大興安嶺低質林生態(tài)改造后枯落物水文效應變化1)

陳百靈 董希斌 崔莉 唐國華

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

隨著我國經濟的發(fā)展和生態(tài)保護意識的增強，以經濟為主的林業(yè)發(fā)展方式逐漸被調整為具有水土保持、改善氣候環(huán)境、凈化空氣水質等多功能的經營方式［1］?？萋湮镒鳛樯謨艋|垂直結構上的第二個層次［2-3］，由林中植被的枝、葉、果實及動物殘體等組成［4］，具有疏松的結構、良好的持水性、較大的比表面積，可以起到減弱降雨對地面的沖刷、減緩地表徑流［5-6］、保持土壤溫度、提供有機質，改良土壤養(yǎng)分、提供微生物進行生物反應的場所、對降雨進行過濾水質凈化、滯緩林地土壤中水分蒸發(fā)加強水分入滲土壤［7］等作用。由于人為及自然等因素，大興安嶺部分森林生態(tài)系統(tǒng)形成了抵抗自然災害較差、水土保持功能下降、生態(tài)效益較差的低質林，針對于此改造勢在必行［8］。嫩江發(fā)源于大興安嶺伊勒呼里山，甘河作為嫩江的較大支流之一，發(fā)源于大興安嶺側沃其山脈，故對大興安嶺生態(tài)系統(tǒng)中枯落物層水文效應研究具有重要意義。李國林［9］等對興隆山苔蘚及凋落物進行研究，并得到興隆山凋落物的最大持水率小于苔蘚，但興隆山苔蘚的最大持水量小于凋落物結論。蔣俊明［10］等對長寧竹海5種林分進行研究，認為涵養(yǎng)水源效果較好的為杉木林，白櫟林涵養(yǎng)效果次之。王波［11］等對三峽上游次生林進行研究認為天然針闊混交林的保水蓄水能力最佳。本文針對低質林進行生態(tài)改造后的水文效應展開研究。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省大興安嶺林區(qū)加格達奇林業(yè)局翠峰林場174 林班(東經124°23′47．8″～124°24′35．1″，北緯50°34′9．17″～50°34′32．0″)，該林區(qū)地勢較為平緩，山勢坡度在10°左右。海拔高度370 ～420 m。土壤厚22 cm，成土母質為酸性母巖風化物，故土壤顯微酸性，林區(qū)地表以暗棕壤為主，且土壤養(yǎng)分較好。地處溫帶大陸季風氣候帶，具有夏季較短且溫暖、冬季漫長且寒冷濕潤、春秋分明的氣候特點。年均氣溫-1．3 ℃，降雨較為集中，多在6、7、8月，年均降水量494．8 mm。優(yōu)勢樹種為白樺(Betula platyphylla Sak)，灌木層主要為毛赤楊(Alnus cremastogyne)、蒼術(Atractylodes lancea)、胡枝子(Lespedeza bicolor)，地表植被以水莎草(Cyperus glomeratus L)、野豌豆(Vicia sepium Linn)、鳶尾(Iris tectorum)、舞鶴草(Maianthemum dilatatum (linn．)F．W．Schmidt)為主。

2 試驗設置

于2009 年春季對該林區(qū)內白樺低質林進行生態(tài)改造，至2010 年完成各試驗樣地的林窗和帶狀生態(tài)改造。林窗生態(tài)改造設置原則為林窗沿水平方向設置，設置6 種不同規(guī)格的林窗:5 m×5 m(G1)、10 m×10 m(G2)、15 m×15 m(G3)、20 m×20 m(G4)、25 m×25 m(G5)、30 m×30 m(G6)，每個規(guī)格設置3 塊試驗樣地，且樣地與樣地間設有保留帶以減小改造帶間相互影響。并在立地條件相同的區(qū)域設置由混交林構成的對照樣地。帶狀生態(tài)改造設置原則為每條生態(tài)改造帶均處于同一海拔高度且生態(tài)改造帶帶長相同，生態(tài)改造帶設置6 m(H1)、10 m(H2)、14 m(H3)、18 m(H4)4 種寬度。各改造帶間設有未進行改造的混交林作對對照帶，保留改造區(qū)內針葉幼苗對其他非改造目的樹種進行移除。

枯落物持水性能測定。本文所選取的持水性能指標有蓄積量、自然持水率、最大持水率、最大持水量及有效攔蓄量。分別在每種改造方式的3 個樣地沿S 形選取5 個30 cm×30 cm 樣方，收集未分解層及半分解層枯落物，求其平均值。依據枯落物分解情況分為3 個層次:未分解層由剛落下的植物的枝、葉、皮等器官構成，可以清楚的分辨其外形輪廓且較為新鮮、顏色基本未變。半分解層可明顯看出分解痕跡，顏色較深，外形有所破壞，無法辨別原貌。已分解層經過分解作用已變黑且較為細碎無法辨別原來的特征。

將得到的枯落物迅速稱其鮮質量，再將枯落物移置烘干箱85 ℃烘干24 h 稱其干質量。自然持水率=［(鮮質量-干質量)/干質量］×100%。本文利用室內浸泡法測定其持水特性。將烘干的枯落物裝入網袋浸泡于水中，分別在其入水后0．25、0．50、1．00、2．00、4．00、8．00、24．00 h 后稱其濕質量，且每次稱量時將其撈出并在不滴水的情況下測量。由于浸泡時間超過24 h 時枯落物的濕質量仍為24 h 的質量，故將24 h 的持水率作為其最大持水率。最大持水率=［(24 h 濕質量-干質量)/干質量］×100%。有效攔蓄量=(0．85×最大持水率-自然持水率)×蓄積量［12］。

3 結果與分析

本文選用經典的統(tǒng)計分析方法——變異系數法。變異系數法的原理為均值(μ)除標準差(σ)，其優(yōu)點在于有利于數據的無量綱化，在均值的基礎上比較數據的離散程度，可以清晰的反映生態(tài)改造的影響。根據變異系數的數值進行分級:變異系數值≤10%屬于弱度變異，10%＜變異系數值＜100%屬于中度變異，變異系數值≥100%屬于強度變異［13］。變異系數越大代表生態(tài)改造對各項指標的影響程度越大。

3．1 枯落物蓄積量

(1)未分解層。由表1 和表2 中數據可知，經過4 a 不同帶寬生態(tài)改造后大興安嶺白樺林未分解層枯落物的蓄積量變化趨勢基本一致。在改造后的第2 年迅速下降第3 年趨于平穩(wěn)第4 年仍然處于下降狀態(tài)，這是由于生態(tài)改造移除了原先大部分非目的樹種的植被，故枯落物的數量減少，但這是短期的影響，植被的減少有利于樹種接受充足的陽光與更多的雨水，有利于幼苗及優(yōu)勢樹種生長。不同帶寬生態(tài)改造的變異系數在76．64%～113．66%。除H2略低于對照樣地外，其他樣地變異系數均高于對照樣地，不同帶寬生態(tài)改造對大興安嶺白樺低質林的未分解層枯落物蓄積量影響較大。其中H1、H2、HCK 屬于中度變異，H3、H4 屬于強度變異，總體呈現生態(tài)改造帶越寬變異程度越大。不同林窗生態(tài)改造后4 a 內枯落物蓄積量變化趨勢較為一致，趨于波峰波谷交替呈現態(tài)勢，在改造后的第2 年大幅下降第3 年有所上升第4 年略微下降。從長遠的角度看，暫時的減少有利于森林系統(tǒng)的長足發(fā)展。不同林窗生態(tài)改造的變異系數在97．59%～129．86%，林窗生態(tài)改造對大興安嶺白樺林枯落物未分解層的蓄積量影響較大。除G1 屬于中度變異外，其他生態(tài)改造樣地均屬于強度變異。

(2)半分解層。由表1 和表2 中數據得，經不同帶寬生態(tài)改造后大興安嶺白樺林半分解層枯落物變化趨勢較為一致，改造后的第2、3 年均在下降至改造后的第4 年有所上升，且6 m 生態(tài)改造帶在改造后的第4 年半分解層枯落物蓄積量高于改造后第1 年半分解層枯落物蓄積量。林地內微生物種類與數量、陽光、水分等變化促進了枯落物的分解使半分解層蓄積量有所增加。不同帶寬生態(tài)改造后林內枯落物半分解層蓄積量變異系數介于51．74%～86．97%，屬于中度變異。除H2 外其他樣地變異系數均高于對照樣地，生態(tài)改造對林地內半分解層枯落物蓄積量影響較大。林窗生態(tài)改造中，各樣地趨勢均為在改造后第1 年迅速下降，第2、3 年趨勢較為平緩變化較小，第4 年有所上升，且至改造后的第4 年各試驗樣地半分解層枯落物蓄積量均高于對照樣地。林窗生態(tài)改造模式有利于林內半分解層枯落物的富集，加快有機質等土壤養(yǎng)分的分解與利用。林窗改造中各樣地變異系數介于84．47%～114．78%。除G4、G5 屬于中度變異外，其他樣地屬于強度變異。

表1 不同樣地大興安嶺白樺林連續(xù)4 a 枯落物蓄積量

表2 不同林窗生態(tài)改造中大興安嶺白樺林連續(xù)4 a 枯落物蓄積量

(3)半分解層所占百分比變化情況。不同帶寬生態(tài)改造中，半分解層百分比在改造后第1 年有所上升，第3 年有所下降，第4 年有所上升且H1、H2高于對照樣地，且均高于改造后的第1 年。生態(tài)改造后，由于陽光照射的增加，森林內溫度升高，雨水大幅度的直接落在地表使土壤更加濕潤，有利于枯落物的分解，使半分解層含量增加，有利于有機質及各種營養(yǎng)元素的釋放，加快森林生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)。不同林窗生態(tài)改造中，枯落物的半分解層含量改造后前兩年無明顯變化，第3 年達到最小值，第4年達到最大值。由于前3 年的枯落物的富集，為枯落物的分解提供了良好的條件及基礎，枯落物分解加快后營養(yǎng)物質增加，加快植被生長。

(4)總蓄積量。帶狀生態(tài)改造中，6 m 及8 m 帶寬對蓄積量的影響較14 m 及18 m 帶寬影響小，但同屬中度變異，變異系數在51．56%～95．81%。各帶狀生態(tài)改造樣地總蓄積量變化趨勢較為一致，前2年蓄積量持續(xù)下降，第3 年達到最小值，隨后蓄積量開始上升。林窗生態(tài)改造中，除G1、G5 屬于中度變異外，其他樣地屬于高度變異，各試驗樣地變異系數均低于對照樣地，林窗生態(tài)改造降低枯落物原蓄積量變異程度，變異系數在93．94%～121．30%。

3．2 枯落物自然持水率

枯落物作為地表蓄水結構，其自然持水率的大小影響到森林氣候的溫度及濕度、對水凈化的效率、加快分解反應等重要作用。

(1)未分解層。由表3 和表4 可知，不同帶寬生態(tài)改造后，枯落物自然持水率在第3 年達到最小，隨后第4 年有所上升，且至改造后第4 年各改造樣地自然持水率均大于對照樣地，變異系數在45．39%～89．24%。不同帶寬生態(tài)改造對枯落物的自然持水率屬于中度影響。不同林窗生態(tài)改造中，枯落物的自然持水率變化情況與不同帶寬生態(tài)改造具有一致性。變異系數介于29．78%～59．22%，影響強度較帶狀生態(tài)改造弱，同屬中度影響。截止到目前，各改造樣地自然持水率均高于對照樣地。

表3 不同樣地大興安嶺白樺林枯落物自然持水率

表4 不同林窗生態(tài)改造中大興安嶺白樺林枯落物自然持水率

(2)半分解層。除25 m 林窗改造及林窗改造對照樣地外，其他樣地趨勢較為一致，豐谷期交替出現，在改造后第2 年出現最大值第3 年出現最小值第4年有所上升。除G3 變異系數最大100．68%屬強度變異外，其他樣地變異系數介于63．63%～99．43%屬中度變異。不同帶寬生態(tài)改造及林窗改造對枯落物的自然持水率影響較小。

3．3 枯落物最大持水率

(1)未分解層。不同帶寬生態(tài)改造后，未分解層枯落物最大持水率呈現豐谷期交替出現狀態(tài)見表5 和表6。至改造后第4 年枯落物的最大持水率均高于改造后的第1 年，最大持水率的升高有利于森林生態(tài)系統(tǒng)的防洪作用。不同帶寬生態(tài)改造帶變異系數在93．74%～115．86%。除樣地H2 為中度變異外，其他樣地均屬于強度變異。帶狀生態(tài)改造對大興安嶺白樺林枯落物的最大持水率影響成度較大。林窗改造后枯落物的最大持水率變化趨勢與帶狀生態(tài)改造一致，改造后第2 年有所上升，第3 年下降，第4 年達到最大值。且至改造后第4 年最大持水率由大到小排序為H1、H3、H4、CK、H2。變異系數介于62．46%～144．30%。除G2 和CK 屬于中度變異外，其他樣地屬于強度變異，H1 變異程度最大115．86%。

(2)半分解層。不同帶寬生態(tài)改造變化規(guī)律不盡相同，但最大值基本出現在改造后第3 年。變異系數介于52．63%～106．01%，低于未分解層，且各樣地變異系數均低于對照樣地。生態(tài)改造對半分解層影響較弱，屬于中度變異。不同林窗生態(tài)改造后半分解層持水率變化趨勢較為一致，在改造后的第2年及第3 年持續(xù)上升，第4 年開始下降，變異系數介于60．51%～89．53%，屬于中度變異。經過4 a 生態(tài)改造后枯落物的最大持水量明顯有所上升。

表5 不同樣地大興安嶺白樺林枯落物連續(xù)4 a 最大持水率

表6 不同林窗生態(tài)改造中大興安嶺白樺林枯落物最大持水率

3．4 枯落物最大持水量

(1)未分解層。未分解層枯落物最大持水量變化趨勢基本一致，在改造后的第1 年開始下降且林窗生態(tài)改造樣地下降的速率較快，在改造后的第3年開始上升。帶狀生態(tài)改造后樣地枯落物最大持水量變異系數除H4 為103．79%屬強度變異外，其他樣地變異系數介于85．26%～97．53%，屬于中度變異。林窗改造后，大興安嶺白樺林枯落物最大持水量變異系數除G3 為99．95%屬中度變異外，其他樣地變異系數介于106．11%～116．54%，屬于強度變異。林窗生態(tài)改造較帶狀生態(tài)改造對枯落物最大持水量影響更大，見表7 和表8。

表7 不同樣地大興安嶺白樺林枯落物連續(xù)4 a 最大持水量

表8 不同林窗改造中大興安嶺白樺林枯落物最大持水量

(2)半分解層。不同帶寬生態(tài)改造后，各樣地枯落物最大持水量變化趨勢無明顯規(guī)律，最低值具有一致性均出現在第3 年，第4 年各樣地枯落物最大持水量明顯有所上升，并高于對照樣地，見表4。變異系數在41．19%～56．96%間，屬于中度變異。不同林窗生態(tài)改造后，枯落物持水量變化趨勢均為第改造后第1 年下降，由于初始持水量較帶狀改造持水量高故下降速率較帶狀改造快，第2、3 年同處低谷期，第4 年有所上升。變異系數在110．80%～131．24%間，均屬強度變異。林窗改造較帶狀改造影響更大，與未分解層最有一致性。到改造后第4 年H1 最大持水率最高。

3．5 枯落物有效攔蓄量分析

(1)未分解層。大興安嶺白樺林枯落物未分解層經帶狀生態(tài)改造后其有效攔蓄量在改造后前兩年無明顯規(guī)律，至第3 年各樣地均出現最小值，第4 年均有所上升，變異系數介于37．43%～63．19%，均屬于中度變異。隨著改造帶寬增加，變異系數有所升高，當帶寬超過14 m 后，變異系數不再上升。不同帶寬生態(tài)改造對未分解層枯落物有效攔蓄量影響屬于中度影響。不同林窗生態(tài)改造后，各樣地變化無規(guī)律，變異系數介于16．69%～76．70%。林窗5 m×5 m 變異系數最小，且在改造后的4 a 內枯落物半分解層有效攔蓄量持續(xù)上升。至第4 年，林窗改造各樣地枯落物半分解層有效攔蓄量均高于對照樣地。

(2)半分解層。不同帶寬生態(tài)改造后各樣地半分解層有效攔蓄量在第2 或第3 年達到最大值，變異系數介于29．30%～72．64%，屬于中度變異。除H2 變異系數大于對照樣地外其他樣地均低于對照樣地，至改造后第4 年H2 有效攔蓄量最大。不同林窗生態(tài)改造后，各樣地半分解層有效攔蓄量在第3 年達到最大值。變異系數在18．11%～74．95%。25 m×25 m 林窗效果較好，從改造后第2 年高于其他樣地。

(3)總有效攔蓄量。帶狀生態(tài)改造中，總有效攔蓄量變化趨勢為各樣地在改造后第2 年或第3 年達到最大值，隨后有所減小，屬于中度變異程度，變異系數介于18．07%～64．42%。雖然同處中等變異程度，但影響強度不一致，6 m 及18 m 帶寬生態(tài)改造對有效攔蓄量影響較其他帶寬小。不同林窗生態(tài)改造中各樣地變異系數均小于對照樣地，變異系數介于17．93%～56．14%，屬于中等變異程度，且變化較為凌亂無規(guī)律?？萋湮锏挠行r蓄量不僅與枯落物的蓄積量、累計年限、分解速度等有關，還與光照、濕度、微生物、林下植被等多種原因形成，其變化規(guī)律受限條件較多，不易呈現較為一致的規(guī)律，見表9 和表10。

表9 不同樣地大興安嶺白樺林枯落物連續(xù)4 a 有效攔蓄量

表10 不同林窗改造中大興安嶺白樺林枯落物有效攔蓄量

4 結論與討論

大興安嶺白樺林枯落物未分解層各樣地間蓄積量年變化趨勢較為一致，均在第2 年出現最小值第3 年出現最大值，半分解層各樣地年蓄積量變化趨勢也較為一致，但趨勢方向與未分解層相反，最大值出現在改造后的第2 年，最小值出現在第3 年。帶狀生態(tài)改造及林窗生態(tài)改造后蓄積量變異系數處于同一數量級，屬于中度變異，影響趨勢較為一致，均為對未分解層影響程度較半分解層大。生態(tài)改造后半分解層含量逐漸升高且大于未分解層質量分數，與楊玉蓮等人研究結果一致［14］?？萋湮锏姆纸馐艿酵寥乐袪I養(yǎng)物質如氮、磷、鉀質量分數等影響，幼苗生長時需要大量的營養(yǎng)物質，使土壤中這類元素缺導乏致，枯迫落使物枯半落分物解快層速質分量解分，加數快較有高機［15物-16］質。歸 大還 興量 安，

嶺白樺林生態(tài)改造后枯落物半分解層自然持水率較未分解層自然持水率變異大。由于半分解層蓄積量逐年上升其分解過程中所需要的微生物、酶的數量及活性差別較大，導致枯落物蓄積結構、厚度及蓬松程度均不同，對土壤中的水分蒸發(fā)起到了截留作用，導致自然持水率不同［17］?？萋湮镂捶纸鈱优c半分解層自然持水率最小值均出現在改造后的第3 年，帶狀生態(tài)改造及林窗生態(tài)改造對枯落物未分解層最大持水率變化趨勢具有一致性，兩種改造模式對半分解層最大持水率影響也較為一致，4 a 改造后，未分解層第3 年最大持水率最低，但半分解層在改造后的第3 年最大持水率最高。林窗改造25 m×25 m中，其半分解層及未分解層最大持水率均為最大，涵養(yǎng)水源潛力最大。帶狀生態(tài)改造及林窗生態(tài)改造后半分解層與未分解層變化趨勢高度一致，但帶狀改造后最大持水率下降速率較林窗生態(tài)改造慢。生態(tài)改造對枯落物的最大持水率影響較大，帶狀改造變異系數屬于中度變異，林窗改造變異系數屬于高度變異。林窗改造后未分解層及半分解層最大持水量變異系數較為接近。與此同時，帶狀改造后未分解層變異系數較半分解層大?？萋湮锇敕纸鈱幼畲蟪炙看笥谖捶纸鈱幼畲蟪炙?，與李良［18］等研究結果一致。改造對有效攔蓄量的變異系數影響較為適中，屬于中度變異，其未分解層有效攔蓄量在改造后的前2 年并無明顯變化規(guī)律，第3 年出現最小值。半分解層在改造后的2 a 中也表現為無規(guī)律，第3年出現最大值，與未分解層相反。

至改造后第4 年，H1 樣地枯落物蓄積量最大，由于帶寬較小且周圍留有保留帶，其保溫效果較好，森林小氣候溫度較高，有利于植物的生長，增加了枯落物的輸入量，蓄積量較大。保持水土能力最大，可以最大限度減少雨水對土地的沖刷。H3 樣地有效攔蓄量最高，具有較高的水源涵養(yǎng)功能，由于移除非目的樹種后，林下植被接受到更多的陽光，加快其生長且多為灌木草叢，增加了生物多樣性(地表植被及微生物種類數量)［19］，凋落后不僅增加枯落物的輸入量而且易于分解［20］，使其有效攔蓄量明顯升高?？萋湮锏乃男且粋€需要長期監(jiān)管、涉及原因眾多的工作，后續(xù)還會繼續(xù)對其關注及研究。

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