唐國華 董希斌 毛波 張?zhí)?馬曉波 曲杭峰

(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)

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大興安嶺山楊低質林改造對枯落物持水性能的影響1)

唐國華 董希斌 毛波 張?zhí)?馬曉波 曲杭峰

(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)

以大興安嶺山楊低質林帶狀改造后枯落物持水性能為研究對象，應用主成分分析法建立不同模式改造后山楊低質林枯落物持水性能的綜合評價指標體系，對各個樣地改造后的持水性能進行綜合分析。結果表明：不同樣地的枯落物持水量、吸水速率與浸泡時間之間分別滿足對數(shù)關系和乘冪關系。不同改造模式下，枯落物持水性能綜合得分從大到小依次為 S2、S5、S6、S7、對照樣地、S8、S3、S1、S9、S4，其中S2樣地的綜合得分最高，表明10 m改造帶中20 m保留帶的改造模式下枯落物持水性能最佳。

山楊低質林；低質林改造；帶狀改造；枯落物持水性；大興安嶺

We studied the water-holding performance changes of the litters in aPopulusdavidianalow-quality forest after 3S bandwidth alteration in Daxing’an Mountains, and analyzed all the indexes of litter water-holding performance and the water-holding process. The principal component analysis was applied to establish a comprehensive evaluation index system for litter water-holding performance in theP.davidianalow-quality forest after different alteration modes, and comprehensive evaluation of the alteration effects of the sample plots was conducted. The litter water-holding capacity and absorption rate in different sample plots showed logarithmic relationship and exponentiation relationship, respectively, with the soaking time of litters. The descending order of the comprehensive performance in different alteration modes was S2, S5, S6, S7, CK, S8, S3, S1, S9, and S4. The score of the sample plot S2was the highest, which indicated that the alteration mode of 10-m bandwidth with 20-m reserve belt had the best litter water-holding performance.

森林枯落物既能有效攔截林地降水，又能避免太陽直射土壤，并且改善土壤，使土壤溫度不至于過分降低或者升高，保護林分環(huán)境，在水源涵養(yǎng)、水土保持等方面發(fā)揮重要作用[1-8]?？萋湮锏慕M成成分和分解狀況，直接反映林地生存環(huán)境和森林微氣候的健康程度[9-10]；蓄積量的多少，由林分組成、林分生長狀況、收集時間等多個因素決定[11]?？萋湮锿ㄟ^對林地降水的截留作用，反映其水土保持性能的強弱[12-13]。不同模式改造后，枯落物的數(shù)量和形態(tài)發(fā)生變化，導致持水性能的改變。自然持水率和最大持水量，是反映枯落物持水能力的重要指標[14]。目前，許多研究者主要從不同林型的角度對枯落物持水性能進行研究[15-17]，而對不同模式改造后枯落物持水過程以及持水效果的綜合評價研究較少。本文以大興安嶺山楊低質林為研究對象，探討在帶狀模式改造后枯落物的持水性能；同時分析枯落物的持水過程，求出擬合方程，利用主成分分析法建立不同模式改造后山楊低質林枯落物持水效果的綜合評價指標體系，并進行綜合評價，得出最佳枯落物持水性能的改造模式；以便為大興安嶺山楊低質林的改造提供參考。

1 試驗區(qū)自然概況

在加格達奇林業(yè)局躍進施業(yè)區(qū)193林班內(nèi)，加臥公路18.5 km南側設立試驗區(qū)。該地區(qū)位于黑龍江省大興安嶺(124°22′47.8″～124°24′35.2″E，50°34′9.15″～50°34′32″N)山脈的東南坡，海拔高度370～420 m。山楊低質林試驗區(qū)土壤類型主要是暗棕壤，土壤厚度介于10～20 cm；試驗區(qū)內(nèi)平均坡度8°，地勢較為平緩，為大興安嶺山楊低質林創(chuàng)造了較好的立地條件。冬季寒冷干燥，年均氣溫-1.4 ℃，該試驗區(qū)屬于溫寒帶大陸性季風氣候，冬季持續(xù)時間較長，夏季的時間較短；年均降水量470 mm左右，降水多集中于夏季的6—8月份。該區(qū)域的低質林主要有山楊林(PopulusdavidianaDode)、少量蒙古櫟林(Xylosmaracemosuz)和白樺萌生(BetulaplatyphyllaSuk)，下層植被灌木主要有榛子(Coryluschinensis)、胡枝子(Lespedezabicolor)等，蓋度為15%；草本以鈴蘭(Convallariamajalis)、水莎草(Juncellusserotinus)等為主，蓋度達30%；林分郁閉度為0.4。

2 研究方法

2.1 樣地設置

2013年春季對山楊低質林實驗區(qū)進行帶狀改造(見圖1)[18]。改造帶寬為10(S1、S2、S3)、20(S4、S5、S6)、30 m(S7、S8、S9)，改造帶長為400 m。在改造帶內(nèi)，依據(jù)伐闊保針原則，對非目的闊葉樹種進行伐除、對無生長前景的樹木進行伐除、對密度較大的林分進行伐除。每條改造帶分成長度為100 m的4段樣地，分別栽植西伯利亞紅松(Pinussibirica)、樟子松(Pinussylvestris)、興安落葉松(Larixgmelinii)和紅皮云杉(PiceakoraiensisNakai)，栽植苗木時距離相鄰保留林帶1 m，行距為2.0 m×1.5 m，保留帶帶寬是對應改造帶帶寬的1倍、2倍、3倍，分別為10(P1)、20(P2)、30 m(P3)，20(P4)、40(P5)、60 m(P6)，30(P7)、60(P8)、90 m(P9)。山楊低質林經(jīng)不同帶寬改造完成后，對其進行基本的管理和維護，即每年對生態(tài)改造后的試驗區(qū)低質林進行科學合理的撫育，改造當年以擴穴、扶正、培土、踏實和除草為主要的撫育工作，以后每年采取的撫育措施有：伐去競爭植物、割除灌木雜草、松土等。

S1～S9為改造帶；P1～P9為保留帶；A、B、C、D為改造帶長4個均等分段，長均為100 m，A段栽植西伯利亞紅松、B段栽植樟子松、C段栽植興安落葉松、D段栽植紅皮云杉。

圖1 帶狀樣地設置

2.2 枯落物采集與測定

測定枯落物指標，采用樣方調(diào)查法、烘干法、浸泡法。在順山帶狀改造試驗區(qū)采用隨機取樣法進行取樣，每條改造帶的4個區(qū)塊設置分3個樣點，共12個樣點。在各個樣地選取30 cm×30 cm樣方，收集枯落物的未分解層和半分解層?？萋湮镄罘e量的測定采用烘干法；枯落物的最大持水量、有效攔蓄量、吸水速率采用室內(nèi)浸泡法，浸泡時間為0.25、0.50、1.00、2.00、4.00、8.00、24.00 h。

2.3 枯落物持水性能綜合評價方法

以大興安嶺山楊低質林帶狀改造初期樣地的枯落物為研究對象，利用Excel 2010軟件對枯落物持水性能的各個指標進行均值和標準差分析，利用主成分分析法建立不同模式改造后山楊低質林枯落物持水效果的綜合評價指標體系，利用SPSS 19.0進行相關分析，同時進行綜合評價，篩選出山楊低質林枯落物持水性能最佳的改造模式。

3 結果與分析

3.1 改造模式對枯落物蓄積量的影響

由見表1可見：S1、S4、S8、S9樣地，未分解枯落物蓄積量低于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性顯著(P<0.05)；S2、S3、S6、S7樣地，未分解枯落物蓄積量高于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性顯著(P<0.05)；S6樣地，未分解枯落物蓄積量(5.24 t·hm-2)最高，優(yōu)于對照樣地(0.78 t·hm-2)。S1、S4、S9樣地，半分解枯落物蓄積量低于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性顯著(P<0.05)；S2、S3、S5、S6樣地，半分解枯落物蓄積量高于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性顯著(P<0.05)；S2樣地，半分解枯落物蓄積量(6.61 t·hm-2)最高，優(yōu)于對照樣地(0.34 t·hm-2)。S1、S4、S9樣地，枯落物總蓄積量低于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性顯著(P<0.05)；S2、S3、S5、S6、S7樣地，枯落物總蓄積量高于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性顯著(P<0.05)；S2樣地，枯落物總蓄積量(11.69 t·hm-2)最高。S1～S9樣地，未分解層蓄積量占總蓄積量的比例，分別為36.64%、43.46%、44.56%、38.60%、45.97%、48.12%、48.18%、43.50%、48.81%；半分解層蓄積量占總蓄積量的比例，分別為63.36%、56.54%、55.44%、61.40%、54.03%、51.88%、51.82%、56.50%、51.19%。經(jīng)比較分析得出，通過帶狀改造后，每條改造帶枯落物蓄積量所占比例，半分解層均高于未分解層。

表1 各樣地枯落物蓄積量

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”；同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

3.2 改造模式對枯落物持水率的影響

由見表2可見：S3、S6、S9樣地，未分解枯落物自然持水率低于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性不顯著(P≥0.05)；S1、S2、S5、S7樣地，未分解枯落物自然持水率高于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性顯著(P<0.05)。改造后，各個樣地的未分解枯落物自然持水率變異系數(shù)總體變化不大；S2樣地，未分解枯落物自然持水率的變異系數(shù)(12.45%)最大；S5樣地，未分解枯落物自然持水率的變異系數(shù)(10.67%)最小；改造樣地未分解枯落物自然持水率的變異系數(shù)，均大于對照樣地的變異系數(shù)(10.29%)。S7樣地，未分解枯落物自然持水率(19.53%)最高。S3樣地，半分解枯落物自然持水率低于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性顯著(P<0.05)；其余改造樣地，半分解枯落物自然持水率高于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性顯著(P<0.05)。S7樣地，半分解枯落物自然持水率的變異系數(shù)(12.53%)最大；改造樣地半分解枯落物自然持水率的變異系數(shù)，均小于對照樣地的變異系數(shù)(16.77%)。S1樣地半分解枯落物自然持水率(58.87%)最高。

表2 各樣地枯落物自然持水率

注：表中“枯落物自然持水率”數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”；同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

由見表3可見：S3、S4樣地，未分解枯落物最大持水率低于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性顯著(P<0.05)；S1、S5、S9樣地，未分解枯落物最大持水率高于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性不顯著(P≥0.05)。改造后，各個樣地的未分解枯落物最大持水率變異系數(shù)，總體變化較小。S9樣地，未分解枯落物最大持水率(612.15%)最高。S4樣地，半分解枯落物最大持水率低于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性顯著(P<0.05)；S5、S6、S9樣地，未分解枯落物最大持水率高于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性顯著(P<0.05)。改造后，各個樣地的半分解枯落物最大持水率變異系數(shù)，出現(xiàn)從中變異到弱變異轉變的過程。S9樣地，未分解枯落物最大持水率(612.15%)最高；S5樣地，半分解枯落物最大持水率(684.69%)最高。

表3 各樣地枯落物最大持水率

注：表中“枯落物最大持水率”數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”；同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

3.3 改造模式對枯落物大持水量及有效攔蓄量的影響

由見表4可見：S1、S4、S9樣地，未分解枯落物最大持水量低于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性顯著(P<0.05)；S2、S5、S6、S7樣地，未分解枯落物最大持水量高于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性不顯著(P≥0.05)；S6樣地，未分解枯落物最大持水量(25.97 t·hm-2)最高。S1、S4、S9樣地，半分解枯落物最大持水量低于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性顯著(P<0.05)；S2、S5、S6樣地，半分解枯落物最大持水量高于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性顯著(P<0.05)；S2樣地，半分解枯落物最大持水量(34.45 t·hm-2)最高。S1、S4、S9樣地，枯落物總最大持水量低于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性顯著(P<0.05)；S2樣地，枯落物總最大持水量(60.19 t·hm-2)最高。S1～S9樣地，未分解層最大持水量占總最大持水量的比例，分別為36.51%、42.76%、43.58%、37.36%、42.33%、44.39%、47.13%、42.88%、46.95%；半分解層最大持水量占總最大持水量的比例，分別為63.49%、57.24%、56.42%、62.64%、57.67%、55.61%、52.87%、57.12%、53.05%。帶狀改造后，每條改造帶枯落物最大持水量所占比例，半分解層均高于未分解層。

表4 各樣地枯落物最大持水量

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”；同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

由見表5可見：S1、S4、S9樣地，未分解枯落物有效攔蓄量低于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性顯著(P<0.05)；S5、S6樣地，未分解枯落物有效攔蓄量高于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性不顯著(P≥0.05)；S6樣地，未分解枯落物有效攔蓄量(21.46 t·hm-2)最高，優(yōu)于對照樣地2.01 t·hm-2。S4、S9樣地，半分解枯落物有效攔蓄量低于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性顯著(P<0.05)；S2樣地，半分解枯落物有效攔蓄量(26.23 t·hm-2)最高。S1、S4、S9樣地，枯落物總有效攔蓄量低于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性顯著(P<0.05)；S2、S5、S6樣地，枯落物總有效攔蓄量高于對照樣地，經(jīng)方差分析，差異性顯著(P<0.05)；S2樣地，枯落物總有效攔蓄量(47.31 t·hm-2)最高。S1～S9樣地，未分解層有效攔蓄量占總有效攔蓄量的比例，分別為38.49%、44.56%、45.40%、39.81%、43.72%、46.46%、49.12%、44.65%、48.71%；半分解層有效攔蓄量占總有效攔蓄量的比例，分別為61.51%、55.44%、54.60%、60.19%、56.28%、53.54%、50.88%、55.35%、51.29%。帶狀改造后，每條改造帶枯落物有效攔蓄量所占比例，半分解層均高于未分解層。

3.4 不同改造模式的枯落物持水過程

在山楊低質林帶狀改造模式中，不同改造模式收集的林下枯落物吸水性能不同，但吸水過程基本相似，即前期浸水階段、快速吸水階段、緩慢吸收階段、飽和階段，整個過程大約持續(xù)24 h。

3.4.1 不同改造模式枯落物持水量與浸泡時間的關系

對山楊低質林采取帶狀模式改造后，各改造樣地枯落物未分解層和半分解層的持水量不同，分析其與浸泡時間的關系，對枯落物持水量與浸泡時間進行擬合，得出擬合方程為：W=mln(t)+n，其中W為枯落物的持水量、t為浸泡時間、m和n為參考系數(shù)。對大興安嶺山楊低質林帶狀改造后，枯落物持水量按照擬合方程擬合效果較好，R2≥0.775(見表6)。

表5 各樣地枯落物有效攔蓄量

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”；同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

表6 枯落物持水量與浸泡時間的關系方程式

3.4.2 不同改造模式枯落物吸水速率與浸泡時間的關系

對山楊低質林采取帶狀模式改造后，各改造樣地枯落物未分解層和半分解層的吸水速率不同，分析其與浸泡時間的關系，得出吸水速率與浸泡時間的關系擬合方程為：v=atn，其中v為枯落物吸水速率、t為浸泡時間、n為指數(shù)，a為參考系數(shù)。對大興安嶺山楊低質林帶狀改造后，枯落物持水量按照擬合方程擬合效果較好，R2≥0.995 6(見表7)。

表7 枯落物吸水速率與浸泡時間的關系方程式

3.5 不同改造模式枯落物持水性能的綜合評價

利用SPSS 19.0分析軟件，將大興安嶺山楊低質林改造后的各個指標標準化的數(shù)據(jù)(表8)進行主成分分析(見表9)。由表9可見：到第3個主成分時，累計貢獻率達到93.103%>85%，滿足要求。因此，選取前3個主成分進行分析，即可滿足描述大興安嶺山楊低質林帶狀生態(tài)改造后枯落物的持水性能。利用SPSS 19.0軟件分析大興安嶺山楊低質林經(jīng)過不同模式改造后，枯落物持水性能的前3個主成分的因子載荷(見表10)。

表8 不同改造模式各指標標準化處理

表9 不同改造模式各指標總方差分析

由表10可見：第1主成分，在總最大持水量、總有效攔蓄量、半分解有效攔蓄量、半分解最大持水量、未分解最大持水量指標上有較大載荷；第2主成分，在未分解最大持水率、半分解最大持水率、半分解自然持水率、未分解自然持水率、未分解最大持水量指標上有較大載荷；第3主成分，在未分解自然持水率、半分解自然持水率、半分解蓄積量、半分解最大持水量、總蓄積量指標上有較大載荷。先計算出各改造模式選取的3主成分的因子得分，然后確定每個主成分的權重(依次為0.701、0.202、0.097)，最后計算出各個改造樣地改造效果的綜合評價(見表11)。

表10 不同改造模式各指標因子載荷

表11 不同改造模式改造效果綜合評價結果

由表11綜合評價結果可得：各個樣地改造后，枯落物持水性能的綜合得分從高到低依次為S2、S5、S6、S7、對照樣地、S8、S3、S1、S9、S4。其中S2樣地綜合得分最高，說明10 m改造帶中20 m保留帶的改造模式下枯落物持水性能最佳。

4 結論與討論

對大興安嶺山楊低質林帶狀模式改造后各個樣地枯落物持水性能的各項指標進行分析，結果表明：每條改造帶枯落物蓄積量、最大持水量、有效攔蓄量所占比例，半分解層均大于未分解層；每條改造帶未分解層和半分解層枯落物的自然持水率和最大持水率，沒有顯著的大小關系。通過對山楊低質林帶狀改造后，由于地上暴露出來的面積變大和光照強度變強，直接影響未分解層枯落物的分解速度，并使分解速度加快，與之相關的半分解層枯落物數(shù)量增加。研究表明，枯落物的持水量和有效攔蓄量與枯落物蓄積量呈現(xiàn)正相關，枯落物持水量和有效攔蓄量隨著枯落物蓄積量的增加而增加，這與李超研究的結果相似[19]。

對不同改造樣地的枯落物持水量與浸泡時間的關系進行分析，得出對數(shù)曲線：W=mln(t)+n，這與宋啟亮得出的持水量與浸泡時間之間的變化規(guī)律一致[20]。不同改造模式下枯落物的吸水性能不同，但吸水過程基本相似，即前期浸水階段、快速吸水階段、緩慢吸收階段、飽和階段，整個過程大約持續(xù)24 h。在進行帶狀模式改造后，不同樣地的枯落物持水量隨浸泡時間的變化趨勢基本一致。對吸水速率與浸泡時間的關系進行分析，得到乘冪曲線：v=atn，這與王士永等[21]得出的吸水速率與浸泡時間的變化規(guī)律一致。各個改造樣地枯落物的吸水速率，隨著浸泡時間的推移呈現(xiàn)相似的變化過程，即快速下降、緩慢下降、趨于飽和、完全飽和，整個過程大約持續(xù)24 h。在進行帶狀模式改造后，不同樣地的枯落物吸水速率隨浸泡時間的變化趨勢基本一致。

對大興安嶺山楊低質林帶狀改造，不同樣地的枯落物持水性能綜合得分，從大到小依次為S2、S5、S6、S7、對照樣地、S8、S3、S1、S9、S4。其中S2樣地的綜合得分最高，說明10 m改造帶中20 m保留帶的改造模式下枯落物持水性能最佳。帶狀改造后，山楊低質林枯落物的持水性能，各個指標既相互依賴又相互排斥，因此，山楊低質林枯落物的持水性能的各個參數(shù)同時都達到最優(yōu)值幾乎是不可能的，最優(yōu)目標是山楊低質林的枯落物持水性能整體達到最優(yōu)。

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[21] 王士永，余新曉，賈國棟，等.北京山區(qū)主要人工林枯落物水文效應[J].中國水土保持科學，2011，9(5)：42-47.

Effect of Litters in aPopulusdavidianaLow-quality Forest on Water-holding Capability in Daxing’an Mountains//

Tang Guohua, Dong Xibin, Mao Bo, Zhang Tian, Ma Xiaobo, Qu Hangfeng

(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，2016,44(10)：35-40.

Populusdavidianalow-quality forest; Alteration of low-quality forest; Bandwidth alteration; Water-holding capability of litter; Daxing’an Mountains

唐國華，男，1991年2月生，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)，碩士研究生。E-mail：652095437@qq.com。

董希斌，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)，教授。E-mail：xibindong@163.com。

2016年5月4日。

S756.5；S715.7

1)林業(yè)科學技術推廣項目([2015]06號)。

責任編輯：張 玉。