劉成功 陳文靜 萬志兵 戴淑娟 盧玉生

(黃山學(xué)院生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，安徽 黃山 245041)

不同胸徑無患子人工林林冠層的持水性

劉成功 陳文靜 萬志兵 戴淑娟 盧玉生

(黃山學(xué)院生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，安徽 黃山 245041)

通過測定不同胸徑無患子人工林林冠層3個(gè)部位的含水率，分析不同胸徑林分不同部位可燃物的失水率，定量分析林冠層的防火效應(yīng)。結(jié)果表明，不同胸徑無患子人工林林冠層含水率差異極顯著，且胸徑20 cm的無患子人工林林冠層3個(gè)部位的枝葉含水率值均為最大；新鮮枝葉在烘干過程中其質(zhì)量及失水速率與烘干時(shí)間分別呈指數(shù)回歸、二項(xiàng)式回歸關(guān)系，0～6 h內(nèi)隨著烘干時(shí)間的增加，3種胸徑3個(gè)部位枝葉的質(zhì)量都逐漸降低，6 h后隨著烘干時(shí)間的繼續(xù)延長其枝葉的質(zhì)量均趨于穩(wěn)定，8 h后質(zhì)量不變，此時(shí)失水率也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且無患子人工林林冠層上部和中部以胸徑15 cm的新鮮枝葉失水速率最大，林冠層下部則以胸徑10 cm的新鮮枝葉失水速率最大。

無患子；人工林；林冠層；含水率；可燃物

森林生態(tài)系統(tǒng)通過林冠層、枯落物層及土壤層3個(gè)作用層實(shí)現(xiàn)森林的水源涵養(yǎng)功能[1]。林地的林冠層是由森林上方郁閉的樹葉、枝條、小枝和層內(nèi)空氣所構(gòu)成[2-3]，是林木與其生存環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)與能量交換的第一活動(dòng)層[4]，是森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生水文生態(tài)效應(yīng)和大氣-植物-土壤連續(xù)體水循環(huán)的主導(dǎo)者[5]。不同森林類型林木自身生物學(xué)特性與林分結(jié)構(gòu)的不同，其森林效應(yīng)存在一定的差異性[6-7]。森林活可燃物和枯落物的含水率直接影響著森林可燃物的著火難易程度，間接影響著火種的擴(kuò)散速度及有效輻射范圍，同時(shí)有降低溫度、促使煙霧形成、減少熱量產(chǎn)生的功能[8]，其枝葉含水率指標(biāo)對(duì)火災(zāi)預(yù)報(bào)和火險(xiǎn)等級(jí)劃分起著直接或間接的作用[9-11]。因此，研究林木林冠層的持水率對(duì)于合理經(jīng)營森林資源，實(shí)現(xiàn)人工林的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

無患子(SapindusmukorossiGaertn)又稱木患子、皮皂樹，為無患子科無患子屬植物[12]。無患子根系深、抗風(fēng)能力強(qiáng)，是工業(yè)城市生態(tài)綠化的首選樹種，對(duì)CO2及SO2抗性很強(qiáng)[13]。無患子分布地域廣、跨度大，在我國產(chǎn)自東部、南部、西南部，為低山、丘陵及石灰?guī)r山地常見樹種，在西南垂直分布可高達(dá) 2 000 m[14]。隨著無患子重要價(jià)值的體現(xiàn)，有關(guān)無患子的研究也不斷增多。我國對(duì)無患子的研究多集中于其藥理作用[15]、繁殖技術(shù)與引種栽培[16]、化學(xué)成分提取與分離[17]等方面。關(guān)于無患子林冠層含水率及其森林防火等方面的研究還較少。本研究以黃山地區(qū)無患子人工林為對(duì)象，對(duì)其林冠層的持水特性進(jìn)行分析，以期為今后黃山地區(qū)無患子在森林防火等工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃山市屯溪區(qū)，屬黃山山脈向東北方向延伸的支脈，皖南山區(qū)變層巖系的低山、丘陵區(qū)，地處北緯29°41′，東經(jīng)118°17′，海拔100～380 m，年均氣溫15.5～16.4 ℃，1月平均氣溫約3.5 ℃，7月平均氣溫約27.9 ℃，年均無霜期達(dá)229 d。年降水量 1 395 ～ 1 701 mm，降水天數(shù)長達(dá)152 d，呈不均勻季節(jié)性分配，且雨量集中，垂直變化程度較大。暖濕同季，四季分明，季風(fēng)明顯，適合動(dòng)植物的生長和發(fā)育。土壤類型為典型的第四紀(jì)紅色黏土母質(zhì)的黃紅壤。主要喬木層包括無患子、杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)、樟樹(Cinnamonumcampora)、鵝掌楸(Liriodendronchinense)等；灌木層植物包括小構(gòu)樹(Broussonetiakazinoki)、紫薇(Lagerstroemiaindica)、檵木(Loropetalumchinense)、紅葉石楠(Photiniafraseri)等；草本層以鳳尾蕨(Pteriscretica)、烏蕨(Stenolomachusanum)等為主。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

無患子人工林林冠層新鮮枝葉來源于黃山市屯溪區(qū)無患子人工林林地內(nèi)。

2.2 材料選擇

2013年5月，在無患子人工林林地內(nèi)，選取胸徑分別為(10.0±0.5)、(15.0±0.5)、(20.0±0.5)cm，生長健康、無病蟲害、冠型優(yōu)良的無患子活立木各50株，共計(jì)150株。從相應(yīng)胸徑的50株無患子林木林冠層?xùn)|、西、南、北4個(gè)方位，分別搜集足量(>1 kg)的上、中、下3個(gè)部位的新鮮枝葉，每個(gè)胸徑的3個(gè)部位各取3個(gè)重復(fù)。

2.3 林冠層可燃物持水率測定

將野外采集的新鮮枝葉濕樣，用“四分法”，取不同胸徑不同林冠部位的新鮮枝葉濕樣200 g裝入尼龍袋。再將濕樣置于105 ℃的烘箱(型號(hào)DHG-9070AS)中殺青0.5 h(不計(jì)入烘干時(shí)間內(nèi))，再轉(zhuǎn)入70 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒質(zhì)量，計(jì)算新鮮枝葉的含水率，換算為單位質(zhì)量的含水率。用下列公式計(jì)算無患子林冠層新鮮枝葉的含水率和失水速率。

2.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2003制作圖表。采用軟件DPS 9.50進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與方析。

3 結(jié)果與分析

3.1 無患子林冠層可燃物含水率特性

3種胸徑無患子人工林林冠層不同部位含水率狀況見圖1。

由圖1可以看出，不同胸徑無患子人工林林冠層不同部位含水率存在差異。20 cm胸徑的無患子林冠層的上、中、下3個(gè)部位的枝葉含水率值均為最大；15 cm胸徑無患子林冠層的上、中2個(gè)部位的含水率均高于10 cm胸徑；10 cm胸徑的無患子林冠層下部含水率高于15 cm相應(yīng)部位。具體表現(xiàn)為胸徑20 cm的無患子人工林林冠層的上、中、下3個(gè)部位的枝葉含水率分別為：67.55% 、93.47%、98.80%；而10 cm胸徑的無患子人工林林冠層的上、中、下3個(gè)部位的枝葉含水率分別為：55.14%、78.26%、96.09%。同時(shí)可以看出，無患子的林冠層部位越高，其含水率反而越低。

對(duì)不同胸徑無患子人工林林冠層不同部位的含水率進(jìn)行方差分析，3種胸徑無患子人工林林冠層的不同部位含水率之間存在極顯著差異。從表1可以看出，胸徑20 cm要比胸徑10 cm的無患子人工林林冠層上、中、下3個(gè)部位的枝葉含水率分別高22.51%、19.44%、2.82%；胸徑15 cm要比胸徑10 cm的無患子人工林林冠層上、中、下3個(gè)部位的枝葉含水率分別高11.86%、2.24%、-11.34%，更加表明了不同胸徑林冠層含水率存在差異。

表1 不同胸徑林冠層不同部位持水性比較

注：數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；同列數(shù)據(jù)后不同大小寫字母表示不同種間差異顯著(p<0.05和p<0.01)。

3.2 無患子林冠層可燃物失水特性

分別對(duì)不同胸徑的無患子人工林林冠層的上、中、下3個(gè)部位的枝葉質(zhì)量和烘干過程中枝葉失水速率進(jìn)行比較，結(jié)果見圖2～7。

由圖2～4可以看出，不同胸徑不同部位的無患子枝葉達(dá)到恒質(zhì)量時(shí)的數(shù)值不相同，但0～6 h內(nèi)隨著烘干時(shí)間的增加枝葉質(zhì)量均逐漸降低，6 h以后隨著烘干時(shí)間的繼續(xù)延長其枝葉質(zhì)量均趨于穩(wěn)定，8 h后質(zhì)量不變。

由圖5～7可以看出，不同胸徑的無患子人工林林冠層上、中、下3個(gè)部位的新鮮枝葉，烘干到0.5 h時(shí)失水速率最大。且林冠層上部和中部以胸徑15 cm處理失水速率最大，分別達(dá)40.8 g/h和40.0 g/h;而林冠層下部以胸徑10 cm處理失水速率最大，達(dá)36.2 g/h。以后隨著烘干時(shí)間的延長，其失水速率皆呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，直到8 h后失水速率不再減小，此時(shí)新鮮枝葉基本達(dá)到恒質(zhì)量。

對(duì)3種胸徑無患子人工林林冠層3個(gè)部位的枝葉，在烘干過程中的質(zhì)量及失水速率與烘干時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)和多項(xiàng)式模型4種回歸關(guān)系的分析。結(jié)果表明：枝葉在烘干過程中其質(zhì)量與烘干時(shí)間的對(duì)數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)和多項(xiàng)式模型3種回歸結(jié)果均不符合要求(P>0.05)，而以指數(shù)函數(shù)關(guān)系最佳，關(guān)系式為：

Q=k1tm

式中：Q為烘干過程中枝葉質(zhì)量(g/kg)；t為烘干時(shí)間(h)；m為指數(shù)；k1為方程系數(shù)。

枝葉在烘干過程中失水速率與烘干時(shí)間的指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)3種回歸結(jié)果均不符合要求(P>0.05)，而以二項(xiàng)式回歸關(guān)系最佳，關(guān)系式為：

V=at2-bt+c

式中：V為烘干過程中枝葉失水速率(g/h)；t為烘干時(shí)間(h)；a,b為方程系數(shù)；c為常數(shù)項(xiàng)。

各回歸關(guān)系見表2。

表2 無患子人工林林冠層不同部位可燃物失水特性與烘干時(shí)間的回歸分析

4 結(jié)論與討論

林木在森林中起著調(diào)節(jié)水分的流動(dòng)和再分配作用，而森林內(nèi)活體可燃物含水率的大小是其在明火產(chǎn)生和蔓延中的重要影響因子。本研究對(duì)3種胸徑的無患子人工林林冠層上、中、下3個(gè)部位枝葉的含水率、失水量和失水速率分別進(jìn)行研究，結(jié)果表明：各胸徑無患子人工林林冠層上、中、下3個(gè)部位的枝葉在烘干過程中其質(zhì)量及失水速率與烘干時(shí)間分別呈指數(shù)函數(shù)和一元二次函數(shù)的回歸關(guān)系，且含水率和失水速率隨烘干時(shí)間的延長均逐漸減小，這與防火林帶不同樹種枝葉持水率研究結(jié)果一致[18]，林冠層上部和中部以胸徑15 cm處理失水速率最大，林冠層下部以胸徑10 cm處理失水速率最大，這不僅是由于不同森林類型其群落結(jié)構(gòu)、生物量、持水性能等存在一定的差異性所造成[19]，此外，同一樹種不同部位枝和葉、老葉和新葉、老枝和新枝的含水率等因子也有差別[20-22]，從而影響不同胸徑林分不同冠層部位持水能力，因此構(gòu)成了不同的森林防火效應(yīng)。

無患子分布廣泛，其人工林林冠層的含水、持水等性質(zhì)對(duì)于降低火源形成和蔓延，涵養(yǎng)水源保持水土等具有一定的作用，但是不同林分地上部分各層次的防火效應(yīng)因林分結(jié)構(gòu)、樹種生物學(xué)特性及其立地條件的不同而存在較大差異，對(duì)于植被覆蓋率相對(duì)較高的黃山地區(qū)，如何選擇最佳防火樹種，有關(guān)此類問題還有待于更進(jìn)一步的研究。

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(責(zé)任編輯 趙粉俠)

Study on Water Holding Capacity of Canopy ofSapindusmukorossiPlantation with Different DBH

LIU Cheng-gong, CHEN Wen-jing, WAN Zhi-bing, DAI Shu-juan, LU Yu-sheng

(College of Life and Environmental Sciences, Huangshan University, Huangshan Anhui 245041, China)

The water-holding properties of canopy ofSapindusmukorossiplantation with different DBH (diameter at breast height) were measured to analyze the dehydration rate of different part fuel, and do quantitative analysis of fireproof effect of canopy. The results showed that, inSapindusmukorossiplantation, canopy′s water-holding properties had significant differences in different DBH stands. When the DBH ofSapindusmukorossiplantation was 20 cm, moisture content of canopy reached maximum. In the process of fresh branches drying, the relationship of branch′s weight and drying time was exponential regression, and branch′s water loss rate and drying time showed binominal regression relationship. In the first 6 h, the weight of all treated branches was decreased with drying time continuing. After 6 h, the value tended to be stable. After 8 h, the weight of branches and water loss rate had no change anymore. In the upper and middle portion of plantation canopy, those branches with 15 cm DBH showed the highest water loss rate, while in the below portion, those with 10 cm DBH reached were highest.

Sapindusmukorossi; plantation; canopy; water holding capacity; fuel

2014-05-29

科技部公益性林業(yè)行業(yè)科研專項(xiàng)(201304407)資助；安徽省級(jí)優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目(2012SQRL185)資助；安徽高校省廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2013A241)資助。

萬志兵(1980—)，男，副教授。研究方向：植物栽培和育種。Email：wanzb626@hsu.edu.cn。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.06.004

S715.4

A

2095-1914(2014)06-0024-05

第1作者：劉成功(1990—)，男，本科生。研究方向：植物栽培和育種。Email:970974659@qq.com。