撫育強(qiáng)度對(duì)大興安嶺落葉松林枯落物持水能力及水質(zhì)的影響1)

陳百靈 朱玉杰 董希斌 唐國(guó)華 毛波

(森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

責(zé)任編輯:潘 華。

森林具有保護(hù)物種多樣性、水源涵養(yǎng)、改良土壤等多種生態(tài)功能［1］。森林植被通過(guò)林冠截留、樹(shù)干徑流、枯落物吸水、地表徑流對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的水量及水中化學(xué)特征進(jìn)行再次分配［2-4］?？萋湮飳幼鳛樯值囊粋€(gè)組成結(jié)構(gòu)，不僅對(duì)土壤肥力有著至關(guān)重要的影響，且由于其分層疏松的結(jié)構(gòu)及良好的吸水性可以在整個(gè)水循環(huán)過(guò)程中起到緩沖作用［5］?？萋湮锓纸夂螽a(chǎn)生的各種含氮含磷無(wú)機(jī)鹽溶于水后經(jīng)過(guò)電離形成離子，作為土壤肥力被植物的根系吸收。水質(zhì)的物理性質(zhì)如氧化還原電位、鹽分、導(dǎo)電性、總懸浮固體量、濁度等反映出肥力元素含量、枯落物的分解徹底性，還可以反映出枯落物分解速度的快慢?；疑P(guān)聯(lián)法在評(píng)價(jià)水質(zhì)方面有其特有的優(yōu)點(diǎn)。該方法以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，計(jì)算各樣本中同類因素之間關(guān)聯(lián)度，用以描述其變化趨勢(shì)的相似程度［6-7］，實(shí)用性強(qiáng)。關(guān)聯(lián)度越大，該樣地評(píng)價(jià)結(jié)果較其他撫育強(qiáng)度越好。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)水源涵養(yǎng)的關(guān)注日漸上升［8-10］。李超［11］等曾對(duì)大興安嶺林窗改造及帶狀改造的枯落物的水文效應(yīng)進(jìn)行過(guò)研究。蔣俊明［12］針對(duì)長(zhǎng)寧竹海的竹林、杉木林及白櫟林進(jìn)行了水文效應(yīng)評(píng)價(jià)，并得出杉木林的蓄水保水能力最佳。但大多數(shù)文章僅針對(duì)人工林及次生林的枯落物的蓄水保水性能進(jìn)行分析，對(duì)用材林撫育改造后地表水水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)還未見(jiàn)報(bào)道。據(jù)此，本文對(duì)大興安嶺用材林不同撫育強(qiáng)度下枯落物的持水能力及水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。為以后大興安嶺的森林經(jīng)營(yíng)及蓄水保水措施提出理論建議與參考。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)位于大興安嶺新林林業(yè)局下屬的新林林場(chǎng)106、107、108、109 林班內(nèi)，地處東經(jīng)123°41'～125°25'，北緯51°20'～52°10'。該地區(qū)屬溫帶大陸性氣候，終年長(zhǎng)期處于寒冷濕潤(rùn)狀態(tài)，降水期較短，年降水量在513.9～646 mm，雨期主要集中在7、8月份。年均氣溫-2.6 ℃，年平均積溫接近于1 600 ℃;全年日照時(shí)間約為2 357 h，日照百分率為51%～56%。冬季寒冷且持續(xù)較長(zhǎng)，春秋兩季日間溫差較大并伴有大風(fēng)［13］。

2 研究方法

2.1 枯落物各層次蓄積量及持水性測(cè)定

選取7 個(gè)撫育強(qiáng)度樣地，分別為6.23%(B)、16.75%(C)、20.86%(D)、27.85%(E)、40.01%(F)、56.51%(G)、67.25%(H)，并在林分及立地條件相似的未撫育過(guò)的林地內(nèi)設(shè)置對(duì)照樣地(A)。根據(jù)撫育強(qiáng)度除去試驗(yàn)樣地中生長(zhǎng)較差林分及林下灌木層。于2014年6月平均無(wú)雨數(shù)日后同一天采集8 個(gè)樣地枯落物。為防止枯落物在某一地區(qū)富集，在各試驗(yàn)樣地內(nèi)沿S 型選取4 個(gè)30 cm×30 cm 樣方，由于已分解層已完全分解無(wú)法清晰辨認(rèn)故僅選取半分解層與未分解層枯落物，且取樣過(guò)程中盡量保證枯落物的結(jié)構(gòu)及形態(tài)不變，試驗(yàn)后求4 組數(shù)據(jù)平均值。

取樣后，迅速測(cè)量枯落物的鮮質(zhì)量，隨后放入烘箱85 ℃溫度下烘烤24 h，達(dá)到恒質(zhì)量，稱其干質(zhì)量，并根據(jù)其干質(zhì)量換算出枯落物的蓄積量。本文利用室內(nèi)浸泡法測(cè)量其持水性。為防止枯落物散失將烘干后的枯落物裝入網(wǎng)袋浸入水中，分別測(cè)定0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、24.0 h 吸水之后的質(zhì)量，測(cè)量時(shí)，要讓枯落物在不再滴水的情況下稱其質(zhì)量。設(shè)枯落物鮮質(zhì)量m1，烘干后質(zhì)量m2，則其自然持水量為K0=m1-m2，自然持水率為K'0=((m1-m2)/m2)×100%試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)浸泡24 h 以后的持水量不再發(fā)生變化，故以24 h 的持水量為最大持水量Km，24 h 的持水率為最大持水率K'm。設(shè)浸泡24 h 后不再滴水時(shí)的質(zhì)量為m3再由公式Km=m3-m2及K'm=((m3-m2)/m2)×100%求出其最大持水量及最大持水率。設(shè)枯落物蓄積量為M，則有效攔蓄量W=(0.85K'm-K'0)M。

2.2 徑流水質(zhì)測(cè)定

于2014年6月份同一天同一時(shí)間測(cè)定8 個(gè)樣地水質(zhì)狀況。在8 塊樣地中，選擇坡度、林分、立地條件相同的地點(diǎn)，利用PVC 隔板隔為200 cm×50 cm的徑流小區(qū)。在每個(gè)徑流小區(qū)上方設(shè)置出水箱，出水箱上方還應(yīng)設(shè)置可提供恒定水位的供水水箱。為模擬地表徑流還應(yīng)在出水槽下方設(shè)置一簸箕形狀出水槽，使水流均勻流入地表形成地表徑流。在徑流小區(qū)下方設(shè)置集水裝置以接收沖刷地面后的水樣。經(jīng)由SEBA 公司設(shè)計(jì)的MPS-D8 waterquality probes儀器對(duì)水樣進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得水質(zhì)的溫度、電導(dǎo)率、鹽分質(zhì)量濃度、pH 值、氧化還原電位、濁度及總懸浮固體質(zhì)量濃度?？萋湮锏蛄愀瘮〗?jīng)土壤中微生物分解為纖維素?zé)o機(jī)鹽等作為土壤肥力被植物根系吸收利用，由于各種鹽分溶于水后電解形成離子，具有帶電性，以電導(dǎo)率、鹽分質(zhì)量濃度、氧化還原電位反映營(yíng)養(yǎng)元素含量;濁度及總懸浮固體質(zhì)量濃度可反映水中含沙量及枯落物分解程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物的持水特性

(1)通過(guò)計(jì)算得到表1數(shù)據(jù)，8 塊樣地未分解枯落物蓄積量由小到大順序?yàn)镈(1.47 t/hm2)＜G(1.53 t/hm2)＜A(1.66 t/hm2)＜E(1.69 t/hm2)＜B(1.7 t/hm2)＜H(2.03 t/hm2)＜C(2.29 t/hm2)＜F(2.37 t/hm2)。半分解枯落物蓄積量由小到大順序?yàn)锳(1.64 t/hm2)＜H(2.11 t/hm2)＜C(2.63 t/hm2)＜G(2.67 t/hm2)＜B(2.86 t/hm2)＜D(3.64 t/hm2)＜E(4.58 t/hm2)＜F(6.29 t/hm2)。兩者最大值均出現(xiàn)在撫育強(qiáng)度為40.01%時(shí)，枯落物的蓄積量最大，具有良好的水土保持作用。與對(duì)照樣地相比，大部分樣地蓄積量均有一定程度的升高，這是由于較差林分及林下灌木移除后，生長(zhǎng)較好的林分有了更大的生存空間，促進(jìn)了林木冠層生長(zhǎng)，樹(shù)木冠幅增大，枯落物來(lái)源增多。由表中百分比值可以看出未分解層含量均小于半分解層蓄積量，且隨著撫育強(qiáng)度的增加，未分解層蓄積量呈現(xiàn)雙峰態(tài)勢(shì)，而半分解層蓄積量隨著撫育強(qiáng)度增大而增大在40.01%處達(dá)到最大，隨后隨撫育強(qiáng)度增大而減小。隨著撫育強(qiáng)度的增加，枯落物的分解速度逐漸加快，可以更好地為土壤提供肥力。但撫育強(qiáng)度超過(guò)40.01%時(shí)，不利于土壤養(yǎng)分的蓄積，同時(shí)降低了土壤微生物的生物量和酶活性，從而使枯落物的分解速率逐漸放慢。與未撫育樣地對(duì)比，枯落物蓄積量均有明顯增加，適當(dāng)撫育采伐可以增加枯落物蓄積量，并為土壤提供充足肥力。

(2)最大持水量(率)為枯落物在24 h 浸泡后測(cè)得的質(zhì)量，通常認(rèn)為枯落物在24 h 之內(nèi)吸水達(dá)到飽和，這一數(shù)值并不能說(shuō)明枯落物的蓄水能力，僅代表該樣地具有的涵養(yǎng)水源潛力。而有效攔蓄量則實(shí)際的體現(xiàn)出枯落物的攔蓄能力。表中數(shù)據(jù)顯示經(jīng)撫育改造后枯落物的保水蓄水能力呈不規(guī)則變化。在撫育強(qiáng)度為27.90%時(shí)，枯落物的保水蓄水能力最佳，但并不能據(jù)此認(rèn)為撫育強(qiáng)度為27.90%是最佳生態(tài)改造方式，還需進(jìn)一步對(duì)水質(zhì)進(jìn)行考察［14］。

表1 不同撫育強(qiáng)度下未分解及半分解枯落物攔蓄能力

3.2 水質(zhì)灰色關(guān)聯(lián)綜合評(píng)價(jià)

采用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)該地區(qū)的水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，所選擇的指標(biāo)有溫度、電導(dǎo)率、鹽分、pH 值、氧化還原電位、濁度及總懸浮固體等。其中溫度、pH 值為固定性指標(biāo)，即該指標(biāo)越趨近于一個(gè)固定值越好。由于化學(xué)反應(yīng)、生物反應(yīng)的發(fā)生條件都需要一個(gè)相對(duì)溫和的環(huán)境故溫度和pH 值達(dá)到一個(gè)固定值最佳。其中電導(dǎo)率、鹽分、氧化還原強(qiáng)度為效益指標(biāo)。由于N、P、K 等元素作為肥力時(shí)通常都以離子形式存在，形成鹽溶于水作為肥力被植物根系吸收，并具有不同的氧化性和還原性。導(dǎo)電性、鹽分、氧化還原強(qiáng)度可以從側(cè)面反映出水中肥力狀況。濁度及總懸浮固體量為成本性指標(biāo)，枯落物分解的越徹底水中可見(jiàn)性固體及不溶性固體越少，存在于枯落物中的無(wú)機(jī)元素被釋放的越多。

(1)確定決策矩陣。矩陣由縱向A、B、C、D、E、F、G、H 這8 塊樣地及橫向7 個(gè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值組成的7×8 矩陣。矩陣橫向?yàn)樗|(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，順序?yàn)闇囟?、?dǎo)電性、鹽分、pH 值、氧化還原電位、濁度及總懸浮固體含量。決策矩陣X 如下:

(2)初始化決策矩陣。由于7 個(gè)指標(biāo)單位不同，在評(píng)價(jià)時(shí)具有不可公度性，故應(yīng)通過(guò)初始化處理，以減小不同量綱及量綱單位對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。選出每一指標(biāo)最佳值［15］，將該指標(biāo)所有數(shù)據(jù)除以最佳值后形成新的決策矩陣。記X'為初始化后的決策矩陣，即滿足公式(1)。

其中，X'ij為進(jìn)行初始化后的水質(zhì)評(píng)價(jià)決策矩陣，Xij為由原始值形成的決策矩陣，Xi0為由每一水質(zhì)指標(biāo)最佳值形成的矩陣。由此得到不同撫育強(qiáng)度下大興安嶺地區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)的決策矩陣X'。

(3)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣。將每一指標(biāo)最佳值形成的矩陣記為理想矩陣。由初始化后的決策矩陣得到判斷矩陣為:

將Xi0作為母序列用下列公式(2)即可計(jì)算出每一撫育強(qiáng)度下各水質(zhì)指標(biāo)值與最佳撫育強(qiáng)度的灰色關(guān)聯(lián)度rij，其中λ 取0.5。

由公式2 得到大興安嶺地區(qū)8 塊樣地各水質(zhì)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)rij，并構(gòu)成一個(gè)7×8 灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)矩陣R。

(4)確定大興安嶺地區(qū)各水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重。為定量的表達(dá)出各指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，本文利用變異系數(shù)法求出大興安嶺地區(qū)各水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重。變異系數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)在于在均值的基礎(chǔ)上體現(xiàn)數(shù)據(jù)的離散程度，可以清晰明了的表達(dá)出各樣地不同指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)的影響程度及數(shù)據(jù)間的差異性，與灰色關(guān)聯(lián)度法具有良好的銜接性。利用公式(3)求出每項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的變異系數(shù)。

公式3 中，vi代表大興安嶺地區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)中第i個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)，代表大興安嶺水質(zhì)第i 個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差，X0i 代表水質(zhì)評(píng)價(jià)中第i 個(gè)指標(biāo)的平均值。公式(3)中所用數(shù)據(jù)均為試驗(yàn)測(cè)得的原始值。求出各指標(biāo)變異系數(shù)后，經(jīng)由公式(4)求出大興安嶺地區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

代入數(shù)據(jù)后得到各指標(biāo)權(quán)重，其中指標(biāo)順序?yàn)闇囟取㈦妼?dǎo)率、鹽分、pH 值、氧化還原電位、濁度、總懸浮固體含量。權(quán)重矩陣如下:

由權(quán)重矩陣可知，濁度及總懸浮固體質(zhì)量濃度對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)影響較大。其次為溫度。

(5)計(jì)算不同撫育強(qiáng)度改造下灰色關(guān)聯(lián)度。利用前兩步的灰色關(guān)聯(lián)判斷矩陣R 和權(quán)重矩陣W，根據(jù)公式(5)計(jì)算出8 個(gè)撫育強(qiáng)度下灰色關(guān)聯(lián)度，見(jiàn)表2。

表2 各撫育改造后灰色關(guān)聯(lián)度

經(jīng)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)樣地F，即撫育強(qiáng)度為40.01%的樣地灰色關(guān)聯(lián)度最高，該撫育強(qiáng)度與理想撫育強(qiáng)度最接近，為最佳撫育強(qiáng)度。B、D、H 3 塊樣地低于對(duì)照樣地，撫育強(qiáng)度過(guò)大或者過(guò)小對(duì)林分生長(zhǎng)均有不良影響。過(guò)低的撫育強(qiáng)度不利于加快林地的生態(tài)循環(huán)過(guò)程，減少了枯落物的凋零、無(wú)機(jī)元素肥力的釋放。與此同時(shí)，過(guò)高的撫育強(qiáng)度也不利于森林的生態(tài)循環(huán)，因?yàn)榻?jīng)過(guò)大強(qiáng)度采伐后，森林的部分養(yǎng)分快速流失，導(dǎo)致森林水分、肥力的流失，使森林生態(tài)功能及自我調(diào)節(jié)能力失調(diào)，不利于森林可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論與討論

森林與水的關(guān)系是相互依存的，水作為森林生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)的主要組成部分，水質(zhì)等級(jí)對(duì)森林系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有舉足輕重的地位。許多專家學(xué)者對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的水文效應(yīng)評(píng)價(jià)做出了眾多貢獻(xiàn)。試驗(yàn)研究表明未分解層與半分解層的吸水特性具有統(tǒng)一性。其統(tǒng)一性表現(xiàn)在吸水速率、吸水量趨勢(shì)基本一致，且在15 min 內(nèi)速度最快，隨后吸水速率慢慢減緩。這與韓友志［16］等研究結(jié)果一致，枯落物在開(kāi)始的2 h 內(nèi)持水量增長(zhǎng)較快且吸水速率開(kāi)始最大隨后放緩。半分解層枯落物的蓄積量取值范圍在1.64～6.29 t/hm2，未分解層枯落物的蓄積量取值范圍為1.47～2.37 t/hm2，說(shuō)明不同撫育強(qiáng)度下的半分解層枯落物的蓄積量比未分解層枯落物蓄積量大，由于經(jīng)過(guò)采伐撫育后林地的郁閉度減小，林冠下層接收到更多的陽(yáng)光，且陽(yáng)光的增加使下層植物的生長(zhǎng)速率加快，增加了枯落物的蓄積量，溫度的升高也有利于枯落物分解速度的加快?？萋湮锞哂芯彌_雨滴力量、減少降雨對(duì)地面沖刷的作用［17］，本研究中撫育強(qiáng)度為40.01%，蓄積量達(dá)到最大，樣地枯落物保持水土能力最佳，這與尤海舟［18］研究認(rèn)為弱度間伐及中度間伐樣地枯落物蓄積量高于對(duì)照樣地的結(jié)論一致。有效攔蓄量表明在森林生態(tài)循環(huán)過(guò)程中，枯落物對(duì)水的攔蓄、凈化能力。撫育強(qiáng)度為27.90%的樣地有效攔蓄量最大，保水蓄水效果最好。時(shí)忠杰［19］等通過(guò)對(duì)桉樹(shù)的間伐與皆伐模式研究結(jié)果顯示森林蓄水量有所上升。通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)大興安嶺地區(qū)水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，利用變異系數(shù)法求每項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)在評(píng)價(jià)體系中的權(quán)重按大小排序?yàn)榭倯腋」腆w含量、濁度、溫度、氧化還原電位、鹽分、電導(dǎo)率及pH。排位越靠后說(shuō)明對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響越小，不同樣地pH 值差別較小，對(duì)撫育的影響較小。而總懸浮固體量權(quán)重最大，8 塊樣地中枯落物的分解程度不盡相同，影響土壤肥力。經(jīng)計(jì)算后得到8 塊樣地枯落物灰色關(guān)聯(lián)度排序?yàn)镈(0.4288)＜B(0.4294)＜H(0.4612)＜A(0.5135)＜E(0.5613)＜C(0.6560)＜G(0.6938)＜F(0.9551)，撫育強(qiáng)度為40.01%的改造樣地水質(zhì)最佳。

綜合以上分析，撫育強(qiáng)度27.90%的樣地保水蓄水性能最佳，其灰色關(guān)聯(lián)度為0.561，水質(zhì)評(píng)價(jià)排在第4 位。而樣地F(40.01%)灰色關(guān)聯(lián)度最高，水質(zhì)評(píng)價(jià)最好，其保水蓄水性排在第五位，但其枯落物蓄積量最大，具有最好的水源涵養(yǎng)潛力。故撫育強(qiáng)度應(yīng)介于20.9%～40.0%。水源涵養(yǎng)及水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)不僅與經(jīng)營(yíng)模式有關(guān)，還與陽(yáng)光、社會(huì)條件等密不可分，形成了目前的水質(zhì)及水源涵養(yǎng)功能的實(shí)現(xiàn)，這方面還有待研究［20］。

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