川中丘陵區(qū)人工柏木林不同間伐強度下枯落物層和土壤層的水文效應(yīng)

陳俊華, 牟皓, 謝天資, 別鵬飛, 慕長龍

四川省林業(yè)科學研究院，森林與濕地生態(tài)恢復與保育四川重點實驗室，四川 成都 610081

川中丘陵區(qū)的柏木（Cupressus funebris）人工林主要是上世紀八十年代長江防護林工程中營造的榿柏混交林演化而來[1]。當前林分普遍樹種單一、密度過大，導致現(xiàn)今林下灌草蓋度較低、天然更新差、生產(chǎn)力低下，不能充分發(fā)揮森林的多種效益[2]，急需進行林分改造。國內(nèi)研究采用的方法有撫育間伐[2-5]，帶狀皆伐+補闊[6-7]，開窗補闊[8]等，均取得了較為理想的效果。針對改造后的林分水文效應(yīng)，黎燕瓊[6]研究了“帶狀皆伐+補闊”中不同帶寬與對照的對比，駱宗詩[3]分析了不同間伐強度林分土壤容重、總孔隙度和最大持水量以及枯落物有效持水量的差別。但對于不同間伐強度枯落物蓄積量、持水過程未見報道。開展研究區(qū)柏木人工林分間伐試驗，研究不同間伐強度林分的枯落物層、土壤層的持水性能，揭示其水文效應(yīng)特征，以期為該區(qū)域人工柏木林的可持續(xù)經(jīng)營、低質(zhì)低效林分改造和質(zhì)量精準提升提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省鹽亭縣云溪鎮(zhèn)高山村，地理位置E105°22′51″～105° 22′59″，N 31°13′29″～31°13′50″，海拔350～650 m，丘陵地貌，屬中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，年均氣溫17.3 ℃，年均降水量826 mm。該區(qū)廣泛露出紫色泥頁巖和砂石巖地層，易風化崩解破碎，成土過程快，土壤抗蝕力弱，土壤類型主要為紫色土?，F(xiàn)有森林類型幾乎為柏木人工純林，林下灌草種類簡單，植被蓋度低[2]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

2.1.1 樣地設(shè)置

2007 年在該區(qū)域選擇立地條件基本一致，林齡35～40 年，郁閉度≥0.8，林下灌木蓋度≤20%，草本蓋度≤30%的人工柏木純林樣地20 個，每個樣地大小20 m×20 m。設(shè)置4 種強度，即I：10%～15%、II：16%～25%、III：26%～35%和對照CK。每種強度5 個樣地。間伐方法為生態(tài)疏伐，即伐掉影響目標樹的競爭木和過密林木。為保證林分因子的一致性，間伐前，對各樣地內(nèi)的喬木進行每木檢尺，計算林分的平均樹高、平均胸徑、林分密度和蓄積量，經(jīng)F檢驗表明上述各因子均無顯著差異。對每個樣地進行間伐木選擇、作標記、測量、采伐[2]。間伐后的樣地基本情況見表1。

2.1.2 樣地調(diào)查及指標測定

2019 年（即間伐后12 年），對樣地進行調(diào)查。在每個樣地內(nèi)，沿順坡方向“S”形設(shè)置取樣點?？萋湮镄罘e量采用“全體收獲法”，測定凋落物層厚度，稱重，取樣，帶回實驗室將枝條、葉、果實分開揀出，分別取樣稱重，烘干（65 ℃）至恒重后再稱重，以干物質(zhì)重推算1 hm2凋落物蓄積量。采用浸泡法測定枯落物持水性能，在水體中放入烘干的枯落物并浸泡0.5 h、1 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h、14 h、16 h、18 h、20 h、22 h、24 h 后記錄濕重。計算自然含水率、最大持水量、最大持水率、最大攔蓄量、有效攔蓄量[9]等5 項指標。同時在每個樣點上用容積為100 cm3環(huán)刀在土壤剖面取0～30 cm的原狀土，同時用鋁盒取土樣，測定土壤含水量。采用“環(huán)刀法”測定土壤的物理性質(zhì)，包括土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度、最大吸持貯水量、飽和貯水量等5 項反映土壤持水性能的指標[10]。

表 1 間伐后樣地基本情況Tab. 1 General information of sampling plots after thinning

2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

運用Microsoft Excel 2007 進行數(shù)據(jù)錄入、基本計算；在SPSS 20.0 里面進行單因素方差分析（Oneway ANOVA）和多重比較（顯著水平P＜0.05），非線性擬合、作圖均使用OriginPro 2018?？萋湮锏淖匀缓?、最大持水量、最大持水率、最大攔蓄量、有效攔蓄量，土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度、最大吸持貯水量、飽和貯水量的計算公式參考文獻[11]。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同間伐強度枯落物蓄積量和持水性能

3.1.1 枯落物蓄積量

不同間伐強度下枯落物蓄積量見圖1?？梢钥闯?，枝、葉、總枯落物量均遵從這樣的規(guī)律，即按枯落物量多少排列為III＞II＞I＞CK，而果實枯落物中，以I 最多（0.59 t·hm?2），其次是CK（0.35 t·hm?2），最少的是III（26～35%），每hm2的量僅有0.19 t。間伐強度為I、II、III 的枝、葉、總枯落物蓄積量分別 是CK 的1.24 倍、1.80 倍、3.30 倍，1.08 倍、2.11 倍、2.56 倍和1.24 倍、1.78 倍、2.38 倍。

方差分析和多重比較（LSD）表明，不同間伐強度枝枯落物蓄積量，除I 與CK 差異不顯著外（P＞0.05），其余處理間均差異顯著（P＜0.05）；葉枯落物蓄積量中，間伐強度I 與對照差異不顯著（P＞0.05），間伐強度II 與III 差異不顯著（P＞0.05）。其余處理間差異顯著（P＜0.05）；果實枯落物蓄積量中，間伐強度I 與所有處理均表現(xiàn)為差異顯著（P＜0.05），間伐強度II 與III 和CK 差異均不顯著（P＞0.05），而間伐強度III 與CK 差異顯著（P＜0.05）；總枯落物蓄積量的規(guī)律與此類似。

3.1.2 枯落物持水性能

不同間伐強度枯落物層持水性能指標見表2?？梢钥闯觯畲蟪炙释?，枯落物自然含水率、最大持水量、最大攔蓄量、有效攔蓄量按由大到小均表現(xiàn)為III＞II＞I＞CK。間伐強度III 的最大持水量為7.45±1.17 t·hm?2，有效攔蓄量為11.75±1.35 t·hm?2，分別約為CK 的3.73 倍和2.59 倍。方差分析和多重比較（LSD）表明，自然含水率除III 與其余強度差異顯著外（P＜0.05），其余處理間均差異不顯著（P＞0.05）。最大持水量、最大持水率、最大攔蓄量、有效攔蓄量的規(guī)律一致，即除In 與對照間差異不顯著外（P＞0.05），其余處理間差異顯著（P＜0.05）。

3.2 不同間伐強度枯落物層持水動態(tài)過程

3.2.1 枯落物持水量動態(tài)變化過程

不同處理枯落物層的持水量動態(tài)變化過程見圖2。從圖2 可知，不同處理枯落物的持水量隨浸泡時間的變化趨勢基本相似。在浸泡實驗開始的前6 h 內(nèi)，持水量迅速增加，此時枯落物的持水量已經(jīng)達到最大水持水量的83.76%～91.25%。在浸泡10 h后，枯落物持水量緩慢增加，到14 h 時基本達到飽和。持水速度最快的是間伐強度III，其次是I，最慢的是CK。經(jīng)在OriginPro 2018 中進行回歸分析，不同處理枯落物的動態(tài)持水量與浸泡時間的關(guān)系滿足對數(shù)函數(shù)，表達式為：W=a?b×ln(t+c)。其中，W為枯落物實時持水量，t為浸泡時間（h），a和b均為常數(shù)參數(shù)。不同處理枯落物的持水量與浸泡時間的函數(shù)模型見表3。從擬合的相關(guān)系數(shù)R（R值均在0.95 以上）和F檢查值來看，效果非常理想。

表 2 不同間伐強度枯落物持水性能Tab. 2 Water holding capacity of the litter layer under different thinning intensities

3.2.2 枯落物持水量動態(tài)變化過程

根據(jù)時間間隔的持水增量來計算不同間伐強度枯落物層單位時間的吸水速率。動態(tài)趨勢如圖3 所示。浸泡開始，枯落物迅速吸水。在前0.5 h 內(nèi)，吸水速率在1.81 t·hm?2·h?1～2.45 t·hm?2·h?1。由于枯落物成分和儲量的不同，不同間伐強度枯落物的吸水速率有差異，但變化趨勢基本一致。在浸泡開始2 h 內(nèi)吸水速率較高，隨著時間的延長，吸水速率逐漸降低，到12 h 后的吸水速率趨近于0。根據(jù)OriginPro 2018 擬合枯落物的吸水速率動態(tài)過程，可以看出，基本呈冪函數(shù)曲線。其表示式為V=mtn。式中，V為枯落物吸水速率（t·hm?2·h?1），m和n為參數(shù)（常數(shù)）。不同處理枯落物的吸水速率與浸泡時間的函數(shù)模型見表4。從擬合的相關(guān)系數(shù)R（R值均在0.80 以上）和F檢查值來看，效果還是比較理想的。

圖 2 枯落物持水動態(tài)過程Fig. 2 Dynamic process of water holding capacity of the litter layer

表 3 枯落物持水量與浸泡時間的關(guān)系Tab. 3 Relationship between water holding amount and soaking time of the litter layer

圖 3 枯落物吸水速率動態(tài)過程Fig. 3 Dynamic process of water absorbing rate of the litter layer

3.3 不同間伐強度土壤容重

從不同間伐強度土壤容重的數(shù)值來看（見圖4），按由小到大排列為III（1.41 g·cm?3）＜II（1.43 g·cm?3）＜I（1.51 g·cm?3）＜CK（1.64 g·cm?3）。不同間伐的土壤容重均明顯低于對照（未間伐）。方差分析和多重比較（LSD）表明，不同間伐強度與對照間差異顯著（P＜0.05），但3 種間伐強度之間差異不顯著（P＞0.05）。

表 4 枯落物持水量與浸泡時間的關(guān)系Tab. 4 Relationship between water-holding amount and soaking time of the litter layer

3.4 不同間伐強度土壤孔隙度

土壤孔隙度是反映土壤物理性質(zhì)的重要指標，土壤中的水、養(yǎng)分、空氣都儲存在土壤的孔隙中，尤以毛管孔隙度最為重要。土壤中的有效水多儲存在毛管孔隙之中。毛管孔隙度越大，土壤中儲存的有效水含量就越高，這樣能為植物生長提供更多的水分[9]。不同間伐強度的土壤毛管孔隙度以強度III 為最大（為35.30±2.60%），最小為CK（28.19±1.29%）（見圖5）。無論是毛管孔隙度和總孔隙度，按大小排列均為III＞II＞I＞CK。方差分析和多重比較（LSD）表明，強度為I 除與CK 差異不顯著外（P＞0.05），其余差異顯著（P＜0.05）。強度為III和II 的均與CK 和I 間差異顯著（P＜0.05），但二者之間差異不顯著（P＞0.05）。

圖 4 不同間伐強度土壤容重Fig. 4 Soil bulk density under different thinning intensities

圖 5 不同間伐強度土壤孔隙度Fig. 5 Soil porosity under different thinning intensities

3.5 不同間伐強度土壤貯水量

土壤的持水能力是反應(yīng)土壤水文性能和森林涵養(yǎng)水源能力的重要指標[9]。土壤的持水能力越強說明土壤中可以貯存更多的水分，截留降水，水土保持功能越強。不同處理0～30 cm 土壤的最大吸持水量最多的是間伐強度III(105.90±2.60 mm)，其次是II(103.07±3.01 mm)，最小是CK（84.58±1.29 mm）（見圖6）。不同間伐強度的飽和貯水量均高于CK。間伐強度I、II 和III 土壤0～30 cm 飽和貯水量分別是CK 的1.09 倍、1.21 倍和1.27 倍。方差分析和多重比較（LSD）表明，最大吸持水量和飽和貯水量規(guī)律一致，即CK、強度為I 與II、III 的差異顯著（P＜0.05），I 與CK 間差異不顯著（P＞0.05），II與III 間差異不顯著（P＞0.05）。

圖 6 不同間伐強度土壤持水量（0～30 cm）Fig. 6 Soil water holding capacity under different thinning intensities

4 討論

作為森林生態(tài)系統(tǒng)中涵養(yǎng)水源的重要活動層，土壤層和枯落物層起著防止土壤侵蝕、攔蓄地表徑流的作用[10]。枯落物蓄積量的多少直接影響其持水能力?？萋湮镄罘e量的多少又受樹種組成、林分結(jié)構(gòu)、林分生長情況和枯落物分解難易的影響[12]。本研究中，以III（26%～35%）的枯落物蓄積量最多，是對照的2.38 倍。間伐后，增大了林木間的空隙，改善了光照，使得林下灌木、草本的蓋度增加；同時，一些喜陽的先鋒闊葉樹種也會進入，導致枯落物層變厚、蓄積量增加?？萋湮飳右揽科涫杷啥嗫缀捅砻娣e較大的特質(zhì)，首先是截留降水，然后將截留的降水向土壤下滲。本研究中，枯落物的最大持水量以III（26%～35%）最大，幾乎是對照的3.4 倍，最大攔蓄量為對照的2.29 倍。有專家研究認為，枯落物的最大攔蓄量和最大持水量并不能代表枯落物在降雨時的實際攔蓄效果[13]。因此，一般用有效攔蓄率和有效攔蓄量來進一步衡量枯落物的攔蓄效果[11]。本研究中，不同間伐強度的有效攔蓄量范圍為4.53～11.75 t·hm?2，是 枯 落 物 干物質(zhì)量的2.44～2.80 倍，這與駱宗詩等[3]的研究結(jié)論基本一致，略高于曾建軍等[14]、管惠文等[10]的研究結(jié)果。一般認為，枯落物層持水量隨浸泡時間的變化遵循對數(shù)函數(shù)，吸水量隨浸泡時間的變化遵循冪函數(shù)[11-12,14-15]。針對枯落物層持水量隨浸泡時間的變化規(guī)律，大多數(shù)專家擬合的關(guān)系為W=a+b×ln(t)的形式。本研究略有不同，擬合結(jié)果為W=a?b×ln(t+c)形式，從R2（＞0.95）和F檢驗值來看，擬合效果很好。吸水量隨浸泡時間的變化規(guī)律擬合結(jié)果與國內(nèi)專家的基本一致。從擬合的效果來看，除III（26～35%）的R2為0.8021 外，其余均大于0.89，尤其是對照（CK）的R2高達0.9876，擬合結(jié)果還是比較滿意的。

森林水文性能重要參數(shù)之一是土壤儲存水分的能力，通過土壤的物理性質(zhì)和持水力特性體現(xiàn)[16]。本研究中，不同間伐強度的土壤容重在1.41～1.64 g·cm?3之間，略高于駱宗詩[3]等在本區(qū)域的研究結(jié)論。從土壤孔隙度來看，除I（10～15%）外，其余兩種間伐強度的土壤毛管孔隙度、總孔隙度均顯著高于對照（P＜0.05），總孔隙度在40.50～48.31%之間，略高于駱宗詩[3]在該區(qū)域的研究結(jié)論，與黎燕瓊[6]的研究結(jié)論相近。

間伐12 年后，與對照相比，林分的枯落物蓄積量增加，水文性能增強；土壤容重減小，毛管孔隙度、總孔隙度增大，最大吸持貯水量和飽和貯水量增大。說明改造效果比較明顯。3 種間伐強度下的林分水文性能均優(yōu)于對照樣地，說明間伐對林地水文性能的提高具有積極作用。綜合分析土壤層和枯落物層的水文效應(yīng)，間伐強度為 20～35%，即保留株數(shù)為1 700 株·hm?2～2 100 株·hm?2的為適宜強度。