不同密度胡桃楸次生林枯落物和土壤持水特性的研究
刘忠玲 刘建明 胡伟 祁永会
摘 要：为探讨林分密度对胡桃楸次生林水源涵养功能的影響，以阿什河源头的帽儿山地区不同密度（840、680、480株/hm2）的胡桃楸次生林为研究对象，测定枯落物层的厚度和蓄积量，并采用室内浸泡法对枯落物持水量进行测定，采用环刀法对土壤持水量进行测定。结果表明：不同密度的胡桃楸天然次生林枯落物厚度、蓄积量、有效拦蓄量差异均不显著（P>0.05），枯落物厚度为3.2～3.9 cm，蓄积量为6.33～8.57 t/hm2，有效拦蓄量为4.39～10.44 t/hm2。枯落物持水量与浸水时间呈对数函数关系（R2>0.988 1），吸水速率与浸水时间呈幂函数关系（R2>0.999 9）。在0～30 cm土壤深度，不同密度的林分土壤容重均值、非毛管孔隙度和有效持水量有显著差异（P<0.05），土壤容重变化范围为0.88～1.06 g/cm3，随土层深度增加而增加，土壤有效持水量范围为117.78～230.52 t/hm2。840株/hm2和680株/hm2的林分地表层有效持水量分别显著高于480株/hm2的林分71%和89%（P<0.05）。综合不同密度的胡桃楸次生林枯落物层和土壤层的持水特性，密度为840株/hm2和680株/hm2的林分蓄水能力较好。
关键词：森林水文;持水特性;枯落物;土壤;胡桃楸
中图分类号：S715.7 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2021）03-0052-08
Abstract：In order to explore the impacts of stand density on the water conservation function of Juglans mandshurica natural second forest， the thickness and storage of litter layer were measured in different densities （840， 680 and 480 trees/hm2） of Juglans mandshurica natural second forest in Maoershan area at the source of Ashe river. The waterholding capacity of litter was measured by indoor soaking method and the soil waterholding capacity were measured by cutting method. The results showed that：
there was no significant difference in litter thickness， storage and effective waterinterception capacity of Juglans mandshurica natural secondary forest with different densities （P>0.05）， the litter thickness was 3.2～3.9 cm， and the litter storage was 6.33～8.57 t/hm2， the effective waterinterception capacity was 4.39～10.44 t/hm2. Waterholding capacity of litter had a logarithmic relation with soaking time （R2>0.988 1）， and water absorption rate showed a power function with soaking time （R2>0.999 9）. The soil bulk density， noncapillary porosity and effective waterholding capacity with different densities were significantly different （P<0.05） in 0～30 depth， soil bulk density was 0.88～1.06 g/cm3， increased with the deepening of soil， the soil effective waterholding capacity was 117.78～230.52 t/hm2. The effective waterholding capacity of 840 trees /hm2 and 680 trees/hm2 were 71% and 89% higher than that of 480 trees/hm2 respectively （P<0.05）. Based on the waterholding characteristics of litter layer and soil layer of Juglans mandshurica secondary forest with different densities， the stands with densities of 840 trees/hm2 and 680 trees/hm2 had better waterholding capacity.
Keywords：Forest hydrology; waterholding characteristics; litter; soil; Juglans mandshurica
0 引言
枯落物层是降水在林地表面最先接触到的部分，具有涵养水源、拦蓄降水、维持土壤湿度和防止土壤溅蚀等功能[1]。土壤层中的毛管孔隙和非毛管孔隙能够促进雨水的下渗，不但能供给植物水分，且能把多余的水分存储起来或通过渗流汇入溪流中，充分体现了森林涵养水源保持水土的功能[2]。阿什河发源于黑龙江省尚志市帽儿山镇尖石砬子，是松花江上游右岸的一级支流，其源头林分的水源涵养功能对松花江径流量有重要影响[3]。帽儿山林场位于阿什河源头，天然林占森林面积85%以上，胡桃楸（Juglans mandshurica）为天然次生林群落的最重要植物[4]。
森林经营影响森林结构，从而影响森林生态功能[5]，同一林型在不同密度条件下枯落物和土壤持水能力不同[6-9]。部分研究认为，枯落物有效拦蓄量随林分密度的增大而增大，也有研究表明枯落物有效持水量或有效拦蓄量随林分密度的增大呈先增大后减小的趋势，而土壤有效持水量没有明显的随密度变化的趋势。贺宇等[6]的研究表明，枯落物层对降雨的拦蓄能力与林分密度呈正相关关系;辛颖等[7]的研究表明，不同密度（750～2 100 株/hm2）的油松（Pinus tabulaeformis）人工林，枯落物层有效持水量随密度增大而增大，土壤有效持水量在密度1 800 株/hm2时最大;王谦等[8]的研究表明，不同密度（550～3 850 株/hm2）的樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）人工林，枯落物有效拦蓄量随密度增大而增大，土壤有效持水量在密度800 株/hm2时最大。黄乾等[9]的研究表明，不同密度（1 350～2 300 株/hm2）的青海云杉（Picea crassifolia）林枯落物最大持水量随林分密度的增大呈现先增大后减小的趋势，土壤有效持水量在密度1 575 株/hm2时最大。
因此，本文在阿什河源头的帽儿山地区选择不同密度胡桃楸次生林，对枯落物和土壤持水特性进行比较分析，探讨有利于发挥林分水文生态作用的密度，为开展防护林结构化经营提供参考。
1 研究区概况
研究地点位于东北林业大学帽儿山实验林场（127°36′～127°39′ E，45°23′～45°26′ N），平均海拔为390 m。属寒温带大陆性季风气候区，1月平均温度为-19.6 ℃，7月平均温度为20.9 ℃，年均气温为2.8 ℃。年平均湿度为70%，年降水量为723.8 mm，年平均蒸发量为1 094 mm。无霜期为120～140 d，大于等于10 ℃的积温为2 526 ℃。地带性土壤为暗棕色森林土，土壤平均厚度为40～45 cm，腐殖质层平均厚度为10 cm。
2 研究方法
2.1 标准地设置
试验胡桃楸次生林分布于南坡，海拔为375 m，伴生树种以榆树（Ulmus pumila）为主，有少量的水曲柳（Fraxinus mandshurica）、山杨（Populus davidiana）、黄菠萝（Phellodendron amurense）和白桦（Betula platyphylla）。
2016年5月下旬，选择3种密度的胡桃楸次生林为研究对象，在各密度的林分内各设置3块20 m × 25 m的标准地，对标准地基本概况进行调查，见表1。
2.2 枯落物蓄积量、持水量测定
6月中旬，在连续阵雨、多云天气后，于每个标准地内随机设置3个50 cm × 50 cm的枯落物收集样方，将未分解层和半分解层分别装入密封袋中，同时测定各层厚度。实验室内将未分解层分选为枝、叶、果3种类型，分别称其自然状态质量，在80 ℃烘箱中烘至恒重后称其烘干质量，以烘干质量推算枯落物蓄积量[10]。将烘干后的样品装入网眼为0.5 mm的网袋中，浸入盛有清水的白盒中浸泡，分别在浸泡0.5、1、2、4、6、8、10、24 h时取出，静置至不滴水时称质量，计算持水量及拦蓄量等指标[6，10]。
2.3 土壤物理性质和持水量测定
采用剖面法，在每个样地的四角和中间分别选取5个剖面，用环刀（100 cm3）在每个剖面上按照（0～10、≥10～20、≥20～30 cm）分层采样，每层采样1个，同时用铝盒取土样，用烘干法测定土壤含水量;用环刀法测定土壤容重和孔隙度[8-10]。
2.4 数据统计与分析
采用Excel进行数据统计与制图，采用SPSS软件进行单因素方差分析（one-way ANOVA）和LSD多重比较，显著性水平为0.05。
3 结果与分析
3.1 枯落物层厚度和蓄积量
3种密度的胡桃楸天然次生林枯落物层厚度范围为3.2～3.9 cm，MJ1未分解层厚度显著高于MJ2和MJ3（P<0.05），见表2。枯落物蓄积量为6.33～8.57 t/hm2，各密度间差异不显著（P>0.05）。从枯落物的组成来看，叶片蓄积量均高于枝的蓄积量。MJ1样地内未采集到果实，MJ2和MJ3各有一个标准地中的一个采样点采集到果实，未进行方差分析。
3.2 枯落物持水過程
3种密度的胡桃楸次生林，各类型枯落物持水量均随浸泡时间的延长呈增加趋势（图1）。持水量在浸水0.5 h内增加最快，各类型枯落物持水量均达到其最大持水量的56%以上，其中MJ3的半分解层达到79%。0.5～4 h持水量增加较快，随后变缓，10 h持水量达到最大持水量的91%，直至饱和。同时间段持水量比较，未分解层枝的持水量由大到小为：MJ3、 MJ2、 MJ1，未分解层叶及全部枯落物持水量由大到小均为：MJ1 、 MJ3 、 MJ2，半分解层枯落物持水量MJ1高于其他两样地。
枯落物吸水速率在浸水过程中呈下降趋势，半分解层吸水速率大于未分解层（图2）。吸水速率在0.5 h最大，在0.5～4 h急剧下降，4～8 h下降变缓，10 h后吸水速率趋向一致（图2）。3种密度的林分，不同类型枯落物同时段吸水速率与持水量排序一致。
对所有样地全部枯落物浸水0.5～24 h的持水量W （t/hm2）与浸泡时间t（h）的关系进行回归分析，可以用一元对数方程拟合，对枯落物浸水0.5～24 h的吸水速率V（t/（hm2·h））与浸泡时间t（h）的关系进行回归分析，符合幂函数模型，见表3。
3.3 枯落物自然含水量、最大持水量和有效拦蓄量
3种密度的胡桃楸次生林枯落物自然含水量差异不显著（P>0.05），见表4。从枯落物各组分来看，半分解层自然含水量高于未分解层，叶的自然含水量高于枝。
3种密度的胡桃楸天然次生林枯落物最大持水量和最大持水率差异均不显著（P>0.05），见表5，最大持水量相当于可吸收1.5～2.5 mm的降水。最大持水率相当于可吸收自身重量2.2～3.1倍的降水。从枯落物各组分来看，受枯落物蓄积量影响，MJ1和MJ2半分解层最大持水量高于未分解层，MJ3相反，叶的最大持水量均高于枝;半分解层的最大持水率高于未分解层，叶的最大持水率高于枝。
最大持水率和最大持水量只反映枯落物层持水能力大小，枯落物对降水的拦蓄还与枯落物的水分状况、降雨特性有密切的关系，所以一般用有效拦蓄量来估算枯落物对降雨的实际拦蓄效果。3种密度的胡桃楸次生林枯落物有效拦蓄量差异不显著（P>0.05），相当于可吸收0.4～1.0 mm的降水，见表6。从枯落物各组分看，未分解层的有效拦蓄量高于半分解层，叶的有效拦蓄量高于枝。
3.4 土壤层物理性质和持水量
在0～30 cm土层，各林分土壤容重表现为随着土层加深而逐渐增大（P<0.05），容重最小值出现在MJ1的0～10 cm土层，最大值出现在MJ3的≥20～30 cm土层，见表7。MJ1和MJ2的3个土层间土壤总孔隙度无显著差异，MJ3的0～10 cm土层显著高于其他两层（P<0.05）。MJ1和MJ3的3个土层间土壤非毛管孔隙度无显著差异，MJ2的≥20～30 cm土层非毛管孔隙度显著高于其他两层（P<0.05）。最大持水量随土层加深的变化趋势与总孔隙度变化一致，有效持水量随土层加深的变化趋势与非毛管孔隙度变化一致。
胡桃楸次生林土壤（0～30 cm）容重均值范围为0.88～1.06 g/cm3（表8），由高到低排序为：MJ3、 MJ1、 MJ2，且MJ3和MJ2之间差异显著（P<0.05）;样地之间土壤总孔隙度差异不显著（P>0.05），土壤非毛管孔隙度由高到低排序为：MJ2、 MJ1、 MJ3，MJ2显著大于MJ3，土壤容重与非毛管孔隙度成反比。
土壤（0～30 cm）最大持水量范围为1 771.96～1 957.36 t/hm2，样地之间无显著差异（P>0.05）;有效持水量范围为117.78～230.52 t/hm2，由高到低排序为：MJ2 、 MJ1、 MJ3，MJ1和MJ2显著高于MJ3（P<0.05）。
3.5 林地表层静态持水量综合评价
森林持水能力一般用枯落物层和土壤层的总持水量进行评价。3种密度的胡桃楸次生林枯落物层（未分解层、半分解层）和土壤层（0～30 cm）持水量总和范围为1 796.82～1 972.06 t/hm2（表9），各密度之间无显著差异（P>0.05）;有效拦蓄量总和范围为124.40～234.91 t/hm2，MJ1和MJ2显著大于MJ3（P<0.05）。3种密度的胡桃楸天然次生林土壤层最大持水量占林地最大持水量的百分比均达到98%以上，土壤层有效拦蓄量占林地有效拦蓄量的95%以上。
4 讨论
（1）枯落物层蓄积量
有研究表明，一定密度范围内，丁香天然林、油松人工林、华北落叶松人工林枯落物层的厚度和蓄积随林分密度增大而增大[2，11-12]，本研究中3种密度的胡桃楸天然次生林枯落物层的厚度、蓄积量差异不显著，但有随密度增大而增大的趋势。辽宁地区胡桃楸天然次生林枯落物蓄积量为4.50 ～15.03 t/hm2[13-15]，阿什河源头红松胡桃楸林枯落物蓄积量为6.35 t/hm2[16]，本研究中胡桃楸天然次生林枯落物层蓄积量为6.33～8.57 t/hm2，与阿什河源头红松胡桃楸林枯落物蓄积量相近。有研究表明丁香天然林、油松人工林、华北落叶松人工林枯落物蓄积量半分解层大于未分解层[2，11-12]，胡桃楸天然次生林枯落物未分解层大于分解层[13]，本研究中MJ3未分解层蓄积量大于半分解层，其他两密度相反。半分解层蓄积量有随林分密度减小而减小的趋势，可能与密度大的林分透光差，枯落物分解速度慢有关。
（2）枯落物持水特性
枯落物浸泡初期0.5 h内吸水速率最快（图2），持水量占最大持水量的68%以上，0.5～4 h内吸水速率较快，随时间延长，吸水速率变慢，直至饱和。枯落物持水量与浸水时间呈對数关系增长，吸水速率随与浸水时间呈幂指数关系变化（表3），与他人研究结果一致[8-16]，说明林分对短时高强度降水有较好拦蓄功能，减少地表径流的发生[16]。枯落物未分解层枝的持水量和吸水速率由高到低排序均为：MJ3、 MJ2 、 MJ1，其他类型由高到低排序均为：MJ1 、 MJ3 、 MJ2，这与未分解层枝蓄积量有随密度增大而降低的趋势有关（表2）。3种密度的林分枯落物自然持水量、最大持水量、最大持水率和有效拦蓄量均无显著差异，说明本研究中的林分密度变化尚未引起枯落物层持水能力的变化。3种密度的林分枯落物最大持水量相当于可吸收1.5～2.5 mm降水，有效拦蓄量相当于可吸收0.4～1.0 mm的降水，低于阿什河源头红松胡桃楸林[16]，推测在胡桃楸人工促进天然林更新过程中可尝试林下栽植红松。
（3）土壤物理性质和持水特性
在0～30 cm土层内，各林分土壤容重表现为随着土层加深而显著增大（P<0.05），说明表层土壤比较疏松。MJ2的≥20～30 cm土层有效持水量显著高于其他两层，与其非毛管孔隙度显著高于其他两层有关，试验中各取样点均呈现这样的特点，其原因有待进一步研究。MJ3的0～10 cm土层最大持水量显著高于其他两层，是由于表层土壤容重小，孔隙度较大，毛管丰富，储水空间多。
土壤（0～30 cm）容重均值变化范围为0.88～1.06 g/cm3，与阿什河源头红松胡桃楸林土壤容重相近。MJ2非毛管孔隙度显著高于MJ1和MJ3，有效持水量显著高于MJ3（P<0.05），这是由于一定土壤厚度条件下土壤的贮水能力取决于暂时蓄存在非毛管孔隙中的自由重力水。有研究表明，胡桃楸天然林及胡桃楸红松林土壤有效持水量约为58.47～60.6 t/hm2，本试验胡桃楸次生林有效持水量范围39.26～76.84 t/hm2，土壤水源涵养功能较好。
5 结论
（1）3种密度的胡桃楸天然次生林枯落物层厚度、蓄积量差异不显著（P>0.05）。枯落物厚度为3.2～3.9 cm，蓄积量为6.33～8.57 t/hm2。枯落物浸水0.5～24 h的持水量與浸泡时间呈对数函数关系（R2 > 0.988 1），吸水速率与浸泡时间符合幂函数模型（R2>0.999 9）。不同密度间枯落物有效拦蓄量差异不显著（P>0.05），相当于可吸收0.4～1.0 mm的降水。
（2）3种密度的胡桃楸天然次生林土壤（0～30 cm）容重均值范围为0.88～1.06 g/cm3，MJ3显著大于MJ2（P<0.05）。土壤有效持水量范围为117.78～230.52 t/hm2，MJ1和MJ2显著高于MJ3（P<0.05）。土壤容重随着土层加深而增大。
（3）以枯落物层和土壤层的蓄水之和进行比较，MJ1和MJ2的有效持水量显著高于MJ3（P<0.05）。以涵养水源为经营目标时，密度为840株/hm2和680株/hm2的林分较为合适。
【参 考 文 献】
[1]耿琦，王海燕，张美娜，等.森林枯落物持水特性影响因素研究进展[J].生态科学，2020，39（5）：220-226.
GENG Q， WANG H Y， ZHANG M N， et al. Review on factors affecting water-holding characteristics of forest litter[J]. Ecological Science， 2020， 39（5）：
220-226.
[2]高琛，鲁绍伟，杨新兵，等.北京松山不同密度丁香天然林枯落物及土壤水文效应[J].水土保持研究，2013，20（6）：59-65.
GAO C， LU S W， YANG X B， et al. Hydrological effects of forest litters and soil of natural Syzygium aromaticum forests with different densities in Songshan mountain of Beijing[J]. Research of Soil and Water Conservation， 2013， 20（6）：
59-65.
[3]杨洪学，蒙宽宏，孟祥楠，等.阿什河流域不同林分类型枯落物持水能力研究[J].防护林科技，2005，25（5）：14-17.
YANG H X， MENG K H， MENG X N， et al. Water retentivity of litter of different types of stand in Ashihe valley[J]. Protection Forest Science and Technology， 2005， 23（5）：
14-17.
[4]初兴国，丰绪霞，付廷军，等.帽儿山天然次生林多样性特征分析[J].防护林科技，2015，33（12）：46-48.
CHU X G， FENG X X， FU T J， et al. Diversity of natural secondary forest community in Maoer mountain[J]. Protection Forest Science and Technology， 2015， 33（12）：
46-48.
[5]夏祥友.森林经营对东北林区主要森林类型蓄水保土功能的影响[D].哈尔滨：东北林业大学，2016.
XIA X Y. Effects of water storage and soil conservation function of typical forests in Northeast forestry reserves of China[D]. Harbin：
Northeast Forestry University， 2016.
[6]贺宇，丁国栋，梁文俊，等.林分密度对枯落物层持水特性的影响[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2012，40（4）：68-72.
HE Y， DING G D， LIANG W J， et al. Influence of stand density on water-holding characteristics of litter layer[J]. Journal of Northwest A&F University （Natural Science Edition）， 2012， 40（4）：
68-72.
[7]辛颖，赵雨森，张睿彬，等.不同林龄落叶松人工林土壤水文特性差异[J].森林工程，2013，29（5）：1-4.
XIN Y， ZHAO Y S， ZHANG R B， et al. Study on the difference of soil Hydrology characteristic of different-aged Larix gmelinii plantations[J]. Forest Engineering， 2013， 29（5）：
1-4.
[8]王谦，孙保平，丁国栋，等.陕西榆林樟子松人工林土壤及枯落物水文效应[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2015，43（8）：123-132.
WANG Q， SUN B P， DING G D， et al. Hydrological effects of soil and litters in Pinus sylvestris var. mongolica plantations in Yulin， Shanxi[J]. Journal of Northwest A&F University （Natural Science Edition）， 2015， 43（8）：
123-132.
[9]黄乾，杨海龙，朱柱，等.青海云杉造林密度與水源涵养功能的响应关系[J].水土保持学报，2019，33（4）：279-286.
HUAGN Q， YANG H L， ZHU Z， et， al. Response relationships between afforestation densities and water conservation functions of Picea crassifolia[J]. Journal of Soil and Water Conservation， 2019， 33（4）：
279-286.
[10]刘忠玲，吕跃东，姚颖.不同林分密度原始红松林枯落物和土壤的持水特性[J].森林工程，2020，36（5）：8-15.
LIU Z L， LV Y D， YAO Y. Water-holding characteristics of litter and soil of original Korean pine forests stands with different densities[J]. Forest Engineering， 2020， 36（5）：
8-15.
[11]石媛，鲁绍伟，陈波，等.河北雾灵山不同密度油松人工林枯落物及土壤水文效应[J].水土保持学报，2014，28（3）：92-97.
SHI Y， LU S W， CHEN B， et al. Soil hydrological effects and forest litters of Pinus tabulaeformis plantation under different densities in Wuling mountain of Hebei[J]. Journal of Soil and Water Conservation， 2014， 28（3）：
92-97.
[12]刘宇，郭建斌，王彦辉，等.宁夏六盘山不同密度华北落叶松人工林枯落物水文效应[J].北京林业大学学报，2016，38（8）：36-44.
LIU Y， GUO J B， WANG Y H， et al. Hydrological effects of forest litter of Larix principis-rupprechtii plantations with varying densities in Liupan Mountains of Ningxia， China[J]. Journal of Beijing Forestry University， 2016， 38（8）：
36-44.
[13]孙晓辉，吴祥云，李文超.辽东地区核桃楸天然次生林水源涵养特征研究[J].防护林科技，2013，31（9）：4-6.
SUN X H， WU X Y， LI W C. Characteristics of water conservation of Juglans mandshurica natural secondary forest in eastern part of Liaoning district[J]. Protection Forest Science and Technology， 2013， 31（9）：
4-6.
[14]顾宇书，邢兆凯，韩友志，等.浑河上游4种典型林分类型枯落物持水特征[J].南京林业大学学报（自然科学版），2013，37（1）：31-36.
GU Y S， XING Z K， HAN Y Z， et al. Water-holding characteristics of four typical forests litter in upstream of Hunhe river[J]. Journal of Nanjing Forestry University （Natural Science Edition）， 2013， 37（1）：
31-36.
[15]吕刚，曹小平，卢慧，等.辽西海棠山森林枯落物持水与土壤贮水能力研究[J].水土保持学报，2010，24（3）：203-208.
LV G， CAO X P， LU H， et al. Study on water-holding capacity of forest litter and soil in Haitang mountain of western Liaoning Province[J]. Journal of Soil and Water Conservation， 2010， 24（3）：
203-208.
[16]梁晓娇，王树力.阿什河源头不同类型红松人工林枯落物及其土壤水文特性[J].水土保持学报，2017，31（1）：140-145.
LIANG X J， WANG S L. Litter and soil hydrological properties of Pinus koraiensis plantations in Ashi rivers headstream[J]. Journal of Soil and Water Conservation， 2017， 31（1）：
140-145.
