冀北山地人工油松林水文效應(yīng)研究

張栓堂 石麗麗 曲世偉 王雄賓

摘要：分密度對(duì)森林水文效應(yīng)有一定影響，以冀北山地不同密度油松人工林的植被層、枯落物層和土壤層為研究對(duì)象，對(duì)其水文效應(yīng)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：林冠截留能力隨著林分密度的減小而減小，林下植被截留能力隨著林分密度的減小而增大；林下枯落物最大持水量隨著林分密度的減小而減小，其中林分密度分別為1 584株/hm²、864株/hm²和684株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地枯落物最大持水量差距相對(duì)較小，分別是林分密度388株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地的1.56倍、1.50倍和1.42倍；388株/hm²油松林枯落物有效攔蓄量較小，但其枯落物初期持水速率較大。土壤持水能力隨著林分密度的減小表現(xiàn)出逐漸增大趨勢(shì)，林分密度864株/hm²、684株/hm²和388株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地土壤持水能力分別為林分密度1 584株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地的1.05倍、1.16倍、1.17倍，密度684株/hm²和388株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地的土壤持水能力較為接近。對(duì)油松人工林進(jìn)行合理撫育間伐，保留合適密度，能改善其涵養(yǎng)水源功能。

關(guān)鍵詞：密度調(diào)控；植被截留；枯落物持水；土壤持水；油松人工林

中圖分類號(hào)：S715 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2016）04-0117-06

Abstract： Stand density imposed large effects on forest hydrological effects.Based on vegetation layer，litter layer and soil layer of different intensities of Pinus tabulaeformis plantation in mountainous area of North Hebei province，their forest hydrological effects were studied.The results showed that：（1） canopy interception reduced with the decreasing of stand density，but the undergrowth vegetation interception raised with the decreasing of stand density；（2） the maximum litter water retention reduced with the decreasing of stand density，and the maximum litter water retentions of three plots with stand density of 1 584 trees/hm²，864 trees/hm²and 684 trees/hm²had smaller disparities，which were 155.66%，149.58%，and 142.25% of the sample stand with 388 trees/hm²；（3） soil water-holding ability raised with the decreasing of stand density，and the soil water-holding abilities of plots with stand density of 864 trees/hm²，684 trees/hm²and 388 trees/hm²were 105.47%，116.19%，and 116.51% of the sample stand with 1 584 trees/hm².The soil water-holding abilities of sample stand with 684 trees/hm²and 388 trees/hm²were close to each other.Pinus tabulaeformis plantation with suitable density could improve forest water conservation.

Key words：density control；vegetation interception；litter water retention；soil water retention；Pinus tabulaeformis platation

油松根系發(fā)達(dá)，適應(yīng)性強(qiáng)，耐干旱貧瘠，造林易成活，具有保持水土和保護(hù)環(huán)境的功能，廣泛分布于我國北方山地。河北山地現(xiàn)有的油松（Pinus tabulaeformis） 人工林主要是20世紀(jì)60年代以來營造的。

森林結(jié)構(gòu)決定其生態(tài)功能，林分密度作為林分結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)之一，對(duì)其涵養(yǎng)水源[1]、保持水土[2]、固碳釋氧[3-4]、物種保育[4]等生態(tài)功能有較大影響。在林分尺度對(duì)森林水文效應(yīng)的研究，以往多偏重于同一地域不同樹種的水文效應(yīng) [5-8]，關(guān)于森林水文效應(yīng)對(duì)林分密度調(diào)控的響應(yīng)研究較少。本文對(duì)冀北山地不同保留密度人工油松的水文效應(yīng)做了定量分析，以期為增強(qiáng)冀北山地油松林的涵養(yǎng)水源能力提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況

研究地設(shè)在河北省木蘭圍場(chǎng)國有林場(chǎng)管理局北溝林場(chǎng)（41°50′N，117°34′E），位于陰山山脈、大興安嶺余脈向西南延伸和燕山余脈的結(jié)合部。該區(qū)域年降水量400～550 mm，主要集中在6月-8月份，年蒸發(fā)量1 350 ～ 1 500 mm，最高氣溫35℃，最低氣溫-39 ℃，無霜期62～120 d。研究地土壤為天然次生林下發(fā)育的山地棕壤，土層較深厚，坡度15°～25°，海拔1 100 m。該區(qū)域主要森林類型有人工華北落葉松林（Larix principis-rupprechtii）、人工油松林、人工樟子松林（Pinus sylvestris）和以山楊（Pobulus davidiana）、蒙古櫟（Quercus mongolica）、白樺（Betula platyphylla） 等為主要樹種的天然闊葉林。

不同密度油松林枯落物組成有一定差異，1 584株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地和864株/hm²，林下枯落物組成一致，都為油松落葉；而388株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地和648株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地枯落物組成，除了油松針葉外還有不同比例闊葉喬木、灌木落葉及草本枯死植株，其初期吸水速度和最大持水量大于其它標(biāo)準(zhǔn)地的枯落物。以對(duì)數(shù)函數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)不同密度油松林枯落物各層持水量與浸泡時(shí)間（0.25～ 24 h）進(jìn)行回歸分析，得出該時(shí)段內(nèi)枯落物持水量與浸泡時(shí)間之間相關(guān)關(guān)系，見表4。

（3）不同密度油松林枯落物吸水速率。

不同密度油松林枯落物的吸水速率變化規(guī)律一致，在前0.25 h內(nèi)吸水速率最大，隨著浸水時(shí)間的增長急劇下降，4 h吸水速率下降速度減緩。對(duì)4種密度油松林不同層次枯落物吸水速率與浸泡時(shí)間進(jìn)行擬合，結(jié)果見表5。不同的枯落物組成差異，決定了1 584株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地的枯落物初期吸水速率大于其它標(biāo)準(zhǔn)地，但隨浸水時(shí)間延長，枯落物吸水速率趨向一致。這主要是隨著浸泡時(shí)間增長，枯落物持水量接近其最大持水量，其持水量增長速度隨之減緩所致。

（4）枯落物持水量和有效攔蓄量。

各標(biāo)準(zhǔn)地枯落物的最大持水量隨著林分密度的減小而減小，其中A標(biāo)準(zhǔn)地、B標(biāo)準(zhǔn)地和C標(biāo)準(zhǔn)地最大持水量分別為75.82 t/hm²、72.84 t/hm²和68.01 t/hm²，三者之間差距相對(duì)較小，D標(biāo)準(zhǔn)地最大持水量為47.19 t/hm²，和其余3塊標(biāo)準(zhǔn)地有較大差距。各標(biāo)準(zhǔn)地的自然含水率表現(xiàn)出隨著林分密度減小而減小的趨勢(shì)。各標(biāo)準(zhǔn)地有效攔蓄量表現(xiàn)出隨著林分密度減小而減小的趨勢(shì)，其隨林分密度變化規(guī)律和最大持水量較為相似，A標(biāo)準(zhǔn)地、B標(biāo)準(zhǔn)地和C標(biāo)準(zhǔn)地之間的有效攔蓄量差距相對(duì)較小，D標(biāo)準(zhǔn)地有效攔蓄量和其余3塊標(biāo)準(zhǔn)地差距較大，A標(biāo)準(zhǔn)地、B標(biāo)準(zhǔn)地和C標(biāo)準(zhǔn)地的有效攔蓄量分別是D標(biāo)準(zhǔn)地的1.56倍、1.50倍和1.42倍。

3.3 土壤持水力

土壤是林地蓄水功能發(fā)揮的主要場(chǎng)所，土壤厚度和土壤非毛管孔隙度等共同決定了土壤的持水能力[16]。植被在生長過程中，其根系不斷新老更替，枯落物不斷堆積分解，這都能在一定程度上改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤的入滲性能和貯水能力[16-17]。研究區(qū)域土層厚度一般為40～60 cm，為了方便進(jìn)行比較，本研究只對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)地0～40 cm土層非毛管孔隙的持水能力進(jìn)行分析。

不同密度林分的土壤容重、土壤持水力見表6。各標(biāo)準(zhǔn)地土壤容重隨林分密度減小表現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)。B、C、D標(biāo)準(zhǔn)地0～10 cm處土壤容重值分別比A標(biāo)準(zhǔn)地小0.79%、1.58%和3.94%；在10～20 cm處土壤容重值分別小0.77%、3.85%和3.85%；C、D標(biāo)準(zhǔn)地20～40 cm處土壤容重分別小1.49%和3.73%。林分密度對(duì)0～10 cm及10～20 cm層土壤容重的影響大于20～40 cm。在各標(biāo)準(zhǔn)地中，非毛管孔隙度都是0～10 cm最大，10～20 cm次之，10～20 cm最?。磺腋鲗油寥赖姆敲芸紫抖榷急憩F(xiàn)出隨著密度的減小而增大的趨勢(shì)。B、C、D標(biāo)準(zhǔn)地的土壤持水能力分別為A標(biāo)準(zhǔn)地的105.47%、116.19%、116.51%，C標(biāo)準(zhǔn)地和D標(biāo)準(zhǔn)地的土壤持水能力較為接近。

4 結(jié)論與討論

（1）主林層林冠截留能力隨林分密度的減小而減小，1 584株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地的林冠截留能力是388株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地的2倍。低密度油松林林下光照條件較好，灌草高度和蓋度相對(duì)較大，林下灌草截留能力較大，和石麗麗[1]研究結(jié)論一致。

（2）間伐可改變林下地表溫度、濕度等小氣候條件[14]，不同保留密度林分林下植被狀況[16]、枯落物分解速度[14]也會(huì)不同。雖然較強(qiáng)光照能降低較低密度油松林枯落物的自然含水量，但低密度油松林枯落物總厚度較小，導(dǎo)致低密度油松林枯落物有效攔蓄量較小，和蘇芳莉[18]研究結(jié)論相似。不同密度油松林枯落物組成有一定差異，388株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地枯落物組成含有一定比例闊葉喬木及灌草落葉，其初期吸水速率大于其它標(biāo)準(zhǔn)地的枯落物。1584株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地、864株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地和648株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地有效攔蓄量之間差距相對(duì)較小，388株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地和其余3塊標(biāo)準(zhǔn)地有較大差距，1 584株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地、864株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地和648株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地有效攔蓄量分別是388株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地的1.56倍、1.50倍和1.42倍。

（3）林下灌草枯萎植株的根系能改善土壤物理性質(zhì)[14]，低密度油松林林下灌草生物量較大，一定程度上增大了土壤非毛管孔隙度。864株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地、648株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地和388株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地的土壤持水能力分別為1 584株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地的1.05倍、1.16倍、1.17倍，648株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地和388株/hm²標(biāo)準(zhǔn)地的土壤持水能力較為接近。

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