不同间伐强度蒙古栎次生林产流、产沙特征分析

尤海舟，孙浩伦，王立方，吴树琴

（1.河北省林业科学研究院，河北 石家庄，050061；2.河北小五台山森林生态系统定位研究站， 河北 涿鹿 075600；3.河北省林木良种工程技术研究中心，河北 石家庄 050061； 4.滦平市国有林场管理处，河北 承德 068250）

蒙古栎Quercus mongolica为壳斗科栎属落叶高大乔木，是中国东北、华北山地森林的主要建群树种[1]。蒙古栎抗干旱耐瘠薄能力强，适应性广，在冀北山地形成大面积的次生林，是本区天然次生林中分布最为广泛的林分类型。华北地区天然植被本已所剩不多，蒙古栋作为本区重要的阔叶树种之一，不管是对国民经济还是对生态环境都具有重要价值，对它的研究基本集中在群落结构[2,3]、 生态功能[4,5]、森林经营[6,7]、生长与收获模型等方面[8-10]。对于冀北地区广泛分布的蒙古栎天然次生林，间伐是促进其生长的重要措施，能够改变林分结构和林下植被演替，对其进行间伐强度与产流产沙关系分析，特别是连续的野外定位观测研究有重要意义。

影响地表产流产沙规律有众多因素，针对这些因素的影响规律，国内外学者做了大量相关研究[11-13]，在降水产流机制、降水—入渗—产流过程的影响因素及模拟等方面取得了重要成果[14,15]。除降水外，下垫面特征也是影响坡面侵蚀的重要因素，当坡度和土壤类型一致时，植被是控制水土流失的关键因素[16]。植被对水土流失的影响主要表现在：截留降水、叶片形成雨滴击溅、根系增强土壤抗蚀性、拦虑径流、泥沙、植被枯枝落叶对土壤的保护并改善土壤理化性状等[17]。有关植被对土壤侵蚀的影响，国内外学者已做了大量的研究，孙艳红[18]等发现缙云山不同植被类型保水效果阔叶林＞灌木林＞针阔混交林＞楠竹林；杨春霞[19]等对不同坡面产流产沙特征研究发现，随着覆盖度的增加，产沙和径流相关性减少；王晓康[20]等通过灰色关联法发现林分密度、枯落物厚度、郁闭度是影响产流产沙的关键因素。本研究通过对冀北山地潮滦河流域蒙古栎天然次生林5个不同间伐强度和1个对照径流小区连续2 a 降水产流产沙资料的分析，探讨不同间伐强度下植被结构对地表产流和土壤侵蚀的影响，得出发挥最佳水土保持功能的合理林分抚育结构，对冀北山地水土保持研究，低功能水源涵养林改造，内陆水源涵养林构建提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于河北省北部的承德市滦平县的滦河和潮河流域的交汇处，属冀北燕山山脉中段，地理位置41°01´35.36"N，117°15´37.33"E，海拔890 m。本区气候属温带大陆性季风型燕山山地气候，年平均气温7.6 ℃，年平均降水量552.6 mm，多年平均蒸发量1 679 mm，降水的季节变化明显，6～8月降水量占全年降水量的65%～75%。本区土壤随海拔高度变化由低而高的变化为草甸土—褐土—棕壤。本区属华北植物区系，植被类型属我国东部湿润森林区温湿带半旱生落叶阔叶林。

1.2 研究方法

1.2.1 径流小区布设

2014年，在承德市拉海岭林场刘家沟蒙古栎天然次生林林区依据海拔、地形、坡度、坡向等，选取典型地段共设置面积约1 000 m2矩形样地6块，对其中5 块样地进行不同强度的间伐，剩余1 块作为对照，间伐方案见表1，间伐后，每年对样地植被情况进行调查，包括胸径、密度、郁闭度、灌草层盖度、枯落物储量及冠幅等，胸径采用每木检尺法测定，枯落物储量采用全部收获法测定，密度指单位面积内的乔木层株数，盖度指植物地上部分垂直投影面积占样地面积的百分比，郁闭度指乔木层盖度，冠幅指林木南北和东西方向宽度的平均值。

表1 蒙古栎天然次生林抚育方案Table 1 Thinning scheme of Quercus mongolica secondary forests

同时，在各样地中设立面积为5 m×20 m 的径流小区，径流小区的设置应遵循地貌、地质、土壤、植被等具有代表性；坡度、土壤特性等具有一致性；坡面上尽可能保持自然状态，枯枝落叶不应破坏，不存在影响径流的障碍物等原则。2016年、2017年各径流小区的基本情况见表2。

表2 径流小区基本情况Table 2 The basic information of runoff plot in different intermediate cutting stands

1.2.2 地表径流监测

径流小区产沙和产流量测定：于2015—2017年的5—10月份，每次降水后用量筒测定地表径流量，并将集水槽内的地表径流取样带回，每次取样量大于500 mL，在室内对水样进行过滤，后将泥沙放入烘箱内在80 ℃恒温下烘干、称质量，得土壤侵蚀量。

径流小区气象数据获取：在径流小区空旷地方安装有简易野外气象站，雨量计为翻斗式自记雨量计。

地表径流系数是指任意时段内的径流深度与同一时段内的降水深度的比值，说明降水量转化为径流量的比例，计算公式为a=y/x，（y为径流深，x为降水量）。径流深指计算时段内某一过水断面上的径流总量平铺在断面以上流域面积上所得到的水层深度。

土壤侵蚀模数指单位面积和单位时段内的土壤侵蚀量。

1.2.3 数据分析

本研究的数据分析和图表制作采用Excel 2010和SPSS 20.0 软件，用 Pearson 相关系数评定各因子间的相关关系。灰色关联分析采用DPS 数据处理系统。

2 结果与分析

2.1 不同间伐强度地表径流分析

2016年和2017年不同间伐强度地表产流量表现规律一致（图1），均为：25%间伐强度＞20%间伐强度＞50%间伐强度＞对照＞30%间伐强 度＞40%间伐强度。2016年不同间伐强度地表径流量在1.55～5.19 m3/hm2之间，2017年不同间伐强度地表径流量在1.57～5.14 m3/hm2，25%和40%强度间伐样地径流量与2016年差别不大，其他强度径流量低于2016年。

本研究6个径流小区相互毗邻，地质状况差异不大，因而可比性强，能突出植被对地表径流的影响效应。通过计算（表3），2016年年降水量为593.8 mm，不同间伐强度径流系数在0.026%～0.087%之间。2017年年降水量为450.7 mm，不同间伐强度径流系数在0.034%～0.114%之间，25%和40%强度间伐样地径流系数大于2016年，其他强度径流系数小于2016年。研究区径流系数较低，不同间伐强度间径流系数排序与地表产流量规律一致。

图1 不同间伐强度总地表产流量Fig.1 The total runoff in different intermediate cutting stands

图2 不同间伐强度总产沙量Fig.2 The total sediment yield in different intermediate cutting stands

2.2 不同间伐强度产沙特征分析

不同间伐强度产沙量见图2，50%和20%强度间伐样地产沙量较大，25%、30%和40%强度间伐样地产沙量较小。50%强度间伐后林地产沙量最大，是因为其林分密度和郁闭度显著低于其他样地，林木稀疏，林冠截留降水少所致；20%强度间伐后，林分密度和郁闭度较大，当郁闭度太大时，受林分密度的影响，冠幅较小（表2），当遇到强降雨时，作用却较差，而且林下灌草发育不好，不能减弱雨滴对地表溅击的作用。

2016年不同强度间伐样地产沙量在1.68～ 8.06 kg/hm2之间，2017年不同强度间伐样地产沙量在1.37～4.48 kg/hm2之间，除25%强度间伐样地外，其他强度2016年产沙量显著高于2017年。不同间伐强度产流、产沙大小顺序存在一定差异，主要表现在25%间伐强度上，其产流量很大，产沙量反而较少。

2016年不同间伐强度土壤侵蚀模数变化范围为0.169～0.846 t/(hm2·a)；由于降水量和雨强较小的缘故，2017年土壤侵蚀模数低于2016年，变化范围为0.114～0.448 t/(hm2·a)。本区土壤侵蚀模数较小（表3），即使在间伐后第一年，2015年本区最大土壤侵蚀模数仅为26.13 t/(hm2·a)。

表3 不同间伐强度径流系数和侵蚀模数Table 3 Surface runoff coefficient and soil erosion modulus in different intermediate cutting stands

2.3 不同间伐强度对产流产沙影响的灰色关联分析

选取降水量、林分密度、郁闭度、灌草层盖度、枯落物储量、冠幅等影响因子，对6个因子对产流产沙的影响程度进行灰色关联度分析。从表4看出，所选参数对产沙量和产流量影响程度存在差异，对于产流量来说：降水量＞郁闭度＞枯落物储量＞林分密度＞冠幅＞灌草层盖度；对于产沙量来说：降水量＞林分密度＞枯落物储量＞ 冠幅＞郁闭度＞灌草层盖度；降水是产生径流的原动力，无论是产流还是产沙，降水与其灰色关联度都最大。其余参数中对产流量影响最大的是郁闭度、枯落物储量和林分密度，分别为： 0.658 4、0.599 7、0.523 3；但对产沙量影响最大的是林分密度、枯落物储量和冠幅，分别为：0.602 3、 0.567 7、0.466 4。

3 结论与讨论

3.1 结 论

间伐对径流的影响是一个复杂的过程，上述研究结果表明，蒙古栎天然次生林经过适当间伐后，保持水土效果优于未抚育林地，过度间伐后水土保持效果较差。综合比较6个径流小区产流产沙特征，40%强度间伐后，样地径流系数和土壤侵蚀模数都较小，是本区次生林合理的间伐强度。因此对于本区蒙古栎天然次生林，中龄林林木密度在1 500 株/hm2左右，平均冠幅在3.5 m 左右，平均胸径在10 cm 左右，郁闭度在0.70～0.80范围内，且具有完整的乔灌草复合结构时，水源涵养达到最佳。由于冀北山地蒙古栎天然林特殊的生长环境条件，难以形成乔灌草的林分生长结构，因此通过适当的人工的经营及抚育措施对水源涵养林进行合理分配和布置，使之维持一个良好的垂直结构，将对该区涵养水源、保持水土起到良好的作用。

产流、产沙对间伐强度响应程度不同，25%强度间伐后，林地产流量最大，产沙量反而较小，主要是因为25%间伐时，虽然林木密度较小，无法发挥乔木层对降水的分配作用，但冠幅和枯落物储量较大，在林冠层及林下灌草和枯落物的共同防护下，雨滴对土壤的冲击力较小。关联度分析表明，林分结构因子中，郁闭度、枯落物储量和林分密度对产流影响较大，林分密度、枯落物储量和冠幅对产沙影响较大。

表4 影响产流产沙的各因子关联度值Table 4 Grey correlation coefficient of the influence factors on runoff and sediment yield

3.2 讨 论

根据2008年颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》（SL190—2007），北方土石山区土壤容许流失量为200 t/(hm2·a)，虽然不同间伐强度间土壤侵蚀模数差异很大（表3），但都远小于本区的土壤容许流失量，属于微度土壤侵蚀；与其它地区比较[20-23]， 新疆天山山区[20]为0.05～0.22 t/(hm2·a)，华北太行山区[21]林地为 0.21～1.99 t /(hm2·a)，南方红壤区[22]为0.3～10.8 t/(hm2·a)，武夷山区[23]118.29～ 174.89 t/(hm2·a)，本区蒙古栎天然次生林具有较好的水土保持效果。

间伐抚育主要是通过改变林地林分密度和郁闭度，促进林下灌草层生长，通过植被、枯落物等对径流、泥沙的拦虑，对土壤的保护及对土壤理化性状的改善，改变林地水土保持的效果。40%强度间伐后，虽然其植被密度相对减小，但其郁闭度和冠幅增大，由于冠层对降水的截留，以及枯枝落叶对土壤的保护，且林下灌草结合较好，导致其产流产沙量较少，并低于对照。

地域自然条件和植被类型不同，植被参数对产流产沙影响程度也不同，目前关于防治水土流失的植被因子主要集中于植被盖度，然而较高的盖度并不代表良好的保持水土功能[24]。本研究发现冀北山地蒙古栎天然次生林产沙量与林分密度、枯落物储量和冠幅关联度较大，与郁闭度关联度较小。郁闭度主要体现林冠层对降水的截留和减小树干茎流；而郁闭度过高，由于林木的营养空间不足，影响到光合作用导致林下死枝高度变高，冠变小，且林下植被发育不全，当遇到强降雨时产沙量变大，不能发挥防治土壤侵蚀的最佳作用[20]。相比郁闭度，垂直结构多样性对水土流失的影响更加显著，植被垂直结构越复杂，其防治土壤侵蚀能力越强[24-25]。

朱冰冰等[26]指出，植被的空间格局及其与地貌的不同组合都会影响植被的水土保持作用，而且，植被的水土保持效应存在尺度性，随尺度的增大影响水土流失的因素也而愈加复杂[27]，因此本研究是基于本区特殊的群落结构和立地条件，不能一概而论地评价所有坡面间伐强度对土壤侵蚀的影响。且植物群落性状结构是非常复杂的，通过间伐梯度确定的林分结构因子是无法完整诠释性状结构与产流产沙之间关系的，因此探索指标之间的组合模型应是未来植物群落与产流产沙响应关系研究的一个重要方向。