Differences in the Water-retention Function of Humus Layer between Two Typical Forests with Different Densities in the Qinling Mountains

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。

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。

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重，然后装入档案袋，放入85 ℃烘箱烘干至恒重，称量干重，计算枯落物自然含水率及单位面积枯落物蓄积量。

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重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重并记录。每次样品湿重与干重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]}。

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S_ij = 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)；r_ij为样地i在第j个指标上的实测值；r_ij(max)和r_ij(min)分别为第j个指标中的极大值和极小值；R_ij和S_ij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，G_i为各指标的熵值，W_j为各评价指标的权重，V_i为最终评价得分。

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。

从表2可看出，两个林分不同密度样地的枯落物层厚度和蓄积量均呈显著差异（p < 0.05），对同一密度来讲，尽管锐齿栎林枯落物厚度大于油松林，但是二者的蓄积量却差异不大，甚至低于油松林。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和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%）。

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%，均高于未分解层（表3）。6个样地的枯落物最大持水量变化在14.41～24.55 t·hm⁻²，为中密度油松林（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层次差异。

由图1可看出，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。

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%。

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，在各样地之间的差异无明显规律，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异。

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=at^b，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。

前面的分析表明，不同森林样地的枯落物厚度、蓄积量、持水性能等指标均呈现差异。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差异不大，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。

枯落物层对土壤保持和水源涵养功能至关重要，其不但可减弱降雨对地表的冲刷，还起到拦截蓄水作用^[22]，因此枯落物蓄积量变化可直接影响水源涵养能力。枯落物蓄积量及其水文功能受林分类型、立地条件、气候及季节等因素影响而动态变化^[23-25]。在本研究中，锐齿栎林枯落物层厚度显著高于油松林，这可能是因阔叶与针叶的差异，但枯落物蓄积量为油松林较大，这与他人^[26]研究结果一致，因针叶枯落物富含油脂不易分解，阔叶枯落物表皮较薄和缺乏保护所以分解较快^[27]。此外，有学者在分析不同林龄麻栎枯落物蓄积量时发现，枯落物蓄积量除林龄外更多受林分密度及累积时间影响^[11]。本研究中，油松林和锐齿栎林的枯落物蓄积量均随林分密度增加呈“单峰型”变化，这和前人研究一致^[15]，但蓄积量有差别^[28-29]，原因可归结为两点：一是林分密度增加会降低林内光照和温度，利于枯落物积累，但当密度过高时会加剧林木个体竞争和导致生长缓慢及凋落物减少^[14]；二是枯落物蓄积量会随植被生长阶段呈现季节性变化^[30]，本研究测样时间为春季，枯落物可能已被分解或受冬季风力影响转移到别处^[31]，这也说明枯落物蓄积量季节变化特征还有待进一步研究。

枯落物持水量和持水率是反映枯落物水文调节能力的重要指标，体现了枯落物的持水容量及吸收地表径流的能力，有效拦蓄率则反应了枯落物对降雨的拦截能力^{[3, 32]}，其大小与枯落物的蓄积量、结构组成、立地条件及分解程度等有关^{[9, 33]}。段文标等人分析发现，受植被类型影响，不同林型及荒草地枯落物层的厚度及储量存在差异，其持水功能也有差别^{[23, 32]}。一般来讲，阔叶林凋落物因其叶面积大，更容易分解，有更大吸水速率和持水率^[21]。本研究中不同密度的油松林和锐齿栎林枯落物的持水过程呈现一致规律，即累积持水量在10 min内迅速增加，2 h后缓慢增加直到24 h后保持恒定，相应吸水速率则在在10 min内较高，随后迅速降低并接近与0，其中同一时段的锐齿栎林未分解枯落物的持水性能优于油松林，这进一步证实了前人研究^{[21, 34]}。不管油松林还是锐齿栎林，枯落物的降水拦蓄有效时间主要在2 h内，原因是枯落物初期干燥导致吸水速率较高，随时间延长枯落物吸水量逐渐接近其最大值，因此吸水速率快速降低^[34]。特别地，油松林半分解枯落物的持水能力优于未分解层，而锐齿栎林相反，说明油松林半分解枯落物在降水拦截中发挥着重要功能，而锐齿栎林主要依赖其疏松的未分解层，这和前人研究结论一致^[15]。这表明，油松林和锐齿栎的半分解层和未分解层枯落物在降水拦截中可以作用互补。在降雨初期，枯落物通过迅速吸水来有效拦截降雨，从而保护土壤免受雨滴击溅侵蚀，枯落物蓄积量较高林分的持水能力更明显，可在短时间内快速吸水，有效发挥水源涵养功能。此外，枯落物的持水率、持水量及吸水速率均与浸水时间有较好的对数和幂函数关系，这和已有研究一致^{[11, 23, 34-35]}。本研究还综合评价了两类典型林分不同密度时的枯落物持水能力，发现锐齿栎林优于油松林，且当锐齿栎林密度为725株·hm⁻²时最佳。因此建议调整林分结构，将纯林逐渐改造为混交林，这样可实现两个树种的枯落物持水性能互补，充分发挥水源涵养功能。

在陕西秦岭火地塘林区，油松林和锐齿栎林的枯落物层厚度分别为3.48～5.14 cm和6.54～9.48 cm，高密度油松林和中密度锐齿栎林的最大；枯落物蓄积量均为中密度时最大，分别为9.09和5.61 t·hm⁻²，其组成对油松林以半分解层为主（56.5%～60.55%），对锐齿栎林以未分解层为主（63.58%～74.53%）。

两种森林的枯落物最大持水量变化在14.41～24.55 t·hm⁻²，对油松林是中密度的最大，主要贡献者是半分解层；对锐齿栎林则随密度增加而增大，主要贡献者是未分解层。枯落物累积持水率在浸水10 min内迅速增加，且锐齿栎林的增速大于油松林；枯落物吸水速率随浸水时间增加先快速降低，在2 h后则逐渐降低并趋于0。枯落物的持水率（量）和吸水速率与浸水时间分别具有很好的对数和幂函数关系。

通过熵权法综合评价，锐齿栎林枯落物的持水功能优于油松林，且以密度725株·hm⁻²时最佳。建议未来进行松栎混交造林，并且合理控制密度，以充分发挥其水文功能。