不同經營措施對天然次生林枯落物層水源涵養能力的影響

曹云生， 趙艷玲， 梁文俊

〔1.中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院， 北京 100083； 2.北京市工程咨詢公司， 北京 100083；3.中國礦業大學(北京) 土地復墾與生態重建研究所， 北京 100083； 4.山西農業大學， 山西 太谷 030800)〕

枯落物層是森林生態系統中不可或缺的一環，它不僅能夠為微生物提供必需的能量來源，還可以截留降水、減緩降雨速度和涵養水分[1]。有研究證明通過不同的營林方式，能夠有效調節枯落物在水源涵養功能方面的作用。天然次生林作為冀北山地主要的林分類型，由于受到不科學的經營措施與人為干擾等影響，該林分類型出現了生長衰退、水源涵養功能降低的現象，針對這些突出問題，對天然次生林采取不同的經營措施來增加林分的水源涵養能力。國內對天然次生林的水文研究有一定的基礎，但是內容主要涉及地被物持水特征、土壤入滲等方面，對經過撫育措施后天然次生林的水文效應研究報道較少。本文擬通過對河北省木蘭林管局北溝林場的天然次生林實施5種不同經營措施，并通過測定枯落物層蓄積量、最大持水量、有效攔蓄量等指標的變化來分析5種經營措施的作用，從而確定哪種措施最有利于枯落物層的水源涵養能力的提高，以期為該地區天然次生林的健康經營提供理論依據和參考[2-3]。

1 研究區概況

研究區位于冀北山地木蘭圍場國有林場管理局(41°35′—42°37′N，116°48′—118°20′E)，該地區山巒起伏、溝壑縱橫，海拔高度約為750～1 829 m。屬于寒溫帶向中溫帶過渡大陸性季風型山地氣候。具有春季偏旱、冬長夏短、四季分明、晝夜溫差大的特征。年降水量為400～500 m，主要集中在7—9月。研究區內土壤類型主要是黃棕壤和黑棕壤。研究區內主 要 喬 木 樹 種 有主要喬木樹種有華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、油松(Pinustabulaeformis)、云杉(Piceaasperata)、黑 樺 (Betuladahurica)、山楊(Populusdavidiana)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)等。

試驗地設置在木蘭圍場國有林場管理局北溝林場北溝作業區，2014年在試驗區內選擇了6塊天然次生林，采取撫育間伐、團狀擇伐、帶狀皆伐、引入灌木、封山育林5種經營措施的標準樣地與一塊未采取措施的對照標準樣地，在林內設置大小100 m×100 m的標準大樣地，在樣地選擇時盡可能的選擇林齡、立地條件和林分郁閉度相近的林分，并調查林分的基本情況[4-6](詳見表1)。

表1 試驗標準地概況

2 研究方法

2.1 經營措施與樣地設置

合理的林分結構對林木的健康生長有著非常重要的作用，因此采取科學的撫育措施來提高林分的結構合理性是必要的。本文采取5種經營措施來對天然次生林進行改造，分別為：撫育間伐、團狀擇伐、帶狀皆伐、引入灌木、封山育林。撫育間伐是將去掉林內的枯枝與枝下多余的活枝，并伐去霸王樹、枯死與病的林木。團狀擇伐是林分密度比較高的地方開出孔徑為15 m的林分天窗，并在林內引入2 a生的針葉樹種或灌木。帶狀皆伐是根據坡面的方向自上而下的采伐出20 m到25 m的通道，在皆伐的通道內栽植針葉樹種，最好為2 a生的樹苗。引入灌木是選擇當地生長狀況較好的灌木進行引入，主要以毛榛(Corylusmandshurica)和胡枝子(Lespedezabicolor)為主，多以種子播種為主。封山育林是對試驗林分采取全封閉的措施，禁止人為因素的干擾[7-9]。

在2014年5月選取合適的大樣地后并采取經營措施，并在樣地內四個角與中心位置選擇5個大小為1 m×1 m的小樣方，在2014年、2016年與2018年對枯落物層進行取樣調查。

2.2 枯落物層持水指標測定

枯落物一般采取現場測量與室內浸泡的方法進行測定，枯落物按照分解程度分為未分解層與半分解層，測量完厚度后要盡快并保持原狀將枯落物帶回實驗室進行稱重，采用室內浸泡法測量計算枯落物各項指標，枯落物不同時間段持水量為每次稱重所得枯落物濕重與其烘干重的差值，該值與浸水時間的比值即為枯落物的吸水速率。通常認為枯落物浸水24 h后的持水量為最大持水量，與其相對應的持水率為最大持水率。采用有效攔蓄量來反映枯落物對降雨的實際攔蓄情況[10-12]。

W=(0.85Rm-R0)M

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

3 結果與分析

3.1 不同經營措施對枯落物蓄積量的影響

枯落物是林內水循環的重要組成部分，能夠減少地面水分蒸發、阻截地表徑流和減小降雨對地面的沖刷強度，有效的保持水源。林分的枯落物蓄積量主要與枯落物攝入量和輸出量有關。

由圖1可知，天然次生林枯落物層蓄積量在4 a內都有了一定程度的提高，呈現了增長的趨勢。林分改造后2 a與改造后4 a枯落物蓄積量大小排序一樣：帶狀皆伐>封山育林>團狀擇伐>撫育間伐>引入灌木>未改造，改造4 a后枯落物蓄積量與改造之前相比增長率在27%～39%之間，實施經營措施的5個樣地內枯落物蓄積量均高于未改造的樣地，因此經營措施對林分枯落物蓄積量的增長是有一定作用的，其中帶狀皆伐并引入針葉幼苗對枯落物的積累是最明顯的，主要是因為通過改造林分形成了異齡復層林分，提高了林內新陳代謝的速度，充分的利用了陽光，從而增加了枯落物的增加。

圖1 不同經營措施對枯落物蓄積量的影響

3.2 不同經營措施對枯落物層最大持水量的影響

枯落物層的最大持水量能夠反映林分枯落物層持水的潛力，是林分水循環中重要的一環，是反映枯落物層水源涵養能力的重要指標之一。最大持水量受到很多因子的影響，例如林分的樹種組成、林齡、空間結構與枯落物分解狀況等等。

由圖2可知，5塊樣地內枯落物層最大持水量經過改造都有增長，改造后2 a枯落物層最大持水量增長率為4.61%～9.30%，改造后2～4 a增長率為6.31%～7.66%，兩個階段都比未改造的1.47%,2.75%的增長率要高。改造后2 a，枯落物層最大持水量由大到小排序為：引入灌木>封山育林>帶狀皆伐>團狀擇伐>撫育間伐>未改造，說明采取的經營措施對枯落物的積累與分解有一定的促進作用，能夠有效的提高最大持水量。改造后4 a，林分枯落物層最大持水量由大到小排序為：引入灌木>帶狀皆伐>封山育林>團狀擇伐>撫育間伐>未改造，這與2 a時的變化規律有所不同，其中帶狀皆伐經過一段時間超過了封山育林的最大持水量，主要是由于帶狀皆伐引入了針葉樹種，林分形成合理的異齡復層的空間結構，增強了林分的生態功能，增加了林分的穩定性，增強了林分的內部的新陳代謝，促進枯落物層的分解速度，從而提高了枯落物的最大持水量。5種經營措施中，引入灌木措施是對枯落物層最大持水量是最有利的，能夠有效的增加林分水源涵養功能。枯落物層最大持水率在一定程度上反映了其蓄水能力，枯落物的蓄積量與枯落物層的結構在一定程度上影響了枯落物層最大持水率，經過改造后枯落物的最大持水率都有了一定程度的降低，這是由于經過改造林分枯落物蓄積量迅速增加，而且改造后枯落物層的結構受到了一定的影響導致最大持水率有所下降，但是幅度都不大。

圖2 不同經營措施對枯落物最大持水量、最大持水率的影響

3.3 不同經營措施對枯落物層自然持水量的影響

自然持水量反映了枯落物平常狀態下的涵養水分的能力，是衡量枯落物水源涵養能力的重要指標之一，自然持水量影響因素比較多，包括枯落物蓄積量、分解狀態與氣候環境等。

由圖3可知以看出，實施經營措施的林分枯落物層自然持水量都比未改造的枯落物層高，改造后2 a，自然持水量由大到小排序為：引入灌木>封山育林>團狀擇伐>帶狀皆伐>撫育間伐>未改造，增長率在0.61%～29.68%之間，改造4 a后，自然持水量由大到小排序為：引入灌木>封山育林>團狀擇伐>帶狀皆伐>撫育間伐>未改造，增長率在1.82%～31.91%之間。自然持水率采取措施的5塊樣地均呈現了不同程度的增加，而未改造的樣地則稍有減小，但是變化幅度都不太大，這與枯落物蓄積量變化、當年的氣候有關系。

圖3 不同經營措施對枯落物層自然持水量、自然持水率的影響

3.4 不同經營措施對枯落物層有效攔蓄量的影響

最大持水量在一定程度上反映了枯落物層的水源涵養能力，但是不夠準確，而有效攔蓄量比最大持水量更接近真實涵養能力，較準確的反映枯落物層對降雨的真實攔蓄能力。

由圖4可知，改造后2 a，枯落物層的有效攔蓄量都有了提升，2 a之后有限攔蓄量提高了14.02%～34.62%，均比對照組有所提升，持水量大小排序為：帶狀皆伐>孔狀擇伐>引進灌木>封育恢復>修枝撫育，帶狀皆伐撫育最大，為未封禁的1.25倍，四年之后，有效攔蓄量相比2010年增加26.26%～54.65%，第3,4 a的增長速率相比1,2 a的增長率升高，說明在短期之內撫育措施有一定的有限性，2～4 a之后涵養水源的效果會更加增強。

由圖4可知，5塊樣地內枯落物層有效攔蓄量經過改造都有增長，而未改造的樣地有效攔蓄量有了一定程度的降低，改造后2 a枯落物層有效攔蓄量增長率為3.67%～8.08%，改造后2～4 a增長率為4.51%～5.95%。

改造后2 a，枯落物層有效攔蓄量由大到小排序為：引入灌木>封山育林>帶狀皆伐>團狀擇伐>撫育間伐>未改造。改造后4 a，林分枯落物層最大持水量由大到小排序為：引入灌木>帶狀皆伐>封山育林>撫育間伐>團狀擇伐>未改造，這與2 a時的變化規律有所不同，其中帶狀皆伐經過一段時間超過了封山育林的有效攔蓄量，而撫育間伐超過了團狀擇伐。枯落物層有效攔蓄率都有所下降，但是變化幅度不大。

圖4 不同經營措施對枯落物有效攔蓄量、有效攔蓄率的影響

4 結 論

天然次生林經過改造措施后枯落物蓄積量均高于未改造，改造4 a后枯落物蓄積量與改造之前相比增長27%～39%；實施經營措施后2 a枯落物層最大持水量增長率為：4.61%～9.30%，最大持水量由大到小排序為：引入灌木>封山育林>帶狀皆伐>團狀擇伐>撫育間伐>未改造；改造后2～4 a增長率為6.31%～7.66%，最大持水量由大到小排序為：引入灌木>帶狀皆伐>封山育林>團狀擇伐>撫育間伐>未改造。

實施經營措施的林分枯落物層自然持水量都比未改造的枯落物層高，改造后2 a，增長率在0.61%～29.68%之間，改造4 a后，自然持水量增長率在1.82%～31.91%之間；經過改造，枯落物層有效攔蓄量2 a后增長率為3.67%～8.08%，由大到小排序為：引入灌木>封山育林>帶狀皆伐>團狀擇伐>撫育間伐>未改造，改造后2～4 a增長率為4.51%～5.95%，由大到小排序為：引入灌木>帶狀皆伐>封山育林>撫育間伐>團狀擇伐>未改造。