陈俊华, 牟皓, 谢天资, 别鹏飞, 慕长龙

四川省林业科学研究院，森林与湿地生态恢复与保育四川重点实验室，四川 成都 610081

川中丘陵区的柏木（Cupressus funebris）人工林主要是上世纪八十年代长江防护林工程中营造的桤柏混交林演化而来[1]。当前林分普遍树种单一、密度过大，导致现今林下灌草盖度较低、天然更新差、生产力低下，不能充分发挥森林的多种效益[2]，急需进行林分改造。国内研究采用的方法有抚育间伐[2-5]，带状皆伐+补阔[6-7]，开窗补阔[8]等，均取得了较为理想的效果。针对改造后的林分水文效应，黎燕琼[6]研究了“带状皆伐+补阔”中不同带宽与对照的对比，骆宗诗[3]分析了不同间伐强度林分土壤容重、总孔隙度和最大持水量以及枯落物有效持水量的差别。但对于不同间伐强度枯落物蓄积量、持水过程未见报道。开展研究区柏木人工林分间伐试验，研究不同间伐强度林分的枯落物层、土壤层的持水性能，揭示其水文效应特征，以期为该区域人工柏木林的可持续经营、低质低效林分改造和质量精准提升提供参考依据。

1 研究区概况

研究区位于四川省盐亭县云溪镇高山村，地理位置E105°22′51″～105° 22′59″，N 31°13′29″～31°13′50″，海拔350～650 m，丘陵地貌，属中亚热带湿润季风气候区，年均气温17.3 ℃，年均降水量826 mm。该区广泛露出紫色泥页岩和砂石岩地层，易风化崩解破碎，成土过程快，土壤抗蚀力弱，土壤类型主要为紫色土。现有森林类型几乎为柏木人工纯林，林下灌草种类简单，植被盖度低[2]。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

2.1.1 样地设置

2007 年在该区域选择立地条件基本一致，林龄35～40 年，郁闭度≥0.8，林下灌木盖度≤20%，草本盖度≤30%的人工柏木纯林样地20 个，每个样地大小20 m×20 m。设置4 种强度，即I：10%～15%、II：16%～25%、III：26%～35%和对照CK。每种强度5 个样地。间伐方法为生态疏伐，即伐掉影响目标树的竞争木和过密林木。为保证林分因子的一致性，间伐前，对各样地内的乔木进行每木检尺，计算林分的平均树高、平均胸径、林分密度和蓄积量，经F检验表明上述各因子均无显著差异。对每个样地进行间伐木选择、作标记、测量、采伐[2]。间伐后的样地基本情况见表1。

2.1.2 样地调查及指标测定

2019 年（即间伐后12 年），对样地进行调查。在每个样地内，沿顺坡方向“S”形设置取样点。枯落物蓄积量采用“全体收获法”，测定凋落物层厚度，称重，取样，带回实验室将枝条、叶、果实分开拣出，分别取样称重，烘干（65 ℃）至恒重后再称重，以干物质重推算1 hm2凋落物蓄积量。采用浸泡法测定枯落物持水性能，在水体中放入烘干的枯落物并浸泡0.5 h、1 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h、14 h、16 h、18 h、20 h、22 h、24 h 后记录湿重。计算自然含水率、最大持水量、最大持水率、最大拦蓄量、有效拦蓄量[9]等5 项指标。同时在每个样点上用容积为100 cm3环刀在土壤剖面取0～30 cm的原状土，同时用铝盒取土样，测定土壤含水量。采用“环刀法”测定土壤的物理性质，包括土壤容重、毛管孔隙度、总孔隙度、最大吸持贮水量、饱和贮水量等5 项反映土壤持水性能的指标[10]。

表 1 间伐后样地基本情况Tab. 1 General information of sampling plots after thinning

2.2 数据统计与分析

运用Microsoft Excel 2007 进行数据录入、基本计算；在SPSS 20.0 里面进行单因素方差分析（Oneway ANOVA）和多重比较（显著水平P＜0.05），非线性拟合、作图均使用OriginPro 2018。枯落物的自然含水率、最大持水量、最大持水率、最大拦蓄量、有效拦蓄量，土壤容重、毛管孔隙度、总孔隙度、最大吸持贮水量、饱和贮水量的计算公式参考文献[11]。

3 结果与分析

3.1 不同间伐强度枯落物蓄积量和持水性能

3.1.1 枯落物蓄积量

不同间伐强度下枯落物蓄积量见图1。可以看出，枝、叶、总枯落物量均遵从这样的规律，即按枯落物量多少排列为III＞II＞I＞CK，而果实枯落物中，以I 最多（0.59 t·hm−2），其次是CK（0.35 t·hm−2），最少的是III（26～35%），每hm2的量仅有0.19 t。间伐强度为I、II、III 的枝、叶、总枯落物蓄积量分别 是CK 的1.24 倍、1.80 倍、3.30 倍，1.08 倍、2.11 倍、2.56 倍和1.24 倍、1.78 倍、2.38 倍。

方差分析和多重比较（LSD）表明，不同间伐强度枝枯落物蓄积量，除I 与CK 差异不显著外（P＞0.05），其余处理间均差异显著（P＜0.05）；叶枯落物蓄积量中，间伐强度I 与对照差异不显著（P＞0.05），间伐强度II 与III 差异不显著（P＞0.05）。其余处理间差异显著（P＜0.05）；果实枯落物蓄积量中，间伐强度I 与所有处理均表现为差异显著（P＜0.05），间伐强度II 与III 和CK 差异均不显著（P＞0.05），而间伐强度III 与CK 差异显著（P＜0.05）；总枯落物蓄积量的规律与此类似。

3.1.2 枯落物持水性能

不同间伐强度枯落物层持水性能指标见表2。可以看出，除最大持水率外，枯落物自然含水率、最大持水量、最大拦蓄量、有效拦蓄量按由大到小均表现为III＞II＞I＞CK。间伐强度III 的最大持水量为7.45±1.17 t·hm−2，有效拦蓄量为11.75±1.35 t·hm−2，分别约为CK 的3.73 倍和2.59 倍。方差分析和多重比较（LSD）表明，自然含水率除III 与其余强度差异显著外（P＜0.05），其余处理间均差异不显著（P＞0.05）。最大持水量、最大持水率、最大拦蓄量、有效拦蓄量的规律一致，即除In 与对照间差异不显著外（P＞0.05），其余处理间差异显著（P＜0.05）。

3.2 不同间伐强度枯落物层持水动态过程

3.2.1 枯落物持水量动态变化过程

不同处理枯落物层的持水量动态变化过程见图2。从图2 可知，不同处理枯落物的持水量随浸泡时间的变化趋势基本相似。在浸泡实验开始的前6 h 内，持水量迅速增加，此时枯落物的持水量已经达到最大水持水量的83.76%～91.25%。在浸泡10 h后，枯落物持水量缓慢增加，到14 h 时基本达到饱和。持水速度最快的是间伐强度III，其次是I，最慢的是CK。经在OriginPro 2018 中进行回归分析，不同处理枯落物的动态持水量与浸泡时间的关系满足对数函数，表达式为：W=a−b×ln(t+c)。其中，W为枯落物实时持水量，t为浸泡时间（h），a和b均为常数参数。不同处理枯落物的持水量与浸泡时间的函数模型见表3。从拟合的相关系数R（R值均在0.95 以上）和F检查值来看，效果非常理想。

表 2 不同间伐强度枯落物持水性能Tab. 2 Water holding capacity of the litter layer under different thinning intensities

3.2.2 枯落物持水量动态变化过程

根据时间间隔的持水增量来计算不同间伐强度枯落物层单位时间的吸水速率。动态趋势如图3 所示。浸泡开始，枯落物迅速吸水。在前0.5 h 内，吸水速率在1.81 t·hm−2·h−1～2.45 t·hm−2·h−1。由于枯落物成分和储量的不同，不同间伐强度枯落物的吸水速率有差异，但变化趋势基本一致。在浸泡开始2 h 内吸水速率较高，随着时间的延长，吸水速率逐渐降低，到12 h 后的吸水速率趋近于0。根据OriginPro 2018 拟合枯落物的吸水速率动态过程，可以看出，基本呈幂函数曲线。其表示式为V=mtn。式中，V为枯落物吸水速率（t·hm−2·h−1），m和n为参数（常数）。不同处理枯落物的吸水速率与浸泡时间的函数模型见表4。从拟合的相关系数R（R值均在0.80 以上）和F检查值来看，效果还是比较理想的。

图 2 枯落物持水动态过程Fig. 2 Dynamic process of water holding capacity of the litter layer

表 3 枯落物持水量与浸泡时间的关系Tab. 3 Relationship between water holding amount and soaking time of the litter layer

图 3 枯落物吸水速率动态过程Fig. 3 Dynamic process of water absorbing rate of the litter layer

3.3 不同间伐强度土壤容重

从不同间伐强度土壤容重的数值来看（见图4），按由小到大排列为III（1.41 g·cm−3）＜II（1.43 g·cm−3）＜I（1.51 g·cm−3）＜CK（1.64 g·cm−3）。不同间伐的土壤容重均明显低于对照（未间伐）。方差分析和多重比较（LSD）表明，不同间伐强度与对照间差异显著（P＜0.05），但3 种间伐强度之间差异不显著（P＞0.05）。

表 4 枯落物持水量与浸泡时间的关系Tab. 4 Relationship between water-holding amount and soaking time of the litter layer

3.4 不同间伐强度土壤孔隙度

土壤孔隙度是反映土壤物理性质的重要指标，土壤中的水、养分、空气都储存在土壤的孔隙中，尤以毛管孔隙度最为重要。土壤中的有效水多储存在毛管孔隙之中。毛管孔隙度越大，土壤中储存的有效水含量就越高，这样能为植物生长提供更多的水分[9]。不同间伐强度的土壤毛管孔隙度以强度III 为最大（为35.30±2.60%），最小为CK（28.19±1.29%）（见图5）。无论是毛管孔隙度和总孔隙度，按大小排列均为III＞II＞I＞CK。方差分析和多重比较（LSD）表明，强度为I 除与CK 差异不显著外（P＞0.05），其余差异显著（P＜0.05）。强度为III和II 的均与CK 和I 间差异显著（P＜0.05），但二者之间差异不显著（P＞0.05）。

图 4 不同间伐强度土壤容重Fig. 4 Soil bulk density under different thinning intensities

图 5 不同间伐强度土壤孔隙度Fig. 5 Soil porosity under different thinning intensities

3.5 不同间伐强度土壤贮水量

土壤的持水能力是反应土壤水文性能和森林涵养水源能力的重要指标[9]。土壤的持水能力越强说明土壤中可以贮存更多的水分，截留降水，水土保持功能越强。不同处理0～30 cm 土壤的最大吸持水量最多的是间伐强度III(105.90±2.60 mm)，其次是II(103.07±3.01 mm)，最小是CK（84.58±1.29 mm）（见图6）。不同间伐强度的饱和贮水量均高于CK。间伐强度I、II 和III 土壤0～30 cm 饱和贮水量分别是CK 的1.09 倍、1.21 倍和1.27 倍。方差分析和多重比较（LSD）表明，最大吸持水量和饱和贮水量规律一致，即CK、强度为I 与II、III 的差异显著（P＜0.05），I 与CK 间差异不显著（P＞0.05），II与III 间差异不显著（P＞0.05）。

图 6 不同间伐强度土壤持水量（0～30 cm）Fig. 6 Soil water holding capacity under different thinning intensities

4 讨论

作为森林生态系统中涵养水源的重要活动层，土壤层和枯落物层起着防止土壤侵蚀、拦蓄地表径流的作用[10]。枯落物蓄积量的多少直接影响其持水能力。枯落物蓄积量的多少又受树种组成、林分结构、林分生长情况和枯落物分解难易的影响[12]。本研究中，以III（26%～35%）的枯落物蓄积量最多，是对照的2.38 倍。间伐后，增大了林木间的空隙，改善了光照，使得林下灌木、草本的盖度增加；同时，一些喜阳的先锋阔叶树种也会进入，导致枯落物层变厚、蓄积量增加。枯落物层依靠其疏松多孔和表面积较大的特质，首先是截留降水，然后将截留的降水向土壤下渗。本研究中，枯落物的最大持水量以III（26%～35%）最大，几乎是对照的3.4 倍，最大拦蓄量为对照的2.29 倍。有专家研究认为，枯落物的最大拦蓄量和最大持水量并不能代表枯落物在降雨时的实际拦蓄效果[13]。因此，一般用有效拦蓄率和有效拦蓄量来进一步衡量枯落物的拦蓄效果[11]。本研究中，不同间伐强度的有效拦蓄量范围为4.53～11.75 t·hm−2，是 枯 落 物 干物质量的2.44～2.80 倍，这与骆宗诗等[3]的研究结论基本一致，略高于曾建军等[14]、管惠文等[10]的研究结果。一般认为，枯落物层持水量随浸泡时间的变化遵循对数函数，吸水量随浸泡时间的变化遵循幂函数[11-12,14-15]。针对枯落物层持水量随浸泡时间的变化规律，大多数专家拟合的关系为W=a+b×ln(t)的形式。本研究略有不同，拟合结果为W=a−b×ln(t+c)形式，从R2（＞0.95）和F检验值来看，拟合效果很好。吸水量随浸泡时间的变化规律拟合结果与国内专家的基本一致。从拟合的效果来看，除III（26～35%）的R2为0.8021 外，其余均大于0.89，尤其是对照（CK）的R2高达0.9876，拟合结果还是比较满意的。

森林水文性能重要参数之一是土壤储存水分的能力，通过土壤的物理性质和持水力特性体现[16]。本研究中，不同间伐强度的土壤容重在1.41～1.64 g·cm−3之间，略高于骆宗诗[3]等在本区域的研究结论。从土壤孔隙度来看，除I（10～15%）外，其余两种间伐强度的土壤毛管孔隙度、总孔隙度均显著高于对照（P＜0.05），总孔隙度在40.50～48.31%之间，略高于骆宗诗[3]在该区域的研究结论，与黎燕琼[6]的研究结论相近。

间伐12 年后，与对照相比，林分的枯落物蓄积量增加，水文性能增强；土壤容重减小，毛管孔隙度、总孔隙度增大，最大吸持贮水量和饱和贮水量增大。说明改造效果比较明显。3 种间伐强度下的林分水文性能均优于对照样地，说明间伐对林地水文性能的提高具有积极作用。综合分析土壤层和枯落物层的水文效应，间伐强度为 20～35%，即保留株数为1 700 株·hm−2～2 100 株·hm−2的为适宜强度。