抚育强度对大兴安岭落叶松林枯落物持水能力及水质的影响1)

陈百灵 朱玉杰 董希斌 唐国华 毛波

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

责任编辑:潘 华。

森林具有保护物种多样性、水源涵养、改良土壤等多种生态功能［1］。森林植被通过林冠截留、树干径流、枯落物吸水、地表径流对森林生态系统的水量及水中化学特征进行再次分配［2-4］。枯落物层作为森林的一个组成结构，不仅对土壤肥力有着至关重要的影响，且由于其分层疏松的结构及良好的吸水性可以在整个水循环过程中起到缓冲作用［5］。枯落物分解后产生的各种含氮含磷无机盐溶于水后经过电离形成离子，作为土壤肥力被植物的根系吸收。水质的物理性质如氧化还原电位、盐分、导电性、总悬浮固体量、浊度等反映出肥力元素含量、枯落物的分解彻底性，还可以反映出枯落物分解速度的快慢。灰色关联法在评价水质方面有其特有的优点。该方法以实验数据为依据，计算各样本中同类因素之间关联度，用以描述其变化趋势的相似程度［6-7］，实用性强。关联度越大，该样地评价结果较其他抚育强度越好。目前国内外对水源涵养的关注日渐上升［8-10］。李超［11］等曾对大兴安岭林窗改造及带状改造的枯落物的水文效应进行过研究。蒋俊明［12］针对长宁竹海的竹林、杉木林及白栎林进行了水文效应评价，并得出杉木林的蓄水保水能力最佳。但大多数文章仅针对人工林及次生林的枯落物的蓄水保水性能进行分析，对用材林抚育改造后地表水水质的综合评价还未见报道。据此，本文对大兴安岭用材林不同抚育强度下枯落物的持水能力及水质进行评价。为以后大兴安岭的森林经营及蓄水保水措施提出理论建议与参考。

1 试验区概况

实验林场位于大兴安岭新林林业局下属的新林林场106、107、108、109 林班内，地处东经123°41'～125°25'，北纬51°20'～52°10'。该地区属温带大陆性气候，终年长期处于寒冷湿润状态，降水期较短，年降水量在513.9～646 mm，雨期主要集中在7、8月份。年均气温-2.6 ℃，年平均积温接近于1 600 ℃;全年日照时间约为2 357 h，日照百分率为51%～56%。冬季寒冷且持续较长，春秋两季日间温差较大并伴有大风［13］。

2 研究方法

2.1 枯落物各层次蓄积量及持水性测定

选取7 个抚育强度样地，分别为6.23%(B)、16.75%(C)、20.86%(D)、27.85%(E)、40.01%(F)、56.51%(G)、67.25%(H)，并在林分及立地条件相似的未抚育过的林地内设置对照样地(A)。根据抚育强度除去试验样地中生长较差林分及林下灌木层。于2014年6月平均无雨数日后同一天采集8 个样地枯落物。为防止枯落物在某一地区富集，在各试验样地内沿S 型选取4 个30 cm×30 cm 样方，由于已分解层已完全分解无法清晰辨认故仅选取半分解层与未分解层枯落物，且取样过程中尽量保证枯落物的结构及形态不变，试验后求4 组数据平均值。

取样后，迅速测量枯落物的鲜质量，随后放入烘箱85 ℃温度下烘烤24 h，达到恒质量，称其干质量，并根据其干质量换算出枯落物的蓄积量。本文利用室内浸泡法测量其持水性。为防止枯落物散失将烘干后的枯落物装入网袋浸入水中，分别测定0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、24.0 h 吸水之后的质量，测量时，要让枯落物在不再滴水的情况下称其质量。设枯落物鲜质量m1，烘干后质量m2，则其自然持水量为K0=m1-m2，自然持水率为K'0=((m1-m2)/m2)×100%试验中发现浸泡24 h 以后的持水量不再发生变化，故以24 h 的持水量为最大持水量Km，24 h 的持水率为最大持水率K'm。设浸泡24 h 后不再滴水时的质量为m3再由公式Km=m3-m2及K'm=((m3-m2)/m2)×100%求出其最大持水量及最大持水率。设枯落物蓄积量为M，则有效拦蓄量W=(0.85K'm-K'0)M。

2.2 径流水质测定

于2014年6月份同一天同一时间测定8 个样地水质状况。在8 块样地中，选择坡度、林分、立地条件相同的地点，利用PVC 隔板隔为200 cm×50 cm的径流小区。在每个径流小区上方设置出水箱，出水箱上方还应设置可提供恒定水位的供水水箱。为模拟地表径流还应在出水槽下方设置一簸箕形状出水槽，使水流均匀流入地表形成地表径流。在径流小区下方设置集水装置以接收冲刷地面后的水样。经由SEBA 公司设计的MPS-D8 waterquality probes仪器对水样进行测量，测得水质的温度、电导率、盐分质量浓度、pH 值、氧化还原电位、浊度及总悬浮固体质量浓度。枯落物凋零腐败经土壤中微生物分解为纤维素无机盐等作为土壤肥力被植物根系吸收利用，由于各种盐分溶于水后电解形成离子，具有带电性，以电导率、盐分质量浓度、氧化还原电位反映营养元素含量;浊度及总悬浮固体质量浓度可反映水中含沙量及枯落物分解程度。

3 结果与分析

3.1 枯落物的持水特性

(1)通过计算得到表1数据，8 块样地未分解枯落物蓄积量由小到大顺序为D(1.47 t/hm2)＜G(1.53 t/hm2)＜A(1.66 t/hm2)＜E(1.69 t/hm2)＜B(1.7 t/hm2)＜H(2.03 t/hm2)＜C(2.29 t/hm2)＜F(2.37 t/hm2)。半分解枯落物蓄积量由小到大顺序为A(1.64 t/hm2)＜H(2.11 t/hm2)＜C(2.63 t/hm2)＜G(2.67 t/hm2)＜B(2.86 t/hm2)＜D(3.64 t/hm2)＜E(4.58 t/hm2)＜F(6.29 t/hm2)。两者最大值均出现在抚育强度为40.01%时，枯落物的蓄积量最大，具有良好的水土保持作用。与对照样地相比，大部分样地蓄积量均有一定程度的升高，这是由于较差林分及林下灌木移除后，生长较好的林分有了更大的生存空间，促进了林木冠层生长，树木冠幅增大，枯落物来源增多。由表中百分比值可以看出未分解层含量均小于半分解层蓄积量，且随着抚育强度的增加，未分解层蓄积量呈现双峰态势，而半分解层蓄积量随着抚育强度增大而增大在40.01%处达到最大，随后随抚育强度增大而减小。随着抚育强度的增加，枯落物的分解速度逐渐加快，可以更好地为土壤提供肥力。但抚育强度超过40.01%时，不利于土壤养分的蓄积，同时降低了土壤微生物的生物量和酶活性，从而使枯落物的分解速率逐渐放慢。与未抚育样地对比，枯落物蓄积量均有明显增加，适当抚育采伐可以增加枯落物蓄积量，并为土壤提供充足肥力。

(2)最大持水量(率)为枯落物在24 h 浸泡后测得的质量，通常认为枯落物在24 h 之内吸水达到饱和，这一数值并不能说明枯落物的蓄水能力，仅代表该样地具有的涵养水源潜力。而有效拦蓄量则实际的体现出枯落物的拦蓄能力。表中数据显示经抚育改造后枯落物的保水蓄水能力呈不规则变化。在抚育强度为27.90%时，枯落物的保水蓄水能力最佳，但并不能据此认为抚育强度为27.90%是最佳生态改造方式，还需进一步对水质进行考察［14］。

表1 不同抚育强度下未分解及半分解枯落物拦蓄能力

3.2 水质灰色关联综合评价

采用灰色关联法对该地区的水质进行评价，所选择的指标有温度、电导率、盐分、pH 值、氧化还原电位、浊度及总悬浮固体等。其中温度、pH 值为固定性指标，即该指标越趋近于一个固定值越好。由于化学反应、生物反应的发生条件都需要一个相对温和的环境故温度和pH 值达到一个固定值最佳。其中电导率、盐分、氧化还原强度为效益指标。由于N、P、K 等元素作为肥力时通常都以离子形式存在，形成盐溶于水作为肥力被植物根系吸收，并具有不同的氧化性和还原性。导电性、盐分、氧化还原强度可以从侧面反映出水中肥力状况。浊度及总悬浮固体量为成本性指标，枯落物分解的越彻底水中可见性固体及不溶性固体越少，存在于枯落物中的无机元素被释放的越多。

(1)确定决策矩阵。矩阵由纵向A、B、C、D、E、F、G、H 这8 块样地及横向7 个指标的实测值组成的7×8 矩阵。矩阵横向为水质评价指标，顺序为温度、导电性、盐分、pH 值、氧化还原电位、浊度及总悬浮固体含量。决策矩阵X 如下:

(2)初始化决策矩阵。由于7 个指标单位不同，在评价时具有不可公度性，故应通过初始化处理，以减小不同量纲及量纲单位对评价结果的影响。选出每一指标最佳值［15］，将该指标所有数据除以最佳值后形成新的决策矩阵。记X'为初始化后的决策矩阵，即满足公式(1)。

其中，X'ij为进行初始化后的水质评价决策矩阵，Xij为由原始值形成的决策矩阵，Xi0为由每一水质指标最佳值形成的矩阵。由此得到不同抚育强度下大兴安岭地区水质评价的决策矩阵X'。

(3)确定评价指标判断矩阵。将每一指标最佳值形成的矩阵记为理想矩阵。由初始化后的决策矩阵得到判断矩阵为:

将Xi0作为母序列用下列公式(2)即可计算出每一抚育强度下各水质指标值与最佳抚育强度的灰色关联度rij，其中λ 取0.5。

由公式2 得到大兴安岭地区8 块样地各水质指标的灰色关联系数rij，并构成一个7×8 灰色关联评价矩阵R。

(4)确定大兴安岭地区各水质指标权重。为定量的表达出各指标对评价结果的影响，本文利用变异系数法求出大兴安岭地区各水质指标的权重。变异系数法的优点在于在均值的基础上体现数据的离散程度，可以清晰明了的表达出各样地不同指标对评价的影响程度及数据间的差异性，与灰色关联度法具有良好的衔接性。利用公式(3)求出每项水质指标的变异系数。

公式3 中，vi代表大兴安岭地区水质评价中第i个指标的变异系数，代表大兴安岭水质第i 个指标的标准差，X0i 代表水质评价中第i 个指标的平均值。公式(3)中所用数据均为试验测得的原始值。求出各指标变异系数后，经由公式(4)求出大兴安岭地区水质评价指标的权重。

代入数据后得到各指标权重，其中指标顺序为温度、电导率、盐分、pH 值、氧化还原电位、浊度、总悬浮固体含量。权重矩阵如下:

由权重矩阵可知，浊度及总悬浮固体质量浓度对水质评价影响较大。其次为温度。

(5)计算不同抚育强度改造下灰色关联度。利用前两步的灰色关联判断矩阵R 和权重矩阵W，根据公式(5)计算出8 个抚育强度下灰色关联度，见表2。

表2 各抚育改造后灰色关联度

经计算后发现样地F，即抚育强度为40.01%的样地灰色关联度最高，该抚育强度与理想抚育强度最接近，为最佳抚育强度。B、D、H 3 块样地低于对照样地，抚育强度过大或者过小对林分生长均有不良影响。过低的抚育强度不利于加快林地的生态循环过程，减少了枯落物的凋零、无机元素肥力的释放。与此同时，过高的抚育强度也不利于森林的生态循环，因为经过大强度采伐后，森林的部分养分快速流失，导致森林水分、肥力的流失，使森林生态功能及自我调节能力失调，不利于森林可持续发展。

4 结论与讨论

森林与水的关系是相互依存的，水作为森林生态系统循环的主要组成部分，水质等级对森林系统的可持续发展具有举足轻重的地位。许多专家学者对森林生态系统的水文效应评价做出了众多贡献。试验研究表明未分解层与半分解层的吸水特性具有统一性。其统一性表现在吸水速率、吸水量趋势基本一致，且在15 min 内速度最快，随后吸水速率慢慢减缓。这与韩友志［16］等研究结果一致，枯落物在开始的2 h 内持水量增长较快且吸水速率开始最大随后放缓。半分解层枯落物的蓄积量取值范围在1.64～6.29 t/hm2，未分解层枯落物的蓄积量取值范围为1.47～2.37 t/hm2，说明不同抚育强度下的半分解层枯落物的蓄积量比未分解层枯落物蓄积量大，由于经过采伐抚育后林地的郁闭度减小，林冠下层接收到更多的阳光，且阳光的增加使下层植物的生长速率加快，增加了枯落物的蓄积量，温度的升高也有利于枯落物分解速度的加快。枯落物具有缓冲雨滴力量、减少降雨对地面冲刷的作用［17］，本研究中抚育强度为40.01%，蓄积量达到最大，样地枯落物保持水土能力最佳，这与尤海舟［18］研究认为弱度间伐及中度间伐样地枯落物蓄积量高于对照样地的结论一致。有效拦蓄量表明在森林生态循环过程中，枯落物对水的拦蓄、净化能力。抚育强度为27.90%的样地有效拦蓄量最大，保水蓄水效果最好。时忠杰［19］等通过对桉树的间伐与皆伐模式研究结果显示森林蓄水量有所上升。通过灰色关联度法对大兴安岭地区水质进行了评价，利用变异系数法求每项水质指标在评价体系中的权重按大小排序为总悬浮固体含量、浊度、温度、氧化还原电位、盐分、电导率及pH。排位越靠后说明对评价结果影响越小，不同样地pH 值差别较小，对抚育的影响较小。而总悬浮固体量权重最大，8 块样地中枯落物的分解程度不尽相同，影响土壤肥力。经计算后得到8 块样地枯落物灰色关联度排序为D(0.4288)＜B(0.4294)＜H(0.4612)＜A(0.5135)＜E(0.5613)＜C(0.6560)＜G(0.6938)＜F(0.9551)，抚育强度为40.01%的改造样地水质最佳。

综合以上分析，抚育强度27.90%的样地保水蓄水性能最佳，其灰色关联度为0.561，水质评价排在第4 位。而样地F(40.01%)灰色关联度最高，水质评价最好，其保水蓄水性排在第五位，但其枯落物蓄积量最大，具有最好的水源涵养潜力。故抚育强度应介于20.9%～40.0%。水源涵养及水质的综合评价不仅与经营模式有关，还与阳光、社会条件等密不可分，形成了目前的水质及水源涵养功能的实现，这方面还有待研究［20］。

［1］ 向泽宇，张莉，张全发，等.青海不同林分类型土壤养分与微生物功能多样性［J］.林业科学，2014，50(4):22-31.

［2］ 韩春华，赵雨森，杨俊，等.阿什河上游几种林分水源涵养能力比较［J］.东北林业大学学报，2008，36(6):16-18.

［3］ 盛后财，蔡体久，琚存勇.小兴安岭白桦林降水转化过程元素特征分析［J］.北京林业大学学报，2015，37(2):59-66.

［4］ 徐娟，余新晓，席彩云.北京十三陵不同林分枯落物层和土壤层水文效应研究［J］.水土保持学报2009，23(6):189-193.

［5］ 王波，张洪江，杜士才，等.三峡库区天然次生林凋落物森林水文效应研究［J］.水土保持通报，2009，29(6):83-87.

［6］ 刘金英，杨天行，李明，等.一种加权绝对灰色关联度及其在密云水库水质评价中的应用［J］.吉林大学学报:地球科学版，2005，35(1):54-58.

［7］ 曾翔亮，董希斌，高明.不同诱导改造后大兴安岭蒙古栎低质林土壤养分的灰色关联评价［J］.东北林业大学学报，2013，41(7):48-52.

［8］ Richard lee，Goranillo A B.Soil protection by natural vegetation on clear cut forest land in Arkansas［J］.Journal of Soil and Water Conservation，1985，40(4):379-382.

［9］ Slodicak M，Novak J，Skovsgaard J P.Wood production，litter fall and humus accumulation in a Czech thinning experiment in Norway Spruce (Picea abies (L.)Karst)［J］.Forest Ecology and Managemet，2005，209(1/2):157-166.

［10］ 刘效东，周国逸，陈修治，等.南亚热带森林演替过程中小气候的改变及对气候变化的响应［J］.生态学报，2014，34(10):2756-2763.

［11］ 李超，董希斌，宋启亮.大兴安岭白桦低质林皆伐改造后枯落物水文效应［J］.东北林业大学学报2013，41(10):23-27.

［12］ 蒋俊明，费世民.长宁竹海5 种林分类型的水文效应评价［J］.西部林业科学，2006，35(6):17-22.

［13］ 高明，朱玉杰，董希斌.采伐强度对大兴安岭用材林土壤化学性质的影响［J］.东北林业大学学报，2013，41(12):39-76.

［14］ J D Stednick.Monitoring the effects of timber harvest on annual water yield［J］.Journal of Hydrol，1996，176(1/3):79-95.

［15］ 毛波，董希斌，宋启亮.大兴安岭白桦低质林改造后土壤肥力的综合评价［J］.东北林业大学学报，2014，42(10):72-76.

［16］ 韩友志，邢兆凯，顾宇书等.浑河上游白桦冷杉等9 种林分枯落物储量及持水特性［J］.东北林业大学学报，2011，39(11):15-18.

［17］ 覃文更，黄承标，韦国富等.木论林区枯枝落叶层的水文作用及其养分含量的研究［J］.森林工程，2004，20(7):6-8.

［18］ 尤海舟，毕君，宋熙龙等.间伐抚育对小五台山华北落叶松林下枯落物持水特性的影响［J］.水土保持通报，2013，33(6):63-67.

［19］ 时忠杰，徐大平，张宁南等.桉树人工林水文影响研究进展［J］.林业科学，2009，45(11):135-140.

［20］ Hornbeck J W，Adams M B，Corbett E S，et al.Long-term impacts of forest treatments on water yield:a summary of northeastern United States［J］.Journal of Hydrol，1993，150(2/4):323-344.