抚育间伐对麻栎次生林枯落物持水性的影响

2018-06-15陈永华张建国薛文艳张文辉

水土保持研究 2018年4期

唐禾, 陈永华, 张建国, 薛文艳, 张文辉

(1.西北农林科技大学林学院, 陕西杨凌 712100; 2.延安市黄龙山林业局, 陕西黄龙 715700)

森林具有极强的涵养水源能力，通过林冠层、枯落物层、土壤层拦蓄和涵养水源[1]。枯落物作为森林结构的重要组成部分，对生态系统的环境、土壤和植被均有一定的影响，起着不可代替的生态学作用[2]。森林枯落物一方面可以增加地表层的粗糙度，减少地表径流，促进土壤水分下渗，减缓降雨对表层土壤的冲刷和土壤水分蒸发，防止水土流失，对涵养水源和保持水土具有重要作用[3]；同时在氧化分解后还能增加土壤有机质，为土壤生物和森林植物生长提供养分和能量，促进生态系统物质循环[4-5]。研究枯落物层水文效应对于探讨森林生态系统的水文循环和水量平衡具有重要意义[6]。

桥山林区作为陕西省五大国有林区之一，地处黄河中游黄土高原区，该区域水土流失极为严重，如何发挥森林保持水土和涵养水源的作用是桥山林区营林工作的重心。麻栎作为桥山林区的主要建群种之一，对当地的水源涵养、水土保持具有重要作用[7]。因此，提高桥山林区麻栎次生林的持水性能对提高该林区水土保持能力具有显著作用。目前，国内外学者对枯落物做了大量研究，主要集中在持水性[8-10]、分解[11-13]、储量[14-16]等方面。但关于桥山林区麻栎(Quercusacutissima)次生林枯落物持水性能的研究还鲜有报道。研究证明辽东栎(Quercuswutaishanica)林枯落物持水效应受间伐强度的影响，轻度间伐提高了枯落物持水性，对保护水土流失有重要意义[17]。因此，本文以桥山林场麻栎次生林枯落物为研究对象，研究间伐对麻栎林分枯落物持水效应的影响，旨在为该林区麻栎次生林的森林抚育及水源涵养提供理论与实践依据。

1 研究区概况

研究区位于陕西省延安市桥山林业局双龙林场，林区地理位置为108°31′—109°11′E，35°30′—35°50′N，桥山林区位于鄂尔多斯台地南缘，海拔800～1 700 m，属暖温带气候，平均气温3.42～11.90℃，最高气温38℃，最低气温-23℃，7月平均气温最高，为21.9℃，1月平均气温最低，为-4.7℃，4月平均气温为11.1℃，10月平均气温为10.0℃。年平均降水量677.4 mm，降水量年际间差异较大，且呈明显的季节性变化。降雨量最大的年份为1 037.2 mm，降雨量最小的年份为431.7 mm。林区夏季降水比较集中，占全年的51%，秋季占25%，春季占18%，冬季占6%。年日照时间2 528 h，无霜期190～225 d，主要土壤类型为森林褐土。该林区共有植物6纲30目85科，200属750多种。乔木层植被主要有：麻栎、辽东栎、白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Popolusdaviana)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、漆(Toxicodendronvernicifluum)、杜梨(Pyrusbetulifolia)、油松(Pinustabuliformis)、侧柏(Platycladusorientalis)等，灌木层植被主要包括：南蛇藤(Celastrusorbiculatus)、黄刺玫(Rosaxanthina)、胡枝子(Lespedezabicolor)、狼牙刺(Sophoradavidii)等，草本植物主要有：白茅(Imperatacylindrica)、苔草(Carexspp.)、披碱草(Elymusdahuricus)、茜草(Rubiacordifolia)等。

2 研究方法

2.1 样地的设置

对研究区麻栎林分进行充分踏查后，采用典型取样，设置30 m×20 m麻栎纯林样地12块。在2012年，以近自然经营理论作为间伐指导，以林分储量作为间伐标准，设置35%间伐样地(强度间伐)、25%间伐样地(中度间伐)、15%间伐样地(轻度间伐)和未间伐样地(对照)各3块。2017年8月，对样地进行调查取样，样地刚间伐完和伐后5 a基本信息见表1。

表1 林分作业前后麻栎次生林概况

注：CK为对照；T15为轻度间伐；T25为中度间伐；T35为重度间伐，下表同。

2.2 枯落物储量测定

在各样地的4个角和中间选取5个1 m×1 m的小样方，分别测量未分解层和分解层(包括半分解层和全分解层)厚度，并按分解层和未分解层收集枯落物并现场称重，带回实验室后在85℃下烘干至恒重，计算枯落物储量和含水率[18]。

2.3 枯落物持水性测定

在各样地的4个角和中间选取5个0.3 m×0.2 m的小样方，在不破坏枯落物自然结构的条件下收集枯落物于纸盒中，带回实验室在85℃下烘干。将烘干的枯落物按分解层与未分解层分别放入100目土壤筛中，测定其初始重量后完全浸水，分别在0.25，0.5，1，2，4，8，12，24 h时取出，放置于室内，至无水滴落时测定其重量，用于计算枯落物各时段的吸水速率、吸水量以及最大持水量。一般枯落物在浸水24 h后达到最大持水量[19]。

2.4 枯落物含水率及有效拦蓄量的计算

枯落物含水率计算公式为：

(1)

式中：W为枯落物含水率(%)；m1为枯落物自然状态下重量(g)；m0为枯落物干重(g)。

由于林区通常处于坡地，落到枯落物层的雨水只有一部分被拦蓄，另一部分很快形成地表径流流走。所以用最大持水量来计算枯落物层的拦蓄能力，会使结果偏大，因此实际应用中常用有效拦蓄量来估算枯落物对降雨的实际拦蓄能力[20]。当降雨量达到20～30 mm时，枯落物的实际持水率约为最大持水率的85%[21]，因此枯落物有效拦蓄量计算公式为：

R=(0.85Qm-W)×M

(2)

式中：R为有效拦蓄量(t/hm2)；Qm为最大持水率(%)；W为自然含水量(%)；M为枯落物储量(t/hm2)。

2.5 数据统计与分析

本研究采用Microsoft Excel 2016处理试验数据并作图，用SPSS 22.0软件作单因素方差分析(p<0.05)，并进行LSD多重比较，检验其差异显著性。

3 结果与分析

3.1 不同间伐强度下枯落物厚度和储量

由表2可知，CK样地中枯落物未分解层厚度最大，且与中度间伐和重度间伐之间存在显著性差异，重度间伐未分解层厚度最小，与CK、轻度间伐和中度间伐之间均具有显著性差异；分解层厚度顺序为：中度间伐>轻度间伐>CK>重度间伐，其中重度间伐与CK、轻度间伐和中度间伐之间均有显著性差异，CK、轻度间伐和中度间伐相互之间没有显著性差异。

表2 不同间伐强度下枯落物储量

注：同列不同字母表示差异显著(p<0.05)。

枯落物未分解层储量随着间伐强度增大呈减小的趋势，其中轻度间伐与CK没有显著性差异，与中度间伐和重度间伐存在显著性差异，CK、中度间伐和重度间伐三者相互存在显著性差异。分解层储量随着间伐强度增大呈先增大后降低的趋势，中度间伐下分解层储量最大，其次是轻度间伐，轻度间伐和中度间伐分别较对照增加1.57%和5.67%，重度间伐强度下分解层储量最小，较对照减小2.64%，且与CK、轻度间伐和中度间伐存在显著性差异。分解层储量顺序为：中度间伐>轻度间伐>CK>重度间伐。

各间伐强度下枯落物总储量大小顺序为：CK>轻度间伐>中度间伐>重度间伐，其中重度间伐与CK、轻度间伐和中度间伐都存在显著性差异，轻度间伐、中度间伐和中度间伐分别较对照减少0.84%，1.19%和10.06%。

3.2 不同间伐强度下枯落物持水能力

3.2.1 不同间伐强度下枯落物持水量由表3可知，随着浸水时间增加，4种间伐下枯落物持水量都逐渐增加，但增速逐渐减慢。比较不同间伐枯落物最大持水量可知，轻度间伐下枯落物未分解层最大持水量最高，较对照增加了6.75%，重度间伐下枯落物未分解层最大持水量最低，较对照减小了28.69%，表现为：轻度间伐>CK>中度间伐>重度间伐；枯落物分解层最大持水量表现为：中度间伐>轻度间伐>CK>重度间伐；且4种间伐下枯落物未分解层最大持水量与分解层最大持水量相比，均为分解层最大持水量大于未分解层最大持水量。枯落物总持水量表现为：轻度间伐>中度间伐>CK>重度间伐，其中轻度间伐较对照增加了5.56%，中度间伐增加了2.36%，重度间伐则减少了13.75%。

3.2.2 不同间伐强度下枯落物持水量与时间的关系对4种不同间伐强度样地的枯落物持水数据进行回归分析发现，枯落物持水量与浸泡时间存在对数函数的关系：

Wh=alnt+b

(3)

式中：Wh为枯落物持水量(mm)；t为枯落物浸水时间(h)；a为方程回归系数；b为常数。

各间伐强度枯落物持水量与浸泡时间拟合结果见表4。由表4可知，4种间伐强度下枯落物各层持水量与浸水时间都表现出较好的相关性。由图1可以看出，各间伐强度下，枯落物未分解层和分解层持水量在浸水12 h时基本均达到最大，浸水12 h以后持水量几乎不再增加，各时段枯落物未分解层持水量都表现为：轻度间伐>CK>中度间伐>重度间伐，局部时间段出现波动情况；分解层持水量表现为：中度间伐>轻度间伐>CK>重度间伐。

表3 不同间伐强度下的枯落物持水量

3.2.3 不同间伐强度下枯落物吸水速率与时间的关系对不同间伐强度下枯落物吸水速率与浸水时间的数据进行回归分析拟合，发现两者存在如下的幂函数关系：

V=ctn

(4)

式中：V为枯落物吸水速率(mm/h)；t为吸水时间(h)；n为指数；c为方程回归系数。由回归分析拟合得到不同间伐强度下吸水速率与浸水时间拟合得到的回归方程结果见表5。

表4 枯落物持水量与浸泡时间关系式

图1 枯落物持水量与浸水时间的关系

由表5—6可知，4种间伐强度下枯落物吸水速率与浸水时间具有高度的相关性。不同间伐强度下枯落物分解层和未分解层吸水速率都随着浸水时间的的增加逐渐减小，在相同浸水时间和间伐强度下，枯落物分解层吸水速率均大于未分解层吸水速率。由图2可知，未分解层和分解层前1 h吸水速率最大，之后吸水速率急剧下降，8 h后下降趋势逐渐减缓，12 h后逐渐停止吸水，这主要是由于随着时间的增加，枯落物吸水逐渐达到饱和的原因。不同间伐强度下枯落物未分解层吸水速率表现为：轻度间伐>CK>重度间伐>中度间伐，局部时间的数据存在波动情况；分解层吸水速率表现为：中度间伐>轻度间伐>CK>重度间伐。

3.3 不同间伐强度枯落物持水性能

由表7可知，轻度间伐下枯落物总有效拦蓄量最大，较对照增加10.59%，重度间伐下枯落物总有效拦蓄量最小，较对照减小14.2%，说明轻度间伐有利于提高枯落物持水能力，重度间伐不利于枯落物持水；枯落物未分解层含水率随间伐强度增大逐渐减小，变动范围为17.89%～21.45%，表明间伐不利于枯落物未分解层储水；分解层含水率随着间伐强度增大先增大后减小，表现为：中度间伐>轻度间伐>CK>重度间伐，其中轻度间伐和中度间伐较对照分别增加5.32%和9.02%，表明中度间伐和轻度间伐有利于枯落物分解层储水。枯落物未分解层有效拦蓄量随间伐强度增加而减小，表明间伐不利于枯落物未分解层储水；轻度间伐下分解层有效拦蓄量最大，较对照增加34.07%，重度间伐下分解层有效拦蓄量最小，较对照减小4.17%，表现为：轻度间伐>中度间伐>CK>重度间伐，表明轻度间伐下枯落物分解层持水能力最强。

表5 枯落物吸水速率与浸水时间关系式

表6 不同间伐强度下的枯落物吸水速率

图2 枯落物吸水速率与浸水时间的关系

表7 不同间伐强度枯落物持水性能

4 讨论与结论

4.1 间伐强度对枯落物厚度和储量的影响

随着间伐强度增加，枯落物未分解层厚度和储量都逐渐减小，中度间伐强度下枯落物分解层厚度最大、储量最多，轻度间伐次之，重度间伐强度下枯落物厚度最小、储量最少，这与曹旭平等[17]的研究结果相似。可能是由于随着间伐强度的增大，林内林木逐渐较少，郁闭度逐渐降低，致使凋落量减少，同时光照增强，地表温度提高，加速未分解层分解，导致枯落物未分解层厚度和储量随之减少，分解层储量增大，但重度间伐强度下林内林木数量过少，导致林内光照过强、温度过高，抑制微生物活动，致使枯落物未分解层分解速率大幅降低，凋落量的减少加上分解速率的降低导致重度间伐强度下枯落物分解层厚度和储量显著下降。

4.2 间伐强度对枯落物持水能力的影响

枯落物的持水能力可以用最大持水量来表示，是评估森林涵养水源能力的重要指标之一[22]。枯落物最大持水量受枯落物储量、枯落物分解状况的影响[23]。不同间伐强度下，枯落物分解层最大持水量都明显高于未分解层最大持水量，说明分解层的持水性能对枯落物的涵养水源功能起主要作用，这与陈倩等[23]的研究结果相似。可能是由于分解层储量远高于未分解层，且分解程度影响枯落物的持水能力，分解程度越高，其持水能力越强[24]。轻度间伐强度下枯落物未分解层最大持水量最高(2.53 mm)，重度间伐强度下最低(1.69 mm)；中度间伐强度下分解层最大持水量最高(5.42 mm)，轻度间伐(5.07 mm)次之；轻度间伐强度下枯落物总持水量最高(7.60 mm)，重度间伐强度下枯落物总持水量最低(4.52 mm)，这与尤海舟等[25]的研究结果相似，说明轻度间伐可以增大枯落物持水量，但重度间伐不利于枯落物持水，可能是由于轻度间伐下光照良好，枯落物分解率较高，而重度间伐下林内光照过强，温度过高，导致枯落物分解不充分，且枯落物储量过低。尽管对照样地中枯落物总储量大于轻度间伐，但轻度间伐强度下枯落物分解层储量大于对照样地，这与前文猜测枯落物分解程度影响持水能力相一致，进一步证明枯落物分解程度越高，其持水性能越强。枯落物拦蓄能力受枯落物最大持水量的影响，枯落物最大持水量越高拦蓄能力越强。

轻度间伐强度下枯落物有效拦蓄量(56.79 t/hm2)最大，重度间伐强度下枯落物有效拦蓄量(44.06 t/hm2)最小，这是因为轻度间伐强度下枯落物最大持水量最高，重度间伐强度下最低。说明轻度间伐可以增加枯落物对雨水的拦蓄能力，减少雨水对表层土壤的冲刷，具有更好的保持水土能力，重度间伐则不利于枯落物对雨水的拦蓄能力。

4.3 间伐强度对枯落物吸水速率的影响

枯落物吸水速率与浸水时间在4种间伐强度下具有一致的变化趋势，均为幂函数关系，且两者相关性高，说明本结果能较好地描述枯落物的吸水过程。可能是由于枯落物吸水速率与表面水势差密切相关[6]。起始阶段，干燥枯落物浸入水中表面水势差大，吸水速率快，随着浸水时间的增加，枯落物含水量逐渐升高，其表面与周围的水势差逐渐减小，吸水速率逐渐减慢，直到水势差减小为0，吸水停止。轻度间伐强度下未分解层吸水速率最快，可能是因为其最大持水量最高，说明轻度间伐强度有利于枯落物未分解层吸水；中度间伐强度下枯落物分解层吸水速率最快，轻度间伐次之，说明中度间伐和轻度间伐有利于枯落物分解层吸水，重度间伐强度下枯落物分解层和未分解层吸水速率均最慢，可能是因为重度间伐强度下枯落物储量最小、最大持水量最低。说明重度间伐不利于枯落物吸水。综合研究结果表明，轻度间伐强度加快了枯落物吸水速率，提高了枯落物持水性能。

本研究结果表明，轻度间伐可加快枯落物吸水速率，增强枯落物拦蓄能力，使枯落物具有更好的持水性能，对桥山林区水源涵养、保持水土具有重要意义，可为桥山林区麻栎次生林森林抚育间伐提供参考。但森林的合理抚育间伐，还需综合考虑多种生态服务功能，因此接下来还会开展抚育间伐对土壤理化性质、幼苗更新、林下生物多样性及林木生长的全面研究，以期为桥山地区麻栎次生林抚育间伐提供更为全面的参考依据。

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