間伐對黃龍山遼東櫟林下枯落物持水性的影響

曹旭平, 于世川, 張文輝, 劉舒宇

(1.陜西省延安橋山林業(yè)局, 陜西 黃陵 727300; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 陜西省林業(yè)綜合實驗室, 陜西 楊凌 712100)

間伐對黃龍山遼東櫟林下枯落物持水性的影響

曹旭平1, 于世川2, 張文輝2, 劉舒宇2

(1.陜西省延安橋山林業(yè)局, 陜西 黃陵 727300; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 陜西省林業(yè)綜合實驗室, 陜西 楊凌 712100)

[目的] 對黃龍山林區(qū)遼東櫟林撫育間伐與對照設(shè)置試驗樣地，研究其林下枯落物持水效應(yīng)特征，為該地區(qū)森林撫育提供理論依據(jù)。 [方法] 采用重度(間伐35%)、中度(間伐25%)、輕度(間伐15%)撫育間伐，通過典型取樣法、烘干法、浸泡法等開展研究。 [結(jié)果] 枯落物總儲量大小依次表現(xiàn)為:CK(23.500±0.780)>輕度(22.950±1.012)>中度(22.708±0.365)>重度(20.725±1.041)，只有CK與重度有顯著性；枯落物總持水量大小依次表現(xiàn)為：輕度(9.37)>CK(8.29)>中度(7.61)>重度(6.39)，輕度間伐下枯落物總有效攔蓄量最大；枯落物持水量與浸泡時間呈對數(shù)函數(shù)變化，R2均在0.93以上，具有顯著相關(guān)性；枯落物吸水速率與浸泡時間呈冪函數(shù)變化，R2均在0.99以上，具有顯著相關(guān)性。 [結(jié)論] 綜合比較不同間伐強度下枯落物持水性，輕度間伐下枯落物持水性較好，可為黃土高原地區(qū)森林撫育提供理論依據(jù)。

枯落物; 持水性; 遼東櫟; 間伐

枯枝落葉層是森林結(jié)構(gòu)中重要的組成部分，是森林地表的一個重要覆蓋面和保護層，還能為林木持續(xù)生長提供大部分養(yǎng)分，作為森林生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)重要部分，對改善土壤結(jié)構(gòu)、截留降雨、減緩降雨動能保護土壤而減少侵蝕、過濾細小土粒來防止土壤大孔隙堵塞、抑制水分蒸發(fā)、減緩地表徑流具有重要意義[1]。目前，國內(nèi)外對枯落物的研究主要集中在其水文功能[2-4]、分解[5-6]、蓄積量[7-9]、養(yǎng)分歸還能力[10]、分布規(guī)律[11]等方面。而就黃土丘陵區(qū)間伐對枯落物持水性能影響方面的研究還鮮見報道。黃土丘陵區(qū)植被覆蓋率低，水土流失嚴重，枯落物發(fā)揮的水文功能對本地區(qū)生態(tài)保護、治理具有重要意義，尤其該地區(qū)森林已經(jīng)進行了大面積撫育間伐，而間伐對枯落物持水性能的影響尚不明確。為此，本研究以黃龍山林區(qū)遼東櫟林枯落物為研究對象，探討間伐對枯落物水文功能的影響，以期為該地區(qū)森林撫育提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域選擇在陜北黃土高原延安市黃龍山林業(yè)局蔡家川林場，地理位置109°38′49—110°12′47″E，35°28′46″—36°02′01″N，海拔962.6～1 783.5 m，屬暖溫帶半濕潤與半干旱氣候的過渡地帶，具有大陸性季風(fēng)氣候特征，雨熱同季，四季分明。最大年降水量831.2 mm，最少年降水量為337.0 mm，年平均降水量611.8 mm，相對濕度60%以上。夏季溫暖，降水集中，約占全年降水量的69%，冬季寒冷，干燥少雨，降水量僅占全年降水量的2.4%。年平均氣溫8.6 ℃，最高氣溫36.7 ℃，最低氣溫-22.5 ℃，無霜期126～186 d，年均降水量611.8 mm，是陜西省黃土高原上森林保存較好的地方。該林區(qū)屬暖溫帶落葉闊葉林，以遼東櫟(Quercuswutaishanica)、油松(Pinustabuliformis)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)為建群種形成的純林或者混交林呈鑲嵌性分布，并伴有鵝耳櫪(Carpinusturczaninowii)、紅麩楊(Rhuspunjabensis)、漆(Toxicodendronvernicifluum)、茶條槭(Acerginnala)等伴生樹種，灌木主要有土莊繡線菊(Spiraeapubescens)、胡枝子(Lespedezabicolor)、金銀忍冬(Loniceramaackii)、陜西莢蒾(Viburnumschensianum)、南蛇藤(Celastrusorbiculatus)、灰栒子(Cotoneasteracutifolius)、衛(wèi)矛(Euonymusalatus)、剛毛忍冬(Lonicerahispida)、黃刺玫(Rosarantbinahugonis)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、杠柳(Periplocasepium)、胡頹子(Elaeagnuspungens)等；草本層主要有大披針薹草(Carexlanceolata)、白茅(Imperatacylindrica)、披堿草(Elymusdahuricus)、黃精(Polygonatumsibiricum.)、茜草(Rubiacordifolia)、敗醬(Patriniascabiosifolia)、山羅花(Melampyrumroseum)等[12-13]。該地區(qū)遼東櫟為天然次生林，撫育以前，林分表現(xiàn)為純林多，密度大，生長不良，林分基本郁閉，由于郁閉后競爭作用、自然稀疏，使林分基本維持郁閉度0.9左右。

2 研究方法

2.1 樣地的設(shè)置

對遼東櫟林充分踏查，在蔡家川林場143林斑陰坡設(shè)置遼東櫟樣地，通過典型取樣，共設(shè)置20 m×20 m樣地12個，每個間伐強度各設(shè)置3個樣地(表1)。2004年底實施采伐作業(yè)，以近自然經(jīng)營理念為指導(dǎo)，實施目標樹單株林分作業(yè)，原則是間密留勻，留優(yōu)去劣，使林木分布均勻，林分結(jié)構(gòu)更為合理，林分質(zhì)量有所提高。以林分的蓄積量作為間伐的標準，通過重度(間伐35%)、中度(間伐25%)、輕度(間伐15%)撫育間伐與對照設(shè)置試驗樣地。為了保留間伐強度不變，每隔3 a進行1次撫育間伐，2015年7月進行調(diào)查，樣地基本情況詳見表1。

表1 研究區(qū)遼東櫟調(diào)查樣地基本特征

2.2 枯落物蓄積量測定

在各樣地右上、中間和左下選擇3個具有代表性的1 m×1 m樣方，測量分解層與未分解層厚度，按分解層和未分解層收集枯落物并稱重，結(jié)合含水率，計算枯落物總儲量。

2.3 枯落物持水性測定

在每塊樣地的4個角與中央選擇5個0.3 m×0.2 m小樣方，收集枯落物保存原樣存放到紙盒，稱重，帶回實驗室在85 ℃下烘干至恒重。將烘干的枯落物分解層、未分解層分別稱重放入0.1 mm的土壤篩中，完全浸水，分別在0.5，1，2，4，8，12，24 h取出，在室內(nèi)風(fēng)干至無水滴落時用電子秤稱其重量，以此來測定其不同時間的持水量和最大持水量(24 h時的持水量)與吸水速率[14]。

2.4 枯落物含水率測定

枯落物含水率計算公式[15]為：

(1)

式中：W——枯落物含水率(%)；m1——自然狀態(tài)下枯落物重量(g)；m0——烘干后枯落物干重(g)。

2.5 枯落物有效攔蓄量計算

用最大持水率來估算枯落物層對降雨的攔蓄能力會偏高，因為當降雨量達到20～30 mm 以后，不論枯落物層含水量高低，實際持水率約為最大持水率的85%，所以通常采用有效攔蓄量來估算枯落物對降雨的實際攔蓄量[8]?？萋湮镉行r蓄量計算公式[8]為：

R=(0.85Qm-W)·Z

(2)

式中：R——有效攔蓄量(t/hm2)；Qm——最大持水

率(%);W——初始含水量(%)；Z——枯落物蓄積量(t/hm2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同間伐強度下枯落物蓄積量比較

由表2可以看出，不同間伐強度下枯落物未分解層厚度大小依次為:CK(2.25±0.289)>輕度(2.15±0.155)>重度(1.875±0.125)>中度(1.625±0.239)，其中只有中度間伐與對照有顯著性；分解層大小依次為:中度(3.275±0.25)>CK(3.25±0.144)>輕度(2.375±0.125)>重度(1.925±0.175)，其中輕度、重度間伐與對照、中度間伐均有顯著性，輕度與重度、對照與中度之間無顯著性；枯落物總厚度大小依次表現(xiàn)為:CK(5.500±0.204)>中度(4.900±0.245)>輕度(4.525±0.165)>重度(3.8±0.238)，其中輕度、重度與對照均有顯著性，中度與對照無顯著性，重度與輕度、中度均有顯著性，輕度與中度無顯著性。

研究區(qū)枯落物未分解層儲量大小依次為:輕度(6.05±0.399)>CK(5.49±0.321)>重度(5.375±0.511)>中度(3.958±0.275)，只有中度與對照、輕度、重度有顯著性；枯落物分解層儲量大小依次為:中度(19.083±0.578)>CK(16.942±0.479)>輕度(16.900±0.725)>重度(15.350±0.766)，只有中度與對照、輕度、重度有顯著性；枯落物總儲量大小依次為:CK(23.500±0.780)>輕度(22.950±1.012)>中度(22.708±0.365)>重度(20.725±1.041)，只有CK與重度存在顯著性相關(guān)。

表2 研究區(qū)不同間伐強度下枯落物蓄積量

注：表中數(shù)值為：測量值±標準差；不同小寫字母表示在p<0.05水平差異顯著。

3.2 不同間伐強度下枯落物持水動態(tài)

3.2.1 不同間伐強度下枯落物持水量隨時間變化規(guī)律 由表3可知，隨著浸泡時間增加，枯落物持水量均表現(xiàn)增加趨勢，到24h枯落物持水量達到最大值?？萋湮镂捶纸鈱幼畲蟪炙看笮∫来螢?CK(3.10)>輕度(2.70)>重度(1.92)>中度(1.64)；枯落物分解層最大持水量大小依次為:輕度(6.67)>中度(5.97)>CK(5.19)>重度(4.47)；枯落物總持水量大小依次為:輕度(9.37)>CK(8.29)>中度(7.61)>重度(6.39)。

表3 研究區(qū)不同間伐強度下的枯落物持水量

3.2.2 枯落物持水量與浸泡時間回歸關(guān)系 對不同間伐強度下枯落物持水量與浸泡時間的數(shù)據(jù)進行回歸分析發(fā)現(xiàn)(圖1)，枯落物未分解層及半分解層持水量(Ah)與浸泡時間(t)之間存在對數(shù)函數(shù)關(guān)系，由圖1可知，不同間伐強度下枯落物未分解層、分解層持水量與浸水時間表現(xiàn)為顯著相關(guān)性，R2值都在0.93以上，在8 h以前各間伐強度下枯落物未分解層、分解層持水量均增加較快，8 h以后其增加緩慢。

圖1 枯落物未分解層和分解層的持水量變化

3.3 不同間伐強度下枯落物吸水速率與浸泡時間關(guān)系

由表4可以看出，隨著浸泡時間的增加，不同間伐強度下枯落物未分解層、分解層吸水速率逐漸減小，到24 h吸水速率已降到0.28 mm/h以下。對不同間伐強度下枯落物吸水速率與浸泡時間的數(shù)據(jù)進行回歸分析擬合發(fā)現(xiàn)，不同間伐強度下枯落物未分解層及半分解層吸水速率(Qh)與浸泡時間(t)呈冪函數(shù)關(guān)系，不同間伐強度下枯落物未分解層、分解層吸水速率與浸水時間表現(xiàn)為顯著的相關(guān)性，R2值都在0.99以上(圖2)。

圖2 枯落物未分解層和分解層的吸水速率變化

3.4 不同間伐強度枯落物持水性能

由表5可以看出,輕度間伐下枯落物未分解層自然含水量、自然含水率最大，分別為7.33±0.561 t/hm2和21.18±1.945%，最大持水量僅小于CK，表明輕度間伐利于枯落物未分解層儲水；中度間伐下枯落物未分解層自然含水量、自然含水率、最大持水量最小，而枯落物分解層自然含水量最大為25.03±1.783 t/hm2，自然含水率略小于CK為31.15±2.947%，最大持水量僅小于輕度間伐為5.97±0.243 mm，可能因為中度間伐生境利于枯落物分解，導(dǎo)致未分解層澆薄，不利于儲水，但分解層較厚，利于儲水；枯落物未分解層中最大持水率大小依次表現(xiàn)為:CK(562.57±28.345%)>中度(467.21±20.384%)>輕度(406.20±14.652%)>重度(379.22±19.352%)；最大吸濕比在枯落物未分解層大小依次表現(xiàn)為：輕度(8.45±0.569)>CK (6.77±0.215)>重度(3.93±0.243)>中度(3.71±0.172)，表明輕度間伐枯落物未分解層持水能力較強；最大吸濕比在枯落物分解層大小依次表現(xiàn)為:中度(4.53±0.184)>輕度(4.50±0.316)>CK(4.38±0.143)>重度(3.64±0.165)，可能因為中度間伐分解層蓄積量較大；輕度間伐下枯落物分解層有效攔蓄量最小，未分解層有效攔蓄量最大，總有效攔蓄量最大，說明輕度間伐枯落物持水能力強。

表4 研究區(qū)不同間伐強度下的枯落物吸水速率

表5 研究區(qū)不同間伐強度下枯落物持水能力指標

4 討論與結(jié)論

(1) 間伐使枯落物厚度變薄，蓄積量減少，但間伐增加林內(nèi)光照，提高地表溫度，加速未分解層枯落物分解，導(dǎo)致未分解層儲量少，分解層儲量多，這在中度、輕度間伐表現(xiàn)的尤為明顯；重度間伐林內(nèi)光照過強，溫度過高，不利于枯落物未分解層分解，且由于林木數(shù)量少，枯落物儲量也很少，與對照表現(xiàn)為顯著。

(2) 輕度間伐枯落物各持水性能指標表現(xiàn)為優(yōu)越，枯落物分解層均大于未分解持水量?？萋湮锓纸鈱映炙棵黠@大于未分解層，說明枯落物分解層持水性對林地涵養(yǎng)水源起主要作用，層枯落物持水量與浸泡時間呈對數(shù)函數(shù)變化，R2均在0.93以上，具有顯著相關(guān)性，24 h持水量達到最大值，8 h以后持水量變化緩慢；總持水量輕度間伐最大為9.37 mm，自然含水量為29.6 t/hm2，最大吸濕比為12.95，有效攔蓄量為71.8 t/hm2，表現(xiàn)較好的持水性，說明輕度間伐可以增加枯落物持水量。

(3) 枯落物吸水速率與浸泡時間呈冪函數(shù)變化，R2均在0.99以上，具有顯著相關(guān)性；輕度間伐吸水速率最快，這與其持水量最大有直接關(guān)系，表明輕度間伐加快了枯落物吸水速率，持水性能較好。

(4) 黃土丘陵區(qū)水土流失嚴重，生態(tài)環(huán)境脆弱，輕度間伐提高枯落物持水性，對保護水土流失有重要意義。

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Effects of Thinning on Litter’s Water Holding Capacity ofQuercusWutaishanicaForest Understory in Huanglong Mountain

CAO Xuping1, YU Shichuan2, ZHANG Wenhui2, LIU Shuyu2

(1.QiaoshanForestBureauofYan’anCity,Huangling,Shaanxi727300,China; 2.KeyComprehensiveLaboratoryofForestryinShaanxiProvince,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

[Objective] The effects of thinning on the water holding features of forests understory litter were studied to provide theoretical basis for local regional forest tending. [Methods] The experimental had thinning treatments of heavy thinning(thinning 35%), medium thinning(thinning 25%), light thinning(thinning 15%) and the control(no thinning) inQuercuswutaishanicaforest of Huanglong Mountain in Loess Plateau. Typical sampling method, drying method and soaking method were used to measure water holding traits. [Results] Total litter volumes ranked as: CK(23.500±0.780)>light thinning(22.950±1.012)>medium thinning(22.708±0.365)>heavy thinning(20.725±1.041). Only the difference between CK and heavy thinning was significant; The total water holding capacities ranked as: light thinning(9.37)>CK(8.29)>medium thinning(7.61)>heavy thinning(6.39); the total effective retain capacity of light thinning is maximum. The litter water holding capacity presented a significant logarithmic function with soaking time as independent variable and theR2was above 0.93. Meanwhile, water absorption rate had a significant power function with soaking time, theirR2was above 0.99. [Conclusion] Water holding capacity of light thinning performed the best. This is theoretically important for regional forest tending.

litter; water holding capacity;Quercuswutaishanica; thinning

2016-04-25

2016-05-11

陜西省科技創(chuàng)新統(tǒng)籌項目“陜西珍貴用材樹種質(zhì)資源培育關(guān)鍵技術(shù)研究”(20150210169); 國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAD22B030204)

曹旭平(1963—),男(漢族),陜西省宜川縣人,高級工程師,主要從事森林生態(tài)和森林經(jīng)營管理研究。E-mail:2408192165@qq.com。

張文輝(1954—),男(漢族),陜西省岐山縣人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事森林培育、生物多樣性保護與利用研究。E-mail:839951676@qq.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.041

A

1000-288X(2016)06-0247-05

S715.3, S715.7

文獻參數(shù)： 曹旭平, 于世川, 張文輝, 等.間伐對黃龍山遼東櫟林下枯落物持水性的影響[J].水土保持通報，2016,36(6)：247-251.