塞罕坝华北落叶松人工林水源涵养功能研究

王卫军，赵婵璞，姜 鹏，任 仙，王骄洋，王桂真，牟 雪，谷建才

（河北农业大学, 河北 保定 071000）

塞罕坝华北落叶松人工林水源涵养功能研究

王卫军，赵婵璞，姜 鹏，任 仙，王骄洋，王桂真，牟 雪，谷建才

（河北农业大学, 河北 保定 071000）

为了评价塞罕坝地区华北落叶松人工林水源涵养功能高低，对塞罕坝地区30 a生不同密度的华北落叶松人工林的枯落物持水量、土壤水分物理特性进行研究。并依据土壤总毛管蓄水量和枯落物有效拦蓄量的大小评价不同密度林分水源涵养功能，将土壤总毛管蓄水量和枯落物有效拦蓄量归一统计，定义为水源涵养指数，作为林分的水源涵养功能的评判。结果表明：(1)对于研究的9个密度下的华北落叶松林，枯落物最大持水量是自身重量的3～4倍，最大持水率为249.98%～302.48%，人工林密度越大，持水量能力越大。(2)土壤总孔隙度为41.7%～62.9%。土壤的最大蓄水量为3 046.14～3 403.49 t/hm2，密度越大，土壤蓄水能力越强，当密度大于1 350株/hm2时，增大趋势趋于平缓。(3)枯落物和土壤的综合水源涵养指数随密度的增大而增大，最大值为最小值的1.29倍，当密度大于1 350株/hm2时，趋于稳定，且在1 350～1 800株/hm2之间，发挥的水源涵养功能较强。

华北落叶松；水源涵养；枯落物；土壤；持水能力

森林的水源涵养功能是森林生态系统的重要生态功能之一，具有消减洪峰，涵养水源的巨大能力[1]。华北落叶松Larix principis-rupprechtii林是河北塞罕坝机械林场的主要树种，由于不合理造林技术、人为干扰和牲畜践踏的影响，有些林分开始出现生长衰退、水源涵养功能降低的现象。本文拟以不同密度的华北落叶松林的枯落物厚度、土壤持水能力、水源涵养指数，来评价塞罕坝地区华北落叶松的土壤水源涵养功能，并确定较优状态时的合理密度，旨为塞罕坝地区华北落叶松人工林植被的可持续经营提供理论依据和技术指导。

1 区域概况

研究地区位于河北省面积最大的人工林场— 塞 罕 坝 机 械 林 场 (42°02′～ 42°36′N，116°51′～ 117°39′E)。林区气候寒冷，冬长，春秋短，夏季不明显，属寒温带大陆性季风气候。年均气温-1.40℃，极端最高、最低气温分别为30.9℃和-42.8℃。年均降水量438 mm，蒸发量1 230 mm。年均无霜期60 d，积雪时间长达7个月。年均日照时数为2 368 h。塞罕坝地区在距今300多年前曾生长着茂密的原始森林，清朝康熙年间被划为“木兰围场”，成为皇家猎苑。塞罕坝有林地面积106万亩，森林覆盖率75.2%，林木总蓄积462万m3，平均年生长率9.7%。按起源分：人工林5.74万hm2，天然林2.1万hm2；按龄组分：幼龄林2.78万hm2，中龄林3.45万hm2，近熟林0.85万hm2，树种主要为落叶松、樟子松、白桦、云杉等。林区野生动植物资源丰富。有自生维管植物81科、312属、659种；有野生动物100余种，珍稀动物有豹、鹿、天鹅、黑琴鸡、细鳞鱼等。

2 研究方法

2.1 样地调查

依据2012年的塞罕坝大唤起林场的华北落叶松林作业调查，选择27块处于半阴坡、30年的华北落叶松林标准地。标准地林下灌草种类比较相似，土壤厚度为30～40 cm之间。密度梯度为600、750、900、1 050、1 200、1 350、1 500、1 800、2 100株/hm2、林分状况见表1。每种密度林分共设样地3块，面积以30 m为半径的圆形样方，并在每个样方十字交叉的直径及原心位置选取5个50 cm×50 cm的小样方，用于枯落物和土壤含水量的调查。调查记录样地的地形地貌、人为干扰、土壤类型、海拔、坡向、坡位、坡度等。

2.2 枯落物含水量测定

枯落物持水量的测定采用室内浸泡方法，测定5个小样方内枯落物总厚度、未分解层厚度和半分解层厚度，取各个样方的平均值作为样地内枯落物层厚度。按照分解程度，分别收集半分解层和未分解层的枯落物，尽量保持原状将其带回实验室，称量样品鲜质量和烘干质量，用单位面积枯落物的烘干质量来表示蓄积量。分别浸泡0.5、1、2、4、6、8、24 h的重量变化，测定分析枯落物的持水量、吸水速率和饱和持水率。采用以下公式计算枯落物的含水指标，即：

式中：C为枯落物自然含水量(%)，m1为样品鲜质量(g)，m2为样品烘干质量（g）；S为饱和持水率，m3为样品浸水24 h后的质量（g）；Wm为枯落物的最大拦蓄量（t/hm2），W为枯落物的有效拦蓄量（t/hm2），Rm为最大持水率（%），R0为 平 均 自 然 含 水 量 （%），M 为 枯 落 物蓄 积 量（t/hm2）。

2.3 土壤采样及含水量测定

根据华北落叶松的根系分布情况，将土壤分为3层，每层20厘米进行取样。土壤的物理性质采用环刀浸泡法测定，指标计算方法如下：

土壤最大蓄水量（t/hm2）=10 000（m2）*土壤总孔隙度（%）*土层厚度（m）；

非毛管蓄水量（t/hm2）＝10 000（m2）*土壤非毛管孔隙度（%）*土层厚度（m）

3 结果与分析

3.1 不同密度林分枯落物持水能力

枯落物层在森林生态系统中具有改良土壤、增加降水入渗 性能和维持林地的生态系统养分循环的重要作用[2-3]，同时不同的林分类型枯落物的理化性质也不相同[4-5]。对不同密度的枯落物持水量特征进行研究(表2)，结果表明，枯落物重量随着密度的增加而增大。密度2 100株/hm2的林分是密度40的1.85倍；对于实验区的9种林分，枯落物最大持水量是自身重量的3～4倍，最大持水率在249.98%～302.48%;有效拦蓄量也随密度的增加而增加。

表2 不同密度林分枯落物持水能力Table 2 Litter water-holding capacity of forests with different densities

3.2 不同密度林分土壤持水能力

不同密度林分土壤持水能力见表3。可以看出，土壤最大持水量随密度的增加而增大，但最大的幅度不同，前期增加幅度较大，密度在600～1 050株/hm2时，平均增加幅度为56 t/hm2，密度在1 200～1 500株/hm2时，平均增加幅度为36 t/hm2，密度在1 500～2 100株/hm2时，平均增加幅度为20 t/hm2。非毛管孔隙度变化规律与最大持水量变化规律比较一致。毛管孔隙度变化规律性不强。就总孔隙度而言，密度在1 200～1 500 株/hm2时，上随林分密度增加而增加。密度在1 500～2 100株/hm2时，上随林分密度增加而减少。

表3 不同密度林分土壤持水能力Table 3 Soil water-holding capacity of forests with different densities

3.3 不同密度林分土壤水源涵养功能综合评价

由表2和表3分析得知枯落物最大含水量为土壤最大含水量的0.45%～0.61%，枯落物贮水方面的作用较小，但在截持降雨、减少雨滴溅蚀、防止水土流失等具有非常重要的作用[6-7]。因为枯落物相比土壤在最大持水量数量上有非常大的差值，在此，本文依据土壤总毛管蓄水量和枯落物有效拦蓄量的大小评价不同密度林分水源涵养功能，将以上各指数采用归一法记为水源涵养指数，其作为林分的水源涵养功能的评判，其中土壤非毛管蓄水量权重为0.8，枯落物有效拦蓄量为0.2，能够较为客观评价林分含水能力[8-11]。具体结果见表4，随密度的增加华北落叶松的水源涵养指数越大，最大值为最小值的1.29倍，当密度大于1 350株/hm2时，趋于稳定，且在1 350～1 800株/hm2之间，发挥的水源涵养功能较强。

表4 不同密度落叶松林水源涵养指数Table 4 Water conservation indexes of larch forests with different densities

4 结 论

(1) 对于研究的9个密度下的华北落叶松林，枯落物最大持水量是自身重量的3～4倍，最大持水率为249.98%～302.48%，人工林密度越大，持水量能力越大。

(2) 土壤总孔隙度为41.7%～62.9%。土壤的最大蓄水量为3046.14～3403.49 t/hm2，密度越大，土壤蓄水能力越强，当密度大于1 350株/hm2时，增大趋势趋于平缓。

(3) 枯落物和土壤的综合水源涵养指数随密度的增大而增大，最大值为最小值的1.29倍，当密度大于1 350 株/hm2时，趋于稳定，且在1 350～1 800株/hm2之间，发挥的水源涵养功能较强。

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Study on water conservation function of Larix principis-rupprechtii Mayr. plantation in Saihanba Forest Farm, Hebei Province

WANG Wei-jun, ZHAO Chan-pu, JIANG Peng, REN Xian, WANG Jiao-yang, WANG Gui-zhen, MU Xue, GU Jian-cai
(Hebei College of Forestry, Baoding 071000, Hebei, China)

In order to evaluating water conservation functions of Larix principis-rupprechtii Mayr. in Saihanba Region, the litter waterholding capacity and soil moisture physical characteristics of 30-year-old L. principis-rupprechtii plantations with different planting density were investigated. The water conservation functions of the plantations with different planting density were evaluated according to the effective water storage capacity of total soil capillary (EWSTSC) and the effective litter water-holding storage capacity (ELWHSC).By making a normalization processing statistics of EWSTSC and ELWHSC, it was def i ned as a water conservation index to be used to judge forest’s water conservation functions. The results show that (1) for the studied larch stands with nine densities, the maximum water holding capacity litter was three ～ four times of itself weight, the maximum water holding rate was 249.98% ～ 302.48%, and the greater the plantation density, the greater water-holding capacity was. (2) the total soil porosity was in the context of 41.7% to 62.9%,the maximum storage capacity of the soil were in 3046.14 ～ 3403.49 t/hm2, the greater the soil density was, the higher the soil water storage capacity was, and when the density was greater than 1350 trees/hm2, the increasing trend became fl atten. (3) the litter and soil water conservation index raised with the increase of soil density, the maximum value was 1.29 times of the minimum one, when the density was greater than 1350 trees/hm2, the indexes stabilized, and when the densities were between 1350 ～ 1800 trees/hm2, the water conservation functions reached the maximum.

Larix principis-rupprechtii Mayr.；water conservation; litter; soil; water-holding capacity

S791.22

A

1673-923X(2013)02-0066-03

2012-11-13

“三北”地区水源涵养林体系构建技术研究与示范(2011BAD38B05)

王卫军（1987-），男，河北秦皇岛人，硕士研究生，研究方向：森林可持续经营

谷建才（1963-），男，河北藁城人，教授，研究方向：林业经营技术；E-mail：gujiancai@126.com

[本文编校：吴 彬]