黄土高原子午岭油松林枯落物的水源涵养功能评价

孙于卜, 欧晓彬, 陈轲林, 马文昌, 林 飞, 王智威, 龚 磊

(1.陇东学院 生命科学与技术学院, 甘肃 庆阳 745000; 2.甘肃省陇东生物资源保护利用与生态修复重点实验室, 甘肃 庆阳 745000; 3.甘肃省子午岭生态系统野外科学观测研究站, 甘肃 庆阳 745000)

森林生态系统是中国陆地生态系统的重要组成部分，具有调节气候、净化环境、水土保持、水源涵养等多种生态功能[1]，其中水源涵养是森林生态系统最主要的生态功能之一，涵养着陆地90 %以上的淡水资源[2]。森林通过林冠、枯落物及土壤的垂直结构实现对降雨的调蓄和再分配，发挥其水源涵养功能[3-4]。枯落物层作为森林发挥水源涵养功能的第二作用层，具有较强的截流和蓄水的性能，其截持水量是自身干重的2～5倍[5]，还可降低土壤蒸发、改善土壤理化性质，增大土壤孔隙率，提高土壤入渗，防止土壤严重板结，增加土壤有机质[6]，在森林生态系统水文过程中起着极其重要的作用。

枯落物包括乔灌草的枯枝、枯叶、落皮等及动物的残骸及代谢产物[7]，其水源涵养功能与人为干扰、水热条件、枯落物蓄积量、分解状况及自然含水量等多种因子有关[8-10]。目前，对枯落物的降雨截持及持水性能等水文特性的研究已较为成熟[11-13]，而对森林枯落物水源涵养功能的综合评价亦成为森林水文研究的热点内容之一[14-15]。

子午岭林区分布有大面积的人工油松林，但在森林管理上存在密度偏大及地力衰退等问题，此类问题在黄土高原普遍存在[16-17]，亟待对此类林分进行调控和改造，提升生态服务功能。许多学者对不同密度油松林枯落物水源涵养功能进行研究，林分密度的选取集中在338～3 683株/hm2，不同地区油松枯落物发挥水源涵养功能较好的林分密度各不相同[18-23]，而油松林密度大于3 683株/hm2的枯落物水源涵养功能的变化规律尚不明确，且子午岭林区油松林枯落物的水源涵养功能对林分密度变化的响应缺乏研究。因此，本研究在子午岭林区选取密度为2 222～9 286株/hm2的人工油松林，基于枯落物持水能力指标定量分析，通过坐标综合评价法探究枯落物水源涵养功能发挥较好的林分密度，以期为子午岭林区人工油松林枯落物水源涵养功能提升及功能导向型林分改造提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

子午岭位于黄土高原的腹地，跨陕西、甘肃两省(33°50′—36°50′ N，107°30′—109°40′ E)，是泾河和洛河水系的发源地和补给区。甘肃省子午岭林区位于庆阳市境内，被誉为黄土高原的“天然水库”，陇东大地的“生态安全屏障”[24]。研究区位于甘肃省合水县连家砭林场(35°03′—36°37′N，108°10′—109°18′E)，属于典型的黄土高原丘陵沟壑区，海拔1 100～1 756 m，年均降水量587.6 mm，降雨集中于6—9月，约占全年降水量的70.4%，年均相对湿度64%，年均日照时数2 510 h，年均气温7.4 ℃，≥10 ℃积温为2 671.0 ℃，年无霜期135 d，属于大陆性季风气候，土壤类型为黄绵土和灰褐土。主要乔木有油松(Pinustabuliformis)、辽东栎(Quercuswutaishanica)、小叶杨(Populussimonii)、山杨(Populusdavidiana)、茶条槭(Acerginnala)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、白桦(Betulaplatyphylla)等200余种；灌木主要有虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、西北栒子(Cotoneasterzabelii)、胡枝子(Lespedezabicolor)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、土庄绣线菊(Spiraeapubescens)、酸枣(Ziziphusjujuba)、荆条(Vitexnegundo)、黄蔷薇(Rosahugonis)、狼牙刺(Sophoraviciifolia)、胡颓子(Elaeagnuspungens)、连翘(Forsythiasuspensa)等；草本主要有大披针苔草(Carexlanceolata)、大车前(Plantagomajor)、铁杆蒿(Artemisiagmelinii)、紫花地丁(Violaphilippica)、冰草(Agropyroncristatum)、艾蒿(Artemisiaargyi)等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置 甘肃省子午岭林区现有人工林面积1.16×105hm2，油松林占造林总面积的70%以上，占森林总面积的23.4%，是该区最主要林分类型之一[17]。本研究于2021年8月在甘肃省合水县连家砭林场对人工油松林密度勘察后，选择20×20 m的2 222，3 200，4 802，6 250，7 503，9 286株/hm2的6种密度的油松林为研究样地，6种林分密度分别用YS2 222，YS3 200，YS4 802，YS6 250，YS7 503，YS9 286表示，样地基本情况见表1。

采用室内浸水法测定枯落物的持水能力。将烘干的枯落物转移至0.075 mm的尼龙网袋[25]封口后浸入水中，分别在浸水10 min，20 min，30 min，40 min，50 min，1 h，1.5 h，2 h，4 h，6 h，12 h，24 h时取出网袋，沥干至不再滴水后迅速称重。枯落物各持水能力指标如下：

M=Md/S×100

(1)

R0=(M0-Md)/Md×100%

(2)

Rhmax=(M24-Md)/Md×100%

(3)

Rsv=0.85Rhmax-R0

(4)

Whmax=Rhmax×M

“中国制造2025”是我国政府为了应对工业4.0而出台的行动纲领，它将促使我国由制造大国向制造强国转变。且“中国制造2025”是我国强化工业发展的第一步，后续还将有“中国制造2035”“中国制造2045”……“中国制造2025”的核心是智能制造，但其根本是机械制造。因此，面对“中国制造2025”，高职院校机械制造类专业的人才培养模式面临极大变革，原有的人才培养模式将无法适应未来的人才培养需要。

(5)

Wsv=Rsv×M

(6)

Ri=(Mi-Md)/Md×100%

(7)

Wi=Ri×M

(8)

Vi=Wi/t

(9)

式中：M为蓄积量(t/hm2);Md为干重(g);S为单个样方面积(cm2);R0为自然含水率(%);M0为鲜重(g);Rhmax为最大持水率(%);M24为枯落物浸泡24 h的质量(g);Rsv为有效拦蓄率(%);Whmax为最大持水量(t/hm2);Wsv为有效拦蓄量(t/hm2);Ri为持续浸水i时间的持水率(%);Mi为持续浸水i时间的质量(g);Wi为持续浸水i时间的持水量(t/hm2);Vi为持续浸水i时间的吸水速率〔t/(hm2·h)〕;t为持续浸水时间(h); 0.85为有效拦蓄系数。

1.2.3 枯落物水源涵养功能评价 本文采用坐标综合评价法对6种密度油松林枯落物的水源涵养功能进行评价，坐标综合评价法是基于多维空间理论，将不同类型下不同属性评价指标看作共存于相同空间单元的对象，以各评价指标到标准点的距离对不同类型进行评价和比较，可对多个不同量纲的指标进行综合评价[14,26-27]。评价指标为以下6项(n=6)：枯落物厚度、最大持水率、有效拦蓄率、蓄积量、最大持水量、有效拦蓄量。首先将各指标进行无量纲化，i表示不同密度油松林，j表示不同指标，列出原始数据Xij，Xj为每一指标最大值，根据公式(10)获得相对值dij的矩阵坐标。然后根据公式(11)计算i密度油松林的第j个指标到标准点的距离Pij。最后根据公式(12)获得i密度油松林的各指标到标准点的距离之和Si，评价值小者表明水源涵养功能相对较高。

dij=Xij/Xj

(10)

(11)

(12)

1.2.4 数据处理 采用Microsoft Excel 2010进行数据处理，利用SPSS 26.0的单因素方差分析(one-way ANOVA)检验不同密度油松林枯落物各指标的差异，采用Origin 2021作图。

2 结果与分析

2.1 枯落物厚度及蓄积量

6种密度油松林枯落物厚度和蓄积量见图1a和图1b，枯落物总厚度介于2.78～7.30 cm，总蓄积量介于14.97～52.41 t/hm2，枯落物厚度和蓄积量随林分密度的增高，其变化趋势一致，未分解层和半分解层的厚度和蓄积量均呈“单峰型”，其顶点和最低点对应的林分密度分别为4 802，2 222株/hm2。枯落物半分解层的厚度和蓄积量均大于未分解层，且半分解层厚度为未分解层的1.88倍以上，半分解层蓄积量占枯落物总蓄积量的73.92 %以上。密度4 802株/hm2的枯落物总厚度及半分解层厚度均与3 200株/hm2差异不显著(p>0.05)，与其余林分差异显著(p<0.05)。密度4 802株/hm2的枯落物未分解层厚度与其余林分均差异显著(p<0.05)。密度4 802株/hm2的枯落物总蓄积量及半分解层蓄积量均与6 250株/hm2差异不显著(p>0.05)，与其余林分差异显著(p<0.05)。密度4 802株/hm2的枯落物未分解层蓄积量与3 200株/hm2差异不显著(p>0.05)，与其余林分差异显著(p<0.05)。

注：同一列中不同字母表示差异显著(p<0.05)。下同。

2.2 枯落物最大持水率(量)

6种密度油松林枯落物最大持水率见图2a。枯落物的最大持水率在3 200株/hm2达到最大(192.98%)，9 286株/hm2最小(167.91 %)，且6种密度枯落物最大持水率间差异均不显著(p>0.05)。枯落物未分解层最大持水率在4 802株/hm2最大(171.13%)，2 222株/hm2最小(146.60%)，密度4 802株/hm2与2 222株/hm2，9 286株/hm2差异显著(p<0.05)，与其余林分差异不显著(p>0.05)。枯落物半分解层的最大持水率在3 200株/hm2最大(232.74%)，6 250株/hm2最小(181.41%)，且两者差异显著(p<0.05)。枯落物半分解层最大持水率的值比未分解层的值大25.94%～81.63%。

6种密度油松林枯落物最大持水量见图2b，油松林枯落物最大持水量为29.23～101.46 t/hm2，枯落物未分解层与半分解层的最大持水量均呈“单峰型”，峰值均在4 802株/hm2，为17.78 t/hm2和83.68 t/hm2，最小值在2 222株/hm2，为5.80 t/hm2和23.44 t/hm2。密度4 802株/hm2的枯落物总最大持水量与3 200株/hm2，6 250株/hm2差异不显著(p>0.05)，与其余林分差异显著(p<0.05)。枯落物半分解层最大持水量是未分解层的4倍以上。密度4 802株/hm2的枯落物未分解层最大持水量与其余林分差异显著(p<0.05)。密度4 802株/hm2的枯落物半分解层最大持水量与3 200株/hm2差异不显著(p>0.05)，与其余林分差异显著(p<0.05)。

图2 黄土高原子午岭油松林枯落物最大持水率(量)

2.3 枯落物有效拦蓄率(量)

6种密度油松林枯落物有效拦蓄率见图3a。枯落物有效拦蓄率在林分密度为3 200株/hm2时最大(152.04%)，9 286株/hm2时最小(127.06%)，6种密度枯落物的有效拦蓄率间差异均不显著(p>0.05)。枯落物未分解层的有效拦蓄率为：4 802株/hm2>3 200株/hm2>6 250株/hm2>7 503株/hm2>9 286株/hm2>2 222株/hm2，且4 802株/hm2与3 200株/hm2，6 250株/hm2差异不显著(p>0.05)，与其余林分差异显著(p<0.05)。枯落物半分解层有效拦蓄率为：3 200株/hm2>2 222株/hm2>7 503株/hm2>9 286株/hm2>6 250株/hm2>4 802株/hm2，且3 200株/hm2与4 802株/hm2，6 250株/hm2差异显著(p<0.05)，与其余林分差异不显著(p>0.05)。

6种密度的油松林枯落物的有效拦蓄量如图3b所示。枯落物未分解层和半分解层的有效拦蓄量均呈现“单峰型”，峰值在4 802株/hm2，最小值在2 222株/hm2。林分密度为4 802株/hm2的枯落物未分解层和半分解层的有效拦蓄量均与2 222株/hm2差异显著(p<0.05)，与其余林分差异不显著(p>0.05)。枯落物半分解层的有效拦蓄量是未分解层的4倍以上。

图3 黄土高原子午岭油松林枯落物有效拦蓄率(量)

2.4 枯落物持水过程

6种密度油松林枯落物持水过程见图4。枯落物在浸水初始2 h，吸水速率急剧降低，持水率(量)迅速升高。浸水2～12 h，枯落物吸水速率逐渐降低，持水率(量)增加缓慢。浸水12～24 h，枯落物吸水速率逐渐趋近于零，持水率(量)逐渐达到饱和。相同密度下，枯落物半分解层的持水率(量)及吸水速率均高于未分解层。对6种密度油松林枯落物未分解层和半分解层的持水率(量)与浸水时间进行拟合，油松林枯落物持水率(量)与浸水时间均呈明显的对数函数关系〔公式(13)〕。持水率与浸水时间函数的决定系数R2>0.956，持水量与浸水时间函数的R2>0.962(表2)。

y=alnx+b

(13)

式中：y为枯落物持水率(%)或持水量(t/hm2);x为浸水时间(h);a为系数;b为常数项。

对6种密度油松林枯落物未分解层和半分解层的吸水速率与浸水时间进行拟合，油松林枯落物吸水速率与浸水时间均呈明显的幂函数关系(公式14)，且R2>0.998(表2)。

y=kxn

(14)

式中：y为枯落物吸水速率(t/(hm2·h);x为浸水时间(h);k为系数;n为指数。

表2 黄土高原子午岭不同密度油松林枯落物持水率、持水量、吸水速率与时间关系

图4 黄土高原子午岭油松林枯落物持水率、持水量和吸水速率时间变化

2.5 枯落物水源涵养功能评价

前文对不同密度油松林枯落物的持水能力指标分析表明，不同油松林密度在各持水能力指标出现不同的变化规律，这为最终评价不同密度油松林枯落物的水源涵养功能造成困难，本文采用的坐标综合评价法可以有效地解决此问题。6种密度油松林枯落物水源涵养功能评价结果见表3。油松林枯落物的水源涵养功能表现为：4 802株/hm2>3 200株/hm2>6 250株/hm2>7 503株/hm2>9 286株/hm2>2 222株/hm2，林分密度4 802株/hm2的枯落物水源涵养功能明显优于其他密度，林分密度2 222株/hm2的枯落物水源涵养功能相对较差。

表3 黄土高原子午岭不同密度油松林枯落物水源涵养功能评价

3 讨 论

样地调查结果显示，随着油松林密度的增大，平均树高、胸径及冠幅降低，而郁闭度增大，这与晋西黄土区[19]和北京八达岭林场[21]的研究结果一致。本研究中，子午岭林区油松林枯落物厚度介于2.78～7.30 cm，有研究认为，油松林枯落物层厚度介于1.94～3.85 cm，这是由于其选取的油松林密度相对较低(1 478～3 189株/hm2)[23]。植物生长状况、水热条件、物种组成及枯落物特性等多种因素决定了枯落物蓄积量[28]。本研究中，枯落物蓄积量介于14.97～52.41 t/hm2，与北京八达岭林场[21]、冀北山区[22]、土石山区[23]的研究结果不同，这是由于本研究选取的油松林密度相对较大，而甘肃小陇山不同密度(1 367～3 683株/hm2)油松林枯落物蓄积量介于6.85～15.63 t/hm2[18]，相同密度区间枯落物蓄积量的值与本研究结果相近。本研究中，随着油松林密度的增高，油松林枯落物的厚度和蓄积量均呈“单峰型”，峰值出现在4 802株/hm2。一些研究发现，随着油松林密度(388～3 683株/hm2)的增高，枯落物厚度和蓄积量逐渐增大[18,20]，这和本研究的结论一致。产生这种“单峰型”变化的原因一方面可能是林分密度过低，枯落物来源减少[20]，且光照过强，致使枯落物分解加速[19]，而林分密度过大，林木个体间对资源的竞争加剧，林下水肥气热等条件变差[29]，影响林木正常生长，并导致枝条出现“自疏”[14]，致使枯落物蓄积量降低；另一方面可能与坡度的影响有关，本研究中，坡度变化区间为22°～31°，其中林分密度4 802株/hm2的坡度最小，有研究表明，坡度在20°～40°，枯落物蓄积量随坡度的增大而降低[30]。枯落物厚度和蓄积量变化趋势相同，存在一定的正相关性[30-31]。本研究中，油松林枯落物半分解层厚度为未分解层的1.88倍以上，有研究表明，半分解层的厚度2倍于未分解层[5]，这可能是由于其选取的油松林龄较大(35 a)。半分解层蓄积量占枯落物总蓄积量的68%以上[21-22]，与本文结论相近。

枯落物既可防止降雨和地表径流对土壤的冲刷，又具有较高的持水率和持水量，最大持水率(量)可反映枯落物水容量及吸收地表径流的作用[32]，而有效拦蓄率(量)可反映枯落物对降雨的拦蓄能力。本研究中，枯落物最大持水率和有效拦蓄率均在3 200株/hm2表现优良，9 286株/hm2表现较差；枯落物的最大持水量和有效拦蓄量均在4 802株/hm2较高，2 222株/hm2较小；两者变化规律不一致，可能是由于最大持水量和有效拦蓄量受枯落物蓄积量、结构及分解状况等的综合影响[33]。枯落物半分解层的最大持水率(量)和有效拦蓄率(量)均大于未分解层，表明油松枯落物半分解层的持水能力和拦蓄能力均强于未分解层，半分解层在枯落物降水拦蓄过程中起主要作用，这与许多研究结论一致[21-22]。

枯落物的持水过程一定程度上可以反映其对雨强较大降雨的拦蓄能力，枯落物吸水速率越高，则短时持水率(量)越大，截水效果就越好[21,33]。本研究中，枯落物浸水2 h内，枯落物相对干燥，水势低，吸水速率大[23]，随着浸水时间延长，枯落物逐渐湿润，水势差降低[23]，其吸持能力随之降低，至24 h，持水趋于饱和，吸水速率逐渐趋近零。枯落物短时快速吸水有助于森林生态系统水源涵养功能的发挥[33]。相同密度下，枯落物未分解层的持水率(量)和吸水速率均小于半分解层，一些研究得出相同的结论[5,21]。油松林枯落物持水率(量)与浸水时间均呈明显的对数函数关系，吸水速率与浸水时间均呈明显的幂函数关系，这已成为共识[5,20,21-23]。

通过对不同密度油松林枯落物的水源涵养功能的综合评价，当林分密度在4 802株/hm2时，枯落物水源涵养功能发挥较好，密度过高或过低均会限制其水源涵养功能的发挥。为进一步确定油松林水源涵养功能发挥最优的林分密度，后续研究应加强对油松林林冠层及土壤层的研究，并综合考虑土壤水分植被承载力及油松林水分利用规律等，系统科学地评价子午岭林区油松林的水源涵养功能，为区域水源涵养功能提升及低效林改造提供有力依据。

4 结 论

(1) 油松林枯落物厚度介于2.78～7.30 cm，蓄积量介于14.97～52.41 t/hm2，枯落物厚度和蓄积量均呈“单峰型”，林分密度4 802株/hm2的枯落物厚度和蓄积量较高，且半分解层厚度为未分解层的1.88倍以上，半分解层蓄积量占总蓄积量的73.92%以上。

(2) 油松林枯落物最大持水率和有效拦蓄率均在3 200株/hm2较大，而最大持水量和有效拦蓄量在4 802株/hm2时表现优良，半分解层在枯落物降水拦蓄过程中起主要作用。

(3) 油松林枯落物的水源涵养功能发挥较好林分密度为4 802株/hm2，林分过密或过疏均会限制枯落物水源涵养功能的发挥。仅考虑油松林枯落物的水源涵养功能，油松林密度应调控至4 800株/hm2。后续应加强对油松林林冠层及土壤层的研究，并综合考虑土壤水分植被承载力及油松林水分利用规律等，最终确定油松林水源涵养功能发挥最优的林分密度。