冀北山地天然次生林枯落物層水文生態功能對不同林分密度的響應

塔 莉, 張麗茹

(1.河北環境工程學院 生態學系, 河北 秦皇島 066102; 2.河北省木蘭圍場國有林場, 河北 圍場 068450)

冀北山地位于華北地區，保護著京津地區的生態與水資源安全，因此該地區的森林生態系統處于較為重要的地位，由于該地區部分地帶生態環境脆弱，森林需要進行低效林定向調控，白樺(Betulaplatyphylla)是冀北山地最主要的天然次生林樹種，作為主要闊葉樹種，也是重要水源涵養樹種，為該地區水土保持，保持水源涵養等方面發揮著重要作用[1-3]。該地區植被類型豐富，國內對該地區的研究主要方向為林分結構、生物多樣性、森林健康評價、針葉純林水文效應等方面，很少對不同密度的同種林分水文生態效應進行研究，而不同密度天然次生林下枯落物層水文生態效應研究相對更少，在很大程度上限制了大面積天然次生林合理的水文生態功能最大限度的發揮，除此以外，天然次生林作為該地區主要林分，主要樹種白樺具有較強的抗逆性，并且為當地重要的水源涵養林分，因此探究該地區不同密度天然次生林的水文生態效應具有較大的指導意義[4-7]。因此，本文選擇冀北山地5種密度梯度天然次生林，對林分枯落物層進行水文過程進行研究，旨在探討何種密度最有利于發揮林分水文生態作用，從而為冀北山地天然次生林經營、撫育及水文生態功能調節等提供理論依據。

1 研究區概況

研究區設在冀北山地木蘭圍場地區的北溝林場(116°51′—117°45′E，41°47′—42°06′N)，地處渾善達克沙地南緣，與塞罕壩均屬灤河上游地區，海拔相差較大，介于750～1 998 m。這一地區屬半干旱向半濕潤過渡、寒溫帶向中溫帶過渡、大陸性季風型山地氣候，無霜期67～128 d，年平均氣溫-1.4～4.7℃,極端最高氣溫38.9℃，極端最低氣溫-42.9℃，年均降水量380～560 mm，土壤類型主要是黃棕壤與黑棕壤。研究區內植被主要喬木樹種有華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)、油松(Pinustabulaeformis)、云杉(Piceaasperata)、黑樺(Betuladahurica)、山楊(Populusdavidiana)、山杏[Armeniacasibirica(L.) Lam.]、蒙古櫟(Quercusmongolica)、白樺等。

2 標準地設置與研究方法

2.1 標準地設置

試驗地設置河北省圍場縣北溝林場哈叭氣營林區，2017年7—9月在該地區選擇5種不同密度的天然次生林作為研究對象，并在每種密度內設置3塊大小為30 m×30 m的標準地并調查5種不同密度天然次生林基本概況(表1)，分別對樣地的郁閉度、海拔、坡度、坡向、林木胸徑、樹高等因子進行調查，其中林分的郁閉度測定是通過隨機在樣地內設置100個樣點，隨后在每個位置上抬頭垂直昂視，判斷該樣點是否被樹冠覆蓋，從而確定被林冠覆蓋的樣點數，覆蓋的樣點數與設置的總樣點數的比值即為林分的郁閉度[8-10]。

表1 不同密度天然次生林標準地概況

2.2 枯落物層水文測定

在每個標準樣地4個角和中心位置各取5個小樣方，面積為50 cm×50 cm，根據枯落物分解狀態分為未分解與半分解，分別選取樣品并用鋼尺測量枯落物厚度，利用尼龍袋將兩個層次的枯落物帶回實驗室進行測量。選取枯落物后放置實驗室烘箱內，設定65℃的溫度進行烘干，枯落物達到恒重后測定各林分枯落物蓄積量，以此來測算枯落物自然含水率[11-14]。通過室內浸泡法對各林分枯落物持水性能進行測定，將枯落物浸入水中后，分別記錄與計算在0.25，0.5，1，2，4，6，8，10，24 h時枯落物樣品重量的變化，從而對枯落物持水量、持水過程進行研究，將浸泡24 h后枯落物持水量稱為枯落物最大持水量，此時的持水率則是最大持水率[15-18]。

枯落物最大持水率、最大持水量、有效攔蓄量計算公式如下:

Rm=(Mz-Mg)/Mg×100%

(1)

式中:Rm為枯落物最大持水率(%)；Mz為枯落物浸水24 h后的質量(t)；Mg為枯落物干質量(t)。

Wmax=Rm×M

(2)

式中:Wmax為枯落物最大持水量(t/hm2)；M為枯落物蓄積量(t/hm2)。

W=(0.85Rm-Ro)×M

(3)

式中：W為有效攔蓄量(t/hm2)；Rm為最大持水率(%)；R0為自然含水率(%)；M為枯落物儲量(t/hm2)。

3 結果與分析

3.1 不同密度天然次生林枯落物蓄積量

枯落物蓄積量在一定程度上是枯落物輸入量與分解量之間的平衡關系，枯落物的輸入量與分解量則受到許多因素的影響，因此枯落物蓄積量是多種因子綜合影響形成的結果，大致分為兩類：其一為林分本身的特性，包括林分密度、樹種組成、林木生長狀況、林齡與林下灌草生長狀況等；其二為林分所處的生態環境，包括溫度、濕度、生長季節與人畜活動等。

由表2可知，5種密度天然次生林未分解層厚度有較大不同，范圍為9.65～20.45 mm，隨著密度的增加厚度也呈現增大的趨勢，但是在930株/hm2增長到1 190株/hm2時，枯落物厚度則是減小的，枯落物半分解層厚度、總厚度與之變化規律相同；枯落物未分解層厚度最大時，林分密度為930株/hm2，其厚度與密度為280，520株/hm2林分枯落物厚度有較大的差異，與密度為780，1 190株/hm2的林分差異性相對較小。枯落物半分解層厚度最大時，林分密度為930株/hm2，與其他密度林分枯落物半分解層厚度差異性較小；林分枯落物總厚度在45.34～60.70 mm浮動，最大值出現在林分密度為900 株/hm2的枯落物層。

表2 不同密度天然次生林枯落物層蓄積量

不同密度天然次生林未分解層、半分解層與總蓄積量均隨著密度從280株/hm2增加到930株/hm2時，其蓄積量均呈現增長趨勢，而密度從930株/hm2增大到1 190株/hm2時，則均呈現減小的趨勢，蓄積量的最大值均出現在林分密度為930 株/hm2時，而最小值則在密度為280株/hm2時，兩者差異性最大。總蓄積量大小排序為：930株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，枯落物蓄積量隨著密度的增加呈先增大后減小的變化規律，這是由于密度的增長會減少林下的陽光，溫度隨之降低，從而降低了枯落物分解速度，從而有利于枯落物的積累，但是林分密度過大則會導致林分郁閉度增大，林木生長必需的養分與生長空間會出現供應不足的情況，林分內的林木之間競爭增強，而林木的新陳代謝減緩，不利于林下枯落物積累，因此枯落物出現減小的趨勢。林分密度不同未分解層與半分解層蓄積量占總蓄積量的比例也不同，未分解層比例最高時，林分密度為930株/hm2，比例高達49.44%，比例最小的林分密度為280株/hm2，比例僅為35.64%；分解層比例最高時，林分密度為280株/hm2，比例高達64.36%，比例最小的林分密度為930株/hm2，比例僅為50.56%，解層的比例不同主要是由于密度高的林分郁閉度與葉面積指數相對較高，導致地面光照不足，枯落物分解相對較慢。

不同密度天然次生林，由于林木株數、生長狀況、林分所處生境均不同導致枯落物輸入量與分解量有較大差異性，綜合所述，不同密度天然次生林枯落物厚度和蓄積量表現出不同程度的差異性，但是根據以上數據分析知，林分密度處于930株/hm2時，枯落物層厚度、蓄積量均最高，并且顯著優于其他密度林分。

3.2 不同密度天然次生林枯落物持水能力

3.2.1 枯落物最大持水量 林下枯落物不僅能夠避免降雨對土壤的直接濺蝕，減少沖刷力，為土壤增加必需的有機質，還能夠貯藏水分，具有較強的持水性能，枯落物的持水量是反映林分水文生態效應的重要指標之一(表3)。

表3 不同密度天然次生林持水特征

由表3可知，不同密度天然次生林最大持水量有一定的差異性，未分解層變化范圍為7.21～20.12 t/hm2，大小排序為：930株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，總最大持水量變化規律與之相同，半分解層最大持水量變化范圍為16.05～24.55 t/hm2，大小排序為：930株/hm2>780株/hm2>1 190株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，由以上可知林分密度為930株/hm2時枯落物層總最大持水量最大(44.67 t/hm2)，相當于4.47 mm水深，林分密度為280株/hm2時枯落物層總最大持水量最小(23.26 t/hm2)，兩者差距較大，主要是因為密度高林分枯落物層形成的蓄積量明顯高于密度較小的林分。不同密度天然次生林未分解層最大持水率變化范圍在175.00%～207.21%，依次為930株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，枯落物層平均最大持水率變化規律與之一致，半分解層最大持水率變化范圍在215.73%～247.23%，依次為930株/hm2>780株/hm2>1 190株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，枯落物最大持水量與最大持水率變化規律一致；不論林分密度如何變化，枯落物半分解層最大持水量均高于未分解層最大持水量，說明半分解層持水性能高于未分解層，主要是因為枯落物經過分解后，半分解層與未分解層的組成結構有較大不同，半分解層的親水面積要高于未分解層，有利于其進行持水。

3.2.2 枯落物有效攔蓄量 最大持水量反映了林分攔蓄潛力，降雨初期經過枯落物攔蓄后會慢慢下滲，枯落物并不能長時間蓄積水分，除此以外該指標包含林分自然含水量，因此最大持水量反映出的攔蓄能力不能夠代表林分真實攔蓄量，利用該指標代表林分攔蓄能力會導致結果偏高，因此一般采用有效攔蓄量來表達林分的攔蓄能力。

由表4可知，不同密度天然次生林枯落物攔蓄能力有一定的差異，未分解層最大攔蓄量變化范圍為6.71～17.99 t/hm2，大小排序為：930株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，半分解層最大攔蓄量變化范圍為14.44～21.57 t/hm2，大小排序為：930株/hm2>780株/hm2>1 190株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，兩個層次最大攔蓄量最大值均出現在密度為930株/hm2時，說明林分密度為930株/hm2時其攔蓄潛力最大；未分解層有效攔蓄量變化范圍為5.63～14.97 t/hm2，大小排序為：930株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，半分解層有效攔蓄量變化范圍為12.03～17.89 t/hm2，大小排序為：930株/hm2>780株/hm2>1 190株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，兩個層次有效攔蓄量最大值均出現在密度為930株/hm2時，從枯落物兩個層次有效攔蓄量分析，未分解層和半分解層均隨著密度的增大呈現出先增加后減小的變化趨勢。無論林分密度如何，半分解層最大攔蓄量與有效攔蓄量均高于未分解層，說明半分解層攔蓄能力更強，作用更大。

表4 不同密度天然次生林枯落物攔蓄能力

3.3 不同密度天然次生林枯落物持水過程分析

3.3.1 枯落物持水過程 由圖1可知，5種密度天然次生林枯落物未分解層、半分解層持水量變化趨勢基本一致，枯落物在浸水剛開始的1 h內持水量增長迅速，持水量隨之增大，隨著時間的推移，持水量增長逐漸減小，在浸泡12 h時左右枯落物持水量基本達到飽和狀態，不再增加，說明枯落物持水量與枯落物的蓄積量和干燥程度有關，枯落物蓄積量越大越干燥，在一定時間內吸收的水分越多，持水過程與降雨過程中枯落物表現相同，即剛開始降雨時，枯落物吸收水分較強，攔蓄能力強，隨著降雨的持續枯落物干燥程度越來越低，攔蓄能力開始減弱，最后趨于平緩達到最大持水量，與剪文灝等[18]研究枯落物持水過程規律一致。由曲線可以看出，未分解層密度930株/hm2與1 190株/hm2的林分枯落物持水量明顯高于其他3種密度林分，而半分解層密度930株/hm2的林分枯落物持水量無論哪個時間段均高于其他4種密度林分，說明不同密度天然次生林枯落物持水能力有一定的差距，但是半分解層持水量變化曲線除930株/hm2外變化曲線基本都是重合的，說明這4種密度林分半分解層持水能力差異性較小。

圖1 不同密度天然次生林枯落物持水量變化過程

對不同密度天然次生林未分解層、半分解層枯落物持水量與浸水時間進行函數關系擬合分析可知，兩者存在較好的函數關系(表5)，具體表達式為：

Q=alnt+b

(4)

式中:Q為枯落物持水量(g/kg)；t為浸泡時間(h)；a為方程系數；b為常數項。

表5 不同密度天然次生林枯落物持水指標與時間擬合關系

3.3.2 枯落物吸水速率 由圖2可知，5種不同密度天然次生林枯落物浸水后持水速率隨著浸泡時間增長呈現一種下降的規律，即枯落物在浸水初期(1 h)持水速率下降非常快，在4 h左右下降速率放緩，12 h左右趨于穩定，至20 h時趨于停止；5種不同密度天然次生林枯落物持水速率相差較大，未分解層與半分解層持水速率也有一定的差異性，半分解層枯落物持水速率要大于未分解層枯落物持水速率，可能是由于半分解層枯落物經過初步分解，已含有少量腐殖質，從而增強了半分解層枯落物的持水能力。通過對不同密度天然次生林枯落物兩個層次與浸水時間進行函數關系擬合，兩者具有較好的函數關系(表5)，表達式：V=ktn，R>0.99，式中：V為枯落物吸水速率[g/(kg·h)]；t為浸泡時間(h)；k為方程系數；n為指數。

圖2 不同密度天然次生林枯落物吸水速率變化過程

4 討論與結論

4.1 討 論

本研究表明不同密度天然次生林枯落物層總蓄積量隨著林分密度增加呈現先增長后減小的變化規律，可能是由于隨著林分密度的增長會減少林下的陽光，溫度隨之降低，從而降低了枯落物分解速度，從而有利于枯落物的積累，但是林分密度過大則會導致林分郁閉度增大，林木生長必需的養分與生長空間會出現供應不足的情況，林分內的林木之間競爭增強，而林木的新陳代謝減緩，不利于林下枯落物積累，因此枯落物出現減小的趨勢，這與劉凱[19]、石媛[20]和周巧稚[21]等所研究的林分枯落物層蓄積量隨林分密度的變化規律類似；研究中雖然進行室內浸泡試驗在一定程度上呈現了枯落物攔蓄能力，但是枯落物層確切攔蓄能力仍需進行野外降雨測定試驗來驗證。

4.2 結 論

(1) 林分枯落物總厚度在45.34～60.70 mm浮動，本研究表明不同密度天然次生林枯落物層總蓄積量依次排序為930株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，即隨著林分密度增加呈現先增長后減小的變化規律。綜合所述，林分密度處于930株/hm2時，枯落物層厚度、蓄積量均最高，并且顯著優于其他密度林分。

(2) 不同密度天然次生林最大持水量、最大持水率、有效攔蓄量與有效攔蓄率均有一定的差異性，枯落物層最大持水量變化范圍為23.26～44.67 t/hm2，最大攔蓄量變化范圍為21.15～39.56 t/hm2，有效攔蓄量變化范圍為17.66～32.86 t/hm2，大小排序均為：930株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，均隨著密度的增大呈現出先增加后減小的變化趨勢，最大值均出現在密度為930株/hm2時；5種密度天然次生林枯落物層持水量變化趨勢為先增加后減小，通過對枯落物持水量、枯落物持水速率與浸水時間關系進行擬合分析發現，均存在較好的函數關系，分別符合對數函數與冪函數關系：Q=alnt+b(R2>0.93)，V=ktn(R2>0.99)，這與趙陽[22]和吳迪[23]等研究結果相一致。

(3) 綜合枯落物層持水能力與攔蓄能力可知，密度為930株/hm2的林分生態水文效應最強，而其他密度生態水文效應相對較差，密度小的林分是由于枯落物蓄積量較少造成其水源涵養能力較弱，因此，從增強該地區天然次生林水文生態效應與水源涵養的角度出發，建議在該地區內對不同密度的天然次生林進行有效的撫育措施來增加林分的水源涵養能力，從而增強該地區水文生態效應與水源涵養功能。本研究雖然進行室內浸泡試驗在一定程度上呈現了枯落物攔蓄能力，但是枯落物層確切攔蓄能力仍需進行野外降雨測定試驗來驗證，文中選擇的林分密度梯度幅度偏大，試驗條件允許時，仍需進一步細分。