造林密度對樟子松人工林枯落物和土壤持水能力的影響

侯瑞萍，張克斌，郝智如

北京林業大學水土保持和荒漠化防治教育部重點實驗室，北京 100083

造林密度對樟子松人工林枯落物和土壤持水能力的影響

侯瑞萍，張克斌，郝智如

北京林業大學水土保持和荒漠化防治教育部重點實驗室，北京 100083

以毛烏素沙地東南緣榆林市城北6 km的珍稀沙生植物保護基地為研究地點，通過對30個相同立地條件下10種不同造林密度（即10種森林類型，每種設3個重復）的樟子松（Pinus sylvesiris var. mongolica）人工林標準地進行調查、林下枯落物和土壤持水能力的定量測定，比較并分析了造林密度對其林下枯落物和土壤持水性能的影響。這10種樟子松樣地的編號及造林密度分別為PⅠ（900 plant·hm-2）、PⅡ（1 200 plant·hm-2）、PⅢ（1 500 plant·hm-2）、PⅣ（1 800 plant·hm-2）、PⅤ（2 200 plant·hm-2）、PⅥ（2 500 plant·hm-2）、PⅦ（2 800 plant·hm-2）、PⅧ（3 000 plant·hm-2）、PⅨ（3 300 plant·hm-2）和PⅩ(3 600 plant·hm-2。結果表明，（1）各樣地枯落物總量（TL）的排序依次為TLPⅢ=TLPⅣ>TLPⅩ>TLPⅧ>TLPⅨ>TLPⅥ>TLPⅦ>TLPⅤ>TLPⅡ>TLPⅠ；最大持水量的變動范圍為2.46～8.23 t·hm-2；有效持水量在0.163～6.42 t·hm-2，PⅢ和PⅣ樣地枯落物持水功能表現最好，PⅠ樣地表現最差。（2）各林地林下土壤自然含水量、土壤容重和土壤最大持水量無顯著差別，變動范圍分別在8.94%～16.54%、1.10～1.66 g·cm-3和200.43～266.43 t·hm-2；土壤非毛管孔隙度差異較大，變動范圍為0.99%～4.32%；PⅢ和PⅣ樣地土壤持水功能表現最好，PⅠ樣地表現最差。（3）利用冪函數分別對枯落物吸水速度與浸泡時間、枯落物持水量與浸水時間進行擬合，均有較高的擬合系數。各樣地森林土壤的平均穩滲速率幾乎沒有差異，均在20 min左右穩定在0.11～0.89 mm·min-1。（4）研究發現，PⅢ和PⅣ樣地枯落物和土壤持水能力最好，最佳造林密度是1 500～1 800 plant·hm-2。為防止林分衰退，應及時適當間伐。同時，該地區是否適合大面積大密度的樟子松人工造林，還有待進一步研究。

枯落物；持水量；造林密度

森林枯落物和土壤是森林生態系統的重要組成部分，對森林水源涵養功能的發揮起著決定性作用。特別是枯落物層結構疏松，具有良好的透水性和持水能力，在降水過程中起緩沖器的作用（Nicks等，1987；Semenov和Barrow，1997；Wilks，1992）。近年來，各地學者主要對不同地域多種森林類型下的枯枝落物和土壤持水性能展開了研究（張洪江等，2002；耿玉清和王保平，2000；田平等，2005；劉世海等，2001；陳書軍等，2006），但對于干旱和半干旱地區樟子松人工林的相關研究非常少。劉向東等對黃土高原半干旱區油松（Pinus tabuliformis）林地土壤蒸發特性進行研究，結果表明枯枝落葉層厚度與土壤蒸發量成負相關，增加枯落物覆蓋厚度可有效增大土壤含水量（劉向東等，1991）。殷麗強對內蒙古鄂爾多斯市人工沙棘（Hippophae rhamnoides）林地枯落物持水性能進行研究，得出沙棘群落林齡與枯落物干重蓄積量和持水率呈正相關，枯落物干重蓄積量、立地條件、林齡和枯落物持水率是影響沙棘枯落物持水量的主要因素（殷麗強和梁月，2007）。時忠杰等研究了寧夏六盤山主要森林類型枯落物的水文功能，研究表明針葉林枯落物蓄積量最高，闊葉林次之，灌叢最低，浸水實驗表明：枯落物的持水量隨浸泡時間的增加呈對數曲線增長，吸水速率與浸泡時間呈反函數關系（時忠杰等，2009）。

中國是受沙塵暴危害嚴重的國家之一。為防治土地荒漠化，我國已經開展大量的防治方法和科學研究。樟子松（Pinus sylvesiris var. mongolica）為歐洲赤松在遠東的一個地理變種，原產于我國大興安嶺的呼倫貝爾盟，在三北防護林建設中廣泛應用，是我國北方重要的水土保持和防風固沙造林樹種。到目前為止，許多學者對樟子松在干旱沙區的生長和生理特性做了大量研究（王繼和等，1999；趙雨森等，1991；吳春榮等，2003），但對不同密度的成熟沙地樟子松枯落物和土壤持水能力缺乏定量研究。本文以我國西北地區陜西省榆林市為研究區，以樟子松人工林為研究對象，通過比較和分析 10種造林密度下樟子松人工林枯落物和土壤持水能力，以揭示其水文涵養功能，對于今后開展森林生態系統管理、綠化造林、防治沙地退化和提高水分利用效率等方面具有重要意義。

1 研究區概況

研究區位于毛烏素沙地南緣的榆林市城北 6 km的陜西省榆林市珍稀沙生植物保護基地，該植物園建于1957年，當時全部為流動沙地，植被蓋度不到3%，植物種單一，只有沙蒿、沙柳零星分布。經過50多年來的飛播治沙、植物引種、沙地植被建設等措施，已經全部改造為固定沙地，植被蓋度達到 85%以上。地理坐標為 E109°42′54″，N 38°20′11″，海拔1250 m，屬溫帶半干旱大陸性季風氣候。年均氣溫8.8 ℃，1月平均氣溫-8.6 ℃，7月平均氣溫23.9 ℃，無霜期134～153 d。年平均降水量358.1 mm，主要集中在7、8、9月，降水量年際變化較大。土壤類型為固定風沙土，主要植物種包括樟子松、油松、旱柳（Salix matsudana）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、胡楊（Populus euphratica）、沙柳（Salix psammophila）、沙地柏（Juniperus sabina Linn.）、花棒（Hedysarum scoparium）、楊柴（Hedysarum mongolicum）、達烏里胡枝子（Lespedeza davurica）、紫花苜蓿（Medicago sativa）、沙蒿（Artemisia desterorum）、狗尾草（Setaria viridis）等。

2 研究方法

2.1 樣地布設

在 20世紀 80年代栽種的不同密度的林齡20～30年樟子松人工林內，布設20 m×20 m的樣地，并設置3次重復。樣地均為水平固定沙地，且造林后人為干擾相對較少。在樣地內對喬木進行每木檢尺，計測樣地內樟子松的郁閉度、株數、胸徑、高度、冠幅等指標。樣地林分特征如表 1，可以看出PⅢ和PⅣ樣地高徑較大，林木結構較好。

2.2 林下枯落物采集

在每個樣地內隨機選取6個1.0 m×1.0 m的樣方，對樣方內的枯落物半分解層（難分辨已分解層將其劃入半分解層）和未分解層分別收集（張洪江等，2003）。現場記錄枯落物層厚度等相關數據，將枯落物帶回實驗室，利用 1%便攜式電子天平稱質量，并在102 ℃下烘干至恒質量。

2.3 枯落物持水量和吸水速率的測定

采用室內浸泡法測定枯落物持水量，并計算枯落物吸水速率（鄧繼峰等，2014）。

2.4 枯落物有效攔蓄量的測定

采用有效攔蓄量來估算枯落物對降雨的攔蓄量（姜海燕等，2007）。

2.5 土壤物理性質的測定

土壤調查采用剖面法，用環刀按照土層0～10、10～20、20～30 cm……90～100 cm分層取樣，每層3個重復，烘干法測定土壤含水量，環刀法測定土壤容重、孔隙度等物理性質。利用土壤層厚度和非毛管孔隙度測定數據，計算土壤持水量（白晉華等，2009）。土壤滲透性采用雙環滲透法測定（白晉華等，2009）。

3 結果與分析

3.1 枯落物厚度和總量

枯落物總量受多種因子的影響，因林齡、林分組成、林型、生長季節的不同而有顯著差異（林波等，2002）。從表2可以看出，PⅣ樣地枯落物半分解層（F層）和未分解層（L層）厚度最大，PⅢ次之，PⅠ最小。各樣地枯落物F層總量及厚度略高于L層，所占比例約為50%?？萋湮锟偭浚═L）排序為：TLPⅢ=TLPⅣ>TLPⅩ>TLPⅧ>TLPⅨ>TLPⅥ>TLPⅦ> TLPⅤ>TLPⅡ>TLPⅠ。由此可見：PⅢ和PⅣ樣地枯落物厚度和總量均高于其他樣地，枯落物實際截持能力較高。

表2 不同造林密度枯落物總量Table 2 Total capacity of litter under different afforestation densities

表3 不同造林密度枯落物持水量Table 3 Water-holding capacity of litter under different afforestation densities

3.2 枯落物的持水能力

3.2.1 枯落物持水量

如表 3所示，PⅢ和PⅣ樣地枯落物各持水量指標均高于其他樣地。PⅣ樣地枯落物最大持水量最大，為8.23 t·hm-2，相當于0.823 mm水深，PⅠ樣地最小，為2.46 t·hm-2，相當于0.246 mm水深。最大持水量（設為WC）排序為：WCPⅣ>WCPⅢ>WCPⅥ> WCPⅨ> WCPⅦ>WCPⅧ>WCPⅩ>WCPⅤ>WCPⅡ>WCPⅠ。PⅢ樣地的有效持水量最大，是有效持水量最小的PⅠ樣地的39.39倍?？偟挠行r蓄量PⅢ樣地最大，為 6.1 t·hm-2，PⅣ樣地次之，PⅡ樣地最低。各樣地林下枯落物最大持水量、有效攔蓄量基本是L層>F層。各樣地枯落物最大持水率、有效持水率和自然含水率等變動范圍分別是100%～154%、90%～161%和 11%～44%，枯落物最大持水率范圍與我國其它地區各人工林類型結果較為一致（楊吉華等，2003）。利用SPSS18軟件對表3中自然持水量、最大持水量、最大持水率等7個指標分別進行單樣本T檢驗，其他9個樣地與PⅣ樣地比較結果顯示，sig值介于0～0.013之間，均小于0.05，則說明PⅣ樣地枯落物持水量指標與其他樣地有顯著性差異，PⅣ樣地枯落物持水能力明顯好于其他樣地。

3.2.2 枯落物持水量隨時間變化規律

枯落物持水量與浸水時間具有S型曲線關系，即在最初浸泡4 h內，枯落物持水量增加很快，而后隨浸泡時間的延長，增加速度逐漸減慢，24 h時持水量的變化非常緩慢，已基本達到飽和。

對各樣地枯落物持水量與浸水時間進行回歸分析（圖1和圖2），存在以下關系：

式中：y為枯落物持水深（mm）；x為浸水時間（h）；A，B為方程系數。

圖1 枯落物L層持水量與浸泡時間關系Fig. 1 The relationship between water-holding capacity of L layer litter and its soaking time

3.2.3 枯落物吸水速率隨時間變化規律

表4 林下枯落物吸水速度與浸泡時間關系式Table 4 The relationship between water absorption rate and immersion time of litter

式中：v為吸水速率，g·kg-1·h-1；1a為方程系數；2a為指數；t為吸水時間，h。

3.3 土壤特征及其持水能力

3.3.1 土壤物理性質

土壤容重和孔隙度是反映土壤固體顆粒和孔隙狀況最基本的參數，是影響土壤通氣性和透水性的重要指標，對土壤水源涵養功能的發揮起著決定作用。不同森林類型因植物種類、枯落物分解程度及土壤動物微生物的影響而產生一定差異。從表 5可以看出：PⅢ和PⅣ樣地土壤通氣性和透水性較好，PⅣ樣地土壤毛管持水量最大，為 27.31%，是毛管持水量最小的PⅠ樣地的2.67倍，PⅣ樣地土壤有較強的容水能力。PⅣ樣地土壤自然含水量最大，為16.54%，PⅥ樣地最小，為8.94%。土壤毛管孔隙度存在明顯差異，PⅢ樣地最大，為40%，是PⅠ樣地的3.33倍，變動范圍為12%～40%。各樣地土壤非毛管孔隙度差異最大，PⅡ樣地最大，為4.32%，最低的是PⅥ樣地，為0.99%，PⅡ樣地是PⅥ樣地的4.36倍。除PⅢ和PⅣ樣地，其他樣地土壤的毛管持水量和毛管孔隙度呈現隨林分密度和郁閉度增大而增大的趨勢。土壤容重無顯著性差異，變動范圍為1.10～1.66 g·cm-3。

圖2 枯落物F層持水量與浸泡時間關系Fig. 2 The relationship between water-holding capacity of F layer litter and its soaking time

表5 不同造林密度土壤物理性質Table 5 The physical properties of the soil under different afforestation densities

3.3.2 土壤持水性能

林地土壤是森林涵養水源的主體，富含有機質，直接影響水分的輸入和輸出量，是制約森林生態系統水源涵養功能的重要因素。而林地對降水涵養調節功能又體現為對水分的靜態涵養能力（蓄水能力）和動態調節能力（滲透性能）（巍強等，2008）。表6得出，PⅢ和PⅣ樣地土壤蓄水性和滲透性明顯好于其他樣地。無論是土壤最大持水量還是有效持水量都是 PⅣ樣地最高，分別達到 289.43和 60.32 t·hm-2，PⅢ次之。除PⅢ和PⅣ樣地，其他樣地土壤的最大持水量呈現隨林分密度和郁閉度增大而增大的趨勢。土壤的初滲速率有顯著差異，變動范圍為8.20～16.34 mm·min-1。土壤穩滲速率在 0.11～0.89 mm·min-1，與陳瑤等（陳瑤等，2005）對黃土坡耕地棄耕后土壤入滲變化規律研究結果相近。PⅢ樣地土壤穩滲速率最大，PⅠ樣地最小，PⅢ樣地是 PⅠ樣地的8.09倍。各樣地土壤毛管孔隙度的差異可能是引起土壤入滲速度的主要原因。為確保數據比較的科學性，利用SPSS18軟件對最大持水量、有效持水量、初滲速率和穩滲速率分別進行單樣本T檢驗，其他9個樣地與PⅣ樣地比較結果顯示，sig值介于0～0.003之間，均小于0.05，則說明PⅣ樣地土壤持水性能指標與其他樣地有顯著性差異，PⅣ樣地土壤蓄水和滲透性明顯好于其他樣地。

表6 不同造林密度土壤的蓄水性和滲透特性Table 6 The water storage and infiltration characteristics of the soil under different afforestation densities

4 討論與結論

4.1 討論

樟子松是我國三北地區主要優良造林樹種之一，在河北、陜西榆林、內蒙古、新疆、遼寧和黑龍江等地引進栽培，樟子松生長尚稱良好。研究區樟子松造林密度在900～3600 plant·hm-2，按栽植25年計算，樟子松平均樹高最高達13.26 m，每年平均高生長量達到30～53 cm，與遼寧省章古臺鎮樟子松人工林每年高生長量（可達30～40 cm）相近（孫保平，2003）。研究區樟子松胸徑最高達到19.04 cm，每年胸徑生長量達到0.46～0.76 cm。與陳瑤和朱萬才（2010）等學者對黑龍江省佳木斯市橫頭山林場樟子松人工林胸徑生長規律（年生長在 0.56～0.87 cm）相吻合。一般來說，人工固沙區21年生樟子松平均高可達8.6 m，胸徑14.8 cm，最高10.4 m，胸徑25 cm（孫保平，2003）。目前來看，研究區樟子松長勢良好。

綜合以上分析可以得出如下結論:(1)相較于正常語速，語速降低能夠顯著促進不同聽力水平(較低和較高中等聽力水平)學生的總體聽力理解能力。(2)對于較高中等聽力水平學生來說，語速降低有助于顯著提高他們在長對話和短文題型下的聽力理解得分;對于較低中等聽力水平學生來講，降低語速只能顯著提高他們在相對簡單的短對話題型下的聽力理解分數。關于余下的題型，不同聽力水平班級雖然可以因為語速的減慢而獲得高一點兒的分數，但分數的提高并沒有達到顯著差異的水平。

榆林地區年降雨量小，較弱的雨強不能使枯落物層達到飽和，卻可以使枯落物層有效地含蓄水體。森林土壤的持水能力遠大于枯落物層，是涵養水源的主體，因此選取合理的造林密度對于改良當地土壤結構、提高其入滲性能存在積極作用。

在研究區布設的觀測樣地中，PⅢ樣地和 PⅣ樣地造林密度在1500～1800 plant·hm-2之間，枯落物和土壤持水能力表現最好，PⅠ樣地造林密度在3600 plant·hm-2，其枯落物持水能力最差?？萋湮锍炙颗c浸水時間、吸水速度與浸泡時間之間有較好的回歸關系。各樣地土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度差異較大，各類型土壤毛管孔隙度的差異可能是引起土壤入滲速度的主要原因。

4.2 結論

目前來看，樟子松人工林長勢不錯，生長良好，尤其是PⅢ和PⅣ樣地其林下枯落物厚度及總量、枯落物和土壤的持水能力均強于其他密度的樟子松樣地。說明其枯落物層分解較快，使得土壤具有良好的蓄水潛力，起到沙地退化恢復，也更好地發揮出了涵養水源的生態效益和經濟效益。但是，在榆林地區干旱少雨、水資源匱乏、生態環境脆弱、又不屬于森林分布帶的現實條件下，隨著樟子松林郁閉度的不斷增大，樹木之間爭奪水分、養分和生長空間將日益激烈，樹木的后期生長將會受到很大影響。密度控制或密度管理在營林方面極為重要，為防止林分衰退，應及時適當間伐；因此，在榆林地區樟子松最佳造林密度是否為 1500～1800 plant·hm-2，是否適合大面積大密度的樟子松造林，還有待進一步研究和論證。

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Effects of Different Afforestation Densities of Pinus Sylvesiris var. Mongolica on the Water-holding Capacity of Forest Litter and Soil

HOU Ruiping, ZHANG Kebin, HAO Zhiru
Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Desertification Combating of Ministry of Education, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China

A case study was conducted at the Rare Sand Plant Protection Base, about 6 km north from Yulin city, which lies in north of Shaanxi province and the southern edge of Mu Us Sandland, China. For the purpose of comparing and analyzing the effects of 10 different density plantations of Pinus sylvesiris var. mongolica on the water-holding capacity of forest litter and soil, 30 standard plots of artificial forest with the same site conditions (10 types of forest×3 replications) were investigated and the water-holding capacity of litter and soil were determined quantitatively. The ten types of sample plots were recorded as PⅠ, PⅡ, PⅢ, PⅣ, PⅤ, PⅥ, PⅦ, PⅧ, PⅨ, and PⅩ, and the afforestation densities of Pinus sylvesiris var. mongolica were 900, 1 200, 1 500, 1800, 2 200, 2 500, 2 800, 3 000, 3 300 and 3600 plant·hm-2respectively. The results showed that, (1) The total capacity of litter (TL) among 10 forest types, generally followed by the sequence of forest densities, were TLPⅢ=TLPⅣ>TLPⅩ>TLPⅧ>TLPⅨ>TLPⅥ>TLPⅦ>TLPⅤ>TLPⅡ>TLPⅠ; the maximum water-holding capacity and effective water-holding capacity of litter, for 10 forest types, were 2.46～8.23 t·hm-2and 0.163～6.420 t·hm-2respectively. The water-holding functions of litter in PⅢand PⅣplots were the best and was the worst in PⅠplot among the ten types. (2) There were no significant differences in water content, bulk density and the maximum water-holding capacity of soil amongst these forest types, with the variation ranges of 8.94%～16.54%, 1.10～1.66 g·cm-3and 200.43～266.43 t·hm-2, respectively. However, the non-pore porosity of soil among these 10 forest types varied greatly, with a variation range of 0.99%～4.32%. The water-holding functions of soil were the highest in PⅢand PⅣplots, and the lowest in the PⅠplot. (3) Power function model can better indicate high correlation coefficients between the water absorption rate of litter and its immersion time, and also between the water-holding capacity of litter and its soaking time. The stable infiltration rates of soil in 10 different forest stands were consistent, while they varied greatly with a range of 0.11～0.89 mm·min-1after 20 minutes. And (4) in this study, the water-holding capacity of forest litter and soil in PⅢand PⅣplots were the best, and the optimal afforestation density was 1 500 to 1 800 plants per hectare . The results show that thinning should be done timely and appropriately in this study area to prevent the recession of forest stand. Besides, it is unapproachable whether Pinus sylvesiris var. mongolica can be planted in large scale or in high density, and further research is needed.

forest litter; water-holding capacity; afforestation density

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.04.012

S715.7

A

1674-5906（2015）04-0624-07

侯瑞萍，張克斌，郝智如. 造林密度對樟子松人工林枯落物和土壤持水能力的影響[J]. 生態環境學報, 2015, 24(4): 624-630.

HOU Ruiping, ZHANG Kebin, HAO Zhiru. Effects of Different Afforestation Densities of Pinus Sylvesiris var. Mongolica on the Water-holding Capacity of Forest Litter and Soil [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(4): 624-630.

國家自然科學基金項目（30771764）；國家林業局荒漠化定位監測項目（200-628260）

侯瑞萍（1977年生），女，博士研究生，研究方向為荒漠化防治與監測。Email: happyhrp@126.com *通信作者：張克斌（1957年生），男，教授，博士生導師，研究方向為荒漠化監測與防治。E-mail:ctccd@126.com

2015-02-26