塔 莉, 張麗茹

(1.河北環(huán)境工程學(xué)院 生態(tài)學(xué)系, 河北 秦皇島 066102; 2.河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng), 河北 圍場(chǎng) 068450)

冀北山地位于華北地區(qū)，保護(hù)著京津地區(qū)的生態(tài)與水資源安全，因此該地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)處于較為重要的地位，由于該地區(qū)部分地帶生態(tài)環(huán)境脆弱，森林需要進(jìn)行低效林定向調(diào)控，白樺(Betulaplatyphylla)是冀北山地最主要的天然次生林樹(shù)種，作為主要闊葉樹(shù)種，也是重要水源涵養(yǎng)樹(shù)種，為該地區(qū)水土保持，保持水源涵養(yǎng)等方面發(fā)揮著重要作用[1-3]。該地區(qū)植被類(lèi)型豐富，國(guó)內(nèi)對(duì)該地區(qū)的研究主要方向?yàn)榱址纸Y(jié)構(gòu)、生物多樣性、森林健康評(píng)價(jià)、針葉純林水文效應(yīng)等方面，很少對(duì)不同密度的同種林分水文生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行研究，而不同密度天然次生林下枯落物層水文生態(tài)效應(yīng)研究相對(duì)更少，在很大程度上限制了大面積天然次生林合理的水文生態(tài)功能最大限度的發(fā)揮，除此以外，天然次生林作為該地區(qū)主要林分，主要樹(shù)種白樺具有較強(qiáng)的抗逆性，并且為當(dāng)?shù)刂匾乃春B(yǎng)林分，因此探究該地區(qū)不同密度天然次生林的水文生態(tài)效應(yīng)具有較大的指導(dǎo)意義[4-7]。因此，本文選擇冀北山地5種密度梯度天然次生林，對(duì)林分枯落物層進(jìn)行水文過(guò)程進(jìn)行研究，旨在探討何種密度最有利于發(fā)揮林分水文生態(tài)作用，從而為冀北山地天然次生林經(jīng)營(yíng)、撫育及水文生態(tài)功能調(diào)節(jié)等提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在冀北山地木蘭圍場(chǎng)地區(qū)的北溝林場(chǎng)(116°51′—117°45′E，41°47′—42°06′N(xiāo))，地處渾善達(dá)克沙地南緣，與塞罕壩均屬灤河上游地區(qū)，海拔相差較大，介于750～1 998 m。這一地區(qū)屬半干旱向半濕潤(rùn)過(guò)渡、寒溫帶向中溫帶過(guò)渡、大陸性季風(fēng)型山地氣候，無(wú)霜期67～128 d，年平均氣溫-1.4～4.7℃,極端最高氣溫38.9℃，極端最低氣溫-42.9℃，年均降水量380～560 mm，土壤類(lèi)型主要是黃棕壤與黑棕壤。研究區(qū)內(nèi)植被主要喬木樹(shù)種有華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)、油松(Pinustabulaeformis)、云杉(Piceaasperata)、黑樺(Betuladahurica)、山楊(Populusdavidiana)、山杏[Armeniacasibirica(L.) Lam.]、蒙古櫟(Quercusmongolica)、白樺等。

2 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置與研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置

試驗(yàn)地設(shè)置河北省圍場(chǎng)縣北溝林場(chǎng)哈叭氣營(yíng)林區(qū)，2017年7—9月在該地區(qū)選擇5種不同密度的天然次生林作為研究對(duì)象，并在每種密度內(nèi)設(shè)置3塊大小為30 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)地并調(diào)查5種不同密度天然次生林基本概況(表1)，分別對(duì)樣地的郁閉度、海拔、坡度、坡向、林木胸徑、樹(shù)高等因子進(jìn)行調(diào)查，其中林分的郁閉度測(cè)定是通過(guò)隨機(jī)在樣地內(nèi)設(shè)置100個(gè)樣點(diǎn)，隨后在每個(gè)位置上抬頭垂直昂視，判斷該樣點(diǎn)是否被樹(shù)冠覆蓋，從而確定被林冠覆蓋的樣點(diǎn)數(shù)，覆蓋的樣點(diǎn)數(shù)與設(shè)置的總樣點(diǎn)數(shù)的比值即為林分的郁閉度[8-10]。

表1 不同密度天然次生林標(biāo)準(zhǔn)地概況

2.2 枯落物層水文測(cè)定

在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地4個(gè)角和中心位置各取5個(gè)小樣方，面積為50 cm×50 cm，根據(jù)枯落物分解狀態(tài)分為未分解與半分解，分別選取樣品并用鋼尺測(cè)量枯落物厚度，利用尼龍袋將兩個(gè)層次的枯落物帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量。選取枯落物后放置實(shí)驗(yàn)室烘箱內(nèi)，設(shè)定65℃的溫度進(jìn)行烘干，枯落物達(dá)到恒重后測(cè)定各林分枯落物蓄積量，以此來(lái)測(cè)算枯落物自然含水率[11-14]。通過(guò)室內(nèi)浸泡法對(duì)各林分枯落物持水性能進(jìn)行測(cè)定，將枯落物浸入水中后，分別記錄與計(jì)算在0.25，0.5，1，2，4，6，8，10，24 h時(shí)枯落物樣品重量的變化，從而對(duì)枯落物持水量、持水過(guò)程進(jìn)行研究，將浸泡24 h后枯落物持水量稱(chēng)為枯落物最大持水量，此時(shí)的持水率則是最大持水率[15-18]。

枯落物最大持水率、最大持水量、有效攔蓄量計(jì)算公式如下:

Rm=(Mz-Mg)/Mg×100%

(1)

式中:Rm為枯落物最大持水率(%)；Mz為枯落物浸水24 h后的質(zhì)量(t)；Mg為枯落物干質(zhì)量(t)。

Wmax=Rm×M

(2)

式中:Wmax為枯落物最大持水量(t/hm2)；M為枯落物蓄積量(t/hm2)。

W=(0.85Rm-Ro)×M

(3)

式中：W為有效攔蓄量(t/hm2)；Rm為最大持水率(%)；R0為自然含水率(%)；M為枯落物儲(chǔ)量(t/hm2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同密度天然次生林枯落物蓄積量

枯落物蓄積量在一定程度上是枯落物輸入量與分解量之間的平衡關(guān)系，枯落物的輸入量與分解量則受到許多因素的影響，因此枯落物蓄積量是多種因子綜合影響形成的結(jié)果，大致分為兩類(lèi)：其一為林分本身的特性，包括林分密度、樹(shù)種組成、林木生長(zhǎng)狀況、林齡與林下灌草生長(zhǎng)狀況等；其二為林分所處的生態(tài)環(huán)境，包括溫度、濕度、生長(zhǎng)季節(jié)與人畜活動(dòng)等。

由表2可知，5種密度天然次生林未分解層厚度有較大不同，范圍為9.65～20.45 mm，隨著密度的增加厚度也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但是在930株/hm2增長(zhǎng)到1 190株/hm2時(shí)，枯落物厚度則是減小的，枯落物半分解層厚度、總厚度與之變化規(guī)律相同；枯落物未分解層厚度最大時(shí)，林分密度為930株/hm2，其厚度與密度為280，520株/hm2林分枯落物厚度有較大的差異，與密度為780，1 190株/hm2的林分差異性相對(duì)較小?？萋湮锇敕纸鈱雍穸茸畲髸r(shí)，林分密度為930株/hm2，與其他密度林分枯落物半分解層厚度差異性較?。涣址挚萋湮锟偤穸仍?5.34～60.70 mm浮動(dòng)，最大值出現(xiàn)在林分密度為900 株/hm2的枯落物層。

表2 不同密度天然次生林枯落物層蓄積量

不同密度天然次生林未分解層、半分解層與總蓄積量均隨著密度從280株/hm2增加到930株/hm2時(shí)，其蓄積量均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，而密度從930株/hm2增大到1 190株/hm2時(shí)，則均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，蓄積量的最大值均出現(xiàn)在林分密度為930 株/hm2時(shí)，而最小值則在密度為280株/hm2時(shí)，兩者差異性最大?？傂罘e量大小排序?yàn)椋?30株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，枯落物蓄積量隨著密度的增加呈先增大后減小的變化規(guī)律，這是由于密度的增長(zhǎng)會(huì)減少林下的陽(yáng)光，溫度隨之降低，從而降低了枯落物分解速度，從而有利于枯落物的積累，但是林分密度過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致林分郁閉度增大，林木生長(zhǎng)必需的養(yǎng)分與生長(zhǎng)空間會(huì)出現(xiàn)供應(yīng)不足的情況，林分內(nèi)的林木之間競(jìng)爭(zhēng)增強(qiáng)，而林木的新陳代謝減緩，不利于林下枯落物積累，因此枯落物出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。林分密度不同未分解層與半分解層蓄積量占總蓄積量的比例也不同，未分解層比例最高時(shí)，林分密度為930株/hm2，比例高達(dá)49.44%，比例最小的林分密度為280株/hm2，比例僅為35.64%；分解層比例最高時(shí)，林分密度為280株/hm2，比例高達(dá)64.36%，比例最小的林分密度為930株/hm2，比例僅為50.56%，解層的比例不同主要是由于密度高的林分郁閉度與葉面積指數(shù)相對(duì)較高，導(dǎo)致地面光照不足，枯落物分解相對(duì)較慢。

不同密度天然次生林，由于林木株數(shù)、生長(zhǎng)狀況、林分所處生境均不同導(dǎo)致枯落物輸入量與分解量有較大差異性，綜合所述，不同密度天然次生林枯落物厚度和蓄積量表現(xiàn)出不同程度的差異性，但是根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析知，林分密度處于930株/hm2時(shí)，枯落物層厚度、蓄積量均最高，并且顯著優(yōu)于其他密度林分。

3.2 不同密度天然次生林枯落物持水能力

3.2.1 枯落物最大持水量 林下枯落物不僅能夠避免降雨對(duì)土壤的直接濺蝕，減少?zèng)_刷力，為土壤增加必需的有機(jī)質(zhì)，還能夠貯藏水分，具有較強(qiáng)的持水性能，枯落物的持水量是反映林分水文生態(tài)效應(yīng)的重要指標(biāo)之一(表3)。

表3 不同密度天然次生林持水特征

由表3可知，不同密度天然次生林最大持水量有一定的差異性，未分解層變化范圍為7.21～20.12 t/hm2，大小排序?yàn)椋?30株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，總最大持水量變化規(guī)律與之相同，半分解層最大持水量變化范圍為16.05～24.55 t/hm2，大小排序?yàn)椋?30株/hm2>780株/hm2>1 190株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，由以上可知林分密度為930株/hm2時(shí)枯落物層總最大持水量最大(44.67 t/hm2)，相當(dāng)于4.47 mm水深，林分密度為280株/hm2時(shí)枯落物層總最大持水量最小(23.26 t/hm2)，兩者差距較大，主要是因?yàn)槊芏雀吡址挚萋湮飳有纬傻男罘e量明顯高于密度較小的林分。不同密度天然次生林未分解層最大持水率變化范圍在175.00%～207.21%，依次為930株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，枯落物層平均最大持水率變化規(guī)律與之一致，半分解層最大持水率變化范圍在215.73%～247.23%，依次為930株/hm2>780株/hm2>1 190株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，枯落物最大持水量與最大持水率變化規(guī)律一致；不論林分密度如何變化，枯落物半分解層最大持水量均高于未分解層最大持水量，說(shuō)明半分解層持水性能高于未分解層，主要是因?yàn)榭萋湮锝?jīng)過(guò)分解后，半分解層與未分解層的組成結(jié)構(gòu)有較大不同，半分解層的親水面積要高于未分解層，有利于其進(jìn)行持水。

3.2.2 枯落物有效攔蓄量 最大持水量反映了林分?jǐn)r蓄潛力，降雨初期經(jīng)過(guò)枯落物攔蓄后會(huì)慢慢下滲，枯落物并不能長(zhǎng)時(shí)間蓄積水分，除此以外該指標(biāo)包含林分自然含水量，因此最大持水量反映出的攔蓄能力不能夠代表林分真實(shí)攔蓄量，利用該指標(biāo)代表林分?jǐn)r蓄能力會(huì)導(dǎo)致結(jié)果偏高，因此一般采用有效攔蓄量來(lái)表達(dá)林分的攔蓄能力。

由表4可知，不同密度天然次生林枯落物攔蓄能力有一定的差異，未分解層最大攔蓄量變化范圍為6.71～17.99 t/hm2，大小排序?yàn)椋?30株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，半分解層最大攔蓄量變化范圍為14.44～21.57 t/hm2，大小排序?yàn)椋?30株/hm2>780株/hm2>1 190株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，兩個(gè)層次最大攔蓄量最大值均出現(xiàn)在密度為930株/hm2時(shí)，說(shuō)明林分密度為930株/hm2時(shí)其攔蓄潛力最大；未分解層有效攔蓄量變化范圍為5.63～14.97 t/hm2，大小排序?yàn)椋?30株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，半分解層有效攔蓄量變化范圍為12.03～17.89 t/hm2，大小排序?yàn)椋?30株/hm2>780株/hm2>1 190株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，兩個(gè)層次有效攔蓄量最大值均出現(xiàn)在密度為930株/hm2時(shí)，從枯落物兩個(gè)層次有效攔蓄量分析，未分解層和半分解層均隨著密度的增大呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì)。無(wú)論林分密度如何，半分解層最大攔蓄量與有效攔蓄量均高于未分解層，說(shuō)明半分解層攔蓄能力更強(qiáng)，作用更大。

表4 不同密度天然次生林枯落物攔蓄能力

3.3 不同密度天然次生林枯落物持水過(guò)程分析

3.3.1 枯落物持水過(guò)程 由圖1可知，5種密度天然次生林枯落物未分解層、半分解層持水量變化趨勢(shì)基本一致，枯落物在浸水剛開(kāi)始的1 h內(nèi)持水量增長(zhǎng)迅速，持水量隨之增大，隨著時(shí)間的推移，持水量增長(zhǎng)逐漸減小，在浸泡12 h時(shí)左右枯落物持水量基本達(dá)到飽和狀態(tài)，不再增加，說(shuō)明枯落物持水量與枯落物的蓄積量和干燥程度有關(guān)，枯落物蓄積量越大越干燥，在一定時(shí)間內(nèi)吸收的水分越多，持水過(guò)程與降雨過(guò)程中枯落物表現(xiàn)相同，即剛開(kāi)始降雨時(shí)，枯落物吸收水分較強(qiáng)，攔蓄能力強(qiáng)，隨著降雨的持續(xù)枯落物干燥程度越來(lái)越低，攔蓄能力開(kāi)始減弱，最后趨于平緩達(dá)到最大持水量，與剪文灝等[18]研究枯落物持水過(guò)程規(guī)律一致。由曲線(xiàn)可以看出，未分解層密度930株/hm2與1 190株/hm2的林分枯落物持水量明顯高于其他3種密度林分，而半分解層密度930株/hm2的林分枯落物持水量無(wú)論哪個(gè)時(shí)間段均高于其他4種密度林分，說(shuō)明不同密度天然次生林枯落物持水能力有一定的差距，但是半分解層持水量變化曲線(xiàn)除930株/hm2外變化曲線(xiàn)基本都是重合的，說(shuō)明這4種密度林分半分解層持水能力差異性較小。

圖1 不同密度天然次生林枯落物持水量變化過(guò)程

對(duì)不同密度天然次生林未分解層、半分解層枯落物持水量與浸水時(shí)間進(jìn)行函數(shù)關(guān)系擬合分析可知，兩者存在較好的函數(shù)關(guān)系(表5)，具體表達(dá)式為：

Q=alnt+b

(4)

式中:Q為枯落物持水量(g/kg)；t為浸泡時(shí)間(h)；a為方程系數(shù)；b為常數(shù)項(xiàng)。

表5 不同密度天然次生林枯落物持水指標(biāo)與時(shí)間擬合關(guān)系

3.3.2 枯落物吸水速率 由圖2可知，5種不同密度天然次生林枯落物浸水后持水速率隨著浸泡時(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)一種下降的規(guī)律，即枯落物在浸水初期(1 h)持水速率下降非?？?，在4 h左右下降速率放緩，12 h左右趨于穩(wěn)定，至20 h時(shí)趨于停止；5種不同密度天然次生林枯落物持水速率相差較大，未分解層與半分解層持水速率也有一定的差異性，半分解層枯落物持水速率要大于未分解層枯落物持水速率，可能是由于半分解層枯落物經(jīng)過(guò)初步分解，已含有少量腐殖質(zhì)，從而增強(qiáng)了半分解層枯落物的持水能力。通過(guò)對(duì)不同密度天然次生林枯落物兩個(gè)層次與浸水時(shí)間進(jìn)行函數(shù)關(guān)系擬合，兩者具有較好的函數(shù)關(guān)系(表5)，表達(dá)式：V=ktn，R>0.99，式中：V為枯落物吸水速率[g/(kg·h)]；t為浸泡時(shí)間(h)；k為方程系數(shù)；n為指數(shù)。

圖2 不同密度天然次生林枯落物吸水速率變化過(guò)程

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

本研究表明不同密度天然次生林枯落物層總蓄積量隨著林分密度增加呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后減小的變化規(guī)律，可能是由于隨著林分密度的增長(zhǎng)會(huì)減少林下的陽(yáng)光，溫度隨之降低，從而降低了枯落物分解速度，從而有利于枯落物的積累，但是林分密度過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致林分郁閉度增大，林木生長(zhǎng)必需的養(yǎng)分與生長(zhǎng)空間會(huì)出現(xiàn)供應(yīng)不足的情況，林分內(nèi)的林木之間競(jìng)爭(zhēng)增強(qiáng)，而林木的新陳代謝減緩，不利于林下枯落物積累，因此枯落物出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這與劉凱[19]、石媛[20]和周巧稚[21]等所研究的林分枯落物層蓄積量隨林分密度的變化規(guī)律類(lèi)似；研究中雖然進(jìn)行室內(nèi)浸泡試驗(yàn)在一定程度上呈現(xiàn)了枯落物攔蓄能力，但是枯落物層確切攔蓄能力仍需進(jìn)行野外降雨測(cè)定試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

4.2 結(jié) 論

(1) 林分枯落物總厚度在45.34～60.70 mm浮動(dòng)，本研究表明不同密度天然次生林枯落物層總蓄積量依次排序?yàn)?30株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，即隨著林分密度增加呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后減小的變化規(guī)律。綜合所述，林分密度處于930株/hm2時(shí)，枯落物層厚度、蓄積量均最高，并且顯著優(yōu)于其他密度林分。

(2) 不同密度天然次生林最大持水量、最大持水率、有效攔蓄量與有效攔蓄率均有一定的差異性，枯落物層最大持水量變化范圍為23.26～44.67 t/hm2，最大攔蓄量變化范圍為21.15～39.56 t/hm2，有效攔蓄量變化范圍為17.66～32.86 t/hm2，大小排序均為：930株/hm2>1 190株/hm2>780株/hm2>520株/hm2>280株/hm2，均隨著密度的增大呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì)，最大值均出現(xiàn)在密度為930株/hm2時(shí)；5種密度天然次生林枯落物層持水量變化趨勢(shì)為先增加后減小，通過(guò)對(duì)枯落物持水量、枯落物持水速率與浸水時(shí)間關(guān)系進(jìn)行擬合分析發(fā)現(xiàn)，均存在較好的函數(shù)關(guān)系，分別符合對(duì)數(shù)函數(shù)與冪函數(shù)關(guān)系：Q=alnt+b(R2>0.93)，V=ktn(R2>0.99)，這與趙陽(yáng)[22]和吳迪[23]等研究結(jié)果相一致。

(3) 綜合枯落物層持水能力與攔蓄能力可知，密度為930株/hm2的林分生態(tài)水文效應(yīng)最強(qiáng)，而其他密度生態(tài)水文效應(yīng)相對(duì)較差，密度小的林分是由于枯落物蓄積量較少造成其水源涵養(yǎng)能力較弱，因此，從增強(qiáng)該地區(qū)天然次生林水文生態(tài)效應(yīng)與水源涵養(yǎng)的角度出發(fā)，建議在該地區(qū)內(nèi)對(duì)不同密度的天然次生林進(jìn)行有效的撫育措施來(lái)增加林分的水源涵養(yǎng)能力，從而增強(qiáng)該地區(qū)水文生態(tài)效應(yīng)與水源涵養(yǎng)功能。本研究雖然進(jìn)行室內(nèi)浸泡試驗(yàn)在一定程度上呈現(xiàn)了枯落物攔蓄能力，但是枯落物層確切攔蓄能力仍需進(jìn)行野外降雨測(cè)定試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，文中選擇的林分密度梯度幅度偏大，試驗(yàn)條件允許時(shí)，仍需進(jìn)一步細(xì)分。