范 靜 劉 華

(安徽農業(yè)大學，合肥，230036)

白志強 臧潤國 劉貴峰 郭仲軍

(新疆林業(yè)科學院) (中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所) (內蒙古民族大學) (新疆林業(yè)科學院)

枯落物是指在生態(tài)系統(tǒng)內，由地上植物組分產生并歸還到地表面，作為分解者的物質和能量來源，借以維持生態(tài)系統(tǒng)功能的所有有機質的總稱［1］。作為森林生態(tài)系統(tǒng)中重要的結構層次，枯落物層在促進生態(tài)系統(tǒng)內物質循環(huán)［2］、養(yǎng)分平衡［3－4］、保持水土［5－6］、水源涵養(yǎng)［7］等方面具有重要作用，其持水能力是整個森林生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)中的重要一環(huán)。它的持水性能體現在持水量、吸水速率、持水率等的大小，持水性能不僅與林地上枯落物的儲量及其本身的持水能力有關，還與森林生態(tài)系統(tǒng)的樹種組成［8－10］，林分發(fā)育［11］，坡度，坡向［12］，枯落物的組成、分解程度［13－14］等因子關系密切。其中，枯落物的儲量主要取決于枯落物的輸入量、分解速度和累積年限，而森林生態(tài)系統(tǒng)的種群結構及多樣性［15－16］、功能類型［17］及其所處水熱條件的差異都對枯落物儲量有較大影響。有關枯落物水分特征研究表明，林下枯落物儲量對其持水量有重大影響［18］;枯落物持水量可達到自身干質量的2 ～4 倍［1］。

天山 云 杉(Picea schrenkiana var. tianschanica(Rapi)Cheng et Fu)是新疆天山山地森林中分布最廣、蓄積量最大的森林生態(tài)樹種，對新疆的水源涵養(yǎng)、水土保持和林區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的形成與維護起著主導作用。目前，對新疆天山云杉林分的研究涉及天山云杉種群的結構、動態(tài)、分布格局，針葉、球果大小性狀的變化，林分因子、物種多樣性和生物量等群落特征［19］，而對其林下枯落物持水特性的研究相對較少，僅見張洪亮等［20］研究的關于天山中部的4 種不同林分郁閉度狀態(tài)下天山云杉枯落物層的持水特性。文中選擇沿天山山脈由西至東5 個地點對天山云杉枯落物進行大尺度對比研究，分析其持水特性隨立地條件的變化規(guī)律，旨在揭示天山云杉林水文生態(tài)功能，為天山林區(qū)實行天然林保護工程提供理論依據，也為當地天山云杉林經營管理提供技術支撐。

1 研究地概況

天山山系是亞洲中部最大山系之一，全長2 500 km，新疆境內天山東西長1 760 km，占天山全長的2/3，寬250 ～350 km，面積46.4 萬km2。在新疆境內的天山，有若干平行山脈組成，一般較高的山峰達3 500 ～4 500 m，山結處高達5 000 m，最高峰在海拔7 000 m 以上。新疆天山山脈橫貫新疆中部，把全疆分成南疆和北疆;在地形上為南高北低，西高東低;降水規(guī)律是北疆多于南疆，西部多于東部，北疆的降水為100 ～600 mm;年日照時間是從北向南略減，從西到東增加。天山云杉林主要分布在天山北坡1 400 ～2 800 m 的中山地帶，且只生長在土壤濕度較大的陰坡和半陰坡，林下土壤有機質和全氮含量較高。文中研究地從西到東依次選擇昭蘇、新源、呼圖壁、天池和奇臺5 個地點，各地自然環(huán)境概況見表1。新源、呼圖壁兩地實際調查過程中由于遇到道路被沖毀無法到達其最高分布界限的區(qū)域，故兩地調查的最高海拔分別為2 300、2 150 m。

表1 調查地概況

2 材料與方法

標準地選擇:于2010年7—8月份，在昭蘇、新源、呼圖壁、天池和奇臺5 個地點沿海拔每隔50 m設置一塊20 m×20 m 的樣地，5 個地點的樣地數分別為19、13、10、19 和19 塊，進行天山云杉的群落調查。測定每個樣地所處的坡度、坡向、海拔、郁閉度等林分因子，記錄樹種名稱、樹高、地徑、更新與死亡情況(包括枯立木、傾倒木、風折木)。

枯落物儲量調查:將每塊樣地按5 m×5 m 劃分16 個網格，在網格內依對角線分別在四角及中心區(qū)域設置1 m×1 m 的小樣方測定枯落物厚度，每個小樣方內枯落物按照未分解層(A)和半分解層(B)分兩層收集，分層混合后裝入密封袋中編號、稱質量，由此可計算枯落物單位面積的儲量。5 個地點A、B兩層枯落物分別采集80 個樣本。其中，未分解層枯落物指枝葉基本上保持原有的形狀及質地;半分解層枯落物指枝葉未完全腐爛，肉眼還能分辨出枝葉的大體形狀。

枯落物持水性能測定:取部分采集的枯落物在實驗室烘干(80 ℃)至恒質量，用浸泡法測其持水性能。稱取烘干后的枯落物樣品70 g，放入自制的PVC 篩中，置于盛有清水的水池中，水面高于PVC篩的上沿。在分別浸泡2、4、6、8、10、12、24 h 后稱質量，每次拿出后靜置5 min 左右，直至PVC 篩及凋落物不滴水為止，迅速稱枯落物的濕質量并記錄數據，每個樣品重復3 次，取其平均值，以研究其吸水速度及吸水過程。分別根據公式(1)、(2)和(3)計算枯落物在不同浸水時間的持水量、吸水速率和持水率的大小。

當枯落物含水量達到飽和時稱最大持水量。一般情況下，枯落物浸水24 h 后的持水量可視為該枯落物的最大持水量［10］，此時的持水率稱為最大持水率。

3 結果與分析

3.1 天山云杉枯落物的儲量

5 個地點天山云杉枯落物儲量見表2。從表2中可以看出不同地點枯落物層總厚度變化于0.44 ～1.58 cm，且半分解層的厚度均大于未分解層的。處于最西部的昭蘇林區(qū)天山云杉枯落物厚度要大于其他4 個地點的。從西到東5 個地點未分解層中枯落物儲量占總儲量的比例分別為48%、48%、51%、52%和51%，半分解層中枯落物儲量占總儲量的比例分別為52%、52%、49%、48%和49%。

5 個地點天山云杉枯落物總儲量變化于(8.48±0.52)～(11.10 ±0.33)t·hm－2，其由大到小的排序為天池、奇臺、昭蘇、呼圖壁、新源。在昭蘇和新源林區(qū)天山云杉半分解層枯落物儲量略高于未分解層的，在呼圖壁、天池和奇臺3 個林區(qū)天山云杉半分解層枯落物儲量略低于未分解層的。其中，天山云杉未分解層枯落物儲量在昭蘇、新源及呼圖壁3 地點間及在奇臺和天池之間的差異均不顯著(p ＞0.05)，但昭蘇、新源及呼圖壁3 地點均顯著低于奇臺和天池的(p ＜0.05);半分解層枯落物的儲量昭蘇、新源及呼圖壁處差異不明顯(p ＞0.05)，奇臺與天池和昭蘇與奇臺處差異也不明顯(p ＞0.05)，但奇臺與天池和新源與呼圖壁間有明顯差異(p ＜0.05)。

表2 不同地點天山云杉枯落物厚度及儲量

3.2 不同地點天山云杉林下枯落物持水量動態(tài)分析

枯落物的最大持水量決定于枯落物的質和量。不同林分枯落物層的最大持水量與枯落物的種類、厚度、儲量、濕度及分解程度關系密切。經過24 h浸泡后，昭蘇、新源、呼圖壁、天池、奇臺枯落物的最大持水量分別為(163. 49 ±3. 22)、(170. 15 ± 5.77)、(175.43 ±3.13)、(233.75 ±3.33)、(162.91 ±2.68)g?？偝炙坑纱蟮叫〉呐判驗樘斐?、呼圖壁、新源、昭蘇、奇臺，其中天池地區(qū)枯落物的持水量明顯大于其他地區(qū)(p ＜0.05)，奇臺地區(qū)與呼圖壁間有明顯差異(p ＜0.05)，昭蘇、新源和奇臺地區(qū)間差異不顯著(p ＞0.05)(表3)。

5 個地點天山云杉枯落物半分解層的持水量均大于未分解層的。在未分解層中，天池地區(qū)云杉枯落物未分解層的飽和持水量最大，為(96.46±1.61)g，顯著高于其他4 個地點的(p ＜0.05);昭蘇地區(qū)的最小，為(67.84±1.21)g，其由大到小排序為天池、呼圖壁、新源、奇臺、昭蘇;其中昭蘇與奇臺之間、新源與呼圖壁之間都沒有明顯差異(p ＞0.05)，但昭蘇和奇臺與新源和呼圖壁間有顯著差異(p ＜0.05)。半分解層的飽和持水量也是以天池林區(qū)的為最大，其值為(137.29±2.52)g，明顯高于另外4 個地點的(p ＜0.05)，而另外4 個地點之間沒有顯著差異(p ＞0.05)。

5 個地點天山云杉枯落物未分解層及半分解層枯落物的持水量隨時間延長呈增加的趨勢，且在前2 h 內吸水量增加較快;隨后吸水速率逐漸減小，在浸泡12 h 左右接近飽和，即12 h 后，隨著浸泡時間的增加，其持水量大小基本不增加。5 個地點的天山云杉枯落物持水量(Q)與浸泡時間(t)進行回歸分析發(fā)現二者存在對數函數關系:Q=kln(t)+p(其中k，p 為擬合方程參數)，且均達到極顯著差異水平(p ＜0.01)。

表3 不同地點天山云杉林下枯落物持水量

3.3 不同地點天山云杉林下枯落物吸水速率動態(tài)分析

將不同地點云杉枯落物不同浸泡時間的持水量除以相應的浸泡時間，即為不同地點云杉枯落物的吸水速率測定值。5 個地點天山云杉枯落物吸水速率與浸泡時間的變化趨勢見圖1，天山云杉枯落物的未分解層和半分解層的吸水速率均隨著浸泡時間的增加呈遞減的趨勢，前2 h 吸水速率最大，之后急劇降低，12 h 基本趨于穩(wěn)定。且每個地點天山云杉枯落物半分解層的吸水速率大于未分解層的。不同地點枯落物吸水速率(Y)與浸泡時間(t)進行回歸分析表明，二者之間存在冪函數關系為Y=ktn(其中k，n 為擬合方程參數)。

圖1 天山云杉枯落物吸水速率與浸泡時間的關系

3.4 不同地點天山云杉林下枯落物持水率動態(tài)測定

枯落物的持水率是其持水能力的一個重要方面，用枯落物吸收的水分與其干質量的比值來表示，該值越大，枯落物的持水能力就越強［21］。從表4中可以看出，半分解層枯落物持水率均大于未分解層枯落物持水率。對最大持水率進行方差分析，得到未分解層中奇臺、昭蘇、天池3 個地點枯落物持水率差異性不明顯(p ＞0.05)，同時新源、呼圖壁地區(qū)也沒有明顯差異(p ＞0.05)，但奇臺、昭蘇和天池地區(qū)與新源和呼圖壁地區(qū)有顯著差異(p ﹤0.05)。半分解層中奇臺、新源、昭蘇、呼圖壁4 個地點枯落物持水率差異不明顯(p ＞0.05)，同時新源、昭蘇、呼圖壁、天池差異性也不明顯(p ＞0.05)，但奇臺與天池地區(qū)有明顯差異(p ﹤0.05)。未分解層枯落物持水率由大到小的順序為呼圖壁、新源、天池、奇臺、昭蘇。半分解層枯落物持水率由大到小的順序為天池、呼圖壁、昭蘇、新源、奇臺。平均持水率由大到小的順序為呼圖壁(170.83%)、新源(163.62%)、天池(163.19%)、昭蘇(158.16%)、奇臺(154.65%)。

表4 不同地點枯落物最大、平均持水率

5 個地點枯落物持水率與浸泡時間的關系見圖2，從圖2中可以明顯看出，持水率隨浸泡時間的增加呈現遞增趨勢。對5 個地點的天山云杉枯落物持水率(S)與浸泡時間(t)進行回歸分析，發(fā)現二者存在對數函數關系:S=kln(t)+p(其中k，p 為擬合方程參數)，且均達到極顯著水平(p ＜0.01)。

圖2 天山云杉枯落物持水率與浸泡時間的關系

4 結論與討論

枯落物單位面積儲量呈現東部地區(qū)(天池、奇臺)＞中部地區(qū)(呼圖壁)＞西部地區(qū)(昭蘇、新源)的規(guī)律，根據枯落物分解過程的影響因素來分析，由于試驗所選5 個地點不同樣地的天山云杉林分郁閉度及表層土壤溫度基本一致，則這種變化規(guī)律與降水量從東到西逐漸增加的關系密切，降水量大的地區(qū)枯落物分解速度就會加快。從組成來看，從西到東未分解層儲量所占比例呈現增加的趨勢，西部地區(qū)未分解層小于半分解層，東部是未分解層大于半分解層。

各枯落物層的儲量和持水性能共同決定枯落物持水能力。持水量的大小和質量大小存在正相關的關系，吸收的水分與枯落物干質量的比值越大，枯落物的持水率越大，持水能力就越強。儲量越多，持水量越大則持水能力越強。5 個地點天山云杉枯落物的總持水量由大到小的排序為天池、呼圖壁、新源、昭蘇、奇臺，其中天池地區(qū)的總持水量與其他4 個地區(qū)存在明顯差異(p ＜0.05);每一地點天山云杉枯落物半分解層的持水量均大于未分解層的。持水量與浸水時間存在對數關系:Q =kln(t)+p。這與張峰等［9］的研究結果，即針葉類型枯落物未分解層的持水量大于半分解層的不同，枯落物儲量的大小與林分結構及其所處的環(huán)境存在很大的關系，所以對于不同地區(qū)林分枯落物未分解層及半分解層枯落物持水量大小的確定，不能一概而論，而應該根據當地的實際情況進行分析研究。

天山云杉枯落物吸水速率與浸泡時間存在冪函數關系:Y=ktn?？萋湮镂捶纸鈱蛹鞍敕纸鈱游俾孰S時間均呈遞減趨勢，且不同地點枯落物半分解層吸水速率大于未分解層。也有研究表明，枯落物吸水速率與浸泡時間的關系呈反函數關系:y =p+kt－1［14］。不同地點天山云杉枯落物持水率與浸水時間存在對數關系:S=kln(t)+p，隨著浸泡時間的增加枯落物持水率呈遞增趨勢，且半分解層均大于未分解層，枯落物持水率由大到小的順序為呼圖壁(170.83%)、新源(163.62%)、天池(163.19%)、昭蘇(158.16%)、奇臺(154.65%)。

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