冀北山地人工油松林水文效应研究

张栓堂 石丽丽 曲世伟 王雄宾

摘要：分密度对森林水文效应有一定影响，以冀北山地不同密度油松人工林的植被层、枯落物层和土壤层为研究对象，对其水文效应进行了研究。结果表明：林冠截留能力随着林分密度的减小而减小，林下植被截留能力随着林分密度的减小而增大；林下枯落物最大持水量随着林分密度的减小而减小，其中林分密度分别为1 584株/hm²、864株/hm²和684株/hm²标准地枯落物最大持水量差距相对较小，分别是林分密度388株/hm²标准地的1.56倍、1.50倍和1.42倍；388株/hm²油松林枯落物有效拦蓄量较小，但其枯落物初期持水速率较大。土壤持水能力随着林分密度的减小表现出逐渐增大趋势，林分密度864株/hm²、684株/hm²和388株/hm²标准地土壤持水能力分别为林分密度1 584株/hm²标准地的1.05倍、1.16倍、1.17倍，密度684株/hm²和388株/hm²标准地的土壤持水能力较为接近。对油松人工林进行合理抚育间伐，保留合适密度，能改善其涵养水源功能。

关键词：密度调控；植被截留；枯落物持水；土壤持水；油松人工林

中图分类号：S715 文献标志码：A 文章编号：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

油松根系发达，适应性强，耐干旱贫瘠，造林易成活，具有保持水土和保护环境的功能，广泛分布于我国北方山地。河北山地现有的油松（Pinus tabulaeformis） 人工林主要是20世纪60年代以来营造的。

森林结构决定其生态功能，林分密度作为林分结构的主要指标之一，对其涵养水源[1]、保持水土[2]、固碳释氧[3-4]、物种保育[4]等生态功能有较大影响。在林分尺度对森林水文效应的研究，以往多偏重于同一地域不同树种的水文效应 [5-8]，关于森林水文效应对林分密度调控的响应研究较少。本文对冀北山地不同保留密度人工油松的水文效应做了定量分析，以期为增强冀北山地油松林的涵养水源能力提供科学依据。

1 研究地概况

研究地设在河北省木兰围场国有林场管理局北沟林场（41°50′N，117°34′E），位于阴山山脉、大兴安岭余脉向西南延伸和燕山余脉的结合部。该区域年降水量400～550 mm，主要集中在6月-8月份，年蒸发量1 350 ～ 1 500 mm，最高气温35℃，最低气温-39 ℃，无霜期62～120 d。研究地土壤为天然次生林下发育的山地棕壤，土层较深厚，坡度15°～25°，海拔1 100 m。该区域主要森林类型有人工华北落叶松林（Larix principis-rupprechtii）、人工油松林、人工樟子松林（Pinus sylvestris）和以山杨（Pobulus davidiana）、蒙古栎（Quercus mongolica）、白桦（Betula platyphylla） 等为主要树种的天然阔叶林。

不同密度油松林枯落物组成有一定差异，1 584株/hm²标准地和864株/hm²，林下枯落物组成一致，都为油松落叶；而388株/hm²标准地和648株/hm²标准地枯落物组成，除了油松针叶外还有不同比例阔叶乔木、灌木落叶及草本枯死植株，其初期吸水速度和最大持水量大于其它标准地的枯落物。以对数函数为基础，对不同密度油松林枯落物各层持水量与浸泡时间（0.25～ 24 h）进行回归分析，得出该时段内枯落物持水量与浸泡时间之间相关关系，见表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变化规律一致，在前0.25 h内吸水速率最大，随着浸水时间的增长急剧下降，4 h吸水速率下降速度减缓。对4种密度油松林不同层次枯落物吸水速率与浸泡时间进行拟合，结果见表5。不同的枯落物组成差异，决定了1 584株/hm²标准地的枯落物初期吸水速率大于其它标准地，但随浸水时间延长，枯落物吸水速率趋向一致。这主要是随着浸泡时间增长，枯落物持水量接近其最大持水量，其持水量增长速度随之减缓所致。

（4）枯落物持水量和有效拦蓄量。

各标准地枯落物的最大持水量随着林分密度的减小而减小，其中A标准地、B标准地和C标准地最大持水量分别为75.82 t/hm²、72.84 t/hm²和68.01 t/hm²，三者之间差距相对较小，D标准地最大持水量为47.19 t/hm²，和其余3块标准地有较大差距。各标准地的自然含水率表现出随着林分密度减小而减小的趋势。各标准地有效拦蓄量表现出随着林分密度减小而减小的趋势，其随林分密度变化规律和最大持水量较为相似，A标准地、B标准地和C标准地之间的有效拦蓄量差距相对较小，D标准地有效拦蓄量和其余3块标准地差距较大，A标准地、B标准地和C标准地的有效拦蓄量分别是D标准地的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发挥的主要场所，土壤厚度和土壤非毛管孔隙度等共同决定了土壤的持水能力[16]。植被在生长过程中，其根系不断新老更替，枯落物不断堆积分解，这都能在一定程度上改善土壤结构，增强土壤的入渗性能和贮水能力[16-17]。研究区域土层厚度一般为40～60 cm，为了方便进行比较，本研究只对各标准地0～40 cm土层非毛管孔隙的持水能力进行分析。

不同密度林分的土壤容重、土壤持水力见表6。各标准地土壤容重随林分密度减小表现出逐渐下降的趋势。B、C、D标准地0～10 cm处土壤容重值分别比A标准地小0.79%、1.58%和3.94%；在10～20 cm处土壤容重值分别小0.77%、3.85%和3.85%；C、D标准地20～40 cm处土壤容重分别小1.49%和3.73%。林分密度对0～10 cm及10～20 cm层土壤容重的影响大于20～40 cm。在各标准地中，非毛管孔隙度都是0～10 cm最大，10～20 cm次之，10～20 cm最小；且各层土壤的非毛管孔隙度都表现出随着密度的减小而增大的趋势。B、C、D标准地的土壤持水能力分别为A标准地的105.47%、116.19%、116.51%，C标准地和D标准地的土壤持水能力较为接近。

4 结论与讨论

（1）主林层林冠截留能力随林分密度的减小而减小，1 584株/hm²标准地的林冠截留能力是388株/hm²标准地的2倍。低密度油松林林下光照条件较好，灌草高度和盖度相对较大，林下灌草截留能力较大，和石丽丽[1]研究结论一致。

（2）间伐可改变林下地表温度、湿度等小气候条件[14]，不同保留密度林分林下植被状况[16]、枯落物分解速度[14]也会不同。虽然较强光照能降低较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总厚度较小，导致低密度油松林枯落物有效拦蓄量较小，和苏芳莉[18]研究结论相似。不同密度油松林枯落物组成有一定差异，388株/hm²标准地枯落物组成含有一定比例阔叶乔木及灌草落叶，其初期吸水速率大于其它标准地的枯落物。1584株/hm²标准地、864株/hm²标准地和648株/hm²标准地有效拦蓄量之间差距相对较小，388株/hm²标准地和其余3块标准地有较大差距，1 584株/hm²标准地、864株/hm²标准地和648株/hm²标准地有效拦蓄量分别是388株/hm²标准地的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质[14]，低密度油松林林下灌草生物量较大，一定程度上增大了土壤非毛管孔隙度。864株/hm²标准地、648株/hm²标准地和388株/hm²标准地的土壤持水能力分别为1 584株/hm²标准地的1.05倍、1.16倍、1.17倍，648株/hm²标准地和388株/hm²标准地的土壤持水能力较为接近。

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