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森林生态系统在涵养水源、蓄水保土、固碳增汇及调节气候等方面发挥着关键作用[1-3]。在不同地形、气候和植被条件下,林冠层、枯落物层及土壤层对降水的截留和再分配、地表径流及蒸散发等过程发挥的作用有别[4]。其中枯落物层在拦蓄降水、防止土壤溅蚀和减少水分蒸发等方面有着重要作用[5-7]。受气候条件、时间尺度、树种和立地条件等因素影响,枯落物蓄积量及持水功能差异较大[8-10]。目前研究集中在某一地区多个树种或同一树种不同林龄阶段的枯落物及土壤持水功能差异上[11-13],而针对典型林分不同密度时的枯落物持水功能差异研究较少[14]。此外,已有研究证实不合理密度会影响水源涵养功能,强调适宜密度对提高森林水文功能的重要性[15-16]。
秦岭作为我国中部的重要生态屏障及南水北调中线工程的水源地,在保障区域生态安全和社会经济持续发展方面有重要作用。20世纪60年代,该区森林被大量砍伐,现存森林主要是恢复的天然次生林,近年来出现生长滞缓、地力衰退等问题[17],亟待调控改造以提升水源涵养功能。有学者探讨了间伐对华山松(Pinus armandii Franch.)林水源涵养功能的影响,指出间伐20%时的水源涵养效能最佳[17]。油松(Pinus tabulaeformis Carr.)林和锐齿栎(Quercus aliena var.acuteseata Maxim. ex Wenz.)林是秦岭地区的主要森林类型,近些年来由于缺乏管理,普遍存在衰退问题。尽管大量学者探讨了该区多个典型林分的水源涵养功能差异[18-19],然而较少研究秦岭地区不同密度的油松林和锐齿栎林枯落物水文功能差异,尚不清楚合理林分密度。因此,本文在秦岭火地塘林区选择了不同密度的油松林和锐齿栎林样地,定量测定枯落物层的厚度、组成、蓄积量和持水性能,通过熵权法探究枯落物层持水能力最佳的林分类型和密度,以期为该区水源涵养林可持续经营等提供理论依据。
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本研究区位于陕西省宁陕县火地塘林场,也是陕西秦岭森林生态系统国家野外科学观测研究站所在地,地处秦岭南坡,北亚热带北缘, 33º18′~33º28′ N, 108º21′~108º39′ E,研究区总面积约2 037 hm2,海拔1 470~2 473 m。林区气候类型属于暖温带湿润山地气候,多年平均降水量1 023 mm,多集中在7—9月,年均气温12 ℃。林区内沟道纵横,地形较陡峻,平均坡度30º。土壤主要为花岗岩母质发育起来的山地棕壤,土层较薄,平均厚度约50 cm。区域内森林覆盖率93.8%,植被类型具有由暖温带向亚热带过渡的特征,现有森林主要是天然次生林,建群树种主要有锐齿栎、油松、华山松、光皮桦(Betula luminifea H. Winkl.)、巴山冷杉(Abies fagesii Franch.)等,森林质量总体较高,野生动植物资源丰富。
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2022年3至4月,在充分勘查后,在远离道路且人为扰动较小的区域,分别选择油松林和锐齿栎林的3个不同密度样地。在每个样地中随机选择10株林木测定胸径,并随机选择3个样点人工打钻采集0~50 cm深度土层样品,并用烘干法测定其土壤水分状况。此外,调查记录样地编号、地理位置(经纬度)、海拔、坡度、郁闭度等基本信息,具体见表1。
森林样地
Sample stands密度
Density/
(trees·hm−2)样地编号
Sample plot number坡度
Slope/(°)坡向
Aspect海拔
Altitude/m树龄
Tree
age/a平均胸径
Average diameterat
breast height/cm郁闭度
Canopy
density平均土壤含水量
Mean soil
water content/%油松林1 450 YS450 10 阳坡 1 760 45 25.74 ± 3.03 0.65 26.33 油松林2 700 YS700 10 阳坡 1 705 45 25.32 ± 2.26 0.70 24.37 油松林3 1 250 YS1250 10 阴坡 1 765 45 24.97 ± 2.50 0.75 22.14 锐齿栎林1 475 RCL475 28 阳坡 1 590 30 23.67 ± 1.97 0.70 38.92 锐齿栎林2 725 RCL725 30 阳坡 1 598 30 22.37 ± 1.78 0.75 29.77 锐齿栎林3 1 250 RCL1250 35 阳坡 1 620 30 18.91 ± 1.58 0.80 30.10 注:数据为平均值 ± 标准差,YS和RCL分别表示油松林和锐齿栎林。
Notes: The values were mean ± standard deviation, YS and RCL indicate Pinus tabulaeformis forest and Quercus aliena va.acuteseata forest, respectively.Table 1. Basic information of the sampling site in this study
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在每块样地随机选择3个50 cm × 50 cm的样方,根据枯落物分解腐烂程度[20],分别收集半分解层和未分解层的全部枯落物,装入塑料袋做好标记带回实验室;同时在样方附近随机选择10个不同位置点,用钢尺测定未分解层及半分解层厚度并做好记录。在室内,用电子天平称取枯落物鲜质量,然后装入档案袋,放入85 ℃烘箱烘干至质量恒定,称量干质量,计算枯落物自然含水率及单位面积枯落物蓄积量。
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采用室内浸泡法测定枯落物持水能力,在尽量保持枯落物原状条件下,将烘干后枯落物样品装入已知质量的细孔尼龙网袋内,置于装满水的容器中,分别在累积浸水5、10、20、30、40 min和1、1.5、2、4、6、8、12、24 h时取出,静置至不滴水后迅速称量质量并记录。每次样品湿质量与干质量之差即为该时段的枯落物持水量,其中24 h后为最大持水量。持水量与浸水时间的比值为该时段枯落物持水速率,并进一步计算枯落物的持水率和拦蓄率(量),相关计算公式参见文献[11, 21]。
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为直观比较,采用熵权法对不同密度油松林和锐齿栎林枯落物水文功能进行综合评价[9]。首先,对选择的水文功能指标进行标准化处理,包括枯落物的厚度、蓄积量、最大持水率、最大持水量、有效拦蓄率和有效拦蓄量6个指标,通过极值法标准化处理,然后根据公式计算各指标的熵值及权重,进而评价不同样地枯落物的水源涵养功能差异,具体计算过程如下:
(假设Sij = 0时,
$ {S_{ij}}\ln {S_{ij}}{\text{ = }}0 $ ;i = 1,2,…,m;j = 1,2,…,n)式中:i表示样地类型(m = 6),j表示评价指标(n = 6);rij为样地i在第j个指标上的实测值;rij(max)和rij(min)分别为第j个指标中的极大值和极小值;Rij和Sij分别为样地i在第j个指标上的标准化值和贡献度;k为常数,Gi为各指标的熵值,Wj为各评价指标的权重,Vi为最终评价得分。
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采用Excel 2016进行数据整理,利用SPSS 26.0进行数据统计分析,采用单因素方差分析方法比较不同密度及不同林分类型枯落物的持水功能差异,事后检验采用Tukey检验,采用Origin 2016软件作图。
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从表2可看出,两个林分不同密度样地的枯落物层厚度呈显著差异(p < 0.05),而蓄积量则无明显差异。对同一密度水平样地来讲,尽管锐齿栎林枯落物厚度大于油松林,但是二者的总蓄积量却差别不大,甚至在低密度时的总蓄积量显著低于油松林( p < 0.05)。就不同林分样地而言,油松林枯落物总厚度变化在3.48~5.14 cm,呈现为随密度增加而增大,且中高密度的枯落物层厚度显著高于低密度林地(p < 0.05),其中半分解层的厚度变化在2.02~3.25 cm,而未分解层厚度较小。在锐齿栎林样地中,枯落物层厚度变化在6.54~9.48 cm,中密度的枯落物层厚度最大,其次为高密度和低密度样地,枯落物以未分解层为主,半分解层厚度均小于1 cm。在枯落物蓄积量方面,油松和锐齿栎两个林分类型均以中密度样地最大,分别达9.09、5.61 t·hm−2,而高密度油松林和低密度锐齿栎林样地的蓄积量最小。进一步分析表明,油松林枯落物蓄积量以半分解层为主,占56.5%~60.55%,而锐齿栎林以未分解层为主(63.58%~74.53%)。
采样地
Sample plots枯落物厚度
Thickness of
humus layer/cm总厚度
Total
thickness/
cm蓄积量
Weight of humus/
(t·hm−2)总蓄积
Total weight/
(t·hm−2)占蓄积量比例
Proportion of
the weight/%未分解层
Undecomposed
layer半分解层
Semi-decomposed
layer未分解层
Undecomposed
layer半分解层
Semi-decomposed
layer未分解层
Undecomposed
layer半分解层
Semi-decomposed
layerYS450 1.46 ± 0.35 Bb 2.02 ± 0.31 Ab 3.48 ± 0.55 Bb 2.71 ± 0.45 B 3.99 ± 0.85 A 6.70 ± 1.30 A 40.36 59.64 YS700 1.72 ± 0.39 Bab 3.32 ± 0.43 Aa 5.04 ± 0.53 Ba 3.59 ± 0.52 B 5.50 ± 1.86 A 9.09 ± 2.38 39.45 60.55 YS1250 1.89 ± 0.18 Ba 3.25 ± 0.60 Aa 5.14 ± 0.53 Ba 2.76 ± 0.31 B 3.58 ± 0.91 A 6.34 ± 1.22 43.50 56.50 RCL475 6.54 ± 0.69 Ab 0.18 ± 0.05 Bb 6.54 ± 0.69 Ab 3.28 ± 0.28 A 1.58 ± 0.41 B 4.86 ± 0.69 B 67.52 32.48 RCL725 9.48 ± 1.23 Aa 0.42 ± 0.19 Ba 9.48 ± 1.23 Aa 3.57 ± 0.61 A 2.04 ± 0.45 B 5.61 ± 1.05 63.58 36.42 RCL1250 7.08 ± 0.49 Ab 0.36 ± 0.06 Bab 7.44 ± 0.49 Ab 4.16 ± 0.91 A 1.42 ± 0.09 B 5.58 ± 0.99 74.53 25.47 注:数据为平均值 ± 标准差,小写字母不同表示不同密度间差异显著,大写字母不同表示相同密度不同林分间差异显著(p < 0.05),未标注字母表示无显著性差异,下同。
Notes: The values were mean ± standard deviation. Different lowercase letters within a column indicate significant difference among the different densities, and different uppercase letters indicate significant difference among different forest types (p< 0.05), and no letters indicate no significant difference, the same below.Table 2. Thickness and weight of humus layer in Pinus tabulaeformis and Quercus aliena var.acuteseata forest with different densities
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两类林分不同枯落物组分的自然含水率均存在明显差异,其中未分解层介于9.30%~55.81%,半分解层则为18.85%~102.59%,除低密度油松林之外,其他样地下半分解层枯落物的自然含水率均高于未分解层(表3)。6个样地的枯落物总最大持水量变化在14.41~24.55 t·hm−2,中密度油松林(24.55)>高密度锐齿栎林(17.8)> 低密度锐齿栎(15.94)> 中密度锐齿栎(15.76)> 低密度油松林(15.15)> 高密度油松林(14.41)。3个密度油松林的枯落物半分解层最大持水率均高于未分解层,而锐齿栎样地未呈现明显差别。
采样地
Sample plots自然含水率
Natural moisture content/%最大持水率
Maximum water
holding rate/%最大持水量
Maximum water holding
capacity/(t·hm−2)总最大持水量
Total maximum water
holding capacity/
(t·hm−2)未分解层
Undecomposed
layer半分解层
Semi-decomposed
layer未分解层
Undecomposed
layer半分解层
Semi-decomposed
layer未分解层
Undecomposed
layer半分解层
Semi-decomposed
layerYS450 55.81 ± 53.41 39.30 ± 29.39 162.44 ± 1.83 271.25 ± 26.31 4.39 ± 0.76 10.75 ± 1.87 15.15 YS700 20.70 ± 8.05 65.12 ± 5.90 238.79 ± 15.08 290.48 ± 14.15 8.56 ± 1.48 15.99 ± 5.84 24.55 YS1250 34.47 ± 7.85 102.59 ± 49.97 185.93 ± 14.62 259.12 ± 30.34 5.13 ± 0.27 9.28 ± 1.98 14.41 RCL475 10.00 ± 1.52 31.58 ± 17.89 311.78 ± 13.32 361.74 ± 62.43 10.23 ± 1.24 5.71 ± 1.12 15.94 RCL725 9.30 ± 3.59 28.38 ± 14.43 305.76 ± 28.02 237.66 ± 12.77 10.90 ± 1.67 4.85 ± 0.79 15.76 RCL1250 12.54 ± 1.07 18.85 ± 7.19 320.84 ± 21.40 313.41 ± 19.27 13.34 ± 3.79 4.45 ± 0.02 17.80 Table 3. Water holding capacity of humus in Pinus tabulaeformis and Quercus aliena var.acuteseata with different densities
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由图1可看出,油松林枯落物未分解层的最大拦蓄率和有效拦蓄率均在中密度最高,分别为217.83%和182.05%;在低密度的拦蓄率则最低,且与中密度呈显著差异( p < 0.05);而半分解层的枯落物拦蓄率对3个密度无显著差异。对锐齿栎林样地,未分解层枯落物的最大拦蓄率和有效拦蓄率在3个密度之间无显著差异,其值变化在298.16~305.47%和252.04~257.77%;而半分解层枯落物的拦蓄率则在中密度最低,其最大拦蓄率和有效拦蓄率分别为211.10%和175.18%。
Figure 1. Maximum interception rate (capacity) and effective interception rate (capacity) of humus in different sample plots
此外,油松林枯落物的最大拦蓄量及有效拦蓄量的最大值均出现在中密度,其未分解层的最大拦蓄量为7.83 t·hm−2,显著高于高密度和低密度样地(p < 0.05)。锐齿栎林样地未分解层枯落物拦蓄量随着密度增加而增大,半分解层的拦蓄量则无明显的密度差异,其最大拦蓄量和有效拦蓄量分别为4.19~5.17 t·hm−2和3.51~4.32 t·hm−2。
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不同密度油松林和锐齿栎枯落物的持水过程见图2。可以看出,6个样地的未分解层和半分解层枯落物的累计持水率(量)均在浸泡10 min内迅速增加,然后增速有所降低,2 h后开始缓慢增加,直至24 h达到最大值。
Figure 2. Change of water holding rate, water holding capacity and absorption rate with soaking time in different sample plots
从吸水速率来看,在浸水10 min内,未分解层和半分解层枯落物均有较大的瞬时吸水速率,其值约在30~61.74 t·hm−2·h−1,20 min后开始迅速降低,在2 h以后逐渐减少并接近于0。未分解层枯落物的持水率和持水量均为锐齿栎林高于同时段的油松林,且高密度锐齿栎林的值最大。半分解层枯落物的持水率,在各样地之间分布无明显规律,而持水量表现为油松林优于锐齿栎林,中密度油松林的持水量最佳,锐齿栎林半分解枯落物层持水量随浸水时间的变化在3个密度之间无明显差别。
从表4可以看出,枯落物的持水率、持水量与浸水时间呈明显的对数关系(y=aln(t) + b,y为持水率/%或持水量/(t·hm−2),t为浸水时间/h,a为系数,b为常数项),拟合关系的决定系数R2为0.867~0.965。枯落物的吸水速率与浸水时间符合幂函数关系(y=atb,y为枯落物的吸水速率/(t·hm−2·h−1),a为方程系数,b为指数),拟合关系式的决定系数R2为0.943~0.992。
采样地
Sample plots枯落物层
Humus layer持水率
Water holding rate持水量
Water holding capacity吸水速率
Water absorption rate拟合方程
Fitted equationR2 拟合方程
Fitted equationR2 拟合方程
Fitted equationR2 YS450 未分解 y=25.03ln(t) + 98.74 0.946 y=0.669ln(t) + 2.71 0.944 y=2.416t−0.724 0.975 半分解 y=30.13ln(t) + 194.62 0.917 y=1.217ln(t) + 7.72 0.916 y=7.397t−0.931 0.991 YS700 未分解 y=33.31ln(t) + 150.08 0.963 y=1.199ln(t) + 5.40 0.961 y=4.962t−0.756 0.980 半分解 y=32.88ln(t) + 203.32 0.925 y=1.831ln(t) + 11.13 0.930 y=10.665t−0.825 0.991 YS1250 未分解 y=30.06ln(t) + 115.74 0.945 y=0.826ln(t) + 3.16 0.947 y=2.76t−0.690 0.943 半分解 y=30.84ln(t) + 193.53 0.867 y=1.101ln(t) + 6.88 0.868 y=6.548t−0.823 0.985 RCL475 未分解 y=38.76ln(t) + 195.98 0.964 y=1.281ln(t) + 6.43 0.965 y=6.04t−0.792 0.992 半分解 y=42.86ln(t) + 247.72 0.940 y=0.675ln(t) + 3.82 0.945 y=3.609t−0.808 0.988 RCL725 未分解 y=39.82ln(t) + 192.19 0.960 y=1.409ln(t) + 6.82 0.959 y=6.310t−0.774 0.984 半分解 y=30.28ln(t) + 158.96 0.938 y=0.615ln(t) + 3.22 0.935 y=2.999t−0.788 0.984 RCL1250 未分解 y=38.86ln(t) + 210.97 0.961 y=1.650ln(t) + 8.79 0.961 y=8.258t−0.797 0.988 半分解 y=39.11ln(t) + 205.61 0.938 y=0.55ln(t) + 2.921 0.937 y=2.726t−0.789 0.979 Table 4. Relationship between water holding rate, water holding capacity and absorption rate and soaking time of humus layer
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前面的分析表明,不同森林样地的枯落物厚度、蓄积量、持水性能等指标分布存在差别。为了更直观了解不同样地的枯落物持水能力情况,用熵权法对6个指标进行综合评价(表5)。可以看出,不同密度油松林的枯落物持水功能表现为中密度>高密度>低密度,锐齿栎林在不同密度之间相差不大,其中以中密度表现最佳,综合得分83.38。整体来看,在密度接近情况下,锐齿栎林枯落物持水功能优于油松林。
样地
Sample
plots厚度
Thickness of
humus总蓄积量
Weight of
humus最大持水率
Maximum water
holding rate最大持水量
Maximum water
holding capacity有效拦蓄率
Effective interception
rate有效拦蓄量
Effective interception
capacity评价得分
Evaluation
scoreYS450 0.00 2.61 2.29 7.11 1.85 1.05 14.92 YS700 15.34 6.00 3.71 19.66 5.32 5.00 55.02 YS1250 16.32 2.10 2.33 6.13 0.00 0.00 26.88 RCL475 30.09 0.00 5.57 8.17 12.00 2.80 58.63 RCL725 59.00 1.06 4.06 7.93 8.66 2.67 83.38 RCL1250 38.94 1.02 5.28 10.65 11.66 3.72 71.28 Table 5. Comprehensive evaluation score of hydrological function of humus in different sample plots
Differences in the Water-retention Function of Humus Layer between Two Typical Forests with Different Densities in the Qinling Mountains
- Received Date: 2022-07-20
- Accepted Date: 2022-07-29
- Available Online: 2023-06-20
Abstract: