水曲柳人工純林及針闊混交林枯落物儲量和持水特性

夏祥友 (東北林業(yè)大學林學院，黑龍江哈爾濱150040)

森林枯落物層由植物的莖葉、枝條、芽、鱗、花、果實、樹皮等凋落物及動植物分解后的殘體組成，是森林結(jié)構(gòu)的重要組成部分和森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)及養(yǎng)分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)［1］，枯落物的數(shù)量和質(zhì)量影響林地表面性質(zhì)［2］及土壤有機質(zhì)含量，并直接影響土壤物理和化學過程。林地枯落物層是森林水文效應的第2作用層［3］，在水土保持、水源涵養(yǎng)等方面具有較重要作用。森林枯落物層可緩沖雨滴動能，減少雨滴擊濺造成的土壤表層結(jié)構(gòu)破壞和土壤侵蝕。枯落物層能夠吸持水分，促進下滲，遲滯徑流產(chǎn)生時間，減少地表徑流量和徑流侵蝕，并對土壤水分補充產(chǎn)生影響［4］，其水源涵養(yǎng)效能強弱與自身的積累數(shù)量、分解狀況和自然含水量有關［5］。枯落物的持水機理受枯落物性質(zhì)影響，其含水量時空變化比較復雜，并與坡位、坡向、坡形、坡度和海拔等因素結(jié)合起來直接或者間接地影響下墊面的水熱分配和交換狀況［6-7］。因此，研究枯落物層的持水特性對森林生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)和水量平衡等方面具有重要意義。

水曲柳(Fraxinus mandshurica Rupr.)廣泛分布于我國東北，是我國東北林區(qū)的珍貴硬闊樹種和重要用材樹種。水曲柳多生長在山坡中下部水分、光照條件較好的地段，常為天然純林或與椴屬、榆屬等樹種混交生長，水曲柳針葉帶狀混交林是黑龍江東部地區(qū)主要的人工林類型［8］。20世紀70年代以來許多人對水曲柳開展了適生立地、天然更新、立地區(qū)劃和評價、速生豐產(chǎn)林營造、混交效應和種間關系的研究，但多是著重它的生態(tài)學特性和培育技術(shù)，有關水曲柳林分水文生態(tài)效應的研究還很少，即使是枯落物層水文作用研究也很少。該研究旨在探討人工營造的水曲柳純林與3種不同針葉樹種混交林枯落物層持水特性的差異，為水源涵養(yǎng)林樹種的選擇、結(jié)構(gòu)模式的合理調(diào)配與經(jīng)營提供科學資料。

1 研究地區(qū)自然概況與研究方法

1.1 自然概況 研究地點設在東北林業(yè)大學帽兒山實驗林場尖砬溝森林培育實驗站。該站位于黑龍江省尚志市的西部，地理坐標為45°21'～45°25'N，127°30'～127°34'E，平均海拔300 m，坡度一般為10°～15°。屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫2.8℃，1月平均溫度-23.0℃，7月平均溫度20.9℃。無霜期130 d左右，年平均降水量700～800 mm，主要集中在7、8月份。地帶性土壤為暗棕壤。植被為原始闊葉紅松林遭破壞后形成的天然次生林。組成林分的喬木樹種主要為水曲柳(Fraxinus mandshurica)、山楊(Populus davidiana)、楓樺(Batula costata)、白樺(Betula platyphylla)、黃波羅(Phellodendron amurense)、胡桃楸(Juglans mandshurica)、榆樹(Ulmus lsciniata)、蒙古櫟(Quercus mongolica)、椴樹(Tilia amurensis)、紅松(Pinus koraiensis)、色木槭(Acer mono)、白牛槭(Acer mandshuricum)及青楷槭(Acer tegmentosum)。灌木樹種主要有暴馬丁香(Syringa amurensis)、毛榛(Corylus mandshurica)、東北山梅花(Philadelphus schrenkii)和刺五加(Acanthopanax senticosus)。喬木樹種的平均高度為20～22m，林下灌木平均高3.5～4.0 m，枯落物厚度2～6 cm。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置。選擇尖砬溝實驗站1989年營造的水曲柳純林和3種水曲柳針葉混交林為研究對象。水曲柳針葉混交林皆為帶狀混交，林帶長300 m，帶寬30 m，混交比例為3水5針。林分在營造后沒有進行撫育間伐，林分完全郁閉，自然稀疏和競爭激烈。在林帶沿坡面自下而上的不同坡位設置20 m×20 m的標準地12個，用測高器、測桿、胸徑尺和皮卷尺等常規(guī)儀器測定林分的樹高、胸徑(地徑)等因子，同時對林地土壤的類型、厚度等立地因子進行調(diào)查記錄(表1)。

表1 不同林分類型標準地概況

1.2.2 試驗方法。

1.2.2.1 林分內(nèi)枯落物的調(diào)查與測定。在每個樣地內(nèi)分別設置0.5 m×0.5 m的枯落物調(diào)查樣方5個，調(diào)查枯枝落葉層的蓋度、厚度、分布狀況以及分解程度，按照未分解層和半分解層取樣，并測定各層厚度。將收集的枯落物帶回實驗室稱重，并取部分樣品烘干(95℃，24 h)稱重后推算1 hm2的枯枝落葉儲量。

1.2.2.2 枯落物持水量測定。取部分烘干試樣，用清水浸泡24 h后取出，濾去多余水分，稱重后得出樣品飽和吸水率。根據(jù)烘干法測定枯枝落葉層的自然含水量、最大持水量(率)和有效持水量［9-11］。

1.2.2.3 自然含水量計算。

H=W2-W1

式中:H為自然含水量(g);W2為烘干前重量(g);W1為烘干重(g)。

1.2.2.4 最大持水率計算。

式中:P為枯落物最大持水率(%);W為烘干重(g);W1為浸水前的重量(g);W2為浸水后的重量(g)。

2 結(jié)果與分析

2.1 枯落物儲量 枯落物的儲量(又稱現(xiàn)存量)主要取決于枯落物的輸入量、分解速度和積累年限，而森林的樹種組成不同、林分所處的水熱條件不同，都對枯落物蓄積量有較大影響［12］。該研究結(jié)果表明(表2)，4種林分中水曲柳紅松混交林的枯落物儲量最大，而水曲柳云杉混交林的儲量最小。水曲柳純林和水曲柳云杉混交林枯落物層厚度大于水曲柳落葉松混交林和水曲柳紅松混交林，枯落物層厚度和枯落物儲量之間沒有明顯的正相關性。

分析不同林分枯落物各分解層儲量發(fā)現(xiàn)，除水曲柳云杉混交林未分解層枯落物的厚度略大于半分解層厚度外，各層次枯落物儲量都是半分解層的總儲量為未分解層1.5倍以上，水曲柳林半分解層枯落物儲量所占比例最大，為67.1%。這可能與水曲柳純林枯落物的分解速度要大于水曲柳針葉混交林有關。有研究表明，水曲柳純林的枯葉經(jīng)過1 a后其質(zhì)量損失率達66.0%，而在混交林中1 a時間后質(zhì)量損失率僅為 41.5%［8］。

表2 不同林分枯落物各層厚度和儲量

2.2 枯落物持水特性 從表3可以看出，4種林分枯落物的自然含水率變化不大，變幅在49.4% ～58.3%;最大持水率以水曲柳純林最大，其次是水曲柳云杉混交林，水曲柳落葉松混交林最小。但是由于枯落物層儲量差異，使得水曲柳紅松混交林的最大持水量反要大于水曲柳落葉松混交林和水曲柳云杉混交林。總體來看，水曲柳純林枯落物的持水能力要好于水曲柳針葉混交林。在其他3種水曲柳針葉混交林中，水曲柳紅松混交林的枯落物儲量及最大持水量等方面都表現(xiàn)為最好，因為水曲柳紅松混交林枯落物主要為水曲柳的落葉、小枝和紅松的松針、松果等，由于松針和松果堅硬，纖維組織發(fā)達，表面富含單寧、油脂等有機物，難以分解，造成多年累積形成了較厚的枯落物層，增加了枯落物儲量，使得該林分枯落物持水能力較大。

表3 不同林分枯枝落葉層的持水特征

3 結(jié)論

(1)在林地環(huán)境因子基本一致的條件下，所研究的4個類型的水曲柳人工林枯落物儲量順序為水曲柳紅松混交林(11.2 t/hm2)、水曲柳純林(9.7 t/hm2)、水曲柳落葉松混交林(9.3 t/hm2)、水曲柳云杉混交林(7.6 t/hm2)。除水曲柳云杉混交林未分解層枯落物的厚度略大于半分解層厚度，各層次枯落物儲量都是半分解層的總儲量為未分解層1.5倍以上。

(2)4種林分的枯落物最大持水量是水曲柳純林(21.7 mm)和水曲柳紅松混交林(21.6 mm)，遠大于水曲柳云杉混交林(16.4 mm)和水曲柳落葉松混交林(16.1 mm)。最大持水率以水曲柳純林最大，其次是水曲柳云杉混交林，水曲柳落葉松混交林最小。

(3)該研究結(jié)果表明，從有效持水量的角度考慮，人工水曲柳純林的生態(tài)效益高于其他3種水曲柳針闊混交林。但水曲柳純林的生態(tài)效益和水曲柳紅松混交林的生態(tài)效益之間沒有明顯差異，從近自然經(jīng)營的角度考慮，試驗地區(qū)在以后大面積的營林造林及植被恢復過程中，應在一定程度上注重合理的針闊樹種搭配，尤其是紅松與水曲柳的混交林，注重生物多樣性及其生態(tài)功能的恢復，避免營造過量的單一水曲柳純林。

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