2008年1月上旬至2月上旬，我国19个省(市、区)发生了近50年来最大的冰雪灾害，受雨雪冰冻危害的林地面积达0.209亿hm²。杉木(Cunninghamia lanceolata)广泛分布于我国南方17个省区，其面积约占我国人工林面积的24%，是我国主要的造林和用材树种之一，受灾非常严重。大面积的杉木树冠集中折断后，大量的林冠残体覆盖林地，造成森林生物量减少，改变了林地的涵养水源功能。这次雨雪引起的灾害是冻雨降到树木枝叶上冷却后形成的冰柱引起的。雪灾期间持续不断的冻雨使冰柱逐渐增大，当超过树干本身的负荷极限时发生折干。因为这样特殊的天气非常罕见，国内外对雨雪冰冻引起的森林灾害研究极少。许多研究者对不同森林的凋落物水源涵养功能进行了研究。郝占庆等(1998)对辽东山区主要森林类型的土壤涵蓄水性能进行了研究，申卫军等(2001)测定了马占相思(Acacia mangium)与湿地松(Pinus elliottii)枯落物层的最大持水率和最大持水量，程金花等(2003a；2003; 2006)报道了三峡库区的松栎混交林、栓皮栎(Quercus variabilis)纯林、马尾松(Pinus massoniana)纯林下的枯落物持水特性，张洪江等(2003)对冷杉(Abies fabri)纯林枯落物的持水特性、王玉光(2003)对杉木混交林的水源涵养效应进行了研究。薛立等(2005)对杉木、马尾松、湿地松、马占相思和尾叶桉(Eucalyptus urophyll)的凋落物持水量、持水率和吸水速率的变化进行了数学模拟，彭耀强等(2006)研究了火力楠(Michelia macclurei)、木荷(Schima superba)和黎蒴(Castanopsis fissa)的凋落物持水动态。目前还没有见到雨雪冰冻引起的森林地表涵养水源功能变化的报道。作者对雨雪冰冻后杉木林地表的林冠残体和凋落物的涵养水源功能进行研究，可以为灾后杉木林生态系统的恢复和重建提供参考。

1 研究区概况

研究区位于始兴县马市镇，地处南岭山脉南侧(114°04′ E，24°57′ N)，属中亚热带气候，全年热量充足，冷暖交替明显，春季低温阴雨，夏季高温多湿，秋季昼暖夜凉，冬季寒冷干燥。年均气温19.6 ℃，月均最低气温9.4 ℃(1月)，月均最高气温28.4 ℃(7月)。全年无霜期296 d，年降雨量1 825 mm，多集中于4—6月。土壤为紫红土。

试验林分为12年生杉木人工林，密度2 100株·hm^-2。由于林分密度较大，林下植物零星生长，以狗脊蕨(Woodwardia japonica)、钩藤(Ramulus uncariae)、光枝葜叶柃(Eurya cuneata var. glabra)、暗色拔葜(Smilax lanceaefolia)为主。杉木人工林全部折干，残干的平均胸径为9.6 cm，平均高为5.0 m。

2 研究方法

2008年2月在林分内设置20 m×20 m的样地。样地海拔678.2 m，坡向西北40°，坡度25°。在样地内调查每木的胸径和树高，并设置面积为2 m×2 m的样方6个，调查样方内林冠残体的枝、叶、果、干、皮和凋落物鲜质量。将样方内林冠残体的枝干全部取样，并各取部分样品带回实验室，在80 ℃恒温下烘干至恒质量，测定含水率。

另取各样方的部分凋落物装入网袋后分别浸入水中0.5，1，1.5，2，4，6，8，10，12，16和24 h后，捞起并静置到凋落物不滴水时称量，做3个重复。凋落物持水量W_H(t·hm^-2)、凋落物持水率W_R(%)和凋落物吸水速率W_A(g·kg^-1h^-1)计算公式如下(薛立等，2005)：

(1)

(2)

(3)

式中：W_w为凋落物湿质量(kg·hm^-2)，W_d为凋落物干质量(kg·m^-2)，t为吸水时间(h)。

3 结果与分析 3.1 凋落物储量与持水量

表 1表明，林冠残体的鲜质量为39.3 t·hm^-2，而凋落物的鲜质量仅为9.94 t·hm^-2，林冠残体各部分的鲜质量表现为干>枝>叶>皮。林冠残体的干质量为25.99 t·hm^-2，凋落物为5.93 t·hm^-2，仅为前者的23%，林冠残体的干、枝、叶和皮的干质量分别为11.42，7.03，5.76和1.78 t·hm^-2。

在0.5~16 h浸泡时间段，持水量表现为干>凋落物>叶>枝>皮；当浸泡时间达24 h时，叶的持水量超过凋落物持水量，表现为干>叶>凋落物>枝>皮(图 1)。浸水24 h后各组分达到最大持水量，干、叶和凋落物分别为11.83，11.24和10.88 t·hm^-2，枝和皮较小，分别为6.73和2.38 t·hm^-2。随着浸泡时间增加，各组分的持水量迅速增长。浸泡时间达到4 h后，皮的持水量达到饱和；干和凋落物浸泡到8 h后，持水量达到饱和；枝和叶浸泡16 h后，持水量达到饱和。

各组分持水量W_H和浸泡时间t的关系按照自然对数方程W_H=alnt+b变化，式中a和b为系数。用自然对数方程对各组分的持水量进行模拟，并与实测结果进行了比较，发现各组分持水量模拟的决定系数(R²)大于0.880，各组分持水量的实测值与模拟值极显著相关(P < 0.001)(表 2)。

3.2 持水率

各组分的持水率有明显的差异。在0.5~6 h浸泡时间段，林分各组分的持水率表现为凋落物>叶>皮>干>枝，在8~24 h浸泡时间段，叶的持水率最大，其次是凋落物，接下来是皮；在8~12 h浸泡时间段，干的持水率大于枝，浸泡时间达16 h时，2者相等，到24 h时，枝的持水率超过干(图 1)。浸泡时间到达4 h时，干和凋落物的持水率达到饱和；浸泡时间到达16 h时，其他组分的持水率基本达到饱和。各组分中叶的最大持水率居首位，达295%，凋落物为272%，皮为234%，枝和干分别为196%和193%，说明叶和凋落物的持水能力强，皮中等，干和枝的持水能力弱。

各组分持水率W_R与浸泡时间t的关系按照自然对数方程(W_R=alnt+b)变化。林分各浸泡时间的凋落物持水率理论值与实测结果相近，决定系数(R²)大于0.790，达到极显著相关水平(P < 0.001)(表 3)。

3.3 吸水速率

在0.5~6 h浸泡时间段，各组分的吸水速率随浸泡时间的增长急剧下降，此后缓慢下降(图 2)。在0.5~6 h浸泡时间段，各组分的吸水速率表现为凋落物>叶>皮>干>枝，在8~12 h浸泡时间段，则表现为叶>凋落物>皮>干>枝，在16~24 h浸泡时间段，表现为叶>凋落物>皮>干或枝。干、枝、叶、皮和凋落物的吸水速率从浸泡时间0.5 h后到浸泡时间24 h后分别从3 563 g·kg^-1h^-1下降到81 g·kg^-1h^-1，3 220 g·kg^-1h^-1下降到82 g·kg^-1h^-1，4 731 g·kg^-1h^-1下降到123 g·kg^-1h^-1，3 655 g·kg^-1h^-1下降到97 g·kg^-1h^-1和5 238 g·kg^-1h^-1下降到113 g·kg^-1h^-1。

凋落物吸水速率W_A与浸泡时间t的关系按照方程W_A=a·t^-b变化，a和b为系数。各组分的吸水速率与浸泡时间的理论值很好地拟合了实测结果，决定系数(R²)大于0.999，达到显著相关水平(P < 0.001)(表 4)。

4 结论与讨论

各组分中林冠残体的干的干质量最大(11.42 t·hm^-2)，其次是枝(7.03 t·hm^-2)，凋落物和叶相近，分别为5.93和5.76 t·hm^-2，而皮的干质量仅1.78 t·hm^-2。各组分中，林冠残体中叶的最大持水率最大(295%)，凋落物较大(272%)，皮中等(234%)，而干(193%)和枝(196%)较小。各组分的持水量由其干质量和持水特性共同决定。林冠残体中干的干质量达其他组分的1.6倍以上，所以其持水量最大(11.83 t·hm^-2)；叶的干质量仅列第4，但是其最大持水率最大，所以持水量略小于干，达11.24 t·hm^-2；凋落物的干质量与叶相近，最大持水率仅次于叶，其最大持水量略小于叶，为10.88 t·hm^-2；枝的干质量较大，但是最大持水率小，最大持水量仅有6.73 t·hm^-2；皮的最大持水率中等，干质量不到其他组分的30%，所以最大持水量最小，仅2.38 t·hm^-2。林冠残体各组分的最大持水量为32.18t·hm^-2，为凋落物的3倍。各组分的持水率特性不同。干的木质部导管多，凋落物由于分解变得疏松，故2者吸水速度快，持水率较快达到饱和；枝、叶和皮的细胞内含物较多，吸水速度较慢，持水率达到饱和所需的时间长。

目前，尽管已有关于凋落物持水量、持水率和吸水速率的研究(薛立等，2005；彭耀强等，2006)，但是国内外还没有林冠残体持水量、持水率和吸水速率的报道。本研究结果表明，林冠残体持水量与浸泡时间、林冠残体持水率与浸泡时间的关系均按照自然对数方程变化，而林冠残体吸水速率与浸泡时间的关系按照负指数方程变化。在今后的研究中可以用这2个方程模拟林分林冠残体的持水量、持水率和吸水速率的实际变化。本研究通过用模型模拟林冠残体不同组分的持水特性和分析各组分的持水特性出现差异的原因，为今后类似的研究奠定了基础。今后对不同森林类型林冠残体的持水特性、分解速度及其对土壤水分蒸发、地表径流和土壤侵蚀、土壤养分和微生物的影响开展研究，可以丰富该领域的理论并为森林管理提供依据。

雪灾产生了大量林冠残体，使林冠涵养水源的功能由林分转移到地表，短期内强化了林地表面的水源涵养功能。但是林冠丧失了截留雨水的能力，会造成森林林冠层水源涵养能力的急剧下降。另一方面，林冠残体可以拦蓄雨水，减少土壤表面水蒸发，增加地面粗糙度，减少地表径流。另外，林冠残体可以补充森林土壤有机质，有利于团聚体的形成，会导致土壤孔隙增加，改善土壤的透气透水性。林冠残体分解后释放的养分可以提高土壤肥力。鉴于林冠残体在涵养水源、水土保持及森林生态系统养分循环中的重要作用，应该对林冠残体加以保护，并开展受损杉木林生态系统的水源涵养、水土保持动态的长期研究，以便为杉木林生态系统恢复提供科学依据。