王衛(wèi)軍，趙嬋璞，任 仙，姜 鵬，張紹軒，任佳佳，谷建才

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071000）

華北落葉松人工林林分密度對土壤持水能力的影響

王衛(wèi)軍，趙嬋璞，任 仙，姜 鵬，張紹軒，任佳佳，谷建才

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071000）

為了評價冀北山地華北落葉松人工林土壤水源涵養(yǎng)功能高低，以木蘭林管局華北落葉松人工林為研究對象采用四分法對不同林齡不同密度的華北落葉松土壤持水能力進(jìn)行研究。結(jié)果表明：20、30、40、50 a華北落葉松人工林，對應(yīng)的林分最佳密度分別為2 500株/hm2、1 800株/hm2、1 000株/hm2、800株/hm2時，土壤最大持水量和有效持水量均達(dá)到最大。隨著林分密度增加，土壤層最大持水量和有效持水量呈先增加后減小的趨勢。并根據(jù)土壤持水能力隨林分密度的變化規(guī)律和林木生長規(guī)律的相關(guān)關(guān)系，編制華北落葉松人工林土壤持水能力的密度控制圖，為冀北山地華北落葉松水源涵養(yǎng)林的密度管理提供數(shù)據(jù)參考和理論依據(jù)。

華北落葉松；水源涵養(yǎng)；土壤；持水能力

土壤層是森林水文作用的第3個活動層，大氣降水可以沿著土壤毛管孔隙和非毛管孔隙下滲，一部分供植物蒸騰和地表蒸發(fā)，一部分則貯存起來或通過滲透匯入溪流，從而體現(xiàn)出森林水源涵養(yǎng)和保持水土的功能[1]， 各種森林群落類型由于樹種組成和空間結(jié)構(gòu)不同，其土壤水文生態(tài)特征存在較大差異[2]。林地土壤層的水文作用主要表現(xiàn)在透水和貯水性能兩方面。土壤中的水分得到充分的涵蓄，才能有效的減弱地表徑流的產(chǎn)生，調(diào)節(jié)河川徑流，達(dá)到涵養(yǎng)水源的目的[3-5]。因此，研究林地土壤水文特性，是科學(xué)認(rèn)識和評價森林生態(tài)系統(tǒng)水文調(diào)節(jié)功能的基礎(chǔ)。

目前木蘭林管局的大面積華北落葉松人工林由于受不合理造林技術(shù)與粗放管理技術(shù)的影響，較多林分開始出現(xiàn)生長衰退、生態(tài)功能降低的現(xiàn)象，因此，合理調(diào)控密度已成為保證林分生長穩(wěn)定和功能高效的關(guān)鍵技術(shù)[6-8]。迄今為止，有關(guān)華北落葉松的研究，多數(shù)集中在速生豐產(chǎn)用材林培育技術(shù)方面，涉及水源涵養(yǎng)林的研究較少，尤其缺乏合理造林密度與成林密度的研究[9-11]。為此，以華北落葉松林為研究對象，綜合分析了不同林齡(20、30、40、50 a)華北落葉松林分密度對土壤持水量變化的影響，探索其密度合理性，并編制華北落葉松人工林枯落物持水能力密度控制圖，以期為冀北山地華北落葉松水源涵養(yǎng)林的密度管理提供數(shù)據(jù)參考和理論依據(jù)。

1 區(qū)域概況

研究地區(qū)—河北省木蘭林管局(42°02′～42°36′N，116°51′～ 117°39′E)位于河北省承德圍場境內(nèi)，始建于1963年。研究區(qū)域所屬轄區(qū)屬于半干旱半濕潤地帶，大陸性氣候，冬季寒冷干燥，夏季涼爽，無霜期67～128 d，年平均氣溫-1.4℃～4.7℃，降雨主要集中在6～7月份，年平均降雨量380～560 mm?？偨?jīng)營面積10.73萬hm2，混交林面積2.1萬hm2；按森林起源劃分：人工林面積4.65萬hm2，天然次生林面積4.25萬hm2；按經(jīng)營類型劃分：商品林3.93萬hm2，國家重點生態(tài)公益林 4.97萬hm2，森林覆蓋率84.01%，活立木總蓄積量520.7萬m3。研究區(qū)內(nèi)主要喬木樹種有：黑樺Betula davurica、白樺Betula platyphylla、華北落葉松Larix principicrupprechtii、蒙古櫟Quercusmongolica和山楊Populus davidian等。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

依據(jù)2012年的木蘭林管局的華北落葉松林作業(yè)調(diào)查，選擇32塊處于半陰坡、不同年齡的華北落葉松林標(biāo)準(zhǔn)地。標(biāo)準(zhǔn)地林下灌草種類比較相似，土壤厚度為30～40 cm之間，林分狀況見表1。每個齡級設(shè)樣地8塊，大小為30 m×30 m，并在每個樣方十字交叉的直徑及原心位置選取5個50 cm×50 cm的小樣方，壤含水量的調(diào)查。調(diào)查記錄樣地的地形地貌、人為干擾、土壤類型、海拔、坡向、坡位、坡度等。

2.2 土壤采樣及含水量測定

根據(jù)華北落葉松的根系分布情況，將土壤分為3層，每層20 cm進(jìn)行取樣。土壤的物理性質(zhì)采用環(huán)刀浸泡法測定，指標(biāo)計算方法如下：

土壤最大蓄水量（t/hm2）=10000（m2）×土壤總孔隙度（%）×土層厚度（m）；

非毛管蓄水量（t/hm2）＝10000（m2）×土壤非毛管孔隙度（%）×土層厚度（m）。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林齡土壤持水能力隨林分密度的變化結(jié)果

華北落葉松人工林不同林齡，經(jīng)營密度對其土壤持水能力影響結(jié)果見圖1。

20 a華北落葉松人工林為幼齡林，經(jīng)營密度不同，林地土壤持水量的變化較大。林分密度2 500株/hm2時，枯落物最大持水量和有效持水量均達(dá)到最大，分別為 3 149.73 t·hm-2和 292.65 t·hm-2。當(dāng)林分密度小于2 500 株/hm2時，土壤層持水能力隨林分密度增加而增大，當(dāng)林分密度大于2 500株/hm2時，土壤層持水能力隨林分密度增加有所減小。

30 a華北落葉松人工林為中齡林，隨著林分經(jīng)營密度變化，林地土壤最大持水量的變化趨勢較明顯。林分密度1 800 株/hm2時，枯落物最大持水量和有效持水量均達(dá)到最大，分別為3 255.26 t?hm-2和 303.33 t?hm-2。當(dāng)林分密度小于 1 800株/hm2時，土壤層持水能力隨林分密度增加而增大，當(dāng)林分密度大于1 800 株/hm2時，土壤層持水能力隨林分密度增加有所減小。

40a華北落葉松人工林已經(jīng)接近成熟，隨著林分經(jīng)營密度變化，林地枯落物最大持水量的變化趨勢較明顯。林分密度1 000 株/hm2時，枯落物最大持水量和有效持水量均達(dá)到最大，分別為23.56 t·hm-2和 10.12 t·hm-2。當(dāng)林分密度小于 1 000株/hm2時，枯落物層持水能力隨林分密度增加而增大，當(dāng)林分密度大于1 000 株/hm2時，枯落物層持水能力隨林分密度增加有所減小。

50 a華北落葉松人工林已經(jīng)成熟，隨著林分經(jīng)營密度變化，林地土壤最大持水量的變化趨勢較明顯。林分密度800 株/hm2時，土壤最大持水量和有效持水量均達(dá)到最大，分別為3 785.24 t·hm-2和367.56 t·hm-2。當(dāng)林分密度小于 800 株 /hm2時，土壤層持水能力隨林分密度增加而增大，當(dāng)林分密度大于800 株/hm2時，土壤層持水能力隨林分密度增加而減小。

圖1 不同年齡華北落葉松林經(jīng)營密度與土壤最大持水量的關(guān)系Fig. 1 Relationship between density and soil water holding capacity of different age Larix principis-rupprechtii plantation

3.2 枯落物層水源涵養(yǎng)能力隨密度變化

枯落物層持水能力隨林分密度的變化規(guī)律與林木生長規(guī)律一致，通過建立等樹高線、等直徑線、最大密度線、自然稀疏線、蓄積量與枯落物層持水量關(guān)系的模型。編制華北落葉松人工林枯落物持水能力密度控制圖，為水源涵養(yǎng)林的經(jīng)營提供理論依據(jù)[12-14]。

根據(jù)密度對單產(chǎn)和材種規(guī)格的影響，有以下幾種數(shù)學(xué)模型

等樹高線；

Μ=a11×Hb11×N- a12×Hb12×N2記為模型1

等疏密度線：

Μ=Kp×N-(k3-1) 記為模型2

自然稀疏線；

Μ=K×(N-N)×N-K3記為模型3

500

等直徑線；

Μ=a×Db×Nc 記為模型 4

注；Μ為林分蓄積量(m3·hm-2)，D為林分平均胸徑(cm)，H為林分平均高(m)，N為林分密度(株·hm-2)，N0為林分初始密度 (株·hm-2)。

用SPSS20.0軟件，通過非線性回歸分析，可求得參數(shù)，具體公式如下：

根據(jù)枯落物最大含水量和林分蓄積量的調(diào)查數(shù)據(jù)，擬合關(guān)系式為：

表 2 各模型的參數(shù)值Table 2 Parameter values of models

落葉松：Y=2 686.745 246+8.264 309Μ-0.021 410 Μ2+0.000 021Μ3記為模型5

式中；Y為林分枯落物最大含水量(t·hm-2)，Μ為林分蓄積量 (m3·hm-2)。

由模型1到模型5及相應(yīng)參數(shù)在Origin8.0中，模擬出得到華北落葉松人工林土壤層水源涵養(yǎng)能力關(guān)系圖，見圖2。

圖2 華北落葉松人工林土壤水源涵養(yǎng)能力控制Fig. 2 Soil water conservation capacity control of Larix principis-rupprechtii plantation

4 結(jié)論與討論

通過綜合分析不同林齡的華北落葉松人工林經(jīng)營密度對其土壤持水能力影響，結(jié)合華北落葉松人工林土壤持水能力控制圖得出：

（1）華北落葉松人工林適宜初植密度。華北落葉松屬于長壽樹種， 在研究區(qū)立地環(huán)境下培育的水源涵養(yǎng)林，至林分成熟階段，土壤達(dá)到最大持水量和最大有效持水量的密度范圍為800株/hm2到 1 800 株 /hm2。

（2）華北落葉松人工林不同林齡的經(jīng)營密度。華北落葉松人工林土壤最大持水量達(dá)到最大時20 a的林分經(jīng)營密度為2 500株/hm2、30 a的林分經(jīng)營密度為1 800株/hm2、40 a的林分經(jīng)營密度為1 000株/hm2、50 a的林分經(jīng)營密度為800株/hm2，此時林分得有效含水量變化趨勢基本與最大含水量變化趨勢相同。隨著林分密度增加，枯落物層最大持水量和有效持水量的變化呈現(xiàn)先增后減的趨勢。

（3）通過建立等樹高線、等直徑線、最大密度線、自然稀疏線、蓄積量與含水量關(guān)系的模型，可以編制不同林分的水源涵養(yǎng)功能密度控制圖。華北落葉松人工林枯落物層水源涵養(yǎng)能力密度控制圖在產(chǎn)量預(yù)估、資源調(diào)查、林木間伐等方面使用方便，對生產(chǎn)實踐及調(diào)控森林水源涵養(yǎng)功能具有重要意義，對華北落葉松人工林經(jīng)營管理，提供新的途徑。

[1] 田 超, 楊新兵, 李 軍,等. 冀北山地不同海拔蒙古櫟林枯落物和土壤水文效應(yīng)[J]. 水土保持學(xué)報, 2011, 25(4):222-227.

[2] 剪文灝, 李淑春, 陳 波,等. 冀北山區(qū)三種典型森林類型枯落物水文效應(yīng)研究[J]. 水土保持研究, 2011, 10: 144-147.

[3] 張光燦, 周澤福. 五臺山華北落葉松水源涵養(yǎng)林密度結(jié)構(gòu)與生長動態(tài)[J]. 中國水土保持科學(xué). 2007. 5(1): 1-6.

[4] 陳 波, 孟成生, 趙耀新,等. 冀北山地不同海拔華北落葉松人工林枯落物和土壤水文效應(yīng) [J]. 水土保持學(xué)報,2012, 26(3):216-221.

[5] 李 軍, 田 超, 楊新兵. 河北省木蘭林管局典型森林類型枯落物水文效應(yīng)研究[J]. 水土保持研究, 2011, 8: 192-196.

[6] 王 晶, 莫 菲, 段文標(biāo),等. 六盤山南坡不同密度華北落葉松水源林生長過程比較[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué), 2009, 20: 500-506.

[7] 徐學(xué)華, 于樹峰, 崔立志,等. 冀北山地華北落葉松人工林水源涵養(yǎng)功能分析[J]. 水土保持研究, 2009, 16(5): 162-165.

[8] 魯紹偉, 劉鳳芹, 余新曉,等. 北京山區(qū)不同密度油松結(jié)構(gòu)與功能研究[J]. 水土保持研究, 2008, 2: 117-120

[9] 周國相. 經(jīng)營密度對楊樺次生林土壤含水量及林分生長量的影響[J]. 林業(yè)勘察設(shè)計, 2012(1): 88-90.

[10] 齊 記, 史 宇, 余新曉,等. 北京山區(qū)主要樹種枯落物水文功能特征研究[J]. 水土保持研究, 2011, 6: 73-77

[9] 蔣 航. 北京密云水源涵養(yǎng)林蓄積潛力與改造模式研究[D].北京林業(yè)大學(xué), 2011.

[11] 賈志軍, 王 富, 甄寶艷,等. 不同生態(tài)修復(fù)措施下桃林口水庫水源涵養(yǎng)區(qū)枯落物的蓄水保水效益 [J]. 水土保持研究,2012, 6: 136-129.

[12] 楊玉盛, 郭劍芬, 陳銀秀,等. 福建柏和杉木人工林凋落物分解及養(yǎng)分動態(tài)的比較[J]. 林業(yè)科學(xué), 2004, 40(3): 19-25.

[13] 黃 進(jìn), 張金池, 淘寶先. 江寧小流域主要森林類型水源涵養(yǎng)功能研究[J]. 水土保持學(xué)報, 2009, 23(1): 182-186.

[14] 王衛(wèi)軍, 趙嬋璞, 姜 鵬,等. 塞罕壩華北落葉松人工林水源涵養(yǎng)功能研究[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2013,33(2):66-68.

The inf l uence of stand density on soil water-holding capacity of Larix principis-rupprechtii Mayr. plantation

WANG Wei-jun, ZHAO Chan-pu, REN Xian, JIANG Peng, ZHANG Shao-xuan, REN Jia-jia, GU Jian-cai
(Agriculture University of Hebei, Baoding 071000, Hebei, China)

In order to evaluate the mountainous northern Hebei Province Water Conservation plantation of Larix principis-rupprechtii level function, in Mulan Forestry Management Bureau of Larix principis-rupprechtii plantation as study object of holding water of different ages in different density of Larix principis-rupprechtii soil ability using four points methods. The results show that: 20, 30, 40,50A North China larch plantation, the optimal stand density respectively was 2 500 plants/hm2, 1 800 plants/hm2, 1 000 plants/hm2, 800 plants/hm2, maximum water holding capacity and effective moisture reached their maximum. As the density increased, soil maximum water holding capacity and effective moisture was increased fi rst and then decreased trend. Correlation and based on soil water holding capacity with increasing stand density changes and growth rule, density control diagram of Larix principis-rupprechtii plantation soil water holding capacity, density management for the mountainous northern Hebei Province in North China larch forest for conservation of water supply to provide data reference and theoretical basis.

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

S791.22

A

1673-923X(2013)10-0095-04

2013-04-09

“‘三北’地區(qū)水源涵養(yǎng)林體系構(gòu)建技術(shù)研究與示范” (2011BAD38B05)

王衛(wèi)軍（1987-），男，河北秦皇島人，碩士研究生；研究方向：森林可持續(xù)經(jīng)營；E-mail：wangwja@163.com

谷建才（1963-），河北藁城人，教授，研究方向：林業(yè)經(jīng)營技術(shù)；E-mail：gujiancai@-126.com

[本文編校：吳 彬]