诱导改造对大兴安岭低质低效林枯落物水文效能的影响1)

管惠文 董希斌

(浙江水利水电学院，杭州，310018) (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)

森林是地球上净化水资源、调节大气降水分配和涵养水源的重要生态系统，因此合理经营森林至关重要。国内外专家学者对森林的研究从未中断，Makarieva et al.[1]认为森林的冠层有助于维持森林小气候的水汽平衡，植被覆盖是使得森林含水率高于其他陆地生态系统的主要原因，因此使林分达到郁闭有助于水分循环。万睿等[2]在三峡库区，以兰陵溪小流域4种植被类型为研究对象，对比森林水文过程10种离子含量和pH的变化，结果该区域内不同林分的树干茎流和穿透雨均出现酸化现象，说明水在森林内实现动态循环变化，水环境均受到污染。徐庆等[3]将环境同位素技术引入森林水循环研究中，为研究提供技术革新。这部分学者聚焦于森林生态系统水分的流入与流出动态过程，将森林作为动态系统而开展科学研究。

同时，部分学者更加注重对于森林单一层面水的流动或者多个层面之间互动的研究，包括森林垂直结构的若干层次、地面径流、地下水等。其中，针对林分冠层、土壤层和枯落物层的研究较多[4-7]。森林枯落物主要由树叶、枝丫、果实等构成，是森林涵养水源的重要活动层，是衔接冠层和土壤层的纽带，对水分和养分循环都起到重要作用。枯落物的特点是其表面结构相对疏松，有较大的比表面积，对降水起到截留作用，持水性能良好，方便水分透过枯落物下渗到土壤中[8-10]。同时，对流经的水起到过滤、净化有害物质的作用。枯落物在旱季能够抑制林地水分的蒸发，在雨季能够截留降水，减轻洪水侵蚀。枯落物划分为全分解层、半分解层和未分解层，其中全分解层已经基本融入土壤中，而半分解层和未分解层提高了地表粗糙度，能够减缓地表径流[11-13]。此外，枯落物能够供应植被生长所需养分、保持土壤温度、改良土壤养分等。对于枯落物展开的研究也有很多，陈百灵等[14]通过对大兴安岭白桦林枯落物持水能力展开测定，基于改造第4年的试验结果，得出6 m和14 m宽的带状改造后枯落物持水性能较好的结论。赵晓静等[15]通过研究森林降雨和透水化学效应，结果表明间伐强度为20%时，有助于枯落物层净化过滤水中的Pb2+等重金属物质。王谦等[16]以陕西榆林地区不同密度的樟子松为研究对象，结果表明枯落物层的持水能力随着林分密度的增加而增加。

整体而言，现有研究多停留在对枯落物试验结果的分析，对随时间变化的枯落物持水性能模型研究较少，因此，本文以诱导改造后4种低质低效林为研究对象，基于连续观测数据，构建枯落物持水性能模型，为更好地反映枯落物的持水效应提供借鉴和参考，为合理经营低质低效林提供依据。

1 研究区概况

试验区地处大兴安岭加格达奇，丘陵地带，土壤以暗棕壤为主。地处寒温带大陆性季风气候区，全年无霜期80～100 d，年平均降水量超过500 mm。试验区低温时间漫长寒冷，高温时间短暂，但日照时间较长，昼夜温差大，年平均气温为-1.2 ℃。2009年设置实验样地，其中，针阔混交低质林在跃进林场(124°14′44.4″～124°15′35.5″E,50°30′45.3″～50°31′17.4″N)，坡向为北，坡位为上，坡度为4°，土壤厚度为22 cm，乔木层优势树种为兴安落叶松(Larixgmelinii)、白桦(Betulaplatyphylla)和蒙古栎(Quercusmongolica)，郁闭度为0.3，平均胸径为9.3 cm，平均树高为8.8 m。灌木以胡枝子(Lespedezabicolor)为主，盖度为17%，草本以羊胡子苔草(Carexcallitrichos)为主，盖度为27%。蒙古栎和白桦低质林在翠峰林场(124°23′47.8″～124°24′35.1″E,50°34′9.17″～50°34′32.0″N)。其中蒙古栎林样地坡向为东南，坡位为中，坡度为8°，土壤厚度为22 cm，乔木层优势树种为蒙古栎，郁闭度为0.4，平均胸径为8.2 cm，平均树高为8.7 m。灌木以胡枝子为主，盖度为15%，草本以苍术(Atractylodeslancea)为主，盖度为30%。白桦林样地坡向为东北，坡位为中，坡度为7°，土壤厚度为22 cm，乔木层优势树种为白桦，郁闭度为0.3，平均胸径为10.1 cm，平均树高为11.3 m。灌木以杜鹃柳(Salixrhododendrifolia)为主，盖度为12%，草本以苍术为主，盖度为27%。

2 研究方法

2.1 样地设置

2009年春季在试验区进行诱导改造，改造示意图如图1所示。图中空白部分为改造带，改造带的带长为300 m，带宽为6 m(S1)、10 m(S2)、14 m(S3)、18 m(S4)。阴影部分为保留带，保留针叶幼苗树种，伐除非目的阔叶树种，其中针阔混交林伐除蒙古栎、白桦、山杨，蒙古栎林中伐除蒙古栎，白桦林中伐除白桦，改造带划分为长度为100 m的3段样地，分别栽植3年生兴安落叶松、西伯利亚红松(Pinussylvestris)、樟子松(Pinuskoraiensis)，栽植苗木株行距为2.0 m×1.5 m。在改造样地旁设置对照样地，为未采伐样地。

图1 改造样地设置图

2.2 数据采集

2010—2018年的7、8月份在诱导改造样地内取样，按照“S”型布点法在不同带宽、不同补植苗木区域内设置样方，分别设置5个30 cm×30 cm的枯落物取样点，收集半分解层和未分解层的枯枝烂叶，将取回的枯落物鲜质量进行称量，并带回实验室测量指标[17]。实验室操作包括烘箱烘干枯落物、枯落物浸泡等。

试验数据用Excel 2016进行整理，并利用R 3.6.2进行函数关系的确定，绘图用origin完成。

2.3 数据分析

Olson[18]于1963年提出枯落物分解的指数模型，用以解决不同类型枯落物的分解问题。基于此，根据研究对象的不同，许多专家学者分别提出针对分解环境和不同林分枯落物的模型参数，用以区分林分的差异性[18-23]。本文研究大兴安岭3种低质低效林9 a间，经诱导改造后枯落物分解速率和持水性能的变化，基于前人已验证的指数模型，判断诱导改造模式对森林中枯落物水文性能的影响。本文中单一林分取值样本有限，构建模型时准确度较低且容易出现偏差，因此将3种低质低效林枯落物的样本统一于一个模型中，为了消除不同林分间的差异，分别将改造样地与其对应林分的对照样地进行比较，从而反映不同带宽模式和改造苗木对各指标影响的时间变化情况(表1)。指数模型如公式(1)所示。

Y=A+Bexp(-CX)。

(1)

式中：Y表示改造样地与对照样地指标值的比值；X表示改造年份；A、B、C为模型参数。

3 结果与分析

3.1 改造带宽对枯落物蓄积量的影响

未分解层和半分解层蓄积量不同改造带宽随改造时间的变化曲线如图2所示。拟合曲线为指数模型，结果表明经不同带宽改造后的样地蓄积量指数模型调整R2均在0.90以上，拟合度较高。说明经不同带宽改造的枯落物未分解层和半分解层蓄积量随改造时间的变化满足指数模型。改造9 a后，改造样地未分解层和半分解层的蓄积量与对照样地的比值趋近于1。说明改造9 a后，经带状改造的样地枯落物蓄积量和对照样地基本相同，改造带来的影响随着时间变化逐渐减小。由表1可知，未分解层蓄积量中S4样地B、C参数偏低，半分解层蓄积量中S3、S4样地B参数偏低，S2样地中C参数偏低，但总体而言，不同改造带宽对未分解层和半分解层蓄积量的指数分解模型参数无显著影响(P<0.05)。

表1 不同改造带宽枯落物蓄积量模型参数

图2 不同改造带宽枯落物蓄积量的时间变化

3.2 改造苗木对枯落物蓄积量的影响

未分解层和半分解层蓄积量不同改造苗木随改造时间的变化曲线如图3所示。拟合曲线为指数模型，结果表明种植不同苗木的样地蓄积量对应的调整后R2均在0.90以上，拟合度较高。说明种植不同苗木的枯落物未分解层和半分解层蓄积量随改造时间的变化满足指数模型。种植不同苗木的样地改造1 a后的枯落物蓄积量存在差异，改造9 a后，种植西伯利亚红松的样地半分解层蓄积量低于对照样地。由表2可知，未分解层蓄积量中，种植西伯利亚红松的样地A参数显著高于其他两个样地，种植兴安落叶松的样地B参数显著高于其他两个样地，种植兴安落叶松和种植樟子松的样地间C参数差异性显著。半分解层蓄积量中，种植兴安落叶松的样地A参数显著高于其他两个样地，种植兴安落叶松和种植樟子松的样地B参数差异性显著。

表2 不同改造苗木枯落物蓄积量模型参数

图3 不同改造苗木枯落物蓄积量的时间变化

3.3 改造带宽对枯落物有效拦蓄量的影响

未分解层和半分解层有效拦蓄量不同改造带宽随改造时间的变化曲线如图4所示。拟合曲线为指数模型，结果表明经不同带宽改造后的样地有效拦蓄量指数模型调整R2均在0.90以上，拟合度较高。说明经不同带宽改造的枯落物未分解层和半分解层有效拦蓄量随改造时间的变化满足指数模型。改造9 a后，改造样地未分解层和半分解层的有效拦蓄量与对照样地的比值趋近于1。说明改造9 a后，经带状改造的样地枯落物有效拦蓄量和对照样地基本相同，改造带来的影响随着时间变化逐渐减小。由表3可知，未分解层和半分解层有效拦蓄量S2改造样地初始值较高，经9 a的分解后，S2样地的未分解层有效拦蓄量已经与其他改造样地基本持平，但半分解层有效拦蓄量仍高于其他改造样地。其中，未分解层有效拦蓄量中S3改造样地的C参数显著高于其他样地，S2的C参数显著低于S4样地，半分解层有效拦蓄量S1改造样地的C参数显著高于其他样地，S3的C参数显著高于S4样地，其他参数各样地间无显著差异(P<0.05)。

表3 不同改造带宽枯落物有效拦蓄量模型参数

图4 不同改造带宽枯落物有效拦蓄量的时间变化

3.4 改造苗木对枯落物有效拦蓄量的影响

未分解层和半分解层有效拦蓄量不同改造苗木随改造时间的变化曲线如图5所示。拟合曲线为指数模型，结果表明种植不同苗木的样地有效拦蓄量对应的调整后R2均在0.90以上，拟合度较高。说明种植不同苗木的枯落物未分解层和半分解层有效拦蓄量随改造时间的变化满足指数模型。种植不同苗木的样地改造1 a后的枯落物有效拦蓄量存在差异，改造9 a后，种植西伯利亚红松的样地未分解层和半分解层有效拦蓄量仍低于对照样地。由表4可知，未分解层有效拦蓄量中，种植兴安落叶松的样地A、B、C参数均显著高于其他两个样地，且种植樟子松的样地B参数高于种植西伯利亚红松的样地。半分解层有效拦蓄量中，种植西伯利亚红松的样地A参数显著低于其他两个样地，B、C参数3种种植方式的差异性不显著。

表4 不同改造苗木枯落物有效拦蓄量模型

图5 不同改造苗木枯落物有效拦蓄量的时间变化

4 结论与讨论

大兴安岭3种典型低质低效林经诱导改造9 a后，枯落物蓄积量和有效拦蓄量均随时间呈指数函数变化，这说明枯落物水文性能与改造时间的关系满足指数模型，这与普通林分中枯落物的分解模式相似[18]。两种改造模式对枯落物分解速率的影响不同，改造带宽对3种典型林分的枯落物分解速率未产生显著影响，种植苗木的不同对枯落物分解模型造成一定的差异。

带宽改造9 a后，枯落物的水文效能基本恢复到改造前状态。改造初期，枯落物蓄积量明显提升，这主要是因为改造采伐时带来的枯枝落叶在微生物作用下迅速分解，且采伐后林地光照增强，均有利于枯落物的分解。相关研究表明枯枝落叶分解直接关系到土壤肥力的维持和恢复，改造间伐时不能取走枯枝落叶层，要尽量多地留下剩余物[24]。改造9 a后，带状改造样地枯落物蓄积量和有效拦蓄量与对照样地基本持平，说明改造采伐时的剩余物分解基本完成，带状改造对于枯落物水文性能的影响不大。皆伐会导致土壤微气候的变化从而影响微生物活性，过渡的采伐会导致森林气候骤变且难以恢复[25]。Rapp[26]的研究表明，皆伐1 a后的圣栎矮林淋溶损耗速度增大。因此，改造带宽均处在合理范围内，森林植被能够得以恢复。

改造苗木的不同影响了原始林分中枯落物的分解过程，从而对枯落物的水文性能产生影响。不同改造苗木的枯落物蓄积量和拦蓄量随时间变化情况存在差别，指数模型中的3个参数存在较大的差异。种植苗木的不同导致后期森林结构发生改变，从而影响森林小气候，造成枯落物分解的差异。改造初期，枯落物蓄积量明显提升，这主要是因为改造采伐时带来的枯枝落叶在微生物作用下迅速分解，林下温度光照增强，同时新补增苗木产生枯枝烂叶，进一步增大枯落物蓄积量。改造9 a后，种植西伯利亚红松的样地枯落物蓄积量和有效拦蓄量偏低。可能是西北利亚红松在该试验区的存活率和生长量较低，一直以来，大兴安岭林区以兴安樟子松为优势树种，小兴安岭才是西伯利亚红松的主要产地，徐永波等[27]对适合引入大兴安岭的红松种源展开分析，因此，需要对改造苗木的选取更加慎重才能更好地适应大兴安岭的土壤和气候。同时改造苗木的种植阻碍了林分的自然更新，进而影响枯落物水文效能指标。