滦河上游不同密度油松林水源涵养功能研究

张建华，郭宾良，张 宁，张春茹，张 楠，谷建才，温亚利

（1.北京林业大学，北京100083；2.保定市林木种苗管理站，河北 保定071000；3.河北农业大学 林学院，河北 保定071000；4.河北木兰围场国有林场管理局，河北 围场068450）

森林枯落物和土壤是森林生态系统的重要组成部分，在生态系统的功能方面具有重要作用。油松（Pinus tabulaeformis）林是河北木兰围场的主要树种，但是在经营的时候因为造林技术的不合理、牲畜的践踏和人为的干扰等因素，有些油松林表现出了生长衰退，生态功能低下等现象。本研究以不同密度的油松林的枯落物厚度、土壤持水能力、水源涵养指数，来评价木兰围场地区油松林的土壤水源涵养功能，并确定比较合理的林分密度使油松林处于较优状态，旨在为森林健康的监测和评价提供一定的理论依据［1－2］。

1 区域概况

本次调查是在承德围场县的北沟林场进行，河北省围场县位于河北省最北部，地处滦河上游，北纬41°47′—42°06′，东经116°51′—117°45′，年平均气温－1.4～4.7℃，极端最高气温38.9℃，极端最低气温－42.9℃，≥0℃的年积温2 180℃，无霜期67～128d。年均降水量380～560mm，主要集中在6—8月。东与内蒙古赤峰市接壤，南及西南与隆化、丰宁两县连接，北与内蒙古浑善达克沙地毗邻。位于阴山山脉与大兴安岭山脉余脉的交汇处，是连接坝上高原和冀北山地的丘陵山地地带。围场县所处的地理位置决定了其必然要担负起护卫京津生态安全的生态特区这一重任，因其地处滦河上游，对下游地区的树木生长和水源涵养影响甚重；又因其卡在浑善达克沙地和北京中间地带，像一道天然的绿色屏障，阻挡着浑善达克沙地向北京进军的风沙。在京津地区生态环境安全方面，木兰围场起着重大的作用，因此对木兰围场的森林植被进行恢复与保护势在必行。木兰围场林管局共有十个林场，北沟林场属于其一，北沟林场自1956年开始建立，林场总经营面积5 730hm2，森林主要乔木树种有白桦、油松、山榆、华北落叶松、山杨、蒙古栎、五角枫、榆树等；灌木种类较多，且量较大，丰富多样，以绣线菊灌丛、照山白最为常见；林分类型主要包含：天然林，常见树种有杨树、桦树、油松等；人工林，常见树种有山榆、油松、杨树等；针阔混交林，林分面积分别为1 485.6，1 180.5，1 560.9hm2。活立木的蓄积总量和森林覆盖率分别为284 104m3，88%，年采伐蓄积5 000m3左右。

2 研究方法

2.1 标准地设置

本文选取的林分为河北省木兰围场最为常见油松林，选取24块处于半阳坡的25～30a生的油松林，标准地的选取要尽量选取林下的植被比较相似的林分，密度分别为 750，900，1 050，1 200，1 360，1 500，1 800，2 100株／hm2，详细的调查了林内的情况，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（表1）。根据不同的密度的划分，每个密度选取3块样地，标准地大小为30m×30m，在标准地内各采取5块大小为50cm×50cm的样方，分布在标准地四个角及中心部位，用于枯落物和土壤含水量的调查［3－5］。

表1 林分概况

2.2 研究方法

2.2.1 枯落物含水量测定 采用室内浸泡法测定枯落物持水量及其吸水速度，依据枯落物的分解程度，将枯落物按照半分解层与未分解层进行收集，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［6－7］。然后带回实验室，称样品鲜质量和烘干质量，并用单位面积枯落物的烘干质量来表示蓄积量。最后将枯落物分别浸泡0.5，1，2，4，6，8，24h，根据重量变化，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［8－9］，即：

式中：C——枯落物自然含水量（%）；m1——样品鲜质量（g）；m2——样品烘干质量（g）；S——饱和持水率；m3——样品浸水24h后的质量（g）；Wm——枯落物的最大拦蓄量（t／hm2）；W——枯落物的有效拦蓄量（t／hm2）；Rm——最大持水率（%）；R0——平均自然含水量（%）；M——枯落物蓄积量（t／hm2）。

2.2.2 土壤采样及含水量测定 土壤调查采用剖面法，在各标准地选取有代表性样点，分别按0—10，10—20，20—40cm取样。用烘干法测定土壤含水量，用环刀法测定土壤容重、孔隙度等物理性质，土壤持水力S＝10000hp；Sm＝10000hq式中，S——土壤持水力（t／hm2）；h——土壤层厚度（m）；p——非毛管孔 隙 度 （%）；Sm——土 壤 最 大 持 水 力 （t／hm2）；q——毛管总孔隙度（%）［10－12］。

3 结果与分析

3.1 不同密度油松林枯落物的持水能力

枯落物是森林生态系统中的重要组成，在改良土壤、增加降水入渗性能和维持林地的生态系统养分循环中都扮演着很重要的角色，以此同时不同密度的林分中的枯落物的理化性质也是不同的。通过对8种密度的枯落物持水量进行测定（见表2）。枯落物重量在不同密度林分中的重量也是不同的，变化趋势是随着密度的增加而增大。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；枯落物最大持水量处于自身重量的2～4倍，最大持水率在250.61%～310.66%；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

3.2 不同密度油松林土壤持水能力

由下表（见表3）可以看出，随着密度的增加土壤的最大持水量先是增加后减小，在1 800株／hm2达到了最大值；毛管孔隙度与毛管蓄水量没有明显的规律，非毛管孔隙度与非毛管蓄水量所呈现的变化趋势与土壤的最大持水量是一样的。就总孔隙度而言，没有明显的规律可言。

3.3 不同密度林分土壤水源涵养功能综合评价

通过对土壤与枯落物的最大持水量的比较，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较小，但是枯落物在减少雨滴对地面的冲刷、减少水土流失等方面作用很大。本研究采取归一法，把土壤总毛管蓄水量和枯落物有效拦蓄量两个指标记为水源涵养指数，由于枯落物在最大持水量与土壤最大持水量差的太大，当进行林分的水源涵养功能评判的时候，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（见表4）。随密度的增加油松的水源涵养指数是呈现增加趋势的，其中的最大值是最小值的1.35倍，当密度处于1 500株／hm2时，指数趋于稳定，在1 500～1 800株／hm2之间时水源涵养指数较高，达到1 530株／hm2时达到最大。

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养指数

4 结 论

（1）枯落物重量在不同密度林分中的重量也是不同的，变化趋势是随着密度的增加而增大。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；枯落物最大持水量处于自身重量的2～4倍，最大持水率在250.61%～310.66%；有效拦蓄量也随密度的增加而增加。

（2）随着密度的增加土壤的最大持水量先是增加后减小，在1 800株／hm2达到了最大值为2 868.0 t／hm2；毛管孔隙度与毛管蓄水量没有明显的规律，非毛管孔隙度与非毛管蓄水量所呈现的变化趋势与土壤的最大持水量是一样的。就总孔隙度而言，处于43.6%～47.8%，没有明显的规律可言。

（3）随密度的增加油松的水源涵养指数是呈现增加趋势的，其中的最大值是最小值的1.35倍，当密度处于1 500株／hm2时，指数趋于稳定，在1 500～1 800株／hm2时水源涵养指数较高，在1 530株／hm2时达到最大值。

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