大兴安岭山杨低质林改造对枯落物持水性能的影响1)

唐国华 董希斌 毛波 张甜 马晓波 曲杭峰

(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)



大兴安岭山杨低质林改造对枯落物持水性能的影响1)

唐国华 董希斌 毛波 张甜 马晓波 曲杭峰

(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)

以大兴安岭山杨低质林带状改造后枯落物持水性能为研究对象，应用主成分分析法建立不同模式改造后山杨低质林枯落物持水性能的综合评价指标体系，对各个样地改造后的持水性能进行综合分析。结果表明：不同样地的枯落物持水量、吸水速率与浸泡时间之间分别满足对数关系和乘幂关系。不同改造模式下，枯落物持水性能综合得分从大到小依次为 S2、S5、S6、S7、对照样地、S8、S3、S1、S9、S4，其中S2样地的综合得分最高，表明10 m改造带中20 m保留带的改造模式下枯落物持水性能最佳。

山杨低质林；低质林改造；带状改造；枯落物持水性；大兴安岭

We studied the water-holding performance changes of the litters in aPopulusdavidianalow-quality forest after 3S bandwidth alteration in Daxing’an Mountains, and analyzed all the indexes of litter water-holding performance and the water-holding process. The principal component analysis was applied to establish a comprehensive evaluation index system for litter water-holding performance in theP.davidianalow-quality forest after different alteration modes, and comprehensive evaluation of the alteration effects of the sample plots was conducted. The litter water-holding capacity and absorption rate in different sample plots showed logarithmic relationship and exponentiation relationship, respectively, with the soaking time of litters. The descending order of the comprehensive performance in different alteration modes was S2, S5, S6, S7, CK, S8, S3, S1, S9, and S4. The score of the sample plot S2was the highest, which indicated that the alteration mode of 10-m bandwidth with 20-m reserve belt had the best litter water-holding performance.

森林枯落物既能有效拦截林地降水，又能避免太阳直射土壤，并且改善土壤，使土壤温度不至于过分降低或者升高，保护林分环境，在水源涵养、水土保持等方面发挥重要作用[1-8]。枯落物的组成成分和分解状况，直接反映林地生存环境和森林微气候的健康程度[9-10]；蓄积量的多少，由林分组成、林分生长状况、收集时间等多个因素决定[11]。枯落物通过对林地降水的截留作用，反映其水土保持性能的强弱[12-13]。不同模式改造后，枯落物的数量和形态发生变化，导致持水性能的改变。自然持水率和最大持水量，是反映枯落物持水能力的重要指标[14]。目前，许多研究者主要从不同林型的角度对枯落物持水性能进行研究[15-17]，而对不同模式改造后枯落物持水过程以及持水效果的综合评价研究较少。本文以大兴安岭山杨低质林为研究对象，探讨在带状模式改造后枯落物的持水性能；同时分析枯落物的持水过程，求出拟合方程，利用主成分分析法建立不同模式改造后山杨低质林枯落物持水效果的综合评价指标体系，并进行综合评价，得出最佳枯落物持水性能的改造模式；以便为大兴安岭山杨低质林的改造提供参考。

1 试验区自然概况

在加格达奇林业局跃进施业区193林班内，加卧公路18.5 km南侧设立试验区。该地区位于黑龙江省大兴安岭(124°22′47.8″～124°24′35.2″E，50°34′9.15″～50°34′32″N)山脉的东南坡，海拔高度370～420 m。山杨低质林试验区土壤类型主要是暗棕壤，土壤厚度介于10～20 cm；试验区内平均坡度8°，地势较为平缓，为大兴安岭山杨低质林创造了较好的立地条件。冬季寒冷干燥，年均气温-1.4 ℃，该试验区属于温寒带大陆性季风气候，冬季持续时间较长，夏季的时间较短；年均降水量470 mm左右，降水多集中于夏季的6—8月份。该区域的低质林主要有山杨林(PopulusdavidianaDode)、少量蒙古栎林(Xylosmaracemosuz)和白桦萌生(BetulaplatyphyllaSuk)，下层植被灌木主要有榛子(Coryluschinensis)、胡枝子(Lespedezabicolor)等，盖度为15%；草本以铃兰(Convallariamajalis)、水莎草(Juncellusserotinus)等为主，盖度达30%；林分郁闭度为0.4。

2 研究方法

2.1 样地设置

2013年春季对山杨低质林实验区进行带状改造(见图1)[18]。改造带宽为10(S1、S2、S3)、20(S4、S5、S6)、30 m(S7、S8、S9)，改造带长为400 m。在改造带内，依据伐阔保针原则，对非目的阔叶树种进行伐除、对无生长前景的树木进行伐除、对密度较大的林分进行伐除。每条改造带分成长度为100 m的4段样地，分别栽植西伯利亚红松(Pinussibirica)、樟子松(Pinussylvestris)、兴安落叶松(Larixgmelinii)和红皮云杉(PiceakoraiensisNakai)，栽植苗木时距离相邻保留林带1 m，行距为2.0 m×1.5 m，保留带带宽是对应改造带带宽的1倍、2倍、3倍，分别为10(P1)、20(P2)、30 m(P3)，20(P4)、40(P5)、60 m(P6)，30(P7)、60(P8)、90 m(P9)。山杨低质林经不同带宽改造完成后，对其进行基本的管理和维护，即每年对生态改造后的试验区低质林进行科学合理的抚育，改造当年以扩穴、扶正、培土、踏实和除草为主要的抚育工作，以后每年采取的抚育措施有：伐去竞争植物、割除灌木杂草、松土等。

S1～S9为改造带；P1～P9为保留带；A、B、C、D为改造带长4个均等分段，长均为100 m，A段栽植西伯利亚红松、B段栽植樟子松、C段栽植兴安落叶松、D段栽植红皮云杉。

图1 带状样地设置

2.2 枯落物采集与测定

测定枯落物指标，采用样方调查法、烘干法、浸泡法。在顺山带状改造试验区采用随机取样法进行取样，每条改造带的4个区块设置分3个样点，共12个样点。在各个样地选取30 cm×30 cm样方，收集枯落物的未分解层和半分解层。枯落物蓄积量的测定采用烘干法；枯落物的最大持水量、有效拦蓄量、吸水速率采用室内浸泡法，浸泡时间为0.25、0.50、1.00、2.00、4.00、8.00、24.00 h。

2.3 枯落物持水性能综合评价方法

以大兴安岭山杨低质林带状改造初期样地的枯落物为研究对象，利用Excel 2010软件对枯落物持水性能的各个指标进行均值和标准差分析，利用主成分分析法建立不同模式改造后山杨低质林枯落物持水效果的综合评价指标体系，利用SPSS 19.0进行相关分析，同时进行综合评价，筛选出山杨低质林枯落物持水性能最佳的改造模式。

3 结果与分析

3.1 改造模式对枯落物蓄积量的影响

由见表1可见：S1、S4、S8、S9样地，未分解枯落物蓄积量低于对照样地，经方差分析，差异性显著(P<0.05)；S2、S3、S6、S7样地，未分解枯落物蓄积量高于对照样地，经方差分析，差异性显著(P<0.05)；S6样地，未分解枯落物蓄积量(5.24 t·hm-2)最高，优于对照样地(0.78 t·hm-2)。S1、S4、S9样地，半分解枯落物蓄积量低于对照样地，经方差分析，差异性显著(P<0.05)；S2、S3、S5、S6样地，半分解枯落物蓄积量高于对照样地，经方差分析，差异性显著(P<0.05)；S2样地，半分解枯落物蓄积量(6.61 t·hm-2)最高，优于对照样地(0.34 t·hm-2)。S1、S4、S9样地，枯落物总蓄积量低于对照样地，经方差分析，差异性显著(P<0.05)；S2、S3、S5、S6、S7样地，枯落物总蓄积量高于对照样地，经方差分析，差异性显著(P<0.05)；S2样地，枯落物总蓄积量(11.69 t·hm-2)最高。S1～S9样地，未分解层蓄积量占总蓄积量的比例，分别为36.64%、43.46%、44.56%、38.60%、45.97%、48.12%、48.18%、43.50%、48.81%；半分解层蓄积量占总蓄积量的比例，分别为63.36%、56.54%、55.44%、61.40%、54.03%、51.88%、51.82%、56.50%、51.19%。经比较分析得出，通过带状改造后，每条改造带枯落物蓄积量所占比例，半分解层均高于未分解层。

表1 各样地枯落物蓄积量

注：表中数据为“平均值±标准差”；同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

3.2 改造模式对枯落物持水率的影响

由见表2可见：S3、S6、S9样地，未分解枯落物自然持水率低于对照样地，经方差分析，差异性不显著(P≥0.05)；S1、S2、S5、S7样地，未分解枯落物自然持水率高于对照样地，经方差分析，差异性显著(P<0.05)。改造后，各个样地的未分解枯落物自然持水率变异系数总体变化不大；S2样地，未分解枯落物自然持水率的变异系数(12.45%)最大；S5样地，未分解枯落物自然持水率的变异系数(10.67%)最小；改造样地未分解枯落物自然持水率的变异系数，均大于对照样地的变异系数(10.29%)。S7样地，未分解枯落物自然持水率(19.53%)最高。S3样地，半分解枯落物自然持水率低于对照样地，经方差分析，差异性显著(P<0.05)；其余改造样地，半分解枯落物自然持水率高于对照样地，经方差分析，差异性显著(P<0.05)。S7样地，半分解枯落物自然持水率的变异系数(12.53%)最大；改造样地半分解枯落物自然持水率的变异系数，均小于对照样地的变异系数(16.77%)。S1样地半分解枯落物自然持水率(58.87%)最高。

表2 各样地枯落物自然持水率

注：表中“枯落物自然持水率”数据为“平均值±标准差”；同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

由见表3可见：S3、S4样地，未分解枯落物最大持水率低于对照样地，经方差分析，差异性显著(P<0.05)；S1、S5、S9样地，未分解枯落物最大持水率高于对照样地，经方差分析，差异性不显著(P≥0.05)。改造后，各个样地的未分解枯落物最大持水率变异系数，总体变化较小。S9样地，未分解枯落物最大持水率(612.15%)最高。S4样地，半分解枯落物最大持水率低于对照样地，经方差分析，差异性显著(P<0.05)；S5、S6、S9样地，未分解枯落物最大持水率高于对照样地，经方差分析，差异性显著(P<0.05)。改造后，各个样地的半分解枯落物最大持水率变异系数，出现从中变异到弱变异转变的过程。S9样地，未分解枯落物最大持水率(612.15%)最高；S5样地，半分解枯落物最大持水率(684.69%)最高。

表3 各样地枯落物最大持水率

注：表中“枯落物最大持水率”数据为“平均值±标准差”；同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

3.3 改造模式对枯落物大持水量及有效拦蓄量的影响

由见表4可见：S1、S4、S9样地，未分解枯落物最大持水量低于对照样地，经方差分析，差异性显著(P<0.05)；S2、S5、S6、S7样地，未分解枯落物最大持水量高于对照样地，经方差分析，差异性不显著(P≥0.05)；S6样地，未分解枯落物最大持水量(25.97 t·hm-2)最高。S1、S4、S9样地，半分解枯落物最大持水量低于对照样地，经方差分析，差异性显著(P<0.05)；S2、S5、S6样地，半分解枯落物最大持水量高于对照样地，经方差分析，差异性显著(P<0.05)；S2样地，半分解枯落物最大持水量(34.45 t·hm-2)最高。S1、S4、S9样地，枯落物总最大持水量低于对照样地，经方差分析，差异性显著(P<0.05)；S2样地，枯落物总最大持水量(60.19 t·hm-2)最高。S1～S9样地，未分解层最大持水量占总最大持水量的比例，分别为36.51%、42.76%、43.58%、37.36%、42.33%、44.39%、47.13%、42.88%、46.95%；半分解层最大持水量占总最大持水量的比例，分别为63.49%、57.24%、56.42%、62.64%、57.67%、55.61%、52.87%、57.12%、53.05%。带状改造后，每条改造带枯落物最大持水量所占比例，半分解层均高于未分解层。

表4 各样地枯落物最大持水量

注：表中数据为“平均值±标准差”；同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

由见表5可见：S1、S4、S9样地，未分解枯落物有效拦蓄量低于对照样地，经方差分析，差异性显著(P<0.05)；S5、S6样地，未分解枯落物有效拦蓄量高于对照样地，经方差分析，差异性不显著(P≥0.05)；S6样地，未分解枯落物有效拦蓄量(21.46 t·hm-2)最高，优于对照样地2.01 t·hm-2。S4、S9样地，半分解枯落物有效拦蓄量低于对照样地，经方差分析，差异性显著(P<0.05)；S2样地，半分解枯落物有效拦蓄量(26.23 t·hm-2)最高。S1、S4、S9样地，枯落物总有效拦蓄量低于对照样地，经方差分析，差异性显著(P<0.05)；S2、S5、S6样地，枯落物总有效拦蓄量高于对照样地，经方差分析，差异性显著(P<0.05)；S2样地，枯落物总有效拦蓄量(47.31 t·hm-2)最高。S1～S9样地，未分解层有效拦蓄量占总有效拦蓄量的比例，分别为38.49%、44.56%、45.40%、39.81%、43.72%、46.46%、49.12%、44.65%、48.71%；半分解层有效拦蓄量占总有效拦蓄量的比例，分别为61.51%、55.44%、54.60%、60.19%、56.28%、53.54%、50.88%、55.35%、51.29%。带状改造后，每条改造带枯落物有效拦蓄量所占比例，半分解层均高于未分解层。

3.4 不同改造模式的枯落物持水过程

在山杨低质林带状改造模式中，不同改造模式收集的林下枯落物吸水性能不同，但吸水过程基本相似，即前期浸水阶段、快速吸水阶段、缓慢吸收阶段、饱和阶段，整个过程大约持续24 h。

3.4.1 不同改造模式枯落物持水量与浸泡时间的关系

对山杨低质林采取带状模式改造后，各改造样地枯落物未分解层和半分解层的持水量不同，分析其与浸泡时间的关系，对枯落物持水量与浸泡时间进行拟合，得出拟合方程为：W=mln(t)+n，其中W为枯落物的持水量、t为浸泡时间、m和n为参考系数。对大兴安岭山杨低质林带状改造后，枯落物持水量按照拟合方程拟合效果较好，R2≥0.775(见表6)。

表5 各样地枯落物有效拦蓄量

注：表中数据为“平均值±标准差”；同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

表6 枯落物持水量与浸泡时间的关系方程式

3.4.2 不同改造模式枯落物吸水速率与浸泡时间的关系

对山杨低质林采取带状模式改造后，各改造样地枯落物未分解层和半分解层的吸水速率不同，分析其与浸泡时间的关系，得出吸水速率与浸泡时间的关系拟合方程为：v=atn，其中v为枯落物吸水速率、t为浸泡时间、n为指数，a为参考系数。对大兴安岭山杨低质林带状改造后，枯落物持水量按照拟合方程拟合效果较好，R2≥0.995 6(见表7)。

表7 枯落物吸水速率与浸泡时间的关系方程式

3.5 不同改造模式枯落物持水性能的综合评价

利用SPSS 19.0分析软件，将大兴安岭山杨低质林改造后的各个指标标准化的数据(表8)进行主成分分析(见表9)。由表9可见：到第3个主成分时，累计贡献率达到93.103%>85%，满足要求。因此，选取前3个主成分进行分析，即可满足描述大兴安岭山杨低质林带状生态改造后枯落物的持水性能。利用SPSS 19.0软件分析大兴安岭山杨低质林经过不同模式改造后，枯落物持水性能的前3个主成分的因子载荷(见表10)。

表8 不同改造模式各指标标准化处理

表9 不同改造模式各指标总方差分析

由表10可见：第1主成分，在总最大持水量、总有效拦蓄量、半分解有效拦蓄量、半分解最大持水量、未分解最大持水量指标上有较大载荷；第2主成分，在未分解最大持水率、半分解最大持水率、半分解自然持水率、未分解自然持水率、未分解最大持水量指标上有较大载荷；第3主成分，在未分解自然持水率、半分解自然持水率、半分解蓄积量、半分解最大持水量、总蓄积量指标上有较大载荷。先计算出各改造模式选取的3主成分的因子得分，然后确定每个主成分的权重(依次为0.701、0.202、0.097)，最后计算出各个改造样地改造效果的综合评价(见表11)。

表10 不同改造模式各指标因子载荷

表11 不同改造模式改造效果综合评价结果

由表11综合评价结果可得：各个样地改造后，枯落物持水性能的综合得分从高到低依次为S2、S5、S6、S7、对照样地、S8、S3、S1、S9、S4。其中S2样地综合得分最高，说明10 m改造带中20 m保留带的改造模式下枯落物持水性能最佳。

4 结论与讨论

对大兴安岭山杨低质林带状模式改造后各个样地枯落物持水性能的各项指标进行分析，结果表明：每条改造带枯落物蓄积量、最大持水量、有效拦蓄量所占比例，半分解层均大于未分解层；每条改造带未分解层和半分解层枯落物的自然持水率和最大持水率，没有显著的大小关系。通过对山杨低质林带状改造后，由于地上暴露出来的面积变大和光照强度变强，直接影响未分解层枯落物的分解速度，并使分解速度加快，与之相关的半分解层枯落物数量增加。研究表明，枯落物的持水量和有效拦蓄量与枯落物蓄积量呈现正相关，枯落物持水量和有效拦蓄量随着枯落物蓄积量的增加而增加，这与李超研究的结果相似[19]。

对不同改造样地的枯落物持水量与浸泡时间的关系进行分析，得出对数曲线：W=mln(t)+n，这与宋启亮得出的持水量与浸泡时间之间的变化规律一致[20]。不同改造模式下枯落物的吸水性能不同，但吸水过程基本相似，即前期浸水阶段、快速吸水阶段、缓慢吸收阶段、饱和阶段，整个过程大约持续24 h。在进行带状模式改造后，不同样地的枯落物持水量随浸泡时间的变化趋势基本一致。对吸水速率与浸泡时间的关系进行分析，得到乘幂曲线：v=atn，这与王士永等[21]得出的吸水速率与浸泡时间的变化规律一致。各个改造样地枯落物的吸水速率，随着浸泡时间的推移呈现相似的变化过程，即快速下降、缓慢下降、趋于饱和、完全饱和，整个过程大约持续24 h。在进行带状模式改造后，不同样地的枯落物吸水速率随浸泡时间的变化趋势基本一致。

对大兴安岭山杨低质林带状改造，不同样地的枯落物持水性能综合得分，从大到小依次为S2、S5、S6、S7、对照样地、S8、S3、S1、S9、S4。其中S2样地的综合得分最高，说明10 m改造带中20 m保留带的改造模式下枯落物持水性能最佳。带状改造后，山杨低质林枯落物的持水性能，各个指标既相互依赖又相互排斥，因此，山杨低质林枯落物的持水性能的各个参数同时都达到最优值几乎是不可能的，最优目标是山杨低质林的枯落物持水性能整体达到最优。

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Effect of Litters in aPopulusdavidianaLow-quality Forest on Water-holding Capability in Daxing’an Mountains//

Tang Guohua, Dong Xibin, Mao Bo, Zhang Tian, Ma Xiaobo, Qu Hangfeng

(Key Laboratory of Forest Sustainable Management and Environmental Microorganism Engineering of Heilongjiang Province, Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(10)：35-40.

Populusdavidianalow-quality forest; Alteration of low-quality forest; Bandwidth alteration; Water-holding capability of litter; Daxing’an Mountains

唐国华，男，1991年2月生，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)，硕士研究生。E-mail：652095437@qq.com。

董希斌，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)，教授。E-mail：xibindong@163.com。

2016年5月4日。

S756.5；S715.7

1)林业科学技术推广项目([2015]06号)。

责任编辑：张 玉。