大兴安岭低质林生态改造后枯落物水文效应变化1)

陈百灵 董希斌 崔莉 唐国华

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

随着我国经济的发展和生态保护意识的增强，以经济为主的林业发展方式逐渐被调整为具有水土保持、改善气候环境、净化空气水质等多功能的经营方式［1］。枯落物作为森林净化水质垂直结构上的第二个层次［2-3］，由林中植被的枝、叶、果实及动物残体等组成［4］，具有疏松的结构、良好的持水性、较大的比表面积，可以起到减弱降雨对地面的冲刷、减缓地表径流［5-6］、保持土壤温度、提供有机质，改良土壤养分、提供微生物进行生物反应的场所、对降雨进行过滤水质净化、滞缓林地土壤中水分蒸发加强水分入渗土壤［7］等作用。由于人为及自然等因素，大兴安岭部分森林生态系统形成了抵抗自然灾害较差、水土保持功能下降、生态效益较差的低质林，针对于此改造势在必行［8］。嫩江发源于大兴安岭伊勒呼里山，甘河作为嫩江的较大支流之一，发源于大兴安岭侧沃其山脉，故对大兴安岭生态系统中枯落物层水文效应研究具有重要意义。李国林［9］等对兴隆山苔藓及凋落物进行研究，并得到兴隆山凋落物的最大持水率小于苔藓，但兴隆山苔藓的最大持水量小于凋落物结论。蒋俊明［10］等对长宁竹海5种林分进行研究，认为涵养水源效果较好的为杉木林，白栎林涵养效果次之。王波［11］等对三峡上游次生林进行研究认为天然针阔混交林的保水蓄水能力最佳。本文针对低质林进行生态改造后的水文效应展开研究。

1 研究区概况

研究区位于黑龙江省大兴安岭林区加格达奇林业局翠峰林场174 林班(东经124°23′47．8″～124°24′35．1″，北纬50°34′9．17″～50°34′32．0″)，该林区地势较为平缓，山势坡度在10°左右。海拔高度370 ～420 m。土壤厚22 cm，成土母质为酸性母岩风化物，故土壤显微酸性，林区地表以暗棕壤为主，且土壤养分较好。地处温带大陆季风气候带，具有夏季较短且温暖、冬季漫长且寒冷湿润、春秋分明的气候特点。年均气温-1．3 ℃，降雨较为集中，多在6、7、8月，年均降水量494．8 mm。优势树种为白桦(Betula platyphylla Sak)，灌木层主要为毛赤杨(Alnus cremastogyne)、苍术(Atractylodes lancea)、胡枝子(Lespedeza bicolor)，地表植被以水莎草(Cyperus glomeratus L)、野豌豆(Vicia sepium Linn)、鸢尾(Iris tectorum)、舞鹤草(Maianthemum dilatatum (linn．)F．W．Schmidt)为主。

2 试验设置

于2009 年春季对该林区内白桦低质林进行生态改造，至2010 年完成各试验样地的林窗和带状生态改造。林窗生态改造设置原则为林窗沿水平方向设置，设置6 种不同规格的林窗:5 m×5 m(G1)、10 m×10 m(G2)、15 m×15 m(G3)、20 m×20 m(G4)、25 m×25 m(G5)、30 m×30 m(G6)，每个规格设置3 块试验样地，且样地与样地间设有保留带以减小改造带间相互影响。并在立地条件相同的区域设置由混交林构成的对照样地。带状生态改造设置原则为每条生态改造带均处于同一海拔高度且生态改造带带长相同，生态改造带设置6 m(H1)、10 m(H2)、14 m(H3)、18 m(H4)4 种宽度。各改造带间设有未进行改造的混交林作对对照带，保留改造区内针叶幼苗对其他非改造目的树种进行移除。

枯落物持水性能测定。本文所选取的持水性能指标有蓄积量、自然持水率、最大持水率、最大持水量及有效拦蓄量。分别在每种改造方式的3 个样地沿S 形选取5 个30 cm×30 cm 样方，收集未分解层及半分解层枯落物，求其平均值。依据枯落物分解情况分为3 个层次:未分解层由刚落下的植物的枝、叶、皮等器官构成，可以清楚的分辨其外形轮廓且较为新鲜、颜色基本未变。半分解层可明显看出分解痕迹，颜色较深，外形有所破坏，无法辨别原貌。已分解层经过分解作用已变黑且较为细碎无法辨别原来的特征。

将得到的枯落物迅速称其鲜质量，再将枯落物移置烘干箱85 ℃烘干24 h 称其干质量。自然持水率=［(鲜质量-干质量)/干质量］×100%。本文利用室内浸泡法测定其持水特性。将烘干的枯落物装入网袋浸泡于水中，分别在其入水后0．25、0．50、1．00、2．00、4．00、8．00、24．00 h 后称其湿质量，且每次称量时将其捞出并在不滴水的情况下测量。由于浸泡时间超过24 h 时枯落物的湿质量仍为24 h 的质量，故将24 h 的持水率作为其最大持水率。最大持水率=［(24 h 湿质量-干质量)/干质量］×100%。有效拦蓄量=(0．85×最大持水率-自然持水率)×蓄积量［12］。

3 结果与分析

本文选用经典的统计分析方法——变异系数法。变异系数法的原理为均值(μ)除标准差(σ)，其优点在于有利于数据的无量纲化，在均值的基础上比较数据的离散程度，可以清晰的反映生态改造的影响。根据变异系数的数值进行分级:变异系数值≤10%属于弱度变异，10%＜变异系数值＜100%属于中度变异，变异系数值≥100%属于强度变异［13］。变异系数越大代表生态改造对各项指标的影响程度越大。

3．1 枯落物蓄积量

(1)未分解层。由表1 和表2 中数据可知，经过4 a 不同带宽生态改造后大兴安岭白桦林未分解层枯落物的蓄积量变化趋势基本一致。在改造后的第2 年迅速下降第3 年趋于平稳第4 年仍然处于下降状态，这是由于生态改造移除了原先大部分非目的树种的植被，故枯落物的数量减少，但这是短期的影响，植被的减少有利于树种接受充足的阳光与更多的雨水，有利于幼苗及优势树种生长。不同带宽生态改造的变异系数在76．64%～113．66%。除H2略低于对照样地外，其他样地变异系数均高于对照样地，不同带宽生态改造对大兴安岭白桦低质林的未分解层枯落物蓄积量影响较大。其中H1、H2、HCK 属于中度变异，H3、H4 属于强度变异，总体呈现生态改造带越宽变异程度越大。不同林窗生态改造后4 a 内枯落物蓄积量变化趋势较为一致，趋于波峰波谷交替呈现态势，在改造后的第2 年大幅下降第3 年有所上升第4 年略微下降。从长远的角度看，暂时的减少有利于森林系统的长足发展。不同林窗生态改造的变异系数在97．59%～129．86%，林窗生态改造对大兴安岭白桦林枯落物未分解层的蓄积量影响较大。除G1 属于中度变异外，其他生态改造样地均属于强度变异。

(2)半分解层。由表1 和表2 中数据得，经不同带宽生态改造后大兴安岭白桦林半分解层枯落物变化趋势较为一致，改造后的第2、3 年均在下降至改造后的第4 年有所上升，且6 m 生态改造带在改造后的第4 年半分解层枯落物蓄积量高于改造后第1 年半分解层枯落物蓄积量。林地内微生物种类与数量、阳光、水分等变化促进了枯落物的分解使半分解层蓄积量有所增加。不同带宽生态改造后林内枯落物半分解层蓄积量变异系数介于51．74%～86．97%，属于中度变异。除H2 外其他样地变异系数均高于对照样地，生态改造对林地内半分解层枯落物蓄积量影响较大。林窗生态改造中，各样地趋势均为在改造后第1 年迅速下降，第2、3 年趋势较为平缓变化较小，第4 年有所上升，且至改造后的第4 年各试验样地半分解层枯落物蓄积量均高于对照样地。林窗生态改造模式有利于林内半分解层枯落物的富集，加快有机质等土壤养分的分解与利用。林窗改造中各样地变异系数介于84．47%～114．78%。除G4、G5 属于中度变异外，其他样地属于强度变异。

表1 不同样地大兴安岭白桦林连续4 a 枯落物蓄积量

表2 不同林窗生态改造中大兴安岭白桦林连续4 a 枯落物蓄积量

(3)半分解层所占百分比变化情况。不同带宽生态改造中，半分解层百分比在改造后第1 年有所上升，第3 年有所下降，第4 年有所上升且H1、H2高于对照样地，且均高于改造后的第1 年。生态改造后，由于阳光照射的增加，森林内温度升高，雨水大幅度的直接落在地表使土壤更加湿润，有利于枯落物的分解，使半分解层含量增加，有利于有机质及各种营养元素的释放，加快森林生态系统的物质循环。不同林窗生态改造中，枯落物的半分解层含量改造后前两年无明显变化，第3 年达到最小值，第4年达到最大值。由于前3 年的枯落物的富集，为枯落物的分解提供了良好的条件及基础，枯落物分解加快后营养物质增加，加快植被生长。

(4)总蓄积量。带状生态改造中，6 m 及8 m 带宽对蓄积量的影响较14 m 及18 m 带宽影响小，但同属中度变异，变异系数在51．56%～95．81%。各带状生态改造样地总蓄积量变化趋势较为一致，前2年蓄积量持续下降，第3 年达到最小值，随后蓄积量开始上升。林窗生态改造中，除G1、G5 属于中度变异外，其他样地属于高度变异，各试验样地变异系数均低于对照样地，林窗生态改造降低枯落物原蓄积量变异程度，变异系数在93．94%～121．30%。

3．2 枯落物自然持水率

枯落物作为地表蓄水结构，其自然持水率的大小影响到森林气候的温度及湿度、对水净化的效率、加快分解反应等重要作用。

(1)未分解层。由表3 和表4 可知，不同带宽生态改造后，枯落物自然持水率在第3 年达到最小，随后第4 年有所上升，且至改造后第4 年各改造样地自然持水率均大于对照样地，变异系数在45．39%～89．24%。不同带宽生态改造对枯落物的自然持水率属于中度影响。不同林窗生态改造中，枯落物的自然持水率变化情况与不同带宽生态改造具有一致性。变异系数介于29．78%～59．22%，影响强度较带状生态改造弱，同属中度影响。截止到目前，各改造样地自然持水率均高于对照样地。

表3 不同样地大兴安岭白桦林枯落物自然持水率

表4 不同林窗生态改造中大兴安岭白桦林枯落物自然持水率

(2)半分解层。除25 m 林窗改造及林窗改造对照样地外，其他样地趋势较为一致，丰谷期交替出现，在改造后第2 年出现最大值第3 年出现最小值第4年有所上升。除G3 变异系数最大100．68%属强度变异外，其他样地变异系数介于63．63%～99．43%属中度变异。不同带宽生态改造及林窗改造对枯落物的自然持水率影响较小。

3．3 枯落物最大持水率

(1)未分解层。不同带宽生态改造后，未分解层枯落物最大持水率呈现丰谷期交替出现状态见表5 和表6。至改造后第4 年枯落物的最大持水率均高于改造后的第1 年，最大持水率的升高有利于森林生态系统的防洪作用。不同带宽生态改造带变异系数在93．74%～115．86%。除样地H2 为中度变异外，其他样地均属于强度变异。带状生态改造对大兴安岭白桦林枯落物的最大持水率影响成度较大。林窗改造后枯落物的最大持水率变化趋势与带状生态改造一致，改造后第2 年有所上升，第3 年下降，第4 年达到最大值。且至改造后第4 年最大持水率由大到小排序为H1、H3、H4、CK、H2。变异系数介于62．46%～144．30%。除G2 和CK 属于中度变异外，其他样地属于强度变异，H1 变异程度最大115．86%。

(2)半分解层。不同带宽生态改造变化规律不尽相同，但最大值基本出现在改造后第3 年。变异系数介于52．63%～106．01%，低于未分解层，且各样地变异系数均低于对照样地。生态改造对半分解层影响较弱，属于中度变异。不同林窗生态改造后半分解层持水率变化趋势较为一致，在改造后的第2年及第3 年持续上升，第4 年开始下降，变异系数介于60．51%～89．53%，属于中度变异。经过4 a 生态改造后枯落物的最大持水量明显有所上升。

表5 不同样地大兴安岭白桦林枯落物连续4 a 最大持水率

表6 不同林窗生态改造中大兴安岭白桦林枯落物最大持水率

3．4 枯落物最大持水量

(1)未分解层。未分解层枯落物最大持水量变化趋势基本一致，在改造后的第1 年开始下降且林窗生态改造样地下降的速率较快，在改造后的第3年开始上升。带状生态改造后样地枯落物最大持水量变异系数除H4 为103．79%属强度变异外，其他样地变异系数介于85．26%～97．53%，属于中度变异。林窗改造后，大兴安岭白桦林枯落物最大持水量变异系数除G3 为99．95%属中度变异外，其他样地变异系数介于106．11%～116．54%，属于强度变异。林窗生态改造较带状生态改造对枯落物最大持水量影响更大，见表7 和表8。

表7 不同样地大兴安岭白桦林枯落物连续4 a 最大持水量

表8 不同林窗改造中大兴安岭白桦林枯落物最大持水量

(2)半分解层。不同带宽生态改造后，各样地枯落物最大持水量变化趋势无明显规律，最低值具有一致性均出现在第3 年，第4 年各样地枯落物最大持水量明显有所上升，并高于对照样地，见表4。变异系数在41．19%～56．96%间，属于中度变异。不同林窗生态改造后，枯落物持水量变化趋势均为第改造后第1 年下降，由于初始持水量较带状改造持水量高故下降速率较带状改造快，第2、3 年同处低谷期，第4 年有所上升。变异系数在110．80%～131．24%间，均属强度变异。林窗改造较带状改造影响更大，与未分解层最有一致性。到改造后第4 年H1 最大持水率最高。

3．5 枯落物有效拦蓄量分析

(1)未分解层。大兴安岭白桦林枯落物未分解层经带状生态改造后其有效拦蓄量在改造后前两年无明显规律，至第3 年各样地均出现最小值，第4 年均有所上升，变异系数介于37．43%～63．19%，均属于中度变异。随着改造带宽增加，变异系数有所升高，当带宽超过14 m 后，变异系数不再上升。不同带宽生态改造对未分解层枯落物有效拦蓄量影响属于中度影响。不同林窗生态改造后，各样地变化无规律，变异系数介于16．69%～76．70%。林窗5 m×5 m 变异系数最小，且在改造后的4 a 内枯落物半分解层有效拦蓄量持续上升。至第4 年，林窗改造各样地枯落物半分解层有效拦蓄量均高于对照样地。

(2)半分解层。不同带宽生态改造后各样地半分解层有效拦蓄量在第2 或第3 年达到最大值，变异系数介于29．30%～72．64%，属于中度变异。除H2 变异系数大于对照样地外其他样地均低于对照样地，至改造后第4 年H2 有效拦蓄量最大。不同林窗生态改造后，各样地半分解层有效拦蓄量在第3 年达到最大值。变异系数在18．11%～74．95%。25 m×25 m 林窗效果较好，从改造后第2 年高于其他样地。

(3)总有效拦蓄量。带状生态改造中，总有效拦蓄量变化趋势为各样地在改造后第2 年或第3 年达到最大值，随后有所减小，属于中度变异程度，变异系数介于18．07%～64．42%。虽然同处中等变异程度，但影响强度不一致，6 m 及18 m 带宽生态改造对有效拦蓄量影响较其他带宽小。不同林窗生态改造中各样地变异系数均小于对照样地，变异系数介于17．93%～56．14%，属于中等变异程度，且变化较为凌乱无规律。枯落物的有效拦蓄量不仅与枯落物的蓄积量、累计年限、分解速度等有关，还与光照、湿度、微生物、林下植被等多种原因形成，其变化规律受限条件较多，不易呈现较为一致的规律，见表9 和表10。

表9 不同样地大兴安岭白桦林枯落物连续4 a 有效拦蓄量

表10 不同林窗改造中大兴安岭白桦林枯落物有效拦蓄量

4 结论与讨论

大兴安岭白桦林枯落物未分解层各样地间蓄积量年变化趋势较为一致，均在第2 年出现最小值第3 年出现最大值，半分解层各样地年蓄积量变化趋势也较为一致，但趋势方向与未分解层相反，最大值出现在改造后的第2 年，最小值出现在第3 年。带状生态改造及林窗生态改造后蓄积量变异系数处于同一数量级，属于中度变异，影响趋势较为一致，均为对未分解层影响程度较半分解层大。生态改造后半分解层含量逐渐升高且大于未分解层质量分数，与杨玉莲等人研究结果一致［14］。枯落物的分解受到土壤中营养物质如氮、磷、钾质量分数等影响，幼苗生长时需要大量的营养物质，使土壤中这类元素缺导乏致，枯迫落使物枯半落分物解快层速质分量解分，加数快较有高机［15物-16］质。归 大还 兴量 安，

岭白桦林生态改造后枯落物半分解层自然持水率较未分解层自然持水率变异大。由于半分解层蓄积量逐年上升其分解过程中所需要的微生物、酶的数量及活性差别较大，导致枯落物蓄积结构、厚度及蓬松程度均不同，对土壤中的水分蒸发起到了截留作用，导致自然持水率不同［17］。枯落物未分解层与半分解层自然持水率最小值均出现在改造后的第3 年，带状生态改造及林窗生态改造对枯落物未分解层最大持水率变化趋势具有一致性，两种改造模式对半分解层最大持水率影响也较为一致，4 a 改造后，未分解层第3 年最大持水率最低，但半分解层在改造后的第3 年最大持水率最高。林窗改造25 m×25 m中，其半分解层及未分解层最大持水率均为最大，涵养水源潜力最大。带状生态改造及林窗生态改造后半分解层与未分解层变化趋势高度一致，但带状改造后最大持水率下降速率较林窗生态改造慢。生态改造对枯落物的最大持水率影响较大，带状改造变异系数属于中度变异，林窗改造变异系数属于高度变异。林窗改造后未分解层及半分解层最大持水量变异系数较为接近。与此同时，带状改造后未分解层变异系数较半分解层大。枯落物半分解层最大持水量大于未分解层最大持水量，与李良［18］等研究结果一致。改造对有效拦蓄量的变异系数影响较为适中，属于中度变异，其未分解层有效拦蓄量在改造后的前2 年并无明显变化规律，第3 年出现最小值。半分解层在改造后的2 a 中也表现为无规律，第3年出现最大值，与未分解层相反。

至改造后第4 年，H1 样地枯落物蓄积量最大，由于带宽较小且周围留有保留带，其保温效果较好，森林小气候温度较高，有利于植物的生长，增加了枯落物的输入量，蓄积量较大。保持水土能力最大，可以最大限度减少雨水对土地的冲刷。H3 样地有效拦蓄量最高，具有较高的水源涵养功能，由于移除非目的树种后，林下植被接受到更多的阳光，加快其生长且多为灌木草丛，增加了生物多样性(地表植被及微生物种类数量)［19］，凋落后不仅增加枯落物的输入量而且易于分解［20］，使其有效拦蓄量明显升高。枯落物的水文效应是一个需要长期监管、涉及原因众多的工作，后续还会继续对其关注及研究。

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