黑龍江省東部山區楊樺次生林改造對林地水源涵養功能的影響*

廖春光 郭樹平 劉忠玲**

（1.黑龍江省林業科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150081；2.黑龍江省林業科學研究所，黑龍江 哈爾濱 150081）

森林主要通過林冠層、枯落物層和根系土壤層來截流降雨，調節徑流。枯落物層和土壤層作為森林系統中涵養水源的第2活動層和第3活動層，對于防止土壤侵蝕、攔蓄地表徑流、抑制土壤水分蒸發都發揮著重要作用[1-3]。撫育間伐和補植補造作為森林經營的一項重要手段，由于改變了凋落物的組成，土壤物理結構，從而影響林分水源涵養能力。研究表明，4種間伐強度的大興安嶺落葉松天然林林地水文性能均優于對照樣地，其中40%間伐強度最佳[1]；對遼東區楊樺天然次生林進行不同強度的采伐后補植紅松，不僅能提高林分總蓄積，有助恢復針闊混交林，也能改善土壤物理性質，提高土壤水源涵養能力[4]；輕度間伐(15%)能提高麻櫟次生林枯落物有效攔蓄量[5]；輕度間伐撫育(15%)可以提高遼東櫟次生林枯落物有效攔蓄量[6]。

楊樺次生林簡稱楊樺林，一般指以楊柳科(Salicaceae)的山楊(Populus davidiana)和樺木科(Betulaceae)的白樺(Betula platyphylla)為建群種所組成的森林植被類型，為山楊純林、白樺純林及山楊與白樺混交林的統稱，是黑龍江省主要的天然次生林類型，其比重占黑龍江省次生林面積36%，蓄積的31%，在涵養水源、保持水土和減免自然災害等諸多方面均占據重要的戰略地位[7,8]。烏斯渾河發源于黑龍江省林口縣寶林鎮禿頂子山麓，屬于牡丹江中下游右岸較大的一級支流[9]，河流沿岸的森林能夠影響牡丹江流域乃至松花江流域徑流量。因此，本文選擇位于烏斯渾河流域源頭的楊樺次生林為研究對象，分析不同強度撫育后補植紅松對林分枯落物和土壤蓄水功能的影響，旨在為基于改善水源涵養功能的次生林改造提供參考。

1 研究區概況

研究地點位于黑龍江省林口林業局青山林場(130°21"E～130°27"E，45°32"N～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﹣18℃，7月平均溫25℃，年均氣溫5℃。年平均濕度61%，年降水量750 mm，無霜期100～140天，≥10℃積溫為2100℃。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。

2 研究方法

2.1 標準地設置

2001年11月，青山林場130林班的楊樺次生林作為“天然次生林結構改培工程”的試點，基于株數進行了不同強度的撫育間伐，分別設置不采伐對照區、弱伐(伐除1/3)、強伐(伐除2/3)、皆伐3種強度采伐區(分別以CK、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示)，采伐時保留珍貴闊葉樹種。伐前楊樺次生林樹種組成為7楊2樺1椴+色-黃，郁閉度0.9，平均林齡33年，平均樹高13 m，活立木蓄積116 m3/hm2。2002年在采伐區栽植S2-2紅松(Pinus koraiensis)幼苗促進林分更新，后期進行適當的管理和維護。

2016年5月，在對照區和3種強度的采伐區內各設置3塊標準地，面積為20 m×25 m，對其中的林木(胸徑≥4 cm)進行胸徑、樹高調查（表1）。弱伐樣地內補植的紅松平均高1.74 m，地徑24.23 mm，強伐樣地內補植的紅松已進入更新層，平均高3.48 m，平均胸徑3.13 cm，皆伐樣地內胸徑≤4 cm的紅松平均高3.21 m，平均胸徑3.01 cm。

表1 青山林場楊樺次生林樣地概況

2.2 林下枯落物采集與蓄積量測定

2016年5月，在每個標準地內沿對角線方向設置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2種類型，分別稱其自然狀態質量，80℃烘箱中烘至恒重后稱重，以烘干質量推算枯落物蓄積量[10]。

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[10]，稱后放回。

2.4 土壤持水的測定

在各標準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 cm、10～20 cm，20～30 cm分層垂直采樣，每層采樣1個，同時用鋁盒取土樣1個，用烘干法測定土壤含水量，用環刀法測定土壤容重、孔隙度[1]。

2.5 森林水源涵養功能評價

采用綜合評價法對楊樺天然林水源涵養功能進行比較，選用指標包括枯落物蓄積量、枯落物最大持水率、枯落物有效攔蓄量、土壤容重、土壤非毛管孔隙度、土壤最大持水量，對各指標進行無量綱處理后進行計算[11,12]，以綜合值小者表明水源涵養功能高。

2.6 數據處理與統計分析

采用Excel進行整理和畫圖，利用SPSS 21.0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 枯落物厚度和蓄積量

楊樺林枯落物總厚度為3.60～8.27 cm，弱伐和皆伐后顯著低于對照(p<0.05)（表2），未分解層厚度變化與總厚度相同，半分解層厚度差異不顯著(p>0.05)。楊樺林枯落物總蓄積量為6.10～8.68 t/hm2，各樣地間差異不顯著(p>0.05)。弱伐和皆伐林未分解層蓄積量顯著低于對照(p<0.05)，半分解層蓄積量差異不顯著(p>0.05)。強伐林未分解層枝蓄積量顯著低于對照，弱伐和皆伐林未分解層葉蓄積量顯著低于對照(p<0.05)。

表2 青山林場楊樺次生林枯落物層厚度及蓄積量

從枯落物組成看，對照林未分解層枯落物占總蓄積量的61%，而弱伐、強伐、皆伐林未分解層分別占枯落物總蓄積量的45%、41%、36%，未分解層蓄積量均低于半分解層。在未分解層中，各樣地均為葉蓄積量大于枝的蓄積量。

3.2 枯落物水源涵養功能

3.2.1 枯落物持水過程

各類型枯落物持水量隨浸水時間的延長均呈增加趨勢(圖1)。浸水0.5 h內持水量迅速增加，持水量可達最大持水量的72%以上；浸水0.5～4 h，持水量增加變緩；10 h持水量達到最大持水量的94%以上。

圖1 不同間伐強度楊樺次生林枯落物持水量隨浸泡時間的變化

各類型枯落物在浸水過程中同時間段持水量比較，3個撫育樣地未分解層枝、葉持水量低于對照，皆伐和強伐樣地半分解層持水量高于對照，全部枯落物持水量排序為強伐>對照>皆伐>弱伐。

從枯落物組成看，對照的未分解層持水量大于半分解層，其他3個撫育樣地相反，未分解層持水量低于半分解層。各樣地內枯落物葉的持水量均高于枝。

各類型枯落物吸水速率隨浸水時間的變化均呈下降趨勢(圖2)，浸水0.5～4 h，枯落物吸水速率直線下降，隨后4～8 h吸水速率下降變緩，而后趨向一致，曲線趨于平直(圖2)。

圖2 不同間伐強度楊樺次生林枯落物吸水速率隨浸泡時間的變化

在浸水前8 h過程中，3個撫育樣地未分解層枝、葉吸水速率低于對照，皆伐和強伐樣地半分解層吸水速率高于對照，全部枯落物的吸水速率對照>強伐>皆伐>弱伐。

從枯落物組成看，對照和強伐樣地的枯落物，未分解層吸水速率快于半分解層，弱伐和皆伐樣地的枯落物未分解層吸水速率慢于半分解層。各樣地內枯落物葉的吸水速率均快于枝。各類型枯落物浸水0.5～24 h的持水量W(t/hm2)與浸泡時間t(h)的關系可以用一元對數方程進行擬合，各類型枯落物的吸水速率V(t/hm2·h)與浸泡時間t(h)的關系符合冪函數模型（表3）。

表3 不同間伐強度楊樺次生林枯落物持水量及吸水速率特征曲線擬合

3.2.2 枯落物自然含水率、最大持水量、最大持水率

不同撫育強度的楊樺林各類型枯落物自然含水率差異不顯著(p>0.05)（表4）。從枯落物組成看，各樣地內枯落物未分解層自然含水率均低于半分解層，未分解層葉的自然含水率均高于未分解層枝。不同撫育強度的楊樺林枯落物最大持水量相當于可吸收1.7～2.5 mm的降水，各樣地間差異不顯著(p>0.05)（表5）。皆伐林未分解層葉蓄積量顯著低于對照(p<0.05)。從枯落物組成看，對照的未分解層最大持水量高于半分解層，其他三個撫育樣地相反，未分解層最大持水量低于半分解層。各樣地內枯落物葉的最大持水量均高于枝。

表4 不同間伐強度楊樺次生林枯落物自然含水率%

不同撫育強度的楊樺林枯落物最大持水率相當于可吸收自身干重2.8～3.0倍的降水(表5)，各樣地間差異不顯著(p>0.05)。從枯落物組成看，對照和皆伐林未分解層枯落物最大持水率低于半分解層，弱伐和強伐樣地未分解層枯落物最大持水率高于半分解層，各樣地內枯落物葉的最大持水率均高于枝。

表5 不同間伐強度楊樺次生林枯落物最大持水量和最大持水率

3.2.3 枯落物有效攔蓄量

由于山地森林坡面不會出現長時間的降水，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，所以用最大持水量和最大持水率來估算枯落物層對降雨的攔蓄能力偏高，一般用有效攔蓄量來估算枯落物對降雨的實際攔蓄效果[5,13]。

不同撫育強度的楊樺林枯落物有效攔蓄量相當于可吸收1.0～1.5 mm的降水（表6），對照>弱伐>強伐>皆伐，且強伐和皆伐林顯著低于對照(p<0.05)。其中弱伐和皆伐林未分解層葉有效攔蓄量顯著低于對照(p<0.05)。從枯落物組成來看，皆伐林未分解層枯落物有效攔蓄量低于半分解層，其他林分相反，未分解層枯落物有效攔蓄量高于半分解層，各樣地葉的有效攔蓄量均高于枝。

表6 不同間伐強度楊樺次生林枯落物有效攔蓄量t/hm2

3.3 土壤水文效應

3.3.1 土壤物理性質和持水量的垂直分布特征

3個土層間的土壤容重有顯著差異，表現為表層最低，隨土層加深呈增加趨勢(表7)。皆伐林0～10 cm和10～20 cm土層容重差異顯著(p<0.05)，其他各樣地0～10 cm和20～30 cm土層容重差異顯著(p<0.05)。土壤總孔隙度有顯著差異，表現為表層最高，隨土層加深而降低。強伐和皆伐林的0～10 cm土層總孔隙度顯著高于10～20 cm和20～30 cm土層(p<0.05)，對照和弱伐林0～10 cm土層總孔隙度顯著高于20～30 cm土層(p<0.05)。土壤非毛管孔隙度表現為表層最高，隨土層加深呈降低趨勢。對照林0～10 cm土層非毛管孔隙度顯著高于10～20 cm和20～30 cm土層(p<0.05)，其他各樣地3個土層間非毛管孔隙度差異不顯著(p>0.05)。土壤毛管孔隙度表現為表層最高，隨土層加深而降低。皆伐林0～10 cm土層毛管孔隙度顯著高于10～20 cm和20～30 cm土層(p<0.05)，其他各樣地3個土層間毛管孔隙度差異不顯著(p>0.05)。

表7 不同間伐強度楊樺次生林土壤物理性質和持水量垂直變化

3個土層間的土壤最大持水量有顯著差異，表現為表層最高，隨土層加深而降低(表9)。強伐和皆伐林0～10 cm土層最大持水量顯著高于10～20 cm和20～30 cm土層(p<0.05)，對照和弱伐林0～10 cm土層總孔隙度顯著高于20～30 cm土層(p<0.05)。3個土層間的土壤有效持水量表現為表層最高，隨土層加深呈降低趨勢。對照樣地0～10 cm土層非毛管孔隙度顯著高于10～20 cm和20～30 cm土層(p<0.05)，其他各樣地3個土層間非毛管孔隙度差異不顯著(p>0.05)。

3.3.2 不同撫育強度的楊樺次生林土壤物理性質和持水量

在0～30 cm土層，楊樺天然次生林土壤容重為1.05～1.23 g/cm3，各樣地間無顯著差異(p>0.05)（表8）。強伐林土壤總孔隙度最高，與皆伐差異顯著(p<0.05)；強伐林土壤非毛管孔隙度最高，與其他樣地差異顯著(p<0.05)；弱伐林土壤毛管孔隙度最高，與強伐和皆伐林差異顯著(p<0.05)。

在0～30 cm土層，楊樺天然次生林土壤最大持水量變化范圍為1191.69～1482.02 t/hm2，皆伐林顯著低于對照(p<0.05)（表8）。土壤有效持水量強伐樣地最高，與其他樣地差異顯著(p<0.05)，排序為強伐>皆伐>對照>弱伐。

3.4 不同撫育強度的楊樺次生林水源涵養功能比較

森林蓄水主要包括枯落物層蓄水和土壤層蓄水[11,12]。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，不同撫育強度的楊樺林總蓄水量依次為強伐>皆伐>弱伐>對照(表9)。枯落物層蓄水量占總蓄水量的比例較小，土層蓄水量占總蓄水量的比例較大，說明土壤層對森林涵養水源的作用是主要的。

表9 不同林分的枯落物層和土壤層的持水量

采用綜合評價法對不同撫育強度的楊樺林水源涵養功能進行比較(表10)，排序為強伐>對照>皆伐>弱伐。

表10 不同撫育強度的楊樺次生林水源涵養功能綜合評價

4 討論

楊樺天然次生林枯落物蓄積量與枯落物厚度不相關，主要由于對照未分解層凋落物以闊葉為主，葉片間空隙大，撫育樣地內凋落物既有闊葉也有針葉，葉片間空隙小。同時由于枯落物的組成發生改變，針葉凋落后分解速率慢，導致3個撫育樣地半分解層枯落物所占的比例均大于50%，而對照半分解層僅占總蓄積量的39%。

在持水過程中，枯落物持水量與浸水時間呈對數函數關系，吸水速率與與浸水時間呈冪函數關系，這兩種函數模型與前人研究結果一致[5,6,10,12-15]。皆伐林枯落物未分解層的厚度、蓄積量、吸水速率、自然含水率、最大持水量、最大持水率、有效攔蓄量均低于半分解層，這與皆伐樣地內補植紅松，當年凋落量少有關。弱伐和強伐林未分解層的最大持水量低于半分解層，有效攔蓄量高于半分解層，這與未分解層蓄積量低和自然含水率低有關。另外，葉的蓄積量、自然含水率、吸水速率、最大持水量、最大持水率、有效攔蓄量等指標均高于枝條。

土壤容重和孔隙度是體現土壤物理性狀的基本指標，反映了土壤的整體結構狀況，也反映了森林植被對土壤物理性質的改善程度。土壤持水量的大小，與土層厚度和土壤孔隙度密切相關，在一定土壤厚度條件下，取決于土壤的孔隙大小和數量。從空間垂直角度來看，隨土壤深度增加，土壤容重逐漸增加，總孔隙度逐漸減小，可能與隨土壤加深，有機質含量逐漸減少有關[18,19]。非毛管孔隙度和毛管孔隙度最大值都在0～10 cm土層，隨土層加深而降低，說明表層土壤通透性較好，有利于降水下滲，同時吸持、貯水能力也較強。土壤最大持水量取決于總孔隙度，有效持水量取決于非毛管孔隙度，土壤最大持水量和有效持水量呈同樣變化趨勢。

弱伐林土壤孔隙度及持水量指標與對照無顯著差異，可見弱伐補植紅松對土壤沒有顯著的改善作用；強伐林土壤非毛管孔隙度、有效持水量與其他樣地差異顯著(p<0.05)，說明強伐補植紅松能顯著提高土壤的水源涵養能力；皆伐林土壤毛管孔隙度顯著低于對照，最大持水量顯著低于其他各樣地(p<0.05)，表明皆伐不利于改善土壤的水源涵養功能。

不同撫育強度的楊樺林枯落物和土壤總蓄水量排序為強伐>皆伐>弱伐>對照；采用綜合評價法對不同撫育強度的楊樺林水源涵養功能進行比較，排序為強伐>對照>皆伐>弱伐，均表明楊樺天然次生林強伐后補植紅松的的水源涵養功能優于對照和采用其他措施的林分。

本文選取了枯落物層和土壤層2個方面6個指標來綜合評價森林的水源涵養能力，在以后的研究中應增加林冠層的觀測，更全面的對次生林改造后的水源涵養功能進行評價。

5 結論

(1)楊樺天然次生林枯落物厚度在3.60～8.27 cm，蓄積量為6.10～8.68t/hm2，最大持水量為16.96～24.71t/hm2，有效攔蓄量范圍為9.51～15.39 t/hm2。枯落物持水量與浸水時間呈對數函數關系(R2>0.9722)，吸水速率與浸水時間呈冪函數關系(R2>0.9987)。撫育后半分解層蓄積量和最大持水量均大于未分解層，對照和撫育樣地的未分解層葉的枯落物各指標均高于枝條。

(2)楊樺天然次生林土壤容重范圍為1.05～1.23 g/cm3，隨著土層深度增加，容重呈增加趨勢，總孔隙度呈降低趨勢。土壤最大持水量范圍為1191.69～1464.48t/hm2，有效持水量為153.80～414.43 t/hm2。

(3)楊樺天然次生林枯落物有效攔蓄量排序為對照>弱伐>強伐>皆伐，且對照顯著高于強伐和皆伐(p<0.05)。土壤有效持水量排序為強伐>皆伐>對照>弱伐，且強伐林與其他樣地差異顯著(p<0.05)。林分有效持水量總和164.04～424.13 t/hm2，相當于16.4～42.4 mm的降水。

(4)采用綜合評價法對不同撫育強度的楊樺林水源涵養功能進行比較，排序為強伐>對照>皆伐>弱伐，楊樺天然次生林強伐后補植紅松的水源涵養功能優于對照和采用其他措施的林分。