赤水河上游主要樹種枯落物調(diào)蓄水分效應(yīng)

喻陽華，李光容，嚴(yán)令斌，喻理飛，黃宗勝

(貴州大學(xué)林學(xué)院，550025，貴陽)

赤水河上游主要樹種枯落物調(diào)蓄水分效應(yīng)

喻陽華，李光容，嚴(yán)令斌，喻理飛?，黃宗勝

(貴州大學(xué)林學(xué)院，550025，貴陽)

以赤水河上游27種地帶性及鄉(xiāng)土樹種為對象，從持水和失水2方面研究枯落物調(diào)蓄水分效應(yīng)。結(jié)果表明：1)枯落物現(xiàn)存量為0.15～4.50 t/hm2，自然含水率為10.23%～137.66%，最大持水速率為3 122.83～9 555.80 g/(kg·h)，飽和持水深為0.04～1.70 mm，有效攔蓄深為0.02～1.27 mm，最大失水速率為209.52～2 423.21 g/(kg·h)，失水24 h的含水率為85.02%～256.18%，最大失水深為0.01～0.43 mm；2)所有枯落物持水速率和失水速率均表現(xiàn)出前期大于后期、初期下降更快、后期趨于平緩的特征；3)影響枯落物調(diào)蓄水分效應(yīng)的因素主要有現(xiàn)存量、飽和持水深、有效攔蓄深、最大失水深、葉生活期和葉質(zhì)地；4)按照持水、失水特征和葉片特征可劃分為3類功能群，葉生活期可作為枯落物調(diào)蓄水分能力的評定指標(biāo)。

枯落物； 持水； 失水； 功能群； 赤水河上游

枯落物層作為森林生態(tài)系統(tǒng)獨特的層次結(jié)構(gòu)，水文生態(tài)效應(yīng)顯著[1]，具有截持降水、貯水保土、調(diào)蓄水分、減少侵蝕、削弱地表徑流、抑制土壤蒸發(fā)等重要水文生態(tài)功能[2-3]。枯落物蓄水容量決定了枯落物對降水的截留量。很多學(xué)者開展了枯落物現(xiàn)存量、持水量、持水速率等方面的研究[4-5]，并擬合了枯落物持水量、持水速率與時間的數(shù)學(xué)關(guān)系[6]；但在枯落物對水分的調(diào)蓄作用、持水和失水關(guān)系、不同樹種枯落物持水能力的等級評價以及赤水河上游不同樹種枯落物水文生態(tài)功能等方面缺乏系統(tǒng)的研究，因而結(jié)合枯落物的失水特性研究其調(diào)蓄水分能力尤為必要，且對水源涵養(yǎng)林樹種的選擇、配置和布局具有理論與實踐意義。筆者選取赤水河上游具有代表性的27個樹種枯落物為研究對象，通過測定各枯落物水文生態(tài)功能指標(biāo)，劃分枯落物調(diào)蓄水分功能群，以期揭示不同樹種枯落物調(diào)蓄水分的能力，更好地發(fā)揮樹種枯落物的水文效應(yīng)，為造林樹種選擇與持水功能群配置提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)支撐，并考察枯落物失水過程及物種生活期是否可以表征枯落物水文生態(tài)功能。

1 研究區(qū)概況

赤水河流域是長江中上游保持原生態(tài)狀況的河流，國酒茅臺主產(chǎn)區(qū)位于中下游，中上游區(qū)是水源涵養(yǎng)區(qū)，植被優(yōu)劣影響下游河流生態(tài)系統(tǒng)。茅臺水源功能區(qū)包括茅臺重要水源區(qū)、國酒特殊水源保護(hù)區(qū)和國酒特殊經(jīng)濟區(qū)3個生態(tài)功能區(qū)(E105°21′32″ ～ 106°15′00″，N27°39′48″ ～ 28°05′38″)，面積4 512.96 km2，行政區(qū)劃上轄七星關(guān)區(qū)、大方縣、金沙縣和仁懷市[7]。本研究在該區(qū)內(nèi)的茅臺鎮(zhèn)、魯班鎮(zhèn)(E106°18′32″～106°19′19″，N27°47′01″ ～ 27°48′19″)進(jìn)行，研究區(qū)屬仁懷市，為亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，多年平均氣溫15 ℃，≥10 ℃的年積溫5 000～5 500 ℃，年日照時間1 400 h，無霜期約340 d，年均降水量>1 000 mm，土壤類型有石灰土、黃壤、紫色土等[8]。區(qū)域植被曾遭人為大面積砍伐，現(xiàn)存主要植被為暖性針葉林和常綠落葉闊葉林，絲栗栲林(ASS.Castanopsisfargesii)為演替頂極群落。

2 研究方法

1)研究對象。根據(jù)前人[9]研究成果，確定研究區(qū)的鄉(xiāng)土樹種與地帶性植物，結(jié)合實際調(diào)查，在鄉(xiāng)土樹種與地帶性植物中選取楊樹(Populustrinervis)、鹽膚木(Rhuschinensis)、楊梅(Myricaceaerubra)、絲栗栲(Castanopsisfargesii)、黃連木(Pistaciachinensis)、枇杷(Eriobotryabengalensis)、杉木(Cunninghamialanceolata)、南天竹(Nandinadomestica)、構(gòu)樹(Broussonetiapapyifera)、金佛山莢蒾(Viburnumchinshanense)、李(Prunusnalicina)、油茶(Camelliaoleifera)、撐綠竹(Bambusapervariabilis)、茶(Camelliasinensis)、楓香(Liquidambaformosana)、泡桐(Paulowniafortunei)、白櫟(Quercusaliena)、柏木(Cupressusfunebris)、梧桐(Platanusacerifolia)、馬尾松(Pinusmassoniana)、檵木(Loropetalumchinense)、火棘(Pyracanthafortuneana)、烏桕(Sapiumsebiferum)、海通(Clerodendrummandarinorum)、山胡椒(Linderaglauca)、慈竹(Neosinocalamusaffinis)、馬桑(Coriarianepalensis)共27個樹種作為研究對象，均以成年樹為標(biāo)準(zhǔn)收集枯落物。

2)枯落物收集與處理。于2013年11月8—10日，每個樹種選取3個小樣方，用自制的1 m×1 m取樣框進(jìn)行枯落物現(xiàn)存量收集，取樣時正方形取樣框水平放置。將未分解層和分解層混合收集，裝入塑料袋中，現(xiàn)場稱鮮質(zhì)量后帶回實驗室，于干燥箱中80 ℃烘干至恒質(zhì)量。

3)枯落物持水與失水性能測定。在室溫下，取25 g烘干樣品原狀放入預(yù)先烘干、稱量、標(biāo)記的40目尼龍網(wǎng)袋中，稱取尼龍網(wǎng)袋與枯落物的總質(zhì)量后(枯落物質(zhì)量用減量法計算)，放入盛有清水的容器中完全浸水，水面略高于尼龍網(wǎng)袋上沿，分別于0.25、0.5、1、2、4、8、12和24 h將枯落物連同尼龍網(wǎng)袋一同取出，懸置滴凈重力水，迅速稱量枯落物的濕質(zhì)量并記數(shù)。持水24 h的枯落物取出后，與尼龍網(wǎng)袋一同懸掛使其自然失水，分別于0.25、0.5、1、2、4、8、12和24 h稱取尼龍網(wǎng)袋與枯落物的總質(zhì)量，重復(fù)3～5次。以持水24 h為飽和持水，以失水24 h為最大失水，最大持水速率、最大失水速率以0.25 h計?？萋湮锖?、現(xiàn)存量、持水量、持水速率和有效攔蓄深的計算見文獻(xiàn)[4]；失水速率、最大失水深的計算公式為：

vl=m0/t,
h24=(M24-m24)G/10m。

式中：vl為失水速率，g/(kg·h)；m0為一定時間內(nèi)1 kg枯落物的失水質(zhì)量，g/kg；t為時間，h；h24為最大失水深，mm；M24為飽和持水質(zhì)量，g；m24為最大失水質(zhì)量，g；G為枯落物現(xiàn)存量，t/hm2；m為干質(zhì)量，g。

4)功能群劃分指標(biāo)選定及依據(jù)。選擇現(xiàn)存量、自然含水率、最大持水速率、飽和持水深、有效攔蓄深、最大失水速率、失水24 h后的含水率、最大失水深、持水曲線常數(shù)項、持水曲線指數(shù)項、失水曲線常數(shù)項和失水曲線指數(shù)項、葉質(zhì)地和葉生活期共14個表征枯落物持水特征的因子劃分功能群。葉片特征以中齡樹樹冠上的成熟健康葉片為準(zhǔn)，指標(biāo)轉(zhuǎn)換成定量指標(biāo)，采用等級制(質(zhì)地：革質(zhì)為1，紙質(zhì)為2；生活期：常綠為1，落葉為2)，以各等級數(shù)據(jù)作為功能群劃分依據(jù)。葉生活期和質(zhì)地均能反映生境中水分等因子的綜合效應(yīng)。

5)數(shù)據(jù)處理。平均值的計算采用算術(shù)平均法，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理采用歸一化方法，均由Excel2003完成；排序是持水功能群劃分最重要的數(shù)量分析方法之一，在判斷排序軸梯度長度的基礎(chǔ)上，采用冗余分析(Redundancy analysis, RDA)進(jìn)行排序，采用Canoco for Windows 4.5軟件完成；枯落物持水速率及失水速率與時間的關(guān)系采用冪函數(shù)模型進(jìn)行回歸分析，顯著性水平設(shè)定為α=0.01，采用SPSS20.0軟件完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 樹種枯落物持水與失水基本特征

表1是赤水河上游主要樹種枯落物持水與失水基本特征。可以看出：現(xiàn)存量為0.15～4.50 t/hm2，飽和持水率為150%～400%，自然含水率為10.23%～137.66%，最大持水速率為3 122.83～9 555.80 g/(kg·h)，飽和持水深為0.04～1.70 mm，有效攔蓄深為0.02～1.27 mm，最大失水速率為209.52～2 423.21 g/(kg·h)，失水24 h的含水率為85.02%～256.18%，最大失水深為0.01～0.43 mm。總體來看，赤水河上游枯落物現(xiàn)存量及持水能力均不高。

表1 樹種枯落物持水及失水基本特征

枯落物現(xiàn)存量低的原因首先是該區(qū)存在大量次生植被、人為干擾嚴(yán)重；其次是在收集枯落物時，單位面積內(nèi)混有其他樹種枯落物，而本研究僅收集采樣框內(nèi)的特定樹種枯落物，且分解層無法辨識，未能收集。持水能力較低的原因可能是采樣季節(jié)內(nèi)未分解枯落物數(shù)量較多，破碎枯落物少，表面積小，持水率低。

3.2 樹種枯落物持水與失水動態(tài)特征

表2顯示了不同樹種枯落物持水速率及失水速率與時間的關(guān)系?？芍嚎萋湮镎{(diào)蓄水分效應(yīng)包括持水快失水快(構(gòu)樹、慈竹、馬桑、馬尾松、山胡椒、杉木、絲栗栲和烏桕)、持水快失水中等(楊梅、楊樹、油茶、楓香、海通、黃連木、金佛山莢蒾、李、南天竹、泡桐、枇杷和梧桐)和持水快失水慢(白櫟、柏木、茶、撐綠竹、火棘、檵木和鹽膚木)3種類型?？傮w來看，持水速率及失水速率與時間的回歸分析擬合結(jié)果為冪函數(shù)模型(v=atb，式中v為持水速率或失水速率，g/(kg·h)；t為時間，h；a、b為常數(shù))，均表現(xiàn)為持水快失水慢、初期快后期慢的特征。

表2 不同樹種枯落物持水速率、失水速率與時間的關(guān)系

注:**為P<0.01；Vh為持水速率，g/(kg·h);Vl為失水速率，g/(kg·h);t為時間，h。Notes: ** stands for significance atP<0.01.Vhis the water holding speed (g/(kg·h)).Vlis the water loss speed (g/(kg·h)).tis the time(h).

初期持水量較高的原因：第一，枯落物從風(fēng)干狀態(tài)浸水后死細(xì)胞間或枝葉表面的水勢較低；第二，枯落物中分解和半分解的碎屑致使表面積和持水率增大[10]。初期持水速率較高的原因可能是枯落物阻滯了降水達(dá)到地面后的水平移動，降低了雨水擊濺地面的沖力，延緩了地表徑流的發(fā)生，且有充足的儲水空間吸持水分。隨著浸水時間的延長，枯落物持水速率放緩，原因為持水量逼近飽和狀態(tài)[11]。初期失水速率較高的原因可能是可供釋放的水量較多，伴隨著可供釋放水量的減少而降低。

3.3 影響樹種枯落物調(diào)蓄水分效應(yīng)的因素

圖1是樹種枯落物調(diào)蓄水分能力的RDA排序?？梢姡F(xiàn)存量、飽和持水深、有效攔蓄深、最大失水深、葉生活期和葉質(zhì)地是影響枯落物調(diào)蓄水分能力的主要因素，最大持水速率、最大失水速率、失水24 h的含水率、持水曲線常數(shù)項、失水曲線常數(shù)項、失水曲線指數(shù)項的影響次之，自然含水率、持水曲線指數(shù)項的影響最小。其中，葉生活期與枯落物自然含水率、最大持水速率、最大失水速率的相關(guān)系數(shù)分別為-0.26、0.44和0.37，相關(guān)性較強；最大失水深與有效攔蓄深對水分調(diào)蓄能力的影響一致，表明枯落物調(diào)蓄水分功能應(yīng)包括持水和失水2方面的特征，持水是潛在蓄水能力[12]，失水是潛在調(diào)控能力。

上述主要因素影響枯落物調(diào)蓄水分效應(yīng)的原因是：枯落物現(xiàn)存量決定了持水、貯水有效空間的大??；持水性能指標(biāo)表征了枯落物吸持水分的快慢程度，進(jìn)而影響蓄水的速率和數(shù)量；葉生活期是樹種對水分因子變化主動適應(yīng)的結(jié)果，相互搭配則表現(xiàn)為不同的群落結(jié)構(gòu)動態(tài)和生境特征，這解釋了不同枯落物之間持水能力的差異。

G為現(xiàn)存量，t/hm2；W為自然含水率，%；V24為最大持水速率,g/(kg·h)；H24為飽和持水深，mm；D為有效攔蓄深，mm；v24為最大失水速率，g/(kg·h)；W24為失水24 h后的含水率，%；h24為最大失水深，mm；C1為持水曲線常數(shù)項；C2為持水曲線指數(shù)項；S1為失水曲線常數(shù)項；S2為失水曲線指數(shù)項；T為葉質(zhì)地；L為葉生活期。G means litter amount(t/hm2). W means natural moisture content(%). v24 means maximum water holding speed(g/(kg·h)). H24 means maximum water holding depth(mm). D means effective water interception depth(mm). v24 means maximum water loss speed(g/(kg·h)). W24 means moisture content after loss 24 hours(%). h24 means maximum water loss depth(mm). C1 means constant of water holding curves. C2 means exponential of water holding curves. S1 means constant of water loss curves. S2 means Exponential of water loss curves. T means leaf texture. L means leaf life phase.圖1 27個樹種調(diào)蓄水分能力的RDA排序Fig.1 RDA ranking for the water storage ability of 27 tree species

圖中數(shù)字為樹種的編號。The figures stand for the No. of tree species. 圖2 不同樹種枯落物調(diào)蓄水分功能群劃分Fig.2 Division of functional groups of tree species in water storage

3.4 不同樹種枯落物調(diào)蓄水分功能群的劃分

圖2為枯落物調(diào)蓄水分功能群的劃分。可見：27個樹種可劃分為3類調(diào)蓄水分功能群。第1組功能群為楊梅、杉木、絲栗栲、枇杷、南天竹、油茶、火棘、檵木，均為常綠樹種；第2組功能群為鹽膚木、楊樹、黃連木、構(gòu)樹、金佛山莢蒾、李、楓香、泡桐、白櫟、梧桐、烏桕、海通、山胡椒、馬桑，較多為落葉樹種；第3組功能群為撐綠竹、茶、柏木、馬尾松、慈竹，其調(diào)蓄水分能力在3類功能群中相對較強，該劃分結(jié)果對基于功能群尺度的物種選擇與配置提供了理論參考。

不同樹種枯落物調(diào)蓄水分能力差異的原因可能是受到樹種遺傳因素所決定，也可能是受到枯落物本身特征諸如現(xiàn)存量、分解程度和持水性能等因素的影響，還可能是受到林分發(fā)育、林分結(jié)構(gòu)和人為活動等制約[13-14]。

4 結(jié)論與討論

1)赤水河上游主要樹種枯落物現(xiàn)存量和持水能力偏低，調(diào)蓄水分效應(yīng)總體表現(xiàn)為持水快、失水慢的特征。27種枯落物持水過程與失水過程的規(guī)律一致，經(jīng)擬合分析，符合冪函數(shù)模型。

2)影響赤水河上游主要樹種枯落物調(diào)蓄水分效應(yīng)的因子主要有現(xiàn)存量、飽和持水深、有效攔蓄深、最大失水深、葉生活期和葉質(zhì)地，其中葉生活期作為枯落物調(diào)蓄水分效應(yīng)的評價指標(biāo)具有合理性。

3)冗余分析赤水河上游27種樹種枯落物調(diào)蓄水分效應(yīng)的結(jié)果表明，可劃分為3組功能群，其結(jié)果可作為該區(qū)水源涵養(yǎng)林樹種選擇與配置的依據(jù)之一，能夠輔助實現(xiàn)枯落物發(fā)揮最佳水文生態(tài)功能。

由物種尺度上推到功能群尺度的研究，實質(zhì)是把大數(shù)據(jù)樣本按類似或相似功能進(jìn)行集群的簡化方法，能夠有效預(yù)測和管理枯落物水文生態(tài)功能。不同功能特性指示生態(tài)策略的不同角度內(nèi)容，具有相關(guān)性和獨立性[15]，本文采用功能特性因子和葉片性狀因子進(jìn)行功能群劃分，更有助于了解枯落物水文生態(tài)功能的差異性。功能群劃分結(jié)果與實測趨勢相吻合，說明具有可行性和適用性。為深入分析枯落物的水文生態(tài)效應(yīng)，還需加強如下方面的研究：1)進(jìn)一步探討不同分解程度枯落物與其調(diào)蓄水分效應(yīng)的關(guān)系，建立分解階段與水文功能的數(shù)學(xué)模型和截留降雨的數(shù)學(xué)模擬；2)對不同樹種枯落物失水機理及其影響因素進(jìn)行深入研究，服務(wù)該區(qū)水源涵養(yǎng)林樹種選擇；3)開展尺度擴大轉(zhuǎn)換的理論和方法研究，將基于樹種水平的研究結(jié)果運用到群落水平，推算林分枯落物層水文生態(tài)效益，指導(dǎo)樹種選擇、配置與布局。

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(責(zé)任編輯：宋如華)

Effects of litters of major tree species on the water storage in upper reaches of Chishui River

Yu Yanghua, Li Guangrong, Yan Lingbin, Yu Lifei, Huang Zongsheng

(Forestry College, Guizhou University, 550025, Guiyang, China)

In order to investigate the effect of litters on the water storage in the upper reaches of Chishui River, we measured water holding capacity and water loss of 27 major tree species in the study area. The results showed that the amount of litters was 0.15-4.50 t/hm2, natural moisture content was 10.23%-137.66%, the maximum water holding rate was 3 122.83-9 555.80 g/(kg·h), the maximum water holding depth was 0.04-1.70 mm, effective water interception depth was 0.02-1.27 mm, the maximum rate of water loss was 209.52-2 423.21 g/(kg·h), moisture content was 85.02%-256.18% after water loss for 24 h, and the maximum water loss depth was 0.01-0.43 mm. Moreover, the rates of water holding and water loss of litters were higher in the earlier stage, declined quickly and became stable eventually. Several major factors contributing to water storage capacity of litters were determined as the amount of litters, the maximum water holding depth, effective water interception depth, the maximum water loss depth, leaf life stage and leaf texture. At last, litters were divided into three main functional groups according to their capacities of water holding, water loss and the leaf characteristics. Leaf life phase could be an indicator to evaluate the water-storing capacity of litters.

litters; water holding; water loss; functional group; upper reaches of Chishui River

2014-07-02

2015-03-27

項目名稱： 貴州茅臺科技聯(lián)合基金項目“退化植被生態(tài)功能評價及生態(tài)修復(fù)技術(shù)與示范研究”(黔科合茅科聯(lián)字[2009]7007)；貴州省環(huán)境保護(hù)項目“赤水河上游退化植被水源涵養(yǎng)功能評價及恢復(fù)對策”(2013-09)；貴州省社會發(fā)展攻關(guān)項目“喀斯特固碳增匯植被恢復(fù)技術(shù)及示范研究”(黔科合SY字(2012)3012)

喻陽華(1984—)，男，博士研究生。主要研究方向：退化森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)。E-mail:yuyanghua2003@163.com

?通信作者簡介： 喻理飛(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：喀斯特退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)。E-mail:gdyulifei@163.com

S715.7

A

1672-3007(2015)03-0039-06