 4.37 ± 0.83 ab 49.49 4.46 ± 0.75 a 50.51 杉木-桤木混交 MCA 8.88 ± 0.53 a 4.11 ± 0.55 a 46.28 4.77 ± 1.00 a 53.72 注:同列不同小写字母表示不同林分类型间差异显著(P < 0.05).
Note: Different small letters in the same column meant significant difference at 0.05 level among different stand types.表 3 凋落物持水量与浸水时间的拟合方程
Table 3. Simulated equation between water holding capacity of litter (Q) and immersion time (t)
林分类型 Forest type 未分解层 Undecomposed layer 半分解层 Half-decomposed layer 方程 R2 方程 R2 杉木纯林 PC Q = 185.30lnt + 1241.4 0.928 0 Q = 192.74lnt + 1 369.8 0.969 7 杉木-樟树混交林 MCC Q = 162.25lnt + 1 504.6 0.942 3 Q = 211.62lnt + 1 854.5 0.965 0 杉木-桤木混交林 MCA Q = 193.45lnt + 1 623.0 0.963 3 Q = 204.90lnt + 1 552.3 0.994 4 表 4 凋落物吸水速率与浸水时间的拟合方程
Table 4. Simulated equation between water-absorption rate of litter (V) and immersion time (t)
林分类型 Forest type 未分解层 Undecomposed layer 半分解层 Half-decomposed layer 方程 R2 方程 R2 杉木纯林 PC V = 1230.1t-0.862 0.9985 V = 1358.0t-0.876 0.9994 杉木-樟树混交林 MCC V = 1498.7t-0.903 0.9995 V = 1826.1t-0.901 0.9990 杉木-桤木混交林 MCA V = 1608.7t-0.891 0.9994 V = 1534.5t-0.880 0.9996 -
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