陳俊華, 牟皓, 謝天資, 別鵬飛, 慕長(zhǎng)龍

四川省林業(yè)科學(xué)研究院，森林與濕地生態(tài)恢復(fù)與保育四川重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610081

川中丘陵區(qū)的柏木（Cupressus funebris）人工林主要是上世紀(jì)八十年代長(zhǎng)江防護(hù)林工程中營(yíng)造的榿柏混交林演化而來(lái)[1]。當(dāng)前林分普遍樹(shù)種單一、密度過(guò)大，導(dǎo)致現(xiàn)今林下灌草蓋度較低、天然更新差、生產(chǎn)力低下，不能充分發(fā)揮森林的多種效益[2]，急需進(jìn)行林分改造。國(guó)內(nèi)研究采用的方法有撫育間伐[2-5]，帶狀皆伐+補(bǔ)闊[6-7]，開(kāi)窗補(bǔ)闊[8]等，均取得了較為理想的效果。針對(duì)改造后的林分水文效應(yīng)，黎燕瓊[6]研究了“帶狀皆伐+補(bǔ)闊”中不同帶寬與對(duì)照的對(duì)比，駱宗詩(shī)[3]分析了不同間伐強(qiáng)度林分土壤容重、總孔隙度和最大持水量以及枯落物有效持水量的差別。但對(duì)于不同間伐強(qiáng)度枯落物蓄積量、持水過(guò)程未見(jiàn)報(bào)道。開(kāi)展研究區(qū)柏木人工林分間伐試驗(yàn)，研究不同間伐強(qiáng)度林分的枯落物層、土壤層的持水性能，揭示其水文效應(yīng)特征，以期為該區(qū)域人工柏木林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)、低質(zhì)低效林分改造和質(zhì)量精準(zhǔn)提升提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省鹽亭縣云溪鎮(zhèn)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，屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫17.3 ℃，年均降水量826 mm。該區(qū)廣泛露出紫色泥頁(yè)巖和砂石巖地層，易風(fēng)化崩解破碎，成土過(guò)程快，土壤抗蝕力弱，土壤類型主要為紫色土?，F(xiàn)有森林類型幾乎為柏木人工純林，林下灌草種類簡(jiǎn)單，植被蓋度低[2]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

2.1.1 樣地設(shè)置

2007 年在該區(qū)域選擇立地條件基本一致，林齡35～40 年，郁閉度≥0.8，林下灌木蓋度≤20%，草本蓋度≤30%的人工柏木純林樣地20 個(gè)，每個(gè)樣地大小20 m×20 m。設(shè)置4 種強(qiáng)度，即I：10%～15%、II：16%～25%、III：26%～35%和對(duì)照CK。每種強(qiáng)度5 個(gè)樣地。間伐方法為生態(tài)疏伐，即伐掉影響目標(biāo)樹(shù)的競(jìng)爭(zhēng)木和過(guò)密林木。為保證林分因子的一致性，間伐前，對(duì)各樣地內(nèi)的喬木進(jìn)行每木檢尺，計(jì)算林分的平均樹(shù)高、平均胸徑、林分密度和蓄積量，經(jīng)F檢驗(yàn)表明上述各因子均無(wú)顯著差異。對(duì)每個(gè)樣地進(jìn)行間伐木選擇、作標(biāo)記、測(cè)量、采伐[2]。間伐后的樣地基本情況見(jiàn)表1。

2.1.2 樣地調(diào)查及指標(biāo)測(cè)定

2019 年（即間伐后12 年），對(duì)樣地進(jìn)行調(diào)查。在每個(gè)樣地內(nèi)，沿順坡方向“S”形設(shè)置取樣點(diǎn)?？萋湮镄罘e量采用“全體收獲法”，測(cè)定凋落物層厚度，稱重，取樣，帶回實(shí)驗(yàn)室將枝條、葉、果實(shí)分開(kāi)揀出，分別取樣稱重，烘干（65 ℃）至恒重后再稱重，以干物質(zhì)重推算1 hm2凋落物蓄積量。采用浸泡法測(cè)定枯落物持水性能，在水體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 后記錄濕重。計(jì)算自然含水率、最大持水量、最大持水率、最大攔蓄量、有效攔蓄量[9]等5 項(xiàng)指標(biāo)。同時(shí)在每個(gè)樣點(diǎn)上用容積為100 cm3環(huán)刀在土壤剖面取0～30 cm的原狀土，同時(shí)用鋁盒取土樣，測(cè)定土壤含水量。采用“環(huán)刀法”測(cè)定土壤的物理性質(zhì)，包括土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度、最大吸持貯水量、飽和貯水量等5 項(xiàng)反映土壤持水性能的指標(biāo)[10]。

表 1 間伐后樣地基本情況Tab. 1 General information of sampling plots after thinning

2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

運(yùn)用Microsoft Excel 2007 進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入、基本計(jì)算；在SPSS 20.0 里面進(jìn)行單因素方差分析（Oneway ANOVA）和多重比較（顯著水平P＜0.05），非線性擬合、作圖均使用OriginPro 2018?？萋湮锏淖匀缓?、最大持水量、最大持水率、最大攔蓄量、有效攔蓄量，土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度、最大吸持貯水量、飽和貯水量的計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[11]。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同間伐強(qiáng)度枯落物蓄積量和持水性能

3.1.1 枯落物蓄積量

不同間伐強(qiáng)度下枯落物蓄積量見(jiàn)圖1?？梢钥闯?，枝、葉、總枯落物量均遵從這樣的規(guī)律，即按枯落物量多少排列為III＞II＞I＞CK，而果實(shí)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?jī)H有0.19 t。間伐強(qiáng)度為I、II、III 的枝、葉、總枯落物蓄積量分別 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。

方差分析和多重比較（LSD）表明，不同間伐強(qiáng)度枝枯落物蓄積量，除I 與CK 差異不顯著外（P＞0.05），其余處理間均差異顯著（P＜0.05）；葉枯落物蓄積量中，間伐強(qiáng)度I 與對(duì)照差異不顯著（P＞0.05），間伐強(qiáng)度II 與III 差異不顯著（P＞0.05）。其余處理間差異顯著（P＜0.05）；果實(shí)枯落物蓄積量中，間伐強(qiáng)度I 與所有處理均表現(xiàn)為差異顯著（P＜0.05），間伐強(qiáng)度II 與III 和CK 差異均不顯著（P＞0.05），而間伐強(qiáng)度III 與CK 差異顯著（P＜0.05）；總枯落物蓄積量的規(guī)律與此類似。

3.1.2 枯落物持水性能

不同間伐強(qiáng)度枯落物層持水性能指標(biāo)見(jiàn)表2?？梢钥闯觯畲蟪炙释?，枯落物自然含水率、最大持水量、最大攔蓄量、有效攔蓄量按由大到小均表現(xiàn)為III＞II＞I＞CK。間伐強(qiáng)度III 的最大持水量為7.45±1.17 t·hm?2，有效攔蓄量為11.75±1.35 t·hm?2，分別約為CK 的3.73 倍和2.59 倍。方差分析和多重比較（LSD）表明，自然含水率除III 與其余強(qiáng)度差異顯著外（P＜0.05），其余處理間均差異不顯著（P＞0.05）。最大持水量、最大持水率、最大攔蓄量、有效攔蓄量的規(guī)律一致，即除In 與對(duì)照間差異不顯著外（P＞0.05），其余處理間差異顯著（P＜0.05）。

3.2 不同間伐強(qiáng)度枯落物層持水動(dòng)態(tài)過(guò)程

3.2.1 枯落物持水量動(dòng)態(tài)變化過(guò)程

不同處理枯落物層的持水量動(dòng)態(tài)變化過(guò)程見(jiàn)圖2。從圖2 可知，不同處理枯落物的持水量隨浸泡時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相似。在浸泡實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的前6 h 內(nèi)，持水量迅速增加，此時(shí)枯落物的持水量已經(jīng)達(dá)到最大水持水量的83.76%～91.25%。在浸泡10 h后，枯落物持水量緩慢增加，到14 h 時(shí)基本達(dá)到飽和。持水速度最快的是間伐強(qiáng)度III，其次是I，最慢的是CK。經(jīng)在OriginPro 2018 中進(jìn)行回歸分析，不同處理枯落物的動(dòng)態(tài)持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系滿足對(duì)數(shù)函數(shù)，表達(dá)式為：W=a?b×ln(t+c)。其中，W為枯落物實(shí)時(shí)持水量，t為浸泡時(shí)間（h），a和b均為常數(shù)參數(shù)。不同處理枯落物的持水量與浸泡時(shí)間的函數(shù)模型見(jiàn)表3。從擬合的相關(guān)系數(shù)R（R值均在0.95 以上）和F檢查值來(lái)看，效果非常理想。

表 2 不同間伐強(qiáng)度枯落物持水性能Tab. 2 Water holding capacity of the litter layer under different thinning intensities

3.2.2 枯落物持水量動(dòng)態(tài)變化過(guò)程

根據(jù)時(shí)間間隔的持水增量來(lái)計(jì)算不同間伐強(qiáng)度枯落物層單位時(shí)間的吸水速率。動(dòng)態(tài)趨勢(shì)如圖3 所示。浸泡開(kāi)始，枯落物迅速吸水。在前0.5 h 內(nèi)，吸水速率在1.81 t·hm?2·h?1～2.45 t·hm?2·h?1。由于枯落物成分和儲(chǔ)量的不同，不同間伐強(qiáng)度枯落物的吸水速率有差異，但變化趨勢(shì)基本一致。在浸泡開(kāi)始2 h 內(nèi)吸水速率較高，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，吸水速率逐漸降低，到12 h 后的吸水速率趨近于0。根據(jù)OriginPro 2018 擬合枯落物的吸水速率動(dòng)態(tài)過(guò)程，可以看出，基本呈冪函數(shù)曲線。其表示式為V=mtn。式中，V為枯落物吸水速率（t·hm?2·h?1），m和n為參數(shù)（常數(shù)）。不同處理枯落物的吸水速率與浸泡時(shí)間的函數(shù)模型見(jiàn)表4。從擬合的相關(guān)系數(shù)R（R值均在0.80 以上）和F檢查值來(lái)看，效果還是比較理想的。

圖 2 枯落物持水動(dòng)態(tài)過(guò)程Fig. 2 Dynamic process of water holding capacity of the litter layer

表 3 枯落物持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系Tab. 3 Relationship between water holding amount and soaking time of the litter layer

圖 3 枯落物吸水速率動(dòng)態(tài)過(guò)程Fig. 3 Dynamic process of water absorbing rate of the litter layer

3.3 不同間伐強(qiáng)度土壤容重

從不同間伐強(qiáng)度土壤容重的數(shù)值來(lái)看（見(jiàn)圖4），按由小到大排列為III（1.41 g·cm?3）＜II（1.43 g·cm?3）＜I（1.51 g·cm?3）＜CK（1.64 g·cm?3）。不同間伐的土壤容重均明顯低于對(duì)照（未間伐）。方差分析和多重比較（LSD）表明，不同間伐強(qiáng)度與對(duì)照間差異顯著（P＜0.05），但3 種間伐強(qiáng)度之間差異不顯著（P＞0.05）。

表 4 枯落物持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系Tab. 4 Relationship between water-holding amount and soaking time of the litter layer

3.4 不同間伐強(qiáng)度土壤孔隙度

土壤孔隙度是反映土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)，土壤中的水、養(yǎng)分、空氣都儲(chǔ)存在土壤的孔隙中，尤以毛管孔隙度最為重要。土壤中的有效水多儲(chǔ)存在毛管孔隙之中。毛管孔隙度越大，土壤中儲(chǔ)存的有效水含量就越高，這樣能為植物生長(zhǎng)提供更多的水分[9]。不同間伐強(qiáng)度的土壤毛管孔隙度以強(qiáng)度III 為最大（為35.30±2.60%），最小為CK（28.19±1.29%）（見(jiàn)圖5）。無(wú)論是毛管孔隙度和總孔隙度，按大小排列均為III＞II＞I＞CK。方差分析和多重比較（LSD）表明，強(qiáng)度為I 除與CK 差異不顯著外（P＞0.05），其余差異顯著（P＜0.05）。強(qiáng)度為III和II 的均與CK 和I 間差異顯著（P＜0.05），但二者之間差異不顯著（P＞0.05）。

圖 4 不同間伐強(qiáng)度土壤容重Fig. 4 Soil bulk density under different thinning intensities

圖 5 不同間伐強(qiáng)度土壤孔隙度Fig. 5 Soil porosity under different thinning intensities

3.5 不同間伐強(qiáng)度土壤貯水量

土壤的持水能力是反應(yīng)土壤水文性能和森林涵養(yǎng)水源能力的重要指標(biāo)[9]。土壤的持水能力越強(qiáng)說(shuō)明土壤中可以貯存更多的水分，截留降水，水土保持功能越強(qiáng)。不同處理0～30 cm 土壤的最大吸持水量最多的是間伐強(qiáng)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）（見(jiàn)圖6）。不同間伐強(qiáng)度的飽和貯水量均高于CK。間伐強(qiáng)度I、II 和III 土壤0～30 cm 飽和貯水量分別是CK 的1.09 倍、1.21 倍和1.27 倍。方差分析和多重比較（LSD）表明，最大吸持水量和飽和貯水量規(guī)律一致，即CK、強(qiáng)度為I 與II、III 的差異顯著（P＜0.05），I 與CK 間差異不顯著（P＞0.05），II與III 間差異不顯著（P＞0.05）。

圖 6 不同間伐強(qiáng)度土壤持水量（0～30 cm）Fig. 6 Soil water holding capacity under different thinning intensities

4 討論

作為森林生態(tài)系統(tǒng)中涵養(yǎng)水源的重要活動(dòng)層，土壤層和枯落物層起著防止土壤侵蝕、攔蓄地表徑流的作用[10]?？萋湮镄罘e量的多少直接影響其持水能力。枯落物蓄積量的多少又受樹(shù)種組成、林分結(jié)構(gòu)、林分生長(zhǎng)情況和枯落物分解難易的影響[12]。本研究中，以III（26%～35%）的枯落物蓄積量最多，是對(duì)照的2.38 倍。間伐后，增大了林木間的空隙，改善了光照，使得林下灌木、草本的蓋度增加；同時(shí)，一些喜陽(yáng)的先鋒闊葉樹(shù)種也會(huì)進(jìn)入，導(dǎo)致枯落物層變厚、蓄積量增加?？萋湮飳右揽科涫杷啥嗫缀捅砻娣e較大的特質(zhì)，首先是截留降水，然后將截留的降水向土壤下滲。本研究中，枯落物的最大持水量以III（26%～35%）最大，幾乎是對(duì)照的3.4 倍，最大攔蓄量為對(duì)照的2.29 倍。有專家研究認(rèn)為，枯落物的最大攔蓄量和最大持水量并不能代表枯落物在降雨時(shí)的實(shí)際攔蓄效果[13]。因此，一般用有效攔蓄率和有效攔蓄量來(lái)進(jìn)一步衡量枯落物的攔蓄效果[11]。本研究中，不同間伐強(qiáng)度的有效攔蓄量范圍為4.53～11.75 t·hm?2，是 枯 落 物 干物質(zhì)量的2.44～2.80 倍，這與駱宗詩(shī)等[3]的研究結(jié)論基本一致，略高于曾建軍等[14]、管惠文等[10]的研究結(jié)果。一般認(rèn)為，枯落物層持水量隨浸泡時(shí)間的變化遵循對(duì)數(shù)函數(shù)，吸水量隨浸泡時(shí)間的變化遵循冪函數(shù)[11-12,14-15]。針對(duì)枯落物層持水量隨浸泡時(shí)間的變化規(guī)律，大多數(shù)專家擬合的關(guān)系為W=a+b×ln(t)的形式。本研究略有不同，擬合結(jié)果為W=a?b×ln(t+c)形式，從R2（＞0.95）和F檢驗(yàn)值來(lái)看，擬合效果很好。吸水量隨浸泡時(shí)間的變化規(guī)律擬合結(jié)果與國(guó)內(nèi)專家的基本一致。從擬合的效果來(lái)看，除III（26～35%）的R2為0.8021 外，其余均大于0.89，尤其是對(duì)照（CK）的R2高達(dá)0.9876，擬合結(jié)果還是比較滿意的。

森林水文性能重要參數(shù)之一是土壤儲(chǔ)存水分的能力，通過(guò)土壤的物理性質(zhì)和持水力特性體現(xiàn)[16]。本研究中，不同間伐強(qiáng)度的土壤容重在1.41～1.64 g·cm?3之間，略高于駱宗詩(shī)[3]等在本區(qū)域的研究結(jié)論。從土壤孔隙度來(lái)看，除I（10～15%）外，其余兩種間伐強(qiáng)度的土壤毛管孔隙度、總孔隙度均顯著高于對(duì)照（P＜0.05），總孔隙度在40.50～48.31%之間，略高于駱宗詩(shī)[3]在該區(qū)域的研究結(jié)論，與黎燕瓊[6]的研究結(jié)論相近。

間伐12 年后，與對(duì)照相比，林分的枯落物蓄積量增加，水文性能增強(qiáng)；土壤容重減小，毛管孔隙度、總孔隙度增大，最大吸持貯水量和飽和貯水量增大。說(shuō)明改造效果比較明顯。3 種間伐強(qiáng)度下的林分水文性能均優(yōu)于對(duì)照樣地，說(shuō)明間伐對(duì)林地水文性能的提高具有積極作用。綜合分析土壤層和枯落物層的水文效應(yīng)，間伐強(qiáng)度為 20～35%，即保留株數(shù)為1 700 株·hm?2～2 100 株·hm?2的為適宜強(qiáng)度。