汉江上游不同林龄麻栎林枯落物的水文功能评价

张淑兰 ，韩勇 ，杨盼，闫育盈，刘昭雪，李卓瑶

1. 安康学院旅游与资源环境学院，陕西 安康 725000；2. 安康学院陕西省科协院士专家工作站，陕西 安康 725000

作为森林生态系统重要组成部分，枯落物蓄积量、持水特性和有效拦蓄能力对森林水源涵养功能的发挥具有重要的作用（Sun et al.，2018；Xia et al.，2019）。受林分类型、林龄、密度和立地条件的影响枯落物的水文功能发挥明显不同（时忠杰等，2009；郭建荣等，2012；张淑兰等，2015；张海涛，2016；高迪等，2019），较多的研究集中在某一地区多树种间的枯落物、土壤水文特性的比较研究（Rao et al.，2007；袁秀锦等，2018；公博等，2019；杨建红等，2020）；但针对同一树种不同林龄阶段的枯落物的水文功能能力的研究相对较少。已有研究表明同一树种不同林龄阶段的枯落物厚度、蓄积、分解程度、性质等存在不同，其水文效应存在较大差异（郭建荣等，2012；高迪等，2019；杨家慧等，2020）。

栎林是汉江上游秦巴山区地带性植被，主要分布在海拔2100 m以下地区，以其特有的生物学特性和生态学特性占据着绝对优势，其分布广、面积大，占全区林地总面积的62.3%（甄学渊等，2014）；因此，栎林的涵养水源和水土保持等生态功能的发挥对维持汉江上游流域生态平衡具有重要的作用。麻栎林（Quercus acutissima）是该区主要栎类树种之一，普遍存在于汉江上游的巴山地区，国家和政府实施退耕还林工程以后，虽然森林覆盖率有所提高，但是森林的生态系统质量并不高，特别是大部分麻栎林处于幼、中龄林阶段，低等和差等占较大比重（51.3%），林地生产力低，林分结构不合理，存在“过密、过稀、过纯”的三过问题（秦岭生态系统综合管理研究，2018），从而导致生物多样性降低、水源涵养功能下降等问题。本文以汉江上游安康市汉滨区的天柱山作为试验地点，选择立地条件相近、不同林龄的麻栎林，进行了枯落物厚度、分解状态、储蓄量及水文功能的研究，定量描述不同生长阶段麻栎林枯落物的涵养水源能力，为汉江上游栎林林分可持续经营管理和生态效益评价提供理论依据。

1 研究区概况

天柱山位于陕西省南部安康市汉滨区西南约15 km处，海拔高1489 m，保护区面积为333 km，风景区面积为 82.46 km，中心位置（天柱峰）地理座标为 116°27′E，30°43′N，属于大巴山山系。气候属于北亚热带季风气候过渡带，冬季寒冷少雨，夏季多雨且有伏旱；年平均气温为15—17 ℃，年平均降水量1050 mm。土壤以黄棕壤为主。植被主要以栎类为优势种和建群种形成的纯林和混交林，在其树种组成中栎类可占到80%以上，主要为麻栎（）、锐齿槲栎（Bl.var.）、栓皮栎（）等。其中，人工次生麻栎林的面积与蓄积占研究区林分总和的70%—80%，以中、幼林龄为主，且主要分布于海拔1200 m以下。

2 研究方法

2.1 样地设置与样品采集

在2020年12月，在天柱山南坡选取不同林龄（平均林龄分别为15 a、25 a、33 a）的麻栎林设置样地（表1）。在3个不同林龄的麻栎林样地内分别随机布设3个具有代表性的小样方，样方面积为0.50 m×0.50 m，同时测量枯落物总厚度、未分解层厚度和半分解层厚度。利用塑料袋将样方内的枯落物按不同分解层收集好，带到实验室进行测定。

表1 不同林龄麻栎林研究样地概况Table 1 General situation of Quercus acutum forest plot at different ages

2.2 枯落物蓄积量的测定

将枯落物样品带入实验室后称量自然湿质量，随后将枯落物样品在65 ℃烘干至恒定质量并再次称质量，计算3个不同林龄麻栎林内的枯落物未分解层和半分解层的蓄积量（）和自然含水率（）。

2.3 枯落物层持水特性的测定

采用浸泡法测定持水能力。取部分烘干的枯落物样品装入尼龙袋后称质量，再浸入水中，分别测定其在 5、10、20、40、60、90、120、240、360、720、1440 min时的质量（静置到枯落物不滴水为止），每个林龄林分的3个枯落物样品重复3次，利用下面的公式计算枯落物持水功能指标（张淑兰等，2015；赵鹏等，2020）：

式中：

、——枯落物自然含水率（%）和最大持水率（%）；

、——自然持水量（t·hm）和最大持水量（t·hm）；

、、——分别为浸水 24 h 的湿质量（g）、枯落物的干质量（g）、枯落物的鲜质量（g）；

——枯落物每公顷蓄积量（t·hm）。

2.4 枯落物最大拦蓄量和有效拦蓄量的测定

枯落物的最大拦蓄量和有效拦蓄量的计算公式分别为（时忠杰等，2009）：

式中：

、、、最大拦蓄率（%）、最大持水率（%）、自然含水率（%）、有效拦蓄率（%）；

最大拦蓄量（t·hm）、有效拦蓄量（t·hm）；

——样地枯落物现存量（t·hm），0.85为有效拦蓄系数。

2.5 枯落物水文功能评价

采用熵权法对3个不同林龄的麻栎林样地的枯落物水文功能进行综合评价。对水文功能指标进行标准化，包括枯落物厚度及蓄积量、最大持水率、最大持水量、有效拦蓄率、有效拦蓄量等指标，通过计算熵值确定各指标的权重，进而综合评价不同林龄的麻栎林枯落物涵养水源的功能。其熵值计算公式（郭建荣等，2012；高迪等，2019）为：

式中：

G——熵值；

S ——第个林龄类型的第个指标的比重（即标准化值）；

A ——第个林龄类型的第个指标值；为林龄类型数；为水文效应指标数。最后根据熵值计算各指标的权重（W），计算公式为：

由此可见，水文功能指标的熵值G越小，其权重就越大，在水文效应评价中起到的作用也越大；反之亦然。最后，利用各水文功能指标权重与其标准化值乘积之和为综合评价值，其值越高，水文功能越强。

3 结果与分析

3.1 枯落物厚度及蓄积量

表2可以看出，不同林龄的枯落物总厚度在3.0—4.8 cm之间，未分解层厚度在1.2—3.6 cm，均表现为33 a>25 a>15 a，而半分解层厚度在1.2—1.8 cm，表现为15 a>25 a>33 a；不同林龄枯落物蓄积量介于 13.76—14.39 t·hm，表现为 33 a>15 a>25 a，其中未分解层为 3.63—9.94 t·hm，表现为 33 a>25 a>15 a，而半分解层为 4.45—10.2 t·hm，表现为15 a>25 a>33 a。可明显看出，幼、中龄林15 a、25 a的麻栎林未分解层的蓄积量比例均低于半分解层的，而龄林33 a的未分解层的蓄积量比例明显高于半分解层的。通过单因素方差分析可知，不同林龄的麻栎林枯落物厚度和蓄积量差异均不显著（=0.591；=0.993）。

表2 不同林龄麻栎林枯落物的蓄积量及其组成Table 2 Litter volume and composition of Quercus acutum forest at different forest ages

3.2 枯落物的持水过程

3.2.1 枯落物持水量随浸泡时间的变化

不同林龄的麻栎林枯落物持水过程如图1，不论是未分解层还是半分解层3个林龄的枯落物持水量均在浸泡10 min内迅速增加，之后持水量累计增加量迅速减少且很快进入平缓增加状态，特别是20 min之后增加非常缓慢，直到24 h达到最大持水量，且未分解层枯落物的最大持水量略大于半分解层的。3个不同林龄麻栎林未分解层枯落物随浸泡时间的持水量表现为15 a>33 a>25 a；而半分解层枯落物的持水量情况则表现25 a和15 a林龄的累计持水量差异非常小，在6 h之前25 a的略大于15 a的，之后二者的持水量几乎相等，但二者均大于33 a的。对浸泡期间的枯落物持水量和浸泡时间进行拟合，如表3符合对数函数方程式：

表3 不同林龄麻栎林枯落物持水量与浸水时间关系式Table 3 Relation between water holding capacity and soaking time of litter of Quercus acutum forest at different ages

图1 不同林龄麻栎林未分解层和半分解层的林枯落物持水量随浸泡时间的变化Figure 1 Change of water capacity of litter in undecomposed layer and semi-decomposed layer with soaking time in Quercus acutissima forest at different ages

式中：

——枯落物持水量（g·g）；

——浸泡时间（h）；

——方程系数；

——方程常数项。

3.2.2 枯落物持水速率随浸泡时间的变化

枯落物的浸泡实验（图2）表明麻栎林未分解层和半分解层的枯落物在浸水5、10 min时具有较大的瞬时吸水速率，20 min以后迅速降低，在2 h以后瞬时吸水速率开始趋向于0，因此主要的吸水过程在2 h以内，且从整个吸水过程看半分解层的枯落物吸水速率略大于未分解层的。未分解层枯落物的瞬时吸水速率表现为15 a>33 a>25 a；而半分解层的表现出25 a>15 a>33 a，似乎幼中龄的麻栎林枯落物吸水速率更快。分别对不同林龄未分解和半分解层的枯落物的吸水速率与浸水时间进行模型拟合，结果如表4所示，吸水速率与浸水时间符合幂函数方程式：=kt，式中为枯落物吸水速率（g·g·h)；为浸泡时间（h）；为方程系数；为指数。

图2 不同林龄麻栎未分解层和半分解层的林枯落物持水量随浸泡时间的变化Figure 2 Change of water absorption rate of litter in undecomposed layer and semi-decomposed layer with soaking time in Quercus acutissima forest at different ages

表4 不同林龄麻栎林枯落物持水速率与浸水时间关系式Table 4 The relation between the water holding rate and the soaking time of litters of Quercus acutissima forest at different ages

3.3 枯落物自然持水量（率）与最大持水量（率）

麻栎林3个不同林龄样地总枯落物自然持水率为48.60%—78.02%，总枯落物自然持水量介于6.72—11.59 t·hm；其中，枯落物未分解层的自然持水量介于2.39—5.03 t·hm，半分解层的介于3.05—9.20 t·hm（如表 5）。受林分结构、微地形等影响，不同林龄麻栎林的枯落物自然持水量（率）存在一定的差异。通过单因素方差分析可知，麻栎林枯落物自然含水率在不同林龄样地差异显著（=0.017），总枯落物层、未分解层和半分解层枯落物自然含水率的大小依次均为15 a>33 a>25 a；不同林龄总枯落物层的自然持水量大小关系与自然持水率的一致，但未分解层和半分解层枯落物的自然持水量林龄差异与自然持水率明显不同，未分解层表现为33 a>25 a>15 a，半分解层为15 a>25 a>33 a；然而，3个林龄的枯落物自然持水量差异不显著（=0.508）。另外，幼中龄林15、25 a的未分解层的枯落物自然持水量均大于半分解层的，而33 a则相反。

表5 不同林龄的麻栎林枯落物自然持水和最大持水情况Table 5 Natural water holding capacity and maximum water holding capacity of litter in Quercus acutum forest at different ages

3个不同林龄样地总枯落物的最大持水率介于231.84%—245.86%，未分解层的介于 245.37%—260.04%，半分解层的介于218.31%—232.12%；总枯落物的最大持水量介于32.81—34.10 t·hm（相当于3.2—3.4 mm的水深），未分解层的介于9.14—24.39 t·hm（相当于0.9—2.4 mm的水深），半分解层的介于9.71—23.68 t·hm（相当于1.0—2.4 mm的水深）（如表5）。从最大持水率看，无论是未分解层还是半分解层均是幼中龄林 15、25 a均大于33 a；从最大持水量看，未分解层枯落物的最大持水量表现为33 a>25 a>15 a，而半分解层则正好相反，为15 a>25 a>33 a。然而，不同林龄麻栎林枯落物的最大持水率和最大持水量进行单因素方差分析，发现二者在不同林龄之间的差异不显著（=0.428；=0.997）。

3.4 枯落物有效拦蓄量

表6可以看出，不同林龄麻栎林的枯落物最大拦蓄量介于 21.22—26.03 t·hm，表现为 33 a>25 a>15 a；有效拦蓄量介于 6.45—14.52 t·hm，但 33 a略小于25 a，但二者明显大于15 a。未分解层的枯落物最大拦蓄量介于6.75—19.36 t·hm，表现为33 a>25 a>15 a；而半分解层的枯落物最大拦蓄量介于 6.67—14.48 t·hm，表现为 15 a>25 a>33 a。未分解层的枯落物有效拦蓄量介于 3.34—11.43 t·hm，不同林龄表现为33 a>25 a>15 a；而半分解层的介于 2.62—8.02 t·hm，表现为 25 a>15 a>33 a单因素方差显示最大拦蓄量和有效拦蓄量在不同林龄之间差异均不显著（=0.884；=0.331）。此外，不同林龄麻栎林枯落物的最大拦蓄率均表现为未分解层>半分解层；幼中龄15 a和25 a的枯落物最大拦蓄量表现为半分解层>未分解层的，而33 a的正好相反；15 a和33 a的枯落物有效拦蓄量表现为未分解层>半分解层，而25 a的正好相反。

表6 不同林龄的麻栎林枯落物最大拦蓄量和有效拦蓄量Table 6 The maximum and effective storage of litter in Quercus acuvarius stands at different ages

3.5 枯落物水源涵养能力评价

虽然3个不同林龄的麻栎林的枯落物厚度、蓄积量、最大持水率、最大持水量、有效拦蓄率和有效拦蓄量均表现出差异不显著，但为了更为直观的了解麻栎林涵养水源情况，所以选择了该6个指标对3个不同林龄的麻栎林枯落物水文功能做了进一步的综合评价，如表7。其中枯落物蓄积量、最大持水率的熵权重值最大，均为 17.67%；其次为最大持水量和有效拦蓄率，分别为17.65%和17.61%；再次为枯落物厚度，为 16.80%；最后为有效拦蓄量，为12.47%。从各指标的得分之和看，3个不同林龄的麻栎林枯落物水文功能大小依次为 33 a(35.45)>25 a (34.10)>15 a (30.35)。

表7 不同林龄麻栎林的枯落物水文功能综合评价得分Table 7 Comprehensive evaluation scores of hydrological functions of litter in Quercus acutum forest at different ages

4 讨论

4.1 麻栎林的枯落物蓄积量除受林龄因素影响外，更多的受到林分密度、局部水热条件、累积时间的影响

首先，一般随着林龄的增长，林内枯落物量会增多，且相对更加紧实、孔隙较小和密度较大（张学龙等，2015；高迪等，2019）；但本研究中3个不同林龄的麻栎林样地的枯落物层厚度及蓄积量并未表现出随林龄有明显的规律变化，如15 a麻栎林枯落物储蓄量稍高于25 a，这主要与二者的林分密度有关，特别是 15 a幼龄林林分密度过大（1.6×10tree·hm）会产生较多的枯落物。其次，从未分解层和半分解层的枯落物蓄积量比例看，33 a的未分解层的比例明显大于半分解层的，而15 a和25 a的则相反，特别是15 a的半分解层枯落物蓄积量比例超过70%；这可能由于林分过密导致林内温湿度不易扩散，有利于当年新的枯落物分解，从而增加半分解层厚度和蓄积量，而33 a相对林分密度降低，林内空气流通较好，温湿度条件不利于枯落物的分解，从而未分解层较厚且量大；实地考察也发现15 a的枯落物层较其他二者更为紧实、厚重，而33 a和25 a的未分解层较为松散。最后，本研究的枯落物采样时间是12月中旬，因此这时的麻栎林枯落物层厚度和蓄积量应该是全年中累积最多的时期，特别是未分解层厚度；随着春、夏季的到来，特别是汉江上游的气候属于亚热带气候，麻栎林枯落物会有较大部分因为昆虫取食、微生物分解、雨水作用等累积量明显减少；因此，针对麻栎林枯落物蓄积量及水文功能发挥会随季节变化方面，其相关结果有待进一步研究。

4.2 不同林龄的麻栎林枯落物的持水规律具有一致性，且与浸泡时间存在函数关系

枯落物持水量和持水率是反映枯落物含蓄水分能力的重要指标，主要取决于枯落物的质地、组成、结构和分解程度等（张海涛等，2016；高迪等，2019）。不同林龄的麻栎林枯落物的持水规律具有一致性，枯落物持水量均10 min内迅速增加，20 min后缓慢平稳的增大直到24 h恒定；相应的持水速率在20 min内降低较剧烈，2 h之后持水速率以接近0的趋势变小；这与郭建荣等（2012）对宝天曼自然保护区不同林龄锐齿栎林枯落物层水文特性中的持水过程较相似，同时，也说明汉江上游麻栎林枯落物对降水的拦蓄有效时间大概在 2 h之内。另外，3个林龄麻栎林的未分解层和半分解层的枯落物持水量和持水速率均与浸泡时间分别存在对数函数（s=aln(t)+b）和幂函数关系（v=kt），拟合系数 R分别为 0.7646—0.9606和 0.9933—0.9943，其与较多研究（郭建荣等，2012；王美莲等，2015；陈进等，2018；杨家慧等，2020）研究结果一致，证明可以利用该经验方程进行麻栎林枯落物水文要素的预测和模拟。

4.3 枯落物最大持水量在林龄之间的差异不显著；未分解层枯落物持水性能起主要作用

有研究表明（高迪等，2019；杨家慧等，2020），随着林龄的增加，枯落物的最大持水量会增大；但是本研究中麻栎林枯落物最大持水量随林龄增加而增加不显著（P=0.997），这主要是因为 3个林龄的枯落物蓄积量差异不显著（P=0.993）。从最大持水率看，3个不同林龄的麻栎林未分解层的最大持水率均高于半分解层的，因此该林分中未分解层枯落物蓄积量的比例越高（33 a>25 a>15 a），其最大持水量会越大，这与高迪等（2019）的研究认为华北落叶松林中半分解层的持水性能在枯落物水源涵养中起主要作用是不同的，这可能与不同树种的枯落物自身性质和所处的自然环境因素不同有关。另外，麻栎林半分解层枯落物的最大持水量随林龄增大而降低，即与未分解层的正好相反（15 a>25 a>33 a），这也使得3个林龄之间枯落物最大持水量差异不大。

4.4 枯落物有效拦蓄量受多种因素影响，需要进行水源涵养能力的综合评价

研究表明，25 a的麻栎林枯落物有效拦蓄量最大，33 a的次之，15 a的最小，但三者之间的差异不显著（P=0.331）。枯落物有效拦蓄能力不仅受到林龄因素的影响，还与林分密度、枯落物自然持水率、枯落物本身性质等有关（李阳等，2019）；而本研究中枯落物的自然持水率对其有效拦蓄能力的影响可能是主要原因。从3个林龄的枯落物蓄积量看，虽然25 a的枯落物蓄积量是最小的，但其较低的自然持水率导致其具有较大有效拦蓄率，从而其有效拦蓄力有可能会高于蓄积量较多的 33 a和15 a的。正是由于较多的不确定因素存在，本研究进一步对3个林龄的枯落物水源涵养能力做了综合评价，选取的6个水文功能指标均有效，最后发现水源涵养能力大小为33 a>25 a>15 a。

5 结论

（1）汉江上游麻栎林枯落物的厚度、蓄积量、自然持水量、最大持水率、最大持水量、最大拦蓄量，有效拦蓄量在不同林龄之间差异不显著（P=0.591；P=0.993；P=0.508；P=0.428；P=0.997；P=0.331）；不同林龄的半分解层枯落物吸水速率略大于未分解层；未分解层枯落物的最大持水量略大于半分解层的。

（2）不同林龄内的未分解层枯落物随浸泡时间的持水量表现为15 a>33 a>25 a，而半分解层的持水量则表现6 h之前25 a的略大于15 a的，之后二者的持水量几乎相等，但二者均大于33 a的，其与浸泡时间具有对数函数关系，R为 0.7646—0.9606；未分解层枯落物的瞬时吸水速率表现为15 a>33 a>25 a；而半分解层的表现出25 a>15 a>33 a，其与浸泡时间具有幂函数关系，R为 0.9933—0.9943。

（3）水源涵养能力综合评价大小依次为 33 a(35.45)>25 a (34.10)>15 a (30.35)。