森林经营方式对不同林龄落叶松林枯落物及土壤水源涵养能力的影响

李树宝 张丽娜 王树森 马迎梅 张苗苗 马成功 于胜利

摘要：研究森林经营方式对不同林龄落叶松林林下枯落物及土壤水源涵养能力的影响，为该研究区落叶松人工林经营与水土保持措施的制定提供理论依据。2021年8月在赤峰市旺业甸林场选取近自然经营、常规经营和未经营措施下的落叶松幼龄林、近熟林和成熟林为研究对象，采用野外调查取样与室内实验分析相结合的方法，对比分析不同经营方式下落叶松幼龄林、近熟林和成熟林林下枯落物与土壤的持水能力，并运用熵权法对落叶松林枯落物及土壤水源涵养能力進行综合评价。结果表明，9种样地类型枯落物总厚度介于2.37～5.83 cm，总蓄积量介于11.27～37.07 t/hm2，不同林龄落叶松林林下枯落物最大持水量和有效持水量的变化趋势由大到小顺序均为成熟林、近熟林、幼龄林；不同经营方式落叶松林林下枯落物最大持水量和有效持水量由大到小顺序均为未经营、常规经营、近自然经营；不同林龄落叶松林林下土壤总孔隙度、毛管孔隙度、饱和持水量和毛管持水量的变化规律由大到小顺序均为幼龄林、成熟林、近熟林；不同经营方式落叶松林林下土壤孔隙度及持水量的变化规律由大到小均为近自然经营、常规经营、未经营；落叶松林在未经营措施下成熟林阶段林下水源涵养能力最高，在常规经营措施下幼龄林阶段林下水源涵养能力次之，在常规经营措施下近熟林阶段林下水源涵养能力最低。

关键词：森林经营；落叶松；林龄；水源涵养

中图分类号：S715.7文献标识码：A文章编号：1006-8023（2023）02-0012-10

Effects of Forest Management Methods on Litter and Soil Water Conservation

Capacity of Larix principis-rupprechtii Plantation of Different Ages

LI Shubao1，2， ZHANG Lina1，3， WANG Shusen1，2*， MA Yingmei1，3， ZHANG Miaomiao1，2， MA Chenggong4， YU Shengli4

（1.College of Desert Control Science and Technology， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot 010018， China;

2.Key Laboratory of State Forestry and Grassland Administration for Desert Ecosystem Protection and Restoration，

Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot 010018， China; 3.Inner Mongolia Key Laboratory of Aeolian Physics

and Desertification Engineering， Hohhot 010018， China; 4.Wangyedian Experimental Forest Farm， Chifeng 024423， China）

Abstract：The effects of forest management methods on the understory litter and soil water conservation capacity of Larix principis-rupprechtii forests of different ages were studied to provide a theoretical basis for the formulation of Larix principis-rupprechtii plantation management and soil and water conservation measures in the study area. In August 2021， young forests， near-mature forests and mature forests of Larix principis-rupprechtii  under near-natural management， conventional management and non-management measures were selected as the research objects in Wangyedian Forest Farm， Chifeng City， the method of field survey and sampling combined with indoor experimental analysis was used to compare and analyze the water holding capacity of understory litter and soil in young Larix principis-rupprechtii forest， near-mature forest and mature forest under different management methods， and the entropy weight method was used to comprehensively evaluate the litter and soil water conservation capacity of Larix principis-rupprechtii forest. The results showed that： the total thickness of litter in 9 sample plots ranged from 2.37 cm to 5.83 cm， and the total volume of litter ranged from 11.27 t/hm2 to 37.07 t/hm2. The maximum and effective water holding capacity of litter under different ages of Larix principis-rupprechtii forests

收稿日期：2022-07-08

基金项目：内蒙古地区多功能树种选育及扩繁关键技术研究与示范项目（2019GG004）

第一作者简介：李树宝，硕士研究生。研究方向为水土保持与荒漠化防治。Email： 964959354@qq.com

*通信作者：王树森，博士，教授。研究方向为水土保持与荒漠化防治。Email： wsswtt@126.com

引文格式：李树宝，张丽娜，王树森，等.森林经营方式对不同林龄落叶松林枯落物及土壤水源涵养能力的影响[J].森林工程，2023，39（2）：12-21.

LI S B， ZHANG L N， WANG S S， et al. Effects of forest management methods on litter and soil water conservation capacity of Larix principis-rupprechtii plantation of different ages[J]. Forest Engineering，2023，39（2）：12-21.

showed the trend of mature forest>near-mature forest>young forest. The maximum and effective water holding capacity of litter under Larix principis-rupprechtii forest under different management modes showed the order of non-management>conventional management>near natural management. Soil total porosity， capillary porosity， saturated water capacity and capillary water capacity under different ages of Larix principis-rupprechtii stands had the regularities of young forest>mature forest>near-mature forest. Soil porosity and water holding capacity of Larix principis-rupprechtii forest under different management patterns showed the change rule of near-natural management>conventional management>non-management. Under non-management measures， the understory water conservation capacity of mature forest stage of Larix principis-rupprechtii forest was the highest; under conventional management measures， the understory water conservation capacity of young forest stage was second， and the understory water conservation capacity of near-mature forest stage under conventional management measures was the lowest.

Keywords：Forest management; Larix principis-rupprechtii; forest age; water conservation

0引言

水源涵养能力是森林生态系统中重要的生态功能之一[1]，是由森林林冠层、枯落物层和土壤层共同作用的复杂过程，其中枯落物层和土壤层作为主要表现层，通过截留、吸收和蓄积实现对降雨的再分配，从而达到调节径流、保持水土、涵养水源和净化水质的作用[2-4]。森林经营是对现有森林进行科学培育以提高森林产量和质量的生产活动总称，按照不同的择伐抚育方式可分为近自然经营、常规经营和未经营[5]。近自然经营也称目标树经营，即伐除影响目标树生长的干扰树，目标树达到目的径级时进行单株择伐；常规经营是指“间密留匀、砍小留大、砍劣留优”，采伐强度较大；无干扰经营是指封山育林，排除人为干扰，自然更新。目前，关于该内容的研究多集中于森林经营对林分结构[5]、植物多样性[6]、生物量和碳储量[7]方面的影响。在抚育初期，仅有赵波等[8]和赛克等[9]在森林经营对森林持水能力的影响方面进行了研究，后期森林经营方式如何影响落叶松（Larix principis-rupprechtii）人工林枯落物及土壤的水源涵养能力未见报道。因此，本研究以近自然经营、常规经营和未经营措施下的落叶松幼龄林、近熟林和成熟林为研究对象，采用野外调查取样与室内实验分析相结合的方法，对比分析不同经营方式下落叶松幼龄林、近熟林和成熟林林下枯落物与土壤的持水能力，并运用熵权法对落叶松林林下水源涵养能力进行综合评价，为该研究区落叶松人工林经营与水土保持措施的制定提供理论依据。

1研究地区与研究方法

1.1研究区概况

研究区位于内蒙古自治区赤峰市喀喇沁旗旺业甸实验林场，地理坐标为118°09′～118°30′E，41°21′～41°39′N。地势西南高东北低，平均海拔800～1 890 m。屬大陆季风气候，年平均气温4.2 ℃，年平均降水量300～500 mm。土壤类型以典型棕壤为主。林场林地面积24 668.2 hm2，有林地面积22 397.1 hm2，有林地共有12种优势树种，主要包括落叶松、油松（Pinus tabuliformis）、白桦（Betula platyphylla）、蒙古栎（Quercus mongolica）和山杨（Populus davidiana）等，其中落叶松面积4 835.4 hm2，占有林地面积的21.61%。

1.2研究方法

1.2.1样地设置与调查取样

2021年8月于旺业甸实验林场选择近自然经营、常规经营和未经营措施下的落叶松幼龄林、近熟林和成熟林为研究对象，分别设置半径为13.82 m、面积为600 m2的圆形样地，各样地类型3个重复，共计27块样地。在各样地内呈品字形设置3个50 cm×50 cm的枯落物样方，利用钢卷尺分别对其未分解层和半分解层厚度进行测量和记录，并按照未分解层和半分解层分别收集枯落物样品。在各样地类型附近分别设置3个土壤剖面，分为0～10、＞10～20和＞20～40 cm环刀、铝盒取样，每层3个重复。研究区森林经营方式、林龄情况与前人的研究一致[9]。样地基本情况见表1。

1.2.2枯落物蓄积量与持水能力测定

枯落物蓄积量采用烘干法测定[10]。枯落物持水能力采用室内浸泡法测定，称取烘干枯落物样品50 g装入纱网袋中，在充分浸泡0.5、1、2、4、8、12、24 h时将纱网袋从容器内依次取出，静置至无重力水滴落迅速称重并记录，为减少实验误差，设置3个空纱网袋作为对照。计算各样地类型枯落物持水量、持水速率和拦蓄量等指标[2，4，11]，相关计算公式如下。

R1=M24－M0M0×100%。（1）

W1=R1×M。（2）

W2=（0.85R1－R0）×M。（3）

式中：R1为枯落物最大持水率，%；M24为枯落物浸水24 h后的质量，g；M0为枯落物浸水前烘干质量，g；W1为枯落物最大持水量，t/hm2；M为枯落物蓄积量，t/hm2；W2为枯落物有效拦蓄量，t/hm2；0.85为有效拦蓄系数；R0为枯落物自然含水率，%。

1.2.3土壤物理性质与持水能力测定

各样地类型土壤容重采用环刀法测定；土壤孔隙度及持水量采用环刀浸泡法测定[1]，相关计算公式如下。

Wc=10 000×Pc×H。（4）

Wn=10 000×Pn×H。（5）

Wt=Wc+Wn。（6）

式中：Wc为土壤毛管持水量，t/hm2；Wn为土壤有效持水量，t/hm2；Wt为土壤和饱和持水量，t/hm2；Pc为土壤毛管孔隙度，%；Pn为土壤非毛管孔隙度，%；H为土层深度，m。

1.2.4水源涵养能力综合评价

本研究采用熵权法对9种类型落叶松林林下水源涵养能力进行综合评价[1-2，12]，相关计算公式如下。

rij=xij－min（xij）max（xij）－min（xij）（i=1，…，m；

j=1，…，n）。（7）

rij=max（xij）－xijmax（xij）－min（xij）。（8）

pij=rij∑nj=1rij。（9）

Hi=－1lnn∑nj=1pijlnpij（假定Pij=0时，pijlnpij=0）。（10）

Wi=1－Him－∑mi=1Hi。（11）

WCI=∑mi=1Wirij。（12）

式中：xij为第i个评价指标对应第j个林分类型；rij为标准化后的对应指标值；pij为第i项指标下第j个评价对象指标值的比重；m为评价指标数；n为样地类型数；Hi为第i项指标的熵值；Wi为第i项指标的权重；WCI为水源涵养能力综合指数。

2结果与分析

2.1枯落物层水源涵养能力

2.1.1枯落物厚度及蓄积量

由图1（a）可知，各样地类型枯落物总厚度介于2.37～5.83 cm，均值为3.61 cm；受林龄与分解速率影响，落叶松幼龄林林下枯落物未分解层厚度大于半分解层，而近熟林和成熟林林下枯落物厚度与之相反。落叶松不同林龄林下枯落物总厚度由大到小表现为成熟林、幼龄林、近熟林；不同经营方式的变化规律由大到小表现为未经营、常规经营、近自然经营。

由图1（b）可知，各样地类型枯落物总蓄积量介于11.27～37.07 t/hm2，且落叶松幼龄林、近熟林和成熟林林下枯落物半分解层总蓄积量均高于未分解层。随着林龄的增长，落叶松林下枯落物总蓄积量的变化规律由大到小表现为成熟林（30.41 t/hm2）、近熟林（19.02 t/hm2）、幼龄林（13.04 t/hm2）；受采伐强度的影响，不同经营方式下落叶松林下枯落物总蓄积量的变化趋势表现为未经营、近自然经营、常规经营。

2.1.2枯落物持水能力

由表2可以看出，随着林龄的增长，落叶松林林下枯落物最大持水量呈逐渐增加的趋势，由大到小顺序为成熟林（82.28 t/hm2）、近熟林（57.43 t/hm2）、幼龄林（44.47 t/hm2），且未分解层和半分解层也表现出相同的变化趋势；不同经营方式使得落叶松林林下枯落物最大持水量的变化规律由大到小依次为未经营（71.37 t/hm2）、常规经营（58.49 t/hm2）、近自然经营（54.31 t/hm2），其未分解层和半分解层变化与之相同。随着落叶松的生长，其林下枯落物最大持水率呈现先增大后减小的趋势，由大到小依次为近熟林（313.88%）、幼龄林（313.45%）、成熟林（271.84%）；不同经营方式落叶松林林下枯落物最大持水率由大到小顺序为未经营（328.03%）、常规经营（323.43%）、近自然经营（247.71%）；由于枯落物自身含水量及分解程度存在较大差异，除近熟林样地类型以外，其余各类型样地落叶松林林下枯落物最大持水率均表现出未分解层大于半分解层的变化规律。

由表3可知，不同林齡落叶松林下枯落物有效拦蓄量的变化规律由大到小顺序为成熟林（41.08 t/hm2）、近熟林（25.20 t/hm2）、幼龄林（22.07 t/hm2），而有效拦蓄率则表现出随林龄的增长呈现先增大后减小的变化趋势，且未分解层有效拦蓄率大于半分解层；从森林经营方式来看，落叶松林林下枯落物有效拦蓄量由大到小顺序为未经营、常规经营、近自然经营，有效拦蓄率由大到小顺序为常规经营、未经营、近自然经营，其未分解层有效拦蓄率也大于半分解层。

2.1.3枯落物持水过程

由图2可以看出，浸水初期，不同样地类型林下枯落物未分解层、半分解层持水量均迅速增加，随着浸水时间的增加，其持水量缓慢增加。究其原因可能是在浸泡过程中，在0.5～2 h干燥的枯落物迅速吸水，持水量迅速增加，随着浸泡时间的增加，枯落物吸水量到达一定程度后，其吸持水分的能力出现降低的趋势，持水量的增加逐渐变缓。浸泡时间为8 h时，枯落物的持水量接近最大值，之后随着浸泡时间的增加其持水量变化较小，直到枯落物持水量达到饱和状态。不同分解阶段枯落物层持水量与浸泡时间之间存在W=a·lnt+b的对数关系，式中：t为浸泡时间，h；W为浸水t小时内枯落物的持水量，t/hm2；a为方程系数；b为方程常数项。

由图3可知，9种样地类型林下不同分解层枯落物吸水速率随浸泡时间的增加而降低，且其吸水速率随时间的变化趋势基本一致，均表现为0～2 h吸水速率迅速降低，之后缓慢下降，浸水8 h之后基本稳定。究其原因可能是吸水速率随着持水量的增加逐渐减小。9种样地类型林下枯落物不同分解层吸水速率与浸泡时间存在y=k·tn的关系式，式中：y为浸水t小时内的吸水速率；k为方程系数；n为指数。

2.2土壤层水源涵养能力

2.2.1土壤物理性质

由图4（a）可知，9种样地类型林下土壤容重介于0.88～1.43 g/cm3，均值为1.13 g/cm3，且各样地类型林下土壤容重均随土层深度的增加而增大。从不同林龄角度分析可知，落叶松林林下土壤容重由大到小顺序为近熟林、成熟林、幼龄林；从不同经营方式角度分析可知，落叶松林林下土壤容重由小到大顺序为近自然经营、常规经营、未经营。由图4（b）可以看出，研究區各样地类型林下土壤总孔隙度和毛管孔隙度的变化范围分别为39.45～61.89%和38.53～60.33%；且随土层深度的增加，各样地类型土壤总孔隙度表现出减小的趋势。不同林龄落叶松林林下土壤总孔隙度由大到小顺序为幼龄林（55.32%）、成熟林（47.26%）、近熟林（44.97%）；不同经营方式落叶松林林下土壤总孔隙度由大到小顺序为近自然经营、常规经营、未经营的大小顺序。

2.2.2土壤持水能力

由图5可知，不同林龄对落叶松林林下土壤持水量的影响表现为幼龄林显著高于成熟林和近熟林，其土壤毛管持水量、饱和持水量分别介于425.46～518.12 t/hm2和449.69～553.24 t/hm2，且不同林龄落叶松林林下土壤饱和持水量由大到小顺序为幼龄林、成熟林、近熟林。不同经营方式落叶松林林下土壤毛管持水量介于461.09～481.38 t/hm2，均值为467.90 t/hm2；且林下土壤饱和持水量由大到小顺序为近自然经营（500.10 t/hm2）、常规经营（489.53 t/hm2）、未经营（485.89 t/hm2）。

2.3水源涵养能力综合评价

基于枯落物层厚度、蓄积量、最大持水量、最大持水率、有效拦蓄量、有效拦蓄率、土壤层容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度、毛管持水量、有效持水量和饱和持水量13个指标的实测数据，采用熵权法对不同类型落叶松林林下水源涵养能力进行综合评价。评价结果见表4。

不同森林经营方式落叶松幼龄林林下水源涵养能力综合评价由大到小表现为常规经营（0.153）、近自然经营（0.129）、未经营（0.112），落叶松近熟林林下水源涵养能力由大到小表现为近自然经营（0.082）、未经营（0.072）、常规经营（0.060），落叶松成熟林林下水源涵养能力由大到小表现为未经营（0.189）、常规经营（0.126）、近自然经营（0.078）；近自然经营措施对不同林龄落叶松林下水源涵养能力的影响由大到小表现为幼龄林、近熟林、成熟林，常规经营措施对不同林龄落叶松林下水源涵养能力的影响由大到小表现为幼龄林、成熟林、近熟林，未经营措施对不同林龄落叶松林下水源涵养能力的影响由大到小表现为成熟林、幼龄林、近熟林。综上所述，落叶松林在未经营措施下成熟林阶段林下水源涵养能力最高，在常规经营措施下幼龄林阶段林下水源涵养能力次之，在常规经营措施下近熟林阶段林下水源涵养能力最低。

3结论与讨论

3.1讨论

枯落物厚度及蓄积量受林分类型、林龄、砍伐程度和环境等诸多因素的影响[2，13]，本研究中9种样地类型林下枯落物厚度和蓄积量的变化范围分别为：2.37～5.83 cm和11.27～37.07 t/hm2，这与梁文俊等[14]对华北落叶松林枯落物水文效应的研究结果相近。枯落物最大持水量和有效拦蓄量是表征枯落物层持水能力和涵养水源特性的重要指标[1-2]，且枯落物有效拦蓄量是体现拦蓄能力最直接的指标[14]。研究表明，3种森林经营方式成熟林林下枯落物的有效拦蓄量均为最大值，随着林龄的增长，林下枯落物蓄积量不断增加，枯落物的拦蓄能力也随之得到加强，这与杨佳慧等[2]的研究结果一致。各样地类型林下枯落物不同分解层持水量与浸水时间呈对数函数关系，吸水速率与浸水时间呈幂指数函数关系，该研究结果与现有诸多研究结果一致[15-17]。森林经营措施和植物物种组成等的改变以及诸多生态过程的变化均会对土壤生态系统造成一定的影响[18]。土壤层研究结果表明，9种样地类型林下土壤容重均随土层深度的增加而增大，土壤孔隙度均随土层深度的增加而减小，相关研究者也曾得出相似的变化规律[19-21]。研究区各样地类型土壤容重介于0.88～1.43 g/cm3，均值为1.13 g/cm3，与万丽[5]的研究结果相比，各样地类型林下土壤容重均有所减小，即随着经营年限的增加，土壤孔隙度均有所提高，且近自然经营和常规经营措施在林木生长期有利于植被生长，从而改变土壤的疏松程度。本研究中的9种样地类型林下土壤持水能力的变化规律与土壤孔隙度的变化规律一致，众多学者也曾得出类似的研究结果[22-25]。熵权法能够剔除主观因素的影响，客观判断各评价指标的相对重要性，可以解决因内涵不同而不能相加的缺点，且目前已有诸多研究者将熵权法应用到水源涵养能力评价过程中，彭玉华等[26]将熵权法应用到混交林水源涵养功能评价研究中；杨良辰等[12]使用熵权法对沿坝地区典型林分类型枯落物层与土壤层水源涵养能力进行综合评价，类似这样的研究还有很多[1，27]，均可以说明熵权法在水源涵养能力评价中的可行性和科学性。

3.2结论

1）研究区落叶松林下枯落物总厚度介于2.37～5.83 cm，总蓄积量介于11.27～37.07 t/hm2，且其最大持水量和有效持水量由大到小顺序为未经营、常规经营、近自然经营。

2）近自然经营措施下落叶松林下土壤总孔隙度、毛管孔隙度、饱和持水量、毛管持水量均大于常规经营和未经营措施。

3）落叶松林在未经营措施下成熟林阶段林下水源涵养能力最高，在常规经营措施下幼龄林阶段林下水源涵养能力次之，在常规经营措施下近熟林阶段林下水源涵养能力最低。

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