不同經(jīng)營(yíng)措施對(duì)天然次生林枯落物層水源涵養(yǎng)能力的影響

曹云生， 趙艷玲， 梁文俊

〔1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院， 北京 100083； 2.北京市工程咨詢(xún)公司， 北京 100083；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所， 北京 100083； 4.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)， 山西 太谷 030800)〕

枯落物層是森林生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)，它不僅能夠?yàn)槲⑸锾峁┍匦璧哪芰縼?lái)源，還可以截留降水、減緩降雨速度和涵養(yǎng)水分[1]。有研究證明通過(guò)不同的營(yíng)林方式，能夠有效調(diào)節(jié)枯落物在水源涵養(yǎng)功能方面的作用。天然次生林作為冀北山地主要的林分類(lèi)型，由于受到不科學(xué)的經(jīng)營(yíng)措施與人為干擾等影響，該林分類(lèi)型出現(xiàn)了生長(zhǎng)衰退、水源涵養(yǎng)功能降低的現(xiàn)象，針對(duì)這些突出問(wèn)題，對(duì)天然次生林采取不同的經(jīng)營(yíng)措施來(lái)增加林分的水源涵養(yǎng)能力。國(guó)內(nèi)對(duì)天然次生林的水文研究有一定的基礎(chǔ)，但是內(nèi)容主要涉及地被物持水特征、土壤入滲等方面，對(duì)經(jīng)過(guò)撫育措施后天然次生林的水文效應(yīng)研究報(bào)道較少。本文擬通過(guò)對(duì)河北省木蘭林管局北溝林場(chǎng)的天然次生林實(shí)施5種不同經(jīng)營(yíng)措施，并通過(guò)測(cè)定枯落物層蓄積量、最大持水量、有效攔蓄量等指標(biāo)的變化來(lái)分析5種經(jīng)營(yíng)措施的作用，從而確定哪種措施最有利于枯落物層的水源涵養(yǎng)能力的提高，以期為該地區(qū)天然次生林的健康經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)和參考[2-3]。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于冀北山地木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)管理局(41°35′—42°37′N(xiāo)，116°48′—118°20′E)，該地區(qū)山巒起伏、溝壑縱橫，海拔高度約為750～1 829 m。屬于寒溫帶向中溫帶過(guò)渡大陸性季風(fēng)型山地氣候。具有春季偏旱、冬長(zhǎng)夏短、四季分明、晝夜溫差大的特征。年降水量為400～500 m，主要集中在7—9月。研究區(qū)內(nèi)土壤類(lèi)型主要是黃棕壤和黑棕壤。研究區(qū)內(nèi)主 要 喬 木 樹(shù) 種 有主要喬木樹(shù)種有華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、油松(Pinustabulaeformis)、云杉(Piceaasperata)、黑 樺 (Betuladahurica)、山楊(Populusdavidiana)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、白樺(Betulaplatyphylla)等。

試驗(yàn)地設(shè)置在木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)管理局北溝林場(chǎng)北溝作業(yè)區(qū)，2014年在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選擇了6塊天然次生林，采取撫育間伐、團(tuán)狀擇伐、帶狀皆伐、引入灌木、封山育林5種經(jīng)營(yíng)措施的標(biāo)準(zhǔn)樣地與一塊未采取措施的對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)樣地，在林內(nèi)設(shè)置大小100 m×100 m的標(biāo)準(zhǔn)大樣地，在樣地選擇時(shí)盡可能的選擇林齡、立地條件和林分郁閉度相近的林分，并調(diào)查林分的基本情況[4-6](詳見(jiàn)表1)。

表1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)地概況

2 研究方法

2.1 經(jīng)營(yíng)措施與樣地設(shè)置

合理的林分結(jié)構(gòu)對(duì)林木的健康生長(zhǎng)有著非常重要的作用，因此采取科學(xué)的撫育措施來(lái)提高林分的結(jié)構(gòu)合理性是必要的。本文采取5種經(jīng)營(yíng)措施來(lái)對(duì)天然次生林進(jìn)行改造，分別為：撫育間伐、團(tuán)狀擇伐、帶狀皆伐、引入灌木、封山育林。撫育間伐是將去掉林內(nèi)的枯枝與枝下多余的活枝，并伐去霸王樹(shù)、枯死與病的林木。團(tuán)狀擇伐是林分密度比較高的地方開(kāi)出孔徑為15 m的林分天窗，并在林內(nèi)引入2 a生的針葉樹(shù)種或灌木。帶狀皆伐是根據(jù)坡面的方向自上而下的采伐出20 m到25 m的通道，在皆伐的通道內(nèi)栽植針葉樹(shù)種，最好為2 a生的樹(shù)苗。引入灌木是選擇當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)狀況較好的灌木進(jìn)行引入，主要以毛榛(Corylusmandshurica)和胡枝子(Lespedezabicolor)為主，多以種子播種為主。封山育林是對(duì)試驗(yàn)林分采取全封閉的措施，禁止人為因素的干擾[7-9]。

在2014年5月選取合適的大樣地后并采取經(jīng)營(yíng)措施，并在樣地內(nèi)四個(gè)角與中心位置選擇5個(gè)大小為1 m×1 m的小樣方，在2014年、2016年與2018年對(duì)枯落物層進(jìn)行取樣調(diào)查。

2.2 枯落物層持水指標(biāo)測(cè)定

枯落物一般采取現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與室內(nèi)浸泡的方法進(jìn)行測(cè)定，枯落物按照分解程度分為未分解層與半分解層，測(cè)量完厚度后要盡快并保持原狀將枯落物帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行稱(chēng)重，采用室內(nèi)浸泡法測(cè)量計(jì)算枯落物各項(xiàng)指標(biāo)，枯落物不同時(shí)間段持水量為每次稱(chēng)重所得枯落物濕重與其烘干重的差值，該值與浸水時(shí)間的比值即為枯落物的吸水速率。通常認(rèn)為枯落物浸水24 h后的持水量為最大持水量，與其相對(duì)應(yīng)的持水率為最大持水率。采用有效攔蓄量來(lái)反映枯落物對(duì)降雨的實(shí)際攔蓄情況[10-12]。

W=(0.85Rm-R0)M

式中：W——有效攔蓄量(t/hm2)；Rm——最大持水率(%)；R0——自然含水率(%)；M——枯落物儲(chǔ)量(t/hm2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同經(jīng)營(yíng)措施對(duì)枯落物蓄積量的影響

枯落物是林內(nèi)水循環(huán)的重要組成部分，能夠減少地面水分蒸發(fā)、阻截地表徑流和減小降雨對(duì)地面的沖刷強(qiáng)度，有效的保持水源。林分的枯落物蓄積量主要與枯落物攝入量和輸出量有關(guān)。

由圖1可知，天然次生林枯落物層蓄積量在4 a內(nèi)都有了一定程度的提高，呈現(xiàn)了增長(zhǎng)的趨勢(shì)。林分改造后2 a與改造后4 a枯落物蓄積量大小排序一樣：帶狀皆伐>封山育林>團(tuán)狀擇伐>撫育間伐>引入灌木>未改造，改造4 a后枯落物蓄積量與改造之前相比增長(zhǎng)率在27%～39%之間，實(shí)施經(jīng)營(yíng)措施的5個(gè)樣地內(nèi)枯落物蓄積量均高于未改造的樣地，因此經(jīng)營(yíng)措施對(duì)林分枯落物蓄積量的增長(zhǎng)是有一定作用的，其中帶狀皆伐并引入針葉幼苗對(duì)枯落物的積累是最明顯的，主要是因?yàn)橥ㄟ^(guò)改造林分形成了異齡復(fù)層林分，提高了林內(nèi)新陳代謝的速度，充分的利用了陽(yáng)光，從而增加了枯落物的增加。

圖1 不同經(jīng)營(yíng)措施對(duì)枯落物蓄積量的影響

3.2 不同經(jīng)營(yíng)措施對(duì)枯落物層最大持水量的影響

枯落物層的最大持水量能夠反映林分枯落物層持水的潛力，是林分水循環(huán)中重要的一環(huán)，是反映枯落物層水源涵養(yǎng)能力的重要指標(biāo)之一。最大持水量受到很多因子的影響，例如林分的樹(shù)種組成、林齡、空間結(jié)構(gòu)與枯落物分解狀況等等。

由圖2可知，5塊樣地內(nèi)枯落物層最大持水量經(jīng)過(guò)改造都有增長(zhǎng)，改造后2 a枯落物層最大持水量增長(zhǎng)率為4.61%～9.30%，改造后2～4 a增長(zhǎng)率為6.31%～7.66%，兩個(gè)階段都比未改造的1.47%,2.75%的增長(zhǎng)率要高。改造后2 a，枯落物層最大持水量由大到小排序?yàn)椋阂牍嗄?封山育林>帶狀皆伐>團(tuán)狀擇伐>撫育間伐>未改造，說(shuō)明采取的經(jīng)營(yíng)措施對(duì)枯落物的積累與分解有一定的促進(jìn)作用，能夠有效的提高最大持水量。改造后4 a，林分枯落物層最大持水量由大到小排序?yàn)椋阂牍嗄?帶狀皆伐>封山育林>團(tuán)狀擇伐>撫育間伐>未改造，這與2 a時(shí)的變化規(guī)律有所不同，其中帶狀皆伐經(jīng)過(guò)一段時(shí)間超過(guò)了封山育林的最大持水量，主要是由于帶狀皆伐引入了針葉樹(shù)種，林分形成合理的異齡復(fù)層的空間結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了林分的生態(tài)功能，增加了林分的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了林分的內(nèi)部的新陳代謝，促進(jìn)枯落物層的分解速度，從而提高了枯落物的最大持水量。5種經(jīng)營(yíng)措施中，引入灌木措施是對(duì)枯落物層最大持水量是最有利的，能夠有效的增加林分水源涵養(yǎng)功能?？萋湮飳幼畲蟪炙试谝欢ǔ潭壬戏从沉似湫钏芰?，枯落物的蓄積量與枯落物層的結(jié)構(gòu)在一定程度上影響了枯落物層最大持水率，經(jīng)過(guò)改造后枯落物的最大持水率都有了一定程度的降低，這是由于經(jīng)過(guò)改造林分枯落物蓄積量迅速增加，而且改造后枯落物層的結(jié)構(gòu)受到了一定的影響導(dǎo)致最大持水率有所下降，但是幅度都不大。

圖2 不同經(jīng)營(yíng)措施對(duì)枯落物最大持水量、最大持水率的影響

3.3 不同經(jīng)營(yíng)措施對(duì)枯落物層自然持水量的影響

自然持水量反映了枯落物平常狀態(tài)下的涵養(yǎng)水分的能力，是衡量枯落物水源涵養(yǎng)能力的重要指標(biāo)之一，自然持水量影響因素比較多，包括枯落物蓄積量、分解狀態(tài)與氣候環(huán)境等。

由圖3可知以看出，實(shí)施經(jīng)營(yíng)措施的林分枯落物層自然持水量都比未改造的枯落物層高，改造后2 a，自然持水量由大到小排序?yàn)椋阂牍嗄?封山育林>團(tuán)狀擇伐>帶狀皆伐>撫育間伐>未改造，增長(zhǎng)率在0.61%～29.68%之間，改造4 a后，自然持水量由大到小排序?yàn)椋阂牍嗄?封山育林>團(tuán)狀擇伐>帶狀皆伐>撫育間伐>未改造，增長(zhǎng)率在1.82%～31.91%之間。自然持水率采取措施的5塊樣地均呈現(xiàn)了不同程度的增加，而未改造的樣地則稍有減小，但是變化幅度都不太大，這與枯落物蓄積量變化、當(dāng)年的氣候有關(guān)系。

圖3 不同經(jīng)營(yíng)措施對(duì)枯落物層自然持水量、自然持水率的影響

3.4 不同經(jīng)營(yíng)措施對(duì)枯落物層有效攔蓄量的影響

最大持水量在一定程度上反映了枯落物層的水源涵養(yǎng)能力，但是不夠準(zhǔn)確，而有效攔蓄量比最大持水量更接近真實(shí)涵養(yǎng)能力，較準(zhǔn)確的反映枯落物層對(duì)降雨的真實(shí)攔蓄能力。

由圖4可知，改造后2 a，枯落物層的有效攔蓄量都有了提升，2 a之后有限攔蓄量提高了14.02%～34.62%，均比對(duì)照組有所提升，持水量大小排序?yàn)椋簬罱苑?孔狀擇伐>引進(jìn)灌木>封育恢復(fù)>修枝撫育，帶狀皆伐撫育最大，為未封禁的1.25倍，四年之后，有效攔蓄量相比2010年增加26.26%～54.65%，第3,4 a的增長(zhǎng)速率相比1,2 a的增長(zhǎng)率升高，說(shuō)明在短期之內(nèi)撫育措施有一定的有限性，2～4 a之后涵養(yǎng)水源的效果會(huì)更加增強(qiáng)。

由圖4可知，5塊樣地內(nèi)枯落物層有效攔蓄量經(jīng)過(guò)改造都有增長(zhǎng)，而未改造的樣地有效攔蓄量有了一定程度的降低，改造后2 a枯落物層有效攔蓄量增長(zhǎng)率為3.67%～8.08%，改造后2～4 a增長(zhǎng)率為4.51%～5.95%。

改造后2 a，枯落物層有效攔蓄量由大到小排序?yàn)椋阂牍嗄?封山育林>帶狀皆伐>團(tuán)狀擇伐>撫育間伐>未改造。改造后4 a，林分枯落物層最大持水量由大到小排序?yàn)椋阂牍嗄?帶狀皆伐>封山育林>撫育間伐>團(tuán)狀擇伐>未改造，這與2 a時(shí)的變化規(guī)律有所不同，其中帶狀皆伐經(jīng)過(guò)一段時(shí)間超過(guò)了封山育林的有效攔蓄量，而撫育間伐超過(guò)了團(tuán)狀擇伐。枯落物層有效攔蓄率都有所下降，但是變化幅度不大。

圖4 不同經(jīng)營(yíng)措施對(duì)枯落物有效攔蓄量、有效攔蓄率的影響

4 結(jié) 論

天然次生林經(jīng)過(guò)改造措施后枯落物蓄積量均高于未改造，改造4 a后枯落物蓄積量與改造之前相比增長(zhǎng)27%～39%；實(shí)施經(jīng)營(yíng)措施后2 a枯落物層最大持水量增長(zhǎng)率為：4.61%～9.30%，最大持水量由大到小排序?yàn)椋阂牍嗄?封山育林>帶狀皆伐>團(tuán)狀擇伐>撫育間伐>未改造；改造后2～4 a增長(zhǎng)率為6.31%～7.66%，最大持水量由大到小排序?yàn)椋阂牍嗄?帶狀皆伐>封山育林>團(tuán)狀擇伐>撫育間伐>未改造。

實(shí)施經(jīng)營(yíng)措施的林分枯落物層自然持水量都比未改造的枯落物層高，改造后2 a，增長(zhǎng)率在0.61%～29.68%之間，改造4 a后，自然持水量增長(zhǎng)率在1.82%～31.91%之間；經(jīng)過(guò)改造，枯落物層有效攔蓄量2 a后增長(zhǎng)率為3.67%～8.08%，由大到小排序?yàn)椋阂牍嗄?封山育林>帶狀皆伐>團(tuán)狀擇伐>撫育間伐>未改造，改造后2～4 a增長(zhǎng)率為4.51%～5.95%，由大到小排序?yàn)椋阂牍嗄?帶狀皆伐>封山育林>撫育間伐>團(tuán)狀擇伐>未改造。