華北落葉松人工林林分密度對(duì)枯落物層持水能力的影響

王驕洋，王衛(wèi)軍，姜 鵬，谷建才

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定071000）

枯枝落葉層是指土壤上方所有已死植物體，是森林生態(tài)系統(tǒng)的特有層，在水源涵養(yǎng)、水土保持方面發(fā)揮著主導(dǎo)作用［1］。枯枝落葉層的持水性能取決于枯落物的組成、數(shù)量和分解程度［2］。人工林的林木自然分化和稀疏規(guī)律與天然林不同，個(gè)體間的競(jìng)爭(zhēng)能力比較接近，如果林分密度過(guò)大，容易導(dǎo)致林內(nèi)個(gè)體生長(zhǎng)不良，影響其水源涵養(yǎng)功效［3］。對(duì)林分密度過(guò)大的水源涵養(yǎng)林，應(yīng)該通過(guò)適時(shí)、適量的間伐，進(jìn)行合理的密度調(diào)控［4］。合理的經(jīng)營(yíng)密度是提高林分生產(chǎn)力的重要途徑，可有效提高林分穩(wěn)定性，獲得較大的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益［5］。

目前木蘭林管局的大面積華北落葉松人工林由于受不合理造林技術(shù)與粗放管理技術(shù)的影響，較多林分開(kāi)始出現(xiàn)生長(zhǎng)衰退、生態(tài)功能降低的現(xiàn)象，因此，合理調(diào)控密度已成為保證林分穩(wěn)定生長(zhǎng)和高效功能的關(guān)鍵技術(shù)［6］。迄今為止，有關(guān)華北落葉松的研究，多集中在速生豐產(chǎn)用材林培育技術(shù)方面，涉及水源涵養(yǎng)林的研究較少，尤其缺乏合理造林密度與成林密度的研究［7］。為此，以華北落葉松林為研究對(duì)象，綜合分析不同林齡（20，30，40，50a）華北落葉松林分密度對(duì)枯落物持水量變化的影響，探索其密度合理性，并編制華北落葉松人工林枯落物持水能力密度控制圖，以期為冀北山地華北落葉松水源涵養(yǎng)林的密度管理提供數(shù)據(jù)參考和理論依據(jù)［8］。

1 研究區(qū)概況

以河北省面積最大的木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)管理局為研究地區(qū)，位于灤河上游地區(qū)，地理坐標(biāo)為116°32′—118°14′E，41°35′—42°40′N(xiāo)，東西長(zhǎng)128km，南北寬96km，總經(jīng)營(yíng)面積102 666．7hm2，屬于中溫帶向寒溫帶過(guò)渡、半干早向半濕潤(rùn)過(guò)渡的山地氣候，具有水熱同季，冬長(zhǎng)夏短、四季分明、晝夜溫差大的特征。平均氣溫－1．4～4．7℃，極端最高氣溫38．9℃，極端最低氣溫－42．9℃；無(wú)霜期67～128d；年均降水量380～560mm，主要集中在7—9月，占全年降水量的78%；年均蒸發(fā)量1 462．9～1 556．8mm，平均相對(duì)濕度63%；平均日照為2 832h，日照百分率為64%；太陽(yáng)輻射總量為127．4×4．187～133．9×4．187kJ／cm2。研究區(qū)海拔介于1 000～1 200m，隨著海拔的升高，山地生物及氣候條件發(fā)生相應(yīng)的變化。主要土壤類(lèi)型有棕壤、褐土、風(fēng)砂土、草甸土、沼澤土、灰色森林土和黑土7類(lèi)，研究區(qū)主要為棕壤土［9］。主要喬木樹(shù)種有白樺（Betulaplatyphylla）、油松（Pinus）、華北落葉松（Larixprincipis－rupprechtii）、山楊（Pobulusdavidiana）、蒙古櫟（Quecus mongolica）、五角楓（Acerelegantulum）、榆樹(shù)（UlmuspumilaL．）等；灌木主要有山杏（Prunusarmeniaca）、沙棘（HippophaerhamnoidesLinn．）、胡枝子（LespedezabicolorTurcz．）、繡線菊（SpiraeasalicifoliaL．）等；草本植物主要有披針葉堿草（ElymusdahuricusTurcz．）、篙類(lèi)等［10］。

2 研究方法

2．1 樣地調(diào)查

華北落葉松大量分布在冀北山地的半陽(yáng)坡和半陰坡，于2012年7月在河北省圍場(chǎng)縣木蘭圍場(chǎng)內(nèi)選擇立地條件、林下灌草層植物類(lèi)型相似、林齡不同（20，30，40，50a）的華北落葉松林分進(jìn)行調(diào)查。各林齡分別設(shè)不同林分密度的樣地8塊，共設(shè)樣地32塊，樣地大小為30m×30m。分別調(diào)查樣地所在的地理坐標(biāo)、海拔、坡度、坡向、坡位；以及樣地內(nèi)的樹(shù)種組成、林齡、平均樹(shù)高、平均胸徑、公頃株樹(shù)、枯落物厚度［11］。

表1 研究區(qū)樣地立地條件

2．2 枯落物層持水量的測(cè)定

用四分法在各樣方的枯落物中取樣品200～500 g，稱(chēng)其重量（W1，g），然后置于烘箱中在85℃下烘干至恒重后稱(chēng)重（W2，g），計(jì)算枯落物自然持水率（Wr，%）。再將烘干后的枯落物裝入紗布袋中置于水中浸泡24h，然后取出將其空干（以無(wú)水滴滴下為標(biāo)準(zhǔn)）后稱(chēng)重（W3，g），用以計(jì)算枯落物的最大持水率（Wrm，%）。然而在自然條件下，山地森林的坡面上一般不會(huì)出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的浸水，實(shí)際持水量約為最大持水量的85%左右，也就是有效持水率（Ws，%）。通過(guò)推算枯落物的貯量計(jì)算枯落物最大持水量（t／hm2）及有效持水量（t／hm2）［12］。

Wr＝［（W1—W2）／W2］×100%

Wrm＝［（W3—W2）／W2］×100%

Ws＝0．8×Wrm—Wr

3 結(jié)果與分析

3．1 不同林齡枯落物層持水能力隨林分密度的變化

華北落葉松人工林不同林齡，經(jīng)營(yíng)密度下枯落物層持水能力見(jiàn)圖1—8。

圖1 20a華北落葉松林經(jīng)營(yíng)密度與枯落物最大持水量的關(guān)系

圖2 20a華北落葉松林經(jīng)營(yíng)密度與枯落物有效持水量的關(guān)系

20a華北落葉松人工林為幼齡林，經(jīng)營(yíng)密度不同，林地枯落物持水量的變化較大。林分密度為2 500株／hm2時(shí)，枯落物最大持水量和有效持水量均達(dá)到最大，分別為12．32t／hm2和5．44t／hm2。當(dāng)林分密度小于2 500株／hm2時(shí)，枯落物層持水能力隨林分密度的增加而增大，當(dāng)林分密度大于2 500株／hm2時(shí)，落物層持水能力隨林分密度的增加有所減小。

圖3 30a華北落葉松林經(jīng)營(yíng)密度與枯落物最大持水量的關(guān)系

圖4 30a華北落葉松林經(jīng)營(yíng)密度與枯落物有效持水量的關(guān)系

30a華北落葉松人工林為中齡林，隨著林分經(jīng)營(yíng)密度變化，林地枯落物最大持水量的變化趨勢(shì)較明顯。林分密度為1 800株／hm2時(shí)，枯落物最大持水量和有效持水量均達(dá)到最大，分別為18．41t／hm2和7．82t／hm2。當(dāng)林分密度小于1 800株／hm2時(shí)，枯落物層持水能力隨林分密度的增加而增大，當(dāng)林分密度大于1 800株／hm2時(shí)，落物層持水能力隨林分密度的增加有所減小。

圖5 40a華北落葉松林經(jīng)營(yíng)密度與枯落物最大持水量的關(guān)系

圖6 40a華北落葉松林經(jīng)營(yíng)密度與枯落物有效持水量的關(guān)系

40a華北落葉松人工林已經(jīng)接近成熟，隨著林分經(jīng)營(yíng)密度變化，林地枯落物最大持水量的變化趨勢(shì)較明顯。林分密度為1 000株／hm2時(shí)，枯落物最大持水量和有效持水量均達(dá)到最大，分別為23．56t／hm2和10．12t／hm2。當(dāng)林分密度小于1 000株／hm2時(shí)，落物層持水能力隨林分密度增加而增大，當(dāng)林分密度大于1 000株／hm2時(shí)，落物層持水能力隨林分密度增加有所減小。

圖7 50a華北落葉松林經(jīng)營(yíng)密度與枯落物最大持水量的關(guān)系

圖8 50a華北落葉松林經(jīng)營(yíng)密度與枯落物有效持水量的關(guān)系

50a華北落葉松人工林已經(jīng)成熟，隨著林分經(jīng)營(yíng)密度變化，林地枯落物最大持水量的變化趨勢(shì)較明顯。林分密度為800株／hm2時(shí)，枯落物最大持水量和有效持水量均達(dá)到最大，分別為33．19t／hm2和15．88t／hm2。當(dāng)林分密度小于800株／hm2時(shí)，落物層持水能力隨林分密度增加而增大，當(dāng)林分密度大于800株／hm2時(shí)，落物層持水能力隨林分密度增加而減小。

3．2 枯落物層水源涵養(yǎng)能力隨密度變化

枯落物層持水能力隨林分密度的變化規(guī)律與林木生長(zhǎng)規(guī)律一致，通過(guò)建立等樹(shù)高線、等直徑線、最大密度線、自然稀疏線、蓄積量與枯落物層持水量關(guān)系的模型，編制華北落葉松人工林枯落物持水能力密度控制圖［12］。

根據(jù)密度對(duì)單產(chǎn)和材種規(guī)格的影響，有以下幾種數(shù)學(xué)模型。

等樹(shù)高線：

V＝a11×Hb11×N－a12×Hb12×N2記為模型1

等疏密度線：

V＝Kp×N－（k3－1） 記為模型2

自然稀疏線：

V＝K5×（N0－N）×N0－K3記為模型3

等直徑線：

V＝a×Db×Nc記為模型4

用SPSS 20軟件，通過(guò)非線性回歸分析，可求得參數(shù)，具體公式如下：

等樹(shù)高線：

V＝2．3402×10－5×H3．5986×N－1．5931×10－10×H5．03269×x2記為模型5

等疏密度線（疏密度分別從0．4到1）：

V＝101831．4233×N－1．509326472

V＝255307．8374×N－1．509326472

V＝566351．1021×N－1．509326472

V＝1172893．688×N－1．509326472

V＝2371946．905×N－1．509326472

V＝5002714．05×N－1．509326472

V＝18991324．68×N－1．509326472記為模型6

自然稀疏線：

V＝102643732．8×（N0－N）×N－2．5093264720記為模型7

等直徑線：

V＝0．000423×D2．085862×N0．970966記為模型8

式中：V——林分蓄積量（m3／hm2）；D——林分平均胸徑（cm）；H——林分平均高（m）；N——林分密度（株／hm2）；N0——初始林分密度（株／hm2）。

根據(jù)枯落物最大含水量和林分蓄積量的調(diào)查數(shù)據(jù)，擬合關(guān)系式為

落葉松：Y＝11．844×ln（V）－32．398 記為模型9

式中：Y——林分枯落物最大含水量（t／hm2）；V——林分蓄積量（m3／hm2）。

華北落葉松人工林枯落物水源涵養(yǎng)功能關(guān)系相關(guān)模型。

由模型5和模型9可得等樹(shù)高線模型為：

Y＝11．844×ln（a11×Hb11×N－a12×Hb12×N2）－32．398 記為模型10

由模型公式6和模型9可得等疏密度線模型為；

由模型7和模型9可得自然稀疏線模型為：

Y＝11．844×ln（102643732．8×（N0－N）×N－2．5093264720）－32．398 記為模型12

由模型8和模型9可得等直徑線模型為；

Y＝11．844×ln（0．000423×D2．085862×N0．970966）－32．398 記為模型13

式中：Y——林分含水量（t／hm2）；D——林分平均胸徑（cm）；H——林分平均高（m）；N——任意林分密度（株／hm2）；N0——初始密度（株／hm2）。

根據(jù)模型10—13，在Origin 8．0中，繪制華北落葉松人工林枯落物層水源涵養(yǎng)能力密度控制圖（圖9）。

圖9 華北落葉松人工林枯落物層水源涵養(yǎng)能力密度控制圖

4 結(jié)論與討論

通過(guò)綜合分析不同林齡的華北落葉松人工林經(jīng)營(yíng)密度對(duì)枯落物層持水能力的影響，結(jié)合華北落葉松人工林枯落物持水能力密度控制圖得出：

（1）華北落葉松人工林適宜初植密度。華北落葉松屬于長(zhǎng)壽樹(shù)種，在研究區(qū)立地環(huán)境下培育的水源涵養(yǎng)林，至林分成熟階段，密度應(yīng)該控制在800～1 000株／hm2。研究區(qū)華北落葉松人工林15a左右開(kāi)始修枝，20a華北落葉松人工林最佳密度為2 500株／hm2，此密度可作為華北落葉松人工林的初植密度。

（2）華北落葉松人工林不同林齡的經(jīng)營(yíng)密度。華北落葉松人工林下枯落物最大持水量和有效持水量均達(dá)到最大時(shí)20a的林分經(jīng)營(yíng)密度為2 500株／hm2、30a的林分經(jīng)營(yíng)密度為1 800株／hm2、40a的林分經(jīng)營(yíng)密度為1 000株／hm2、50a的林分經(jīng)營(yíng)密度為800株／hm2。隨著林分密度的增加，枯落物層最大持水量和有效持水量的變化呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。

（3）通過(guò)建立等樹(shù)高線、等直徑線、最大密度線、自然稀疏線、蓄積量與含水量關(guān)系的模型，可以編制不同林分的水源涵養(yǎng)功能密度控制圖。華北落葉松人工林枯落物層水源涵養(yǎng)能力密度控制圖在產(chǎn)量預(yù)估、資源調(diào)查、林木間伐等方面使用方便，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐及調(diào)控森林水源涵養(yǎng)功能具有重要意義，可為華北落葉松人工林經(jīng)營(yíng)管理提供新的途徑。

［1］ 徐學(xué)華，于樹(shù)蜂，崔立志，等．冀北山地華北落葉松人工林水源涵養(yǎng)功能分析［J］．水土保持研究，2009，16（5）：162－166．

［2］ 剪文灝，李淑春，陳波，等．冀北山區(qū)三種典型森林類(lèi)型枯落物水文效應(yīng)研究［J］．水土保持研究，2011，18（5）：144－147．

［3］ 高崗．以水源涵養(yǎng)為目標(biāo)的低功能人工林更新技術(shù)研究［D］．哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2009．

［4］ 張光燦，周澤福．五臺(tái)山華北落葉松水源涵養(yǎng)林密度結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)［J］．中國(guó)水土保持科學(xué)，2007，5（1）：1－6．

［5］ 陳波，孟成生，趙耀新，等．冀北山地不同海拔華北落葉松人工林枯落物和土壤水文效應(yīng) ［J］．水土保持學(xué)報(bào)，2012，26（3）：216－221．

［6］ 李軍，田超，楊新兵．河北省木蘭林管局典型森林類(lèi)型枯落物水文效應(yīng)研究［J］．水土保持研究，2011，18（4）：192－196．

［7］ 史曉巍．水源涵養(yǎng)林功能指標(biāo)與結(jié)構(gòu)指標(biāo)的定量模擬［D］．哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2007．

［8］ 王晶，莫菲，段文標(biāo)，等．六盤(pán)山南坡不同密度華北落葉松水源林生長(zhǎng)過(guò)程比較［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，20（3）：500－506．

［9］ 魯紹偉，劉鳳芹，余新曉，等．北京山區(qū)不同密度油松結(jié)構(gòu)與功能研究［J］．水土保持研究，2008，15（2）：117－120．

［10］ 周?chē)?guó)相．經(jīng)營(yíng)密度對(duì)楊樺次生林土壤含水量及林分生長(zhǎng)量的影響［J］．林業(yè)勘察設(shè)計(jì)，2012，1（1）：88－90．

［11］ 齊記，史宇，余新曉，等．北京山區(qū)主要樹(shù)種枯落物水文功能特征研究［J］．水土保持研究，2011，18（3）：73－77．

［12］ 賈志軍，王富，甄寶艷，等．不同生態(tài)修復(fù)措施下桃林口水庫(kù)水源涵養(yǎng)區(qū)枯落物的蓄水保水效益［J］．水土保持研究，2012，19（3）：136－139．