透光撫育對闊葉混交林水源涵養功能的影響

汪成成

(遼寧省林業科學研究院，遼寧 沈陽 110032)

森林的水源涵養功能是森林生態系統的主要服務功能之一[1]，森林撫育是培育森林的基礎和關鍵性技術環節，也是森林生態系統經營的重要組成部分[2]，合理的森林撫育能夠優化森林結構、恢復物種多樣性、提高森林的穩定性，并能促進森林涵養水源、防風固沙、保持水土等生態功能進一步發揮[3]。近年來，許多專家學者在撫育對森林水源涵養功能方面作了研究，吳金卓等[4]認為在不同演替階段針闊混交林中成熟林的枯落物持水性能最強；孟慶旭等[5]認為間伐有利于提高水源涵養功能，其中以間伐強度20%最優，15%次之；張期奇等[6]認為對于不同演替階段的天然落葉松林，采取合理強度的撫育間伐能夠改善其總水源涵養量；董莉莉[7]認為中度透光撫育更有利于林分貯蓄降水，減少水土流失的產生。本文通過選取土壤容重、土壤非毛管持水量和最大持水量來表征土壤水源涵養效益，確定最佳撫育間伐強度，旨在為遼東山區闊葉混交林可持續經營提供理論依據和參考。

1 研究區概況

研究區位于遼寧省寬甸縣太平哨鎮振江富陽林場，地理坐標125°6′E，40°53′N，海拔386 m，該區域屬長白山向南延伸余脈，為溫帶大陸性季風氣候，兼具典型的山地氣候。年均氣溫5.3 ℃，最高氣溫33.7 ℃，最低氣溫-32.5 ℃；年均日照時間1 841 h，無霜期132 d，年均降水量1 349 mm，年均蒸發量885 mm；年均相對濕度73%，雨熱同季，集中于7-9月。土壤主要為暗棕色森林土和棕色森林土。喬木層主要樹種有蒙古櫟Quercusmongolica、花曲柳Fraxinusrhynchophylla、核桃楸Juglansmandshurica、紫椴Tiliaamurensis、紅松Pinuskoraiensis、色木槭Acermono、春榆Ulmusdavidianavar.japonica等。林下灌木主要有桃葉衛矛Euonymusmaackii、鼠李Rhamnusdavurica、接骨木Sambucuswilliamsii、忍冬Lonicerajaponica、山楂葉懸鉤子Rubuscrataegifolius等，常見的草本植物有五味子Schisandrachinensis、尾葉香茶菜Rabdosiaexcisa、水金鳳Impatiensnoli-tangere、遼寧堇菜Violarossii、鹿藥Violacollina等。

2 研究方法

2.1 樣地設置

2002年在全面踏查的基礎上，在振江富陽林場選擇立地條件較好、林木分布均勻的近熟天然次生林，割除灌木，林冠下栽植紅松，栽植密度1 200株·hm-2，樹高1.1 m，經過數年生長，上層闊葉喬木嚴重影響林下紅松生長，于2015年選擇林分狀況相對一致，設置4個面積為40 m×25 m標準地，進行透光撫育試驗(透光撫育采伐方式為“莖干伐”，僅伐除喬木層樹干，采伐剩余物被保留在樣地內)，透光強度按林分胸高斷面積計，分別為全透光(100%)、中度透光(32%)、強度透光(55%)、對照(未采伐，0%)。采伐對象為除紅松以外的喬木，依據間密留勻，留優去劣的原則，優先去除霸王木、病腐木和生長不良林木，對黃波羅、刺楸等珍貴樹種進行保留，采伐后林分因子見表1。同時，對標準地內胸徑≥5 cm的林木進行每木檢尺，記錄樹種名稱、位置、胸徑、樹高、冠幅、枝下高及生長狀況。在樣地的四角和中心分別設置面積為2 m×2 m灌木樣方和1 m×1 m的草本樣方，共設置25個灌木樣方和25個草本樣方，并對樣方內灌木、草本及更新情況進行調查，每隔2～3年復測1次。

表1 透光撫育后林分概況

2.2 枯落物蓄積量與持水性能測定

在樣地的四角及中心位置，設置5個30 cm×30 cm枯落物樣方，按未分解層和半分解層進行取樣，帶回實驗室，置于85 ℃的烘箱烘干至恒質量，根據干質量計算蓄積量?？萋湮镒畲蟪炙亢统炙什捎檬覂冉莘y定。

C=(W1-W0)/W0×100%

式中：C為枯落物最大持水率(%)；W1為枯落物飽和濕質量(kg)；W0為枯落物干質量(kg)。

V=L·C

式中：V為枯落物最大持水量(t·hm-2)；L為枯落物蓄積量(t·hm-2)。

2.3 土壤物理性質與持水量測定

在樣地內沿對角線挖土壤剖面3個，用環刀對0～20 cm土層進行取樣，設置3次重復，帶回實驗室采用環刀法對土壤的物理性質進行測定。采用下式計算土壤的最大持水量和非毛管持水量。

Wt=10 000·Pt·h

Wo=10 000·Po·h

Wc=10 000·Pc·h

式中：Wt為土壤最大持水量(t·hm-2)；Wo為土壤非毛管持水量(t·hm-2)；Wc為土壤毛管持水量(t·hm-2)；Po為土壤非毛管孔隙度(%)；Pc為土壤毛管孔隙度(%)；Pt為土壤總孔隙度(%)；h為土層厚度(m)。

3 結果與分析

3.1 不同透光強度對土壤水源涵養特性的影響

對不同透光強度林分土壤容重進行分析可知，除全透光樣地土壤容重顯著低于對照(P<0.05)外，其它透光樣地土壤容重與對照之間差異均不顯著(P>0.05)(表2)。這說明全透光撫育能夠改善土壤容重，而中度、強度透光撫育對土壤容重影響不大。

進一步分析土壤非毛管持水量可知，全透光、中度、強度透光和對照樣地土壤非毛管持水量分別為157.13、143.61、149.23和136.32 t·hm-2，各透光樣地分別高于對照15.27%、5.35%、9.47%，方差分析表明，僅全透光樣地與對照之間差異顯著(P<0.05)，其他處理差異均不顯著(P>0.05)(表2)。說明透光撫育后林地土壤非毛管孔隙增多，為水分滲透提供更多的快速通道，更有利于壤中流的形成和發展。

土壤最大持水量與非毛管持水量表現的規律基本一致，即全透光>強度透光>中度透光>對照，僅全透光樣地與對照差異顯著(P<0.05)，其它處理均不顯著(P>0.05)。說明透光撫育后林地土壤非毛管持水量和最大持水量有增加趨勢，以全透光撫育增加效果顯著。

綜上分析可知，透光撫育能夠降低土壤容重，增加土壤非毛管孔隙持水量和最大持水量，增強土壤保持水土、涵養水源的功能。

表2 透光撫育對土壤水源涵養特性的影響

3.2 不同透光強度對枯落物水源涵養功能的影響

森林枯落物持水性能取決于其本身的數量和性質，因此，本研究選擇枯落物蓄積量和枯落物最大持水量來表征枯落物的水源涵養效益。由圖1可知，經透光撫育后，全透光和強度透光樣地枯落物蓄積量分別比對照降低了17.68%和17.28%(P<0.05)，中度透光比對照低1.02%，但差異并不顯著(P>0.05)。說明中度透光撫育對枯落物蓄積量影響不大，強度和全透光撫育降低了枯落物的蓄積量，這可能與透光撫育減少了上層林木對枯落物的輸入量有關。進一步分析枯落物最大持水量可知，全透光和強度透光樣地枯落物最大持水量顯著低于對照(P<0.05)，分別比對照降低了35.89%、24.43%，且透光強度越大，降低幅度越大。中度透光與對照間無顯著差異(P>0.05)。由此可知，中度透光撫育對枯落物的持水性能影響不大，強度透光和全透光撫育則降低了枯落物的水源涵養能力。

圖1 透光撫育對枯落物水文特性的影響

4 結論與討論

森林土壤水源涵養能力主要包括土壤蓄水和滲透能力。土壤容重直接影響土壤的蓄水性能，是影響森林土壤水源涵養功能的主要因素，土壤容重越小土壤越疏松，土壤透氣透水性越好，所在林地涵養水源、保持水土的能力越強，而容重越大則與之相反[8]。土壤滲透性能取決于非毛管孔隙，在飽和持水量中，只有非毛管孔隙中滯留的重力水在調蓄降水方面具有重要的作用。因此，森林土壤的持水能力主要取決于土壤非毛管持水量[9]。土壤最大持水量是毛管孔隙與非毛管孔隙水分貯蓄量之和，是反映土壤貯蓄和調節水分的潛在能力，它是土壤涵蓄潛力的最大值，也可以反映土壤水源涵養能力[10]。本研究選擇土壤容重、土壤非毛管持水量和土壤最大持水量來表征土壤的水源涵養能力，結果表明，與對照相比，全透光撫育在短期內能夠顯著降低土壤容重，增加土壤最大持水量和非毛管持水量(P<0.05)，其他處理與對照無顯著差異(P>0.05)。這一研究結果與多數研究結果相悖，分析其原因可能與采伐剩余物的處理方式有關，本研究中采伐剩余物和伐根均留在樣地內，大量的采伐剩余物和伐根分解，增加了土壤中腐殖質的含量，從而改善了土壤的物理性質。

在枯落物層水源涵養方面，與對照相比，全透光和強度透光撫育顯著降低了枯落物的蓄積量和最大持水量(P<0.05)，中度透光撫育對枯落物的蓄積量和最大持水量影響不大(P>0.05)，這主要是由于全透光和強度透光撫育減少了地上生物量，導致枯落物的輸入量減少所致。