曲杭峰 董希斌 张甜 唐国华 马晓波 管惠文 王智勇 阮加甫

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

大兴安岭白桦低质林补植改造后枯落物水文效应变化1)

曲杭峰 董希斌 张甜 唐国华 马晓波 管惠文 王智勇 阮加甫

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

以大兴安岭地区新林林业局白桦低质林为研究对象，对白桦低质林进行不同密度的补植改造，采用灰色关联分析法和变异系数法建立综合评价体系，评价的指标为各补植样地的未分解层和半分解层枯落物自然持水率、最大持水率、最大持水量、总最大持水量、有效拦蓄量、总有效拦蓄量、蓄积量、总蓄积量。结果表明：不同密度补植样地的枯落物吸水速率随浸泡时间的增加呈幂指数关系下降，持水量随浸泡时间的增加呈对数函数上升，灰色关联值大小依次为：BZ4(0.807)、BZ5(0.666)、BZ6(0.642)、BZ3(0.548)、BZ2(0.513)、BZ1(0.480)、CK(0.421)，说明补植密度为800株·hm-2时，大兴安岭新林林业局白桦低质林的水源涵养能力最佳。

白桦低质林；补植改造；枯落物水文效应；大兴安岭

林下枯落物是森林土壤不可缺少的保护层，具有保护林分环境、保护物种多样性、实现森林涵养水源、改良水土的的生态功能[1-5]。它既能有效拦截林地降水，拦蓄渗透降水，减少表层土的水分蒸发和增加土壤水分入渗又能避免太阳直射土壤，并且能改善土壤，使土壤温度不至于过分降低或者升高[6-9]。而枯落物的水文作用，主要体现在枯枝落叶吸水量的多少，影响因素包括分解状况以及自身的含量、天气状况等[10-14]。因此，林下枯落物的水文效应是森林生态系统的重要组成部分。对不同林型枯落物水文效应已有许多研究，吴金卓[15]等研究了吉林蛟河不同演替阶段针阔混交林凋落物的持水特性，发现成熟林的持水特性最好，近熟林次之、中龄林的持水特性最差，且蓄积量越大，枯落物的最大持水量与自然持水量越大，持水能力越强。郭辉等[16]对小兴安岭低质林分水平皆伐和垂直皆伐后对改造样地的枯落物持水特性变化进研究，发现两种采伐作业后未分解层和半分解层的枯落物量除了水平带有所增加，其他采伐带均呈减小的趋势，最终得出低强度择伐对小兴安岭阔叶混交低质林的水土保持能力最佳。

目前,国内外学者采用系统评价模型、主成分分析法、灰色关联度法等评价方法对枯落物的水文效应进行研究，主要从不同林型的角度对枯落物水文效应进行研究[17-20]，而对不同密度的补植改造对枯落物水文效应的影响研究较少。本文以大兴安岭白桦低质林为研究对象，采用块状补植补该造法进行样地改造，补植苗木为兴安落叶松(Larixdahurica)，研究不同密度补植改造对未分解层和半分解层枯落物水文效应的影响，利用灰色关联分析法对补植改造后的枯落物水文效应进行综合评价，得出最佳的水土保持改造模式，即最佳的低质林补植改造密度，可为大兴安岭低质林补植改造提供参考和依据。

1 研究区概况

研究区设在大兴安岭新林林业局新林林场90林班内，东邻88林班，南接94林班，西靠92林班，北与87林班相邻，东经124°22′47.8″～124°24′35.2″，北纬50°34′9.15″～50°34′32″。属于低山丘陵地带，地貌类型为山地阳坡，坡向西南，海拔高度370～420 m，土壤厚度为18～22 cm，土壤类型为棕色森林。研究区受季风的影响属寒温带大陆性季风气候，冬季寒冷而漫长，春秋两季白天伴有大风，昼夜温差较大，最低气温-45.4 ℃，最髙气温37.3 ℃，年平均气温-1.3 ℃，年降水量在462.8～526.8 mm，雨期集中在7、8月，蒸发量为900 mm，无霜期为85～130 d。白桦低质林中乔木层郁闭度为0.3～0.5，灌木层树种包括刺五加(Eleutherococcussenticosus)、苍术(Atractyloedslancea)、胡枝子(Lespedezabicolor)等。地表草本植物包括蕨类(Adiantumspp.)、山茄子(Brachybotrysparidifornus)、舞鹤草(Maianthemumdilatatum(linn.) F.W.Schmidt)等。

2 研究方法

2.1 样地设置

2016年夏季，经过实地勘察设计，在大兴安岭新林林业局新林林场设立6块补植样地，1块对照样地，通过块状补植法对试验样地进行改造，补植苗木为兴安落叶松(Larixdahurica)，样地编号为BZ1～BZ6和对照样地CK，7块样地的大小皆为20 m×20 m，BZ1～BZ6样地的补植密度分别为500、600、700、800、900、1 000株·hm-2，CK作为空白对照样地，不进行补植作业，大兴安岭白桦低质林补植改造完成后，须对补植树种进行基本的管理和维护，并对其进行科学合理的抚育，抚育工作主要有浇水、扩穴、扶正、培土、踏实、除草[21]。

2.2 枯落物采集与测定

为防止某一试验样地的枯落物采集密度过大，每块样地设置5个采样点，采样大小为30 cm×30 cm的样方，采集枯落物的未分解和半分解层，未分解有新鲜的叶子、枝条和果皮凋落到地面组成，外表无分解的痕迹；半分解层外观轮廓不完整，能基本辨认出原型，但枯落物的颜色变化较大。

枯落物蓄积量的测量方法是取完样后带回实验,使用精度为1 mm的天平称量未分解和半分解的鲜质量，随后放入烘干箱内85 ℃烘干24 h，通过称量枯落物的干质量推算枯落物的蓄积量。枯落物持水能力的测定采用的是室内浸泡法，将烘干后的枯落物装入0.16 mm的尼龙网袋中，然后浸入清水中(以网袋和枯落物全部浸入水中为准)，分别在0.25、0.5、1、2、4、8、24 h这7个时间取出称量枯落物的质量(在枯落物不再滴水时称量)，由此可以推算出自然持水量=鲜质量-干质量，自然持水率=[(鲜质量-干质量)/干质量]×100%，经过测量发现24 h后的持水量基本不发生变化，故定义24 h的枯落物持水量为最大持水量，所以最大持水率=[(鲜质量-干质量)/干质量]×100%，最大持水量是在24 h后测量得到的结果，但实际情况较少出现如此长的浸泡时间，一般定义降雨量达到20～30 mm的植被，实际持水率为最大持水率的85%，故使用最大持水率评价枯落物的拦蓄能力得到的结果会偏大，所以有效拦蓄量=(0.85×最大持水率-自然持水率)×蓄积量。

3 结果与分析

3.1 补植改造对枯落物蓄积量的影响

由表1可知：BZ1、BZ2、BZ3、BZ4、BZ5、BZ6补植样地的未分解层枯落物蓄积量均高于对照样地，升高程度从小到大依次为BZ5、BZ1、BZ4、BZ2、BZ3、BZ6，说明不同密度的补植改造，对未分解层枯落物蓄积量有着不同的程度的影响，经过方差分析，BZ2、BZ4和BZ6样地与对照样地差异性显著(P<0.05),BZ1、BZ3和BZ5与对照样地相比差异性不显著(P≥0.05)。BZ2、BZ3、BZ4、BZ5的半分解层枯落物蓄积量高于对照样地枯落物蓄积量，说明不同密度的补植改造，对半分解层枯落物蓄积量有着不同的程度的影响，经过方差分析，6块补植样地除BZ2样地外，其他样地与对照样地相比差异性显著(P<0.05)。6块补植样地的枯落物总蓄积量除BZ1样地外，其他样地的枯落物总蓄积量均高于对照样地，升高程度从小到大依次为BZ2、BZ6、BZ3、BZ4和BZ5，说明不同密度的补植改造，对枯落物总蓄积量有着不同的程度的影响，经过方差分析，六块补植样地除BZ1和BZ4样地外，其他样地与对照样地相比差异性显著(P<0.05)。BZ1～BZ6样地中，未分解层枯落物蓄积量占枯落物总蓄积量的比值为61.41%、32.29%、33.97%、26.11%、13.00%、59.26%、27.85%；半分解层枯落物蓄积量占枯落物总蓄积量的比值为38.59%、67.71%、66.03%、73.89%、87.00%、60.74%、72.15%。通过分析得到除BZ1样地外，其他补植样地的半分解层枯落物蓄积量所占比例均高于未分解层枯落物蓄积量所占比例。

3.2 补植改造对枯落物自然持水率的影响

由表2可知：BZ1、BZ3和BZ5未分解层枯落物自然持水率低于对照样地，BZ2、BZ4和BZ6未分解层枯落物自然持水率高于对照样地，说明不同密度的补植改造，对未分解层枯落物有着不同的程度的影响，经过方差分析，BZ2和BZ6与对照样地相比差异性不显著(P≥0.05)其他样地差异性显著(P<0.05)，各样地的变异系数均小于15%，属于中弱度变异，其中，BZ2样地变异系数最大(10.54%)，对照样地变异系数最小(2.42%)。6块补植样地的枯落物自然持水率除BZ4样地外，其他样地的半分解层枯落物自然持水率均高于对照样地，升高程度从小到大依次为BZ2、BZ3、BZ6、BZ4和BZ1，说明不同密度的补植改造，对枯落物半分解层枯落物自然持水率有着不同的程度的影响，经过方差分析，BZ1、BZ4和BZ6补植样地与对照样地差异性显著(P<0.05)，BZ2、BZ3和BZ5与对照样地相比差异性不显著(P≥0.05)，各样地的变异系数均小于10%，属于弱度变异其中，BZ4样地变异系数最大(3.68%)，BZ1样地变异系数最小(2.42%)。

表1 补植改造后各样地枯落物蓄积量 t·hm-2

注：表中数据平均值±标准差；同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

表2 补植改造后各样地枯落物自然持水率 %

注：表中数据平均值±标准差；同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

3.3 补植改造对枯落物最大持水量的影响

由表3可知：除BZ4样地外，BZ1、BZ2、BZ3、BZ5、BZ6样地的未分解层枯落物最大持水量均高于对照样地，升高程度从小到大依次为BZ2、BZ1、BZ3、BZ6、BZ4、说明不同密度的补植改造，对未分解层枯落物最大持水量有着不同的程度的影响，经过方差分析，BZ2、BZ4和BZ6样地与对照样地差异性显著(P<0.05),BZ1、BZ3和BZ5与对照样地相比差异性不显著(P≥0.05)。BZ2、BZ3、BZ4、BZ5、BZ6样地半分解层最大持水量皆高于对照样地，升高程度从小到大依次为BZ6、BZ2、BZ3、BZ5、BZ4，说明不同密度的补植改造，对半分解层枯落物最大持水量有着不同的程度的影响，经过方差分析，六块补植样地除BZ5样地外，其他样地与对照样地相比差异性显著(P<0.05)。6块补植样地的枯落物总最大持水量BZ1、BZ2、BZ3、BZ4、BZ5、BZ6，枯落物总最大持水量均高于对照样地，升高程度从小到大依次为BZ1、BZ6、BZ2、BZ3、BZ5、BZ4，说明不同密度的补植改造，对枯落物总最大持水量有着不同的程度的影响，经过方差分析，6块补植样地除BZ1样地差异性不显著(P≥0.05)，其他样地与对照样地相比差异性显著(P<0.05)。BZ1～BZ6样地中，未分解层枯落物最大持水量占枯落物总最大持水量的比值为55.17%、34.22%、31.83%、26.75%、12.60%、49.65%、31.91%；半分解层枯落物最大持水量占枯落物总最大持水量的比值为44.83%、65.78%、68.17%、73.25%、87.40%、50.35%、68.09%。通过分析得到除BZ1样地外，其他补植样地的半分解层枯落物最大持水量所占比例均高于未分解层枯落物最大持水量所占比例。

表3 补植改造后各样地枯落物最大持水量 t·hm-2

注：表中数据平均值±标准差；同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

3.4 补植改造对枯落物最大持水率的影响

由表4可知：BZ2、BZ3、BZ5和BZ6未分解层枯落物最大持水率低于对照样地，BZ1和BZ4未分解层枯落物最大持水率高于对照样地，说明不同密度的补植改造，对未分解层枯落物最大持水率有着不同的程度的影响，经过方差分析，除BZ3与对照样地相比差异性不显著(P≥0.05)，其他样地与对照样地相比差异性显著(P<0.05)，各样地的变异系数均小于10%，属于弱度变异，其中，BZ2样地变异系数最大(2.55%)，对照样地变异系数最小(1.37%)。

BZ1～BZ6样地中的半分解层枯落物最大持水率均高于对照样地，升高程度从小到大依次为BZ5、BZ2、BZ3、BZ6、BZ4和BZ1，说明不同密度的补植改造，对枯落物半分解层枯落物最大持水率有着不同的程度的影响，经过方差分析，除BZ1与对照样地相比差异性不显著(P≥0.05)，其他样地与对照样地相比差异性显著(P<0.05)，各样地的变异系数均小于10%，属于弱度变异，其中，BZ3样地变异系数最大(2.93%)，BZ1样地变异系数最小(1.45%)。

表4 补植改造后各样地枯落物最大持水率 %

注：表中数据为平均值±标准差；同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

3.5 补植改造对枯落物有效拦蓄量的影响

由表5可知：除BZ5样地外，BZ1、BZ2、BZ3、BZ4、BZ6样地的未分解层枯落物有效拦蓄量均高于对照样地，升高程度从小到大依次为BZ2、BZ3、BZ1、BZ4、BZ6、说明不同密度的补植改造，对未分解层枯落物有效拦蓄量有着不同的程度的影响，经过方差分析，除BZ5样地与对照样地相比差异性不显著(P≥0.05)，其他样地与对照样地相比差异性显著(P<0.05)。除BZ1～BZ6样地半分解层枯落物有效拦蓄量均高于对照样地，升高程度从小到大依次为BZ1、BZ6、BZ2、BZ3、BZ5、BZ4，说明不同密度的补植改造，对半分解层枯落物有效拦蓄量有着不同的程度的影响，经过方差分析，6块补植样地BZ1、BZ2、BZ3和BZ6样地与对照样地差异性显著(P≥0.05),BZ4和BZ5与对照样地相比差异性显著(P<0.05)。6块补植样地的枯落物总有效拦蓄量BZ1、BZ2、BZ3、BZ4、BZ5、BZ6，枯落物总有效拦蓄量均高于对照样地，升高程度从小到大依次为BZ1、BZ2、BZ6、BZ3、BZ5、BZ4，说明不同密度的补植改造，对枯落物总有效拦蓄量有着不同的程度的影响，经过方差分析，6块补植样地除BZ1样地差异性不显著(P≥0.05)，其他样地与对照样地相比差异性显著(P<0.05)。BZ1～BZ6样地中，未分解层枯落物有效拦蓄量占枯落物总有效拦蓄量的比值为62.00%、39.81%、37.32%、32.29%、15.10%、62.94%、36.60%；半分解层枯落物有效拦蓄量占枯落物总有效拦蓄量的比值为38.00%、60.19%、62.68%、67.71%、84.90%、37.06%、63.40%。通过分析得到除BZ1样地外，其他补植样地的半分解层枯落物有效拦蓄量所占比例均高于未分解层枯落物有效拦蓄量所占比例。

表5 补植改造后各样地枯落物有效拦蓄量 t·hm-2

注：表中数据平均值±标准差；同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

3.6 枯落物持水能力

3.6.1 枯落物持水量与浸泡时间的关系

持水量反应不同密度改造后林下枯落物的持水性能，对白桦低质林进行不同密度的补植改造后，各改造样地枯落物未分解层和半分解层的持水量不同，对林下枯落物持水量(S)与浸泡时间(t)之间的关系进行回归分析，发现持水量随着时间的增加呈对数函数上升的关系，得到持水量与浸泡时间的回归方程为：S=alnt+b(a、b为方程系数)，对大兴安岭白桦低质林补植改造后，白桦低质林枯落物持水量与浸泡时间的拟合效果较好，R2≥0.811 3，关系方程如表6所示。

表6 持水量与浸泡时间关系模型

3.6.2 枯落物吸水速率与浸泡时间的关系

吸水率是反应枯落物吸水快慢程度的重要指标，它的大小决定了枯落物对森林降水的分配能力，对林下枯落物吸水速率(V)与浸泡时间(t)之间的关系进行回归分析，发现吸水速率随着时间的增加呈幂函数下降的关系，得到吸水速率与浸泡时间的回归方程为：V=ctd(c、d为方程系数)，对大兴安岭白桦低质林补植改造后，白桦低质林枯落物吸水速率与浸泡时间的拟合效果较好，R2≥0.991 9，关系方程如表7所示。

3.7 枯落物持水特性的综合评价

利用Excel2010首先对不同补植密度样地的各指标进行标准化处理，得到的数据如表8，根据标准化矩阵可以计算出理想对象矩阵，如表9，之后对该矩阵计算灰色关联系数，得出灰色关联判断矩阵如表10，然后确定利用变异系数法计算白桦低质林枯落物各指标权重如表11，最终用补植样地各指标的灰色关联判断矩阵乘以各自的权重，计算出灰色关联度，得到不同密度各补植样地的灰色关联度如表11，分别为BZ1(0.480)、BZ2(0.513)、BZ3(0.548)、BZ4(0.807)、BZ5(0.666)、BZ6(0.642)、CK(0.421)，其中BZ4样地的灰色关联度最高，且BZ4样地在蓄积量、有效拦蓄量、最大持水量、总蓄积量、总最大持水量和总有效拦蓄量上均有较大载荷，说明补植密度为800株·hm-2时，大兴安岭白桦低质林的水源涵养能力最佳。

表7 吸水速率与浸泡时间关系模型

表8 补植改造后各样地指标标准化矩阵

表10 补植改造后各样地判断矩阵

表11 补植改造后各样地指标权重和灰色关联度

样地指标权重关联度BZ10.1020.480BZ20.0290.513BZ30.0400.548BZ40.0740.807BZ50.0920.666BZ60.1120.642CK0.0470.421

4 结论与讨论

研究发现未分解层和半分解层枯落物蓄积量与枯落物的持水量、持水率呈现较强的相关性，蓄积量越大，持水量越大，原因是枯落物的蓄积量反应其本身的性质和结构，蓄积量越大，持水率越高，持水能力越强，这与李超等[22]研究结果相似。除BZ1样地外，其他密度的补植改造都呈现半分解层枯落物的蓄积量、最大持水量和有效拦蓄量均大于未分解层，原因是枯落物分解是受到土壤土壤中氮、磷、钾等营养物质的影响，补植苗木生长时需要大量的营养物质，造成补植样地营养物质的缺乏，迫使枯落物分解速度加快，导致枯落物半分解层的质量分数高于未分解层的质量分数[23]。但不同密度的补植改造样地枯落物未分解层和半分解层自然持水率和最大持水率没有显著的相关性，这与唐国华等[24]研究结果相似。

对枯落物吸水特性进行研究发现，不同密度补植改造样地未分解层和半分解层枯落物的吸水性能存在一定的差异性，但吸水过程大体相似，都是在15 min内吸水速度最快，然后吸水速率逐渐减慢，最后在24 h左右吸水速率基本上不再发生变化，通过对吸水速率与浸泡时间的散点图进行拟合得到的关系方程为：V=ctd，其中V为枯落物吸水速率，c、d为方程系数，t为浸泡时间，这与陈百灵等[25]研究结果相似。对枯落物持水特性进行研究发现，不同密度补植改造样地的持水性能存在差异性，但变化过程整体相似，都是在前4 h内枯落物的持水量迅速增加，然后持水量增加的幅度逐渐减小，最后持水量达到饱和，基本上不发生变化，通过对持水量与浸泡时间的散点图进行拟合得到的拟合方程为：S=alnt+b，其中S为枯落物持水量，a、b为方程系数，t为浸泡时间，这与宋启亮等[26]研究结果相似。

通过对大兴安岭白桦低质林各样地进行不同密度的补植改造，对未分解层和半分解层枯落物的13个指标进行灰色关联分析，得到灰色关联系数从大到小依次为：BZ4(0.807)、BZ5(0.666)、BZ6(0.642)、BZ3(0.548)、BZ2(0.513)、BZ1(0.480)、CK(0.421)，白桦低质林枯落物的灰色关联值先升高后降低，原因是对白桦低质林进行补植改造后，随着林分密度逐渐增大，地表温度上升，加速了枯枝落叶的分解，使得植被水土保持能力随之增强，但当补植密度过大时，补植样地的森林微气候发生变化，枯落物分解所需要的微生物、酶的数量不足时，对林下水源涵养造成了负面的影响[23]，使得枯落物的综合得分有所下降，根据灰色系统评价体系，BZ4样地的改造方式最适合大兴安岭白桦低质林的补植改造。大兴安岭白桦低质林枯落物水文效应的综合评价不仅与不同密度的补植改造有关，影响的因素还包括林分的组成、森林的水热效应、气候的变化等[27]，所以枯落物的水文效应还需要长期关注并对其继续研究。

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Changes of Replanting Alterations ofBetulaplatyphyllaLow Quality Forest on Litter Hydrological Effect in Daxing’an Mountains//

Qu Hangfeng, Dong Xibin, Zhang Tian, Tang Guohua, Ma Xiaobo, Guan Huiwen, Wang Zhiyong, Ruan Jiafu

(Key Laboratory of Forest Sustainable Management and Environmental Microorganism Engineering of Heilongjiang Province, Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)

//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(8)：14-19.

The different density of replanting alterations were conducted to focus onBetulaplatyphyllalow-quality forest in Xinlin Bureau of Daxing’an Mountains. The evaluation system of litter hydrological was established by grey relation analysis and variation coefficients, and the evaluation indicators were natural water capacity, maximum water rate, maximum water capacity, total maximum water capacity, modified interception, total modified interception, storage of forest litters and total storage of forest litters. The absorption rate and soaking time were a power function, while the holding capacity had remarkable logarithmic correlation with soaking time, and the grey relation degrees of litter hydrological in different plots were BZ4(0.807), BZ5(0.666), BZ6(0.642), BZ3(0.548), BZ2(0.513), BZ1(0.480), and CK(0.421), indicating that the integrated density of 800 tree·hm-2was the most suitable one for the water-conservation ofBetulaplatyphyllalow-quality forest in Xinlin Bureau of Daxing’an Mountains.

Betulaplatyphyllalow-quality forest； Replanting alterations; Litter hydrological effect； Daxing’an Mountains

曲杭峰，男，1992年6月生，森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，硕士研究生。E-mail：1763983999@qq.com。

董希斌，森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，教授。E-mail：xibindong@163.com。

2017年4月14日。

S715.3

1)林业科学技术推广项目([2015]06号)。

责任编辑：潘 华。