大通县水源涵养低效林分改造成效分析

王海东，刘小利

(1.西宁市南山公园，西宁 810000；2.青海省农林科学院；3.青海高原林木遗传育种实验室，西宁 810016 )

近些年，人们对森林植被的生态和社会价值，特别是对于森林的水源涵养作用的认识不断发展和提高，也在积极地营造和保护森林。大通县是西宁市主要水源地之一，担负着工农业生产和人民群众生活用水的重任[1]。宝库林区是大通县重要的水源林之一，是重要水源地保护区。区内森林植被除青海云杉(Piceacrassifolia)人工纯林外，还有大量灌木林和部分白桦(Betulaplatyphylla)疏林地，林分稳定性差，结构不合理，林地总体水源涵养能力较差[2]。为提高保护区林分水源涵养功能，2012年针对水源涵养功能低下的灌木林及白桦疏林地开展低效林分改造示范，2年后对改造效果进行调查分析，以期通过林分结构调整来提高其水源涵养能力。

1 试验地概况

试验地设在大通县宝库林区，分别选择低效灌木林、白桦疏林2个不同林分开展低效林改造。

低效灌木林改造实施地点设在宝库林场察汗河营林区察汗河，101林班40小班，小班面积154.14 hm2(2 312.03亩)。海拔2 840～2 930 m，山地地貌。是金露梅(Potentillafruticosa)、银露梅(Potentillaglabra)、鲜卑木(Sibiraeaangustata)为主的灌木林，灌木总盖度40%，灌木密度为3 750株·hm-2；草本以禾本科草和萱麻为主，总盖度45%。因无乔木树种，乔灌草复合结构不完整，林分截留雨水和持水能力弱，水源涵养功效低下。

白桦疏林地改造实施地点设在宝库林场察汗河营林区寺堂明地勒，102林班36小班，小班面积42.33 hm2(634.89亩)，海拔2 760～2 980 m，山地地貌。乔木树种为白桦，郁闭度0.17，白桦密度645株·hm-2(含更新幼树)；灌木盖度56%；草本盖度85%；苔藓层盖度为9.3%。由于乔木层过于稀疏，枯落物层薄，因此其截留雨水和持水能力低，水源涵养能力低下。

2 研究方法

2.1 低效灌木林改造技术方案

采取增加针叶树比重的方式进行低效灌木林改造。在施行割灌的基础上，按照1 659株·hm-2的种植密度补植青海云杉，从而增加针叶树比重，将低效单一的灌木林逐步改造成乔灌混交、并使乔灌比列基本达到3∶7的合理林分结构。

2.2 白桦疏林地改造技术方案

采取增加针叶树比重的方式进行白桦低效疏林地改造，每公顷补种青海云杉1 650株，将其改造为针阔混交、针阔比列基本达到7∶3的合理林分结构。

3 结果与分析

3.1 生长状态

低效林改造后，林分结构趋于合理，乔灌草复合层次初步建立，林分的生长状况有了明显的提高(表1)。从表1可以看出，低效灌木林改造前其灌木密度为3 750株·hm-2，总盖度40%，多度为6.2；草本以禾本科草和萱麻为主，总盖度45%，多度为3.9；无苔藓层和乔木层。项目实施改造2年后，乔木层建立，郁闭度提高至0.26；灌木因实施改造时进行了割灌，总盖度和多度降低至22%和4.2；草本盖度和多度提升至72%和5.0；苔藓层初步建立，盖度达到8%。改造后，虽然灌木层的盖度和多度暂时有所降低，但从整个林分结构看，却逐步向着较为合理的乔灌草复合结构发展。

桦树疏林地改造前，乔木层树种为白桦，白桦密度645株·hm-2(含更新幼树)，郁闭度仅为0.17；灌木层以高山柳和鲜卑木为主，总盖度56.3%，多度为3.4；草本层以禾本科草为主，总盖度85%，多度为6.7；苔藓层盖度为9.3%。实施改造后，乔木层由单一、稀疏的白桦，改造成针阔混交林，郁闭度提高至0.37；灌木层盖度和多度分别为40.5%和3.0；草本的盖度和多度分别为46%和4.3；苔藓层盖度略有提高，为9.6。初步建立针阔混交、乔灌草健全的复合林分结构。

表1 水源涵养低效林改造前后基本情况表

注：平均高、胸径均为样地内随机30个标准株的平均值。

3.2 林分截留降水效果

改造后林分的郁闭度增加，乔灌层不断完善，林冠截留作用增强(表2)。 冠层的水文作用主要表现在对降雨的“能”和“量”的调节[3]。林冠截留是调节降水分配和水分输入林内的重要过程[4]，是森林生态系统的重要水文功能之一。大气降水进入森林生态系统后,首先由林冠对降雨进行第一次分配,这一过程中不仅消减了降雨动能，同时导致森林群落内的水分分配格局发生变化[5]。不同森林生态系统的林冠截留率存在较大差异。从表2可以看出：金露梅、银露梅灌丛经过改造，增加针叶树比重，由于乔木层的建立，林分截留雨量的能力显著增强，林冠截留量和截留率由改造前的129.17 mm和26.14%分别提高到改造后的194.40 mm和39.34%，林冠截留率比改造前提高了50%。

白桦疏林地经过改造，增加针叶树比重，形成针阔混交林，其林冠截留量和截留率分别由改造前的105.34 mm和21.32%提高到217.57 mm和44.03%，林冠截留率比改造前提高了106.51%。

表2 改造前后林分对降雨的分配

注:表中的降雨量为项目实施区雨季6-9月的降雨量。

3.3 林分持水能力

改造后林下地被物层恢复较快，持水能力有所提高。森林地被物是森林生态系统的重要组成部分，由于其结构疏松，透水性与吸水能力强，能吸滞通过植被而降落在地面之水，从而减缓降雨对地面的直接冲击[6]。而地被物的持水能力是反映地被物截留降水能力的主要部分[7-10]。试验数据表明(表3)：灌木林及白桦疏林地经改造后，地被物层生物量有所增加，从而提高了地被物层的持水能力。其中，灌木林改造前地被物层有效持水率为131.24%，改造后为153.13%，比改造前提高了21.89百分点；疏林地改造前地被物层有效持水率为114.65%，改造后为137.42%，比改造前提高了22.77百分点；低效林分通过改造后，由于乔木层和灌木层结构不断趋于合理，地被物层生物量均有不同程度的增加，从而使其持水性能增强。

表3 改造前后不同林分地被物层持水特性

3.4 林分径流

低效林分经过改造后，林分立体垂直结构发育良好，地表径流明显减少。由于乔灌草、地被及枯落物层垂直结构发育良好，可有效截持降水，从而减弱降水强度和对地表的冲刷，减少地表径流。从图1可以看出：在降雨集中的6-9月，云杉中幼林抚育结构调整后地表径流由调整前的5.066 t·hm-2降低为3.935 t·hm-2，较调整前降低了22.32%；低效灌木林改造后地表径流由改造前的4.499 t·hm-2降低为3.667 t·hm-2，较改造前降低了18.49%；白桦疏林地改造后地表径流由改造前的7.791 t·hm-2降低为6.047 t·hm-2，较改造前降低了22.38%。改造后的林分截持降水作用增强，减少了地表径流。

3.5 林下土壤持水性能

低效林分经过改造后，林地表层的枯落物增加，林地的土壤水分物理性质改变。土壤容重降低，孔隙度增大，持水性能增强(表4)。

林地的土壤水分物理性质是林地土壤的基本特征，森林类型的不同，林地表层的枯落物构成及地下根系的生长发育状况、枯落物的分解程度等均存在差异[11]，因而所造成的林地土壤物理性质也存在差异，土壤性质，特别是土壤的容重和孔隙状况(毛管孔隙和非毛管孔隙)直接影响土壤的持水性能，是决定森林土壤水源涵养功能的重要因素。

图1 低效林分改造前后径流量变化

表4可以看出：不同的林分结构，改造后土壤的物理性质均有一定程度的改善，持水性能也有不同程度的提高。低效灌木林改造后土壤容重、非毛管孔隙度和有效持水量分别为1.01 g·cm-3、8.78%和452.20 t·hm-2，较改造前土壤容重降低了0.21 g·cm-3，非毛管孔隙度和有效持水量分别增加了2.42百分点和131 t·hm-2；白桦疏林地改造后土壤容重、非毛管孔隙度和有效持水量分别为0.85 g·cm-3、12.07%和703.10 t·hm-2，较改造前土壤容重降低了0.01 g·cm-3，非毛管孔隙度和有效持水量分别增加了0.38百分点和36.8 t·hm-2。土壤容重降低，孔隙度增大，说明土壤更为疏松，透气，持水能力增强，因而改造后的土壤涵养水分能力提高。

表4 改造前后不同林分土壤物理、水分特性

4 结论与讨论

低效灌木林通过增加针叶树比重的方式，改造成乔灌混交林，由于乔木层的建立，使林分郁闭度提高，草本盖度和多度均有不同程度的提升，苔藓层初步建立。整个林分结构逐步向着较为合理的乔灌草复合结构发展。

白桦疏林地通过增加针叶树比重的方式，将乔木层单一、稀疏的白桦林改造成针阔混交林。由于乔木层郁闭度的提高，林下灌木层与草本层盖度和多度有所减少，但苔藓层盖度增加。改造后的林分乔灌草复合结构健全，林分生长良好。

森林的水文生态效应主要通过林冠层、枯枝落叶层、土壤层3个层次的水文效应来体现[12]。低效灌木林和白桦疏林地通过增加针叶树比重的方式改善林分结构，其林冠截留作用增强，地表径流降低，枯枝落叶层持水性能增强；土壤物理性质改善，容重降低，孔隙度增大，持水性能增强。改造后的林分水源涵养功能得了更好发挥。

参考文献:

[1] 刘国强，祁正显，左雪梅，等. 大通县水源涵养林建设的探讨[J]. 青海农林科技，2005(2)：24-25.

[2] 芦新建.大通县水源涵养林类型及其功能评价研究[D].北京：北京林业大学，2015.

[3] 党宏忠.祁连山水源涵养林水文特征研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2005.

[4] 刘蔚漪.闽北不同类型毛竹林水文生态功能研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2005.

[5] Rowe L.K. Rainfall interception by an evergreen beech forest,New Zealand[J].J.Hydrol,1983,66:143-158.

[6] 朱金兆，刘建军，朱清科，等． 森林凋落物层水文生态功能研究[J]．北京林业大学学报，2002(6)： 3-34.

[7] 凌红波，徐海量，史薇.新疆石河子地区降水量变化特征分析[J]．干旱区资源与环境，2010，2(2)：96-101.

[8] 范丽红，何清，崔彦军，等. 近 40a石河子地区气候暖湿化特征分析[J]. 干旱气象，2006，24(1) ：14-17，27.

[9] 施雅风，沈永平，胡汝骥．西北气候由暖干向暖湿转型的信号、影响和前景初步探讨[J].冰川冻土，2002，24(3)：219-226.

[10] 施雅风，沈永平，李栋梁，等．中国西北气候由暖干向暖湿转型的特征和趋势探讨[J].第四纪研究，2003，23(2)：152-163.

[11] 王红霞.赤峰市大五家流域低效林更新的土壤水文生态效益研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2009.

[12] 刘蔚漪.闽北不同类型毛竹林水文生态功能研究[D].北京：中国林业科学研究院，2011.