间伐对黄龙山辽东栎林下枯落物持水性的影响

曹旭平, 于世川, 张文辉, 刘舒宇

(1.陕西省延安桥山林业局, 陕西 黄陵 727300; 2.西北农林科技大学 陕西省林业综合实验室, 陕西 杨凌 712100)

间伐对黄龙山辽东栎林下枯落物持水性的影响

曹旭平1, 于世川2, 张文辉2, 刘舒宇2

(1.陕西省延安桥山林业局, 陕西 黄陵 727300; 2.西北农林科技大学 陕西省林业综合实验室, 陕西 杨凌 712100)

[目的] 对黄龙山林区辽东栎林抚育间伐与对照设置试验样地，研究其林下枯落物持水效应特征，为该地区森林抚育提供理论依据。 [方法] 采用重度(间伐35%)、中度(间伐25%)、轻度(间伐15%)抚育间伐，通过典型取样法、烘干法、浸泡法等开展研究。 [结果] 枯落物总储量大小依次表现为:CK(23.500±0.780)>轻度(22.950±1.012)>中度(22.708±0.365)>重度(20.725±1.041)，只有CK与重度有显著性；枯落物总持水量大小依次表现为：轻度(9.37)>CK(8.29)>中度(7.61)>重度(6.39)，轻度间伐下枯落物总有效拦蓄量最大；枯落物持水量与浸泡时间呈对数函数变化，R2均在0.93以上，具有显著相关性；枯落物吸水速率与浸泡时间呈幂函数变化，R2均在0.99以上，具有显著相关性。 [结论] 综合比较不同间伐强度下枯落物持水性，轻度间伐下枯落物持水性较好，可为黄土高原地区森林抚育提供理论依据。

枯落物; 持水性; 辽东栎; 间伐

枯枝落叶层是森林结构中重要的组成部分，是森林地表的一个重要覆盖面和保护层，还能为林木持续生长提供大部分养分，作为森林生态系统水文循环重要部分，对改善土壤结构、截留降雨、减缓降雨动能保护土壤而减少侵蚀、过滤细小土粒来防止土壤大孔隙堵塞、抑制水分蒸发、减缓地表径流具有重要意义[1]。目前，国内外对枯落物的研究主要集中在其水文功能[2-4]、分解[5-6]、蓄积量[7-9]、养分归还能力[10]、分布规律[11]等方面。而就黄土丘陵区间伐对枯落物持水性能影响方面的研究还鲜见报道。黄土丘陵区植被覆盖率低，水土流失严重，枯落物发挥的水文功能对本地区生态保护、治理具有重要意义，尤其该地区森林已经进行了大面积抚育间伐，而间伐对枯落物持水性能的影响尚不明确。为此，本研究以黄龙山林区辽东栎林枯落物为研究对象，探讨间伐对枯落物水文功能的影响，以期为该地区森林抚育提供借鉴。

1 研究区概况

研究区域选择在陕北黄土高原延安市黄龙山林业局蔡家川林场，地理位置109°38′49—110°12′47″E，35°28′46″—36°02′01″N，海拔962.6～1 783.5 m，属暖温带半湿润与半干旱气候的过渡地带，具有大陆性季风气候特征，雨热同季，四季分明。最大年降水量831.2 mm，最少年降水量为337.0 mm，年平均降水量611.8 mm，相对湿度60%以上。夏季温暖，降水集中，约占全年降水量的69%，冬季寒冷，干燥少雨，降水量仅占全年降水量的2.4%。年平均气温8.6 ℃，最高气温36.7 ℃，最低气温-22.5 ℃，无霜期126～186 d，年均降水量611.8 mm，是陕西省黄土高原上森林保存较好的地方。该林区属暖温带落叶阔叶林，以辽东栎(Quercuswutaishanica)、油松(Pinustabuliformis)、白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populusdavidiana)为建群种形成的纯林或者混交林呈镶嵌性分布，并伴有鹅耳枥(Carpinusturczaninowii)、红麸杨(Rhuspunjabensis)、漆(Toxicodendronvernicifluum)、茶条槭(Acerginnala)等伴生树种，灌木主要有土庄绣线菊(Spiraeapubescens)、胡枝子(Lespedezabicolor)、金银忍冬(Loniceramaackii)、陕西荚蒾(Viburnumschensianum)、南蛇藤(Celastrusorbiculatus)、灰栒子(Cotoneasteracutifolius)、卫矛(Euonymusalatus)、刚毛忍冬(Lonicerahispida)、黄刺玫(Rosarantbinahugonis)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、杠柳(Periplocasepium)、胡颓子(Elaeagnuspungens)等；草本层主要有大披针薹草(Carexlanceolata)、白茅(Imperatacylindrica)、披碱草(Elymusdahuricus)、黄精(Polygonatumsibiricum.)、茜草(Rubiacordifolia)、败酱(Patriniascabiosifolia)、山罗花(Melampyrumroseum)等[12-13]。该地区辽东栎为天然次生林，抚育以前，林分表现为纯林多，密度大，生长不良，林分基本郁闭，由于郁闭后竞争作用、自然稀疏，使林分基本维持郁闭度0.9左右。

2 研究方法

2.1 样地的设置

对辽东栎林充分踏查，在蔡家川林场143林斑阴坡设置辽东栎样地，通过典型取样，共设置20 m×20 m样地12个，每个间伐强度各设置3个样地(表1)。2004年底实施采伐作业，以近自然经营理念为指导，实施目标树单株林分作业，原则是间密留匀，留优去劣，使林木分布均匀，林分结构更为合理，林分质量有所提高。以林分的蓄积量作为间伐的标准，通过重度(间伐35%)、中度(间伐25%)、轻度(间伐15%)抚育间伐与对照设置试验样地。为了保留间伐强度不变，每隔3 a进行1次抚育间伐，2015年7月进行调查，样地基本情况详见表1。

表1 研究区辽东栎调查样地基本特征

2.2 枯落物蓄积量测定

在各样地右上、中间和左下选择3个具有代表性的1 m×1 m样方，测量分解层与未分解层厚度，按分解层和未分解层收集枯落物并称重，结合含水率，计算枯落物总储量。

2.3 枯落物持水性测定

在每块样地的4个角与中央选择5个0.3 m×0.2 m小样方，收集枯落物保存原样存放到纸盒，称重，带回实验室在85 ℃下烘干至恒重。将烘干的枯落物分解层、未分解层分别称重放入0.1 mm的土壤筛中，完全浸水，分别在0.5，1，2，4，8，12，24 h取出，在室内风干至无水滴落时用电子秤称其重量，以此来测定其不同时间的持水量和最大持水量(24 h时的持水量)与吸水速率[14]。

2.4 枯落物含水率测定

枯落物含水率计算公式[15]为：

(1)

式中：W——枯落物含水率(%)；m1——自然状态下枯落物重量(g)；m0——烘干后枯落物干重(g)。

2.5 枯落物有效拦蓄量计算

用最大持水率来估算枯落物层对降雨的拦蓄能力会偏高，因为当降雨量达到20～30 mm 以后，不论枯落物层含水量高低，实际持水率约为最大持水率的85%，所以通常采用有效拦蓄量来估算枯落物对降雨的实际拦蓄量[8]。枯落物有效拦蓄量计算公式[8]为：

R=(0.85Qm-W)·Z

(2)

式中：R——有效拦蓄量(t/hm2)；Qm——最大持水

率(%);W——初始含水量(%)；Z——枯落物蓄积量(t/hm2)。

3 结果与分析

3.1 不同间伐强度下枯落物蓄积量比较

由表2可以看出，不同间伐强度下枯落物未分解层厚度大小依次为:CK(2.25±0.289)>轻度(2.15±0.155)>重度(1.875±0.125)>中度(1.625±0.239)，其中只有中度间伐与对照有显著性；分解层大小依次为:中度(3.275±0.25)>CK(3.25±0.144)>轻度(2.375±0.125)>重度(1.925±0.175)，其中轻度、重度间伐与对照、中度间伐均有显著性，轻度与重度、对照与中度之间无显著性；枯落物总厚度大小依次表现为:CK(5.500±0.204)>中度(4.900±0.245)>轻度(4.525±0.165)>重度(3.8±0.238)，其中轻度、重度与对照均有显著性，中度与对照无显著性，重度与轻度、中度均有显著性，轻度与中度无显著性。

研究区枯落物未分解层储量大小依次为:轻度(6.05±0.399)>CK(5.49±0.321)>重度(5.375±0.511)>中度(3.958±0.275)，只有中度与对照、轻度、重度有显著性；枯落物分解层储量大小依次为:中度(19.083±0.578)>CK(16.942±0.479)>轻度(16.900±0.725)>重度(15.350±0.766)，只有中度与对照、轻度、重度有显著性；枯落物总储量大小依次为:CK(23.500±0.780)>轻度(22.950±1.012)>中度(22.708±0.365)>重度(20.725±1.041)，只有CK与重度存在显著性相关。

表2 研究区不同间伐强度下枯落物蓄积量

注：表中数值为：测量值±标准差；不同小写字母表示在p<0.05水平差异显著。

3.2 不同间伐强度下枯落物持水动态

3.2.1 不同间伐强度下枯落物持水量随时间变化规律 由表3可知，随着浸泡时间增加，枯落物持水量均表现增加趋势，到24h枯落物持水量达到最大值。枯落物未分解层最大持水量大小依次为:CK(3.10)>轻度(2.70)>重度(1.92)>中度(1.64)；枯落物分解层最大持水量大小依次为:轻度(6.67)>中度(5.97)>CK(5.19)>重度(4.47)；枯落物总持水量大小依次为:轻度(9.37)>CK(8.29)>中度(7.61)>重度(6.39)。

表3 研究区不同间伐强度下的枯落物持水量

3.2.2 枯落物持水量与浸泡时间回归关系 对不同间伐强度下枯落物持水量与浸泡时间的数据进行回归分析发现(图1)，枯落物未分解层及半分解层持水量(Ah)与浸泡时间(t)之间存在对数函数关系，由图1可知，不同间伐强度下枯落物未分解层、分解层持水量与浸水时间表现为显著相关性，R2值都在0.93以上，在8 h以前各间伐强度下枯落物未分解层、分解层持水量均增加较快，8 h以后其增加缓慢。

图1 枯落物未分解层和分解层的持水量变化

3.3 不同间伐强度下枯落物吸水速率与浸泡时间关系

由表4可以看出，随着浸泡时间的增加，不同间伐强度下枯落物未分解层、分解层吸水速率逐渐减小，到24 h吸水速率已降到0.28 mm/h以下。对不同间伐强度下枯落物吸水速率与浸泡时间的数据进行回归分析拟合发现，不同间伐强度下枯落物未分解层及半分解层吸水速率(Qh)与浸泡时间(t)呈幂函数关系，不同间伐强度下枯落物未分解层、分解层吸水速率与浸水时间表现为显著的相关性，R2值都在0.99以上(图2)。

图2 枯落物未分解层和分解层的吸水速率变化

3.4 不同间伐强度枯落物持水性能

由表5可以看出,轻度间伐下枯落物未分解层自然含水量、自然含水率最大，分别为7.33±0.561 t/hm2和21.18±1.945%，最大持水量仅小于CK，表明轻度间伐利于枯落物未分解层储水；中度间伐下枯落物未分解层自然含水量、自然含水率、最大持水量最小，而枯落物分解层自然含水量最大为25.03±1.783 t/hm2，自然含水率略小于CK为31.15±2.947%，最大持水量仅小于轻度间伐为5.97±0.243 mm，可能因为中度间伐生境利于枯落物分解，导致未分解层浇薄，不利于储水，但分解层较厚，利于储水；枯落物未分解层中最大持水率大小依次表现为:CK(562.57±28.345%)>中度(467.21±20.384%)>轻度(406.20±14.652%)>重度(379.22±19.352%)；最大吸湿比在枯落物未分解层大小依次表现为：轻度(8.45±0.569)>CK (6.77±0.215)>重度(3.93±0.243)>中度(3.71±0.172)，表明轻度间伐枯落物未分解层持水能力较强；最大吸湿比在枯落物分解层大小依次表现为:中度(4.53±0.184)>轻度(4.50±0.316)>CK(4.38±0.143)>重度(3.64±0.165)，可能因为中度间伐分解层蓄积量较大；轻度间伐下枯落物分解层有效拦蓄量最小，未分解层有效拦蓄量最大，总有效拦蓄量最大，说明轻度间伐枯落物持水能力强。

表4 研究区不同间伐强度下的枯落物吸水速率

表5 研究区不同间伐强度下枯落物持水能力指标

4 讨论与结论

(1) 间伐使枯落物厚度变薄，蓄积量减少，但间伐增加林内光照，提高地表温度，加速未分解层枯落物分解，导致未分解层储量少，分解层储量多，这在中度、轻度间伐表现的尤为明显；重度间伐林内光照过强，温度过高，不利于枯落物未分解层分解，且由于林木数量少，枯落物储量也很少，与对照表现为显著。

(2) 轻度间伐枯落物各持水性能指标表现为优越，枯落物分解层均大于未分解持水量。枯落物分解层持水量明显大于未分解层，说明枯落物分解层持水性对林地涵养水源起主要作用，层枯落物持水量与浸泡时间呈对数函数变化，R2均在0.93以上，具有显著相关性，24 h持水量达到最大值，8 h以后持水量变化缓慢；总持水量轻度间伐最大为9.37 mm，自然含水量为29.6 t/hm2，最大吸湿比为12.95，有效拦蓄量为71.8 t/hm2，表现较好的持水性，说明轻度间伐可以增加枯落物持水量。

(3) 枯落物吸水速率与浸泡时间呈幂函数变化，R2均在0.99以上，具有显著相关性；轻度间伐吸水速率最快，这与其持水量最大有直接关系，表明轻度间伐加快了枯落物吸水速率，持水性能较好。

(4) 黄土丘陵区水土流失严重，生态环境脆弱，轻度间伐提高枯落物持水性，对保护水土流失有重要意义。

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Effects of Thinning on Litter’s Water Holding Capacity ofQuercusWutaishanicaForest Understory in Huanglong Mountain

CAO Xuping1, YU Shichuan2, ZHANG Wenhui2, LIU Shuyu2

(1.QiaoshanForestBureauofYan’anCity,Huangling,Shaanxi727300,China; 2.KeyComprehensiveLaboratoryofForestryinShaanxiProvince,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

[Objective] The effects of thinning on the water holding features of forests understory litter were studied to provide theoretical basis for local regional forest tending. [Methods] The experimental had thinning treatments of heavy thinning(thinning 35%), medium thinning(thinning 25%), light thinning(thinning 15%) and the control(no thinning) inQuercuswutaishanicaforest of Huanglong Mountain in Loess Plateau. Typical sampling method, drying method and soaking method were used to measure water holding traits. [Results] Total litter volumes ranked as: CK(23.500±0.780)>light thinning(22.950±1.012)>medium thinning(22.708±0.365)>heavy thinning(20.725±1.041). Only the difference between CK and heavy thinning was significant; The total water holding capacities ranked as: light thinning(9.37)>CK(8.29)>medium thinning(7.61)>heavy thinning(6.39); the total effective retain capacity of light thinning is maximum. The litter water holding capacity presented a significant logarithmic function with soaking time as independent variable and theR2was above 0.93. Meanwhile, water absorption rate had a significant power function with soaking time, theirR2was above 0.99. [Conclusion] Water holding capacity of light thinning performed the best. This is theoretically important for regional forest tending.

litter; water holding capacity;Quercuswutaishanica; thinning

2016-04-25

2016-05-11

陕西省科技创新统筹项目“陕西珍贵用材树种质资源培育关键技术研究”(20150210169); 国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAD22B030204)

曹旭平(1963—),男(汉族),陕西省宜川县人,高级工程师,主要从事森林生态和森林经营管理研究。E-mail:2408192165@qq.com。

张文辉(1954—),男(汉族),陕西省岐山县人,博士,教授,博士生导师,主要从事森林培育、生物多样性保护与利用研究。E-mail:839951676@qq.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.041

A

1000-288X(2016)06-0247-05

S715.3, S715.7

文献参数： 曹旭平, 于世川, 张文辉, 等.间伐对黄龙山辽东栎林下枯落物持水性的影响[J].水土保持通报，2016,36(6)：247-251.