黑龙江省东部山区杨桦次生林改造对林地水源涵养功能的影响*

廖春光 郭树平 刘忠玲**

（1.黑龙江省林业科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150081；2.黑龙江省林业科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150081）

森林主要通过林冠层、枯落物层和根系土壤层来截流降雨，调节径流。枯落物层和土壤层作为森林系统中涵养水源的第2活动层和第3活动层，对于防止土壤侵蚀、拦蓄地表径流、抑制土壤水分蒸发都发挥着重要作用[1-3]。抚育间伐和补植补造作为森林经营的一项重要手段，由于改变了凋落物的组成，土壤物理结构，从而影响林分水源涵养能力。研究表明，4种间伐强度的大兴安岭落叶松天然林林地水文性能均优于对照样地，其中40%间伐强度最佳[1]；对辽东区杨桦天然次生林进行不同强度的采伐后补植红松，不仅能提高林分总蓄积，有助恢复针阔混交林，也能改善土壤物理性质，提高土壤水源涵养能力[4]；轻度间伐(15%)能提高麻栎次生林枯落物有效拦蓄量[5]；轻度间伐抚育(15%)可以提高辽东栎次生林枯落物有效拦蓄量[6]。

杨桦次生林简称杨桦林，一般指以杨柳科(Salicaceae)的山杨(Populus davidiana)和桦木科(Betulaceae)的白桦(Betula platyphylla)为建群种所组成的森林植被类型，为山杨纯林、白桦纯林及山杨与白桦混交林的统称，是黑龙江省主要的天然次生林类型，其比重占黑龙江省次生林面积36%，蓄积的31%，在涵养水源、保持水土和减免自然灾害等诸多方面均占据重要的战略地位[7,8]。乌斯浑河发源于黑龙江省林口县宝林镇秃顶子山麓，属于牡丹江中下游右岸较大的一级支流[9]，河流沿岸的森林能够影响牡丹江流域乃至松花江流域径流量。因此，本文选择位于乌斯浑河流域源头的杨桦次生林为研究对象，分析不同强度抚育后补植红松对林分枯落物和土壤蓄水功能的影响，旨在为基于改善水源涵养功能的次生林改造提供参考。

1 研究区概况

研究地点位于黑龙江省林口林业局青山林场(130°21"E～130°27"E，45°32"N～45°33"N)，属长白山系完达山脉，平均海拔501 m，属寒温带大陆性季风气候区，1月平均温﹣18℃，7月平均温25℃，年均气温5℃。年平均湿度61%，年降水量750 mm，无霜期100～140天，≥10℃积温为2100℃。地带性土壤为暗棕色森林土，土壤平均厚度40～51 cm，腐殖质层平均厚度6 cm。

2 研究方法

2.1 标准地设置

2001年11月，青山林场130林班的杨桦次生林作为“天然次生林结构改培工程”的试点，基于株数进行了不同强度的抚育间伐，分别设置不采伐对照区、弱伐(伐除1/3)、强伐(伐除2/3)、皆伐3种强度采伐区(分别以CK、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示)，采伐时保留珍贵阔叶树种。伐前杨桦次生林树种组成为7杨2桦1椴+色-黄，郁闭度0.9，平均林龄33年，平均树高13 m，活立木蓄积116 m3/hm2。2002年在采伐区栽植S2-2红松(Pinus koraiensis)幼苗促进林分更新，后期进行适当的管理和维护。

2016年5月，在对照区和3种强度的采伐区内各设置3块标准地，面积为20 m×25 m，对其中的林木(胸径≥4 cm)进行胸径、树高调查（表1）。弱伐样地内补植的红松平均高1.74 m，地径24.23 mm，强伐样地内补植的红松已进入更新层，平均高3.48 m，平均胸径3.13 cm，皆伐样地内胸径≤4 cm的红松平均高3.21 m，平均胸径3.01 cm。

表1 青山林场杨桦次生林样地概况

2.2 林下枯落物采集与蓄积量测定

2016年5月，在每个标准地内沿对角线方向设置3个50 cm×50 cm的枯落物收集样方，利用砍刀、枝剪等工具将样方边界内外枯落物断开，将未分解层和半分解层分别装入密封袋中，并在收集的过程中记录枯落物层厚度。将分层的枯落物带回实验室，未分解层分选为枝、叶2种类型，分别称其自然状态质量，80℃烘箱中烘至恒重后称重，以烘干质量推算枯落物蓄积量[10]。

2.3 枯落物持水的测定

将烘干后的样品装入网眼为0.5 mm的网袋中，放置在盛有清水的白盒中浸泡，分别在浸泡0.5、1、2、4、6、8、10、24 h时取出，静置至不滴水时立即称质量[10]，称后放回。

2.4 土壤持水的测定

在各标准地的四角和中间分别选取5个剖面，用环刀(100 cm3)在每个剖面上按照0～10 cm、10～20 cm，20～30 cm分层垂直采样，每层采样1个，同时用铝盒取土样1个，用烘干法测定土壤含水量，用环刀法测定土壤容重、孔隙度[1]。

2.5 森林水源涵养功能评价

采用综合评价法对杨桦天然林水源涵养功能进行比较，选用指标包括枯落物蓄积量、枯落物最大持水率、枯落物有效拦蓄量、土壤容重、土壤非毛管孔隙度、土壤最大持水量，对各指标进行无量纲处理后进行计算[11,12]，以综合值小者表明水源涵养功能高。

2.6 数据处理与统计分析

采用Excel进行整理和画图，利用SPSS 21.0进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD多重比较，显著性水平为0.05。

3 结果与分析

3.1 枯落物厚度和蓄积量

杨桦林枯落物总厚度为3.60～8.27 cm，弱伐和皆伐后显著低于对照(p<0.05)（表2），未分解层厚度变化与总厚度相同，半分解层厚度差异不显著(p>0.05)。杨桦林枯落物总蓄积量为6.10～8.68 t/hm2，各样地间差异不显著(p>0.05)。弱伐和皆伐林未分解层蓄积量显著低于对照(p<0.05)，半分解层蓄积量差异不显著(p>0.05)。强伐林未分解层枝蓄积量显著低于对照，弱伐和皆伐林未分解层叶蓄积量显著低于对照(p<0.05)。

表2 青山林场杨桦次生林枯落物层厚度及蓄积量

从枯落物组成看，对照林未分解层枯落物占总蓄积量的61%，而弱伐、强伐、皆伐林未分解层分别占枯落物总蓄积量的45%、41%、36%，未分解层蓄积量均低于半分解层。在未分解层中，各样地均为叶蓄积量大于枝的蓄积量。

3.2 枯落物水源涵养功能

3.2.1 枯落物持水过程

各类型枯落物持水量随浸水时间的延长均呈增加趋势(图1)。浸水0.5 h内持水量迅速增加，持水量可达最大持水量的72%以上；浸水0.5～4 h，持水量增加变缓；10 h持水量达到最大持水量的94%以上。

图1 不同间伐强度杨桦次生林枯落物持水量随浸泡时间的变化

各类型枯落物在浸水过程中同时间段持水量比较，3个抚育样地未分解层枝、叶持水量低于对照，皆伐和强伐样地半分解层持水量高于对照，全部枯落物持水量排序为强伐>对照>皆伐>弱伐。

从枯落物组成看，对照的未分解层持水量大于半分解层，其他3个抚育样地相反，未分解层持水量低于半分解层。各样地内枯落物叶的持水量均高于枝。

各类型枯落物吸水速率随浸水时间的变化均呈下降趋势(图2)，浸水0.5～4 h，枯落物吸水速率直线下降，随后4～8 h吸水速率下降变缓，而后趋向一致，曲线趋于平直(图2)。

图2 不同间伐强度杨桦次生林枯落物吸水速率随浸泡时间的变化

在浸水前8 h过程中，3个抚育样地未分解层枝、叶吸水速率低于对照，皆伐和强伐样地半分解层吸水速率高于对照，全部枯落物的吸水速率对照>强伐>皆伐>弱伐。

从枯落物组成看，对照和强伐样地的枯落物，未分解层吸水速率快于半分解层，弱伐和皆伐样地的枯落物未分解层吸水速率慢于半分解层。各样地内枯落物叶的吸水速率均快于枝。各类型枯落物浸水0.5～24 h的持水量W(t/hm2)与浸泡时间t(h)的关系可以用一元对数方程进行拟合，各类型枯落物的吸水速率V(t/hm2·h)与浸泡时间t(h)的关系符合幂函数模型（表3）。

表3 不同间伐强度杨桦次生林枯落物持水量及吸水速率特征曲线拟合

3.2.2 枯落物自然含水率、最大持水量、最大持水率

不同抚育强度的杨桦林各类型枯落物自然含水率差异不显著(p>0.05)（表4）。从枯落物组成看，各样地内枯落物未分解层自然含水率均低于半分解层，未分解层叶的自然含水率均高于未分解层枝。不同抚育强度的杨桦林枯落物最大持水量相当于可吸收1.7～2.5 mm的降水，各样地间差异不显著(p>0.05)（表5）。皆伐林未分解层叶蓄积量显著低于对照(p<0.05)。从枯落物组成看，对照的未分解层最大持水量高于半分解层，其他三个抚育样地相反，未分解层最大持水量低于半分解层。各样地内枯落物叶的最大持水量均高于枝。

表4 不同间伐强度杨桦次生林枯落物自然含水率%

不同抚育强度的杨桦林枯落物最大持水率相当于可吸收自身干重2.8～3.0倍的降水(表5)，各样地间差异不显著(p>0.05)。从枯落物组成看，对照和皆伐林未分解层枯落物最大持水率低于半分解层，弱伐和强伐样地未分解层枯落物最大持水率高于半分解层，各样地内枯落物叶的最大持水率均高于枝。

表5 不同间伐强度杨桦次生林枯落物最大持水量和最大持水率

3.2.3 枯落物有效拦蓄量

由于山地森林坡面不会出现长时间的降水，枯落物对降水的拦蓄还与枯落物的水分状况、降雨特性有密切的关系，所以用最大持水量和最大持水率来估算枯落物层对降雨的拦蓄能力偏高，一般用有效拦蓄量来估算枯落物对降雨的实际拦蓄效果[5,13]。

不同抚育强度的杨桦林枯落物有效拦蓄量相当于可吸收1.0～1.5 mm的降水（表6），对照>弱伐>强伐>皆伐，且强伐和皆伐林显著低于对照(p<0.05)。其中弱伐和皆伐林未分解层叶有效拦蓄量显著低于对照(p<0.05)。从枯落物组成来看，皆伐林未分解层枯落物有效拦蓄量低于半分解层，其他林分相反，未分解层枯落物有效拦蓄量高于半分解层，各样地叶的有效拦蓄量均高于枝。

表6 不同间伐强度杨桦次生林枯落物有效拦蓄量t/hm2

3.3 土壤水文效应

3.3.1 土壤物理性质和持水量的垂直分布特征

3个土层间的土壤容重有显著差异，表现为表层最低，随土层加深呈增加趋势(表7)。皆伐林0～10 cm和10～20 cm土层容重差异显著(p<0.05)，其他各样地0～10 cm和20～30 cm土层容重差异显著(p<0.05)。土壤总孔隙度有显著差异，表现为表层最高，随土层加深而降低。强伐和皆伐林的0～10 cm土层总孔隙度显著高于10～20 cm和20～30 cm土层(p<0.05)，对照和弱伐林0～10 cm土层总孔隙度显著高于20～30 cm土层(p<0.05)。土壤非毛管孔隙度表现为表层最高，随土层加深呈降低趋势。对照林0～10 cm土层非毛管孔隙度显著高于10～20 cm和20～30 cm土层(p<0.05)，其他各样地3个土层间非毛管孔隙度差异不显著(p>0.05)。土壤毛管孔隙度表现为表层最高，随土层加深而降低。皆伐林0～10 cm土层毛管孔隙度显著高于10～20 cm和20～30 cm土层(p<0.05)，其他各样地3个土层间毛管孔隙度差异不显著(p>0.05)。

表7 不同间伐强度杨桦次生林土壤物理性质和持水量垂直变化

3个土层间的土壤最大持水量有显著差异，表现为表层最高，随土层加深而降低(表9)。强伐和皆伐林0～10 cm土层最大持水量显著高于10～20 cm和20～30 cm土层(p<0.05)，对照和弱伐林0～10 cm土层总孔隙度显著高于20～30 cm土层(p<0.05)。3个土层间的土壤有效持水量表现为表层最高，随土层加深呈降低趋势。对照样地0～10 cm土层非毛管孔隙度显著高于10～20 cm和20～30 cm土层(p<0.05)，其他各样地3个土层间非毛管孔隙度差异不显著(p>0.05)。

3.3.2 不同抚育强度的杨桦次生林土壤物理性质和持水量

在0～30 cm土层，杨桦天然次生林土壤容重为1.05～1.23 g/cm3，各样地间无显著差异(p>0.05)（表8）。强伐林土壤总孔隙度最高，与皆伐差异显著(p<0.05)；强伐林土壤非毛管孔隙度最高，与其他样地差异显著(p<0.05)；弱伐林土壤毛管孔隙度最高，与强伐和皆伐林差异显著(p<0.05)。

在0～30 cm土层，杨桦天然次生林土壤最大持水量变化范围为1191.69～1482.02 t/hm2，皆伐林显著低于对照(p<0.05)（表8）。土壤有效持水量强伐样地最高，与其他样地差异显著(p<0.05)，排序为强伐>皆伐>对照>弱伐。

3.4 不同抚育强度的杨桦次生林水源涵养功能比较

森林蓄水主要包括枯落物层蓄水和土壤层蓄水[11,12]。以枯落物层和土壤层(0～30 cm)有效蓄水之和作为林地表层总蓄水量，不同抚育强度的杨桦林总蓄水量依次为强伐>皆伐>弱伐>对照(表9)。枯落物层蓄水量占总蓄水量的比例较小，土层蓄水量占总蓄水量的比例较大，说明土壤层对森林涵养水源的作用是主要的。

表9 不同林分的枯落物层和土壤层的持水量

采用综合评价法对不同抚育强度的杨桦林水源涵养功能进行比较(表10)，排序为强伐>对照>皆伐>弱伐。

表10 不同抚育强度的杨桦次生林水源涵养功能综合评价

4 讨论

杨桦天然次生林枯落物蓄积量与枯落物厚度不相关，主要由于对照未分解层凋落物以阔叶为主，叶片间空隙大，抚育样地内凋落物既有阔叶也有针叶，叶片间空隙小。同时由于枯落物的组成发生改变，针叶凋落后分解速率慢，导致3个抚育样地半分解层枯落物所占的比例均大于50%，而对照半分解层仅占总蓄积量的39%。

在持水过程中，枯落物持水量与浸水时间呈对数函数关系，吸水速率与与浸水时间呈幂函数关系，这两种函数模型与前人研究结果一致[5,6,10,12-15]。皆伐林枯落物未分解层的厚度、蓄积量、吸水速率、自然含水率、最大持水量、最大持水率、有效拦蓄量均低于半分解层，这与皆伐样地内补植红松，当年凋落量少有关。弱伐和强伐林未分解层的最大持水量低于半分解层，有效拦蓄量高于半分解层，这与未分解层蓄积量低和自然含水率低有关。另外，叶的蓄积量、自然含水率、吸水速率、最大持水量、最大持水率、有效拦蓄量等指标均高于枝条。

土壤容重和孔隙度是体现土壤物理性状的基本指标，反映了土壤的整体结构状况，也反映了森林植被对土壤物理性质的改善程度。土壤持水量的大小，与土层厚度和土壤孔隙度密切相关，在一定土壤厚度条件下，取决于土壤的孔隙大小和数量。从空间垂直角度来看，随土壤深度增加，土壤容重逐渐增加，总孔隙度逐渐减小，可能与随土壤加深，有机质含量逐渐减少有关[18,19]。非毛管孔隙度和毛管孔隙度最大值都在0～10 cm土层，随土层加深而降低，说明表层土壤通透性较好，有利于降水下渗，同时吸持、贮水能力也较强。土壤最大持水量取决于总孔隙度，有效持水量取决于非毛管孔隙度，土壤最大持水量和有效持水量呈同样变化趋势。

弱伐林土壤孔隙度及持水量指标与对照无显著差异，可见弱伐补植红松对土壤没有显著的改善作用；强伐林土壤非毛管孔隙度、有效持水量与其他样地差异显著(p<0.05)，说明强伐补植红松能显著提高土壤的水源涵养能力；皆伐林土壤毛管孔隙度显著低于对照，最大持水量显著低于其他各样地(p<0.05)，表明皆伐不利于改善土壤的水源涵养功能。

不同抚育强度的杨桦林枯落物和土壤总蓄水量排序为强伐>皆伐>弱伐>对照；采用综合评价法对不同抚育强度的杨桦林水源涵养功能进行比较，排序为强伐>对照>皆伐>弱伐，均表明杨桦天然次生林强伐后补植红松的的水源涵养功能优于对照和采用其他措施的林分。

本文选取了枯落物层和土壤层2个方面6个指标来综合评价森林的水源涵养能力，在以后的研究中应增加林冠层的观测，更全面的对次生林改造后的水源涵养功能进行评价。

5 结论

(1)杨桦天然次生林枯落物厚度在3.60～8.27 cm，蓄积量为6.10～8.68t/hm2，最大持水量为16.96～24.71t/hm2，有效拦蓄量范围为9.51～15.39 t/hm2。枯落物持水量与浸水时间呈对数函数关系(R2>0.9722)，吸水速率与浸水时间呈幂函数关系(R2>0.9987)。抚育后半分解层蓄积量和最大持水量均大于未分解层，对照和抚育样地的未分解层叶的枯落物各指标均高于枝条。

(2)杨桦天然次生林土壤容重范围为1.05～1.23 g/cm3，随着土层深度增加，容重呈增加趋势，总孔隙度呈降低趋势。土壤最大持水量范围为1191.69～1464.48t/hm2，有效持水量为153.80～414.43 t/hm2。

(3)杨桦天然次生林枯落物有效拦蓄量排序为对照>弱伐>强伐>皆伐，且对照显著高于强伐和皆伐(p<0.05)。土壤有效持水量排序为强伐>皆伐>对照>弱伐，且强伐林与其他样地差异显著(p<0.05)。林分有效持水量总和164.04～424.13 t/hm2，相当于16.4～42.4 mm的降水。

(4)采用综合评价法对不同抚育强度的杨桦林水源涵养功能进行比较，排序为强伐>对照>皆伐>弱伐，杨桦天然次生林强伐后补植红松的水源涵养功能优于对照和采用其他措施的林分。