冀北山地人工油松林水文效應研究

張栓堂 石麗麗 曲世偉 王雄賓

摘要：分密度對森林水文效應有一定影響，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象，對其水文效應進行了研究。結果表明：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標準地枯落物最大持水量差距相對較小，分別是林分密度388株/hm²標準地的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出逐漸增大趨勢，林分密度864株/hm²、684株/hm²和388株/hm²標準地土壤持水能力分別為林分密度1 584株/hm²標準地的1.05倍、1.16倍、1.17倍，密度684株/hm²和388株/hm²標準地的土壤持水能力較為接近。對油松人工林進行合理撫育間伐，保留合適密度，能改善其涵養水源功能。

關鍵詞：密度調控；植被截留；枯落物持水；土壤持水；油松人工林

中圖分類號：S715 文獻標志碼：A 文章編號：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

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

森林結構決定其生態功能，林分密度作為林分結構的主要指標之一，對其涵養水源[1]、保持水土[2]、固碳釋氧[3-4]、物種保育[4]等生態功能有較大影響。在林分尺度對森林水文效應的研究，以往多偏重于同一地域不同樹種的水文效應 [5-8]，關于森林水文效應對林分密度調控的響應研究較少。本文對冀北山地不同保留密度人工油松的水文效應做了定量分析，以期為增強冀北山地油松林的涵養水源能力提供科學依據。

1 研究地概況

研究地設在河北省木蘭圍場國有林場管理局北溝林場（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合部。該區域年降水量400～550 mm，主要集中在6月-8月份，年蒸發量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育的山地棕壤，土層較深厚，坡度15°～25°，海拔1 100 m。該區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標準地和864株/hm²，林下枯落物組成一致，都為油松落葉；而388株/hm²標準地和648株/hm²標準地枯落物組成，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準地的枯落物。以對數函數為基礎，對不同密度油松林枯落物各層持水量與浸泡時間（0.25～ 24 h）進行回歸分析，得出該時段內枯落物持水量與浸泡時間之間相關關系，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律一致，在前0.25 h內吸水速率最大，隨著浸水時間的增長急劇下降，4 h吸水速率下降速度減緩。對4種密度油松林不同層次枯落物吸水速率與浸泡時間進行擬合，結果見表5。不同的枯落物組成差異，決定了1 584株/hm²標準地的枯落物初期吸水速率大于其它標準地，但隨浸水時間延長，枯落物吸水速率趨向一致。這主要是隨著浸泡時間增長，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。

各標準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標準地、B標準地和C標準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較小，D標準地最大持水量為47.19 t/hm²，和其余3塊標準地有較大差距。各標準地的自然含水率表現出隨著林分密度減小而減小的趨勢。各標準地有效攔蓄量表現出隨著林分密度減小而減小的趨勢，其隨林分密度變化規律和最大持水量較為相似，A標準地、B標準地和C標準地之間的有效攔蓄量差距相對較小，D標準地有效攔蓄量和其余3塊標準地差距較大，A標準地、B標準地和C標準地的有效攔蓄量分別是D標準地的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揮的主要場所，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構，增強土壤的入滲性能和貯水能力[16-17]。研究區域土層厚度一般為40～60 cm，為了方便進行比較，本研究只對各標準地0～40 cm土層非毛管孔隙的持水能力進行分析。

不同密度林分的土壤容重、土壤持水力見表6。各標準地土壤容重隨林分密度減小表現出逐漸下降的趨勢。B、C、D標準地0～10 cm處土壤容重值分別比A標準地小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標準地20～40 cm處土壤容重分別小1.49%和3.73%。林分密度對0～10 cm及10～20 cm層土壤容重的影響大于20～40 cm。在各標準地中，非毛管孔隙度都是0～10 cm最大，10～20 cm次之，10～20 cm最小；且各層土壤的非毛管孔隙度都表現出隨著密度的減小而增大的趨勢。B、C、D標準地的土壤持水能力分別為A標準地的105.47%、116.19%、116.51%，C標準地和D標準地的土壤持水能力較為接近。

4 結論與討論

（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標準地的林冠截留能力是388株/hm²標準地的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較大，林下灌草截留能力較大，和石麗麗[1]研究結論一致。

（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]也會不同。雖然較強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]研究結論相似。不同密度油松林枯落物組成有一定差異，388株/hm²標準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準地的枯落物。1584株/hm²標準地、864株/hm²標準地和648株/hm²標準地有效攔蓄量之間差距相對較小，388株/hm²標準地和其余3塊標準地有較大差距，1 584株/hm²標準地、864株/hm²標準地和648株/hm²標準地有效攔蓄量分別是388株/hm²標準地的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[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標準地、648株/hm²標準地和388株/hm²標準地的土壤持水能力分別為1 584株/hm²標準地的1.05倍、1.16倍、1.17倍，648株/hm²標準地和388株/hm²標準地的土壤持水能力較為接近。

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