孫于卜, 歐曉彬, 陳軻林, 馬文昌, 林 飛, 王智威, 龔 磊

(1.隴東學院 生命科學與技術(shù)學院, 甘肅 慶陽 745000; 2.甘肅省隴東生物資源保護利用與生態(tài)修復重點實驗室, 甘肅 慶陽 745000; 3.甘肅省子午嶺生態(tài)系統(tǒng)野外科學觀測研究站, 甘肅 慶陽 745000)

森林生態(tài)系統(tǒng)是中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有調(diào)節(jié)氣候、凈化環(huán)境、水土保持、水源涵養(yǎng)等多種生態(tài)功能[1]，其中水源涵養(yǎng)是森林生態(tài)系統(tǒng)最主要的生態(tài)功能之一，涵養(yǎng)著陸地90 %以上的淡水資源[2]。森林通過林冠、枯落物及土壤的垂直結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對降雨的調(diào)蓄和再分配，發(fā)揮其水源涵養(yǎng)功能[3-4]?？萋湮飳幼鳛樯职l(fā)揮水源涵養(yǎng)功能的第二作用層，具有較強的截流和蓄水的性能，其截持水量是自身干重的2～5倍[5]，還可降低土壤蒸發(fā)、改善土壤理化性質(zhì)，增大土壤孔隙率，提高土壤入滲，防止土壤嚴重板結(jié)，增加土壤有機質(zhì)[6]，在森林生態(tài)系統(tǒng)水文過程中起著極其重要的作用。

枯落物包括喬灌草的枯枝、枯葉、落皮等及動物的殘骸及代謝產(chǎn)物[7]，其水源涵養(yǎng)功能與人為干擾、水熱條件、枯落物蓄積量、分解狀況及自然含水量等多種因子有關(guān)[8-10]。目前，對枯落物的降雨截持及持水性能等水文特性的研究已較為成熟[11-13]，而對森林枯落物水源涵養(yǎng)功能的綜合評價亦成為森林水文研究的熱點內(nèi)容之一[14-15]。

子午嶺林區(qū)分布有大面積的人工油松林，但在森林管理上存在密度偏大及地力衰退等問題，此類問題在黃土高原普遍存在[16-17]，亟待對此類林分進行調(diào)控和改造，提升生態(tài)服務(wù)功能。許多學者對不同密度油松林枯落物水源涵養(yǎng)功能進行研究，林分密度的選取集中在338～3 683株/hm2，不同地區(qū)油松枯落物發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能較好的林分密度各不相同[18-23]，而油松林密度大于3 683株/hm2的枯落物水源涵養(yǎng)功能的變化規(guī)律尚不明確，且子午嶺林區(qū)油松林枯落物的水源涵養(yǎng)功能對林分密度變化的響應(yīng)缺乏研究。因此，本研究在子午嶺林區(qū)選取密度為2 222～9 286株/hm2的人工油松林，基于枯落物持水能力指標定量分析，通過坐標綜合評價法探究枯落物水源涵養(yǎng)功能發(fā)揮較好的林分密度，以期為子午嶺林區(qū)人工油松林枯落物水源涵養(yǎng)功能提升及功能導向型林分改造提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

子午嶺位于黃土高原的腹地，跨陜西、甘肅兩省(33°50′—36°50′ N，107°30′—109°40′ E)，是涇河和洛河水系的發(fā)源地和補給區(qū)。甘肅省子午嶺林區(qū)位于慶陽市境內(nèi)，被譽為黃土高原的“天然水庫”，隴東大地的“生態(tài)安全屏障”[24]。研究區(qū)位于甘肅省合水縣連家砭林場(35°03′—36°37′N，108°10′—109°18′E)，屬于典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，海拔1 100～1 756 m，年均降水量587.6 mm，降雨集中于6—9月，約占全年降水量的70.4%，年均相對濕度64%，年均日照時數(shù)2 510 h，年均氣溫7.4 ℃，≥10 ℃積溫為2 671.0 ℃，年無霜期135 d，屬于大陸性季風氣候，土壤類型為黃綿土和灰褐土。主要喬木有油松(Pinustabuliformis)、遼東櫟(Quercuswutaishanica)、小葉楊(Populussimonii)、山楊(Populusdavidiana)、茶條槭(Acerginnala)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、白樺(Betulaplatyphylla)等200余種；灌木主要有虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、西北栒子(Cotoneasterzabelii)、胡枝子(Lespedezabicolor)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、土莊繡線菊(Spiraeapubescens)、酸棗(Ziziphusjujuba)、荊條(Vitexnegundo)、黃薔薇(Rosahugonis)、狼牙刺(Sophoraviciifolia)、胡頹子(Elaeagnuspungens)、連翹(Forsythiasuspensa)等；草本主要有大披針苔草(Carexlanceolata)、大車前(Plantagomajor)、鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、紫花地丁(Violaphilippica)、冰草(Agropyroncristatum)、艾蒿(Artemisiaargyi)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 甘肅省子午嶺林區(qū)現(xiàn)有人工林面積1.16×105hm2，油松林占造林總面積的70%以上，占森林總面積的23.4%，是該區(qū)最主要林分類型之一[17]。本研究于2021年8月在甘肅省合水縣連家砭林場對人工油松林密度勘察后，選擇20×20 m的2 222，3 200，4 802，6 250，7 503，9 286株/hm2的6種密度的油松林為研究樣地，6種林分密度分別用YS2 222，YS3 200，YS4 802，YS6 250，YS7 503，YS9 286表示，樣地基本情況見表1。

采用室內(nèi)浸水法測定枯落物的持水能力。將烘干的枯落物轉(zhuǎn)移至0.075 mm的尼龍網(wǎng)袋[25]封口后浸入水中，分別在浸水10 min，20 min，30 min，40 min，50 min，1 h，1.5 h，2 h，4 h，6 h，12 h，24 h時取出網(wǎng)袋，瀝干至不再滴水后迅速稱重?？萋湮锔鞒炙芰χ笜巳缦拢?/p>

M=Md/S×100

(1)

R0=(M0-Md)/Md×100%

(2)

Rhmax=(M24-Md)/Md×100%

(3)

Rsv=0.85Rhmax-R0

(4)

Whmax=Rhmax×M

“中國制造2025”是我國政府為了應(yīng)對工業(yè)4.0而出臺的行動綱領(lǐng)，它將促使我國由制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變。且“中國制造2025”是我國強化工業(yè)發(fā)展的第一步，后續(xù)還將有“中國制造2035”“中國制造2045”……“中國制造2025”的核心是智能制造，但其根本是機械制造。因此，面對“中國制造2025”，高職院校機械制造類專業(yè)的人才培養(yǎng)模式面臨極大變革，原有的人才培養(yǎng)模式將無法適應(yīng)未來的人才培養(yǎng)需要。

(5)

Wsv=Rsv×M

(6)

Ri=(Mi-Md)/Md×100%

(7)

Wi=Ri×M

(8)

Vi=Wi/t

(9)

式中：M為蓄積量(t/hm2);Md為干重(g);S為單個樣方面積(cm2);R0為自然含水率(%);M0為鮮重(g);Rhmax為最大持水率(%);M24為枯落物浸泡24 h的質(zhì)量(g);Rsv為有效攔蓄率(%);Whmax為最大持水量(t/hm2);Wsv為有效攔蓄量(t/hm2);Ri為持續(xù)浸水i時間的持水率(%);Mi為持續(xù)浸水i時間的質(zhì)量(g);Wi為持續(xù)浸水i時間的持水量(t/hm2);Vi為持續(xù)浸水i時間的吸水速率〔t/(hm2·h)〕;t為持續(xù)浸水時間(h); 0.85為有效攔蓄系數(shù)。

1.2.3 枯落物水源涵養(yǎng)功能評價 本文采用坐標綜合評價法對6種密度油松林枯落物的水源涵養(yǎng)功能進行評價，坐標綜合評價法是基于多維空間理論，將不同類型下不同屬性評價指標看作共存于相同空間單元的對象，以各評價指標到標準點的距離對不同類型進行評價和比較，可對多個不同量綱的指標進行綜合評價[14,26-27]。評價指標為以下6項(n=6)：枯落物厚度、最大持水率、有效攔蓄率、蓄積量、最大持水量、有效攔蓄量。首先將各指標進行無量綱化，i表示不同密度油松林，j表示不同指標，列出原始數(shù)據(jù)Xij，Xj為每一指標最大值，根據(jù)公式(10)獲得相對值dij的矩陣坐標。然后根據(jù)公式(11)計算i密度油松林的第j個指標到標準點的距離Pij。最后根據(jù)公式(12)獲得i密度油松林的各指標到標準點的距離之和Si，評價值小者表明水源涵養(yǎng)功能相對較高。

dij=Xij/Xj

(10)

(11)

(12)

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理，利用SPSS 26.0的單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗不同密度油松林枯落物各指標的差異，采用Origin 2021作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 枯落物厚度及蓄積量

6種密度油松林枯落物厚度和蓄積量見圖1a和圖1b，枯落物總厚度介于2.78～7.30 cm，總蓄積量介于14.97～52.41 t/hm2，枯落物厚度和蓄積量隨林分密度的增高，其變化趨勢一致，未分解層和半分解層的厚度和蓄積量均呈“單峰型”，其頂點和最低點對應(yīng)的林分密度分別為4 802，2 222株/hm2?？萋湮锇敕纸鈱拥暮穸群托罘e量均大于未分解層，且半分解層厚度為未分解層的1.88倍以上，半分解層蓄積量占枯落物總蓄積量的73.92 %以上。密度4 802株/hm2的枯落物總厚度及半分解層厚度均與3 200株/hm2差異不顯著(p>0.05)，與其余林分差異顯著(p<0.05)。密度4 802株/hm2的枯落物未分解層厚度與其余林分均差異顯著(p<0.05)。密度4 802株/hm2的枯落物總蓄積量及半分解層蓄積量均與6 250株/hm2差異不顯著(p>0.05)，與其余林分差異顯著(p<0.05)。密度4 802株/hm2的枯落物未分解層蓄積量與3 200株/hm2差異不顯著(p>0.05)，與其余林分差異顯著(p<0.05)。

注：同一列中不同字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。

2.2 枯落物最大持水率(量)

6種密度油松林枯落物最大持水率見圖2a?？萋湮锏淖畲蟪炙试? 200株/hm2達到最大(192.98%)，9 286株/hm2最小(167.91 %)，且6種密度枯落物最大持水率間差異均不顯著(p>0.05)?？萋湮镂捶纸鈱幼畲蟪炙试? 802株/hm2最大(171.13%)，2 222株/hm2最小(146.60%)，密度4 802株/hm2與2 222株/hm2，9 286株/hm2差異顯著(p<0.05)，與其余林分差異不顯著(p>0.05)?？萋湮锇敕纸鈱拥淖畲蟪炙试? 200株/hm2最大(232.74%)，6 250株/hm2最小(181.41%)，且兩者差異顯著(p<0.05)?？萋湮锇敕纸鈱幼畲蟪炙实闹当任捶纸鈱拥闹荡?5.94%～81.63%。

6種密度油松林枯落物最大持水量見圖2b，油松林枯落物最大持水量為29.23～101.46 t/hm2，枯落物未分解層與半分解層的最大持水量均呈“單峰型”，峰值均在4 802株/hm2，為17.78 t/hm2和83.68 t/hm2，最小值在2 222株/hm2，為5.80 t/hm2和23.44 t/hm2。密度4 802株/hm2的枯落物總最大持水量與3 200株/hm2，6 250株/hm2差異不顯著(p>0.05)，與其余林分差異顯著(p<0.05)?？萋湮锇敕纸鈱幼畲蟪炙渴俏捶纸鈱拥?倍以上。密度4 802株/hm2的枯落物未分解層最大持水量與其余林分差異顯著(p<0.05)。密度4 802株/hm2的枯落物半分解層最大持水量與3 200株/hm2差異不顯著(p>0.05)，與其余林分差異顯著(p<0.05)。

圖2 黃土高原子午嶺油松林枯落物最大持水率(量)

2.3 枯落物有效攔蓄率(量)

6種密度油松林枯落物有效攔蓄率見圖3a?？萋湮镉行r蓄率在林分密度為3 200株/hm2時最大(152.04%)，9 286株/hm2時最小(127.06%)，6種密度枯落物的有效攔蓄率間差異均不顯著(p>0.05)?？萋湮镂捶纸鈱拥挠行r蓄率為：4 802株/hm2>3 200株/hm2>6 250株/hm2>7 503株/hm2>9 286株/hm2>2 222株/hm2，且4 802株/hm2與3 200株/hm2，6 250株/hm2差異不顯著(p>0.05)，與其余林分差異顯著(p<0.05)?？萋湮锇敕纸鈱佑行r蓄率為：3 200株/hm2>2 222株/hm2>7 503株/hm2>9 286株/hm2>6 250株/hm2>4 802株/hm2，且3 200株/hm2與4 802株/hm2，6 250株/hm2差異顯著(p<0.05)，與其余林分差異不顯著(p>0.05)。

6種密度的油松林枯落物的有效攔蓄量如圖3b所示?？萋湮镂捶纸鈱雍桶敕纸鈱拥挠行r蓄量均呈現(xiàn)“單峰型”，峰值在4 802株/hm2，最小值在2 222株/hm2。林分密度為4 802株/hm2的枯落物未分解層和半分解層的有效攔蓄量均與2 222株/hm2差異顯著(p<0.05)，與其余林分差異不顯著(p>0.05)?？萋湮锇敕纸鈱拥挠行r蓄量是未分解層的4倍以上。

圖3 黃土高原子午嶺油松林枯落物有效攔蓄率(量)

2.4 枯落物持水過程

6種密度油松林枯落物持水過程見圖4?？萋湮镌诮跏? h，吸水速率急劇降低，持水率(量)迅速升高。浸水2～12 h，枯落物吸水速率逐漸降低，持水率(量)增加緩慢。浸水12～24 h，枯落物吸水速率逐漸趨近于零，持水率(量)逐漸達到飽和。相同密度下，枯落物半分解層的持水率(量)及吸水速率均高于未分解層。對6種密度油松林枯落物未分解層和半分解層的持水率(量)與浸水時間進行擬合，油松林枯落物持水率(量)與浸水時間均呈明顯的對數(shù)函數(shù)關(guān)系〔公式(13)〕。持水率與浸水時間函數(shù)的決定系數(shù)R2>0.956，持水量與浸水時間函數(shù)的R2>0.962(表2)。

y=alnx+b

(13)

式中：y為枯落物持水率(%)或持水量(t/hm2);x為浸水時間(h);a為系數(shù);b為常數(shù)項。

對6種密度油松林枯落物未分解層和半分解層的吸水速率與浸水時間進行擬合，油松林枯落物吸水速率與浸水時間均呈明顯的冪函數(shù)關(guān)系(公式14)，且R2>0.998(表2)。

y=kxn

(14)

式中：y為枯落物吸水速率(t/(hm2·h);x為浸水時間(h);k為系數(shù);n為指數(shù)。

表2 黃土高原子午嶺不同密度油松林枯落物持水率、持水量、吸水速率與時間關(guān)系

圖4 黃土高原子午嶺油松林枯落物持水率、持水量和吸水速率時間變化

2.5 枯落物水源涵養(yǎng)功能評價

前文對不同密度油松林枯落物的持水能力指標分析表明，不同油松林密度在各持水能力指標出現(xiàn)不同的變化規(guī)律，這為最終評價不同密度油松林枯落物的水源涵養(yǎng)功能造成困難，本文采用的坐標綜合評價法可以有效地解決此問題。6種密度油松林枯落物水源涵養(yǎng)功能評價結(jié)果見表3。油松林枯落物的水源涵養(yǎng)功能表現(xiàn)為：4 802株/hm2>3 200株/hm2>6 250株/hm2>7 503株/hm2>9 286株/hm2>2 222株/hm2，林分密度4 802株/hm2的枯落物水源涵養(yǎng)功能明顯優(yōu)于其他密度，林分密度2 222株/hm2的枯落物水源涵養(yǎng)功能相對較差。

表3 黃土高原子午嶺不同密度油松林枯落物水源涵養(yǎng)功能評價

3 討 論

樣地調(diào)查結(jié)果顯示，隨著油松林密度的增大，平均樹高、胸徑及冠幅降低，而郁閉度增大，這與晉西黃土區(qū)[19]和北京八達嶺林場[21]的研究結(jié)果一致。本研究中，子午嶺林區(qū)油松林枯落物厚度介于2.78～7.30 cm，有研究認為，油松林枯落物層厚度介于1.94～3.85 cm，這是由于其選取的油松林密度相對較低(1 478～3 189株/hm2)[23]。植物生長狀況、水熱條件、物種組成及枯落物特性等多種因素決定了枯落物蓄積量[28]。本研究中，枯落物蓄積量介于14.97～52.41 t/hm2，與北京八達嶺林場[21]、冀北山區(qū)[22]、土石山區(qū)[23]的研究結(jié)果不同，這是由于本研究選取的油松林密度相對較大，而甘肅小隴山不同密度(1 367～3 683株/hm2)油松林枯落物蓄積量介于6.85～15.63 t/hm2[18]，相同密度區(qū)間枯落物蓄積量的值與本研究結(jié)果相近。本研究中，隨著油松林密度的增高，油松林枯落物的厚度和蓄積量均呈“單峰型”，峰值出現(xiàn)在4 802株/hm2。一些研究發(fā)現(xiàn)，隨著油松林密度(388～3 683株/hm2)的增高，枯落物厚度和蓄積量逐漸增大[18,20]，這和本研究的結(jié)論一致。產(chǎn)生這種“單峰型”變化的原因一方面可能是林分密度過低，枯落物來源減少[20]，且光照過強，致使枯落物分解加速[19]，而林分密度過大，林木個體間對資源的競爭加劇，林下水肥氣熱等條件變差[29]，影響林木正常生長，并導致枝條出現(xiàn)“自疏”[14]，致使枯落物蓄積量降低；另一方面可能與坡度的影響有關(guān)，本研究中，坡度變化區(qū)間為22°～31°，其中林分密度4 802株/hm2的坡度最小，有研究表明，坡度在20°～40°，枯落物蓄積量隨坡度的增大而降低[30]?？萋湮锖穸群托罘e量變化趨勢相同，存在一定的正相關(guān)性[30-31]。本研究中，油松林枯落物半分解層厚度為未分解層的1.88倍以上，有研究表明，半分解層的厚度2倍于未分解層[5]，這可能是由于其選取的油松林齡較大(35 a)。半分解層蓄積量占枯落物總蓄積量的68%以上[21-22]，與本文結(jié)論相近。

枯落物既可防止降雨和地表徑流對土壤的沖刷，又具有較高的持水率和持水量，最大持水率(量)可反映枯落物水容量及吸收地表徑流的作用[32]，而有效攔蓄率(量)可反映枯落物對降雨的攔蓄能力。本研究中，枯落物最大持水率和有效攔蓄率均在3 200株/hm2表現(xiàn)優(yōu)良，9 286株/hm2表現(xiàn)較差；枯落物的最大持水量和有效攔蓄量均在4 802株/hm2較高，2 222株/hm2較?。粌烧咦兓?guī)律不一致，可能是由于最大持水量和有效攔蓄量受枯落物蓄積量、結(jié)構(gòu)及分解狀況等的綜合影響[33]。枯落物半分解層的最大持水率(量)和有效攔蓄率(量)均大于未分解層，表明油松枯落物半分解層的持水能力和攔蓄能力均強于未分解層，半分解層在枯落物降水攔蓄過程中起主要作用，這與許多研究結(jié)論一致[21-22]。

枯落物的持水過程一定程度上可以反映其對雨強較大降雨的攔蓄能力，枯落物吸水速率越高，則短時持水率(量)越大，截水效果就越好[21,33]。本研究中，枯落物浸水2 h內(nèi)，枯落物相對干燥，水勢低，吸水速率大[23]，隨著浸水時間延長，枯落物逐漸濕潤，水勢差降低[23]，其吸持能力隨之降低，至24 h，持水趨于飽和，吸水速率逐漸趨近零?？萋湮锒虝r快速吸水有助于森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的發(fā)揮[33]。相同密度下，枯落物未分解層的持水率(量)和吸水速率均小于半分解層，一些研究得出相同的結(jié)論[5,21]。油松林枯落物持水率(量)與浸水時間均呈明顯的對數(shù)函數(shù)關(guān)系，吸水速率與浸水時間均呈明顯的冪函數(shù)關(guān)系，這已成為共識[5,20,21-23]。

通過對不同密度油松林枯落物的水源涵養(yǎng)功能的綜合評價，當林分密度在4 802株/hm2時，枯落物水源涵養(yǎng)功能發(fā)揮較好，密度過高或過低均會限制其水源涵養(yǎng)功能的發(fā)揮。為進一步確定油松林水源涵養(yǎng)功能發(fā)揮最優(yōu)的林分密度，后續(xù)研究應(yīng)加強對油松林林冠層及土壤層的研究，并綜合考慮土壤水分植被承載力及油松林水分利用規(guī)律等，系統(tǒng)科學地評價子午嶺林區(qū)油松林的水源涵養(yǎng)功能，為區(qū)域水源涵養(yǎng)功能提升及低效林改造提供有力依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1) 油松林枯落物厚度介于2.78～7.30 cm，蓄積量介于14.97～52.41 t/hm2，枯落物厚度和蓄積量均呈“單峰型”，林分密度4 802株/hm2的枯落物厚度和蓄積量較高，且半分解層厚度為未分解層的1.88倍以上，半分解層蓄積量占總蓄積量的73.92%以上。

(2) 油松林枯落物最大持水率和有效攔蓄率均在3 200株/hm2較大，而最大持水量和有效攔蓄量在4 802株/hm2時表現(xiàn)優(yōu)良，半分解層在枯落物降水攔蓄過程中起主要作用。

(3) 油松林枯落物的水源涵養(yǎng)功能發(fā)揮較好林分密度為4 802株/hm2，林分過密或過疏均會限制枯落物水源涵養(yǎng)功能的發(fā)揮。僅考慮油松林枯落物的水源涵養(yǎng)功能，油松林密度應(yīng)調(diào)控至4 800株/hm2。后續(xù)應(yīng)加強對油松林林冠層及土壤層的研究，并綜合考慮土壤水分植被承載力及油松林水分利用規(guī)律等，最終確定油松林水源涵養(yǎng)功能發(fā)揮最優(yōu)的林分密度。