撫育間伐對麻櫟次生林枯落物持水性的影響

唐 禾, 陳永華, 張建國, 薛文艷, 張文輝

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.延安市黃龍山林業(yè)局, 陜西 黃龍 715700)

森林具有極強(qiáng)的涵養(yǎng)水源能力，通過林冠層、枯落物層、土壤層攔蓄和涵養(yǎng)水源[1]?？萋湮镒鳛樯纸Y(jié)構(gòu)的重要組成部分，對生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境、土壤和植被均有一定的影響，起著不可代替的生態(tài)學(xué)作用[2]。森林枯落物一方面可以增加地表層的粗糙度，減少地表徑流，促進(jìn)土壤水分下滲，減緩降雨對表層土壤的沖刷和土壤水分蒸發(fā)，防止水土流失，對涵養(yǎng)水源和保持水土具有重要作用[3]；同時(shí)在氧化分解后還能增加土壤有機(jī)質(zhì)，為土壤生物和森林植物生長提供養(yǎng)分和能量，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)[4-5]。研究枯落物層水文效應(yīng)對于探討森林生態(tài)系統(tǒng)的水文循環(huán)和水量平衡具有重要意義[6]。

橋山林區(qū)作為陜西省五大國有林區(qū)之一，地處黃河中游黃土高原區(qū)，該區(qū)域水土流失極為嚴(yán)重，如何發(fā)揮森林保持水土和涵養(yǎng)水源的作用是橋山林區(qū)營林工作的重心。麻櫟作為橋山林區(qū)的主要建群種之一，對當(dāng)?shù)氐乃春B(yǎng)、水土保持具有重要作用[7]。因此，提高橋山林區(qū)麻櫟次生林的持水性能對提高該林區(qū)水土保持能力具有顯著作用。目前，國內(nèi)外學(xué)者對枯落物做了大量研究，主要集中在持水性[8-10]、分解[11-13]、儲量[14-16]等方面。但關(guān)于橋山林區(qū)麻櫟(Quercusacutissima)次生林枯落物持水性能的研究還鮮有報(bào)道。研究證明遼東櫟(Quercuswutaishanica)林枯落物持水效應(yīng)受間伐強(qiáng)度的影響，輕度間伐提高了枯落物持水性，對保護(hù)水土流失有重要意義[17]。因此，本文以橋山林場麻櫟次生林枯落物為研究對象，研究間伐對麻櫟林分枯落物持水效應(yīng)的影響，旨在為該林區(qū)麻櫟次生林的森林撫育及水源涵養(yǎng)提供理論與實(shí)踐依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市橋山林業(yè)局雙龍林場，林區(qū)地理位置為108°31′—109°11′E，35°30′—35°50′N，橋山林區(qū)位于鄂爾多斯臺地南緣，海拔800～1 700 m，屬暖溫帶氣候，平均氣溫3.42～11.90℃，最高氣溫38℃，最低氣溫-23℃，7月平均氣溫最高，為21.9℃，1月平均氣溫最低，為-4.7℃，4月平均氣溫為11.1℃，10月平均氣溫為10.0℃。年平均降水量677.4 mm，降水量年際間差異較大，且呈明顯的季節(jié)性變化。降雨量最大的年份為1 037.2 mm，降雨量最小的年份為431.7 mm。林區(qū)夏季降水比較集中，占全年的51%，秋季占25%，春季占18%，冬季占6%。年日照時(shí)間2 528 h，無霜期190～225 d，主要土壤類型為森林褐土。該林區(qū)共有植物6綱30目85科，200屬750多種。喬木層植被主要有：麻櫟、遼東櫟、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Popolusdaviana)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、漆(Toxicodendronvernicifluum)、杜梨(Pyrusbetulifolia)、油松(Pinustabuliformis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)等，灌木層植被主要包括：南蛇藤(Celastrusorbiculatus)、黃刺玫(Rosaxanthina)、胡枝子(Lespedezabicolor)、狼牙刺(Sophoradavidii)等，草本植物主要有：白茅(Imperatacylindrica)、苔草(Carexspp.)、披堿草(Elymusdahuricus)、茜草(Rubiacordifolia)等。

2 研究方法

2.1 樣地的設(shè)置

對研究區(qū)麻櫟林分進(jìn)行充分踏查后，采用典型取樣，設(shè)置30 m×20 m麻櫟純林樣地12塊。在2012年，以近自然經(jīng)營理論作為間伐指導(dǎo)，以林分儲量作為間伐標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置35%間伐樣地(強(qiáng)度間伐)、25%間伐樣地(中度間伐)、15%間伐樣地(輕度間伐)和未間伐樣地(對照)各3塊。2017年8月，對樣地進(jìn)行調(diào)查取樣，樣地剛間伐完和伐后5 a基本信息見表1。

表1 林分作業(yè)前后麻櫟次生林概況

注：CK為對照；T15為輕度間伐；T25為中度間伐；T35為重度間伐，下表同。

2.2 枯落物儲量測定

在各樣地的4個(gè)角和中間選取5個(gè)1 m×1 m的小樣方，分別測量未分解層和分解層(包括半分解層和全分解層)厚度，并按分解層和未分解層收集枯落物并現(xiàn)場稱重，帶回實(shí)驗(yàn)室后在85℃下烘干至恒重，計(jì)算枯落物儲量和含水率[18]。

2.3 枯落物持水性測定

在各樣地的4個(gè)角和中間選取5個(gè)0.3 m×0.2 m的小樣方，在不破壞枯落物自然結(jié)構(gòu)的條件下收集枯落物于紙盒中，帶回實(shí)驗(yàn)室在85℃下烘干。將烘干的枯落物按分解層與未分解層分別放入100目土壤篩中，測定其初始重量后完全浸水，分別在0.25，0.5，1，2，4，8，12，24 h時(shí)取出，放置于室內(nèi)，至無水滴落時(shí)測定其重量，用于計(jì)算枯落物各時(shí)段的吸水速率、吸水量以及最大持水量。一般枯落物在浸水24 h后達(dá)到最大持水量[19]。

2.4 枯落物含水率及有效攔蓄量的計(jì)算

枯落物含水率計(jì)算公式為：

(1)

式中：W為枯落物含水率(%)；m1為枯落物自然狀態(tài)下重量(g)；m0為枯落物干重(g)。

由于林區(qū)通常處于坡地，落到枯落物層的雨水只有一部分被攔蓄，另一部分很快形成地表徑流流走。所以用最大持水量來計(jì)算枯落物層的攔蓄能力，會使結(jié)果偏大，因此實(shí)際應(yīng)用中常用有效攔蓄量來估算枯落物對降雨的實(shí)際攔蓄能力[20]。當(dāng)降雨量達(dá)到20～30 mm時(shí)，枯落物的實(shí)際持水率約為最大持水率的85%[21]，因此枯落物有效攔蓄量計(jì)算公式為：

R=(0.85Qm-W)×M

(2)

式中：R為有效攔蓄量(t/hm2)；Qm為最大持水率(%)；W為自然含水量(%)；M為枯落物儲量(t/hm2)。

2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

本研究采用Microsoft Excel 2016處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)并作圖，用SPSS 22.0軟件作單因素方差分析(p<0.05)，并進(jìn)行LSD多重比較，檢驗(yàn)其差異顯著性。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同間伐強(qiáng)度下枯落物厚度和儲量

由表2可知，CK樣地中枯落物未分解層厚度最大，且與中度間伐和重度間伐之間存在顯著性差異，重度間伐未分解層厚度最小，與CK、輕度間伐和中度間伐之間均具有顯著性差異；分解層厚度順序?yàn)椋褐卸乳g伐>輕度間伐>CK>重度間伐，其中重度間伐與CK、輕度間伐和中度間伐之間均有顯著性差異，CK、輕度間伐和中度間伐相互之間沒有顯著性差異。

表2 不同間伐強(qiáng)度下枯落物儲量

注：同列不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

枯落物未分解層儲量隨著間伐強(qiáng)度增大呈減小的趨勢，其中輕度間伐與CK沒有顯著性差異，與中度間伐和重度間伐存在顯著性差異，CK、中度間伐和重度間伐三者相互存在顯著性差異。分解層儲量隨著間伐強(qiáng)度增大呈先增大后降低的趨勢，中度間伐下分解層儲量最大，其次是輕度間伐，輕度間伐和中度間伐分別較對照增加1.57%和5.67%，重度間伐強(qiáng)度下分解層儲量最小，較對照減小2.64%，且與CK、輕度間伐和中度間伐存在顯著性差異。分解層儲量順序?yàn)椋褐卸乳g伐>輕度間伐>CK>重度間伐。

各間伐強(qiáng)度下枯落物總儲量大小順序?yàn)椋篊K>輕度間伐>中度間伐>重度間伐，其中重度間伐與CK、輕度間伐和中度間伐都存在顯著性差異，輕度間伐、中度間伐和中度間伐分別較對照減少0.84%，1.19%和10.06%。

3.2 不同間伐強(qiáng)度下枯落物持水能力

3.2.1 不同間伐強(qiáng)度下枯落物持水量 由表3可知，隨著浸水時(shí)間增加，4種間伐下枯落物持水量都逐漸增加，但增速逐漸減慢。比較不同間伐枯落物最大持水量可知，輕度間伐下枯落物未分解層最大持水量最高，較對照增加了6.75%，重度間伐下枯落物未分解層最大持水量最低，較對照減小了28.69%，表現(xiàn)為：輕度間伐>CK>中度間伐>重度間伐；枯落物分解層最大持水量表現(xiàn)為：中度間伐>輕度間伐>CK>重度間伐；且4種間伐下枯落物未分解層最大持水量與分解層最大持水量相比，均為分解層最大持水量大于未分解層最大持水量?？萋湮锟偝炙勘憩F(xiàn)為：輕度間伐>中度間伐>CK>重度間伐，其中輕度間伐較對照增加了5.56%，中度間伐增加了2.36%，重度間伐則減少了13.75%。

3.2.2 不同間伐強(qiáng)度下枯落物持水量與時(shí)間的關(guān)系 對4種不同間伐強(qiáng)度樣地的枯落物持水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，枯落物持水量與浸泡時(shí)間存在對數(shù)函數(shù)的關(guān)系：

Wh=alnt+b

(3)

式中：Wh為枯落物持水量(mm)；t為枯落物浸水時(shí)間(h)；a為方程回歸系數(shù)；b為常數(shù)。

各間伐強(qiáng)度枯落物持水量與浸泡時(shí)間擬合結(jié)果見表4。由表4可知，4種間伐強(qiáng)度下枯落物各層持水量與浸水時(shí)間都表現(xiàn)出較好的相關(guān)性。由圖1可以看出，各間伐強(qiáng)度下，枯落物未分解層和分解層持水量在浸水12 h時(shí)基本均達(dá)到最大，浸水12 h以后持水量幾乎不再增加，各時(shí)段枯落物未分解層持水量都表現(xiàn)為：輕度間伐>CK>中度間伐>重度間伐，局部時(shí)間段出現(xiàn)波動情況；分解層持水量表現(xiàn)為：中度間伐>輕度間伐>CK>重度間伐。

表3 不同間伐強(qiáng)度下的枯落物持水量

3.2.3 不同間伐強(qiáng)度下枯落物吸水速率與時(shí)間的關(guān)系 對不同間伐強(qiáng)度下枯落物吸水速率與浸水時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析擬合，發(fā)現(xiàn)兩者存在如下的冪函數(shù)關(guān)系：

V=ctn

(4)

式中：V為枯落物吸水速率(mm/h)；t為吸水時(shí)間(h)；n為指數(shù)；c為方程回歸系數(shù)。由回歸分析擬合得到不同間伐強(qiáng)度下吸水速率與浸水時(shí)間擬合得到的回歸方程結(jié)果見表5。

表4 枯落物持水量與浸泡時(shí)間關(guān)系式

圖1 枯落物持水量與浸水時(shí)間的關(guān)系

由表5—6可知，4種間伐強(qiáng)度下枯落物吸水速率與浸水時(shí)間具有高度的相關(guān)性。不同間伐強(qiáng)度下枯落物分解層和未分解層吸水速率都隨著浸水時(shí)間的的增加逐漸減小，在相同浸水時(shí)間和間伐強(qiáng)度下，枯落物分解層吸水速率均大于未分解層吸水速率。由圖2可知，未分解層和分解層前1 h吸水速率最大，之后吸水速率急劇下降，8 h后下降趨勢逐漸減緩，12 h后逐漸停止吸水，這主要是由于隨著時(shí)間的增加，枯落物吸水逐漸達(dá)到飽和的原因。不同間伐強(qiáng)度下枯落物未分解層吸水速率表現(xiàn)為：輕度間伐>CK>重度間伐>中度間伐，局部時(shí)間的數(shù)據(jù)存在波動情況；分解層吸水速率表現(xiàn)為：中度間伐>輕度間伐>CK>重度間伐。

3.3 不同間伐強(qiáng)度枯落物持水性能

由表7可知，輕度間伐下枯落物總有效攔蓄量最大，較對照增加10.59%，重度間伐下枯落物總有效攔蓄量最小，較對照減小14.2%，說明輕度間伐有利于提高枯落物持水能力，重度間伐不利于枯落物持水；枯落物未分解層含水率隨間伐強(qiáng)度增大逐漸減小，變動范圍為17.89%～21.45%，表明間伐不利于枯落物未分解層儲水；分解層含水率隨著間伐強(qiáng)度增大先增大后減小，表現(xiàn)為：中度間伐>輕度間伐>CK>重度間伐，其中輕度間伐和中度間伐較對照分別增加5.32%和9.02%，表明中度間伐和輕度間伐有利于枯落物分解層儲水。枯落物未分解層有效攔蓄量隨間伐強(qiáng)度增加而減小，表明間伐不利于枯落物未分解層儲水；輕度間伐下分解層有效攔蓄量最大，較對照增加34.07%，重度間伐下分解層有效攔蓄量最小，較對照減小4.17%，表現(xiàn)為：輕度間伐>中度間伐>CK>重度間伐，表明輕度間伐下枯落物分解層持水能力最強(qiáng)。

表5 枯落物吸水速率與浸水時(shí)間關(guān)系式

表6 不同間伐強(qiáng)度下的枯落物吸水速率

圖2 枯落物吸水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系

表7 不同間伐強(qiáng)度枯落物持水性能

4 討論與結(jié)論

4.1 間伐強(qiáng)度對枯落物厚度和儲量的影響

隨著間伐強(qiáng)度增加，枯落物未分解層厚度和儲量都逐漸減小，中度間伐強(qiáng)度下枯落物分解層厚度最大、儲量最多，輕度間伐次之，重度間伐強(qiáng)度下枯落物厚度最小、儲量最少，這與曹旭平等[17]的研究結(jié)果相似?？赡苁怯捎陔S著間伐強(qiáng)度的增大，林內(nèi)林木逐漸較少，郁閉度逐漸降低，致使凋落量減少，同時(shí)光照增強(qiáng)，地表溫度提高，加速未分解層分解，導(dǎo)致枯落物未分解層厚度和儲量隨之減少，分解層儲量增大，但重度間伐強(qiáng)度下林內(nèi)林木數(shù)量過少，導(dǎo)致林內(nèi)光照過強(qiáng)、溫度過高，抑制微生物活動，致使枯落物未分解層分解速率大幅降低，凋落量的減少加上分解速率的降低導(dǎo)致重度間伐強(qiáng)度下枯落物分解層厚度和儲量顯著下降。

4.2 間伐強(qiáng)度對枯落物持水能力的影響

枯落物的持水能力可以用最大持水量來表示，是評估森林涵養(yǎng)水源能力的重要指標(biāo)之一[22]?？萋湮镒畲蟪炙渴芸萋湮飪α?、枯落物分解狀況的影響[23]。不同間伐強(qiáng)度下，枯落物分解層最大持水量都明顯高于未分解層最大持水量，說明分解層的持水性能對枯落物的涵養(yǎng)水源功能起主要作用，這與陳倩等[23]的研究結(jié)果相似?？赡苁怯捎诜纸鈱觾α窟h(yuǎn)高于未分解層，且分解程度影響枯落物的持水能力，分解程度越高，其持水能力越強(qiáng)[24]。輕度間伐強(qiáng)度下枯落物未分解層最大持水量最高(2.53 mm)，重度間伐強(qiáng)度下最低(1.69 mm)；中度間伐強(qiáng)度下分解層最大持水量最高(5.42 mm)，輕度間伐(5.07 mm)次之；輕度間伐強(qiáng)度下枯落物總持水量最高(7.60 mm)，重度間伐強(qiáng)度下枯落物總持水量最低(4.52 mm)，這與尤海舟等[25]的研究結(jié)果相似，說明輕度間伐可以增大枯落物持水量，但重度間伐不利于枯落物持水，可能是由于輕度間伐下光照良好，枯落物分解率較高，而重度間伐下林內(nèi)光照過強(qiáng)，溫度過高，導(dǎo)致枯落物分解不充分，且枯落物儲量過低。盡管對照樣地中枯落物總儲量大于輕度間伐，但輕度間伐強(qiáng)度下枯落物分解層儲量大于對照樣地，這與前文猜測枯落物分解程度影響持水能力相一致，進(jìn)一步證明枯落物分解程度越高，其持水性能越強(qiáng)。枯落物攔蓄能力受枯落物最大持水量的影響，枯落物最大持水量越高攔蓄能力越強(qiáng)。

輕度間伐強(qiáng)度下枯落物有效攔蓄量(56.79 t/hm2)最大，重度間伐強(qiáng)度下枯落物有效攔蓄量(44.06 t/hm2)最小，這是因?yàn)檩p度間伐強(qiáng)度下枯落物最大持水量最高，重度間伐強(qiáng)度下最低。說明輕度間伐可以增加枯落物對雨水的攔蓄能力，減少雨水對表層土壤的沖刷，具有更好的保持水土能力，重度間伐則不利于枯落物對雨水的攔蓄能力。

4.3 間伐強(qiáng)度對枯落物吸水速率的影響

枯落物吸水速率與浸水時(shí)間在4種間伐強(qiáng)度下具有一致的變化趨勢，均為冪函數(shù)關(guān)系，且兩者相關(guān)性高，說明本結(jié)果能較好地描述枯落物的吸水過程?？赡苁怯捎诳萋湮镂俾逝c表面水勢差密切相關(guān)[6]。起始階段，干燥枯落物浸入水中表面水勢差大，吸水速率快，隨著浸水時(shí)間的增加，枯落物含水量逐漸升高，其表面與周圍的水勢差逐漸減小，吸水速率逐漸減慢，直到水勢差減小為0，吸水停止。輕度間伐強(qiáng)度下未分解層吸水速率最快，可能是因?yàn)槠渥畲蟪炙孔罡?，說明輕度間伐強(qiáng)度有利于枯落物未分解層吸水；中度間伐強(qiáng)度下枯落物分解層吸水速率最快，輕度間伐次之，說明中度間伐和輕度間伐有利于枯落物分解層吸水，重度間伐強(qiáng)度下枯落物分解層和未分解層吸水速率均最慢，可能是因?yàn)橹囟乳g伐強(qiáng)度下枯落物儲量最小、最大持水量最低。說明重度間伐不利于枯落物吸水。綜合研究結(jié)果表明，輕度間伐強(qiáng)度加快了枯落物吸水速率，提高了枯落物持水性能。

本研究結(jié)果表明，輕度間伐可加快枯落物吸水速率，增強(qiáng)枯落物攔蓄能力，使枯落物具有更好的持水性能，對橋山林區(qū)水源涵養(yǎng)、保持水土具有重要意義，可為橋山林區(qū)麻櫟次生林森林撫育間伐提供參考。但森林的合理撫育間伐，還需綜合考慮多種生態(tài)服務(wù)功能，因此接下來還會開展撫育間伐對土壤理化性質(zhì)、幼苗更新、林下生物多樣性及林木生長的全面研究，以期為橋山地區(qū)麻櫟次生林撫育間伐提供更為全面的參考依據(jù)。

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