不同密度胡桃楸次生林枯落物和土壤持水特性的研究

劉忠玲 劉建明 胡偉 祁永會

摘 要：為探討林分密度對胡桃楸次生林水源涵養功能的影響，以阿什河源頭的帽兒山地區不同密度（840、680、480株/hm2）的胡桃楸次生林為研究對象，測定枯落物層的厚度和蓄積量，并采用室內浸泡法對枯落物持水量進行測定，采用環刀法對土壤持水量進行測定。結果表明：不同密度的胡桃楸天然次生林枯落物厚度、蓄積量、有效攔蓄量差異均不顯著（P>0.05），枯落物厚度為3.2～3.9 cm，蓄積量為6.33～8.57 t/hm2，有效攔蓄量為4.39～10.44 t/hm2。枯落物持水量與浸水時間呈對數函數關系（R2>0.988 1），吸水速率與浸水時間呈冪函數關系（R2>0.999 9）。在0～30 cm土壤深度，不同密度的林分土壤容重均值、非毛管孔隙度和有效持水量有顯著差異（P<0.05），土壤容重變化范圍為0.88～1.06 g/cm3，隨土層深度增加而增加，土壤有效持水量范圍為117.78～230.52 t/hm2。840株/hm2和680株/hm2的林分地表層有效持水量分別顯著高于480株/hm2的林分71%和89%（P<0.05）。綜合不同密度的胡桃楸次生林枯落物層和土壤層的持水特性，密度為840株/hm2和680株/hm2的林分蓄水能力較好。

關鍵詞：森林水文;持水特性;枯落物;土壤;胡桃楸

中圖分類號：S715.7 ? ?文獻標識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2021）03-0052-08

Abstract：In order to explore the impacts of stand density on the water conservation function of Juglans mandshurica natural second forest， the thickness and storage of litter layer were measured in different densities （840， 680 and 480 trees/hm2） of Juglans mandshurica natural second forest in Maoershan area at the source of Ashe river. The waterholding capacity of litter was measured by indoor soaking method and the soil waterholding capacity were measured by cutting method. The results showed that： there was no significant difference in litter thickness， storage and effective waterinterception capacity of Juglans mandshurica natural secondary forest with different densities （P>0.05）， the litter thickness was 3.2～3.9 cm， and the litter storage was 6.33～8.57 t/hm2， the effective waterinterception capacity was 4.39～10.44 t/hm2. Waterholding capacity of litter had a logarithmic relation with soaking time （R2>0.988 1）， and water absorption rate showed a power function with soaking time （R2>0.999 9）. The soil bulk density， noncapillary porosity and effective waterholding capacity with different densities were significantly different （P<0.05） in 0～30 depth， soil bulk density was 0.88～1.06 g/cm3， increased with the deepening of soil， the soil effective waterholding capacity was 117.78～230.52 t/hm2. The effective waterholding capacity of 840 trees /hm2 and 680 trees/hm2 were 71% and 89% higher than that of 480 trees/hm2 respectively （P<0.05）. Based on the waterholding characteristics of litter layer and soil layer of Juglans mandshurica secondary forest with different densities， the stands with densities of 840 trees/hm2 and 680 trees/hm2 had better waterholding capacity.

Keywords：Forest hydrology; waterholding characteristics; litter; soil; Juglans mandshurica

0 引言

枯落物層是降水在林地表面最先接觸到的部分，具有涵養水源、攔蓄降水、維持土壤濕度和防止土壤濺蝕等功能[1]。土壤層中的毛管孔隙和非毛管孔隙能夠促進雨水的下滲，不但能供給植物水分，且能把多余的水分存儲起來或通過滲流匯入溪流中，充分體現了森林涵養水源保持水土的功能[2]。阿什河發源于黑龍江省尚志市帽兒山鎮尖石砬子，是松花江上游右岸的一級支流，其源頭林分的水源涵養功能對松花江徑流量有重要影響[3]。帽兒山林場位于阿什河源頭，天然林占森林面積85%以上，胡桃楸（Juglans mandshurica）為天然次生林群落的最重要植物[4]。

森林經營影響森林結構，從而影響森林生態功能[5]，同一林型在不同密度條件下枯落物和土壤持水能力不同[6-9]。部分研究認為，枯落物有效攔蓄量隨林分密度的增大而增大，也有研究表明枯落物有效持水量或有效攔蓄量隨林分密度的增大呈先增大后減小的趨勢，而土壤有效持水量沒有明顯的隨密度變化的趨勢。賀宇等[6]的研究表明，枯落物層對降雨的攔蓄能力與林分密度呈正相關關系;辛穎等[7]的研究表明，不同密度（750～2 100 株/hm2）的油松（Pinus tabulaeformis）人工林，枯落物層有效持水量隨密度增大而增大，土壤有效持水量在密度1 800 株/hm2時最大;王謙等[8]的研究表明，不同密度（550～3 850 株/hm2）的樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）人工林，枯落物有效攔蓄量隨密度增大而增大，土壤有效持水量在密度800 株/hm2時最大。黃乾等[9]的研究表明，不同密度（1 350～2 300 株/hm2）的青海云杉（Picea crassifolia）林枯落物最大持水量隨林分密度的增大呈現先增大后減小的趨勢，土壤有效持水量在密度1 575 株/hm2時最大。

因此，本文在阿什河源頭的帽兒山地區選擇不同密度胡桃楸次生林，對枯落物和土壤持水特性進行比較分析，探討有利于發揮林分水文生態作用的密度，為開展防護林結構化經營提供參考。

1 研究區概況

研究地點位于東北林業大學帽兒山實驗林場（127°36′～127°39′ E，45°23′～45°26′ N），平均海拔為390 m。屬寒溫帶大陸性季風氣候區，1月平均溫度為-19.6 ℃，7月平均溫度為20.9 ℃，年均氣溫為2.8 ℃。年平均濕度為70%，年降水量為723.8 mm，年平均蒸發量為1 094 mm。無霜期為120～140 d，大于等于10 ℃的積溫為2 526 ℃。地帶性土壤為暗棕色森林土，土壤平均厚度為40～45 cm，腐殖質層平均厚度為10 cm。

2 研究方法

2.1 標準地設置

試驗胡桃楸次生林分布于南坡，海拔為375 m，伴生樹種以榆樹（Ulmus pumila）為主，有少量的水曲柳（Fraxinus mandshurica）、山楊（Populus davidiana）、黃菠蘿（Phellodendron amurense）和白樺（Betula platyphylla）。

2016年5月下旬，選擇3種密度的胡桃楸次生林為研究對象，在各密度的林分內各設置3塊20 m × 25 m的標準地，對標準地基本概況進行調查，見表1。

2.2 枯落物蓄積量、持水量測定

6月中旬，在連續陣雨、多云天氣后，于每個標準地內隨機設置3個50 cm × 50 cm的枯落物收集樣方，將未分解層和半分解層分別裝入密封袋中，同時測定各層厚度。實驗室內將未分解層分選為枝、葉、果3種類型，分別稱其自然狀態質量，在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蓄積量[10]。將烘干后的樣品裝入網眼為0.5 mm的網袋中，浸入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，靜置至不滴水時稱質量，計算持水量及攔蓄量等指標[6，10]。

2.3 土壤物理性質和持水量測定

采用剖面法，在每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）分層采樣，每層采樣1個，同時用鋁盒取土樣，用烘干法測定土壤含水量;用環刀法測定土壤容重和孔隙度[8-10]。

2.4 數據統計與分析

采用Excel進行數據統計與制圖，采用SPSS軟件進行單因素方差分析（one-way ANOVA）和LSD多重比較，顯著性水平為0.05。

3 結果與分析

3.1 枯落物層厚度和蓄積量

3種密度的胡桃楸天然次生林枯落物層厚度范圍為3.2～3.9 cm，MJ1未分解層厚度顯著高于MJ2和MJ3（P<0.05），見表2。枯落物蓄積量為6.33～8.57 t/hm2，各密度間差異不顯著（P>0.05）。從枯落物的組成來看，葉片蓄積量均高于枝的蓄積量。MJ1樣地內未采集到果實，MJ2和MJ3各有一個標準地中的一個采樣點采集到果實，未進行方差分析。

3.2 枯落物持水過程

3種密度的胡桃楸次生林，各類型枯落物持水量均隨浸泡時間的延長呈增加趨勢（圖1）。持水量在浸水0.5 h內增加最快，各類型枯落物持水量均達到其最大持水量的56%以上，其中MJ3的半分解層達到79%。0.5～4 h持水量增加較快，隨后變緩，10 h持水量達到最大持水量的91%，直至飽和。同時間段持水量比較，未分解層枝的持水量由大到小為：MJ3、 MJ2、 MJ1，未分解層葉及全部枯落物持水量由大到小均為：MJ1 、 MJ3 、 MJ2，半分解層枯落物持水量MJ1高于其他兩樣地。

枯落物吸水速率在浸水過程中呈下降趨勢，半分解層吸水速率大于未分解層（圖2）。吸水速率在0.5 h最大，在0.5～4 h急劇下降，4～8 h下降變緩，10 h后吸水速率趨向一致（圖2）。3種密度的林分，不同類型枯落物同時段吸水速率與持水量排序一致。

對所有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，可以用一元對數方程擬合，對枯落物浸水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3。

3.3 枯落物自然含水量、最大持水量和有效攔蓄量

3種密度的胡桃楸次生林枯落物自然含水量差異不顯著（P>0.05），見表4。從枯落物各組分來看，半分解層自然含水量高于未分解層，葉的自然含水量高于枝。

3種密度的胡桃楸天然次生林枯落物最大持水量和最大持水率差異均不顯著（P>0.05），見表5，最大持水量相當于可吸收1.5～2.5 mm的降水。最大持水率相當于可吸收自身重量2.2～3.1倍的降水。從枯落物各組分來看，受枯落物蓄積量影響，MJ1和MJ2半分解層最大持水量高于未分解層，MJ3相反，葉的最大持水量均高于枝;半分解層的最大持水率高于未分解層，葉的最大持水率高于枝。

最大持水率和最大持水量只反映枯落物層持水能力大小，枯落物對降水的攔蓄還與枯落物的水分狀況、降雨特性有密切的關系，所以一般用有效攔蓄量來估算枯落物對降雨的實際攔蓄效果。3種密度的胡桃楸次生林枯落物有效攔蓄量差異不顯著（P>0.05），相當于可吸收0.4～1.0 mm的降水，見表6。從枯落物各組分看，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。

3.4 土壤層物理性質和持水量

在0～30 cm土層，各林分土壤容重表現為隨著土層加深而逐漸增大（P<0.05），容重最小值出現在MJ1的0～10 cm土層，最大值出現在MJ3的≥20～30 cm土層，見表7。MJ1和MJ2的3個土層間土壤總孔隙度無顯著差異，MJ3的0～10 cm土層顯著高于其他兩層（P<0.05）。MJ1和MJ3的3個土層間土壤非毛管孔隙度無顯著差異，MJ2的≥20～30 cm土層非毛管孔隙度顯著高于其他兩層（P<0.05）。最大持水量隨土層加深的變化趨勢與總孔隙度變化一致，有效持水量隨土層加深的變化趨勢與非毛管孔隙度變化一致。

胡桃楸次生林土壤（0～30 cm）容重均值范圍為0.88～1.06 g/cm3（表8），由高到低排序為：MJ3、 MJ1、 MJ2，且MJ3和MJ2之間差異顯著（P<0.05）;樣地之間土壤總孔隙度差異不顯著（P>0.05），土壤非毛管孔隙度由高到低排序為：MJ2、 MJ1、 MJ3，MJ2顯著大于MJ3，土壤容重與非毛管孔隙度成反比。

土壤（0～30 cm）最大持水量范圍為1 771.96～1 957.36 t/hm2，樣地之間無顯著差異（P>0.05）;有效持水量范圍為117.78～230.52 t/hm2，由高到低排序為：MJ2 、 MJ1、 MJ3，MJ1和MJ2顯著高于MJ3（P<0.05）。

3.5 林地表層靜態持水量綜合評價

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。3種密度的胡桃楸次生林枯落物層（未分解層、半分解層）和土壤層（0～30 cm）持水量總和范圍為1 796.82～1 972.06 t/hm2（表9），各密度之間無顯著差異（P>0.05）;有效攔蓄量總和范圍為124.40～234.91 t/hm2，MJ1和MJ2顯著大于MJ3（P<0.05）。3種密度的胡桃楸天然次生林土壤層最大持水量占林地最大持水量的百分比均達到98%以上，土壤層有效攔蓄量占林地有效攔蓄量的95%以上。

4 討論

（1）枯落物層蓄積量

有研究表明，一定密度范圍內，丁香天然林、油松人工林、華北落葉松人工林枯落物層的厚度和蓄積隨林分密度增大而增大[2，11-12]，本研究中3種密度的胡桃楸天然次生林枯落物層的厚度、蓄積量差異不顯著，但有隨密度增大而增大的趨勢。遼寧地區胡桃楸天然次生林枯落物蓄積量為4.50 ～15.03 t/hm2[13-15]，阿什河源頭紅松胡桃楸林枯落物蓄積量為6.35 t/hm2[16]，本研究中胡桃楸天然次生林枯落物層蓄積量為6.33～8.57 t/hm2，與阿什河源頭紅松胡桃楸林枯落物蓄積量相近。有研究表明丁香天然林、油松人工林、華北落葉松人工林枯落物蓄積量半分解層大于未分解層[2，11-12]，胡桃楸天然次生林枯落物未分解層大于分解層[13]，本研究中MJ3未分解層蓄積量大于半分解層，其他兩密度相反。半分解層蓄積量有隨林分密度減小而減小的趨勢，可能與密度大的林分透光差，枯落物分解速度慢有關。

（2）枯落物持水特性

枯落物浸泡初期0.5 h內吸水速率最快（圖2），持水量占最大持水量的68%以上，0.5～4 h內吸水速率較快，隨時間延長，吸水速率變慢，直至飽和。枯落物持水量與浸水時間呈對數關系增長，吸水速率隨與浸水時間呈冪指數關系變化（表3），與他人研究結果一致[8-16]，說明林分對短時高強度降水有較好攔蓄功能，減少地表徑流的發生[16]。枯落物未分解層枝的持水量和吸水速率由高到低排序均為：MJ3、 MJ2 、 MJ1，其他類型由高到低排序均為：MJ1 、 MJ3 、 MJ2，這與未分解層枝蓄積量有隨密度增大而降低的趨勢有關（表2）。3種密度的林分枯落物自然持水量、最大持水量、最大持水率和有效攔蓄量均無顯著差異，說明本研究中的林分密度變化尚未引起枯落物層持水能力的變化。3種密度的林分枯落物最大持水量相當于可吸收1.5～2.5 mm降水，有效攔蓄量相當于可吸收0.4～1.0 mm的降水，低于阿什河源頭紅松胡桃楸林[16]，推測在胡桃楸人工促進天然林更新過程中可嘗試林下栽植紅松。

（3）土壤物理性質和持水特性

在0～30 cm土層內，各林分土壤容重表現為隨著土層加深而顯著增大（P<0.05），說明表層土壤比較疏松。MJ2的≥20～30 cm土層有效持水量顯著高于其他兩層，與其非毛管孔隙度顯著高于其他兩層有關，試驗中各取樣點均呈現這樣的特點，其原因有待進一步研究。MJ3的0～10 cm土層最大持水量顯著高于其他兩層，是由于表層土壤容重小，孔隙度較大，毛管豐富，儲水空間多。

土壤（0～30 cm）容重均值變化范圍為0.88～1.06 g/cm3，與阿什河源頭紅松胡桃楸林土壤容重相近。MJ2非毛管孔隙度顯著高于MJ1和MJ3，有效持水量顯著高于MJ3（P<0.05），這是由于一定土壤厚度條件下土壤的貯水能力取決于暫時蓄存在非毛管孔隙中的自由重力水。有研究表明，胡桃楸天然林及胡桃楸紅松林土壤有效持水量約為58.47～60.6 t/hm2，本試驗胡桃楸次生林有效持水量范圍39.26～76.84 t/hm2，土壤水源涵養功能較好。

5 結論

（1）3種密度的胡桃楸天然次生林枯落物層厚度、蓄積量差異不顯著（P>0.05）。枯落物厚度為3.2～3.9 cm，蓄積量為6.33～8.57 t/hm2。枯落物浸水0.5～24 h的持水量與浸泡時間呈對數函數關系（R2 > 0.988 1），吸水速率與浸泡時間符合冪函數模型（R2>0.999 9）。不同密度間枯落物有效攔蓄量差異不顯著（P>0.05），相當于可吸收0.4～1.0 mm的降水。

（2）3種密度的胡桃楸天然次生林土壤（0～30 cm）容重均值范圍為0.88～1.06 g/cm3，MJ3顯著大于MJ2（P<0.05）。土壤有效持水量范圍為117.78～230.52 t/hm2，MJ1和MJ2顯著高于MJ3（P<0.05）。土壤容重隨著土層加深而增大。

（3）以枯落物層和土壤層的蓄水之和進行比較，MJ1和MJ2的有效持水量顯著高于MJ3（P<0.05）。以涵養水源為經營目標時，密度為840株/hm2和680株/hm2的林分較為合適。

【參 考 文 獻】

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