灤河上游不同密度油松林水源涵養(yǎng)功能研究

張建華，郭賓良，張 寧，張春茹，張 楠，谷建才，溫亞利

（1.北京林業(yè)大學，北京100083；2.保定市林木種苗管理站，河北 保定071000；3.河北農(nóng)業(yè)大學 林學院，河北 保定071000；4.河北木蘭圍場國有林場管理局，河北 圍場068450）

森林枯落物和土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在生態(tài)系統(tǒng)的功能方面具有重要作用。油松（Pinus tabulaeformis）林是河北木蘭圍場的主要樹種，但是在經(jīng)營的時候因為造林技術的不合理、牲畜的踐踏和人為的干擾等因素，有些油松林表現(xiàn)出了生長衰退，生態(tài)功能低下等現(xiàn)象。本研究以不同密度的油松林的枯落物厚度、土壤持水能力、水源涵養(yǎng)指數(shù)，來評價木蘭圍場地區(qū)油松林的土壤水源涵養(yǎng)功能，并確定比較合理的林分密度使油松林處于較優(yōu)狀態(tài)，旨在為森林健康的監(jiān)測和評價提供一定的理論依據(jù)［1－2］。

1 區(qū)域概況

本次調(diào)查是在承德圍場縣的北溝林場進行，河北省圍場縣位于河北省最北部，地處灤河上游，北緯41°47′—42°06′，東經(jīng)116°51′—117°45′，年平均氣溫－1.4～4.7℃，極端最高氣溫38.9℃，極端最低氣溫－42.9℃，≥0℃的年積溫2 180℃，無霜期67～128d。年均降水量380～560mm，主要集中在6—8月。東與內(nèi)蒙古赤峰市接壤，南及西南與隆化、豐寧兩縣連接，北與內(nèi)蒙古渾善達克沙地毗鄰。位于陰山山脈與大興安嶺山脈余脈的交匯處，是連接壩上高原和冀北山地的丘陵山地地帶。圍場縣所處的地理位置決定了其必然要擔負起護衛(wèi)京津生態(tài)安全的生態(tài)特區(qū)這一重任，因其地處灤河上游，對下游地區(qū)的樹木生長和水源涵養(yǎng)影響甚重；又因其卡在渾善達克沙地和北京中間地帶，像一道天然的綠色屏障，阻擋著渾善達克沙地向北京進軍的風沙。在京津地區(qū)生態(tài)環(huán)境安全方面，木蘭圍場起著重大的作用，因此對木蘭圍場的森林植被進行恢復與保護勢在必行。木蘭圍場林管局共有十個林場，北溝林場屬于其一，北溝林場自1956年開始建立，林場總經(jīng)營面積5 730hm2，森林主要喬木樹種有白樺、油松、山榆、華北落葉松、山楊、蒙古櫟、五角楓、榆樹等；灌木種類較多，且量較大，豐富多樣，以繡線菊灌叢、照山白最為常見；林分類型主要包含：天然林，常見樹種有楊樹、樺樹、油松等；人工林，常見樹種有山榆、油松、楊樹等；針闊混交林，林分面積分別為1 485.6，1 180.5，1 560.9hm2。活立木的蓄積總量和森林覆蓋率分別為284 104m3，88%，年采伐蓄積5 000m3左右。

2 研究方法

2.1 標準地設置

本文選取的林分為河北省木蘭圍場最為常見油松林，選取24塊處于半陽坡的25～30a生的油松林，標準地的選取要盡量選取林下的植被比較相似的林分，密度分別為 750，900，1 050，1 200，1 360，1 500，1 800，2 100株／hm2，詳細的調(diào)查了林內(nèi)的情況，調(diào)查記錄樣地的地形地貌、人為干擾、土壤類型、海拔、坡向、坡位、坡度等（表1）。根據(jù)不同的密度的劃分，每個密度選取3塊樣地，標準地大小為30m×30m，在標準地內(nèi)各采取5塊大小為50cm×50cm的樣方，分布在標準地四個角及中心部位，用于枯落物和土壤含水量的調(diào)查［3－5］。

表1 林分概況

2.2 研究方法

2.2.1 枯落物含水量測定 采用室內(nèi)浸泡法測定枯落物持水量及其吸水速度，依據(jù)枯落物的分解程度，將枯落物按照半分解層與未分解層進行收集，測定5個小樣方內(nèi)枯落物總厚度、未分解層厚度和半分解層厚度，取各個樣方的平均值作為樣地內(nèi)枯落物層厚度［6－7］。然后帶回實驗室，稱樣品鮮質(zhì)量和烘干質(zhì)量，并用單位面積枯落物的烘干質(zhì)量來表示蓄積量。最后將枯落物分別浸泡0.5，1，2，4，6，8，24h，根據(jù)重量變化，測定分析枯落物的持水量、吸水速率和飽和持水率。采用以下公式計算枯落物的含水指標［8－9］，即：

式中：C——枯落物自然含水量（%）；m1——樣品鮮質(zhì)量（g）；m2——樣品烘干質(zhì)量（g）；S——飽和持水率；m3——樣品浸水24h后的質(zhì)量（g）；Wm——枯落物的最大攔蓄量（t／hm2）；W——枯落物的有效攔蓄量（t／hm2）；Rm——最大持水率（%）；R0——平均自然含水量（%）；M——枯落物蓄積量（t／hm2）。

2.2.2 土壤采樣及含水量測定 土壤調(diào)查采用剖面法，在各標準地選取有代表性樣點，分別按0—10，10—20，20—40cm取樣。用烘干法測定土壤含水量，用環(huán)刀法測定土壤容重、孔隙度等物理性質(zhì)，土壤持水力S＝10000hp；Sm＝10000hq式中，S——土壤持水力（t／hm2）；h——土壤層厚度（m）；p——非毛管孔 隙 度 （%）；Sm——土 壤 最 大 持 水 力 （t／hm2）；q——毛管總孔隙度（%）［10－12］。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同密度油松林枯落物的持水能力

枯落物是森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成，在改良土壤、增加降水入滲性能和維持林地的生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)中都扮演著很重要的角色，以此同時不同密度的林分中的枯落物的理化性質(zhì)也是不同的。通過對8種密度的枯落物持水量進行測定（見表2）。枯落物重量在不同密度林分中的重量也是不同的，變化趨勢是隨著密度的增加而增大。密度2 100株／hm2的林分枯落物的重量是密度750株／hm2的1.75倍；枯落物最大持水量處于自身重量的2～4倍，最大持水率在250.61%～310.66%；有效攔蓄量也隨密度的增加而增加。

表2 不同密度林分枯落物持水能力

3.2 不同密度油松林土壤持水能力

由下表（見表3）可以看出，隨著密度的增加土壤的最大持水量先是增加后減小，在1 800株／hm2達到了最大值；毛管孔隙度與毛管蓄水量沒有明顯的規(guī)律，非毛管孔隙度與非毛管蓄水量所呈現(xiàn)的變化趨勢與土壤的最大持水量是一樣的。就總孔隙度而言，沒有明顯的規(guī)律可言。

3.3 不同密度林分土壤水源涵養(yǎng)功能綜合評價

通過對土壤與枯落物的最大持水量的比較，枯落物的最大持水量只是土壤最大持水量的0.69%～0.90%，在蓄水方面枯落物的作用比較小，但是枯落物在減少雨滴對地面的沖刷、減少水土流失等方面作用很大。本研究采取歸一法，把土壤總毛管蓄水量和枯落物有效攔蓄量兩個指標記為水源涵養(yǎng)指數(shù)，由于枯落物在最大持水量與土壤最大持水量差的太大，當進行林分的水源涵養(yǎng)功能評判的時候，其中土壤非毛管蓄水量權重為0.8，枯落物有效攔蓄量為0.2，能夠較為客觀評價林分含水能力（見表4）。隨密度的增加油松的水源涵養(yǎng)指數(shù)是呈現(xiàn)增加趨勢的，其中的最大值是最小值的1.35倍，當密度處于1 500株／hm2時，指數(shù)趨于穩(wěn)定，在1 500～1 800株／hm2之間時水源涵養(yǎng)指數(shù)較高，達到1 530株／hm2時達到最大。

表3 不同密度林分土壤持水能力

表4 不同密度油松林水源涵養(yǎng)指數(shù)

4 結(jié) 論

（1）枯落物重量在不同密度林分中的重量也是不同的，變化趨勢是隨著密度的增加而增大。密度2 100株／hm2的林分枯落物的重量是密度50株／hm2的1.75倍；枯落物最大持水量處于自身重量的2～4倍，最大持水率在250.61%～310.66%；有效攔蓄量也隨密度的增加而增加。

（2）隨著密度的增加土壤的最大持水量先是增加后減小，在1 800株／hm2達到了最大值為2 868.0 t／hm2；毛管孔隙度與毛管蓄水量沒有明顯的規(guī)律，非毛管孔隙度與非毛管蓄水量所呈現(xiàn)的變化趨勢與土壤的最大持水量是一樣的。就總孔隙度而言，處于43.6%～47.8%，沒有明顯的規(guī)律可言。

（3）隨密度的增加油松的水源涵養(yǎng)指數(shù)是呈現(xiàn)增加趨勢的，其中的最大值是最小值的1.35倍，當密度處于1 500株／hm2時，指數(shù)趨于穩(wěn)定，在1 500～1 800株／hm2時水源涵養(yǎng)指數(shù)較高，在1 530株／hm2時達到最大值。

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