秦岭两种典型人工林不同密度时的枯落物持水功能差异

王亚萍 张淑兰 韩勇 董新宇 赵雨薇 万格

摘要：[目的]探究秦岭林区典型森林不同密度时的枯落物持水功能差异，为该区植被建设提供依据。[方法]在秦岭火地塘林区，选取油松林和锐齿栎林3个密度（低、中、高）的样地，利用室内浸水法、熵权法定量分析和综合评价枯落物层持水功能。[结果]①油松林、锐齿栎林枯落物层厚度分别变化在3.48～5.14cm、6.54～9.48 cm，枯落物蓄积量均为中密度时最大，分别为9.09、5.61 t·hm-2，其中油松林枯落物蓄积量以半分解层为主（56.5%～60.55%），锐齿栎林以未分解层为主（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），而锐齿栎林枯落物的最大持水量则在高密度时最大，达到17.8t·hm-2；油松林和锐齿栎林枯落物吸持水分的主要贡献者分别为半分解层和未分解层；③枯落物的累积持水率在浸水后10 min内迅速增大，且锐齿栎林的增速大于油松林，枯落物吸水速率随浸水时间增加先快速降低后逐渐降低并趋于0；枯落物的持水率（量）、吸水速率与浸水时间分别呈较好的对数和幂函数关系。[结论]油松林半分解层和锐齿栎林未分解层枯落物的持水作用可以互补，其中锐齿栎林密度在725株·hm-2时为最佳。建议营造松栎混交林，并且合理控制密度，以充分发挥其枯落物的水文功能。

关键词：油松林；锐齿栎林；枯落物层；水文功能；秦岭

中图分类号：S715.3 文献标识码：A 文章编号：1001-1498（2023）03-0100-09

森林生态系统在涵养水源、蓄水保土、固碳增汇及调节气候等方面发挥着关键作用。在不同地形、气候和植被条件下，林冠层、枯落物层及土壤层对降水的截留和再分配、地表径流及蒸散发等过程发挥的作用有别。其中枯落物层在拦蓄降水、防止土壤溅蚀和减少水分蒸发等方面有着重要作用。受气候条件、时间尺度、树种和立地条件等因素影响，枯落物蓄积量及持水功能差异较大。目前研究集中在某一地区多个树种或同一树种不同林龄阶段的枯落物及土壤持水功能差异上，而针对典型林分不同密度时的枯落物持水功能差异研究较少。此外，已有研究证实不合理密度会影响水源涵养功能，强调适宜密度对提高森林水文功能的重要性。

秦岭作为我国中部的重要生态屏障及南水北调中线工程的水源地，在保障区域生态安全和社会经济持续发展方面有重要作用。20世纪60年代，该区森林被大量砍伐，现存森林主要是恢复的天然次生林，近年来出现生长滞缓、地力衰退等问题，亟待调控改造以提升水源涵养功能。有学者探讨了间伐对华山松（Pinus armandii Franch）林水源涵养功能的影响，指出间伐20%时的水源涵养效能最佳。油松（Pinus tabulaeformis Carr）林和锐齿栎（Quercus allena varacuteseata Maxim.exWenz.）林是秦岭地区的主要森林类型，近些年来由于缺乏管理，普遍存在衰退问题。尽管大量学者探讨了该区多个典型林分的水源涵养功能差异，然而较少研究秦岭地区不同密度的油松林和锐齿栎林枯落物水文功能差异，尚不清楚合理林分密度。因此，本文在秦岭火地塘林区选择了不同密度的油松林和锐齿栎林样地，定量测定枯落物层的厚度、组成、蓄积量和持水性能，通过熵权法探究枯落物层持水能力最佳的林分类型和密度，以期为该区水源涵养林可持续经营等提供理论依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

本研究区位于陕西省宁陕县火地塘林场，也是陕西秦岭森林生态系统国家野外科学观测研究站所在地，地处秦岭南坡，北亚热带北缘，33°18′～33°28′N，108°21′～108°39′E，研究区总面积约2 037hm2，海拔1470～2 473m。林区气候类型属于暖温带湿润山地气候，多年平均降水量1023 mm，多集中在7-9月，年均气温12 ℃。林区内沟道纵横，地形较陡峻，平均坡度30°。土壤主要为花岗岩母质发育起来的山地棕壤，土层较薄，平均厚度约50 cm。区域内森林覆盖率93.8%，植被类型具有由暖温带向亚热带过渡的特征，现有森林主要是天然次生林，建群树种主要有锐齿栎、油松、华山松、光皮桦（Betula luminifea H.Winkl.）、巴山冷杉（Abies fagesll Franch.）等，森林质量总体较高，野生动植物资源丰富。

1.2研究方法

1.2.1样地选择与调查 2022年3至4月，在充分勘查后，在远离道路且人为扰动较小的区域，分别选择油松林和锐齿栎林的3个不同密度样地。在每个样地中随机选择10株林术测定胸径，并随机选择3个样点人工打钻采集0～50 cm深度土层样品，并用烘干法测定其土壤水分状况。此外，调查记录样地编号、地理位置（经纬度）、海拔、坡度、郁闭度等基本信息，具体见表1。

1.2.2枯落物样品采集及蓄积量测定 在每块样地随机选择3个50 cm×50 cm的样方，根据枯落物分解腐烂程度，分别收集半分解层和未分解层的全部枯落物，装入塑料袋做好标记带回实验室；同时在样方附近随机选择10个不同位置点，用钢尺测定未分解层及半分解层厚度并做好记录。在室内，用电子天平称取枯落物鲜质量，然后装入档案袋，放人85℃烘箱烘干至质量恒定，称量干质量，计算枯落物自然含水率及单位面积枯落物蓄积量。

1.2.3枯落物持水性能测定 采用室内浸泡法测定枯落物持水能力，在尽量保持枯落物原状条件下，将烘干后枯落物样品装入已知质量的细孔尼龙网袋内，置于装满水的容器中，分别在累积浸水5、10、20、30、40 min和1、1.5、2、4、6、8、12、24 h时取出，静置至不滴水后迅速称量质量并记录。每次样品湿质量与干质量之差即为该时段的枯落物持水量，其中24 h后为最大持水量。持水量与浸水时间的比值为该时段枯落物持水速率，并进一步计算枯落物的持水率和拦蓄率（量），相关计算公式参见文献。

1.2.4枯落物水文功能评价 为直观比较，采用熵权法对不同密度油松林和锐齿栎林枯落物水文功能进行综合评价。首先，对选择的水文功能指标进行标准化处理，包括枯落物的厚度、蓄积量、最大持水率、最大持水量、有效拦蓄率和有效拦蓄量6个指标，通过极值法标准化处理，然后根据公式计算各指标的熵值及权重，进而评价不同样地枯落物的水源涵养功能差异，具体计算过程如下：

3讨论

3.1枯落物层厚度与蓄积量的林分差异

枯落物层对土壤保持和水源涵养功能至关重要，不但可减弱降雨对地表的冲刷，还起到拦截蓄水作用，因此枯落物蓄积量变化可直接影响水源涵养能力。枯落物蓄积量及其水文功能受林分类型、立地条件、气候及季节等因素影响而动态变化。在本研究中，锐齿栎林枯落物层厚度显著高于油松林，这可能是因阔叶与针叶的差异，但枯落物蓄积量为油松林较大，这与他人研究结果一致，困针叶枯落物富含油脂不易分解，阔叶枯落物表皮较薄和缺乏保护所以分解较快。此外，有学者在分析不同林龄麻栎枯落物蓄积量时发现，枯落物蓄积量除林龄外更多受林分密度及累积时间影响。本研究中，油松林和锐齿栎林的枯落物蓄积量均随林分密度增加呈“单峰型”变化，这和前人研究一致，但蓄积量有别，原因可归结为两点：一是林分密度增加会降低林内光照和温度，利于枯落物积累，但当密度过高时会加剧林木个体竞争和导致生长缓慢及凋落物减少；二是枯落物蓄积量会随植被生长阶段呈现季节性变化，本研究测样时间为春季，枯落物可能已被分解或受冬季风力影响转移到别处，这也说明枯落物蓄积量季节变化特征还有待进一步研究。

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调节能力的重要指标，体现了枯落物的持水容量及吸收地表径流的能力，有效拦蓄率则反应了枯落物对降雨的拦截能力，其大小与枯落物的蓄积量、结构组成、立地条件及分解程度等有关。段文标等人分析发现，受植被类型影响，不同林型及荒草地枯落物层的厚度及储量分布有别，其持水功能也有所不同。一般来讲，阔叶林凋落物因其叶面积大，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锐齿栎林枯落物的持水过程呈现一致规律，即累积持水量在10 min内迅速增加，2h后缓慢增加直到24 h后保持恒定，相应吸水速率则在在10 min内较高，随后迅速降低并接近与0，其中同一时段的锐齿栎林未分解枯落物的持水性能优于油松林，这进一步证实了前人研究。不管油松林还是锐齿栎林，枯落物的降水拦蓄有效时间主要在2h内，原因是枯落物初期干燥导致吸水速率较高，随时间延长枯落物吸水量逐渐接近其最大值，因此吸水速率快速降低。特别地，油松林半分解枯落物的持水能力优于未分解层，而锐齿栎林相反，说明油松林半分解枯落物在降水拦截中发挥着重要功能，而锐齿栎林主要依赖其疏松的未分解层，这和前人研究结论一致。这表明，油松林和锐齿栎的半分解层和未分解层枯落物在降水拦截中可以作用互补。在降雨初期，枯落物通过迅速吸水来有效拦截降雨，从而保护土壤免受雨滴击溅侵蚀，枯落物蓄积量较高林分的持水能力更明显，可在短时间内快速吸水，有效发挥水源涵养功能。此外，枯落物的持水率、持水量及吸水速率均与浸水时间有较好的对数和幂函数关系，这和已有研究一致。本研究还综合评价了两类典型林分不同密度时的枯落物持水能力，发现锐齿栎林优于油松林，且当锐齿栎林密度为725株·hm-2时最佳。因此建议调整林分结构，将纯林逐渐改造为混交林，这样可实现两个树种的枯落物持水性能互补，充分发挥水源涵养功能。

4结论

在陕西秦岭火地塘林区，油松林和锐齿栎林的枯落物层厚度分别为3.48～5.14 cm和6.54～9.48 cm，高密度油松林和中密度锐齿栎林的最大；枯落物蓄积量均为中密度时最大，分别为9.09、5.61 t·hm-2，其组成对油松林以半分解层为主（56.5%～60.55%），对锐齿栎林以未分解层为主（63.58%～74.53%）。

两种森林的枯落物最大持水量变化在14.41～24.55 t·hm-2，对油松林是中密度的最大，主要贡献者是半分解层；对锐齿栎林则是高密度的最大，主要贡献者是未分解层。枯落物累积持水率在浸水10 min内迅速增加，且锐齿栎林的增速大于油松林；枯落物吸水速率随浸水时间增加先快速降低，在2h后则逐渐降低并趋于0。枯落物的持水率（量）和吸水速率与浸水时间分别具有很好的对数和幂函数关系。

通过熵权法综合评价，锐齿栎林枯落物的持水功能优于油松林，且以密度725株·hm-2时最佳。建议未来进行松栎混交造林，并且合理控制密度，以充分发挥其水文功能。