陳百靈 朱玉杰 董希斌 唐國華 毛波

(森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學)，哈爾濱，150040)

責任編輯:潘 華。

森林具有保護物種多樣性、水源涵養(yǎng)、改良土壤等多種生態(tài)功能［1］。森林植被通過林冠截留、樹干徑流、枯落物吸水、地表徑流對森林生態(tài)系統(tǒng)的水量及水中化學特征進行再次分配［2-4］?？萋湮飳幼鳛樯值囊粋€組成結(jié)構(gòu)，不僅對土壤肥力有著至關重要的影響，且由于其分層疏松的結(jié)構(gòu)及良好的吸水性可以在整個水循環(huán)過程中起到緩沖作用［5］?？萋湮锓纸夂螽a(chǎn)生的各種含氮含磷無機鹽溶于水后經(jīng)過電離形成離子，作為土壤肥力被植物的根系吸收。水質(zhì)的物理性質(zhì)如氧化還原電位、鹽分、導電性、總懸浮固體量、濁度等反映出肥力元素含量、枯落物的分解徹底性，還可以反映出枯落物分解速度的快慢。灰色關聯(lián)法在評價水質(zhì)方面有其特有的優(yōu)點。該方法以實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，計算各樣本中同類因素之間關聯(lián)度，用以描述其變化趨勢的相似程度［6-7］，實用性強。關聯(lián)度越大，該樣地評價結(jié)果較其他撫育強度越好。目前國內(nèi)外對水源涵養(yǎng)的關注日漸上升［8-10］。李超［11］等曾對大興安嶺林窗改造及帶狀改造的枯落物的水文效應進行過研究。蔣俊明［12］針對長寧竹海的竹林、杉木林及白櫟林進行了水文效應評價，并得出杉木林的蓄水保水能力最佳。但大多數(shù)文章僅針對人工林及次生林的枯落物的蓄水保水性能進行分析，對用材林撫育改造后地表水水質(zhì)的綜合評價還未見報道。據(jù)此，本文對大興安嶺用材林不同撫育強度下枯落物的持水能力及水質(zhì)進行評價。為以后大興安嶺的森林經(jīng)營及蓄水保水措施提出理論建議與參考。

1 試驗區(qū)概況

實驗林場位于大興安嶺新林林業(yè)局下屬的新林林場106、107、108、109 林班內(nèi)，地處東經(jīng)123°41'～125°25'，北緯51°20'～52°10'。該地區(qū)屬溫帶大陸性氣候，終年長期處于寒冷濕潤狀態(tài)，降水期較短，年降水量在513.9～646 mm，雨期主要集中在7、8月份。年均氣溫-2.6 ℃，年平均積溫接近于1 600 ℃;全年日照時間約為2 357 h，日照百分率為51%～56%。冬季寒冷且持續(xù)較長，春秋兩季日間溫差較大并伴有大風［13］。

2 研究方法

2.1 枯落物各層次蓄積量及持水性測定

選取7 個撫育強度樣地，分別為6.23%(B)、16.75%(C)、20.86%(D)、27.85%(E)、40.01%(F)、56.51%(G)、67.25%(H)，并在林分及立地條件相似的未撫育過的林地內(nèi)設置對照樣地(A)。根據(jù)撫育強度除去試驗樣地中生長較差林分及林下灌木層。于2014年6月平均無雨數(shù)日后同一天采集8 個樣地枯落物。為防止枯落物在某一地區(qū)富集，在各試驗樣地內(nèi)沿S 型選取4 個30 cm×30 cm 樣方，由于已分解層已完全分解無法清晰辨認故僅選取半分解層與未分解層枯落物，且取樣過程中盡量保證枯落物的結(jié)構(gòu)及形態(tài)不變，試驗后求4 組數(shù)據(jù)平均值。

取樣后，迅速測量枯落物的鮮質(zhì)量，隨后放入烘箱85 ℃溫度下烘烤24 h，達到恒質(zhì)量，稱其干質(zhì)量，并根據(jù)其干質(zhì)量換算出枯落物的蓄積量。本文利用室內(nèi)浸泡法測量其持水性。為防止枯落物散失將烘干后的枯落物裝入網(wǎng)袋浸入水中，分別測定0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、24.0 h 吸水之后的質(zhì)量，測量時，要讓枯落物在不再滴水的情況下稱其質(zhì)量。設枯落物鮮質(zhì)量m1，烘干后質(zhì)量m2，則其自然持水量為K0=m1-m2，自然持水率為K'0=((m1-m2)/m2)×100%試驗中發(fā)現(xiàn)浸泡24 h 以后的持水量不再發(fā)生變化，故以24 h 的持水量為最大持水量Km，24 h 的持水率為最大持水率K'm。設浸泡24 h 后不再滴水時的質(zhì)量為m3再由公式Km=m3-m2及K'm=((m3-m2)/m2)×100%求出其最大持水量及最大持水率。設枯落物蓄積量為M，則有效攔蓄量W=(0.85K'm-K'0)M。

2.2 徑流水質(zhì)測定

于2014年6月份同一天同一時間測定8 個樣地水質(zhì)狀況。在8 塊樣地中，選擇坡度、林分、立地條件相同的地點，利用PVC 隔板隔為200 cm×50 cm的徑流小區(qū)。在每個徑流小區(qū)上方設置出水箱，出水箱上方還應設置可提供恒定水位的供水水箱。為模擬地表徑流還應在出水槽下方設置一簸箕形狀出水槽，使水流均勻流入地表形成地表徑流。在徑流小區(qū)下方設置集水裝置以接收沖刷地面后的水樣。經(jīng)由SEBA 公司設計的MPS-D8 waterquality probes儀器對水樣進行測量，測得水質(zhì)的溫度、電導率、鹽分質(zhì)量濃度、pH 值、氧化還原電位、濁度及總懸浮固體質(zhì)量濃度?？萋湮锏蛄愀瘮〗?jīng)土壤中微生物分解為纖維素無機鹽等作為土壤肥力被植物根系吸收利用，由于各種鹽分溶于水后電解形成離子，具有帶電性，以電導率、鹽分質(zhì)量濃度、氧化還原電位反映營養(yǎng)元素含量;濁度及總懸浮固體質(zhì)量濃度可反映水中含沙量及枯落物分解程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 枯落物的持水特性

(1)通過計算得到表1數(shù)據(jù)，8 塊樣地未分解枯落物蓄積量由小到大順序為D(1.47 t/hm2)＜G(1.53 t/hm2)＜A(1.66 t/hm2)＜E(1.69 t/hm2)＜B(1.7 t/hm2)＜H(2.03 t/hm2)＜C(2.29 t/hm2)＜F(2.37 t/hm2)。半分解枯落物蓄積量由小到大順序為A(1.64 t/hm2)＜H(2.11 t/hm2)＜C(2.63 t/hm2)＜G(2.67 t/hm2)＜B(2.86 t/hm2)＜D(3.64 t/hm2)＜E(4.58 t/hm2)＜F(6.29 t/hm2)。兩者最大值均出現(xiàn)在撫育強度為40.01%時，枯落物的蓄積量最大，具有良好的水土保持作用。與對照樣地相比，大部分樣地蓄積量均有一定程度的升高，這是由于較差林分及林下灌木移除后，生長較好的林分有了更大的生存空間，促進了林木冠層生長，樹木冠幅增大，枯落物來源增多。由表中百分比值可以看出未分解層含量均小于半分解層蓄積量，且隨著撫育強度的增加，未分解層蓄積量呈現(xiàn)雙峰態(tài)勢，而半分解層蓄積量隨著撫育強度增大而增大在40.01%處達到最大，隨后隨撫育強度增大而減小。隨著撫育強度的增加，枯落物的分解速度逐漸加快，可以更好地為土壤提供肥力。但撫育強度超過40.01%時，不利于土壤養(yǎng)分的蓄積，同時降低了土壤微生物的生物量和酶活性，從而使枯落物的分解速率逐漸放慢。與未撫育樣地對比，枯落物蓄積量均有明顯增加，適當撫育采伐可以增加枯落物蓄積量，并為土壤提供充足肥力。

(2)最大持水量(率)為枯落物在24 h 浸泡后測得的質(zhì)量，通常認為枯落物在24 h 之內(nèi)吸水達到飽和，這一數(shù)值并不能說明枯落物的蓄水能力，僅代表該樣地具有的涵養(yǎng)水源潛力。而有效攔蓄量則實際的體現(xiàn)出枯落物的攔蓄能力。表中數(shù)據(jù)顯示經(jīng)撫育改造后枯落物的保水蓄水能力呈不規(guī)則變化。在撫育強度為27.90%時，枯落物的保水蓄水能力最佳，但并不能據(jù)此認為撫育強度為27.90%是最佳生態(tài)改造方式，還需進一步對水質(zhì)進行考察［14］。

表1 不同撫育強度下未分解及半分解枯落物攔蓄能力

3.2 水質(zhì)灰色關聯(lián)綜合評價

采用灰色關聯(lián)法對該地區(qū)的水質(zhì)進行評價，所選擇的指標有溫度、電導率、鹽分、pH 值、氧化還原電位、濁度及總懸浮固體等。其中溫度、pH 值為固定性指標，即該指標越趨近于一個固定值越好。由于化學反應、生物反應的發(fā)生條件都需要一個相對溫和的環(huán)境故溫度和pH 值達到一個固定值最佳。其中電導率、鹽分、氧化還原強度為效益指標。由于N、P、K 等元素作為肥力時通常都以離子形式存在，形成鹽溶于水作為肥力被植物根系吸收，并具有不同的氧化性和還原性。導電性、鹽分、氧化還原強度可以從側(cè)面反映出水中肥力狀況。濁度及總懸浮固體量為成本性指標，枯落物分解的越徹底水中可見性固體及不溶性固體越少，存在于枯落物中的無機元素被釋放的越多。

(1)確定決策矩陣。矩陣由縱向A、B、C、D、E、F、G、H 這8 塊樣地及橫向7 個指標的實測值組成的7×8 矩陣。矩陣橫向為水質(zhì)評價指標，順序為溫度、導電性、鹽分、pH 值、氧化還原電位、濁度及總懸浮固體含量。決策矩陣X 如下:

(2)初始化決策矩陣。由于7 個指標單位不同，在評價時具有不可公度性，故應通過初始化處理，以減小不同量綱及量綱單位對評價結(jié)果的影響。選出每一指標最佳值［15］，將該指標所有數(shù)據(jù)除以最佳值后形成新的決策矩陣。記X'為初始化后的決策矩陣，即滿足公式(1)。

其中，X'ij為進行初始化后的水質(zhì)評價決策矩陣，Xij為由原始值形成的決策矩陣，Xi0為由每一水質(zhì)指標最佳值形成的矩陣。由此得到不同撫育強度下大興安嶺地區(qū)水質(zhì)評價的決策矩陣X'。

(3)確定評價指標判斷矩陣。將每一指標最佳值形成的矩陣記為理想矩陣。由初始化后的決策矩陣得到判斷矩陣為:

將Xi0作為母序列用下列公式(2)即可計算出每一撫育強度下各水質(zhì)指標值與最佳撫育強度的灰色關聯(lián)度rij，其中λ 取0.5。

由公式2 得到大興安嶺地區(qū)8 塊樣地各水質(zhì)指標的灰色關聯(lián)系數(shù)rij，并構(gòu)成一個7×8 灰色關聯(lián)評價矩陣R。

(4)確定大興安嶺地區(qū)各水質(zhì)指標權重。為定量的表達出各指標對評價結(jié)果的影響，本文利用變異系數(shù)法求出大興安嶺地區(qū)各水質(zhì)指標的權重。變異系數(shù)法的優(yōu)點在于在均值的基礎上體現(xiàn)數(shù)據(jù)的離散程度，可以清晰明了的表達出各樣地不同指標對評價的影響程度及數(shù)據(jù)間的差異性，與灰色關聯(lián)度法具有良好的銜接性。利用公式(3)求出每項水質(zhì)指標的變異系數(shù)。

公式3 中，vi代表大興安嶺地區(qū)水質(zhì)評價中第i個指標的變異系數(shù)，代表大興安嶺水質(zhì)第i 個指標的標準差，X0i 代表水質(zhì)評價中第i 個指標的平均值。公式(3)中所用數(shù)據(jù)均為試驗測得的原始值。求出各指標變異系數(shù)后，經(jīng)由公式(4)求出大興安嶺地區(qū)水質(zhì)評價指標的權重。

代入數(shù)據(jù)后得到各指標權重，其中指標順序為溫度、電導率、鹽分、pH 值、氧化還原電位、濁度、總懸浮固體含量。權重矩陣如下:

由權重矩陣可知，濁度及總懸浮固體質(zhì)量濃度對水質(zhì)評價影響較大。其次為溫度。

(5)計算不同撫育強度改造下灰色關聯(lián)度。利用前兩步的灰色關聯(lián)判斷矩陣R 和權重矩陣W，根據(jù)公式(5)計算出8 個撫育強度下灰色關聯(lián)度，見表2。

表2 各撫育改造后灰色關聯(lián)度

經(jīng)計算后發(fā)現(xiàn)樣地F，即撫育強度為40.01%的樣地灰色關聯(lián)度最高，該撫育強度與理想撫育強度最接近，為最佳撫育強度。B、D、H 3 塊樣地低于對照樣地，撫育強度過大或者過小對林分生長均有不良影響。過低的撫育強度不利于加快林地的生態(tài)循環(huán)過程，減少了枯落物的凋零、無機元素肥力的釋放。與此同時，過高的撫育強度也不利于森林的生態(tài)循環(huán)，因為經(jīng)過大強度采伐后，森林的部分養(yǎng)分快速流失，導致森林水分、肥力的流失，使森林生態(tài)功能及自我調(diào)節(jié)能力失調(diào)，不利于森林可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論與討論

森林與水的關系是相互依存的，水作為森林生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)的主要組成部分，水質(zhì)等級對森林系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有舉足輕重的地位。許多專家學者對森林生態(tài)系統(tǒng)的水文效應評價做出了眾多貢獻。試驗研究表明未分解層與半分解層的吸水特性具有統(tǒng)一性。其統(tǒng)一性表現(xiàn)在吸水速率、吸水量趨勢基本一致，且在15 min 內(nèi)速度最快，隨后吸水速率慢慢減緩。這與韓友志［16］等研究結(jié)果一致，枯落物在開始的2 h 內(nèi)持水量增長較快且吸水速率開始最大隨后放緩。半分解層枯落物的蓄積量取值范圍在1.64～6.29 t/hm2，未分解層枯落物的蓄積量取值范圍為1.47～2.37 t/hm2，說明不同撫育強度下的半分解層枯落物的蓄積量比未分解層枯落物蓄積量大，由于經(jīng)過采伐撫育后林地的郁閉度減小，林冠下層接收到更多的陽光，且陽光的增加使下層植物的生長速率加快，增加了枯落物的蓄積量，溫度的升高也有利于枯落物分解速度的加快。枯落物具有緩沖雨滴力量、減少降雨對地面沖刷的作用［17］，本研究中撫育強度為40.01%，蓄積量達到最大，樣地枯落物保持水土能力最佳，這與尤海舟［18］研究認為弱度間伐及中度間伐樣地枯落物蓄積量高于對照樣地的結(jié)論一致。有效攔蓄量表明在森林生態(tài)循環(huán)過程中，枯落物對水的攔蓄、凈化能力。撫育強度為27.90%的樣地有效攔蓄量最大，保水蓄水效果最好。時忠杰［19］等通過對桉樹的間伐與皆伐模式研究結(jié)果顯示森林蓄水量有所上升。通過灰色關聯(lián)度法對大興安嶺地區(qū)水質(zhì)進行了評價，利用變異系數(shù)法求每項水質(zhì)指標在評價體系中的權重按大小排序為總懸浮固體含量、濁度、溫度、氧化還原電位、鹽分、電導率及pH。排位越靠后說明對評價結(jié)果影響越小，不同樣地pH 值差別較小，對撫育的影響較小。而總懸浮固體量權重最大，8 塊樣地中枯落物的分解程度不盡相同，影響土壤肥力。經(jīng)計算后得到8 塊樣地枯落物灰色關聯(lián)度排序為D(0.4288)＜B(0.4294)＜H(0.4612)＜A(0.5135)＜E(0.5613)＜C(0.6560)＜G(0.6938)＜F(0.9551)，撫育強度為40.01%的改造樣地水質(zhì)最佳。

綜合以上分析，撫育強度27.90%的樣地保水蓄水性能最佳，其灰色關聯(lián)度為0.561，水質(zhì)評價排在第4 位。而樣地F(40.01%)灰色關聯(lián)度最高，水質(zhì)評價最好，其保水蓄水性排在第五位，但其枯落物蓄積量最大，具有最好的水源涵養(yǎng)潛力。故撫育強度應介于20.9%～40.0%。水源涵養(yǎng)及水質(zhì)的綜合評價不僅與經(jīng)營模式有關，還與陽光、社會條件等密不可分，形成了目前的水質(zhì)及水源涵養(yǎng)功能的實現(xiàn)，這方面還有待研究［20］。

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