黑龍江省東部山區(qū)楊樺次生林改造對(duì)林地水源涵養(yǎng)功能的影響*

廖春光 郭樹平 劉忠玲**

（1.黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150081；2.黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081）

森林主要通過林冠層、枯落物層和根系土壤層來截流降雨，調(diào)節(jié)徑流。枯落物層和土壤層作為森林系統(tǒng)中涵養(yǎng)水源的第2活動(dòng)層和第3活動(dòng)層，對(duì)于防止土壤侵蝕、攔蓄地表徑流、抑制土壤水分蒸發(fā)都發(fā)揮著重要作用[1-3]。撫育間伐和補(bǔ)植補(bǔ)造作為森林經(jīng)營的一項(xiàng)重要手段，由于改變了凋落物的組成，土壤物理結(jié)構(gòu)，從而影響林分水源涵養(yǎng)能力。研究表明，4種間伐強(qiáng)度的大興安嶺落葉松天然林林地水文性能均優(yōu)于對(duì)照樣地，其中40%間伐強(qiáng)度最佳[1]；對(duì)遼東區(qū)楊樺天然次生林進(jìn)行不同強(qiáng)度的采伐后補(bǔ)植紅松，不僅能提高林分總蓄積，有助恢復(fù)針闊混交林，也能改善土壤物理性質(zhì)，提高土壤水源涵養(yǎng)能力[4]；輕度間伐(15%)能提高麻櫟次生林枯落物有效攔蓄量[5]；輕度間伐撫育(15%)可以提高遼東櫟次生林枯落物有效攔蓄量[6]。

楊樺次生林簡稱楊樺林，一般指以楊柳科(Salicaceae)的山楊(Populus davidiana)和樺木科(Betulaceae)的白樺(Betula platyphylla)為建群種所組成的森林植被類型，為山楊純林、白樺純林及山楊與白樺混交林的統(tǒng)稱，是黑龍江省主要的天然次生林類型，其比重占黑龍江省次生林面積36%，蓄積的31%，在涵養(yǎng)水源、保持水土和減免自然災(zāi)害等諸多方面均占據(jù)重要的戰(zhàn)略地位[7,8]。烏斯渾河發(fā)源于黑龍江省林口縣寶林鎮(zhèn)禿頂子山麓，屬于牡丹江中下游右岸較大的一級(jí)支流[9]，河流沿岸的森林能夠影響牡丹江流域乃至松花江流域徑流量。因此，本文選擇位于烏斯渾河流域源頭的楊樺次生林為研究對(duì)象，分析不同強(qiáng)度撫育后補(bǔ)植紅松對(duì)林分枯落物和土壤蓄水功能的影響，旨在為基于改善水源涵養(yǎng)功能的次生林改造提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于黑龍江省林口林業(yè)局青山林場(130°21"E～130°27"E，45°32"N～45°33"N)，屬長白山系完達(dá)山脈，平均海拔501 m，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，1月平均溫﹣18℃，7月平均溫25℃，年均氣溫5℃。年平均濕度61%，年降水量750 mm，無霜期100～140天，≥10℃積溫為2100℃。地帶性土壤為暗棕色森林土，土壤平均厚度40～51 cm，腐殖質(zhì)層平均厚度6 cm。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置

2001年11月，青山林場130林班的楊樺次生林作為“天然次生林結(jié)構(gòu)改培工程”的試點(diǎn)，基于株數(shù)進(jìn)行了不同強(qiáng)度的撫育間伐，分別設(shè)置不采伐對(duì)照區(qū)、弱伐(伐除1/3)、強(qiáng)伐(伐除2/3)、皆伐3種強(qiáng)度采伐區(qū)(分別以CK、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示)，采伐時(shí)保留珍貴闊葉樹種。伐前楊樺次生林樹種組成為7楊2樺1椴+色-黃，郁閉度0.9，平均林齡33年，平均樹高13 m，活立木蓄積116 m3/hm2。2002年在采伐區(qū)栽植S2-2紅松(Pinus koraiensis)幼苗促進(jìn)林分更新，后期進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓芾砗途S護(hù)。

2016年5月，在對(duì)照區(qū)和3種強(qiáng)度的采伐區(qū)內(nèi)各設(shè)置3塊標(biāo)準(zhǔn)地，面積為20 m×25 m，對(duì)其中的林木(胸徑≥4 cm)進(jìn)行胸徑、樹高調(diào)查（表1）。弱伐樣地內(nèi)補(bǔ)植的紅松平均高1.74 m，地徑24.23 mm，強(qiáng)伐樣地內(nèi)補(bǔ)植的紅松已進(jìn)入更新層，平均高3.48 m，平均胸徑3.13 cm，皆伐樣地內(nèi)胸徑≤4 cm的紅松平均高3.21 m，平均胸徑3.01 cm。

表1 青山林場楊樺次生林樣地概況

2.2 林下枯落物采集與蓄積量測定

2016年5月，在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)沿對(duì)角線方向設(shè)置3個(gè)50 cm×50 cm的枯落物收集樣方，利用砍刀、枝剪等工具將樣方邊界內(nèi)外枯落物斷開，將未分解層和半分解層分別裝入密封袋中，并在收集的過程中記錄枯落物層厚度。將分層的枯落物帶回實(shí)驗(yàn)室，未分解層分選為枝、葉2種類型，分別稱其自然狀態(tài)質(zhì)量，80℃烘箱中烘至恒重后稱重，以烘干質(zhì)量推算枯落物蓄積量[10]。

2.3 枯落物持水的測定

將烘干后的樣品裝入網(wǎng)眼為0.5 mm的網(wǎng)袋中，放置在盛有清水的白盒中浸泡，分別在浸泡0.5、1、2、4、6、8、10、24 h時(shí)取出，靜置至不滴水時(shí)立即稱質(zhì)量[10]，稱后放回。

2.4 土壤持水的測定

在各標(biāo)準(zhǔn)地的四角和中間分別選取5個(gè)剖面，用環(huán)刀(100 cm3)在每個(gè)剖面上按照0～10 cm、10～20 cm，20～30 cm分層垂直采樣，每層采樣1個(gè)，同時(shí)用鋁盒取土樣1個(gè)，用烘干法測定土壤含水量，用環(huán)刀法測定土壤容重、孔隙度[1]。

2.5 森林水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)

采用綜合評(píng)價(jià)法對(duì)楊樺天然林水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行比較，選用指標(biāo)包括枯落物蓄積量、枯落物最大持水率、枯落物有效攔蓄量、土壤容重、土壤非毛管孔隙度、土壤最大持水量，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行無量綱處理后進(jìn)行計(jì)算[11,12]，以綜合值小者表明水源涵養(yǎng)功能高。

2.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel進(jìn)行整理和畫圖，利用SPSS 21.0進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD多重比較，顯著性水平為0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物厚度和蓄積量

楊樺林枯落物總厚度為3.60～8.27 cm，弱伐和皆伐后顯著低于對(duì)照(p<0.05)（表2），未分解層厚度變化與總厚度相同，半分解層厚度差異不顯著(p>0.05)。楊樺林枯落物總蓄積量為6.10～8.68 t/hm2，各樣地間差異不顯著(p>0.05)。弱伐和皆伐林未分解層蓄積量顯著低于對(duì)照(p<0.05)，半分解層蓄積量差異不顯著(p>0.05)。強(qiáng)伐林未分解層枝蓄積量顯著低于對(duì)照，弱伐和皆伐林未分解層葉蓄積量顯著低于對(duì)照(p<0.05)。

表2 青山林場楊樺次生林枯落物層厚度及蓄積量

從枯落物組成看，對(duì)照林未分解層枯落物占總蓄積量的61%，而弱伐、強(qiáng)伐、皆伐林未分解層分別占枯落物總蓄積量的45%、41%、36%，未分解層蓄積量均低于半分解層。在未分解層中，各樣地均為葉蓄積量大于枝的蓄積量。

3.2 枯落物水源涵養(yǎng)功能

3.2.1 枯落物持水過程

各類型枯落物持水量隨浸水時(shí)間的延長均呈增加趨勢(shì)(圖1)。浸水0.5 h內(nèi)持水量迅速增加，持水量可達(dá)最大持水量的72%以上；浸水0.5～4 h，持水量增加變緩；10 h持水量達(dá)到最大持水量的94%以上。

圖1 不同間伐強(qiáng)度楊樺次生林枯落物持水量隨浸泡時(shí)間的變化

各類型枯落物在浸水過程中同時(shí)間段持水量比較，3個(gè)撫育樣地未分解層枝、葉持水量低于對(duì)照，皆伐和強(qiáng)伐樣地半分解層持水量高于對(duì)照，全部枯落物持水量排序?yàn)閺?qiáng)伐>對(duì)照>皆伐>弱伐。

從枯落物組成看，對(duì)照的未分解層持水量大于半分解層，其他3個(gè)撫育樣地相反，未分解層持水量低于半分解層。各樣地內(nèi)枯落物葉的持水量均高于枝。

各類型枯落物吸水速率隨浸水時(shí)間的變化均呈下降趨勢(shì)(圖2)，浸水0.5～4 h，枯落物吸水速率直線下降，隨后4～8 h吸水速率下降變緩，而后趨向一致，曲線趨于平直(圖2)。

圖2 不同間伐強(qiáng)度楊樺次生林枯落物吸水速率隨浸泡時(shí)間的變化

在浸水前8 h過程中，3個(gè)撫育樣地未分解層枝、葉吸水速率低于對(duì)照，皆伐和強(qiáng)伐樣地半分解層吸水速率高于對(duì)照，全部枯落物的吸水速率對(duì)照>強(qiáng)伐>皆伐>弱伐。

從枯落物組成看，對(duì)照和強(qiáng)伐樣地的枯落物，未分解層吸水速率快于半分解層，弱伐和皆伐樣地的枯落物未分解層吸水速率慢于半分解層。各樣地內(nèi)枯落物葉的吸水速率均快于枝。各類型枯落物浸水0.5～24 h的持水量W(t/hm2)與浸泡時(shí)間t(h)的關(guān)系可以用一元對(duì)數(shù)方程進(jìn)行擬合，各類型枯落物的吸水速率V(t/hm2·h)與浸泡時(shí)間t(h)的關(guān)系符合冪函數(shù)模型（表3）。

表3 不同間伐強(qiáng)度楊樺次生林枯落物持水量及吸水速率特征曲線擬合

3.2.2 枯落物自然含水率、最大持水量、最大持水率

不同撫育強(qiáng)度的楊樺林各類型枯落物自然含水率差異不顯著(p>0.05)（表4）。從枯落物組成看，各樣地內(nèi)枯落物未分解層自然含水率均低于半分解層，未分解層葉的自然含水率均高于未分解層枝。不同撫育強(qiáng)度的楊樺林枯落物最大持水量相當(dāng)于可吸收1.7～2.5 mm的降水，各樣地間差異不顯著(p>0.05)（表5）。皆伐林未分解層葉蓄積量顯著低于對(duì)照(p<0.05)。從枯落物組成看，對(duì)照的未分解層最大持水量高于半分解層，其他三個(gè)撫育樣地相反，未分解層最大持水量低于半分解層。各樣地內(nèi)枯落物葉的最大持水量均高于枝。

表4 不同間伐強(qiáng)度楊樺次生林枯落物自然含水率%

不同撫育強(qiáng)度的楊樺林枯落物最大持水率相當(dāng)于可吸收自身干重2.8～3.0倍的降水(表5)，各樣地間差異不顯著(p>0.05)。從枯落物組成看，對(duì)照和皆伐林未分解層枯落物最大持水率低于半分解層，弱伐和強(qiáng)伐樣地未分解層枯落物最大持水率高于半分解層，各樣地內(nèi)枯落物葉的最大持水率均高于枝。

表5 不同間伐強(qiáng)度楊樺次生林枯落物最大持水量和最大持水率

3.2.3 枯落物有效攔蓄量

由于山地森林坡面不會(huì)出現(xiàn)長時(shí)間的降水，枯落物對(duì)降水的攔蓄還與枯落物的水分狀況、降雨特性有密切的關(guān)系，所以用最大持水量和最大持水率來估算枯落物層對(duì)降雨的攔蓄能力偏高，一般用有效攔蓄量來估算枯落物對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄效果[5,13]。

不同撫育強(qiáng)度的楊樺林枯落物有效攔蓄量相當(dāng)于可吸收1.0～1.5 mm的降水（表6），對(duì)照>弱伐>強(qiáng)伐>皆伐，且強(qiáng)伐和皆伐林顯著低于對(duì)照(p<0.05)。其中弱伐和皆伐林未分解層葉有效攔蓄量顯著低于對(duì)照(p<0.05)。從枯落物組成來看，皆伐林未分解層枯落物有效攔蓄量低于半分解層，其他林分相反，未分解層枯落物有效攔蓄量高于半分解層，各樣地葉的有效攔蓄量均高于枝。

表6 不同間伐強(qiáng)度楊樺次生林枯落物有效攔蓄量t/hm2

3.3 土壤水文效應(yīng)

3.3.1 土壤物理性質(zhì)和持水量的垂直分布特征

3個(gè)土層間的土壤容重有顯著差異，表現(xiàn)為表層最低，隨土層加深呈增加趨勢(shì)(表7)。皆伐林0～10 cm和10～20 cm土層容重差異顯著(p<0.05)，其他各樣地0～10 cm和20～30 cm土層容重差異顯著(p<0.05)。土壤總孔隙度有顯著差異，表現(xiàn)為表層最高，隨土層加深而降低。強(qiáng)伐和皆伐林的0～10 cm土層總孔隙度顯著高于10～20 cm和20～30 cm土層(p<0.05)，對(duì)照和弱伐林0～10 cm土層總孔隙度顯著高于20～30 cm土層(p<0.05)。土壤非毛管孔隙度表現(xiàn)為表層最高，隨土層加深呈降低趨勢(shì)。對(duì)照林0～10 cm土層非毛管孔隙度顯著高于10～20 cm和20～30 cm土層(p<0.05)，其他各樣地3個(gè)土層間非毛管孔隙度差異不顯著(p>0.05)。土壤毛管孔隙度表現(xiàn)為表層最高，隨土層加深而降低。皆伐林0～10 cm土層毛管孔隙度顯著高于10～20 cm和20～30 cm土層(p<0.05)，其他各樣地3個(gè)土層間毛管孔隙度差異不顯著(p>0.05)。

表7 不同間伐強(qiáng)度楊樺次生林土壤物理性質(zhì)和持水量垂直變化

3個(gè)土層間的土壤最大持水量有顯著差異，表現(xiàn)為表層最高，隨土層加深而降低(表9)。強(qiáng)伐和皆伐林0～10 cm土層最大持水量顯著高于10～20 cm和20～30 cm土層(p<0.05)，對(duì)照和弱伐林0～10 cm土層總孔隙度顯著高于20～30 cm土層(p<0.05)。3個(gè)土層間的土壤有效持水量表現(xiàn)為表層最高，隨土層加深呈降低趨勢(shì)。對(duì)照樣地0～10 cm土層非毛管孔隙度顯著高于10～20 cm和20～30 cm土層(p<0.05)，其他各樣地3個(gè)土層間非毛管孔隙度差異不顯著(p>0.05)。

3.3.2 不同撫育強(qiáng)度的楊樺次生林土壤物理性質(zhì)和持水量

在0～30 cm土層，楊樺天然次生林土壤容重為1.05～1.23 g/cm3，各樣地間無顯著差異(p>0.05)（表8）。強(qiáng)伐林土壤總孔隙度最高，與皆伐差異顯著(p<0.05)；強(qiáng)伐林土壤非毛管孔隙度最高，與其他樣地差異顯著(p<0.05)；弱伐林土壤毛管孔隙度最高，與強(qiáng)伐和皆伐林差異顯著(p<0.05)。

在0～30 cm土層，楊樺天然次生林土壤最大持水量變化范圍為1191.69～1482.02 t/hm2，皆伐林顯著低于對(duì)照(p<0.05)（表8）。土壤有效持水量強(qiáng)伐樣地最高，與其他樣地差異顯著(p<0.05)，排序?yàn)閺?qiáng)伐>皆伐>對(duì)照>弱伐。

3.4 不同撫育強(qiáng)度的楊樺次生林水源涵養(yǎng)功能比較

森林蓄水主要包括枯落物層蓄水和土壤層蓄水[11,12]。以枯落物層和土壤層(0～30 cm)有效蓄水之和作為林地表層總蓄水量，不同撫育強(qiáng)度的楊樺林總蓄水量依次為強(qiáng)伐>皆伐>弱伐>對(duì)照(表9)?？萋湮飳有钏空伎傂钏康谋壤^小，土層蓄水量占總蓄水量的比例較大，說明土壤層對(duì)森林涵養(yǎng)水源的作用是主要的。

表9 不同林分的枯落物層和土壤層的持水量

采用綜合評(píng)價(jià)法對(duì)不同撫育強(qiáng)度的楊樺林水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行比較(表10)，排序?yàn)閺?qiáng)伐>對(duì)照>皆伐>弱伐。

表10 不同撫育強(qiáng)度的楊樺次生林水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)

4 討論

楊樺天然次生林枯落物蓄積量與枯落物厚度不相關(guān)，主要由于對(duì)照未分解層凋落物以闊葉為主，葉片間空隙大，撫育樣地內(nèi)凋落物既有闊葉也有針葉，葉片間空隙小。同時(shí)由于枯落物的組成發(fā)生改變，針葉凋落后分解速率慢，導(dǎo)致3個(gè)撫育樣地半分解層枯落物所占的比例均大于50%，而對(duì)照半分解層僅占總蓄積量的39%。

在持水過程中，枯落物持水量與浸水時(shí)間呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，吸水速率與與浸水時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系，這兩種函數(shù)模型與前人研究結(jié)果一致[5,6,10,12-15]。皆伐林枯落物未分解層的厚度、蓄積量、吸水速率、自然含水率、最大持水量、最大持水率、有效攔蓄量均低于半分解層，這與皆伐樣地內(nèi)補(bǔ)植紅松，當(dāng)年凋落量少有關(guān)。弱伐和強(qiáng)伐林未分解層的最大持水量低于半分解層，有效攔蓄量高于半分解層，這與未分解層蓄積量低和自然含水率低有關(guān)。另外，葉的蓄積量、自然含水率、吸水速率、最大持水量、最大持水率、有效攔蓄量等指標(biāo)均高于枝條。

土壤容重和孔隙度是體現(xiàn)土壤物理性狀的基本指標(biāo)，反映了土壤的整體結(jié)構(gòu)狀況，也反映了森林植被對(duì)土壤物理性質(zhì)的改善程度。土壤持水量的大小，與土層厚度和土壤孔隙度密切相關(guān)，在一定土壤厚度條件下，取決于土壤的孔隙大小和數(shù)量。從空間垂直角度來看，隨土壤深度增加，土壤容重逐漸增加，總孔隙度逐漸減小，可能與隨土壤加深，有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少有關(guān)[18,19]。非毛管孔隙度和毛管孔隙度最大值都在0～10 cm土層，隨土層加深而降低，說明表層土壤通透性較好，有利于降水下滲，同時(shí)吸持、貯水能力也較強(qiáng)。土壤最大持水量取決于總孔隙度，有效持水量取決于非毛管孔隙度，土壤最大持水量和有效持水量呈同樣變化趨勢(shì)。

弱伐林土壤孔隙度及持水量指標(biāo)與對(duì)照無顯著差異，可見弱伐補(bǔ)植紅松對(duì)土壤沒有顯著的改善作用；強(qiáng)伐林土壤非毛管孔隙度、有效持水量與其他樣地差異顯著(p<0.05)，說明強(qiáng)伐補(bǔ)植紅松能顯著提高土壤的水源涵養(yǎng)能力；皆伐林土壤毛管孔隙度顯著低于對(duì)照，最大持水量顯著低于其他各樣地(p<0.05)，表明皆伐不利于改善土壤的水源涵養(yǎng)功能。

不同撫育強(qiáng)度的楊樺林枯落物和土壤總蓄水量排序?yàn)閺?qiáng)伐>皆伐>弱伐>對(duì)照；采用綜合評(píng)價(jià)法對(duì)不同撫育強(qiáng)度的楊樺林水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行比較，排序?yàn)閺?qiáng)伐>對(duì)照>皆伐>弱伐，均表明楊樺天然次生林強(qiáng)伐后補(bǔ)植紅松的的水源涵養(yǎng)功能優(yōu)于對(duì)照和采用其他措施的林分。

本文選取了枯落物層和土壤層2個(gè)方面6個(gè)指標(biāo)來綜合評(píng)價(jià)森林的水源涵養(yǎng)能力，在以后的研究中應(yīng)增加林冠層的觀測，更全面的對(duì)次生林改造后的水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

5 結(jié)論

(1)楊樺天然次生林枯落物厚度在3.60～8.27 cm，蓄積量為6.10～8.68t/hm2，最大持水量為16.96～24.71t/hm2，有效攔蓄量范圍為9.51～15.39 t/hm2?？萋湮锍炙颗c浸水時(shí)間呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系(R2>0.9722)，吸水速率與浸水時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系(R2>0.9987)。撫育后半分解層蓄積量和最大持水量均大于未分解層，對(duì)照和撫育樣地的未分解層葉的枯落物各指標(biāo)均高于枝條。

(2)楊樺天然次生林土壤容重范圍為1.05～1.23 g/cm3，隨著土層深度增加，容重呈增加趨勢(shì)，總孔隙度呈降低趨勢(shì)。土壤最大持水量范圍為1191.69～1464.48t/hm2，有效持水量為153.80～414.43 t/hm2。

(3)楊樺天然次生林枯落物有效攔蓄量排序?yàn)閷?duì)照>弱伐>強(qiáng)伐>皆伐，且對(duì)照顯著高于強(qiáng)伐和皆伐(p<0.05)。土壤有效持水量排序?yàn)閺?qiáng)伐>皆伐>對(duì)照>弱伐，且強(qiáng)伐林與其他樣地差異顯著(p<0.05)。林分有效持水量總和164.04～424.13 t/hm2，相當(dāng)于16.4～42.4 mm的降水。

(4)采用綜合評(píng)價(jià)法對(duì)不同撫育強(qiáng)度的楊樺林水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行比較，排序?yàn)閺?qiáng)伐>對(duì)照>皆伐>弱伐，楊樺天然次生林強(qiáng)伐后補(bǔ)植紅松的水源涵養(yǎng)功能優(yōu)于對(duì)照和采用其他措施的林分。