灤河上游不同密度油松林水源涵養功能研究

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.河北農業大學 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系統的重要組成部分，在生態系統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，有些油松林表現出了生長衰退，生態功能低下等現象。本研究以不同密度的油松林的枯落物厚度、土壤持水能力、水源涵養指數，來評價木蘭圍場地區油松林的土壤水源涵養功能，并確定比較合理的林分密度使油松林處于較優狀態，旨在為森林健康的監測和評價提供一定的理論依據［1－2］。

1 區域概況

本次調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。東與內蒙古赤峰市接壤，南及西南與隆化、豐寧兩縣連接，北與內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京津生態安全的生態特區這一重任，因其地處灤河上游，對下游地區的樹木生長和水源涵養影響甚重；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。在京津地區生態環境安全方面，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，詳細的調查了林內的情況，調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 采用室內浸泡法測定枯落物持水量及其吸水速度，依據枯落物的分解程度，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枯落物層厚度［6－7］。然后帶回實驗室，稱樣品鮮質量和烘干質量，并用單位面積枯落物的烘干質量來表示蓄積量。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——樣品鮮質量（g）；m2——樣品烘干質量（g）；S——飽和持水率；m3——樣品浸水24h后的質量（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，用環刀法測定土壤容重、孔隙度等物理性質，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

枯落物是森林生態系統中的重要組成，在改良土壤、增加降水入滲性能和維持林地的生態系統養分循環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律，非毛管孔隙度與非毛管蓄水量所呈現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，沒有明顯的規律可言。

3.3 不同密度林分土壤水源涵養功能綜合評價

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指數，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指數是呈現增加趨勢的，其中的最大值是最小值的1.35倍，當密度處于1 500株／hm2時，指數趨于穩定，在1 500～1 800株／hm2之間時水源涵養指數較高，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指數

4 結 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律，非毛管孔隙度與非毛管蓄水量所呈現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%，沒有明顯的規律可言。

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

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