李紅振 李鳳日 賈煒瑋 王樹芳

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (大興安嶺松嶺林業(yè)局)

大興安嶺不同類型白樺落葉松混交林枯落物水源涵養(yǎng)功能1)

李紅振 李鳳日 賈煒瑋 王樹芳

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (大興安嶺松嶺林業(yè)局)

以大興安嶺地區(qū)呼中國家自然保護(hù)區(qū)針闊混交的原始林為研究對象，在不同樹種組成的林分中設(shè)置4塊40 m×40 m標(biāo)準(zhǔn)地，通過枯落物不同組分累積量以及持水量的測定、計算和分析，對落葉松林和白樺—落葉松混交林枯落物水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：各類型林分的枯落物干物質(zhì)累積量為17.46～22.48 t/hm2，枯落物最大持水量為60.30～81.48 t/hm2，兩者均在各林分間差異顯著，都隨著落葉松所占比例的減小而減小，由大到小順序為：10落、8落2白、6落4白、4落6白。不同樹種組成的林分枯落物對降雨的有效攔蓄量由高到低的順序是4落6白、6落4白、10落、8落2白，且與半分解有效攔蓄量相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.820。

白樺—落葉松混交林；枯落物；持水能力；水源涵養(yǎng)

森林枯落物也可稱為凋落物或有機(jī)碎屑，是指在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，由地上植物組分產(chǎn)生并歸還到地表面，作為分解者的物質(zhì)和能量來源，借以維持生態(tài)系統(tǒng)功能的所有有機(jī)質(zhì)的總稱[1]，包括林內(nèi)喬木和灌木的枯葉、枯枝、落皮及繁殖器官，以及林下枯死的草本植物及枯死植物的根[2-3]。森林枯落物層作為森林水文功能的第二作用，在截持降水、土壤濺蝕、降低徑流侵蝕力、減緩地表徑流速度、抑制土壤水分蒸發(fā)、增強(qiáng)土壤抗沖性等方面具有重要意義，在森林涵養(yǎng)水源中發(fā)揮著重大作用[4-7]。國內(nèi)外許多學(xué)者從不同區(qū)域，對不同森林類型下的枯落物水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行了研究。劉向東等[8]1989年測定了六盤山林區(qū)中主要森林類型的枯枝落葉層含水量、枯枝落葉層截流量以及枯枝落葉層截留過程進(jìn)行了研究。吳欽孝等[9]1992年通過對黃土丘陵區(qū)中齡山楊次生林凋落物及其分解過程，以及蓄積量隨時間變化的分析，研究了枯枝落葉層的持水和節(jié)流作用及其蓄水減沙效益。耿玉清等[10]采用室內(nèi)模擬法研究了11個樹種的不同新鮮枯落物層和半分解的枯落物層組合對地表徑流、截持降雨量和水分蒸發(fā)強(qiáng)度的影響。白順江等[11]、龔偉等[12]、高開通等[13]、周娟等[14]分別對霧靈山自然保護(hù)區(qū)、川南林區(qū)、北京九龍山自然保護(hù)區(qū)、大遼河流域不同林分類型枯落物累積量、枯落物自然含水量、枯落物最大持水量和枯落物的吸水速率進(jìn)行了研究。目前，我國對森林枯落物水源涵養(yǎng)的研究主要從不同林分類型[15]、不同密度[16]、不同林齡[17]、不同海拔[18]、不同坡度[19-20]等方面進(jìn)行研究，然而對于不同樹種組成的白樺落葉松混交林的研究較少。探索同一林分類型中的不同樹種組成與森林枯落物水源涵養(yǎng)功能之間的關(guān)系，對合理經(jīng)營森林資源、改善水環(huán)境、實現(xiàn)水資源的科學(xué)管理和利用有重要價值。

大興安嶺林區(qū)是我國的重要林區(qū)，其森林生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣關(guān)系到我國森林生態(tài)環(huán)境的好壞，而落葉松林和以落葉松、白樺為主要樹種的針闊混交林是大興安嶺地區(qū)的地帶性植被，是我國東北地區(qū)速生林和更新樹種，對大興安嶺地區(qū)森林水源涵養(yǎng)起到至關(guān)重要的作用，目前針對我國大興安嶺地區(qū)原始的落葉松林和落葉松白樺混交林不同樹種組成的枯落物水源涵養(yǎng)功能的相關(guān)研究較少。為了盡量選擇不受人為干擾的原始落葉松和落葉松白樺混交林，本研究以大興安嶺地區(qū)呼中自然保護(hù)區(qū)原始的落葉松林和落葉松白樺混交林中4種樹種組成的林分類型為例，對其枯落物水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析不同樹種組成條件下的森林枯枝枯葉枯落物層累積量和持水量的測定，進(jìn)而為大興安嶺地區(qū)落葉松林和落葉松白樺混交林的營造、經(jīng)營及其生態(tài)功能的研究提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

呼中國家自然保護(hù)是我國北部最大的寒溫帶原始森林自然保護(hù)區(qū)，區(qū)位于黑龍江省大興安嶺地區(qū)，地處大興安嶺主脈和伊勒呼里山所夾成的東北坡，地理位置為東經(jīng)122°42′～123°18′，北緯50°17′～51°56′。南北長約63 km，東西寬約32 km，總面積為16.7萬hm2，其中，有林地面積14.7萬hm2。地貌屬于中低山冰緣地貌，海拔高度800～1 200 m，屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，季節(jié)溫差大，平均氣溫在-3.8 ℃左右，最低氣溫達(dá)-47.4 ℃，最高氣溫達(dá)32.0 ℃，年平均降水量458.3 mm。保護(hù)區(qū)土壤類型主要是棕色針葉林土，此外還有沼澤土、草甸土、石質(zhì)土等。保護(hù)區(qū)植物資源豐富，共有植物種類58科248種，主要樹種以興安落葉松(Larixgmelini)為絕對優(yōu)勢，此外混有樟子松(Pinussylverstrisvar.mongolica)，白樺(BetulaplatyphyllaSuks)等；常見林下灌木樹種有：杜香(LedumpalustreL.)、興安杜鵑(RhododendrondauricumL.)、越橘(Vacoiniumvitis-idaeaL.)、東方草莓(Fragariaorientalis)、珍珠梅(Sorbariasorbifolia(L) A.Br)等；常見草本植物有：小葉樟(Deyeuxialangsdorffii(Link) Kunth)、苔草(Cyperaceae)、鹿蹄草(PyrolacallianthaH. Andr.)等。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置

2013年夏季，在呼中國家自然保護(hù)區(qū)選擇未受人為干擾的原始落葉松林和針闊混交林(落葉松白樺林)進(jìn)行調(diào)查。針對不同樹種組成的林分類型，在同一樣帶內(nèi)設(shè)置4塊40 m×40 m標(biāo)準(zhǔn)地，記錄標(biāo)準(zhǔn)地的坡度、坡向、海拔高度等內(nèi)容以及對林下主要植被進(jìn)行調(diào)查，并在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)進(jìn)行每木檢尺，測定單木胸徑和樹高。各樣地基本情況詳見表1。

表1 落葉松林和落葉松白樺混交林標(biāo)準(zhǔn)樣地因子

2.2 枯落物累積量和持水能力測定

將標(biāo)準(zhǔn)地平均分成4個20 m×20 m的子樣地，在每個子樣地中設(shè)置1個0.5 m×0.5 m的小樣方，用卷尺測量并記錄枯落物總厚度、未分解層厚度和半分解層厚度，按照枯枝、枯葉、半分解層分別收集樣方內(nèi)全部枯落物，分別稱其鮮質(zhì)量，然后取樣并稱其樣品鮮質(zhì)量，將樣品帶回實驗室烘干至恒質(zhì)量并記錄干質(zhì)量，進(jìn)而推算其單位面積累積量。然后采用室內(nèi)浸泡法，將烘干后的枯枝、枯葉和半分解層樣品裝入尼龍袋中至于水中24 h，取出將其控干(以無水滴滴下為標(biāo)準(zhǔn))后稱質(zhì)量，計算枯枝、枯葉和半分解層枯落物的最大持水量和最大持水率[21]。即：

枯落物最大持水率=((浸泡24 h后枯落物質(zhì)量-枯落物干質(zhì)量)/枯落物干質(zhì)量)×100%。

枯落物最大持水量=枯落物累積量×枯落物最大持水率。

2.3 枯落物層對降雨的攔蓄能力

枯落物層的最大攔蓄量取決于枯落物層的累積量和其自然持水能力及其最大持水能力。但是用最大攔蓄量來估算枯落物層對降雨的攔蓄能力則偏高，不符合它對降雨的實際攔枯落物對降雨的實際蓄能力，因為最大持水量的測定是將枯落物式樣浸水24 h后測量的結(jié)果。雷瑞德[22]認(rèn)為當(dāng)降雨量達(dá)到20～30 mm以后，不論那種植物類型枯落物層含水量高低，實際持水率約為最大持水率的85%左右。所以，一般用有效攔蓄量來估算枯落物對降雨的實際攔蓄能力，即：

最大攔蓄量=[最大持水率-自然持水率]×累積量。

有效攔蓄量=[85%×最大持水率-自然持水率]×累積量。

3 結(jié)果與分析

3.1 原始落葉松林和落葉松白樺混交林枯落物累積量

原始落葉松林和落葉松白樺混交林各枯落物層的累積量測定結(jié)果詳見表2。由表2可知，森林枯落物層累積量的變化范圍為17.46～22.48 t/hm2，各樹種組成之間存在顯著性差異(F=3.371，P=0.04<0.05)，落葉松林>落葉松白樺混交林，其變化規(guī)律是隨著落葉松占比例的減小而增大，由大到小順序為：10落、8落2白、6落4白、4落6白。不同樹種組成下枯枝枯落物、枯葉枯落物和半分解層的累積量占總累積量的比例不同，枯枝累積量的變化范圍為2.57～5.11t/hm2，累積量所占總累積量的比例為14.7%～22.7%，其變化規(guī)律是隨著落葉松占比例的減小而減小，由大到小順序為：10落、8落2白、6落4白、4落6白，各樹種組成之間存在顯著差異(F=6.948，P=0.01)；枯葉累積量的變化范圍為1.53～3.67t/hm2，累積量所占總量的比例為6.80%～21.02%，隨著落葉松所占比例的減小而增大，并有顯著差異(F=20.680，P=0<0.01)；半分解層累積量為11.22～15.84t/hm2，累積量所占總量的比例為64.26%～70.46%，隨著落葉松占比例的減小而減小，但是差異不顯著(F=2.137，P>0.05)。

表2 森林枯落物累積量

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同一列中帶有相同字母的數(shù)據(jù)差異不顯著(p>0．05)。

3.2 枯落物持水能力

枯落物持水能力大多用干物質(zhì)的最大持水量和最大持水率來表示。最大持水量的大小可反映水容量的大小，枯落物最大持水量越大，吸收和過濾地表徑流的作用越強(qiáng)，其水文作用越大，最大持水率反映了枯落物吸水率的大小[22]。不同林分枯落物層的最大持水量與林分類型、林齡、林下植被以及枯落物組成、厚度、累積量和分解程度有密切關(guān)系[23]。結(jié)果詳見表3。由表3可知，不同樹種組成的枯落物最大持水量有所不同(F=4.896，P=0.028<0.05)，枯落物最大持水量的變化范圍為60.30～81.48 t/hm2，落葉松林>落葉松白樺混交林，10落的枯落物持水量最大，其變化規(guī)律是隨著落葉松占比例的減小而減小。未分解層(枯枝和枯葉)隨著落葉松占比例的減小而增大；枯枝和枯葉最大持水量最大的都是6白4落，分別為7.80和12.07 t/hm2，最小的都是10落，分別為5.95和6.12 t/hm2；半分解層最大持水量最大的是10落，最小的是6白4落，分別為69.41和40.43 t/hm2，半分解層持水量的變化規(guī)律是隨著落葉松占比例的減小而減小。不同樹種組成林分的枯落物中枯枝最大持水率變化范圍為120.76%～304.00%，最大和最小的分別是6白4落和10落?？萑~和半分解層最大持水率變化規(guī)律相同，均表現(xiàn)為由大到小順序：10落、8落2白、6落4白、4落6白，枯葉和半分解層最大持水率最大的都是10落，分別是396.86%和442.37%，最小的都是6落4白，分別是294.79%和348.26%。

表3 森林枯落物持水能力

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同一列中帶有相同字母的數(shù)據(jù)差異不顯著(P>0．05)。

測定結(jié)果顯示落葉松林的枯落物累積量和水源涵養(yǎng)能力都大于落葉松白樺混交林，而且隨著落葉松占比例的減少而減少，說明落葉松林枯落物與落葉松白樺混交林相比，分解速率較慢。但是不同的林下植被也會對水源涵養(yǎng)造成很大的影響，結(jié)果中顯示6落4白的枯葉與半分解最大持水率為最小，由于其他林分林下植被主要是杜香、越橘，越橘覆蓋度都能達(dá)到80%以上，而6落4白林地中杜香覆蓋度達(dá)到30%，林下植被相較于其他林分較少，林下植被也能影響枯落物的分解程度，導(dǎo)致6落4白的枯葉與半分解最大持水率低于其他林型。同一樹種組成的林分的半分解層、枯葉和枯枝的水源涵養(yǎng)能力都呈現(xiàn)為半分解>枯葉>枯枝，這可能與各個層次的分解程度、累積量和厚度有關(guān)。

3.3 枯落物層對降雨的攔蓄能力

枯落物層自然含水率、最大攔蓄量、有效攔蓄量計算結(jié)果見表4。

表4 枯落物層對降雨的攔蓄能力

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同一列中帶有相同字母的數(shù)據(jù)差異不顯著(P>0．05)。

從表4種可看出，枯落物對降雨的有效攔蓄量最大的是6落4白，最低的是8落2白，分別為22.75和11.82 t/hm2，枯枝、枯葉的最大攔蓄量和有效攔蓄量規(guī)律相同，都是隨著落葉松占比例的減小而增大；枯枝最大攔蓄量和有效攔蓄量由高到低分別為1.80、3.50、4.24、5.90和1.33、2.65、3.30、4.73 t/hm2；枯葉最大攔蓄量和有效攔蓄量由高到低分別為2.65、2.83、6.20、8.03和1.63、1.73、4.60、6.22 t/hm2。半分解有效攔蓄量變化規(guī)律與枯落物總的有效攔蓄量變化規(guī)律相同，最大的是6白4落，最小的是8落2白，分別是11.80和11.16 t/hm2。通過相關(guān)性分析，得出枯落物對降雨的總有效攔蓄能力與半分解有效攔蓄能能力相關(guān)性最高，達(dá)到0.820。

4 討論

4.1 枯落物的累積量

枯落物累積量主要取決于枯落物的輸入量、分解速度、本身的厚度及性質(zhì)，森林的樹種組成、密度、年齡、混交度的不同都會對森林枯落物有較大的影響[24]。大興安嶺地區(qū)呼中自然保護(hù)區(qū)原始林4種不同樹種組成林分類型枯落物累積量排序為10落(22.48 t/hm2)>8落2白(20.03 t/hm2)>6落4白(19.79 t/hm2)>4落6白(17.46 t/hm2)。說明10落分解速度較慢，落葉松與白樺枯落物混合能加快枯落物的分解，不同樹種組成的林分類型枯落物的分解作用不一致。而根據(jù)陳波等[25]對冀北山地4個海拔梯度的華北落葉松人工林枯落物層的水文效應(yīng)的研究，枯落物總累積量在8.19～39.49 t/hm2，而本研究中不同樹種組成的落葉松林和落葉松白樺混交林的枯落物累積量的分布范圍是17.46～22.48 t/hm2，其分布范圍與陳波等人的研究是大致相符的。

4.2 枯落物持水能力

不同林分類型枯落物層的最大持水量與樹種組成、林齡、林下植被以及枯落物組成、厚度、累積量和分解程度有密切關(guān)系。4種不同樹種組成林分類型枯落物最大持水量排序為10落(81.48 t/hm2)>8落2白(71.81 t/hm2)>6落4白(62.19 t/hm2)>4落6白(60.30 t/hm2)。測定結(jié)果顯示落葉松林枯落物最大持水能力大于落葉松白樺混交林，而且隨著落葉松所占比例的減少而減少。但是不同的林下植被也會對水源涵養(yǎng)造成很大的影響，結(jié)果中顯示6落4白的枯葉與半分解最大持水率為最小，由于其他林分林下植被主要是杜香、越橘，越橘覆蓋度都能達(dá)到80%以上，而6落4白林地中杜香覆蓋度達(dá)到30%，林下植被相較于其他林分較少，林下植被也與枯落物的分解程度有關(guān)，導(dǎo)致6落4白的枯葉與半分解最大持水率低于其他林型。喬玉[31]對遼東山區(qū)不同林型枯落物持水能力進(jìn)行分析，其10落的持水能力為61.79 t/hm2，而本研究的落葉松純林(10落)的持水能力為81.48 t/hm2，本研究的落葉松持水能力明顯高于喬玉的研究結(jié)果，原因可能是本研究所在地為自然保護(hù)區(qū)，其生態(tài)環(huán)境比較好。因為好的生態(tài)環(huán)境必然有比較強(qiáng)的持水能力。

基于對大興安嶺呼中自然保護(hù)區(qū)枯落物水源涵養(yǎng)功能的研究，限于研究條件、研究時間和研究地區(qū)氣候等因素，諸多研究工作有待進(jìn)一步深入。由于呼中國家自然保護(hù)是我國北部最大的寒溫帶原始森林自然保護(hù)區(qū)，本文沒有涉及白樺純林樣地，而且設(shè)置的枯落物子樣方較少；對于大興安嶺森林水源涵養(yǎng)功能研究影響因素很多，樹種組成、年齡、林下植被，甚至包括地衣苔蘚，但是由于條件的限制，本文沒有對地衣苔蘚等諸多因素進(jìn)行研究，造成了數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

大興安嶺地區(qū)呼中國家自然保護(hù)區(qū)原始林中不同樹種組成的林分類型枯落物累積量差異顯著，表現(xiàn)為落葉松林>落葉松白樺混交林，即10落(22.48 t/hm2)>8落2白(20.03 t/hm2)>6落4白(19.79 t/hm2)>4落6白(17.46 t/hm2)，枯枝累積量的變化范圍為2.57～5.11 t/hm2，枯葉累積量的變化范圍為1.53～3.67 t/hm2，半分解層累積量為11.22～15.84 t/hm2。

不同樹種組成的林分類型枯落物最大持水量之間的差異性比較顯著。枯落物最大持水量的變化范圍為60.30～81.48t/hm2，表現(xiàn)為落葉松林大于落葉松白樺混交林，即由大到小順序10落、8落2白、6落4白、4落6白。同時，同一林分類型的半分解層、枯葉和枯枝的水源涵養(yǎng)能力都呈現(xiàn)為半分解層>枯葉層>枯枝層。

枯落物的有效攔蓄量最大的是是6落4白(22.75 t/hm2)，最低的是8落2白(11.82 t/hm2)，枯落物對降雨的總有效攔蓄能力與半分解有效攔蓄能能力相關(guān)性最高。

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Water Conservation of Litterfall in Different Mixed Forest Types of White Birch and Larch in Daxing’an Mountain/

Li Hongzhen, Li Fengri, Jia Weiwei(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China); Wang Shufang(Songling Forestry Bureau of Daxing’an Mountain)//

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(6).-43～46，52

With the data of four 40 m×40 m sample plots from primary larch forest and conifer-hardwood mixed forest in the Huzhong National Nature Reserve in Daxing’an mountain, we studied the water conservation of the litterfall in larch forest, and white birch (Betulaplatyphylla) and Larch (Larixgmelini) mixed forest with different tree composition. We measured the accumulation and water holding capacity for different litterfall component for each plot. The accumulation and water holding capacity of forest litter of different forest type are 17.46 t/hm2-22.48 t/hm2and 60.30 t/hm2-81.48 t/hm2, respectively. They both have significant difference among different forest types and both decrease with the reduction of larch ratio, i.e., 10 Larch>8 Larch 2 White birch>6 Larch 4 white birch>4 Larch 6 White birch. The sequence of the effective to the rainfall of the different forest litterfall in the various tree compositions is 4 Larch 6 White birch>6 Larch 4 white birch>10 Larch>8 Larch 2 White birch. There is the highest correlation between the effective interception of the semi-decomposed and the rainfall with the correlation coefficient of 0.820.

White birch and larch mixed forest; Litterfall; Water holding capacity; Water conservation

1) “十二五”國家科技支撐計劃課題(2012BAD22B02)資助。

李紅振，男，1987年11月生，東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，碩士研究生。

李鳳日，東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，教授。 E-mail:fengrili@126.com。

2013年12月6日。

S758.1

責(zé)任編輯：潘 華。