冀北山地天然次生林枯落物层水文生态功能对不同林分密度的响应

塔 莉, 张丽茹

(1.河北环境工程学院 生态学系, 河北 秦皇岛 066102; 2.河北省木兰围场国有林场, 河北 围场 068450)

冀北山地位于华北地区，保护着京津地区的生态与水资源安全，因此该地区的森林生态系统处于较为重要的地位，由于该地区部分地带生态环境脆弱，森林需要进行低效林定向调控，白桦(Betulaplatyphylla)是冀北山地最主要的天然次生林树种，作为主要阔叶树种，也是重要水源涵养树种，为该地区水土保持，保持水源涵养等方面发挥着重要作用[1-3]。该地区植被类型丰富，国内对该地区的研究主要方向为林分结构、生物多样性、森林健康评价、针叶纯林水文效应等方面，很少对不同密度的同种林分水文生态效应进行研究，而不同密度天然次生林下枯落物层水文生态效应研究相对更少，在很大程度上限制了大面积天然次生林合理的水文生态功能最大限度的发挥，除此以外，天然次生林作为该地区主要林分，主要树种白桦具有较强的抗逆性，并且为当地重要的水源涵养林分，因此探究该地区不同密度天然次生林的水文生态效应具有较大的指导意义[4-7]。因此，本文选择冀北山地5种密度梯度天然次生林，对林分枯落物层进行水文过程进行研究，旨在探讨何种密度最有利于发挥林分水文生态作用，从而为冀北山地天然次生林经营、抚育及水文生态功能调节等提供理论依据。

1 研究区概况

研究区设在冀北山地木兰围场地区的北沟林场(116°51′—117°45′E，41°47′—42°06′N)，地处浑善达克沙地南缘，与塞罕坝均属滦河上游地区，海拔相差较大，介于750～1 998 m。这一地区属半干旱向半湿润过渡、寒温带向中温带过渡、大陆性季风型山地气候，无霜期67～128 d，年平均气温-1.4～4.7℃,极端最高气温38.9℃，极端最低气温-42.9℃，年均降水量380～560 mm，土壤类型主要是黄棕壤与黑棕壤。研究区内植被主要乔木树种有华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)、油松(Pinustabulaeformis)、云杉(Piceaasperata)、黑桦(Betuladahurica)、山杨(Populusdavidiana)、山杏[Armeniacasibirica(L.) Lam.]、蒙古栎(Quercusmongolica)、白桦等。

2 标准地设置与研究方法

2.1 标准地设置

试验地设置河北省围场县北沟林场哈叭气营林区，2017年7—9月在该地区选择5种不同密度的天然次生林作为研究对象，并在每种密度内设置3块大小为30 m×30 m的标准地并调查5种不同密度天然次生林基本概况(表1)，分别对样地的郁闭度、海拔、坡度、坡向、林木胸径、树高等因子进行调查，其中林分的郁闭度测定是通过随机在样地内设置100个样点，随后在每个位置上抬头垂直昂视，判断该样点是否被树冠覆盖，从而确定被林冠覆盖的样点数，覆盖的样点数与设置的总样点数的比值即为林分的郁闭度[8-10]。

表1 不同密度天然次生林标准地概况

2.2 枯落物层水文测定

在每个标准样地4个角和中心位置各取5个小样方，面积为50 cm×50 cm，根据枯落物分解状态分为未分解与半分解，分别选取样品并用钢尺测量枯落物厚度，利用尼龙袋将两个层次的枯落物带回实验室进行测量。选取枯落物后放置实验室烘箱内，设定65℃的温度进行烘干，枯落物达到恒重后测定各林分枯落物蓄积量，以此来测算枯落物自然含水率[11-14]。通过室内浸泡法对各林分枯落物持水性能进行测定，将枯落物浸入水中后，分别记录与计算在0.25，0.5，1，2，4，6，8，10，24 h时枯落物样品重量的变化，从而对枯落物持水量、持水过程进行研究，将浸泡24 h后枯落物持水量称为枯落物最大持水量，此时的持水率则是最大持水率[15-18]。

枯落物最大持水率、最大持水量、有效拦蓄量计算公式如下:

Rm=(Mz-Mg)/Mg×100%

(1)

式中:Rm为枯落物最大持水率(%)；Mz为枯落物浸水24 h后的质量(t)；Mg为枯落物干质量(t)。

Wmax=Rm×M

(2)

式中:Wmax为枯落物最大持水量(t/hm2)；M为枯落物蓄积量(t/hm2)。

W=(0.85Rm-Ro)×M

(3)

式中：W为有效拦蓄量(t/hm2)；Rm为最大持水率(%)；R0为自然含水率(%)；M为枯落物储量(t/hm2)。

3 结果与分析

3.1 不同密度天然次生林枯落物蓄积量

枯落物蓄积量在一定程度上是枯落物输入量与分解量之间的平衡关系，枯落物的输入量与分解量则受到许多因素的影响，因此枯落物蓄积量是多种因子综合影响形成的结果，大致分为两类：其一为林分本身的特性，包括林分密度、树种组成、林木生长状况、林龄与林下灌草生长状况等；其二为林分所处的生态环境，包括温度、湿度、生长季节与人畜活动等。

由表2可知，5种密度天然次生林未分解层厚度有较大不同，范围为9.65～20.45 mm，随着密度的增加厚度也呈现增大的趋势，但是在930株/hm2增长到1 190株/hm2时，枯落物厚度则是减小的，枯落物半分解层厚度、总厚度与之变化规律相同；枯落物未分解层厚度最大时，林分密度为930株/hm2，其厚度与密度为280，520株/hm2林分枯落物厚度有较大的差异，与密度为780，1 190株/hm2的林分差异性相对较小。枯落物半分解层厚度最大时，林分密度为930株/hm2，与其他密度林分枯落物半分解层厚度差异性较小；林分枯落物总厚度在45.34～60.70 mm浮动，最大值出现在林分密度为900 株/hm2的枯落物层。

表2 不同密度天然次生林枯落物层蓄积量

不同密度天然次生林未分解层、半分解层与总蓄积量均随着密度从280株/hm2增加到930株/hm2时，其蓄积量均呈现增长趋势，而密度从930株/hm2增大到1 190株/hm2时，则均呈现减小的趋势，蓄积量的最大值均出现在林分密度为930 株/hm2时，而最小值则在密度为280株/hm2时，两者差异性最大。总蓄积量大小排序为：930株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，枯落物蓄积量随着密度的增加呈先增大后减小的变化规律，这是由于密度的增长会减少林下的阳光，温度随之降低，从而降低了枯落物分解速度，从而有利于枯落物的积累，但是林分密度过大则会导致林分郁闭度增大，林木生长必需的养分与生长空间会出现供应不足的情况，林分内的林木之间竞争增强，而林木的新陈代谢减缓，不利于林下枯落物积累，因此枯落物出现减小的趋势。林分密度不同未分解层与半分解层蓄积量占总蓄积量的比例也不同，未分解层比例最高时，林分密度为930株/hm2，比例高达49.44%，比例最小的林分密度为280株/hm2，比例仅为35.64%；分解层比例最高时，林分密度为280株/hm2，比例高达64.36%，比例最小的林分密度为930株/hm2，比例仅为50.56%，解层的比例不同主要是由于密度高的林分郁闭度与叶面积指数相对较高，导致地面光照不足，枯落物分解相对较慢。

不同密度天然次生林，由于林木株数、生长状况、林分所处生境均不同导致枯落物输入量与分解量有较大差异性，综合所述，不同密度天然次生林枯落物厚度和蓄积量表现出不同程度的差异性，但是根据以上数据分析知，林分密度处于930株/hm2时，枯落物层厚度、蓄积量均最高，并且显著优于其他密度林分。

3.2 不同密度天然次生林枯落物持水能力

3.2.1 枯落物最大持水量 林下枯落物不仅能够避免降雨对土壤的直接溅蚀，减少冲刷力，为土壤增加必需的有机质，还能够贮藏水分，具有较强的持水性能，枯落物的持水量是反映林分水文生态效应的重要指标之一(表3)。

表3 不同密度天然次生林持水特征

由表3可知，不同密度天然次生林最大持水量有一定的差异性，未分解层变化范围为7.21～20.12 t/hm2，大小排序为：930株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，总最大持水量变化规律与之相同，半分解层最大持水量变化范围为16.05～24.55 t/hm2，大小排序为：930株/hm2>780株/hm2>1 190株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，由以上可知林分密度为930株/hm2时枯落物层总最大持水量最大(44.67 t/hm2)，相当于4.47 mm水深，林分密度为280株/hm2时枯落物层总最大持水量最小(23.26 t/hm2)，两者差距较大，主要是因为密度高林分枯落物层形成的蓄积量明显高于密度较小的林分。不同密度天然次生林未分解层最大持水率变化范围在175.00%～207.21%，依次为930株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，枯落物层平均最大持水率变化规律与之一致，半分解层最大持水率变化范围在215.73%～247.23%，依次为930株/hm2>780株/hm2>1 190株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，枯落物最大持水量与最大持水率变化规律一致；不论林分密度如何变化，枯落物半分解层最大持水量均高于未分解层最大持水量，说明半分解层持水性能高于未分解层，主要是因为枯落物经过分解后，半分解层与未分解层的组成结构有较大不同，半分解层的亲水面积要高于未分解层，有利于其进行持水。

3.2.2 枯落物有效拦蓄量 最大持水量反映了林分拦蓄潜力，降雨初期经过枯落物拦蓄后会慢慢下渗，枯落物并不能长时间蓄积水分，除此以外该指标包含林分自然含水量，因此最大持水量反映出的拦蓄能力不能够代表林分真实拦蓄量，利用该指标代表林分拦蓄能力会导致结果偏高，因此一般采用有效拦蓄量来表达林分的拦蓄能力。

由表4可知，不同密度天然次生林枯落物拦蓄能力有一定的差异，未分解层最大拦蓄量变化范围为6.71～17.99 t/hm2，大小排序为：930株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，半分解层最大拦蓄量变化范围为14.44～21.57 t/hm2，大小排序为：930株/hm2>780株/hm2>1 190株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，两个层次最大拦蓄量最大值均出现在密度为930株/hm2时，说明林分密度为930株/hm2时其拦蓄潜力最大；未分解层有效拦蓄量变化范围为5.63～14.97 t/hm2，大小排序为：930株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，半分解层有效拦蓄量变化范围为12.03～17.89 t/hm2，大小排序为：930株/hm2>780株/hm2>1 190株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，两个层次有效拦蓄量最大值均出现在密度为930株/hm2时，从枯落物两个层次有效拦蓄量分析，未分解层和半分解层均随着密度的增大呈现出先增加后减小的变化趋势。无论林分密度如何，半分解层最大拦蓄量与有效拦蓄量均高于未分解层，说明半分解层拦蓄能力更强，作用更大。

表4 不同密度天然次生林枯落物拦蓄能力

3.3 不同密度天然次生林枯落物持水过程分析

3.3.1 枯落物持水过程 由图1可知，5种密度天然次生林枯落物未分解层、半分解层持水量变化趋势基本一致，枯落物在浸水刚开始的1 h内持水量增长迅速，持水量随之增大，随着时间的推移，持水量增长逐渐减小，在浸泡12 h时左右枯落物持水量基本达到饱和状态，不再增加，说明枯落物持水量与枯落物的蓄积量和干燥程度有关，枯落物蓄积量越大越干燥，在一定时间内吸收的水分越多，持水过程与降雨过程中枯落物表现相同，即刚开始降雨时，枯落物吸收水分较强，拦蓄能力强，随着降雨的持续枯落物干燥程度越来越低，拦蓄能力开始减弱，最后趋于平缓达到最大持水量，与剪文灏等[18]研究枯落物持水过程规律一致。由曲线可以看出，未分解层密度930株/hm2与1 190株/hm2的林分枯落物持水量明显高于其他3种密度林分，而半分解层密度930株/hm2的林分枯落物持水量无论哪个时间段均高于其他4种密度林分，说明不同密度天然次生林枯落物持水能力有一定的差距，但是半分解层持水量变化曲线除930株/hm2外变化曲线基本都是重合的，说明这4种密度林分半分解层持水能力差异性较小。

图1 不同密度天然次生林枯落物持水量变化过程

对不同密度天然次生林未分解层、半分解层枯落物持水量与浸水时间进行函数关系拟合分析可知，两者存在较好的函数关系(表5)，具体表达式为：

Q=alnt+b

(4)

式中:Q为枯落物持水量(g/kg)；t为浸泡时间(h)；a为方程系数；b为常数项。

表5 不同密度天然次生林枯落物持水指标与时间拟合关系

3.3.2 枯落物吸水速率 由图2可知，5种不同密度天然次生林枯落物浸水后持水速率随着浸泡时间增长呈现一种下降的规律，即枯落物在浸水初期(1 h)持水速率下降非常快，在4 h左右下降速率放缓，12 h左右趋于稳定，至20 h时趋于停止；5种不同密度天然次生林枯落物持水速率相差较大，未分解层与半分解层持水速率也有一定的差异性，半分解层枯落物持水速率要大于未分解层枯落物持水速率，可能是由于半分解层枯落物经过初步分解，已含有少量腐殖质，从而增强了半分解层枯落物的持水能力。通过对不同密度天然次生林枯落物两个层次与浸水时间进行函数关系拟合，两者具有较好的函数关系(表5)，表达式：V=ktn，R>0.99，式中：V为枯落物吸水速率[g/(kg·h)]；t为浸泡时间(h)；k为方程系数；n为指数。

图2 不同密度天然次生林枯落物吸水速率变化过程

4 讨论与结论

4.1 讨 论

本研究表明不同密度天然次生林枯落物层总蓄积量随着林分密度增加呈现先增长后减小的变化规律，可能是由于随着林分密度的增长会减少林下的阳光，温度随之降低，从而降低了枯落物分解速度，从而有利于枯落物的积累，但是林分密度过大则会导致林分郁闭度增大，林木生长必需的养分与生长空间会出现供应不足的情况，林分内的林木之间竞争增强，而林木的新陈代谢减缓，不利于林下枯落物积累，因此枯落物出现减小的趋势，这与刘凯[19]、石媛[20]和周巧稚[21]等所研究的林分枯落物层蓄积量随林分密度的变化规律类似；研究中虽然进行室内浸泡试验在一定程度上呈现了枯落物拦蓄能力，但是枯落物层确切拦蓄能力仍需进行野外降雨测定试验来验证。

4.2 结 论

(1) 林分枯落物总厚度在45.34～60.70 mm浮动，本研究表明不同密度天然次生林枯落物层总蓄积量依次排序为930株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，即随着林分密度增加呈现先增长后减小的变化规律。综合所述，林分密度处于930株/hm2时，枯落物层厚度、蓄积量均最高，并且显著优于其他密度林分。

(2) 不同密度天然次生林最大持水量、最大持水率、有效拦蓄量与有效拦蓄率均有一定的差异性，枯落物层最大持水量变化范围为23.26～44.67 t/hm2，最大拦蓄量变化范围为21.15～39.56 t/hm2，有效拦蓄量变化范围为17.66～32.86 t/hm2，大小排序均为：930株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，均随着密度的增大呈现出先增加后减小的变化趋势，最大值均出现在密度为930株/hm2时；5种密度天然次生林枯落物层持水量变化趋势为先增加后减小，通过对枯落物持水量、枯落物持水速率与浸水时间关系进行拟合分析发现，均存在较好的函数关系，分别符合对数函数与幂函数关系：Q=alnt+b(R2>0.93)，V=ktn(R2>0.99)，这与赵阳[22]和吴迪[23]等研究结果相一致。

(3) 综合枯落物层持水能力与拦蓄能力可知，密度为930株/hm2的林分生态水文效应最强，而其他密度生态水文效应相对较差，密度小的林分是由于枯落物蓄积量较少造成其水源涵养能力较弱，因此，从增强该地区天然次生林水文生态效应与水源涵养的角度出发，建议在该地区内对不同密度的天然次生林进行有效的抚育措施来增加林分的水源涵养能力，从而增强该地区水文生态效应与水源涵养功能。本研究虽然进行室内浸泡试验在一定程度上呈现了枯落物拦蓄能力，但是枯落物层确切拦蓄能力仍需进行野外降雨测定试验来验证，文中选择的林分密度梯度幅度偏大，试验条件允许时，仍需进一步细分。