退化华北落叶松林枯落物对近自然经营的短期响应

董伯骞，黄选瑞，夏明瑞

(河北农业大学，071000，河北保定)

在林冠层、枯落物层和土壤根系层的垂直结构中，森林枯落物层是森林涵养水源的主要作用层［1-2］。枯落物层具有削减雨滴能量、提高土壤抗冲性、增强土壤抗蚀性和减少土壤侵蚀的作用［3］。森林枯落物在森林生态系统养分循环中起着重要作用。枯落物的分解是生态系统物质循环和能量转换的主要途径，通过分解逐步把养分归还给土壤，其分解过程的快慢不仅制约林木的养分供应状况，而且影响林地有机质的积累和形成速率以及土壤的理化性质［4-6］。对于森林枯落物的特性国内外很多学者进行过研究，内容涵盖枯落物的储量［7-8］、水源涵养功能［9-11］、分解［12-14］、动态与养分循环［15-16］等;但是，针对退化森林近自然经营改造中不同宽度带状皆伐和人工更新树种差异对枯落物持水功能特性的研究还较少。

华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)是速生针叶树种之一，是华北地区山地天然次生林中十分重要的森林类型，也是华北地区山地造林的主要类型。冀北山区退化华北落叶松林大面积存在，严重影响森林质量。针对传统的退化森林生态系统恢复中存在的造林树种单一、模式单一、缺乏景观观念、自由放牧等问题，以森林近自然经营理论为指导，通过带状皆伐并人工促进更新(栽植乡土树种)逐步实现华北落叶松由单层同龄纯林向复层异龄混交林的转化。经典造林学认为:带状作业方式有利于保留林分或林墙的侧方天然落种，从而促进和完成天然更新。笔者通过对改造前后林地枯落物层单位面积储量、持水特性和持水量的研究，揭示退化华北落叶松林经营早期恢复阶段林地枯落物层特征的变化规律，为实现人工经营的退化华北落叶松林的正向演替和近自然经营提供技术指导。

1 研究区概况

1.1 自然概况

研究地区位于河北省承德市围场县，地处河北省最北部，位于 E 116°32'～118°14'，N 41°35'～42°40'，东邻内蒙古赤峰市，北接内蒙古克什克腾旗，南及西南与河北省的隆化和丰宁县接壤，距承德市153 km，距北京340 km。围场县冬季受季风影响强烈，冬季盛行偏北风，寒冷干燥。1月平均气温-13.2℃，夏季盛行偏南风，7月平均气温20.7℃，降水多集中在7—8月，年均降水量445 mm，无霜期短。全县地形复杂，气候多样，实验地所在中南部属于北温带大陆性燕山山地季风气侯，气温较高，降水较多，土壤为棕壤。优势草本为乌苏里苔草(Carex ussuriensis)、龙牙草(Agrimonia pilosa)、细裂叶蒿(Artemisia tanacetifolia)、地榆(Radix sanguisorbae)、早熟禾(Poa pratensis)、裂叶荆芥(Schizonepeta tenuifolia)、草地老鹳草(Geanium daharicu)和小红菊(Dendranthema chanetii)等;主要灌木有柔毛绣线菊(Spiraea pubescens)、美丽胡枝子(Lespedeza formosa)和大叶糙苏(Phlomis maximowiczii Regel)。

1.2 样地选择与经营措施

试验地选择木兰林管局龙头山林场道坝子营林区15林班140小班，坡度20°，坡向西北，海拔1 210 m。研究对象为1972年人工营造的华北落叶松人工纯林。平均高10.4 m，平均胸径13.6 cm，郁闭度0.7，平均密度为850株/hm2。由于土层薄与人畜危害相耦合，造成林分结构差、林下植被稀少，导致林分内水土流失严重。到实施改造前的2007年华北落叶松生长状况极差，乔木落叶松由于过度樵采仅剩下最上部1/3的枝叶。

2007年初对试验区用铁丝网封禁，2007年10月开辟2个皆伐带，宽度15和30 m，分别记为皆伐带15 m(带1)和皆伐带30 m(带2)，2008年5月在皆伐带中人工促进更新，从西向东造林种植为白桦(Betula platyphylla Suk)、华北落叶松和蒙古栎(Quercus mongolica Fischer ex Ledebour)，株行距均为1.5 m×2 m，白桦为2年生裸根苗，落叶松和蒙古栎为2年生营养杯苗。

2 研究方法

2.1 样方设置与调查内容

2007年在2条皆伐带的白桦、华北落叶松和蒙古栎造林地各设3个样方，共计18个样方，在保留带(只封禁区)和未封禁区各随机设置10个样方，样方大小1 m×1 m，用于草本地上生物量和枯落物取样;同样，设置5 m×5 m样方用于灌木地上生物量取样。2007—2010年每年8月初对林地枯落物和林下草本灌木生物量进行连续调查。

2.2 枯落物持水性能和林下植被生物量测定

在已经设定好的样地内，收集其全部草本灌木地上部分和枯枝落叶(包括未分解和半分解)，迅速称量其鲜质量，在80℃下烘干称其干质量。将烘干称量后的枯落物试样在清水中浸泡24 h后再称量，计算最大持水率、有效拦蓄率、最大持水量和有效拦蓄水量。

式中:G0、Gd、G24分别为枯落物样品自然状态质量、烘干状态质量和浸水24 h后质量，g;R0、Rhmax、Rsv分别为枯落物自然持水率、最大持水率、有效拦蓄率，%;M为枯落物层储量，t/hm2;Whmax、Wsv分别为最大持水量、有效拦蓄水量，mm。

3 结果与分析

3.1 枯落物层储量

枯落物储量(又称现存量)主要取决于枯落物输入量、分解速度和累积年限。储量越大，意味着林分枯落物层截持和涵蓄降水的潜力越大，但含蓄水量的大小还与其持水率有关。由图1和表1可知，未封禁区枯落物储量一直维持原有水平。改造前皆伐带15 m(带1)和皆伐带30 m(带2)的储量较低(分别为5.70和4.68 t/hm2)，改造后第1年下降(分别为4.99和4.24 t/hm2)，第2年显著增加(分别为8.01和7.73 t/hm2)，第3年又下降到接近改造前水平(分别为5.60和5.00 t/hm2)。不同宽度皆伐带内白桦纯林、白桦落叶松和落叶松蒙古栎造林地的枯落物储量都表现出栽植后第1年(2009年)显著增加，第2年 (2010年)减少;但栽植2年后白桦造林地枯落物储量高于改造前，白桦落叶松和落叶松蒙古栎造林地低于改造前。保留带内枯落物蓄积量持续增加，起初为5.89 t/hm2，3年后增加到12.69 t/hm2，增幅高达115.55%，并且3年内增速逐年攀升(增幅分别为2.87%、18.85%和76.29%)。

图1 单位面积枯落物储量Fig.1 Litter storage per unit area

表1 单位面积枯落物储量增减幅度Tab.1 Variation of litter storage per unit area %

在2条皆伐带内，因为皆伐和幼树栽植作业对林地破坏较大，草本和灌木生长受到影响 ，改造实施1年后枯落物储量小幅下降(降幅分别为-12.53%和 -9.35%);枯落物储量 2009年比2008年显著增加，是因为带内充足的光照有效促进了草灌的生长，增加了枯落物来源;第3年带内单位面积枯落物储量开始减少，一方面灌木草本单位面积地上生物量出现小幅下降(图2)，枯落物来源减少，另一方面皆伐实施3年后以前落到带内的部分针叶被分解，期间针叶输入量小于保留带。我国针叶林凋落物的年损失率在20% ～40%之间，平均约为30%［17］;因此，2010年时针叶应以被分解大部分，致使皆伐带内枯落物来源于灌木草本的比例较高，而且灌草凋落物比针叶更易分解［11，18-19］。

图2 单位面积地上灌草生物量Fig.2 Ground biomass of shrub and herb per unit area

皆伐带中幼苗栽植的第1年，植株较小，对林地影响也较小;第2年阔叶树种白桦和蒙古栎对林地的遮盖作用开始显现，抑制了草本和灌木的生长，而阔叶枯落物比针叶枯落物易分解［20］:因此，枯落物储量表现为落叶松幼林＞白桦和蒙古栎幼林。第3年皆伐带中枯落物来源开始减少，白桦幼树生长迅速对林地的遮蔽有效降低了枯落物的分解速率，白桦幼林生长更为迅速(表2)，增加了枯落物的来源;所以，枯落物储量表现为白桦幼林＞落叶松和蒙古栎幼林。

表2 各树种幼苗高度Tab.2 Height of seedlings of various species m

保留带内封禁保护消除了人畜践踏啃食的干扰，虽有上层木遮蔽，保留带内林下植被单位面积生物量仍稳定增长;杜绝了薪采对枝条的获取，增加了针叶的凋落量。同时林内通风、透光性能差，针叶分解后形成酸性环境，不利于微生物的活动，故分解转化率较低［21-22］。因此，保留带内单位面积枯落物储量持续增加。

3.2 枯落物层的持水特性

枯落物的持水能力可以通过其持水率来反映，凋落物吸收的水分与凋落物干质量的比值越大，凋落物的持水能力就越强［9］。由图3和表3可知，未封禁区3年内枯落物最大持水率基本没有变化，皆伐带的最大持水量呈持续增加的趋势。皆伐带15 m和皆伐带30 m的最大持水率改造前较低，3年后增加显著。保留带的最大持水率前2年持续增加，第3年有所下降，但高于改造前水平。经过3年改造，增幅表现为皆伐带15 m(72.54%)＞皆伐带30 m(49.54%)＞保留带(27.03%)。不同宽度皆伐带中不同造林地的枯落物最大持水率变化趋势迥异，幼苗栽植后的2年内皆伐带15 m各造林地都表现为持续增加，皆伐带30 m中白桦持续增加，落叶松和蒙古栎先小幅下降之后显著增加。造林2年后2条皆伐带中落叶松造林地最大持水率增幅大于白桦和蒙古栎，皆伐带15 m各树种造林地枯落物最大持水率增幅均大于皆伐带30 m相应地段。

图3 枯落物最大持水率Fig.3 Maximum water holding rate

有研究［23］表明当降雨量达到20～30 mm时，不论枯落物层含水量的高低，实际持水率为最大持水率的85%左右;所以，一般用有效拦蓄率估算枯落物层对降雨的实际拦蓄量［10］。由表3和图4可知:改造措施实施后，前2年2条皆伐带枯落物有效拦蓄率缓慢增加，第3年增速较高(增幅分别为55.55%和45.52%)，保留带持续增长，经过3年改造，增幅表现为皆伐带15 m(110.13%)＞皆伐带30 m(83.27%)＞保留带(40.64%)。皆伐带中各树种造林地有效拦蓄率总体上都呈现持续增长的趋势，改造3年后皆伐带15 m落叶松和蒙古栎造林地有效拦蓄水量增幅大于皆伐带30 m，白桦造林地相反。

表3 枯落物持水特性指标变化幅度Tab.3 Variation of water holding characteristics of litter %

皆伐带内原有的枯落物中凋落的针叶组分不断被分解，针叶输入较保留带减少，灌草凋落物比针叶具有更高的亲水性，提高了枯落物的持水性能。改造前由于重度放牧地上灌草被家畜过度采食，使得草本灌木几乎没有什么凋落物产生，封禁后枯落物中枝叶含量升高，提高了最大持水率［24］。皆伐带内枯落物更易被分解，其分解程度更高，一般持水率为已分解物＞半分解物＞未分解物［25］。保留带内封禁最初增加的灌草凋落物提高了枯落物的最大持水率和有效拦蓄率，随时间推移华北落叶松针叶在枯落物中比例提高;因此，最大持水率下降7.89%，有效拦蓄率增速下降。栽植的阔叶树种白桦和蒙古栎凋落的叶片都比落叶松针叶具有更强的持水性能，而栽植的落叶松幼苗凋落量很小，不能弥补原有上层落叶松的针叶输入，在各造林地，枯落物中持水性更高的成分比例逐年升高;所以，各树种幼林的枯落物持水性能与皆伐带整体趋势一致。

图4 枯落物有效拦蓄率Fig.4 Effective water retention rate of litter

3.3 枯落物层的持水量

由图5和表4可知:2条皆伐带第1年枯落物层最大持水量基本无变化，第2年急剧增长，第3年略有减少;保留带持续增加，增速逐年变快;未封禁区基本无变化;皆伐带15 m、皆伐带30 m和保留带改造前最大持水量较低(分别为1.12、1.03和1.38 mm)，经3年改造都表现出显著增长(分别为2.07、1.52和3.83 mm)，增幅为保留带(175.96%)＞皆伐带15m(70.39%)＞皆伐带30 m(47.01%);2条皆伐带中白桦造林地的枯落物最大持水量都持续增长，落叶松和蒙古栎造林地先增加后减少，改造3年后增幅都为白桦＞落叶松＞蒙古栎。

由表4和图6可知，各地段的枯落物有效拦蓄水量变化趋势与最大持水量变化基本一致。皆伐带15 m的枯落物层有效拦蓄水量在改造后前2年持续增加，第3年出现下降，皆伐带30m和保留带的最大持水量持续增加;未封禁区基本无变化。经过3年改造，增幅为保留带(204.99%)＞皆伐带30 m(141.96%)＞皆伐带15 m(50.37%)。皆伐带中白桦造林地的枯落物有效拦蓄水量都呈现出持续增长趋势，落叶松和蒙古栎地段先增加后减少，改造3年 后增幅都为白桦＞落叶松＞蒙古栎。

图5 枯落物最大持水量Fig.5 Maximum water holding capability

表4 枯落物持水量变化幅度Tab.4 Variation of water capability of litter %

图6 枯落物有效拦蓄水量Fig.6 Effective water retention of litter

4 结论与讨论

1)不同经营措施下各地段(皆伐带、保留带和对照地)的枯落物储量和持水特性在3年内表现出不同的变化规律。原因是森林经营过程中不同类型的人为干扰直接或间接作用于林地植被和小气候，对枯落物的积累和分解速率以及成分组成产生了不同的影响。

2)15和30 m带宽皆伐带内各树种造林地的枯落物储量变化趋势一致。原因可能是2皆伐带宽度差异较小，当带宽差异为多少时会呈现不同的枯落物特性变化规律有必要探究。随时间的延长皆伐带内不同树种造林地的枯落物储量和持水特性逐渐产生差异，由于白桦幼树生长迅速对林地的遮蔽有效降低了枯落物的分解速率并增加了枯落物的来源，白桦造林地枯落物储量高于改造前，落叶松和蒙古栎造林地低于改造前。

3)封禁+实施带状皆伐+人工促进更新后，短期内皆伐带枯落物层的涵养水源功能比未封禁区增加显著，虽然提升幅度不及保留带，但初步证明带状皆伐后水土保持功能增加显著，是改造退化华北落叶松人工林的有效手段。

本研究只是一个开始，仅是对近自然经营措施下退化华北落叶松人工林枯落物特性变化规律的初步研究;而封禁、带状皆伐和人工促进更新作为退化森林普遍的恢复手段，其恢复过程是动态的，实施方式是多样的，尤其是随着时间的延长和人为干扰强度的变化，经营措施对枯落物特性影响的差异是明显的。要深入研究退化华北落叶松林枯落物特性的变化，则需要在不同年龄不同立地林型下，设置多种带宽梯度和造林树种，从枯落物储量、组成、养分归还等角度出发，对枯落物进行较长时间的定量研究，以揭示近自然经营改造对退化华北落叶松人工林水土保持能力的长期影响过程和规律，为森林经营提供详细具体的技术和理论参考。

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