2.1 凋落物输入及现存量
森林凋落物输入不仅与树种组成、林龄、密度及其生物节律等特征有关,还受到自然环境条件明显影响[13],如干旱、大风等。由表2可知,2011年马尾松林总凋落物量为493.44 g/m2,其中,以枯死针叶最多,为231.35 g/m2,占总凋落物量46.89%; 其次是有机碎屑,为103.57 g/m2,占总凋落物量20.99%; 以青黄针叶最少,为11.55 g/m2,占总凋落物量2.34%。马尾松林凋落物不同组分排序为枯死针叶>有机碎屑>树枝>阔叶>树皮及球果>青黄针叶。
马尾松林月总凋落物变化在11.54~90.31 g/m2,基本呈双峰模式,其中,第1高峰发生在4—5月份,总凋落物为129.13 g/m2; 第2高峰发生在7—9月份,总凋落物为146.7 g/m2,两个高峰的总凋落物为275.83 g/m2,占年总凋落物的69.89%。马尾松林总凋落物第1高峰的出现,可能是因为4月、5月份正值马尾松开花期和阔叶树种换叶期。由表2可知,4月、5月份有机碎屑的月凋落物分别为22.26,22.28 g/m2,处于其年内变化的第三、二位,共占其年凋落物的43%和总凋落物第1高峰的34.49%。4月、5月份阔叶凋落物达到其月凋落物年内变化的最高峰,分别为9.55,6.77 g/m2,共占其年凋落物41.63%。马尾松林总凋落物的第2高峰出现,可能是因为马尾松林受到干旱环境胁迫影响[13],其中7月、8月份正值重庆地区的伏旱季节。7—9月份枯死针叶凋落物达到其年内变化的峰值(99.82 g/m2),占其年凋落物的42.96%和总凋落物第2高峰的36.19%。同样地,树枝凋落物在该时段达到其年内变化的峰值,其中7月、8月份树枝分别为18.05,12.28 g/m2,共占其年凋落物的40.80%。
青黄针叶为非正常凋落的针叶,更能反映针叶对自然环境胁迫的响应,本研究青黄针叶月凋落物变化在0.15~3.71 g/m2,也在7月、8月份的伏旱季节达到其年内变化的峰值,分别为3.71,1.89 g/m2,共占其年凋落物的48.48%,同样可说明马尾松林凋落物受干旱环境明显影响。
总体上,除阔叶凋落物的年内变化呈单峰模式外,其他组分的年内变化趋势与总凋落物一致,均呈双峰模式,这可能是因为马尾松林中阔叶凋落物的年内变化只受其生物节律支配,而马尾松凋落物的年内变化除受其生物节律支配外,还受到干旱等外界环境明显影响[13]
由表3可知,马尾松林凋落物现存量为1 204 g/m2,其中以已分解层凋落物最多,为463 g/m2,占凋落物现存量38.46%; 其次是半分解层,为380 g/m2,占凋落物现存量31.56%; 以未分解层凋落物最少,为361 g/m2,占凋落物现存量29.98%。同时,结合表2可知,马尾松林凋落物的年输入量占现存量的40.98%。
2.2 凋落物分解
凋落物分解直接决定着凋落物现存量及其层次组成与分配,从而影响着凋落物层的生态水文功能。由表4可知,马尾松林凋落物的累积失质量和累积失质量率均随分解时间延长而增大,其中,马尾松林凋落物分解1个月后,其累积失质量和累积失质量率分别为1.85 g,3.71%; 分解半年后,其累积失质量和累积失质量率分别为11.36 g,22.72%,是年失质量(17.81 g)和年失质量率(35.62%)的63.78%,这可能是3—8月份的温度、湿度等自然环境条件比较适宜马尾松林凋落物分解所致。从马尾松林凋落物月失质量率也可看出(表4),3—8月份月失质量率普遍较高,除7月份为1.55%外,其余月份均在2%以上,平均为3.79%。而9—次年2月份的月失质量率普遍较低,除9月份、12月份外,其余月份基本在1.5%以下,平均为2.15%。马尾松林凋落物月失质量率年内变化为1.04%~6.75%,最大值发生在8月份,最小值发生在2月份,平均为2.97%。
由图1可知,马尾松林凋落物干质量残留率(y)与分解时间(x)呈显著指数函数关系,随分解时间增大而减小,拟合方程为y=99.414e-0.46x(R2=0.9855,p<0.01,n=12)。分解1 a后,马尾松林凋落物干质量残留率为64.38%,进一步研究表明马尾松林凋落物年分解系数为0.46,分解50%(半衰期)为1.51 a; 分解95%(全衰期)为6.51 a。
2.3 凋落物持水特征
马尾松林未分解、半分解、未分解+半分解凋落物的持水率均随浸水时间增加而增大,呈倒“J”型,其持水过程可划分为快速增加阶段(0~4 h)、缓慢增加阶段(4~12 h)、趋于稳定阶段(12~48 h)3个阶段(图2)。在浸水0.5 h时,持水率即分别达到104.72%,160.61%,141.14%; 在浸水4 h时,持水率则分别为139.18%,184.08%,169.63%,相比0.5 h时分别增加了34.46%,23.47%,28.49%。总体上,不同浸水时间的马尾松林凋落物持水率均表现为半分解>半分解+未分解>未分解,说明半分解凋落物的持水能力优于其他层次凋落物。由图2可知,马尾松林未分解、半分解、未分解+半分解凋落物的吸水速率随浸水时间增加而减小,呈“J”型。同样地,马尾松林凋落物吸水过程也可划分为急剧减小阶段(0~4 h)、缓慢减小阶段(4~12 h)、趋于稳定阶段(12~48 h)3个阶段。在快速减小阶段,未分解、半分解、未分解+半分解凋落物的吸水速率由0.5 h时2.10,3.15,2.82 kg/(kg·h)分别下降到4 h时0.36,0.46,0.42 kg/(kg·h),仅为0.5 h的1/7左右; 在趋于稳定阶段,各层次凋落物的吸水速率最后接近于“0”。这说明马尾松林凋落物在0.5 h内发挥的水文功能最强,对短时降水的截持调蓄功能也最大,其后则急剧下降,4 h之后其截持调蓄能力趋于饱和,12 h之后则完全饱和。
马尾松林未分解、半分解、未分解+半分解凋落物的持水率与浸水时间均呈极显著正相关关系(p<0.01,表5),可用对数函数拟合:s=alnt+b,式中:s为持水率(%); t为浸水时间(h); a为方程系数; b为方程常数项。由表5可知,马尾松林各凋落物的吸水速率与浸水时间则均呈极显著负相关关系(p<0.01),可用幂函数拟合:v=at-b,式中:v为吸水速率[kg/(kg·h)]; t为浸水时间(h); a为方程系数; b为方程常数项。
表5 马尾松林凋落物持水率、吸水速率与浸水时间的拟合方程
最大持水能力是评价凋落物水源涵养功能的最重要指标,由表6可以看出,马尾松林未分解层、半分解层、未分解+半分解层凋落物的最大持水量分别为6.63,7.84,14.64 t/hm2,最大持水深分别为0.66,0.78,1.46 mm。有效拦蓄能力则更能反映凋落物实际截持调蓄降水的效果,它与凋落物初始湿度密切相关,研究表明,马尾松林未分解层、半分解层、未分解+半分解层凋落物的有效拦蓄率分别为139.37%,154.14%,150.52%,有效拦蓄水深分别为0.50,0.59,1.12 mm。