水曲柳人工纯林及针阔混交林枯落物储量和持水特性

夏祥友 (东北林业大学林学院，黑龙江哈尔滨150040)

森林枯落物层由植物的茎叶、枝条、芽、鳞、花、果实、树皮等凋落物及动植物分解后的残体组成，是森林结构的重要组成部分和森林生态系统物质及养分循环的重要环节［1］，枯落物的数量和质量影响林地表面性质［2］及土壤有机质含量，并直接影响土壤物理和化学过程。林地枯落物层是森林水文效应的第2作用层［3］，在水土保持、水源涵养等方面具有较重要作用。森林枯落物层可缓冲雨滴动能，减少雨滴击溅造成的土壤表层结构破坏和土壤侵蚀。枯落物层能够吸持水分，促进下渗，迟滞径流产生时间，减少地表径流量和径流侵蚀，并对土壤水分补充产生影响［4］，其水源涵养效能强弱与自身的积累数量、分解状况和自然含水量有关［5］。枯落物的持水机理受枯落物性质影响，其含水量时空变化比较复杂，并与坡位、坡向、坡形、坡度和海拔等因素结合起来直接或者间接地影响下垫面的水热分配和交换状况［6-7］。因此，研究枯落物层的持水特性对森林生态系统水分循环和水量平衡等方面具有重要意义。

水曲柳(Fraxinus mandshurica Rupr.)广泛分布于我国东北，是我国东北林区的珍贵硬阔树种和重要用材树种。水曲柳多生长在山坡中下部水分、光照条件较好的地段，常为天然纯林或与椴属、榆属等树种混交生长，水曲柳针叶带状混交林是黑龙江东部地区主要的人工林类型［8］。20世纪70年代以来许多人对水曲柳开展了适生立地、天然更新、立地区划和评价、速生丰产林营造、混交效应和种间关系的研究，但多是着重它的生态学特性和培育技术，有关水曲柳林分水文生态效应的研究还很少，即使是枯落物层水文作用研究也很少。该研究旨在探讨人工营造的水曲柳纯林与3种不同针叶树种混交林枯落物层持水特性的差异，为水源涵养林树种的选择、结构模式的合理调配与经营提供科学资料。

1 研究地区自然概况与研究方法

1.1 自然概况 研究地点设在东北林业大学帽儿山实验林场尖砬沟森林培育实验站。该站位于黑龙江省尚志市的西部，地理坐标为45°21'～45°25'N，127°30'～127°34'E，平均海拔300 m，坡度一般为10°～15°。属温带大陆性季风气候，年平均气温2.8℃，1月平均温度-23.0℃，7月平均温度20.9℃。无霜期130 d左右，年平均降水量700～800 mm，主要集中在7、8月份。地带性土壤为暗棕壤。植被为原始阔叶红松林遭破坏后形成的天然次生林。组成林分的乔木树种主要为水曲柳(Fraxinus mandshurica)、山杨(Populus davidiana)、枫桦(Batula costata)、白桦(Betula platyphylla)、黄波罗(Phellodendron amurense)、胡桃楸(Juglans mandshurica)、榆树(Ulmus lsciniata)、蒙古栎(Quercus mongolica)、椴树(Tilia amurensis)、红松(Pinus koraiensis)、色木槭(Acer mono)、白牛槭(Acer mandshuricum)及青楷槭(Acer tegmentosum)。灌木树种主要有暴马丁香(Syringa amurensis)、毛榛(Corylus mandshurica)、东北山梅花(Philadelphus schrenkii)和刺五加(Acanthopanax senticosus)。乔木树种的平均高度为20～22m，林下灌木平均高3.5～4.0 m，枯落物厚度2～6 cm。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置。选择尖砬沟实验站1989年营造的水曲柳纯林和3种水曲柳针叶混交林为研究对象。水曲柳针叶混交林皆为带状混交，林带长300 m，带宽30 m，混交比例为3水5针。林分在营造后没有进行抚育间伐，林分完全郁闭，自然稀疏和竞争激烈。在林带沿坡面自下而上的不同坡位设置20 m×20 m的标准地12个，用测高器、测杆、胸径尺和皮卷尺等常规仪器测定林分的树高、胸径(地径)等因子，同时对林地土壤的类型、厚度等立地因子进行调查记录(表1)。

表1 不同林分类型标准地概况

1.2.2 试验方法。

1.2.2.1 林分内枯落物的调查与测定。在每个样地内分别设置0.5 m×0.5 m的枯落物调查样方5个，调查枯枝落叶层的盖度、厚度、分布状况以及分解程度，按照未分解层和半分解层取样，并测定各层厚度。将收集的枯落物带回实验室称重，并取部分样品烘干(95℃，24 h)称重后推算1 hm2的枯枝落叶储量。

1.2.2.2 枯落物持水量测定。取部分烘干试样，用清水浸泡24 h后取出，滤去多余水分，称重后得出样品饱和吸水率。根据烘干法测定枯枝落叶层的自然含水量、最大持水量(率)和有效持水量［9-11］。

1.2.2.3 自然含水量计算。

H=W2-W1

式中:H为自然含水量(g);W2为烘干前重量(g);W1为烘干重(g)。

1.2.2.4 最大持水率计算。

式中:P为枯落物最大持水率(%);W为烘干重(g);W1为浸水前的重量(g);W2为浸水后的重量(g)。

2 结果与分析

2.1 枯落物储量 枯落物的储量(又称现存量)主要取决于枯落物的输入量、分解速度和积累年限，而森林的树种组成不同、林分所处的水热条件不同，都对枯落物蓄积量有较大影响［12］。该研究结果表明(表2)，4种林分中水曲柳红松混交林的枯落物储量最大，而水曲柳云杉混交林的储量最小。水曲柳纯林和水曲柳云杉混交林枯落物层厚度大于水曲柳落叶松混交林和水曲柳红松混交林，枯落物层厚度和枯落物储量之间没有明显的正相关性。

分析不同林分枯落物各分解层储量发现，除水曲柳云杉混交林未分解层枯落物的厚度略大于半分解层厚度外，各层次枯落物储量都是半分解层的总储量为未分解层1.5倍以上，水曲柳林半分解层枯落物储量所占比例最大，为67.1%。这可能与水曲柳纯林枯落物的分解速度要大于水曲柳针叶混交林有关。有研究表明，水曲柳纯林的枯叶经过1 a后其质量损失率达66.0%，而在混交林中1 a时间后质量损失率仅为 41.5%［8］。

表2 不同林分枯落物各层厚度和储量

2.2 枯落物持水特性 从表3可以看出，4种林分枯落物的自然含水率变化不大，变幅在49.4% ～58.3%;最大持水率以水曲柳纯林最大，其次是水曲柳云杉混交林，水曲柳落叶松混交林最小。但是由于枯落物层储量差异，使得水曲柳红松混交林的最大持水量反要大于水曲柳落叶松混交林和水曲柳云杉混交林。总体来看，水曲柳纯林枯落物的持水能力要好于水曲柳针叶混交林。在其他3种水曲柳针叶混交林中，水曲柳红松混交林的枯落物储量及最大持水量等方面都表现为最好，因为水曲柳红松混交林枯落物主要为水曲柳的落叶、小枝和红松的松针、松果等，由于松针和松果坚硬，纤维组织发达，表面富含单宁、油脂等有机物，难以分解，造成多年累积形成了较厚的枯落物层，增加了枯落物储量，使得该林分枯落物持水能力较大。

表3 不同林分枯枝落叶层的持水特征

3 结论

(1)在林地环境因子基本一致的条件下，所研究的4个类型的水曲柳人工林枯落物储量顺序为水曲柳红松混交林(11.2 t/hm2)、水曲柳纯林(9.7 t/hm2)、水曲柳落叶松混交林(9.3 t/hm2)、水曲柳云杉混交林(7.6 t/hm2)。除水曲柳云杉混交林未分解层枯落物的厚度略大于半分解层厚度，各层次枯落物储量都是半分解层的总储量为未分解层1.5倍以上。

(2)4种林分的枯落物最大持水量是水曲柳纯林(21.7 mm)和水曲柳红松混交林(21.6 mm)，远大于水曲柳云杉混交林(16.4 mm)和水曲柳落叶松混交林(16.1 mm)。最大持水率以水曲柳纯林最大，其次是水曲柳云杉混交林，水曲柳落叶松混交林最小。

(3)该研究结果表明，从有效持水量的角度考虑，人工水曲柳纯林的生态效益高于其他3种水曲柳针阔混交林。但水曲柳纯林的生态效益和水曲柳红松混交林的生态效益之间没有明显差异，从近自然经营的角度考虑，试验地区在以后大面积的营林造林及植被恢复过程中，应在一定程度上注重合理的针阔树种搭配，尤其是红松与水曲柳的混交林，注重生物多样性及其生态功能的恢复，避免营造过量的单一水曲柳纯林。

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