誘導(dǎo)改造對(duì)大興安嶺低質(zhì)低效林枯落物水文效能的影響1)

管惠文 董希斌

(浙江水利水電學(xué)院，杭州，310018) (森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))

森林是地球上凈化水資源、調(diào)節(jié)大氣降水分配和涵養(yǎng)水源的重要生態(tài)系統(tǒng)，因此合理經(jīng)營森林至關(guān)重要。國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)森林的研究從未中斷，Makarieva et al.[1]認(rèn)為森林的冠層有助于維持森林小氣候的水汽平衡，植被覆蓋是使得森林含水率高于其他陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要原因，因此使林分達(dá)到郁閉有助于水分循環(huán)。萬睿等[2]在三峽庫區(qū)，以蘭陵溪小流域4種植被類型為研究對(duì)象，對(duì)比森林水文過程10種離子含量和pH的變化，結(jié)果該區(qū)域內(nèi)不同林分的樹干莖流和穿透雨均出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，說明水在森林內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)循環(huán)變化，水環(huán)境均受到污染。徐慶等[3]將環(huán)境同位素技術(shù)引入森林水循環(huán)研究中，為研究提供技術(shù)革新。這部分學(xué)者聚焦于森林生態(tài)系統(tǒng)水分的流入與流出動(dòng)態(tài)過程，將森林作為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)而開展科學(xué)研究。

同時(shí)，部分學(xué)者更加注重對(duì)于森林單一層面水的流動(dòng)或者多個(gè)層面之間互動(dòng)的研究，包括森林垂直結(jié)構(gòu)的若干層次、地面徑流、地下水等。其中，針對(duì)林分冠層、土壤層和枯落物層的研究較多[4-7]。森林枯落物主要由樹葉、枝丫、果實(shí)等構(gòu)成，是森林涵養(yǎng)水源的重要活動(dòng)層，是銜接冠層和土壤層的紐帶，對(duì)水分和養(yǎng)分循環(huán)都起到重要作用?？萋湮锏奶攸c(diǎn)是其表面結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，有較大的比表面積，對(duì)降水起到截留作用，持水性能良好，方便水分透過枯落物下滲到土壤中[8-10]。同時(shí)，對(duì)流經(jīng)的水起到過濾、凈化有害物質(zhì)的作用?？萋湮镌诤导灸軌蛞种屏值厮值恼舭l(fā)，在雨季能夠截留降水，減輕洪水侵蝕?？萋湮飫澐譃槿纸鈱?、半分解層和未分解層，其中全分解層已經(jīng)基本融入土壤中，而半分解層和未分解層提高了地表粗糙度，能夠減緩地表徑流[11-13]。此外，枯落物能夠供應(yīng)植被生長所需養(yǎng)分、保持土壤溫度、改良土壤養(yǎng)分等。對(duì)于枯落物展開的研究也有很多，陳百靈等[14]通過對(duì)大興安嶺白樺林枯落物持水能力展開測(cè)定，基于改造第4年的試驗(yàn)結(jié)果，得出6 m和14 m寬的帶狀改造后枯落物持水性能較好的結(jié)論。趙曉靜等[15]通過研究森林降雨和透水化學(xué)效應(yīng)，結(jié)果表明間伐強(qiáng)度為20%時(shí)，有助于枯落物層凈化過濾水中的Pb2+等重金屬物質(zhì)。王謙等[16]以陜西榆林地區(qū)不同密度的樟子松為研究對(duì)象，結(jié)果表明枯落物層的持水能力隨著林分密度的增加而增加。

整體而言，現(xiàn)有研究多停留在對(duì)枯落物試驗(yàn)結(jié)果的分析，對(duì)隨時(shí)間變化的枯落物持水性能模型研究較少，因此，本文以誘導(dǎo)改造后4種低質(zhì)低效林為研究對(duì)象，基于連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建枯落物持水性能模型，為更好地反映枯落物的持水效應(yīng)提供借鑒和參考，為合理經(jīng)營低質(zhì)低效林提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)地處大興安嶺加格達(dá)奇，丘陵地帶，土壤以暗棕壤為主。地處寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，全年無霜期80～100 d，年平均降水量超過500 mm。試驗(yàn)區(qū)低溫時(shí)間漫長寒冷，高溫時(shí)間短暫，但日照時(shí)間較長，晝夜溫差大，年平均氣溫為-1.2 ℃。2009年設(shè)置實(shí)驗(yàn)樣地，其中，針闊混交低質(zhì)林在躍進(jìn)林場(124°14′44.4″～124°15′35.5″E,50°30′45.3″～50°31′17.4″N)，坡向?yàn)楸?，坡位為上，坡度?°，土壤厚度為22 cm，喬木層優(yōu)勢(shì)樹種為興安落葉松(Larixgmelinii)、白樺(Betulaplatyphylla)和蒙古櫟(Quercusmongolica)，郁閉度為0.3，平均胸徑為9.3 cm，平均樹高為8.8 m。灌木以胡枝子(Lespedezabicolor)為主，蓋度為17%，草本以羊胡子苔草(Carexcallitrichos)為主，蓋度為27%。蒙古櫟和白樺低質(zhì)林在翠峰林場(124°23′47.8″～124°24′35.1″E,50°34′9.17″～50°34′32.0″N)。其中蒙古櫟林樣地坡向?yàn)闁|南，坡位為中，坡度為8°，土壤厚度為22 cm，喬木層優(yōu)勢(shì)樹種為蒙古櫟，郁閉度為0.4，平均胸徑為8.2 cm，平均樹高為8.7 m。灌木以胡枝子為主，蓋度為15%，草本以蒼術(shù)(Atractylodeslancea)為主，蓋度為30%。白樺林樣地坡向?yàn)闁|北，坡位為中，坡度為7°，土壤厚度為22 cm，喬木層優(yōu)勢(shì)樹種為白樺，郁閉度為0.3，平均胸徑為10.1 cm，平均樹高為11.3 m。灌木以杜鵑柳(Salixrhododendrifolia)為主，蓋度為12%，草本以蒼術(shù)為主，蓋度為27%。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2009年春季在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行誘導(dǎo)改造，改造示意圖如圖1所示。圖中空白部分為改造帶，改造帶的帶長為300 m，帶寬為6 m(S1)、10 m(S2)、14 m(S3)、18 m(S4)。陰影部分為保留帶，保留針葉幼苗樹種，伐除非目的闊葉樹種，其中針闊混交林伐除蒙古櫟、白樺、山楊，蒙古櫟林中伐除蒙古櫟，白樺林中伐除白樺，改造帶劃分為長度為100 m的3段樣地，分別栽植3年生興安落葉松、西伯利亞紅松(Pinussylvestris)、樟子松(Pinuskoraiensis)，栽植苗木株行距為2.0 m×1.5 m。在改造樣地旁設(shè)置對(duì)照樣地，為未采伐樣地。

圖1 改造樣地設(shè)置圖

2.2 數(shù)據(jù)采集

2010—2018年的7、8月份在誘導(dǎo)改造樣地內(nèi)取樣，按照“S”型布點(diǎn)法在不同帶寬、不同補(bǔ)植苗木區(qū)域內(nèi)設(shè)置樣方，分別設(shè)置5個(gè)30 cm×30 cm的枯落物取樣點(diǎn)，收集半分解層和未分解層的枯枝爛葉，將取回的枯落物鮮質(zhì)量進(jìn)行稱量，并帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)量指標(biāo)[17]。實(shí)驗(yàn)室操作包括烘箱烘干枯落物、枯落物浸泡等。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2016進(jìn)行整理，并利用R 3.6.2進(jìn)行函數(shù)關(guān)系的確定，繪圖用origin完成。

2.3 數(shù)據(jù)分析

Olson[18]于1963年提出枯落物分解的指數(shù)模型，用以解決不同類型枯落物的分解問題?；诖?，根據(jù)研究對(duì)象的不同，許多專家學(xué)者分別提出針對(duì)分解環(huán)境和不同林分枯落物的模型參數(shù)，用以區(qū)分林分的差異性[18-23]。本文研究大興安嶺3種低質(zhì)低效林9 a間，經(jīng)誘導(dǎo)改造后枯落物分解速率和持水性能的變化，基于前人已驗(yàn)證的指數(shù)模型，判斷誘導(dǎo)改造模式對(duì)森林中枯落物水文性能的影響。本文中單一林分取值樣本有限，構(gòu)建模型時(shí)準(zhǔn)確度較低且容易出現(xiàn)偏差，因此將3種低質(zhì)低效林枯落物的樣本統(tǒng)一于一個(gè)模型中，為了消除不同林分間的差異，分別將改造樣地與其對(duì)應(yīng)林分的對(duì)照樣地進(jìn)行比較，從而反映不同帶寬模式和改造苗木對(duì)各指標(biāo)影響的時(shí)間變化情況(表1)。指數(shù)模型如公式(1)所示。

Y=A+Bexp(-CX)。

(1)

式中：Y表示改造樣地與對(duì)照樣地指標(biāo)值的比值；X表示改造年份；A、B、C為模型參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 改造帶寬對(duì)枯落物蓄積量的影響

未分解層和半分解層蓄積量不同改造帶寬隨改造時(shí)間的變化曲線如圖2所示。擬合曲線為指數(shù)模型，結(jié)果表明經(jīng)不同帶寬改造后的樣地蓄積量指數(shù)模型調(diào)整R2均在0.90以上，擬合度較高。說明經(jīng)不同帶寬改造的枯落物未分解層和半分解層蓄積量隨改造時(shí)間的變化滿足指數(shù)模型。改造9 a后，改造樣地未分解層和半分解層的蓄積量與對(duì)照樣地的比值趨近于1。說明改造9 a后，經(jīng)帶狀改造的樣地枯落物蓄積量和對(duì)照樣地基本相同，改造帶來的影響隨著時(shí)間變化逐漸減小。由表1可知，未分解層蓄積量中S4樣地B、C參數(shù)偏低，半分解層蓄積量中S3、S4樣地B參數(shù)偏低，S2樣地中C參數(shù)偏低，但總體而言，不同改造帶寬對(duì)未分解層和半分解層蓄積量的指數(shù)分解模型參數(shù)無顯著影響(P<0.05)。

表1 不同改造帶寬枯落物蓄積量模型參數(shù)

圖2 不同改造帶寬枯落物蓄積量的時(shí)間變化

3.2 改造苗木對(duì)枯落物蓄積量的影響

未分解層和半分解層蓄積量不同改造苗木隨改造時(shí)間的變化曲線如圖3所示。擬合曲線為指數(shù)模型，結(jié)果表明種植不同苗木的樣地蓄積量對(duì)應(yīng)的調(diào)整后R2均在0.90以上，擬合度較高。說明種植不同苗木的枯落物未分解層和半分解層蓄積量隨改造時(shí)間的變化滿足指數(shù)模型。種植不同苗木的樣地改造1 a后的枯落物蓄積量存在差異，改造9 a后，種植西伯利亞紅松的樣地半分解層蓄積量低于對(duì)照樣地。由表2可知，未分解層蓄積量中，種植西伯利亞紅松的樣地A參數(shù)顯著高于其他兩個(gè)樣地，種植興安落葉松的樣地B參數(shù)顯著高于其他兩個(gè)樣地，種植興安落葉松和種植樟子松的樣地間C參數(shù)差異性顯著。半分解層蓄積量中，種植興安落葉松的樣地A參數(shù)顯著高于其他兩個(gè)樣地，種植興安落葉松和種植樟子松的樣地B參數(shù)差異性顯著。

表2 不同改造苗木枯落物蓄積量模型參數(shù)

圖3 不同改造苗木枯落物蓄積量的時(shí)間變化

3.3 改造帶寬對(duì)枯落物有效攔蓄量的影響

未分解層和半分解層有效攔蓄量不同改造帶寬隨改造時(shí)間的變化曲線如圖4所示。擬合曲線為指數(shù)模型，結(jié)果表明經(jīng)不同帶寬改造后的樣地有效攔蓄量指數(shù)模型調(diào)整R2均在0.90以上，擬合度較高。說明經(jīng)不同帶寬改造的枯落物未分解層和半分解層有效攔蓄量隨改造時(shí)間的變化滿足指數(shù)模型。改造9 a后，改造樣地未分解層和半分解層的有效攔蓄量與對(duì)照樣地的比值趨近于1。說明改造9 a后，經(jīng)帶狀改造的樣地枯落物有效攔蓄量和對(duì)照樣地基本相同，改造帶來的影響隨著時(shí)間變化逐漸減小。由表3可知，未分解層和半分解層有效攔蓄量S2改造樣地初始值較高，經(jīng)9 a的分解后，S2樣地的未分解層有效攔蓄量已經(jīng)與其他改造樣地基本持平，但半分解層有效攔蓄量仍高于其他改造樣地。其中，未分解層有效攔蓄量中S3改造樣地的C參數(shù)顯著高于其他樣地，S2的C參數(shù)顯著低于S4樣地，半分解層有效攔蓄量S1改造樣地的C參數(shù)顯著高于其他樣地，S3的C參數(shù)顯著高于S4樣地，其他參數(shù)各樣地間無顯著差異(P<0.05)。

表3 不同改造帶寬枯落物有效攔蓄量模型參數(shù)

圖4 不同改造帶寬枯落物有效攔蓄量的時(shí)間變化

3.4 改造苗木對(duì)枯落物有效攔蓄量的影響

未分解層和半分解層有效攔蓄量不同改造苗木隨改造時(shí)間的變化曲線如圖5所示。擬合曲線為指數(shù)模型，結(jié)果表明種植不同苗木的樣地有效攔蓄量對(duì)應(yīng)的調(diào)整后R2均在0.90以上，擬合度較高。說明種植不同苗木的枯落物未分解層和半分解層有效攔蓄量隨改造時(shí)間的變化滿足指數(shù)模型。種植不同苗木的樣地改造1 a后的枯落物有效攔蓄量存在差異，改造9 a后，種植西伯利亞紅松的樣地未分解層和半分解層有效攔蓄量仍低于對(duì)照樣地。由表4可知，未分解層有效攔蓄量中，種植興安落葉松的樣地A、B、C參數(shù)均顯著高于其他兩個(gè)樣地，且種植樟子松的樣地B參數(shù)高于種植西伯利亞紅松的樣地。半分解層有效攔蓄量中，種植西伯利亞紅松的樣地A參數(shù)顯著低于其他兩個(gè)樣地，B、C參數(shù)3種種植方式的差異性不顯著。

表4 不同改造苗木枯落物有效攔蓄量模型

圖5 不同改造苗木枯落物有效攔蓄量的時(shí)間變化

4 結(jié)論與討論

大興安嶺3種典型低質(zhì)低效林經(jīng)誘導(dǎo)改造9 a后，枯落物蓄積量和有效攔蓄量均隨時(shí)間呈指數(shù)函數(shù)變化，這說明枯落物水文性能與改造時(shí)間的關(guān)系滿足指數(shù)模型，這與普通林分中枯落物的分解模式相似[18]。兩種改造模式對(duì)枯落物分解速率的影響不同，改造帶寬對(duì)3種典型林分的枯落物分解速率未產(chǎn)生顯著影響，種植苗木的不同對(duì)枯落物分解模型造成一定的差異。

帶寬改造9 a后，枯落物的水文效能基本恢復(fù)到改造前狀態(tài)。改造初期，枯落物蓄積量明顯提升，這主要是因?yàn)楦脑觳煞r(shí)帶來的枯枝落葉在微生物作用下迅速分解，且采伐后林地光照增強(qiáng)，均有利于枯落物的分解。相關(guān)研究表明枯枝落葉分解直接關(guān)系到土壤肥力的維持和恢復(fù)，改造間伐時(shí)不能取走枯枝落葉層，要盡量多地留下剩余物[24]。改造9 a后，帶狀改造樣地枯落物蓄積量和有效攔蓄量與對(duì)照樣地基本持平，說明改造采伐時(shí)的剩余物分解基本完成，帶狀改造對(duì)于枯落物水文性能的影響不大。皆伐會(huì)導(dǎo)致土壤微氣候的變化從而影響微生物活性，過渡的采伐會(huì)導(dǎo)致森林氣候驟變且難以恢復(fù)[25]。Rapp[26]的研究表明，皆伐1 a后的圣櫟矮林淋溶損耗速度增大。因此，改造帶寬均處在合理范圍內(nèi)，森林植被能夠得以恢復(fù)。

改造苗木的不同影響了原始林分中枯落物的分解過程，從而對(duì)枯落物的水文性能產(chǎn)生影響。不同改造苗木的枯落物蓄積量和攔蓄量隨時(shí)間變化情況存在差別，指數(shù)模型中的3個(gè)參數(shù)存在較大的差異。種植苗木的不同導(dǎo)致后期森林結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而影響森林小氣候，造成枯落物分解的差異。改造初期，枯落物蓄積量明顯提升，這主要是因?yàn)楦脑觳煞r(shí)帶來的枯枝落葉在微生物作用下迅速分解，林下溫度光照增強(qiáng)，同時(shí)新補(bǔ)增苗木產(chǎn)生枯枝爛葉，進(jìn)一步增大枯落物蓄積量。改造9 a后，種植西伯利亞紅松的樣地枯落物蓄積量和有效攔蓄量偏低?？赡苁俏鞅崩麃喖t松在該試驗(yàn)區(qū)的存活率和生長量較低，一直以來，大興安嶺林區(qū)以興安樟子松為優(yōu)勢(shì)樹種，小興安嶺才是西伯利亞紅松的主要產(chǎn)地，徐永波等[27]對(duì)適合引入大興安嶺的紅松種源展開分析，因此，需要對(duì)改造苗木的選取更加慎重才能更好地適應(yīng)大興安嶺的土壤和氣候。同時(shí)改造苗木的種植阻礙了林分的自然更新，進(jìn)而影響枯落物水文效能指標(biāo)。