透光抚育对阔叶混交林水源涵养功能的影响

汪成成

(辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032)

森林的水源涵养功能是森林生态系统的主要服务功能之一[1]，森林抚育是培育森林的基础和关键性技术环节，也是森林生态系统经营的重要组成部分[2]，合理的森林抚育能够优化森林结构、恢复物种多样性、提高森林的稳定性，并能促进森林涵养水源、防风固沙、保持水土等生态功能进一步发挥[3]。近年来，许多专家学者在抚育对森林水源涵养功能方面作了研究，吴金卓等[4]认为在不同演替阶段针阔混交林中成熟林的枯落物持水性能最强；孟庆旭等[5]认为间伐有利于提高水源涵养功能，其中以间伐强度20%最优，15%次之；张期奇等[6]认为对于不同演替阶段的天然落叶松林，采取合理强度的抚育间伐能够改善其总水源涵养量；董莉莉[7]认为中度透光抚育更有利于林分贮蓄降水，减少水土流失的产生。本文通过选取土壤容重、土壤非毛管持水量和最大持水量来表征土壤水源涵养效益，确定最佳抚育间伐强度，旨在为辽东山区阔叶混交林可持续经营提供理论依据和参考。

1 研究区概况

研究区位于辽宁省宽甸县太平哨镇振江富阳林场，地理坐标125°6′E，40°53′N，海拔386 m，该区域属长白山向南延伸余脉，为温带大陆性季风气候，兼具典型的山地气候。年均气温5.3 ℃，最高气温33.7 ℃，最低气温-32.5 ℃；年均日照时间1 841 h，无霜期132 d，年均降水量1 349 mm，年均蒸发量885 mm；年均相对湿度73%，雨热同季，集中于7-9月。土壤主要为暗棕色森林土和棕色森林土。乔木层主要树种有蒙古栎Quercusmongolica、花曲柳Fraxinusrhynchophylla、核桃楸Juglansmandshurica、紫椴Tiliaamurensis、红松Pinuskoraiensis、色木槭Acermono、春榆Ulmusdavidianavar.japonica等。林下灌木主要有桃叶卫矛Euonymusmaackii、鼠李Rhamnusdavurica、接骨木Sambucuswilliamsii、忍冬Lonicerajaponica、山楂叶悬钩子Rubuscrataegifolius等，常见的草本植物有五味子Schisandrachinensis、尾叶香茶菜Rabdosiaexcisa、水金凤Impatiensnoli-tangere、辽宁堇菜Violarossii、鹿药Violacollina等。

2 研究方法

2.1 样地设置

2002年在全面踏查的基础上，在振江富阳林场选择立地条件较好、林木分布均匀的近熟天然次生林，割除灌木，林冠下栽植红松，栽植密度1 200株·hm-2，树高1.1 m，经过数年生长，上层阔叶乔木严重影响林下红松生长，于2015年选择林分状况相对一致，设置4个面积为40 m×25 m标准地，进行透光抚育试验(透光抚育采伐方式为“茎干伐”，仅伐除乔木层树干，采伐剩余物被保留在样地内)，透光强度按林分胸高断面积计，分别为全透光(100%)、中度透光(32%)、强度透光(55%)、对照(未采伐，0%)。采伐对象为除红松以外的乔木，依据间密留匀，留优去劣的原则，优先去除霸王木、病腐木和生长不良林木，对黄波罗、刺楸等珍贵树种进行保留，采伐后林分因子见表1。同时，对标准地内胸径≥5 cm的林木进行每木检尺，记录树种名称、位置、胸径、树高、冠幅、枝下高及生长状况。在样地的四角和中心分别设置面积为2 m×2 m灌木样方和1 m×1 m的草本样方，共设置25个灌木样方和25个草本样方，并对样方内灌木、草本及更新情况进行调查，每隔2～3年复测1次。

表1 透光抚育后林分概况

2.2 枯落物蓄积量与持水性能测定

在样地的四角及中心位置，设置5个30 cm×30 cm枯落物样方，按未分解层和半分解层进行取样，带回实验室，置于85 ℃的烘箱烘干至恒质量，根据干质量计算蓄积量。枯落物最大持水量和持水率采用室内浸泡法测定。

C=(W1-W0)/W0×100%

式中：C为枯落物最大持水率(%)；W1为枯落物饱和湿质量(kg)；W0为枯落物干质量(kg)。

V=L·C

式中：V为枯落物最大持水量(t·hm-2)；L为枯落物蓄积量(t·hm-2)。

2.3 土壤物理性质与持水量测定

在样地内沿对角线挖土壤剖面3个，用环刀对0～20 cm土层进行取样，设置3次重复，带回实验室采用环刀法对土壤的物理性质进行测定。采用下式计算土壤的最大持水量和非毛管持水量。

Wt=10 000·Pt·h

Wo=10 000·Po·h

Wc=10 000·Pc·h

式中：Wt为土壤最大持水量(t·hm-2)；Wo为土壤非毛管持水量(t·hm-2)；Wc为土壤毛管持水量(t·hm-2)；Po为土壤非毛管孔隙度(%)；Pc为土壤毛管孔隙度(%)；Pt为土壤总孔隙度(%)；h为土层厚度(m)。

3 结果与分析

3.1 不同透光强度对土壤水源涵养特性的影响

对不同透光强度林分土壤容重进行分析可知，除全透光样地土壤容重显著低于对照(P<0.05)外，其它透光样地土壤容重与对照之间差异均不显著(P>0.05)(表2)。这说明全透光抚育能够改善土壤容重，而中度、强度透光抚育对土壤容重影响不大。

进一步分析土壤非毛管持水量可知，全透光、中度、强度透光和对照样地土壤非毛管持水量分别为157.13、143.61、149.23和136.32 t·hm-2，各透光样地分别高于对照15.27%、5.35%、9.47%，方差分析表明，仅全透光样地与对照之间差异显著(P<0.05)，其他处理差异均不显著(P>0.05)(表2)。说明透光抚育后林地土壤非毛管孔隙增多，为水分渗透提供更多的快速通道，更有利于壤中流的形成和发展。

土壤最大持水量与非毛管持水量表现的规律基本一致，即全透光>强度透光>中度透光>对照，仅全透光样地与对照差异显著(P<0.05)，其它处理均不显著(P>0.05)。说明透光抚育后林地土壤非毛管持水量和最大持水量有增加趋势，以全透光抚育增加效果显著。

综上分析可知，透光抚育能够降低土壤容重，增加土壤非毛管孔隙持水量和最大持水量，增强土壤保持水土、涵养水源的功能。

表2 透光抚育对土壤水源涵养特性的影响

3.2 不同透光强度对枯落物水源涵养功能的影响

森林枯落物持水性能取决于其本身的数量和性质，因此，本研究选择枯落物蓄积量和枯落物最大持水量来表征枯落物的水源涵养效益。由图1可知，经透光抚育后，全透光和强度透光样地枯落物蓄积量分别比对照降低了17.68%和17.28%(P<0.05)，中度透光比对照低1.02%，但差异并不显著(P>0.05)。说明中度透光抚育对枯落物蓄积量影响不大，强度和全透光抚育降低了枯落物的蓄积量，这可能与透光抚育减少了上层林木对枯落物的输入量有关。进一步分析枯落物最大持水量可知，全透光和强度透光样地枯落物最大持水量显著低于对照(P<0.05)，分别比对照降低了35.89%、24.43%，且透光强度越大，降低幅度越大。中度透光与对照间无显著差异(P>0.05)。由此可知，中度透光抚育对枯落物的持水性能影响不大，强度透光和全透光抚育则降低了枯落物的水源涵养能力。

图1 透光抚育对枯落物水文特性的影响

4 结论与讨论

森林土壤水源涵养能力主要包括土壤蓄水和渗透能力。土壤容重直接影响土壤的蓄水性能，是影响森林土壤水源涵养功能的主要因素，土壤容重越小土壤越疏松，土壤透气透水性越好，所在林地涵养水源、保持水土的能力越强，而容重越大则与之相反[8]。土壤渗透性能取决于非毛管孔隙，在饱和持水量中，只有非毛管孔隙中滞留的重力水在调蓄降水方面具有重要的作用。因此，森林土壤的持水能力主要取决于土壤非毛管持水量[9]。土壤最大持水量是毛管孔隙与非毛管孔隙水分贮蓄量之和，是反映土壤贮蓄和调节水分的潜在能力，它是土壤涵蓄潜力的最大值，也可以反映土壤水源涵养能力[10]。本研究选择土壤容重、土壤非毛管持水量和土壤最大持水量来表征土壤的水源涵养能力，结果表明，与对照相比，全透光抚育在短期内能够显著降低土壤容重，增加土壤最大持水量和非毛管持水量(P<0.05)，其他处理与对照无显著差异(P>0.05)。这一研究结果与多数研究结果相悖，分析其原因可能与采伐剩余物的处理方式有关，本研究中采伐剩余物和伐根均留在样地内，大量的采伐剩余物和伐根分解，增加了土壤中腐殖质的含量，从而改善了土壤的物理性质。

在枯落物层水源涵养方面，与对照相比，全透光和强度透光抚育显著降低了枯落物的蓄积量和最大持水量(P<0.05)，中度透光抚育对枯落物的蓄积量和最大持水量影响不大(P>0.05)，这主要是由于全透光和强度透光抚育减少了地上生物量，导致枯落物的输入量减少所致。