間伐和林分類型對森林凋落物儲量和土壤持水性能的影響

簡永旗，吳家森，盛衛(wèi)星，聶國輝，鄭 城，姜培坤

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 311300；2. 浙江省水土保持監(jiān)測中心，浙江 杭州 310009；3. 浙江省建德市林業(yè)局，浙江 建德 311600）

水源涵養(yǎng)是森林最主要的生態(tài)功能之一，一直是生態(tài)學(xué)與水文學(xué)等相關(guān)學(xué)科研究的重點內(nèi)容[1]。森林水源涵養(yǎng)功能表現(xiàn)在對降水的分配和運動作用上，其作用分為3個部分，即林冠層的截留、枯枝落葉層的吸持以及林地土壤的蓄水作用[2]，其中凋落物層與土壤層的森林涵養(yǎng)水源能力占85%以上[3]，已成為森林水文學(xué)研究的熱點。近年來，眾多學(xué)者開展了不同林分類型之間林下凋落物、土壤涵養(yǎng)水源能力的比較，以及針對單一林分類型進行撫育間伐來探討間伐對森林水源涵養(yǎng)能力的影響。研究表明：林分類型對林下凋落物蓄積量、土壤孔隙度、凋落物持水量及土壤持水量存在影響[4-5]。森林撫育間伐可以調(diào)整森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高林地質(zhì)量，增強林地水源涵養(yǎng)能力[6]。針對不同地域條件下，不同林分類型撫育間伐后在凋落物、土壤涵養(yǎng)水源能力方面的比較研究鮮有報道。林分類型不同，林下凋落物及土壤的涵養(yǎng)水源能力有所差別，但當(dāng)林分密度同時發(fā)生改變時，林分之間的林下凋落物及土壤的涵養(yǎng)水源能力的關(guān)系是否發(fā)生變化呢？有鑒于此，本研究從野外采集凋落物與土壤，使用浸水法，全面調(diào)查和研究未間伐與間伐4 a的杉木Cunninghamia lanceolata林、闊葉林凋落物和土壤持水效能，旨在揭示間伐對杉木林和闊葉林凋落物儲量、凋落物持水性能和土壤水文性質(zhì)之間關(guān)系變化的影響，為揭示不同林分類型水源涵養(yǎng)功能提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省建德市新安江林場(29°29′N，119°16′E)，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，受新安江水庫小氣候影響，常年溫暖濕潤，降水量十分豐富。年平均氣溫為16.9 ℃，最熱月7月平均氣溫為29.2 ℃，最冷月1月平均氣溫為4.7 ℃。年平均降水量為1 504.0 mm，年平均相對濕度為82%。年平均日照時數(shù)為1 940.0 h，年平均無霜期為254.0 d。年平均大霧日為33.0 d左右。土壤為發(fā)育于頁巖的紅壤土類。

研究區(qū)內(nèi)主要森林類型有杉木林與闊葉林。闊葉林的主要樹種有杜英Elaeocarpus decipiens、楓香Liquidambar formosana、樟樹Cinnamomum camphora等。杉木林于1985年造林，初始密度為1 095株·hm-2；闊葉林于1990年造林，初始密度為2 505株·hm-2。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇 2014年10月，對浙江省建德市新安江林場范圍內(nèi)的杉木林、闊葉林進行較大面積間伐，以單位面積株數(shù)計，杉木林、闊葉林的間伐強度為45%～60%。為掌握間伐和林分類型對森林凋落物儲量及土壤持水效能的影響，2019年9月，在3個小流域分別選取坡形、坡度、坡向等地形因子基本一致的2種林分類型(未間伐杉木林、未間伐闊葉林)和2種間伐類型(間伐杉木林、間伐闊葉林)，不同處理樣地面積為30～35 hm2，在不同處理林分中分別設(shè)置20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，調(diào)查喬木層胸徑，并計算密度。不同處理林分的基本情況如表1所示。

表1 不同處理杉木林和闊葉林樣地基本情況Table 1 Basic situation of C. lanceolata and broad-leaved forest plots in different treatments

1.2.2 采樣方法 4個處理分別設(shè)置3個重復(fù)，共計12個標(biāo)準(zhǔn)樣地。在12個標(biāo)準(zhǔn)樣地中，分別在樣地四角及中心位置選取1 m×1 m的小樣方各5個，采集凋落物裝入密封袋，并在小樣方位置挖掘土壤剖面，分別取 0～10、10～30、30～60 cm 環(huán)刀樣品。

1.3 測定方法

1.3.1 凋落物儲量及持水性測定 將采集的凋落物帶回實驗室，稱其自然狀態(tài)質(zhì)量及在85 ℃烘箱中烘至恒量的質(zhì)量，以干質(zhì)量推算凋落物的儲量，并計算自然含水率。采用室內(nèi)浸泡法，稱取一定量烘干的凋落物樣品放入尼龍網(wǎng)袋(已稱量)中，再將裝有凋落物的尼龍網(wǎng)袋放入裝有清水的容器中，并使其完全浸沒，在浸泡0.25、0.50、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00、6.00、8.00、10.00、12.00、24.00 h后分別取出，待瀝干多余水分(無水滴滴落時)稱量，每次稱量所得凋落物濕質(zhì)量與干質(zhì)量的差值，即為凋落物樣品在不同浸泡時長的持水量，并由此計算各時間段的持水速率、最大持水量、最大持水率、最大攔蓄率、有效攔蓄率、有效攔蓄量[7]。公式如下：W0=M1-M0，Rm=W0/M0×100%，W1=M2-M0，R0=W1/M0×100%，Wm=(Rm-R0)M，W=(0.85Rm-R0)M。其中：W0為凋落物最大持水量(g)，Rm為最大持水率(%)，M0為樣品干質(zhì)量(g)，M1為浸泡后凋落物質(zhì)量(g)，M2為樣品鮮質(zhì)量(g)，R0為自然含水率(%)，W1為樣品自然含水量(g)，Wm為最大攔蓄量(t·hm-2)，W為有效攔蓄量(t·hm-2)，M為凋落物蓄積量(t·hm-2)，0.85 為有效攔蓄系數(shù)。

1.3.2 土壤物理性質(zhì)和持水性能測定 用環(huán)刀法測定土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度等[8]。非毛管土壤持水量計算公式為：S=10 000Pth[9]。其中：S為非毛管土壤持水量(t·hm-2)，Pt為土壤非毛管孔隙度(%)，h為土壤層厚度(m)。毛管土壤持水量計算公式為：Sn=10 000Pnh。其中：Sn為土壤毛管持水量(t·hm-2)，Pn為土壤毛管孔隙度(%)，h為土壤層厚度(m)。土壤最大持水量是指土壤孔隙全部充滿水分時的含水量。它的計算公式為：Smax=10 000Pih。其中：Smax為土壤最大持水量(t·hm-2)，Pi為土壤總孔隙度(%)，h為土壤層厚度(m)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，單因素方差分析(ANOVA)，利用Duncan法進行多重比較和差異顯著性分析(P＜0.05)，并利用Origin 2018軟件繪制圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分類型凋落物儲量及持水性能

2.1.1 不同林分類型凋落物儲量 4種處理林分的凋落物總儲量為2.20～5.67 t·hm-2，從大到小依次為未間伐杉木林、間伐杉木林、間伐闊葉林、未間伐闊葉林，其中未間伐杉木林凋落物儲量顯著高于未間伐闊葉林(P＜0.05)，間伐杉木林較未間伐杉木林凋落物儲量顯著降低了25.2%(P＜0.05)，而間伐闊葉林較未間伐闊葉林的凋落物儲量只是略有升高(圖1)。2種林分類型間伐前后凋落物儲量表現(xiàn)有所差異，說明間伐和林分類型對凋落物蓄積量均有不同程度的影響。

圖1 林分類型和間伐對森林凋落物儲量的影響Figure 1 Effects of stand types and thinning on litter stocks of forests

2.1.2 不同林分類型凋落物持水過程 隨著浸水時間的增加，4種處理林分的凋落物持水量呈現(xiàn)“快—緩慢—穩(wěn)定”的增加趨勢。各處理林分在開始浸水時，持水速率相差較大。整個過程中，持水量從大到小依次均為間伐闊葉林、未間伐闊葉林、間伐杉木林、未間伐杉木林。間伐顯著提高了杉木林凋落物在2.00、3.00、5.00、6.00、12.00和24.00 h的持水量，間伐顯著提高了闊葉林凋落物在5.00、6.00、8.00、10.00、12.00和24.00 h的持水量(P＜0.05，圖2)。在開始浸泡時，凋落物的持水速率都很大，這是因為凋落物處于風(fēng)干狀態(tài)，此時凋落物的細胞和表面水勢差較大，當(dāng)浸入水中后，迅速吸水，導(dǎo)致持水速率較大。浸水1.00 h后，4種處理林分的凋落物總持水量分別占24.00 h的63.3%～70.0%。浸泡12.00 h后，凋落物持水量基本達到飽和狀態(tài)，并且各林分凋落物持水速率在浸水0.25～0.50 h時急劇下降，1.00 h后持水速率基本穩(wěn)定，當(dāng)浸水1.00 h時持水量增長的速度和持水速率降低的速度都變緩，可見浸水1.00 h是凋落物發(fā)揮持水能力的關(guān)鍵時期(圖2和表2)。其中，間伐闊葉林凋落物吸水率最大，前0.25 h的持水速率高達7 190 g·kg-1·h-1，顯著高于未間伐杉木林(P＜0.05，表2)。

表2 林分類型和間伐對森林凋落物持水速率的影響Table 2 Effects of stand types and thinning on water absorption rate of forest litters

圖2 林分類型和間伐對森林凋落物持水量的影響Figure 2 Effects of stand types and thinning on water-holding quantity of forest litter

通過擬合得知(表3)，4種不同處理林分的凋落物持水量(y)與浸水時間(t)的關(guān)系，可以用多項式函數(shù)方程y=at2+bt+c進行擬合，它們之間的相關(guān)性達極顯著水平(P＜0.01)；凋落物持水速率(y)與浸水時間(t)的關(guān)系，可以用冪函數(shù)方程y=at-b進行擬合，它們之間的相關(guān)性達顯著水平(P＜0.05)。

表3 不同處理的凋落物持水量或持水速率與凋落物浸泡時間之間的回歸方程與相關(guān)性Table 3 Regression equation and correlation between water-holding capacity or water absorption rate of litter and immersion timefor different treatments

2.1.3 不同處理林分凋落物持水能力 間伐后的杉木林、闊葉林凋落物層有效攔蓄量、有效攔蓄率與最大持水率的變化趨勢基本一致，其中間伐杉木林、間伐闊葉林凋落物層最大持水率分別較未間伐林分顯著增加了24.4%和29.1% (P＜0.05)，間伐闊葉林凋落物最大持水量(8.2±0.5) t·hm-2，較未間伐闊葉林(5.7±0.8) t·hm-2顯著增加了42.5% (P＜0.05)，并且間伐使闊葉林凋落物層有效攔蓄量顯著增加了42.2%(P＜0.05)。這些說明：間伐顯著提高了林分凋落物的持水性能。間伐闊葉林最大持水率顯著高于間伐杉木林(P＜0.05)，但兩者最大持水量差異不顯著(表4)。

表4 不同林分類型凋落物的持水能力Table 4 Waterholding capacity of litter in different stand types

2.2 不同林分類型土壤物理性質(zhì)及土壤持水性能

2.2.1 不同處理林分土壤的物理性質(zhì) 比較不同處理林分的土壤物理性質(zhì)，結(jié)果如表5所示。隨著土層深度的增加，各處理林分土壤容重呈現(xiàn)增大趨勢，4種處理林分的3個土層的土壤容重從大到小依次均為間伐闊葉林、未間伐闊葉林、未間伐杉木林、間伐杉木林，其中在0～10、10～30 cm土層，間伐杉木林土壤容重較未間伐杉木林分別顯著下降了15.5%和12.0%(P＜0.05)。隨著土層深度的增加，各處理林分土壤總孔隙度表現(xiàn)為降低的趨勢，間伐杉木林的土壤總孔隙度在3個林分不同土層中始終最大，并在0～10、10～30 cm土層顯著高于闊葉林的2個處理(P＜0.05)。此外，間伐使杉木林10～60 cm土層非毛管孔隙度顯著增加(P＜0.05)，卻使闊葉林非毛管孔隙度僅在30～60 cm土層顯著增加(P＜0.05)，說明間伐對土壤孔隙度的影響受林分種類的影響。

表5 不同處理林分的土壤物理性質(zhì)Table 5 Soil property and waterholding quantity of different stand types

2.2.2 不同處理林分土壤的持水性能 不同處理林分土壤的水分保蓄能力存在差異。同一土層的土壤最大持水量從大到小依次為間伐杉木林、未間伐杉木林、未間伐闊葉林、間伐闊葉林，間伐杉木林土壤(10～30 cm)的最大持水量顯著高于闊葉林的2個處理(P＜0.05)，說明間伐杉木林土壤持水性能最好。同時，間伐使杉木林非毛管持水量在10～30、30～60 cm土層分別顯著增加了49.0%和25.8%(P＜0.05)，使闊葉林非毛管持水量在30～60 cm土層顯著增加了47.9%(P＜0.05)，而2個間伐處理的土壤非毛管持水量無顯著性差異(表5)。土壤儲水特性主要體現(xiàn)在土壤持水量大小。將不同處理林分各土層最大持水量相加，得到 0～60 cm最大持水量為 3 268.0～3 775.2 t·hm-2，杉木林與闊葉林這2種林分類型間存在顯著性差異(P＜0.05)，并且不受間伐措施的影響。土壤非毛管持水量反映了土壤有效持水量，因此，將不同處理林分各土層非毛管持水量相加，得到0～60 cm土壤非毛管持水量 (896.4～1 166.1 t·hm-2)。由圖3可知：各處理林分非毛管持水總量存在差異，間伐杉木林較未間伐杉木林顯著增加了29.2%(P＜0.05)，間伐闊葉林較未間伐闊葉林增加了26.5%(P＜0.05)，說明間伐能夠改善土壤孔隙度，增加土壤有效持水量。

圖3 不同處理林分0～60 cm土壤的非毛管持水量Figure 3 Non-capillary water-holding capacity of stand soils (0-60 cm)for different treatments

3 討論與結(jié)論

森林凋落物儲量受凋落物的輸入量、分解速度、累積年限、樹種組成和林分密度、生態(tài)恢復(fù)措施等的綜合影響[10-12]。在一定林分密度范圍內(nèi)，隨著林分密度的增加或減小，林內(nèi)凋落物儲量隨之增加或減小[13-14]。本研究中，間伐杉木林凋落物儲量顯著低于未間伐杉木林，這主要是由于間伐杉木林密度小于未間伐杉木林，通過間伐，林分密度的減少一方面減少了森林生物量，另一方面會使林分郁閉度降低，林內(nèi)透光性增強，更利于凋落物的分解，使得凋落物積累量較未間伐杉木林顯著減少。這與間伐華北落葉松Larix principis-rupprechtii凋落物儲量低于未間伐華北落葉松的結(jié)果相似[15]。本研究中，間伐闊葉林凋落物儲量高于未間伐闊葉林，但兩者之間的差距較小，這主要是由于未間伐闊葉林林分密度過大，植株間競爭過大，導(dǎo)致植株生長受到影響，森林生物量較少；另一方面間伐的闊葉林生物量增加，同時林內(nèi)增加的光照與地表溫度加速凋落物的分解，最終兩者之間凋落物儲量差距不明顯。這與間伐強度為50%的大興安嶺用材林的研究結(jié)果相似[16]。本研究中杉木林凋落物儲量大于闊葉林，這與楠桿自然保護區(qū)不同植被類型凋落物儲量的研究結(jié)果一致[17]。

不同處理林分凋落物持水性能和持水速率的變化具有相似的規(guī)律，這與浙江省主要森林類型的研究結(jié)果一致[4,11]。凋落物持水量與浸泡時間存在多項式函數(shù)關(guān)系，而凋落物持水速率與浸水時間的關(guān)系為冪函數(shù)。凋落物持水能力受樹種組成、發(fā)育階段、垂直結(jié)構(gòu)及凋落物分解程度等因素的影響[18]。林分間伐后，凋落物的儲量不同，持水能力也會有較大差異。本研究中，間伐林分凋落物最大持水率、有效攔蓄量、有效攔蓄率均大于相對應(yīng)未間伐林分，其中最大持水率、有效攔蓄率有顯著增加，這與小五臺山華北落葉松林最大持水率在不同間伐強度間差異不顯著的研究結(jié)果不一致[19]，其原因可能是由于樹種不同，凋落物的枝葉比例有差異。間伐杉木林凋落物最大持水量、有效攔蓄量與未間伐杉木林之間的差異不顯著，這主要是因為凋落物最大持水量、有效攔蓄量與凋落物儲量有密切關(guān)系。而間伐闊葉林凋落物最大持水量、有效攔蓄量較未間伐闊葉林顯著增加，這是由于間伐增加了凋落物的持水效能。這與撫育間伐天然次生林顯著增加了未改造林地凋落物最大持水量、有效攔蓄量的研究結(jié)果相似[20]。間伐闊葉林凋落物的最大持水量、有效攔蓄量稍大于間伐杉木林，未表現(xiàn)出顯著性差異，這是由于不同樹種間伐后凋落物儲量、持水效能等變化情況不一致導(dǎo)致的。

土壤孔隙度直接影響土壤的通氣性及滲透性能，土壤容重隨著孔隙度的變大而減小，孔隙度越大土壤有機質(zhì)含量越多，土壤結(jié)構(gòu)越疏松，越有利于雨水下滲，減少地表徑流[21]。間伐提高了杉木林各個土層土壤非毛管孔隙度和土壤總孔隙度，降低了各土層土壤的容重，改善了土壤水文物理性質(zhì)，增強了各土層土壤蓄水能力。杉木林撫育間伐后，土壤的水文物理性質(zhì)得到明顯改善，這與撫育間伐不同齡林杉木人工林的研究結(jié)果一致[22]。間伐也提高了闊葉林各個土層非毛管孔隙度，但土壤容重卻升高了，這與間伐強度為5%的秦嶺林區(qū)銳齒槲櫟Quercus alienavar.acuteserrate林的研究結(jié)果相似[23]。這可能是間伐過程中人為作業(yè)、踩踏等加大了土壤容重，而間伐后樹木根系的死亡，增加了土壤非毛管孔隙度。土壤非毛管孔隙度是決定土壤儲水量的重要因素，是影響森林土壤水源涵養(yǎng)及水土保持功能的主要因素[24]。撫育間伐后，杉木林和闊葉林不同深度土壤非毛管持水量增加，不同深度土壤間伐杉木林最大持水量均顯著大于間伐闊葉林。土壤非毛管持水量隨著林分的間伐而增大，最大持水量因林分不同間伐后表現(xiàn)出不同變化趨勢。撫育間伐降低了林分密度，林內(nèi)的凋落物更易分解，土壤的水文物理性質(zhì)得以改善，土壤蓄水能力隨之增強。

綜上所述，間伐顯著提高了杉木林和闊葉林凋落物的持水能力和土壤的持水性能，同時間伐改變了杉木林與闊葉林之間凋落物儲量、凋落物持水性能的關(guān)系，4個處理中以間伐杉木林的凋落物和土壤整體水源涵養(yǎng)功能最強。