退化華北落葉松林枯落物對近自然經(jīng)營的短期響應

董伯騫，黃選瑞，夏明瑞

(河北農(nóng)業(yè)大學，071000，河北保定)

在林冠層、枯落物層和土壤根系層的垂直結構中，森林枯落物層是森林涵養(yǎng)水源的主要作用層［1-2］?？萋湮飳泳哂邢鳒p雨滴能量、提高土壤抗沖性、增強土壤抗蝕性和減少土壤侵蝕的作用［3］。森林枯落物在森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)中起著重要作用?？萋湮锏姆纸馐巧鷳B(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量轉換的主要途徑，通過分解逐步把養(yǎng)分歸還給土壤，其分解過程的快慢不僅制約林木的養(yǎng)分供應狀況，而且影響林地有機質的積累和形成速率以及土壤的理化性質［4-6］。對于森林枯落物的特性國內(nèi)外很多學者進行過研究，內(nèi)容涵蓋枯落物的儲量［7-8］、水源涵養(yǎng)功能［9-11］、分解［12-14］、動態(tài)與養(yǎng)分循環(huán)［15-16］等;但是，針對退化森林近自然經(jīng)營改造中不同寬度帶狀皆伐和人工更新樹種差異對枯落物持水功能特性的研究還較少。

華北落葉松(Larix principis-rupprechtii)是速生針葉樹種之一，是華北地區(qū)山地天然次生林中十分重要的森林類型，也是華北地區(qū)山地造林的主要類型。冀北山區(qū)退化華北落葉松林大面積存在，嚴重影響森林質量。針對傳統(tǒng)的退化森林生態(tài)系統(tǒng)恢復中存在的造林樹種單一、模式單一、缺乏景觀觀念、自由放牧等問題，以森林近自然經(jīng)營理論為指導，通過帶狀皆伐并人工促進更新(栽植鄉(xiāng)土樹種)逐步實現(xiàn)華北落葉松由單層同齡純林向復層異齡混交林的轉化。經(jīng)典造林學認為:帶狀作業(yè)方式有利于保留林分或林墻的側方天然落種，從而促進和完成天然更新。筆者通過對改造前后林地枯落物層單位面積儲量、持水特性和持水量的研究，揭示退化華北落葉松林經(jīng)營早期恢復階段林地枯落物層特征的變化規(guī)律，為實現(xiàn)人工經(jīng)營的退化華北落葉松林的正向演替和近自然經(jīng)營提供技術指導。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然概況

研究地區(qū)位于河北省承德市圍場縣，地處河北省最北部，位于 E 116°32'～118°14'，N 41°35'～42°40'，東鄰內(nèi)蒙古赤峰市，北接內(nèi)蒙古克什克騰旗，南及西南與河北省的隆化和豐寧縣接壤，距承德市153 km，距北京340 km。圍場縣冬季受季風影響強烈，冬季盛行偏北風，寒冷干燥。1月平均氣溫-13.2℃，夏季盛行偏南風，7月平均氣溫20.7℃，降水多集中在7—8月，年均降水量445 mm，無霜期短。全縣地形復雜，氣候多樣，實驗地所在中南部屬于北溫帶大陸性燕山山地季風氣侯，氣溫較高，降水較多，土壤為棕壤。優(yōu)勢草本為烏蘇里苔草(Carex ussuriensis)、龍牙草(Agrimonia pilosa)、細裂葉蒿(Artemisia tanacetifolia)、地榆(Radix sanguisorbae)、早熟禾(Poa pratensis)、裂葉荊芥(Schizonepeta tenuifolia)、草地老鸛草(Geanium daharicu)和小紅菊(Dendranthema chanetii)等;主要灌木有柔毛繡線菊(Spiraea pubescens)、美麗胡枝子(Lespedeza formosa)和大葉糙蘇(Phlomis maximowiczii Regel)。

1.2 樣地選擇與經(jīng)營措施

試驗地選擇木蘭林管局龍頭山林場道壩子營林區(qū)15林班140小班，坡度20°，坡向西北，海拔1 210 m。研究對象為1972年人工營造的華北落葉松人工純林。平均高10.4 m，平均胸徑13.6 cm，郁閉度0.7，平均密度為850株/hm2。由于土層薄與人畜危害相耦合，造成林分結構差、林下植被稀少，導致林分內(nèi)水土流失嚴重。到實施改造前的2007年華北落葉松生長狀況極差，喬木落葉松由于過度樵采僅剩下最上部1/3的枝葉。

2007年初對試驗區(qū)用鐵絲網(wǎng)封禁，2007年10月開辟2個皆伐帶，寬度15和30 m，分別記為皆伐帶15 m(帶1)和皆伐帶30 m(帶2)，2008年5月在皆伐帶中人工促進更新，從西向東造林種植為白樺(Betula platyphylla Suk)、華北落葉松和蒙古櫟(Quercus mongolica Fischer ex Ledebour)，株行距均為1.5 m×2 m，白樺為2年生裸根苗，落葉松和蒙古櫟為2年生營養(yǎng)杯苗。

2 研究方法

2.1 樣方設置與調(diào)查內(nèi)容

2007年在2條皆伐帶的白樺、華北落葉松和蒙古櫟造林地各設3個樣方，共計18個樣方，在保留帶(只封禁區(qū))和未封禁區(qū)各隨機設置10個樣方，樣方大小1 m×1 m，用于草本地上生物量和枯落物取樣;同樣，設置5 m×5 m樣方用于灌木地上生物量取樣。2007—2010年每年8月初對林地枯落物和林下草本灌木生物量進行連續(xù)調(diào)查。

2.2 枯落物持水性能和林下植被生物量測定

在已經(jīng)設定好的樣地內(nèi)，收集其全部草本灌木地上部分和枯枝落葉(包括未分解和半分解)，迅速稱量其鮮質量，在80℃下烘干稱其干質量。將烘干稱量后的枯落物試樣在清水中浸泡24 h后再稱量，計算最大持水率、有效攔蓄率、最大持水量和有效攔蓄水量。

式中:G0、Gd、G24分別為枯落物樣品自然狀態(tài)質量、烘干狀態(tài)質量和浸水24 h后質量，g;R0、Rhmax、Rsv分別為枯落物自然持水率、最大持水率、有效攔蓄率，%;M為枯落物層儲量，t/hm2;Whmax、Wsv分別為最大持水量、有效攔蓄水量，mm。

3 結果與分析

3.1 枯落物層儲量

枯落物儲量(又稱現(xiàn)存量)主要取決于枯落物輸入量、分解速度和累積年限。儲量越大，意味著林分枯落物層截持和涵蓄降水的潛力越大，但含蓄水量的大小還與其持水率有關。由圖1和表1可知，未封禁區(qū)枯落物儲量一直維持原有水平。改造前皆伐帶15 m(帶1)和皆伐帶30 m(帶2)的儲量較低(分別為5.70和4.68 t/hm2)，改造后第1年下降(分別為4.99和4.24 t/hm2)，第2年顯著增加(分別為8.01和7.73 t/hm2)，第3年又下降到接近改造前水平(分別為5.60和5.00 t/hm2)。不同寬度皆伐帶內(nèi)白樺純林、白樺落葉松和落葉松蒙古櫟造林地的枯落物儲量都表現(xiàn)出栽植后第1年(2009年)顯著增加，第2年 (2010年)減少;但栽植2年后白樺造林地枯落物儲量高于改造前，白樺落葉松和落葉松蒙古櫟造林地低于改造前。保留帶內(nèi)枯落物蓄積量持續(xù)增加，起初為5.89 t/hm2，3年后增加到12.69 t/hm2，增幅高達115.55%，并且3年內(nèi)增速逐年攀升(增幅分別為2.87%、18.85%和76.29%)。

圖1 單位面積枯落物儲量Fig.1 Litter storage per unit area

表1 單位面積枯落物儲量增減幅度Tab.1 Variation of litter storage per unit area %

在2條皆伐帶內(nèi)，因為皆伐和幼樹栽植作業(yè)對林地破壞較大，草本和灌木生長受到影響 ，改造實施1年后枯落物儲量小幅下降(降幅分別為-12.53%和 -9.35%);枯落物儲量 2009年比2008年顯著增加，是因為帶內(nèi)充足的光照有效促進了草灌的生長，增加了枯落物來源;第3年帶內(nèi)單位面積枯落物儲量開始減少，一方面灌木草本單位面積地上生物量出現(xiàn)小幅下降(圖2)，枯落物來源減少，另一方面皆伐實施3年后以前落到帶內(nèi)的部分針葉被分解，期間針葉輸入量小于保留帶。我國針葉林凋落物的年損失率在20% ～40%之間，平均約為30%［17］;因此，2010年時針葉應以被分解大部分，致使皆伐帶內(nèi)枯落物來源于灌木草本的比例較高，而且灌草凋落物比針葉更易分解［11，18-19］。

圖2 單位面積地上灌草生物量Fig.2 Ground biomass of shrub and herb per unit area

皆伐帶中幼苗栽植的第1年，植株較小，對林地影響也較小;第2年闊葉樹種白樺和蒙古櫟對林地的遮蓋作用開始顯現(xiàn)，抑制了草本和灌木的生長，而闊葉枯落物比針葉枯落物易分解［20］:因此，枯落物儲量表現(xiàn)為落葉松幼林＞白樺和蒙古櫟幼林。第3年皆伐帶中枯落物來源開始減少，白樺幼樹生長迅速對林地的遮蔽有效降低了枯落物的分解速率，白樺幼林生長更為迅速(表2)，增加了枯落物的來源;所以，枯落物儲量表現(xiàn)為白樺幼林＞落葉松和蒙古櫟幼林。

表2 各樹種幼苗高度Tab.2 Height of seedlings of various species m

保留帶內(nèi)封禁保護消除了人畜踐踏啃食的干擾，雖有上層木遮蔽，保留帶內(nèi)林下植被單位面積生物量仍穩(wěn)定增長;杜絕了薪采對枝條的獲取，增加了針葉的凋落量。同時林內(nèi)通風、透光性能差，針葉分解后形成酸性環(huán)境，不利于微生物的活動，故分解轉化率較低［21-22］。因此，保留帶內(nèi)單位面積枯落物儲量持續(xù)增加。

3.2 枯落物層的持水特性

枯落物的持水能力可以通過其持水率來反映，凋落物吸收的水分與凋落物干質量的比值越大，凋落物的持水能力就越強［9］。由圖3和表3可知，未封禁區(qū)3年內(nèi)枯落物最大持水率基本沒有變化，皆伐帶的最大持水量呈持續(xù)增加的趨勢。皆伐帶15 m和皆伐帶30 m的最大持水率改造前較低，3年后增加顯著。保留帶的最大持水率前2年持續(xù)增加，第3年有所下降，但高于改造前水平。經(jīng)過3年改造，增幅表現(xiàn)為皆伐帶15 m(72.54%)＞皆伐帶30 m(49.54%)＞保留帶(27.03%)。不同寬度皆伐帶中不同造林地的枯落物最大持水率變化趨勢迥異，幼苗栽植后的2年內(nèi)皆伐帶15 m各造林地都表現(xiàn)為持續(xù)增加，皆伐帶30 m中白樺持續(xù)增加，落葉松和蒙古櫟先小幅下降之后顯著增加。造林2年后2條皆伐帶中落葉松造林地最大持水率增幅大于白樺和蒙古櫟，皆伐帶15 m各樹種造林地枯落物最大持水率增幅均大于皆伐帶30 m相應地段。

圖3 枯落物最大持水率Fig.3 Maximum water holding rate

有研究［23］表明當降雨量達到20～30 mm時，不論枯落物層含水量的高低，實際持水率為最大持水率的85%左右;所以，一般用有效攔蓄率估算枯落物層對降雨的實際攔蓄量［10］。由表3和圖4可知:改造措施實施后，前2年2條皆伐帶枯落物有效攔蓄率緩慢增加，第3年增速較高(增幅分別為55.55%和45.52%)，保留帶持續(xù)增長，經(jīng)過3年改造，增幅表現(xiàn)為皆伐帶15 m(110.13%)＞皆伐帶30 m(83.27%)＞保留帶(40.64%)。皆伐帶中各樹種造林地有效攔蓄率總體上都呈現(xiàn)持續(xù)增長的趨勢，改造3年后皆伐帶15 m落葉松和蒙古櫟造林地有效攔蓄水量增幅大于皆伐帶30 m，白樺造林地相反。

表3 枯落物持水特性指標變化幅度Tab.3 Variation of water holding characteristics of litter %

皆伐帶內(nèi)原有的枯落物中凋落的針葉組分不斷被分解，針葉輸入較保留帶減少，灌草凋落物比針葉具有更高的親水性，提高了枯落物的持水性能。改造前由于重度放牧地上灌草被家畜過度采食，使得草本灌木幾乎沒有什么凋落物產(chǎn)生，封禁后枯落物中枝葉含量升高，提高了最大持水率［24］。皆伐帶內(nèi)枯落物更易被分解，其分解程度更高，一般持水率為已分解物＞半分解物＞未分解物［25］。保留帶內(nèi)封禁最初增加的灌草凋落物提高了枯落物的最大持水率和有效攔蓄率，隨時間推移華北落葉松針葉在枯落物中比例提高;因此，最大持水率下降7.89%，有效攔蓄率增速下降。栽植的闊葉樹種白樺和蒙古櫟凋落的葉片都比落葉松針葉具有更強的持水性能，而栽植的落葉松幼苗凋落量很小，不能彌補原有上層落葉松的針葉輸入，在各造林地，枯落物中持水性更高的成分比例逐年升高;所以，各樹種幼林的枯落物持水性能與皆伐帶整體趨勢一致。

圖4 枯落物有效攔蓄率Fig.4 Effective water retention rate of litter

3.3 枯落物層的持水量

由圖5和表4可知:2條皆伐帶第1年枯落物層最大持水量基本無變化，第2年急劇增長，第3年略有減少;保留帶持續(xù)增加，增速逐年變快;未封禁區(qū)基本無變化;皆伐帶15 m、皆伐帶30 m和保留帶改造前最大持水量較低(分別為1.12、1.03和1.38 mm)，經(jīng)3年改造都表現(xiàn)出顯著增長(分別為2.07、1.52和3.83 mm)，增幅為保留帶(175.96%)＞皆伐帶15m(70.39%)＞皆伐帶30 m(47.01%);2條皆伐帶中白樺造林地的枯落物最大持水量都持續(xù)增長，落葉松和蒙古櫟造林地先增加后減少，改造3年后增幅都為白樺＞落葉松＞蒙古櫟。

由表4和圖6可知，各地段的枯落物有效攔蓄水量變化趨勢與最大持水量變化基本一致。皆伐帶15 m的枯落物層有效攔蓄水量在改造后前2年持續(xù)增加，第3年出現(xiàn)下降，皆伐帶30m和保留帶的最大持水量持續(xù)增加;未封禁區(qū)基本無變化。經(jīng)過3年改造，增幅為保留帶(204.99%)＞皆伐帶30 m(141.96%)＞皆伐帶15 m(50.37%)。皆伐帶中白樺造林地的枯落物有效攔蓄水量都呈現(xiàn)出持續(xù)增長趨勢，落葉松和蒙古櫟地段先增加后減少，改造3年 后增幅都為白樺＞落葉松＞蒙古櫟。

圖5 枯落物最大持水量Fig.5 Maximum water holding capability

表4 枯落物持水量變化幅度Tab.4 Variation of water capability of litter %

圖6 枯落物有效攔蓄水量Fig.6 Effective water retention of litter

4 結論與討論

1)不同經(jīng)營措施下各地段(皆伐帶、保留帶和對照地)的枯落物儲量和持水特性在3年內(nèi)表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。原因是森林經(jīng)營過程中不同類型的人為干擾直接或間接作用于林地植被和小氣候，對枯落物的積累和分解速率以及成分組成產(chǎn)生了不同的影響。

2)15和30 m帶寬皆伐帶內(nèi)各樹種造林地的枯落物儲量變化趨勢一致。原因可能是2皆伐帶寬度差異較小，當帶寬差異為多少時會呈現(xiàn)不同的枯落物特性變化規(guī)律有必要探究。隨時間的延長皆伐帶內(nèi)不同樹種造林地的枯落物儲量和持水特性逐漸產(chǎn)生差異，由于白樺幼樹生長迅速對林地的遮蔽有效降低了枯落物的分解速率并增加了枯落物的來源，白樺造林地枯落物儲量高于改造前，落葉松和蒙古櫟造林地低于改造前。

3)封禁+實施帶狀皆伐+人工促進更新后，短期內(nèi)皆伐帶枯落物層的涵養(yǎng)水源功能比未封禁區(qū)增加顯著，雖然提升幅度不及保留帶，但初步證明帶狀皆伐后水土保持功能增加顯著，是改造退化華北落葉松人工林的有效手段。

本研究只是一個開始，僅是對近自然經(jīng)營措施下退化華北落葉松人工林枯落物特性變化規(guī)律的初步研究;而封禁、帶狀皆伐和人工促進更新作為退化森林普遍的恢復手段，其恢復過程是動態(tài)的，實施方式是多樣的，尤其是隨著時間的延長和人為干擾強度的變化，經(jīng)營措施對枯落物特性影響的差異是明顯的。要深入研究退化華北落葉松林枯落物特性的變化，則需要在不同年齡不同立地林型下，設置多種帶寬梯度和造林樹種，從枯落物儲量、組成、養(yǎng)分歸還等角度出發(fā)，對枯落物進行較長時間的定量研究，以揭示近自然經(jīng)營改造對退化華北落葉松人工林水土保持能力的長期影響過程和規(guī)律，為森林經(jīng)營提供詳細具體的技術和理論參考。

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