間伐對杉木林枯落物和土壤水源涵養能力的動態變化分析

沈秋紅 何詩楊 許元科 吳夏華 周肄智 吳家森 葉麗敏

摘 要：探討不同間伐年限對杉木林枯落物層和土壤層持水能力的影響，為評估杉木林水源涵養功能對間伐的響應提供科學依據。以浙西南景寧縣間伐 1 年、間伐 3 年、間伐 8 年和未間伐的杉木林為對象，采集枯落物與土壤樣品，分析測定枯落物含水率、持水能力、土壤容重、非毛孔隙度并計算相關指標。結果表明：杉木林枯落物現存量在不同間伐年限間的差異并不顯著（P＞0.05） ；枯落物持水量、持水速率與浸水時間的關系分別符合對數函數和冪函數；間伐 8 年的杉木林枯落物層的最大持水率、最大攔蓄率和有效攔蓄率均顯著高于未間伐林分（P＜0.05） ；間伐 3 年、間伐 8 年的杉木林枯落物最大持水量和有效攔蓄量均顯著高于未間伐林分；間伐 8 年杉木林地 0～10?cm 土層土壤容重顯著降低（P＜0.05） ，非毛管孔隙度顯著增大，非毛管持水量顯著增加了 22.4%（P＜0.05），而對 10～30 ?cm 土層土壤儲水性能相關指標的影響不顯著（P＞0.05） 。綜上，杉木林枯落物層和土壤層的水源涵養功能隨著間伐年限的延長而增強。

關鍵詞：間伐年限；杉木林；枯落物；土壤持水性能

中圖分類號：S714.2文獻標志碼：A文章編號：0253?2301（2024）02?0010?06

DOI： ?10.13651/j.cnki.fjnykj.2024.02.002

Analysis of Dynamic Changes of Litter and Soil Water Conservation Capacity in Chinese Fir

Forest by Thinning

SHEN Qiu-hong1， HE Shi-yang2， XU Yuan-ke1， WU Xia-hua1， ZHOU Yi-zhi1， WU Jia-sen2， YE Li-min3 *

（1. Qingyuan County Natural Resources and Planning Bureau， Lishui， Zhejiang 323800， China; 2. School of Environmental and Resource Sciences， Zhejiang A & F University， Hangzhou， Zhejiang 311300， China; 3. Ecological

Forestry Development Center of Jingning She Autonomous County， Lishui， Zhejiang 323500， China ）

Abstract： This study aimed to explore the effects of thinning years on the water holding capacity of litter layer and soil layer in Chinese fir forest， thus to provide a scientific basis for evaluating the response of water conservation function of Chinese fir forest to thinning. In Jingning County， southwest Zhejiang Province， the Chinese fir forest with thinning for 1 year， 3 years， 8 years and unthinning was selected as the research object， and the litter and soil samples were collected. Then， the moisture content， water holding capacity， soil bulk density， non-capillary porosity of litter were analyzed and measured， and the relevant indexes were calculated. The results showed that there was no significant difference in the litter stock on hand of Chinese fir forest among different thinning years （P>0.05） . The ?relationship between litter water holding capacity， water holding rate and water immersion time was in accordance with logarithmic function and power function， respectively. The maximum water holding capacity， maximum retention rate and effective retention rate of litter layer in Chinese fir forest with thinning for 8 years were significantly higher than those in the unthinned forest （P<0.05） . The maximum water holding capacity and effective retention rate of litter layer in Chinese fir forest with thinning for 3 years and 8 years were significantly higher than those in unthinned forest （P<0.05 ） . After thinning for 8 years， the soil bulk density of 0-10 cm soil layer in Chinese fir forest was significantly decreased （P<0.05） ， the non-capillary porosity was significantly increased， and the non-capillary water holding capacity was significantly increased by 22.4% （P<0.05 ） . However， there was no significant effect on the related indicators of soil water storage performance in 10-30 cm soil layer （P>0.05 ） . In conclusion， the water conservation function of litter layer and soil layer in Chinese fir forest was enhanced with the extension of thinning years.

Key words： Thinning years; Chinese fir forest; Litter; Soil water-holding capacity

水源涵養是森林生態系統的六大生態功能之一，枯落物和土壤在涵養水源中發揮著重要作用，占森林水源涵養能力的 80% 以上[1]。間伐是森林培育的重要措施，間伐后林地枯落物層和土壤層的性質發生改變[2]，從而對森林水源涵養功能產生影響。杉木 Cunninghamia lanceolata 是我國主要的用材樹種之一，面積達 1?138.66×104?hm2，占全國喬木林面積的 6.33％[3]。杉木林培育過程中為了促進林分及早郁閉和良好干形的形成，造林初始密度往往較大，因此，間伐在杉木林培育過程中顯得尤為重要。適度間伐提高了杉木林水土保持能力[4]，但對枯落物層水源涵養功能的影響尚沒有一致的結論。有研究表明輕度間伐顯著增加了凋落物量[5]，提高了凋落物持水能力[6]，提升了凋落物最大持水率和有效攔蓄率[7]，顯著增加了凋落物層最大持水量、最大攔蓄量、有效攔蓄量[8]，減少了地表徑流[9]；而其他的研究則表明間伐降低了杉木林枯落物儲量[7]，對枯落物儲量和持水性能沒有顯著影響[3]。相關人員研究結果表明，間伐降低了杉木林土壤容重[10]，提高了土壤毛管持水量[11]，顯著提高了0～10?cm 土壤的持水性能[3]，增加了土壤蓄水能力[7]。以上研究是基于杉木林間伐后某一時期節點的研究結果，而枯落物和土壤持水性能的變化對間伐后不同年限的響應尚不清楚。因此，本研究以杉木林為對象，比較分析間伐 1、3 和 8 年后枯落物和土壤水源涵養能力的變化，以期為杉木林的生態效益評價和可持續經營提供基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于景寧畬族自治縣景寧林業總場草魚塘

分場，位置為119°38′28″～119°41′12″Ｅ、27°54′04″～27°55′48″Ｎ。亞熱帶濕潤季風氣候，年均降水量為 2?438.2?mm，主要集中于 3 月至 9 月；年日照時數平均為 1?515.5?h，相對濕度年均 80% 以上，年均蒸發量 1?171.0?mm，年均氣溫 12.3℃。森林覆蓋率為 96.85％[12]，杉木 Cunninghamia lanceolata是該林區域的主要樹種，自 2015 年開始，每年均對不同杉木林進行間伐，年間伐面積 20?hm2左右，間伐強度 25%，以“砍密留稀，保優去劣”為原則進行撫育間伐。

1.2 野外設計與采樣

2023 年 7 月，在查閱森林經營檔案和野外踏查的基礎上，在海拔、坡向、坡度基本一致的林分中，選擇2015 年（間伐8 年） 、2020 年（間伐3 年） 、2022 年間伐（間伐 1 年）和未間伐（CK）的杉木林等4 個處理為對象（表1） ，在每個處理中建立3 個20?m×20?m 的樣地，調查喬木層的胸徑、樹高；同時在樣地 4 個角及中心點設置 1?m×1?m 的樣方，收集樣方中的枯落物并裝入密封袋，挖掘土壤剖面取0～10?、10～30?cm 環刀樣品和土壤分析樣品。

1.3 測定方法

1.3.1

枯落物持水能力測定 ?將采集的枯落物帶回實驗室，烘干法測定枯落物儲量、計算自然含水率；采用室內浸泡法，測定枯落物的持水速率、最大持水量、最大持水率、最大攔蓄率、有效攔蓄率、有效攔蓄量[13]。

1.3.2

土壤水源涵源能力測定 ?采用環刀法測定土壤容重、非毛管孔隙度，并計算土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管土壤持水量、毛管持水量和最大持水量[14]。

1.4數據處理與分析

應用SPSS?20.0 軟件的單因素方差分析（ANO-VA）進行多重比較和差異顯著性分析（P＜0.05） ，并用 EXCEL 軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 不同間伐年限杉木林枯落物儲量及持水性能分析

2.1.1 杉木林枯落物儲量 ?由圖 1 可知，杉木林枯落物現存量為 4.98～5.57?t·hm?2，隨著間伐年限的延長，杉木林枯落物儲量略有增加，與未間伐相比，間伐后枯落物儲量增加了 6.8%～11.8%，但不同處理間的差異并不顯著（P＞0.05） 。

2.1.2 杉木林枯落物持水量與持水速率 ?由圖 2 可知，杉木枯落物持水量均隨著浸水時間的延長而增加，浸水初期枯落物持水量迅速增加，浸水 0.5?h后，枯落物持水量已達最大持水量的 75.0% 以上，而后趨于緩慢上升，浸水 4?h 后持水量基本保持穩定，達最大持水量的 95.6% 以上。在持水過程中，枯落物持水量大小表現為間伐 8 年＞間伐 5 年＞間伐 3 年＞未間伐，與未間伐相比，間伐 8 年的持水量顯著增加了 17.3%～27.1%（P＜?0.05） 。

由圖 3 可知，與持水量的變化規律相反，枯落物持水速率在浸水初期急劇下降，2?h 后持水速率基本穩定，枯落物持水速率大小表現為間伐 8年＞間伐 5 年＞間伐 3 年＞未間伐，與未間伐相比，間伐 8 年的持水速率顯著增加了 29.7%～56.0%（P＜?0.05） 。

杉木林枯落物持水量、持水速率與浸水時間的關系分別符合對數函數y=a?Ln（t）+b 和冪函數y=a?t?b，y 與t 之間的相關性達顯著水平（P＜?0.05） ，其R2值分別達到0.953?8～0.982?5、0.967?1～0.969?6（表2） 。

2.1.3 杉木林枯落物持水能力 ?由表 3 可知，隨著間伐年限的延長，枯落物含水率先下降而后升高，與未間伐相比，枯落物自然含水率增加了?12.7%～8.5%。杉木林枯落物層的最大持水率、最大攔蓄率和有效攔蓄量均隨著間伐年限增加而增大，與未間伐相比，分別增加了 9.0%～24.6%、12.4%～27.0%、13.1%～27.6%，其中間伐 8 年的顯著高于未間伐?（P＜0.05）。隨著間伐年限的延長，杉木林枯落物層最大持水量和有效攔蓄量也增加，與未間伐相比，分別增加了 16.6%～39.4%、20.8%～42.6%，間伐 3 年和間伐 8 年的處理均顯著高于未間伐處理（P＜0.05） 。

2.2 不同間伐年限杉木林土壤儲水性能分析

2.2.1 杉木林土壤容重及孔隙度 ?由表 4 可知，杉木林土壤容重隨著土層深度的增加而增大，隨著間伐年限的延長而降低，其中在 0～10?cm 土層間伐8 年土壤容重較未間伐顯著下降了17.4%（P＜0.05） 。杉木林土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度均隨著土層深度的增加而逐漸降低，隨著間伐年限的增長而逐漸增大，但僅在 0～10?cm 土層的非毛管孔隙度有顯著性差異，即間伐 8 年的非毛管孔隙度顯著高于未間伐處理（P＜0.05） ，提高了22.4%。

2.2.2 杉木林土壤儲水性能 ?由表 4 可知，杉木林土壤持水量隨著間伐年限的延長而增大，但對土壤毛管持水量、最大持水量的影響不顯著。非毛管持水量反映了土壤水源涵養能力的有效性，0～10?cm土層土壤非毛管持水量為 175.91～215.34?t·hm?2，與未間伐相比，間伐 8 年的土壤非毛管持水量顯著增加了 22.4%（P＜0.05） 。

3 討論與結論

3.1 間伐年限對杉木林枯落物持水性能的影響

在樹種組成、林分年齡、地理環境等條件相似的情況下，森林枯落現存量多少主要受林分密度的影響，在一定范圍內，杉木林枯落物現存量隨著林分密度的增大而增加?[15]。而在本研究中杉木林枯落物現存量在不同間伐年限的林分中沒有顯著性差異，這與杉木林枯落物現存量隨著間伐的實施顯著增加[5]或降低[7]研究結果均不同。間伐 1 年后林分郁閉度從 90% 下降到 65%，林內光質和光強均發生了較大的變化，枯落物分解速度加快，同時間伐作業實施過程中的杉木枝、葉棄于林中，人為增加了枯落物量，另一方面間伐后林下灌木層和草本層的生物量顯著增加[16]，凋落物也隨之增多，因此杉木林枯落物現存量隨著間伐年限延長略有增加，但在不同間伐年限間的差異并不顯著。

不同間伐年限杉木林枯落物持水量、持水速率與浸水時間的關系分別符合對數函數和冪函數，這與浙江省天臺縣[17]、江山市[18]的研究結果相似。森林枯落物的組成是影響其持水潛在能力的主要因素[19]。本研究結果表明間伐 8 年的杉木林枯落物層的最大持水率、最大攔蓄率和有效攔蓄率均顯著高于未間伐林分（P＜0.05） ，這與簡永旗等[7]研究結果相似，杉木間伐后林下灌木、草本植物種類顯著增加[16]，枯落物組成發生了改變，即凋落物中的闊葉成分比例增加，持水率相應增大。間伐3 年、8 年后的杉木林枯落物最大持水量和有效攔蓄量均顯著高于未間伐林分，這與陳加琛等[8]研究結果一致.

3.2 間伐年限對杉木林土壤儲水能力的影響

土壤孔隙影響著土壤滲透性，孔隙度越高越有利于雨水下滲，從而降低地表徑流[20]。本研究結果表明，間伐 8 年后杉木林地 0～10?cm 土層土壤容重顯著降低，非毛管孔隙度顯著增大，非毛管持水量顯著增加 22.4%（P＜0.05） ，而對 10～30?cm土層土壤儲水相關指標的影響不顯著，?這與高榮等[3]研究中的間伐提高了杉木林 0～10?cm 土層土壤持水性能的結果一致，而與簡永旗等[7]研究中的間伐提高了杉木林各土層土壤非毛管孔隙度和總孔隙度的結果不同。間伐對林地土壤持水性能的影響可分為三方面，首先是間伐作業過程中人為的踩踏、干材的運輸等壓實了林地土壤，造成土壤容重增大，降低了土壤持水性能；其次是間伐后的林木根系死亡，土壤非毛管孔隙度增大，增加了非毛管持水量；另外間伐后林下草本層植物發達，通過根系的周轉提高了土壤非毛管孔隙，提高了土壤水源涵養功能。本研究結果表明，間伐對杉木林地土壤持水性能的影響主要發生在表層（即 0～10?cm 土層） ，且間伐時間 8 年后對土壤非毛管持水性能才會有顯著提高。

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（責任編輯：林玲娜）