秦嶺兩種典型人工林不同密度時(shí)的枯落物持水功能差異

王亞萍 張淑蘭 韓勇 董新宇 趙雨薇 萬格

摘要：[目的]探究秦嶺林區(qū)典型森林不同密度時(shí)的枯落物持水功能差異，為該區(qū)植被建設(shè)提供依據(jù)。[方法]在秦嶺火地塘林區(qū)，選取油松林和銳齒櫟林3個(gè)密度（低、中、高）的樣地，利用室內(nèi)浸水法、熵權(quán)法定量分析和綜合評價(jià)枯落物層持水功能。[結(jié)果]①油松林、銳齒櫟林枯落物層厚度分別變化在3.48～5.14cm、6.54～9.48 cm，枯落物蓄積量均為中密度時(shí)最大，分別為9.09、5.61 t·hm-2，其中油松林枯落物蓄積量以半分解層為主（56.5%～60.55%），銳齒櫟林以未分解層為主（63.58%～74.53%）；②油松林枯落物的最大持水量在中密度最高（24.55 t·hm-2），而銳齒櫟林枯落物的最大持水量則在高密度時(shí)最大，達(dá)到17.8t·hm-2；油松林和銳齒櫟林枯落物吸持水分的主要貢獻(xiàn)者分別為半分解層和未分解層；③枯落物的累積持水率在浸水后10 min內(nèi)迅速增大，且銳齒櫟林的增速大于油松林，枯落物吸水速率隨浸水時(shí)間增加先快速降低后逐漸降低并趨于0；枯落物的持水率（量）、吸水速率與浸水時(shí)間分別呈較好的對數(shù)和冪函數(shù)關(guān)系。[結(jié)論]油松林半分解層和銳齒櫟林未分解層枯落物的持水作用可以互補(bǔ)，其中銳齒櫟林密度在725株·hm-2時(shí)為最佳。建議營造松櫟混交林，并且合理控制密度，以充分發(fā)揮其枯落物的水文功能。

關(guān)鍵詞：油松林；銳齒櫟林；枯落物層；水文功能；秦嶺

中圖分類號：S715.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-1498（2023）03-0100-09

森林生態(tài)系統(tǒng)在涵養(yǎng)水源、蓄水保土、固碳增匯及調(diào)節(jié)氣候等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在不同地形、氣候和植被條件下，林冠層、枯落物層及土壤層對降水的截留和再分配、地表徑流及蒸散發(fā)等過程發(fā)揮的作用有別。其中枯落物層在攔蓄降水、防止土壤濺蝕和減少水分蒸發(fā)等方面有著重要作用。受氣候條件、時(shí)間尺度、樹種和立地條件等因素影響，枯落物蓄積量及持水功能差異較大。目前研究集中在某一地區(qū)多個(gè)樹種或同一樹種不同林齡階段的枯落物及土壤持水功能差異上，而針對典型林分不同密度時(shí)的枯落物持水功能差異研究較少。此外，已有研究證實(shí)不合理密度會影響水源涵養(yǎng)功能，強(qiáng)調(diào)適宜密度對提高森林水文功能的重要性。

秦嶺作為我國中部的重要生態(tài)屏障及南水北調(diào)中線工程的水源地，在保障區(qū)域生態(tài)安全和社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展方面有重要作用。20世紀(jì)60年代，該區(qū)森林被大量砍伐，現(xiàn)存森林主要是恢復(fù)的天然次生林，近年來出現(xiàn)生長滯緩、地力衰退等問題，亟待調(diào)控改造以提升水源涵養(yǎng)功能。有學(xué)者探討了間伐對華山松（Pinus armandii Franch）林水源涵養(yǎng)功能的影響，指出間伐20%時(shí)的水源涵養(yǎng)效能最佳。油松（Pinus tabulaeformis Carr）林和銳齒櫟（Quercus allena varacuteseata Maxim.exWenz.）林是秦嶺地區(qū)的主要森林類型，近些年來由于缺乏管理，普遍存在衰退問題。盡管大量學(xué)者探討了該區(qū)多個(gè)典型林分的水源涵養(yǎng)功能差異，然而較少研究秦嶺地區(qū)不同密度的油松林和銳齒櫟林枯落物水文功能差異，尚不清楚合理林分密度。因此，本文在秦嶺火地塘林區(qū)選擇了不同密度的油松林和銳齒櫟林樣地，定量測定枯落物層的厚度、組成、蓄積量和持水性能，通過熵權(quán)法探究枯落物層持水能力最佳的林分類型和密度，以期為該區(qū)水源涵養(yǎng)林可持續(xù)經(jīng)營等提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于陜西省寧陜縣火地塘林場，也是陜西秦嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站所在地，地處秦嶺南坡，北亞熱帶北緣，33°18′～33°28′N，108°21′～108°39′E，研究區(qū)總面積約2 037hm2，海拔1470～2 473m。林區(qū)氣候類型屬于暖溫帶濕潤山地氣候，多年平均降水量1023 mm，多集中在7-9月，年均氣溫12 ℃。林區(qū)內(nèi)溝道縱橫，地形較陡峻，平均坡度30°。土壤主要為花崗巖母質(zhì)發(fā)育起來的山地棕壤，土層較薄，平均厚度約50 cm。區(qū)域內(nèi)森林覆蓋率93.8%，植被類型具有由暖溫帶向亞熱帶過渡的特征，現(xiàn)有森林主要是天然次生林，建群樹種主要有銳齒櫟、油松、華山松、光皮樺（Betula luminifea H.Winkl.）、巴山冷杉（Abies fagesll Franch.）等，森林質(zhì)量總體較高，野生動植物資源豐富。

1.2研究方法

1.2.1樣地選擇與調(diào)查 2022年3至4月，在充分勘查后，在遠(yuǎn)離道路且人為擾動較小的區(qū)域，分別選擇油松林和銳齒櫟林的3個(gè)不同密度樣地。在每個(gè)樣地中隨機(jī)選擇10株林術(shù)測定胸徑，并隨機(jī)選擇3個(gè)樣點(diǎn)人工打鉆采集0～50 cm深度土層樣品，并用烘干法測定其土壤水分狀況。此外，調(diào)查記錄樣地編號、地理位置（經(jīng)緯度）、海拔、坡度、郁閉度等基本信息，具體見表1。

1.2.2枯落物樣品采集及蓄積量測定 在每塊樣地隨機(jī)選擇3個(gè)50 cm×50 cm的樣方，根據(jù)枯落物分解腐爛程度，分別收集半分解層和未分解層的全部枯落物，裝入塑料袋做好標(biāo)記帶回實(shí)驗(yàn)室；同時(shí)在樣方附近隨機(jī)選擇10個(gè)不同位置點(diǎn)，用鋼尺測定未分解層及半分解層厚度并做好記錄。在室內(nèi)，用電子天平稱取枯落物鮮質(zhì)量，然后裝入檔案袋，放人85℃烘箱烘干至質(zhì)量恒定，稱量干質(zhì)量，計(jì)算枯落物自然含水率及單位面積枯落物蓄積量。

1.2.3枯落物持水性能測定 采用室內(nèi)浸泡法測定枯落物持水能力，在盡量保持枯落物原狀條件下，將烘干后枯落物樣品裝入已知質(zhì)量的細(xì)孔尼龍網(wǎng)袋內(nèi)，置于裝滿水的容器中，分別在累積浸水5、10、20、30、40 min和1、1.5、2、4、6、8、12、24 h時(shí)取出，靜置至不滴水后迅速稱量質(zhì)量并記錄。每次樣品濕質(zhì)量與干質(zhì)量之差即為該時(shí)段的枯落物持水量，其中24 h后為最大持水量。持水量與浸水時(shí)間的比值為該時(shí)段枯落物持水速率，并進(jìn)一步計(jì)算枯落物的持水率和攔蓄率（量），相關(guān)計(jì)算公式參見文獻(xiàn)。

1.2.4枯落物水文功能評價(jià) 為直觀比較，采用熵權(quán)法對不同密度油松林和銳齒櫟林枯落物水文功能進(jìn)行綜合評價(jià)。首先，對選擇的水文功能指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，包括枯落物的厚度、蓄積量、最大持水率、最大持水量、有效攔蓄率和有效攔蓄量6個(gè)指標(biāo)，通過極值法標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后根據(jù)公式計(jì)算各指標(biāo)的熵值及權(quán)重，進(jìn)而評價(jià)不同樣地枯落物的水源涵養(yǎng)功能差異，具體計(jì)算過程如下：

3討論

3.1枯落物層厚度與蓄積量的林分差異

枯落物層對土壤保持和水源涵養(yǎng)功能至關(guān)重要，不但可減弱降雨對地表的沖刷，還起到攔截蓄水作用，因此枯落物蓄積量變化可直接影響水源涵養(yǎng)能力?？萋湮镄罘e量及其水文功能受林分類型、立地條件、氣候及季節(jié)等因素影響而動態(tài)變化。在本研究中，銳齒櫟林枯落物層厚度顯著高于油松林，這可能是因闊葉與針葉的差異，但枯落物蓄積量為油松林較大，這與他人研究結(jié)果一致，困針葉枯落物富含油脂不易分解，闊葉枯落物表皮較薄和缺乏保護(hù)所以分解較快。此外，有學(xué)者在分析不同林齡麻櫟枯落物蓄積量時(shí)發(fā)現(xiàn)，枯落物蓄積量除林齡外更多受林分密度及累積時(shí)間影響。本研究中，油松林和銳齒櫟林的枯落物蓄積量均隨林分密度增加呈“單峰型”變化，這和前人研究一致，但蓄積量有別，原因可歸結(jié)為兩點(diǎn)：一是林分密度增加會降低林內(nèi)光照和溫度，利于枯落物積累，但當(dāng)密度過高時(shí)會加劇林木個(gè)體競爭和導(dǎo)致生長緩慢及凋落物減少；二是枯落物蓄積量會隨植被生長階段呈現(xiàn)季節(jié)性變化，本研究測樣時(shí)間為春季，枯落物可能已被分解或受冬季風(fēng)力影響轉(zhuǎn)移到別處，這也說明枯落物蓄積量季節(jié)變化特征還有待進(jìn)一步研究。

3.2枯落物持水特性

枯落物持水量和持水率是反映枯落物水文調(diào)節(jié)能力的重要指標(biāo)，體現(xiàn)了枯落物的持水容量及吸收地表徑流的能力，有效攔蓄率則反應(yīng)了枯落物對降雨的攔截能力，其大小與枯落物的蓄積量、結(jié)構(gòu)組成、立地條件及分解程度等有關(guān)。段文標(biāo)等人分析發(fā)現(xiàn)，受植被類型影響，不同林型及荒草地枯落物層的厚度及儲量分布有別，其持水功能也有所不同。一般來講，闊葉林凋落物因其葉面積大，更容易分解，有更大吸水速率和持水率。本研究中不同密度的油松林和銳齒櫟林枯落物的持水過程呈現(xiàn)一致規(guī)律，即累積持水量在10 min內(nèi)迅速增加，2h后緩慢增加直到24 h后保持恒定，相應(yīng)吸水速率則在在10 min內(nèi)較高，隨后迅速降低并接近與0，其中同一時(shí)段的銳齒櫟林未分解枯落物的持水性能優(yōu)于油松林，這進(jìn)一步證實(shí)了前人研究。不管油松林還是銳齒櫟林，枯落物的降水?dāng)r蓄有效時(shí)間主要在2h內(nèi)，原因是枯落物初期干燥導(dǎo)致吸水速率較高，隨時(shí)間延長枯落物吸水量逐漸接近其最大值，因此吸水速率快速降低。特別地，油松林半分解枯落物的持水能力優(yōu)于未分解層，而銳齒櫟林相反，說明油松林半分解枯落物在降水?dāng)r截中發(fā)揮著重要功能，而銳齒櫟林主要依賴其疏松的未分解層，這和前人研究結(jié)論一致。這表明，油松林和銳齒櫟的半分解層和未分解層枯落物在降水?dāng)r截中可以作用互補(bǔ)。在降雨初期，枯落物通過迅速吸水來有效攔截降雨，從而保護(hù)土壤免受雨滴擊濺侵蝕，枯落物蓄積量較高林分的持水能力更明顯，可在短時(shí)間內(nèi)快速吸水，有效發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能。此外，枯落物的持水率、持水量及吸水速率均與浸水時(shí)間有較好的對數(shù)和冪函數(shù)關(guān)系，這和已有研究一致。本研究還綜合評價(jià)了兩類典型林分不同密度時(shí)的枯落物持水能力，發(fā)現(xiàn)銳齒櫟林優(yōu)于油松林，且當(dāng)銳齒櫟林密度為725株·hm-2時(shí)最佳。因此建議調(diào)整林分結(jié)構(gòu)，將純林逐漸改造為混交林，這樣可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)樹種的枯落物持水性能互補(bǔ)，充分發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能。

4結(jié)論

在陜西秦嶺火地塘林區(qū)，油松林和銳齒櫟林的枯落物層厚度分別為3.48～5.14 cm和6.54～9.48 cm，高密度油松林和中密度銳齒櫟林的最大；枯落物蓄積量均為中密度時(shí)最大，分別為9.09、5.61 t·hm-2，其組成對油松林以半分解層為主（56.5%～60.55%），對銳齒櫟林以未分解層為主（63.58%～74.53%）。

兩種森林的枯落物最大持水量變化在14.41～24.55 t·hm-2，對油松林是中密度的最大，主要貢獻(xiàn)者是半分解層；對銳齒櫟林則是高密度的最大，主要貢獻(xiàn)者是未分解層。枯落物累積持水率在浸水10 min內(nèi)迅速增加，且銳齒櫟林的增速大于油松林；枯落物吸水速率隨浸水時(shí)間增加先快速降低，在2h后則逐漸降低并趨于0?？萋湮锏某炙剩浚┖臀俾逝c浸水時(shí)間分別具有很好的對數(shù)和冪函數(shù)關(guān)系。

通過熵權(quán)法綜合評價(jià)，銳齒櫟林枯落物的持水功能優(yōu)于油松林，且以密度725株·hm-2時(shí)最佳。建議未來進(jìn)行松櫟混交造林，并且合理控制密度，以充分發(fā)揮其水文功能。