漢江上游不同林齡麻櫟林枯落物的水文功能評價

張淑蘭 ，韓勇 ，楊盼，閆育盈，劉昭雪，李卓瑤

1. 安康學院旅游與資源環(huán)境學院，陜西 安康 725000；2. 安康學院陜西省科協(xié)院士專家工作站，陜西 安康 725000

作為森林生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分，枯落物蓄積量、持水特性和有效攔蓄能力對森林水源涵養(yǎng)功能的發(fā)揮具有重要的作用（Sun et al.，2018；Xia et al.，2019）。受林分類型、林齡、密度和立地條件的影響枯落物的水文功能發(fā)揮明顯不同（時忠杰等，2009；郭建榮等，2012；張淑蘭等，2015；張海濤，2016；高迪等，2019），較多的研究集中在某一地區(qū)多樹種間的枯落物、土壤水文特性的比較研究（Rao et al.，2007；袁秀錦等，2018；公博等，2019；楊建紅等，2020）；但針對同一樹種不同林齡階段的枯落物的水文功能能力的研究相對較少。已有研究表明同一樹種不同林齡階段的枯落物厚度、蓄積、分解程度、性質等存在不同，其水文效應存在較大差異（郭建榮等，2012；高迪等，2019；楊家慧等，2020）。

櫟林是漢江上游秦巴山區(qū)地帶性植被，主要分布在海拔2100 m以下地區(qū)，以其特有的生物學特性和生態(tài)學特性占據(jù)著絕對優(yōu)勢，其分布廣、面積大，占全區(qū)林地總面積的62.3%（甄學淵等，2014）；因此，櫟林的涵養(yǎng)水源和水土保持等生態(tài)功能的發(fā)揮對維持漢江上游流域生態(tài)平衡具有重要的作用。麻櫟林（Quercus acutissima）是該區(qū)主要櫟類樹種之一，普遍存在于漢江上游的巴山地區(qū)，國家和政府實施退耕還林工程以后，雖然森林覆蓋率有所提高，但是森林的生態(tài)系統(tǒng)質量并不高，特別是大部分麻櫟林處于幼、中齡林階段，低等和差等占較大比重（51.3%），林地生產(chǎn)力低，林分結構不合理，存在“過密、過稀、過純”的三過問題（秦嶺生態(tài)系統(tǒng)綜合管理研究，2018），從而導致生物多樣性降低、水源涵養(yǎng)功能下降等問題。本文以漢江上游安康市漢濱區(qū)的天柱山作為試驗地點，選擇立地條件相近、不同林齡的麻櫟林，進行了枯落物厚度、分解狀態(tài)、儲蓄量及水文功能的研究，定量描述不同生長階段麻櫟林枯落物的涵養(yǎng)水源能力，為漢江上游櫟林林分可持續(xù)經(jīng)營管理和生態(tài)效益評價提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

天柱山位于陜西省南部安康市漢濱區(qū)西南約15 km處，海拔高1489 m，保護區(qū)面積為333 km，風景區(qū)面積為 82.46 km，中心位置（天柱峰）地理座標為 116°27′E，30°43′N，屬于大巴山山系。氣候屬于北亞熱帶季風氣候過渡帶，冬季寒冷少雨，夏季多雨且有伏旱；年平均氣溫為15—17 ℃，年平均降水量1050 mm。土壤以黃棕壤為主。植被主要以櫟類為優(yōu)勢種和建群種形成的純林和混交林，在其樹種組成中櫟類可占到80%以上，主要為麻櫟（）、銳齒槲櫟（Bl.var.）、栓皮櫟（）等。其中，人工次生麻櫟林的面積與蓄積占研究區(qū)林分總和的70%—80%，以中、幼林齡為主，且主要分布于海拔1200 m以下。

2 研究方法

2.1 樣地設置與樣品采集

在2020年12月，在天柱山南坡選取不同林齡（平均林齡分別為15 a、25 a、33 a）的麻櫟林設置樣地（表1）。在3個不同林齡的麻櫟林樣地內(nèi)分別隨機布設3個具有代表性的小樣方，樣方面積為0.50 m×0.50 m，同時測量枯落物總厚度、未分解層厚度和半分解層厚度。利用塑料袋將樣方內(nèi)的枯落物按不同分解層收集好，帶到實驗室進行測定。

表1 不同林齡麻櫟林研究樣地概況Table 1 General situation of Quercus acutum forest plot at different ages

2.2 枯落物蓄積量的測定

將枯落物樣品帶入實驗室后稱量自然濕質量，隨后將枯落物樣品在65 ℃烘干至恒定質量并再次稱質量，計算3個不同林齡麻櫟林內(nèi)的枯落物未分解層和半分解層的蓄積量（）和自然含水率（）。

2.3 枯落物層持水特性的測定

采用浸泡法測定持水能力。取部分烘干的枯落物樣品裝入尼龍袋后稱質量，再浸入水中，分別測定其在 5、10、20、40、60、90、120、240、360、720、1440 min時的質量（靜置到枯落物不滴水為止），每個林齡林分的3個枯落物樣品重復3次，利用下面的公式計算枯落物持水功能指標（張淑蘭等，2015；趙鵬等，2020）：

式中：

、——枯落物自然含水率（%）和最大持水率（%）；

、——自然持水量（t·hm）和最大持水量（t·hm）；

、、——分別為浸水 24 h 的濕質量（g）、枯落物的干質量（g）、枯落物的鮮質量（g）；

——枯落物每公頃蓄積量（t·hm）。

2.4 枯落物最大攔蓄量和有效攔蓄量的測定

枯落物的最大攔蓄量和有效攔蓄量的計算公式分別為（時忠杰等，2009）：

式中：

、、、最大攔蓄率（%）、最大持水率（%）、自然含水率（%）、有效攔蓄率（%）；

最大攔蓄量（t·hm）、有效攔蓄量（t·hm）；

——樣地枯落物現(xiàn)存量（t·hm），0.85為有效攔蓄系數(shù)。

2.5 枯落物水文功能評價

采用熵權法對3個不同林齡的麻櫟林樣地的枯落物水文功能進行綜合評價。對水文功能指標進行標準化，包括枯落物厚度及蓄積量、最大持水率、最大持水量、有效攔蓄率、有效攔蓄量等指標，通過計算熵值確定各指標的權重，進而綜合評價不同林齡的麻櫟林枯落物涵養(yǎng)水源的功能。其熵值計算公式（郭建榮等，2012；高迪等，2019）為：

式中：

G——熵值；

S ——第個林齡類型的第個指標的比重（即標準化值）；

A ——第個林齡類型的第個指標值；為林齡類型數(shù)；為水文效應指標數(shù)。最后根據(jù)熵值計算各指標的權重（W），計算公式為：

由此可見，水文功能指標的熵值G越小，其權重就越大，在水文效應評價中起到的作用也越大；反之亦然。最后，利用各水文功能指標權重與其標準化值乘積之和為綜合評價值，其值越高，水文功能越強。

3 結果與分析

3.1 枯落物厚度及蓄積量

表2可以看出，不同林齡的枯落物總厚度在3.0—4.8 cm之間，未分解層厚度在1.2—3.6 cm，均表現(xiàn)為33 a>25 a>15 a，而半分解層厚度在1.2—1.8 cm，表現(xiàn)為15 a>25 a>33 a；不同林齡枯落物蓄積量介于 13.76—14.39 t·hm，表現(xiàn)為 33 a>15 a>25 a，其中未分解層為 3.63—9.94 t·hm，表現(xiàn)為 33 a>25 a>15 a，而半分解層為 4.45—10.2 t·hm，表現(xiàn)為15 a>25 a>33 a?？擅黠@看出，幼、中齡林15 a、25 a的麻櫟林未分解層的蓄積量比例均低于半分解層的，而齡林33 a的未分解層的蓄積量比例明顯高于半分解層的。通過單因素方差分析可知，不同林齡的麻櫟林枯落物厚度和蓄積量差異均不顯著（=0.591；=0.993）。

表2 不同林齡麻櫟林枯落物的蓄積量及其組成Table 2 Litter volume and composition of Quercus acutum forest at different forest ages

3.2 枯落物的持水過程

3.2.1 枯落物持水量隨浸泡時間的變化

不同林齡的麻櫟林枯落物持水過程如圖1，不論是未分解層還是半分解層3個林齡的枯落物持水量均在浸泡10 min內(nèi)迅速增加，之后持水量累計增加量迅速減少且很快進入平緩增加狀態(tài)，特別是20 min之后增加非常緩慢，直到24 h達到最大持水量，且未分解層枯落物的最大持水量略大于半分解層的。3個不同林齡麻櫟林未分解層枯落物隨浸泡時間的持水量表現(xiàn)為15 a>33 a>25 a；而半分解層枯落物的持水量情況則表現(xiàn)25 a和15 a林齡的累計持水量差異非常小，在6 h之前25 a的略大于15 a的，之后二者的持水量幾乎相等，但二者均大于33 a的。對浸泡期間的枯落物持水量和浸泡時間進行擬合，如表3符合對數(shù)函數(shù)方程式：

表3 不同林齡麻櫟林枯落物持水量與浸水時間關系式Table 3 Relation between water holding capacity and soaking time of litter of Quercus acutum forest at different ages

圖1 不同林齡麻櫟林未分解層和半分解層的林枯落物持水量隨浸泡時間的變化Figure 1 Change of water capacity of litter in undecomposed layer and semi-decomposed layer with soaking time in Quercus acutissima forest at different ages

式中：

——枯落物持水量（g·g）；

——浸泡時間（h）；

——方程系數(shù)；

——方程常數(shù)項。

3.2.2 枯落物持水速率隨浸泡時間的變化

枯落物的浸泡實驗（圖2）表明麻櫟林未分解層和半分解層的枯落物在浸水5、10 min時具有較大的瞬時吸水速率，20 min以后迅速降低，在2 h以后瞬時吸水速率開始趨向于0，因此主要的吸水過程在2 h以內(nèi)，且從整個吸水過程看半分解層的枯落物吸水速率略大于未分解層的。未分解層枯落物的瞬時吸水速率表現(xiàn)為15 a>33 a>25 a；而半分解層的表現(xiàn)出25 a>15 a>33 a，似乎幼中齡的麻櫟林枯落物吸水速率更快。分別對不同林齡未分解和半分解層的枯落物的吸水速率與浸水時間進行模型擬合，結果如表4所示，吸水速率與浸水時間符合冪函數(shù)方程式：=kt，式中為枯落物吸水速率（g·g·h)；為浸泡時間（h）；為方程系數(shù)；為指數(shù)。

圖2 不同林齡麻櫟未分解層和半分解層的林枯落物持水量隨浸泡時間的變化Figure 2 Change of water absorption rate of litter in undecomposed layer and semi-decomposed layer with soaking time in Quercus acutissima forest at different ages

表4 不同林齡麻櫟林枯落物持水速率與浸水時間關系式Table 4 The relation between the water holding rate and the soaking time of litters of Quercus acutissima forest at different ages

3.3 枯落物自然持水量（率）與最大持水量（率）

麻櫟林3個不同林齡樣地總枯落物自然持水率為48.60%—78.02%，總枯落物自然持水量介于6.72—11.59 t·hm；其中，枯落物未分解層的自然持水量介于2.39—5.03 t·hm，半分解層的介于3.05—9.20 t·hm（如表 5）。受林分結構、微地形等影響，不同林齡麻櫟林的枯落物自然持水量（率）存在一定的差異。通過單因素方差分析可知，麻櫟林枯落物自然含水率在不同林齡樣地差異顯著（=0.017），總枯落物層、未分解層和半分解層枯落物自然含水率的大小依次均為15 a>33 a>25 a；不同林齡總枯落物層的自然持水量大小關系與自然持水率的一致，但未分解層和半分解層枯落物的自然持水量林齡差異與自然持水率明顯不同，未分解層表現(xiàn)為33 a>25 a>15 a，半分解層為15 a>25 a>33 a；然而，3個林齡的枯落物自然持水量差異不顯著（=0.508）。另外，幼中齡林15、25 a的未分解層的枯落物自然持水量均大于半分解層的，而33 a則相反。

表5 不同林齡的麻櫟林枯落物自然持水和最大持水情況Table 5 Natural water holding capacity and maximum water holding capacity of litter in Quercus acutum forest at different ages

3個不同林齡樣地總枯落物的最大持水率介于231.84%—245.86%，未分解層的介于 245.37%—260.04%，半分解層的介于218.31%—232.12%；總枯落物的最大持水量介于32.81—34.10 t·hm（相當于3.2—3.4 mm的水深），未分解層的介于9.14—24.39 t·hm（相當于0.9—2.4 mm的水深），半分解層的介于9.71—23.68 t·hm（相當于1.0—2.4 mm的水深）（如表5）。從最大持水率看，無論是未分解層還是半分解層均是幼中齡林 15、25 a均大于33 a；從最大持水量看，未分解層枯落物的最大持水量表現(xiàn)為33 a>25 a>15 a，而半分解層則正好相反，為15 a>25 a>33 a。然而，不同林齡麻櫟林枯落物的最大持水率和最大持水量進行單因素方差分析，發(fā)現(xiàn)二者在不同林齡之間的差異不顯著（=0.428；=0.997）。

3.4 枯落物有效攔蓄量

表6可以看出，不同林齡麻櫟林的枯落物最大攔蓄量介于 21.22—26.03 t·hm，表現(xiàn)為 33 a>25 a>15 a；有效攔蓄量介于 6.45—14.52 t·hm，但 33 a略小于25 a，但二者明顯大于15 a。未分解層的枯落物最大攔蓄量介于6.75—19.36 t·hm，表現(xiàn)為33 a>25 a>15 a；而半分解層的枯落物最大攔蓄量介于 6.67—14.48 t·hm，表現(xiàn)為 15 a>25 a>33 a。未分解層的枯落物有效攔蓄量介于 3.34—11.43 t·hm，不同林齡表現(xiàn)為33 a>25 a>15 a；而半分解層的介于 2.62—8.02 t·hm，表現(xiàn)為 25 a>15 a>33 a單因素方差顯示最大攔蓄量和有效攔蓄量在不同林齡之間差異均不顯著（=0.884；=0.331）。此外，不同林齡麻櫟林枯落物的最大攔蓄率均表現(xiàn)為未分解層>半分解層；幼中齡15 a和25 a的枯落物最大攔蓄量表現(xiàn)為半分解層>未分解層的，而33 a的正好相反；15 a和33 a的枯落物有效攔蓄量表現(xiàn)為未分解層>半分解層，而25 a的正好相反。

表6 不同林齡的麻櫟林枯落物最大攔蓄量和有效攔蓄量Table 6 The maximum and effective storage of litter in Quercus acuvarius stands at different ages

3.5 枯落物水源涵養(yǎng)能力評價

雖然3個不同林齡的麻櫟林的枯落物厚度、蓄積量、最大持水率、最大持水量、有效攔蓄率和有效攔蓄量均表現(xiàn)出差異不顯著，但為了更為直觀的了解麻櫟林涵養(yǎng)水源情況，所以選擇了該6個指標對3個不同林齡的麻櫟林枯落物水文功能做了進一步的綜合評價，如表7。其中枯落物蓄積量、最大持水率的熵權重值最大，均為 17.67%；其次為最大持水量和有效攔蓄率，分別為17.65%和17.61%；再次為枯落物厚度，為 16.80%；最后為有效攔蓄量，為12.47%。從各指標的得分之和看，3個不同林齡的麻櫟林枯落物水文功能大小依次為 33 a(35.45)>25 a (34.10)>15 a (30.35)。

表7 不同林齡麻櫟林的枯落物水文功能綜合評價得分Table 7 Comprehensive evaluation scores of hydrological functions of litter in Quercus acutum forest at different ages

4 討論

4.1 麻櫟林的枯落物蓄積量除受林齡因素影響外，更多的受到林分密度、局部水熱條件、累積時間的影響

首先，一般隨著林齡的增長，林內(nèi)枯落物量會增多，且相對更加緊實、孔隙較小和密度較大（張學龍等，2015；高迪等，2019）；但本研究中3個不同林齡的麻櫟林樣地的枯落物層厚度及蓄積量并未表現(xiàn)出隨林齡有明顯的規(guī)律變化，如15 a麻櫟林枯落物儲蓄量稍高于25 a，這主要與二者的林分密度有關，特別是 15 a幼齡林林分密度過大（1.6×10tree·hm）會產(chǎn)生較多的枯落物。其次，從未分解層和半分解層的枯落物蓄積量比例看，33 a的未分解層的比例明顯大于半分解層的，而15 a和25 a的則相反，特別是15 a的半分解層枯落物蓄積量比例超過70%；這可能由于林分過密導致林內(nèi)溫濕度不易擴散，有利于當年新的枯落物分解，從而增加半分解層厚度和蓄積量，而33 a相對林分密度降低，林內(nèi)空氣流通較好，溫濕度條件不利于枯落物的分解，從而未分解層較厚且量大；實地考察也發(fā)現(xiàn)15 a的枯落物層較其他二者更為緊實、厚重，而33 a和25 a的未分解層較為松散。最后，本研究的枯落物采樣時間是12月中旬，因此這時的麻櫟林枯落物層厚度和蓄積量應該是全年中累積最多的時期，特別是未分解層厚度；隨著春、夏季的到來，特別是漢江上游的氣候屬于亞熱帶氣候，麻櫟林枯落物會有較大部分因為昆蟲取食、微生物分解、雨水作用等累積量明顯減少；因此，針對麻櫟林枯落物蓄積量及水文功能發(fā)揮會隨季節(jié)變化方面，其相關結果有待進一步研究。

4.2 不同林齡的麻櫟林枯落物的持水規(guī)律具有一致性，且與浸泡時間存在函數(shù)關系

枯落物持水量和持水率是反映枯落物含蓄水分能力的重要指標，主要取決于枯落物的質地、組成、結構和分解程度等（張海濤等，2016；高迪等，2019）。不同林齡的麻櫟林枯落物的持水規(guī)律具有一致性，枯落物持水量均10 min內(nèi)迅速增加，20 min后緩慢平穩(wěn)的增大直到24 h恒定；相應的持水速率在20 min內(nèi)降低較劇烈，2 h之后持水速率以接近0的趨勢變?。贿@與郭建榮等（2012）對寶天曼自然保護區(qū)不同林齡銳齒櫟林枯落物層水文特性中的持水過程較相似，同時，也說明漢江上游麻櫟林枯落物對降水的攔蓄有效時間大概在 2 h之內(nèi)。另外，3個林齡麻櫟林的未分解層和半分解層的枯落物持水量和持水速率均與浸泡時間分別存在對數(shù)函數(shù)（s=aln(t)+b）和冪函數(shù)關系（v=kt），擬合系數(shù) R分別為 0.7646—0.9606和 0.9933—0.9943，其與較多研究（郭建榮等，2012；王美蓮等，2015；陳進等，2018；楊家慧等，2020）研究結果一致，證明可以利用該經(jīng)驗方程進行麻櫟林枯落物水文要素的預測和模擬。

4.3 枯落物最大持水量在林齡之間的差異不顯著；未分解層枯落物持水性能起主要作用

有研究表明（高迪等，2019；楊家慧等，2020），隨著林齡的增加，枯落物的最大持水量會增大；但是本研究中麻櫟林枯落物最大持水量隨林齡增加而增加不顯著（P=0.997），這主要是因為 3個林齡的枯落物蓄積量差異不顯著（P=0.993）。從最大持水率看，3個不同林齡的麻櫟林未分解層的最大持水率均高于半分解層的，因此該林分中未分解層枯落物蓄積量的比例越高（33 a>25 a>15 a），其最大持水量會越大，這與高迪等（2019）的研究認為華北落葉松林中半分解層的持水性能在枯落物水源涵養(yǎng)中起主要作用是不同的，這可能與不同樹種的枯落物自身性質和所處的自然環(huán)境因素不同有關。另外，麻櫟林半分解層枯落物的最大持水量隨林齡增大而降低，即與未分解層的正好相反（15 a>25 a>33 a），這也使得3個林齡之間枯落物最大持水量差異不大。

4.4 枯落物有效攔蓄量受多種因素影響，需要進行水源涵養(yǎng)能力的綜合評價

研究表明，25 a的麻櫟林枯落物有效攔蓄量最大，33 a的次之，15 a的最小，但三者之間的差異不顯著（P=0.331）?？萋湮镉行r蓄能力不僅受到林齡因素的影響，還與林分密度、枯落物自然持水率、枯落物本身性質等有關（李陽等，2019）；而本研究中枯落物的自然持水率對其有效攔蓄能力的影響可能是主要原因。從3個林齡的枯落物蓄積量看，雖然25 a的枯落物蓄積量是最小的，但其較低的自然持水率導致其具有較大有效攔蓄率，從而其有效攔蓄力有可能會高于蓄積量較多的 33 a和15 a的。正是由于較多的不確定因素存在，本研究進一步對3個林齡的枯落物水源涵養(yǎng)能力做了綜合評價，選取的6個水文功能指標均有效，最后發(fā)現(xiàn)水源涵養(yǎng)能力大小為33 a>25 a>15 a。

5 結論

（1）漢江上游麻櫟林枯落物的厚度、蓄積量、自然持水量、最大持水率、最大持水量、最大攔蓄量，有效攔蓄量在不同林齡之間差異不顯著（P=0.591；P=0.993；P=0.508；P=0.428；P=0.997；P=0.331）；不同林齡的半分解層枯落物吸水速率略大于未分解層；未分解層枯落物的最大持水量略大于半分解層的。

（2）不同林齡內(nèi)的未分解層枯落物隨浸泡時間的持水量表現(xiàn)為15 a>33 a>25 a，而半分解層的持水量則表現(xiàn)6 h之前25 a的略大于15 a的，之后二者的持水量幾乎相等，但二者均大于33 a的，其與浸泡時間具有對數(shù)函數(shù)關系，R為 0.7646—0.9606；未分解層枯落物的瞬時吸水速率表現(xiàn)為15 a>33 a>25 a；而半分解層的表現(xiàn)出25 a>15 a>33 a，其與浸泡時間具有冪函數(shù)關系，R為 0.9933—0.9943。

（3）水源涵養(yǎng)能力綜合評價大小依次為 33 a(35.45)>25 a (34.10)>15 a (30.35)。