秦嶺兩種典型人工林不同密度時的枯落物持水功能差異

王亞萍 張淑蘭 韓勇 董新宇 趙雨薇 萬格

摘要：[目的]探究秦嶺林區(qū)典型森林不同密度時的枯落物持水功能差異，為該區(qū)植被建設提供依據。[方法]在秦嶺火地塘林區(qū)，選取油松林和銳齒櫟林3個密度（低、中、高）的樣地，利用室內浸水法、熵權法定量分析和綜合評價枯落物層持水功能。[結果]①油松林、銳齒櫟林枯落物層厚度分別變化在3.48～5.14cm、6.54～9.48 cm，枯落物蓄積量均為中密度時最大，分別為9.09、5.61 t·hm-2，其中油松林枯落物蓄積量以半分解層為主（56.5%～60.55%），銳齒櫟林以未分解層為主（63.58%～74.53%）；②油松林枯落物的最大持水量在中密度最高（24.55 t·hm-2），而銳齒櫟林枯落物的最大持水量則在高密度時最大，達到17.8t·hm-2；油松林和銳齒櫟林枯落物吸持水分的主要貢獻者分別為半分解層和未分解層；③枯落物的累積持水率在浸水后10 min內迅速增大，且銳齒櫟林的增速大于油松林，枯落物吸水速率隨浸水時間增加先快速降低后逐漸降低并趨于0；枯落物的持水率（量）、吸水速率與浸水時間分別呈較好的對數和冪函數關系。[結論]油松林半分解層和銳齒櫟林未分解層枯落物的持水作用可以互補，其中銳齒櫟林密度在725株·hm-2時為最佳。建議營造松櫟混交林，并且合理控制密度，以充分發(fā)揮其枯落物的水文功能。

關鍵詞：油松林；銳齒櫟林；枯落物層；水文功能；秦嶺

中圖分類號：S715.3 文獻標識碼：A 文章編號：1001-1498（2023）03-0100-09

森林生態(tài)系統(tǒng)在涵養(yǎng)水源、蓄水保土、固碳增匯及調節(jié)氣候等方面發(fā)揮著關鍵作用。在不同地形、氣候和植被條件下，林冠層、枯落物層及土壤層對降水的截留和再分配、地表徑流及蒸散發(fā)等過程發(fā)揮的作用有別。其中枯落物層在攔蓄降水、防止土壤濺蝕和減少水分蒸發(fā)等方面有著重要作用。受氣候條件、時間尺度、樹種和立地條件等因素影響，枯落物蓄積量及持水功能差異較大。目前研究集中在某一地區(qū)多個樹種或同一樹種不同林齡階段的枯落物及土壤持水功能差異上，而針對典型林分不同密度時的枯落物持水功能差異研究較少。此外，已有研究證實不合理密度會影響水源涵養(yǎng)功能，強調適宜密度對提高森林水文功能的重要性。

秦嶺作為我國中部的重要生態(tài)屏障及南水北調中線工程的水源地，在保障區(qū)域生態(tài)安全和社會經濟持續(xù)發(fā)展方面有重要作用。20世紀60年代，該區(qū)森林被大量砍伐，現存森林主要是恢復的天然次生林，近年來出現生長滯緩、地力衰退等問題，亟待調控改造以提升水源涵養(yǎng)功能。有學者探討了間伐對華山松（Pinus armandii Franch）林水源涵養(yǎng)功能的影響，指出間伐20%時的水源涵養(yǎng)效能最佳。油松（Pinus tabulaeformis Carr）林和銳齒櫟（Quercus allena varacuteseata Maxim.exWenz.）林是秦嶺地區(qū)的主要森林類型，近些年來由于缺乏管理，普遍存在衰退問題。盡管大量學者探討了該區(qū)多個典型林分的水源涵養(yǎng)功能差異，然而較少研究秦嶺地區(qū)不同密度的油松林和銳齒櫟林枯落物水文功能差異，尚不清楚合理林分密度。因此，本文在秦嶺火地塘林區(qū)選擇了不同密度的油松林和銳齒櫟林樣地，定量測定枯落物層的厚度、組成、蓄積量和持水性能，通過熵權法探究枯落物層持水能力最佳的林分類型和密度，以期為該區(qū)水源涵養(yǎng)林可持續(xù)經營等提供理論依據。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于陜西省寧陜縣火地塘林場，也是陜西秦嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站所在地，地處秦嶺南坡，北亞熱帶北緣，33°18′～33°28′N，108°21′～108°39′E，研究區(qū)總面積約2 037hm2，海拔1470～2 473m。林區(qū)氣候類型屬于暖溫帶濕潤山地氣候，多年平均降水量1023 mm，多集中在7-9月，年均氣溫12 ℃。林區(qū)內溝道縱橫，地形較陡峻，平均坡度30°。土壤主要為花崗巖母質發(fā)育起來的山地棕壤，土層較薄，平均厚度約50 cm。區(qū)域內森林覆蓋率93.8%，植被類型具有由暖溫帶向亞熱帶過渡的特征，現有森林主要是天然次生林，建群樹種主要有銳齒櫟、油松、華山松、光皮樺（Betula luminifea H.Winkl.）、巴山冷杉（Abies fagesll Franch.）等，森林質量總體較高，野生動植物資源豐富。

1.2研究方法

1.2.1樣地選擇與調查 2022年3至4月，在充分勘查后，在遠離道路且人為擾動較小的區(qū)域，分別選擇油松林和銳齒櫟林的3個不同密度樣地。在每個樣地中隨機選擇10株林術測定胸徑，并隨機選擇3個樣點人工打鉆采集0～50 cm深度土層樣品，并用烘干法測定其土壤水分狀況。此外，調查記錄樣地編號、地理位置（經緯度）、海拔、坡度、郁閉度等基本信息，具體見表1。

1.2.2枯落物樣品采集及蓄積量測定 在每塊樣地隨機選擇3個50 cm×50 cm的樣方，根據枯落物分解腐爛程度，分別收集半分解層和未分解層的全部枯落物，裝入塑料袋做好標記帶回實驗室；同時在樣方附近隨機選擇10個不同位置點，用鋼尺測定未分解層及半分解層厚度并做好記錄。在室內，用電子天平稱取枯落物鮮質量，然后裝入檔案袋，放人85℃烘箱烘干至質量恒定，稱量干質量，計算枯落物自然含水率及單位面積枯落物蓄積量。

1.2.3枯落物持水性能測定 采用室內浸泡法測定枯落物持水能力，在盡量保持枯落物原狀條件下，將烘干后枯落物樣品裝入已知質量的細孔尼龍網袋內，置于裝滿水的容器中，分別在累積浸水5、10、20、30、40 min和1、1.5、2、4、6、8、12、24 h時取出，靜置至不滴水后迅速稱量質量并記錄。每次樣品濕質量與干質量之差即為該時段的枯落物持水量，其中24 h后為最大持水量。持水量與浸水時間的比值為該時段枯落物持水速率，并進一步計算枯落物的持水率和攔蓄率（量），相關計算公式參見文獻。

1.2.4枯落物水文功能評價 為直觀比較，采用熵權法對不同密度油松林和銳齒櫟林枯落物水文功能進行綜合評價。首先，對選擇的水文功能指標進行標準化處理，包括枯落物的厚度、蓄積量、最大持水率、最大持水量、有效攔蓄率和有效攔蓄量6個指標，通過極值法標準化處理，然后根據公式計算各指標的熵值及權重，進而評價不同樣地枯落物的水源涵養(yǎng)功能差異，具體計算過程如下：

3討論

3.1枯落物層厚度與蓄積量的林分差異

枯落物層對土壤保持和水源涵養(yǎng)功能至關重要，不但可減弱降雨對地表的沖刷，還起到攔截蓄水作用，因此枯落物蓄積量變化可直接影響水源涵養(yǎng)能力。枯落物蓄積量及其水文功能受林分類型、立地條件、氣候及季節(jié)等因素影響而動態(tài)變化。在本研究中，銳齒櫟林枯落物層厚度顯著高于油松林，這可能是因闊葉與針葉的差異，但枯落物蓄積量為油松林較大，這與他人研究結果一致，困針葉枯落物富含油脂不易分解，闊葉枯落物表皮較薄和缺乏保護所以分解較快。此外，有學者在分析不同林齡麻櫟枯落物蓄積量時發(fā)現，枯落物蓄積量除林齡外更多受林分密度及累積時間影響。本研究中，油松林和銳齒櫟林的枯落物蓄積量均隨林分密度增加呈“單峰型”變化，這和前人研究一致，但蓄積量有別，原因可歸結為兩點：一是林分密度增加會降低林內光照和溫度，利于枯落物積累，但當密度過高時會加劇林木個體競爭和導致生長緩慢及凋落物減少；二是枯落物蓄積量會隨植被生長階段呈現季節(jié)性變化，本研究測樣時間為春季，枯落物可能已被分解或受冬季風力影響轉移到別處，這也說明枯落物蓄積量季節(jié)變化特征還有待進一步研究。

3.2枯落物持水特性

枯落物持水量和持水率是反映枯落物水文調節(jié)能力的重要指標，體現了枯落物的持水容量及吸收地表徑流的能力，有效攔蓄率則反應了枯落物對降雨的攔截能力，其大小與枯落物的蓄積量、結構組成、立地條件及分解程度等有關。段文標等人分析發(fā)現，受植被類型影響，不同林型及荒草地枯落物層的厚度及儲量分布有別，其持水功能也有所不同。一般來講，闊葉林凋落物因其葉面積大，更容易分解，有更大吸水速率和持水率。本研究中不同密度的油松林和銳齒櫟林枯落物的持水過程呈現一致規(guī)律，即累積持水量在10 min內迅速增加，2h后緩慢增加直到24 h后保持恒定，相應吸水速率則在在10 min內較高，隨后迅速降低并接近與0，其中同一時段的銳齒櫟林未分解枯落物的持水性能優(yōu)于油松林，這進一步證實了前人研究。不管油松林還是銳齒櫟林，枯落物的降水攔蓄有效時間主要在2h內，原因是枯落物初期干燥導致吸水速率較高，隨時間延長枯落物吸水量逐漸接近其最大值，因此吸水速率快速降低。特別地，油松林半分解枯落物的持水能力優(yōu)于未分解層，而銳齒櫟林相反，說明油松林半分解枯落物在降水攔截中發(fā)揮著重要功能，而銳齒櫟林主要依賴其疏松的未分解層，這和前人研究結論一致。這表明，油松林和銳齒櫟的半分解層和未分解層枯落物在降水攔截中可以作用互補。在降雨初期，枯落物通過迅速吸水來有效攔截降雨，從而保護土壤免受雨滴擊濺侵蝕，枯落物蓄積量較高林分的持水能力更明顯，可在短時間內快速吸水，有效發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能。此外，枯落物的持水率、持水量及吸水速率均與浸水時間有較好的對數和冪函數關系，這和已有研究一致。本研究還綜合評價了兩類典型林分不同密度時的枯落物持水能力，發(fā)現銳齒櫟林優(yōu)于油松林，且當銳齒櫟林密度為725株·hm-2時最佳。因此建議調整林分結構，將純林逐漸改造為混交林，這樣可實現兩個樹種的枯落物持水性能互補，充分發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能。

4結論

在陜西秦嶺火地塘林區(qū)，油松林和銳齒櫟林的枯落物層厚度分別為3.48～5.14 cm和6.54～9.48 cm，高密度油松林和中密度銳齒櫟林的最大；枯落物蓄積量均為中密度時最大，分別為9.09、5.61 t·hm-2，其組成對油松林以半分解層為主（56.5%～60.55%），對銳齒櫟林以未分解層為主（63.58%～74.53%）。

兩種森林的枯落物最大持水量變化在14.41～24.55 t·hm-2，對油松林是中密度的最大，主要貢獻者是半分解層；對銳齒櫟林則是高密度的最大，主要貢獻者是未分解層。枯落物累積持水率在浸水10 min內迅速增加，且銳齒櫟林的增速大于油松林；枯落物吸水速率隨浸水時間增加先快速降低，在2h后則逐漸降低并趨于0。枯落物的持水率（量）和吸水速率與浸水時間分別具有很好的對數和冪函數關系。

通過熵權法綜合評價，銳齒櫟林枯落物的持水功能優(yōu)于油松林，且以密度725株·hm-2時最佳。建議未來進行松櫟混交造林，并且合理控制密度，以充分發(fā)揮其水文功能。