遼東山區紅松和落葉松人工林凋落物持水性能研究

陳光華

（國有清原滿族自治縣大孤家林場，遼寧 清原 113300）

森林凋落物是森林生態系統內植物在生長發育過程中新陳代謝的產物，由植物的器官產生并降落至地表面，也可稱作森林枯落物或有機碎屑[1]。凋落物是森林生態系統內分解者的物質和能量的主要來源，進而維持森林生態系統的功能。森林凋落物包括林內喬木和灌木的凋葉、凋枝、落皮及繁殖器官，以及林下凋死的草本植物，其中，以凋葉居多[2-5]。森林凋落物層是森林土壤的重要保護層[6]，對森林土壤的養分、水熱和水文過程有重要的影響[7]。由于凋落物層結構較為疏松，具有較強的透水性和持水性，因此，凋落物在森林降雨過程中起著緩沖和吸附的作用[8]。另外，森林生態系統每年通過凋落枝葉、樹皮等形式，將有機物和無機物質歸還給土壤中，這也是森林土壤養分增加的重要基礎和途徑[9-11]。

國外很早就對森林凋落物展開了相關研究，并且一直極為活躍[12-13]。20 世紀60 年代初，我國學者王鳳友[1]對世界范圍內的森林凋落物做了綜述性研究報道；近年來，國內學者對森林凋落物展開了較為全面的研究[14]。研究表明，在森林水源涵養研究方面，森林凋落物層是水文過程的主要作用層[15-16]。凋落物層的水源涵養功能是通過防止雨滴擊濺土壤表層，吸收和滲透林內降水[17]，滯緩林內地表徑流[18-19]，降低表層土壤的蒸發[20]和增加土壤水分入滲等來實現的[21]；另外，凋落物層還通過影響土壤動物和微生物群落來影響森林土壤的形成和結構，進而影響林木生長，最終對森林水源涵養產生間接影響[22]。

遼東山區的森林植被資源是遼寧省中部城市群和遼河平原的綠色屏障和重要水源基地[23-24]，其中包括大面積的紅松和落葉松人工林，起著重要的涵養水源作用。遼東山區處于渾河上游，其水源是供給沈陽、撫順等城市群工農業和生活用水的重要來源，占大伙房水庫入庫水量的52.7%。本論文通過對遼東山區紅松和落葉松人工林凋落物的持水性能進行定量分析，可為遼東山區人工林營建和樹種合理配置提供數據支持，并為該區域森林植被的合理經營和科學保護提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區設在遼東山區清原滿族自治縣南部的大蘇河國營林場，地形地貌以山地為主，海拔456～1 116 m。土壤為深棕色森林土，平均厚度30 cm 左右。氣候是溫帶大陸性氣候，年均氣溫3.9～5.4 ℃，1 月為最冷月，7 月為最熱月；極端最高氣溫36.5 ℃左右，極端最低氣溫約-37.6 ℃，≥10 ℃年活動積溫為2 497.5～2 943.0 ℃；全年無霜期約120 d，年均日照約2 433 h；年降水量為700～850 mm，降水主要在 6 月至8 月；森林的生長季為4 月至9 月[16]。植被為長白植物區系，闊葉紅松Pinus koraiensis林為地帶性植被。經過劇烈的人為干擾，研究區95%以上為次生林，剩余的為人工林。次生林以闊葉樹種為主，人工林以紅松和落葉松Larixspp. 為主。次生林的主要樹種組成包括蒙古櫟Quercus mongolica、色木槭Acer mono、檸筋槭A. triflorum、水曲柳Fraxinus mandshurica、花曲柳F. rhynchophylla、核桃楸Juglans mandshurica、黃波羅Phellodendron amurense、楓 樺Betula costata和 楊 樹Populusspp.等。

1.2 方 法

1.2.1 凋落物儲量調查

2020 年6 月，在落葉松人工林和紅松人工林（表1）各設置20 m×20 m 的標準樣地5 塊，在每塊樣地的四角及中心，“梅花狀”設置 5 個 20 cm×20 cm 小樣方，進行凋落物現存量的調查[25]。分別收集森林凋落物（凋葉、凋枝、落皮及繁殖器官和林下凋死的草本植物）的未分解層、分解層（把半分解層和已分解層合為一層），裝入自封袋中。將采集的樣品帶回室內，用JY10001 型號電子天平（精確到±0.1 g），稱其自然濕重（Wo，kg·m-2），然后放入烘箱中（85 ℃烘干 8 h）烘干后稱其干重（Wd，kg·m-2），統計各林型森林凋落物現存儲量，每種林型均5 次重復，共收集50 個樣品，結果取平均值。

表1 調查樣地的林分信息

1.2.2 凋落物持水量與持水率的測定

從野外采樣的凋落物采用室內浸水法[22]測定凋落物的持水量和持水率。將85 ℃烘干后的未分解和已分解的凋落物分別全部浸泡水中，然后測定其在 0.5 h、1 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10 h 和 24 h 的重量；持水量（WH，t·hm-2）為每次取出稱重所得的凋落物濕重與其干重差值，凋落物濕重與其干重的比值為持水率（WR，%）。經24 h 浸泡后的持水量和持水率為實際測量的最大持水量（WH-max，t·hm-2）和最大持水率（WR-max，%）。

采用Excel 進行統計分析，應用Sigmaplot 12.0作圖。

2 結果與分析

2.1 凋落物儲量

從表2 可以看出，紅松人工林的凋落物儲量顯著高于落葉松人工林（P＜0.05）。凋落物的未分解層所占比例較小，為26.72%～34.98%，分解層所占比例較大，為65.02%～73.28%（表2）。

表2 遼東山區不同林型森林凋落物的現存儲量

2.2 凋落物最大持水量與最大持水率

如表3 所示，落葉松人工林凋落物分解層和未分解層的最大持水量和最大持水率均高于紅松人工林。另外，凋落物分解層的最大持水量和最大持水率均明顯高于未分解層。未分解層的最大持水量為 6.59～13.68 t·hm-2，平均為 9.31 t·hm-2，最大持水率為411%～892%，平均為603%；分解層的最大持水量為 11.39～13.99 t·hm-2，平均為 11.56 t·hm-2，最大持水率為715%～888%，平均為736%。

表3 不同凋落物組成最大持水量和最大持水率

2.3 凋落物持水能力與時間的關系

凋落物浸水后前2 h，凋落物持水量隨時間呈線性增加趨勢；浸泡2 h 后，凋落物的持水量開始緩慢增長，變化率逐漸減??；浸泡10 h 后，凋落物持水量接近飽和，隨浸泡時間延長，凋落物持水量變化不大（圖1）。在不同時間段，落葉松人工林凋落物（包括未分解層和分解層）的持水量均高于紅松人工林。

圖1 凋落物持水量與浸泡時間的關系

凋落物持水量WH和浸泡時間t的關系遵循對數方程變化趨勢。經擬合滿足WH=K·ln（t）+P，式中K為方程系數，P 為方程常數項，相關系數（R2）均高于 0.95（P＜0.001）。

凋落物的持水率也可以反映凋落物的持水能力，凋落物的持水率越大，其持水能力就越強，即凋落物吸收的水分與干質量的比值就越大。在浸水后2 h 內，兩種林型凋落物的持水率隨著浸泡時間的增長而迅速增加，然后再緩慢增加，在浸泡10 h后，持水率達到最大（圖2）。在浸水的各時間段，落葉松人工林未分解層凋落物和總凋落物的持水率明顯高于紅松人工林。

圖2 凋落物持水率與浸泡時間的關系

凋落物持水率WR和浸泡時間t的關系呈對數方程的變化趨勢，用對數方程對不同浸泡時間的凋落物持水率進行擬合，二者相關系數（R2）大于0.95（P＜0.001）。

3 討 論

3.1 凋落物現存儲量

森林凋落物層水文生態功能的發揮，取決于它的數量和質量[26]。森林生態系統的樹種組成、樹木生長狀況、林內水熱條件這些因素將影響到凋落物的輸入量、分解速度，進而影響森林凋落物的現存量[15]。因此，不同的森林類型的凋落物現存量存在顯著差異。本研究中，紅松人工林的凋落物現存量顯著高于落葉松人工林。凋落物現存量以分解層現存量所占比例較大，其中，落葉松人工林分解層現存量占比最大，多達73%。這與高人等[22]在遼東山區的研究結果一致，針葉林的凋落物最多，且分解層占比最大。造成凋落物現存量差異的原因主要是不同林型的凋落物輸入量、分解速度和累積年限分解速率不同，而林分類型、凋落物構成又是人為可調控因子，因此可以通過調控林分類型和結構影響林分水源涵養功能。

3.2 森林凋落物持水性能

相關研究表明，森林凋落物層的最大持水量可達自身干重的2～8 倍。凋落物現存量是制約凋落物持水性能的最主要因素[27-28]。森林凋落物的水源涵養功能可以用持水量和持水率來表征。本研究表明，落葉松人工林凋落物的最大持水量和最大持水率均明顯高于紅松人工林；分解層凋落物的持水性能均高于未分解層。這與高明等[29]在東北地區的研究結果相一致，落葉松人工林持水量最高。凋落物的持水量和持水率隨浸泡時間的增加而增加，其關系遵循對數方程W=K·ln（t）+P。在浸水前 2 h內，凋落物持水量增長迅速，此后緩慢增長，直至凋落物持水達到飽和。以上結果表明，這兩個方程均可用來模擬凋落物持水量和持水率與時間的實際變化趨勢，可用來指示森林凋落物層對降雨的調節功能。

森林凋落物層作為森林植被對降雨再分配的第二個作用層，能在“蓄水”和“調節”兩個方面發揮較大作用[27]。因此，凋落物層是實現森林涵養水源功能的主要作用層。森林凋落物的現存量因林型、林齡和地點不同有顯著差異，為了充分發揮森林的涵養水源功能，在營林或森林經營過程中，應對林地凋落物的現存量予以足夠的重視，不但要保護好現有的凋落物層，而且也要因林型不同做好林分密度的調節，以利于森林凋落物的累積。