撫育間伐對白樺天然次生林枯落物與土壤持水特性的影響

劉忠玲 姚穎 劉建明 溫愛亭 呂躍東

摘 要：以黑龍江省林口林業局青山林場白樺（Betula platyphylla）天然次生林為研究對象，采用室內浸水法和環刀浸泡法，研究撫育間伐（F-T：平地，采伐蓄積強度35.6%;S-T：坡地，采伐蓄積強度17.2%，下文簡稱強度撫育、弱度撫育）3 a后林分枯落物厚度、生物量、持水量和土壤持水量的變化。結果表明：①白樺天然次生林枯落物厚度為1.7～3.8 cm，生物量為5.14～9.34 t/hm2，最大持水量相當于可吸收1.7～2.6 mm的降水，有效攔蓄量相當于可吸收1.0～1.8 mm的降水。枯落物持水量與浸水時間呈對數函數關系（R2>0.937 2），吸水速率與浸水時間呈冪函數關系（R2>0.999 6）。土壤容重均值（0～30 cm）變化范圍為0.83～1.23 g/cm3，土壤有效持水量范圍為214.67～377.17 t/hm2，土壤總孔隙度隨土層加深而降低。②對位于平地的林分進行強度撫育后，枯落物生物量顯著提高（p<0.05），枯落物有效攔蓄量和土壤有效持水量均高于平地對照，差異不顯著（p>0.05），林分總蓄水量提高。③對位于坡地的林分進行弱度撫育后，枯落物有效攔蓄量顯著低于坡地對照（p<0.05），土壤有效持水量無顯著變化（p>0.05），林分總蓄水量下降。④以提高林分水源涵養功能為目標，位于平地的林分應進一步研究合適的撫育強度，位于坡地的林分不宜進行弱度撫育。

關鍵詞：撫育間伐;白樺（Betula platyphylla）;天然次生林;枯落物;土壤;持水特性

Abstract：Taking the Betula platyphylla natural secondary forest in Qingshan forest farm of Linkou Forestry Bureau of Heilongjiang Province as the research object， indoor soaking method and ring knife soaking method were adopted to study the changes in the thickness， storage and the water-holding capacity of litter， and soil water holding capacity after 3 years of thinning （F-T： Flat ground， thinning intensity accumulation 35.6%; S-T： slope land， thinning intensity accumulation 17.2%）. It showed that： ①The litter thickness of Betula platyphylla natural secondary forest was 1.7-3.8 cm， and the litter storage was 5.14-9.34 t/hm2， the maximum water-holding capacity and effective water interception capacity was at range of 1.7-2.6 mm and 1.0-1.8 mm rainfall. The water-holding capacity of litter had a logarithmic relation with soaking time （R2>0.937 2）， and water absorption rate showed a power function with soaking time （R2>0.999 6）. Soil bulk density mean （0-30 cm） was 0.83-1.23 g/cm3， soil effective water-holding capacity was 214.67-377.17 t/hm2. With the deepening of the soil， soil total porosity was decreased. ②The litter storage of high intensity thinned stands on flat land increased compared with the reference flat stands （p<0.05）， the effective water interception capacity of litter layer and effective water-holding capacity of soil were higher than those of reference flat stands， and the difference was not significant （p>0.05）， total water storage increased. ③The effective water interception capacity of litter layer of the low intensity thinned stands on slope land decreased compared with the reference slope stands （p<0.05）， while effective water-holding capacity of soil showed no significant difference （p>0.05）， total water storage decreased. ④In order to improve the water conservation functions of forest， the forest on flat land should be studied with appropriate thinning intensity， and the forests located on slope land should not be thinned with low intensity.

Keywords：Thinning; Betula platyphylla; natural secondary forest; litter; soil; water-holding characteristics

0 引言

森林生態系統具有3個垂直結構，即林冠層、枯落物層和根系土壤層。枯落物層在截持降水、防止土壤濺蝕、阻延地表徑流、抑制土壤水分蒸發和增強土壤抗沖性等方面具重要意義[1]，土壤層具有較高的蓄水能力，其特有的孔隙結構對水分滲透、滲蓄起到調節作用[2]。不同的森林植被水源涵養功能不僅與樹種生物學特性有關[3-6]，還與林分密度相關[7-15]，王磊[9]研究了撫育間伐對華北落葉松枯落物與土壤持水量的影響，撫育后的林分持水能力略優于撫育前;劉宇等[10]研究表明華北落葉松人工林枯落物層最大持水量在一定密度范圍內隨密度增加而增大;唐禾等[11]研究表明輕度間伐（15%）能提高麻櫟次生林枯落物持水性能;周巧稚等[12]研究表明刺槐林枯落物層最大持水量隨林分密度的增加呈先增大后減小的趨勢;管惠文等[13]研究表明，間伐對大興安嶺落葉松天然次生林林地水文性能的提高具有積極作用;石媛等[14]研究表明油松人工林枯落物層最大持水量與林分密度無明顯相關性;紅玉等[15]研究表明楊樺天然次生林進行不同強度的采伐后補植紅松，能提高土壤水源涵養能力。對白樺次生林枯落物和土壤持水特征的研究多數是與其他林分進行對比，極少涉及白樺次生林撫育間伐后水源涵養能力的變化[1-2，6]。

烏斯渾河流域開發較早，人口密集，進入20世紀80年代以來毀林開荒、陡坡耕種比較嚴重，至使流域蓄水能力降低，1991年曾發生過洪水[16]。烏斯渾河發源林口縣寶林鎮土頂子山麓，屬于牡丹江中下游右岸一級支流，因此河流沿岸的森林覆蓋率及森林水源涵養能力直接影響流域徑流量。白樺（Betula platyphylla）天然次生林是該地區主要森林類型[17]，平地和山地均有分布。本文以白樺天然次生林為研究對象，研究撫育間伐對林地內枯落物和土壤持水性能的影響，探討合理的白樺天然林間伐強度，為提高林地水源涵養能力提供參考。

1 研究地概況

研究地點位于黑龍江省林口林業局青山林場（130°21′～130°27′ E，45°32′～45°33′ N），屬長白山系完達山脈，平均海拔501 m，屬寒溫帶大陸性季風氣候區，1月平均溫度-18 ℃，7月平均溫度25 ℃，年均氣溫5 ℃，年平均濕度61%，年降水量750 mm，年平均蒸發量1 200 mm，無霜期100～140 d，≥10 ℃的積溫為2 100 ℃。地帶性土壤為暗棕色森林土，土壤平均厚度40～51 cm，腐殖質層平均厚度6 cm。試驗天然白樺林分布于陰坡的坡中及坡下位置，主要伴生樹種有水曲柳（Fraxinus mandschurica）、紫椴（Tilia amurensis）、色木槭（Acer mono）、山楊（Populus davidiana）、毛赤楊（Alnus sibirica）和黃菠蘿（Phellodendrom amurense）等。

2 研究方法

2.1 樣地設置

2013年春季，在林口林業局青山林場128林班10小班和19小班的天然白樺中齡林（白樺占7成以上，主林層平均胸徑約16.4～19.6 cm）內進行了不同強度的生態疏伐，并保留有對照區。

2016年5月，在10小班（平地，海拔500 m）設平地對照（F-CK）和蓄積強度為35.6%的強度生態疏伐（F-T）標準地各3塊（20 m×25 m，下同），下文簡稱強度撫育。在19小班（坡地，海拔590 m）設坡地對照（S-CK）和蓄積強度為17.2%的弱度生態疏伐（S-T）標準地各3塊，下文簡稱弱度撫育。進行胸徑、樹高等調查，樣地基本情況見表1。

2.2 林下枯落物采集與生物量測定

2016年7月在各標準地內沿對角線設置3個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驗室，未分解層分選為枝、葉兩種類型，分別稱其自然狀態質量，80 ℃烘箱中烘至恒重后稱其烘干質量，以烘干質量推算枯落物生物量[15]。

2.3 枯落物持水的測定

將烘干后的樣品裝入網眼為0.5 mm的尼龍網袋中，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時取出，靜置至不滴水時立即稱質量，計算持水量、吸水速率和攔蓄量等指標[1]。

2.4 土壤持水的測定

采用剖面法，在各個樣地的四角和中間分別選取5個剖面，用環刀（100 cm3）在每個剖面上按照（0～10、10～20、20～30 cm）分層垂直采樣，每層一個樣品，同時用鋁盒每層取一個樣品。用烘干法測定土壤含水量;用環刀法測定土壤容重、孔隙度[5-6]。

2.5 數據統計與分析

采用Excel軟件，進行單因素方差分析（one-way ANOVA），顯著性水平為0.05，采用Excel制圖。

3 結果與分析

3.1 撫育間伐對白樺天然次生林枯落物層生物量的影響

平地林分強度撫育后枯落物未分解層和半分解層厚度均高于平地對照，總厚度顯著高于對照（p<0.05）;坡地林分弱度撫育后枯落物未分解層厚度、半分解層厚度和總厚度均顯著低于坡地對照（p<0.05），見表2。

枯落物總生物量范圍為5.14～9.34 t/hm2，平地林分強度撫育后枯落物未分解層、半分解層生物量均提高，總生物量提高70%（p< 0.05）;坡地弱度撫育后枯落物未分解層、半分解層生物量均降低，總生物量降低25%。

從枯落物組成來看，枯落物未分解層葉生物量高于枝，表明白樺天然次生林當年凋落物以葉片為主。

3.2 撫育間伐對白樺天然次生林枯落物層持水特征的影響

3.2.1 撫育間伐對白樺天然次生林枯落物自然含水量和最大持水量的影響

平地強度撫育后枯落物自然含水量和最大持水量均顯著升高（p<0.05），見表3。坡地弱度撫育后枯落物自然含水量無顯著變化，最大持水量顯著下降（p<0.05）。白樺天然次生林最大持水量相當于可吸收1.7～2.6 mm的降水。

從枯落物組成來看，未分解層的自然含水量低于半分解層;葉的最大持水量高于枝。

3.2.2 撫育間伐對白樺天然次生林枯落物最大持水率的影響

兩種立地條件的白樺天然次生林撫育后枯落物層最大持水率無顯著變化（p>0.05），見表4，最大持水率相當于可吸收自身重量2.6～3.4倍的降水。

從枯落物組成來看，葉的最大持水率高于枝。

3.2.3 白樺天然次生林枯落物浸泡過程中持水量和吸水速率的變化

未分解層枝、葉、半分解層及全部枯落物持水量均隨浸泡時間的增加呈對數型增長，如圖1所示。各類型枯落物的同時間段持水量比較，平地林分強度撫育后持水量高于平地對照，坡地林分弱度撫育后持水量低于坡地對照。

在浸水初期0.5 h內枯落物吸水速率最快，2 h內較快，之后降低，8～10 h接近飽和，如圖2所示。平地強度撫育后枯落物吸水速率高于平地對照，坡地弱度撫育后枯落物吸水速率低于坡地對照。

對各樣地全部枯落物浸水0.5～24 h的持水量W （t/hm2）與浸泡時間t （h）的關系進行回歸分析，二者之間可以用一元對數方程進行擬合，見表5。

對各樣地全部枯落物浸水0.5～24 h的吸水速率V （t/（hm2·h））與浸泡時間t （h）的關系進行回歸分析，符合冪函數模型，見表5。

3.2.4 撫育間伐對白樺天然次生林枯落物層攔蓄量的影響

兩種立地條件的白樺天然次生林有效攔蓄量范圍為10.38～17.51 t/hm2，相當于1.0～1.8 mm的降水，見表6。

平地林分強度撫育后枯落物有效攔蓄量高于平地對照（p>0.05）。坡地弱度撫育后枯落物有效攔蓄量顯著低于坡地對照（p<0.05）。

從枯落物組成來看，未分解層的有效攔蓄量高于半分解層，葉的有效攔蓄量高于枝。

3.3 撫育間伐對白樺次生林土壤層物理性質和持水量的影響

3.3.1 土壤物理性質和持水量的垂直分布特征

土壤容重和孔隙度是反映土壤物理性狀的重要參數，其中非毛管孔隙數量的多少將直接影響林地蓄水能力和調節水分功能的強弱。

在0～30 cm深度：①除坡地撫育樣地外，其他樣地3個土層間的土壤容重有顯著差異（p<0.05），表現為表層最低，隨土層加深而增加（表7）;②各樣地3個土層間的土壤總孔隙度有顯著差異（p<0.05），表現為表層最高，隨土層加深而降低;③除平地對照樣地外，3個土層間的土壤非毛管孔隙度表現為表層最高，隨土層加深而降低。平地對照3個土層間非毛管孔隙度差異不顯著，撫育后3個土層間非毛管孔隙度有顯著差異（p<0.05）;坡地對照3個土層間非毛管孔隙度有顯著差異（p<0.05），撫育后3個土層間非毛管孔隙度差異不顯著，表明撫育能改變土壤的孔隙狀況;④3個土層間的最大持水量有顯著差異（p<0.05），表現為表層最高，隨土層加深而降低。除平地對照樣地外，3個土層間的土壤有效持水量表現為表層最高，隨土層加深而降低。

3.3.2 撫育對白樺次生林土壤物理性質和持水量的影響

白樺天然次生林土壤容重均值（0～30 cm）范圍為0.83～1.23 g/cm3（表8）。土壤有效持水量范圍為214.67～377.17 t/hm2。

平地林分強度撫育后，土壤容重高于平地對照，總孔隙度和毛管孔隙度低于對照，非毛管孔隙度高于對照，土壤最大持水量低于對照，有效持水量高于對照，但變化均不顯著（p>0.05）。

3.2.3 白樺天然次生林枯落物浸泡過程中持水量和吸水速率的變化

未分解層枝、葉、半分解層及全部枯落物持水量均隨浸泡時間的增加呈對數型增長，如圖1所示。各類型枯落物的同時間段持水量比較，平地林分強度撫育后持水量高于平地對照，坡地林分弱度撫育后持水量低于坡地對照。

在浸水初期0.5 h內枯落物吸水速率最快，2 h內較快，之后降低，8～10 h接近飽和，如圖2所示。平地強度撫育后枯落物吸水速率高于平地對照，坡地弱度撫育后枯落物吸水速率低于坡地對照。

對各樣地全部枯落物浸水0.5～24 h的持水量W （t/hm2）與浸泡時間t （h）的關系進行回歸分析，二者之間可以用一元對數方程進行擬合，見表5。

對各樣地全部枯落物浸水0.5～24 h的吸水速率V （t/（hm2·h））與浸泡時間t （h）的關系進行回歸分析，符合冪函數模型，見表5。

3.2.4 撫育間伐對白樺天然次生林枯落物層攔蓄量的影響

兩種立地條件的白樺天然次生林有效攔蓄量范圍為10.38～17.51 t/hm2，相當于1.0～1.8 mm的降水，見表6。

平地林分強度撫育后枯落物有效攔蓄量高于平地對照（p>0.05）。坡地弱度撫育后枯落物有效攔蓄量顯著低于坡地對照（p<0.05）。

從枯落物組成來看，未分解層的有效攔蓄量高于半分解層，葉的有效攔蓄量高于枝。

3.3 撫育間伐對白樺次生林土壤層物理性質和持水量的影響

3.3.1 土壤物理性質和持水量的垂直分布特征

土壤容重和孔隙度是反映土壤物理性狀的重要參數，其中非毛管孔隙數量的多少將直接影響林地蓄水能力和調節水分功能的強弱。

在0～30 cm深度：①除坡地撫育樣地外，其他樣地3個土層間的土壤容重有顯著差異（p<0.05），表現為表層最低，隨土層加深而增加（表7）;②各樣地3個土層間的土壤總孔隙度有顯著差異（p<0.05），表現為表層最高，隨土層加深而降低;③除平地對照樣地外，3個土層間的土壤非毛管孔隙度表現為表層最高，隨土層加深而降低。平地對照3個土層間非毛管孔隙度差異不顯著，撫育后3個土層間非毛管孔隙度有顯著差異（p<0.05）;坡地對照3個土層間非毛管孔隙度有顯著差異（p<0.05），撫育后3個土層間非毛管孔隙度差異不顯著，表明撫育能改變土壤的孔隙狀況;④3個土層間的最大持水量有顯著差異（p<0.05），表現為表層最高，隨土層加深而降低。除平地對照樣地外，3個土層間的土壤有效持水量表現為表層最高，隨土層加深而降低。

3.3.2 撫育對白樺次生林土壤物理性質和持水量的影響

白樺天然次生林土壤容重均值（0～30 cm）范圍為0.83～1.23 g/cm3（表8）。土壤有效持水量范圍為214.67～377.17 t/hm2。

平地林分強度撫育后，土壤容重高于平地對照，總孔隙度和毛管孔隙度低于對照，非毛管孔隙度高于對照，土壤最大持水量低于對照，有效持水量高于對照，但變化均不顯著（p>0.05）。

坡地林分弱度撫育后，土壤容重、土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤最大持水量和有效持水量均高于對照，但變化均不顯著（p>0.05）。

3.4 撫育間伐對白樺次生林枯落物層和土壤層靜態持水量的影響

森林持水能力一般用枯落物層和土壤層的總持水量進行評價[18]。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，平地林分強度撫育后高于對照，坡地弱度撫育后低于對照，見表9。

各樣地土壤層持水量占林分總持水量的百分比均達到94%以上，說明土壤層對森林涵養水源的作用是主要的。

4 討論

4.1 枯落物生物量

有研究表明，渾河上游白樺冷杉混交林（1 750株/hm2）枯落物生物量為12.19 t/hm2[19]，冀北山地白樺純林（1 283株/hm2）和白樺落葉松混交林（1 488株/hm2）枯落物生物量為15.93～16.51 t/hm2[20]，大興安嶺地區白樺落葉松混交林枯落物生物量為17.46 t/hm2[21]。本試驗樣地密度為740～1 500 株/ hm2，枯落物生物量僅為5.14～9.34 t/hm2，與大興安嶺地區白樺低質林的枯落物總生物量（8.87 t/hm2）和長白山地區天然白樺林的枯落物生物量（5.00 t/hm2）相近[2，22]。可能是由于本研究區域積溫較低，導致生長量較低，枯落物輸入量少，同時林內針葉樹種僅有少量的云杉、冷杉，闊葉枯落物分解速度較快，半分解層生物量低。

4.2 枯落物持水過程

有研究表明，渾河上游白樺冷杉混交林、冀北山地白樺純林和大興安嶺地區白樺落葉松混交林枯落物最大持水量分別為4.5、5.4、6.0 mm，本研究的白樺天然林枯落物最大持水量相當于可吸收1.7～2.5 mm的降水，與大興安嶺白樺低質林和長白山地區天然白樺林枯落物最大持水量1.8～2.4 mm相近[2，19-22]。

平地強度撫育后，枯落物自然含水量和最大持水量均顯著升高，坡地弱度撫育后枯落物自然含水量和最大持水量均下降（表3），與枯落物生物量的變化一致。韓友志等[19]的研究認為枯落物生物量越大，持水潛力越大。兩種立地的白樺天然林撫育后枯落物最大持水率均下降（表4），與撫育后樹種組成發生改變，枯落物組成也隨之變化有關。也有研究表明最大持水率在一定密度范圍內隨密度降低而減小[10]。

枯落物浸泡過程中，各時間點的持水量變化和吸水速率變化，能夠描述枯落物的持水過程。初期0.5 h內，枯落物吸水速率最快（圖2），持水量可達最大持水量的55%以上（圖1），隨后吸水速率變慢，持水量增加緩慢，直至飽和。吸水速率快，可以將林內降水迅速含蓄起來，減少地表徑流的發生。0.5 h內，當林內降雨小于1.0 mm時，將不會產生地表徑流（圖1）。持水量與浸水時間呈對數函數關系，吸水速率與浸水時間呈冪函數關系（表5），與前人研究結果一致[3-12，19-22]。

4.3 枯落物有效攔蓄量

枯落物的最大持水量和最大持水率是將枯落物烘干樣品浸水24 h后測定的結果，沒有考慮到自然狀態下枯落物的含水量，結果會偏大，一般采用有效攔蓄量來估算枯落物對降水的實際攔蓄能力[1-2]。

平地強度撫育后枯落物層有效攔蓄量升高，坡地弱度撫育后枯落物有效攔蓄量顯著下降（表6）。

4.4 土壤物理性質和持水量

有研究表明，冀西北地區白樺林0～40 cm土層非毛管孔隙度為8.25%，有效持水量為352.2 t/hm2[18]，大興安嶺白樺林土壤非毛管孔隙度為19.33%[18]，小興安嶺白樺次生林土壤0～60 cm土層有效持水量為342.85 t/hm2[23]，本試驗中土壤0～30 cm土層非毛管孔隙度為8.16～12.57%，有效持水量為214.67～377.17 t/hm2，水源涵養能力與以上研究地區白樺林接近。

兩種立地條件的白樺天然次生林不同強度撫育后，反映土壤物理性質和持水量的各指標與對照均不顯著，可能是撫育時間較短，土壤變化不明顯。

5 結論

（1）白樺天然次生林枯落物厚度為1.7～3.8 cm，生物量為5.14～9.34 t/hm2，有效攔蓄量相當于1.0～1.7 mm的降水。枯落物持水量與浸水時間呈對數函數關系（R2 > 0.937 2），吸水速率與浸水時間呈冪函數關系（R2 > 0.999 6）。土壤容重變化范圍為0.83～1.23 g/cm3，土壤有效持水量范圍為214.67～377.17 t/hm2。

（2）位于平地的林分進行強度撫育后，枯落物厚度、生物量、自然含水量和最大持水量均顯著高于平地對照（p<0.05），枯落物有效攔蓄量和土壤有效持水量均高于平地對照，差異不顯著（p>0.05）。可進一步研究其他撫育強度能否提高水源涵養功能。

（3）位于坡地的林分進行弱度撫育后，枯落物厚度和最大持水量顯著低于坡地對照（p<0.05），有效攔蓄量顯著低于坡地對照（p<0.05），土壤有效持水量無顯著變化（p>0.05），總蓄水量下降。以提高林分水源涵養功能為目標時，位于坡地的林分不適宜弱度撫育。

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