尤海舟，孫浩倫，王立方，吳樹(shù)琴

（1.河北省林業(yè)科學(xué)研究院，河北 石家莊，050061；2.河北小五臺(tái)山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站， 河北 涿鹿 075600；3.河北省林木良種工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050061； 4.灤平市國(guó)有林場(chǎng)管理處，河北 承德 068250）

蒙古櫟Quercus mongolica為殼斗科櫟屬落葉高大喬木，是中國(guó)東北、華北山地森林的主要建群樹(shù)種[1]。蒙古櫟抗干旱耐瘠薄能力強(qiáng)，適應(yīng)性廣，在冀北山地形成大面積的次生林，是本區(qū)天然次生林中分布最為廣泛的林分類型。華北地區(qū)天然植被本已所剩不多，蒙古棟作為本區(qū)重要的闊葉樹(shù)種之一，不管是對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)還是對(duì)生態(tài)環(huán)境都具有重要價(jià)值，對(duì)它的研究基本集中在群落結(jié)構(gòu)[2,3]、 生態(tài)功能[4,5]、森林經(jīng)營(yíng)[6,7]、生長(zhǎng)與收獲模型等方面[8-10]。對(duì)于冀北地區(qū)廣泛分布的蒙古櫟天然次生林，間伐是促進(jìn)其生長(zhǎng)的重要措施，能夠改變林分結(jié)構(gòu)和林下植被演替，對(duì)其進(jìn)行間伐強(qiáng)度與產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系分析，特別是連續(xù)的野外定位觀測(cè)研究有重要意義。

影響地表產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律有眾多因素，針對(duì)這些因素的影響規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量相關(guān)研究[11-13]，在降水產(chǎn)流機(jī)制、降水—入滲—產(chǎn)流過(guò)程的影響因素及模擬等方面取得了重要成果[14,15]。除降水外，下墊面特征也是影響坡面侵蝕的重要因素，當(dāng)坡度和土壤類型一致時(shí)，植被是控制水土流失的關(guān)鍵因素[16]。植被對(duì)水土流失的影響主要表現(xiàn)在：截留降水、葉片形成雨滴擊濺、根系增強(qiáng)土壤抗蝕性、攔慮徑流、泥沙、植被枯枝落葉對(duì)土壤的保護(hù)并改善土壤理化性狀等[17]。有關(guān)植被對(duì)土壤侵蝕的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了大量的研究，孫艷紅[18]等發(fā)現(xiàn)縉云山不同植被類型保水效果闊葉林＞灌木林＞針闊混交林＞楠竹林；楊春霞[19]等對(duì)不同坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征研究發(fā)現(xiàn)，隨著覆蓋度的增加，產(chǎn)沙和徑流相關(guān)性減少；王曉康[20]等通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)法發(fā)現(xiàn)林分密度、枯落物厚度、郁閉度是影響產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)鍵因素。本研究通過(guò)對(duì)冀北山地潮灤河流域蒙古櫟天然次生林5個(gè)不同間伐強(qiáng)度和1個(gè)對(duì)照徑流小區(qū)連續(xù)2 a 降水產(chǎn)流產(chǎn)沙資料的分析，探討不同間伐強(qiáng)度下植被結(jié)構(gòu)對(duì)地表產(chǎn)流和土壤侵蝕的影響，得出發(fā)揮最佳水土保持功能的合理林分撫育結(jié)構(gòu)，對(duì)冀北山地水土保持研究，低功能水源涵養(yǎng)林改造，內(nèi)陸水源涵養(yǎng)林構(gòu)建提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省北部的承德市灤平縣的灤河和潮河流域的交匯處，屬冀北燕山山脈中段，地理位置41°01′35.36"N，117°15′37.33"E，海拔890 m。本區(qū)氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)型燕山山地氣候，年平均氣溫7.6 ℃，年平均降水量552.6 mm，多年平均蒸發(fā)量1 679 mm，降水的季節(jié)變化明顯，6～8月降水量占全年降水量的65%～75%。本區(qū)土壤隨海拔高度變化由低而高的變化為草甸土—褐土—棕壤。本區(qū)屬華北植物區(qū)系，植被類型屬我國(guó)東部濕潤(rùn)森林區(qū)溫濕帶半旱生落葉闊葉林。

1.2 研究方法

1.2.1 徑流小區(qū)布設(shè)

2014年，在承德市拉海嶺林場(chǎng)劉家溝蒙古櫟天然次生林林區(qū)依據(jù)海拔、地形、坡度、坡向等，選取典型地段共設(shè)置面積約1 000 m2矩形樣地6塊，對(duì)其中5 塊樣地進(jìn)行不同強(qiáng)度的間伐，剩余1 塊作為對(duì)照，間伐方案見(jiàn)表1，間伐后，每年對(duì)樣地植被情況進(jìn)行調(diào)查，包括胸徑、密度、郁閉度、灌草層蓋度、枯落物儲(chǔ)量及冠幅等，胸徑采用每木檢尺法測(cè)定，枯落物儲(chǔ)量采用全部收獲法測(cè)定，密度指單位面積內(nèi)的喬木層株數(shù)，蓋度指植物地上部分垂直投影面積占樣地面積的百分比，郁閉度指喬木層蓋度，冠幅指林木南北和東西方向?qū)挾鹊钠骄怠?/p>

表1 蒙古櫟天然次生林撫育方案Table 1 Thinning scheme of Quercus mongolica secondary forests

同時(shí)，在各樣地中設(shè)立面積為5 m×20 m 的徑流小區(qū)，徑流小區(qū)的設(shè)置應(yīng)遵循地貌、地質(zhì)、土壤、植被等具有代表性；坡度、土壤特性等具有一致性；坡面上盡可能保持自然狀態(tài)，枯枝落葉不應(yīng)破壞，不存在影響徑流的障礙物等原則。2016年、2017年各徑流小區(qū)的基本情況見(jiàn)表2。

表2 徑流小區(qū)基本情況Table 2 The basic information of runoff plot in different intermediate cutting stands

1.2.2 地表徑流監(jiān)測(cè)

徑流小區(qū)產(chǎn)沙和產(chǎn)流量測(cè)定：于2015—2017年的5—10月份，每次降水后用量筒測(cè)定地表徑流量，并將集水槽內(nèi)的地表徑流取樣帶回，每次取樣量大于500 mL，在室內(nèi)對(duì)水樣進(jìn)行過(guò)濾，后將泥沙放入烘箱內(nèi)在80 ℃恒溫下烘干、稱質(zhì)量，得土壤侵蝕量。

徑流小區(qū)氣象數(shù)據(jù)獲?。涸趶搅餍^(qū)空曠地方安裝有簡(jiǎn)易野外氣象站，雨量計(jì)為翻斗式自記雨量計(jì)。

地表徑流系數(shù)是指任意時(shí)段內(nèi)的徑流深度與同一時(shí)段內(nèi)的降水深度的比值，說(shuō)明降水量轉(zhuǎn)化為徑流量的比例，計(jì)算公式為a=y/x，（y為徑流深，x為降水量）。徑流深指計(jì)算時(shí)段內(nèi)某一過(guò)水?dāng)嗝嫔系膹搅骺偭科戒佋跀嗝嬉陨狭饔蛎娣e上所得到的水層深度。

土壤侵蝕模數(shù)指單位面積和單位時(shí)段內(nèi)的土壤侵蝕量。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

本研究的數(shù)據(jù)分析和圖表制作采用Excel 2010和SPSS 20.0 軟件，用 Pearson 相關(guān)系數(shù)評(píng)定各因子間的相關(guān)關(guān)系?；疑P(guān)聯(lián)分析采用DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同間伐強(qiáng)度地表徑流分析

2016年和2017年不同間伐強(qiáng)度地表產(chǎn)流量表現(xiàn)規(guī)律一致（圖1），均為：25%間伐強(qiáng)度＞20%間伐強(qiáng)度＞50%間伐強(qiáng)度＞對(duì)照＞30%間伐強(qiáng) 度＞40%間伐強(qiáng)度。2016年不同間伐強(qiáng)度地表徑流量在1.55～5.19 m3/hm2之間，2017年不同間伐強(qiáng)度地表徑流量在1.57～5.14 m3/hm2，25%和40%強(qiáng)度間伐樣地徑流量與2016年差別不大，其他強(qiáng)度徑流量低于2016年。

本研究6個(gè)徑流小區(qū)相互毗鄰，地質(zhì)狀況差異不大，因而可比性強(qiáng)，能突出植被對(duì)地表徑流的影響效應(yīng)。通過(guò)計(jì)算（表3），2016年年降水量為593.8 mm，不同間伐強(qiáng)度徑流系數(shù)在0.026%～0.087%之間。2017年年降水量為450.7 mm，不同間伐強(qiáng)度徑流系數(shù)在0.034%～0.114%之間，25%和40%強(qiáng)度間伐樣地徑流系數(shù)大于2016年，其他強(qiáng)度徑流系數(shù)小于2016年。研究區(qū)徑流系數(shù)較低，不同間伐強(qiáng)度間徑流系數(shù)排序與地表產(chǎn)流量規(guī)律一致。

圖1 不同間伐強(qiáng)度總地表產(chǎn)流量Fig.1 The total runoff in different intermediate cutting stands

圖2 不同間伐強(qiáng)度總產(chǎn)沙量Fig.2 The total sediment yield in different intermediate cutting stands

2.2 不同間伐強(qiáng)度產(chǎn)沙特征分析

不同間伐強(qiáng)度產(chǎn)沙量見(jiàn)圖2，50%和20%強(qiáng)度間伐樣地產(chǎn)沙量較大，25%、30%和40%強(qiáng)度間伐樣地產(chǎn)沙量較小。50%強(qiáng)度間伐后林地產(chǎn)沙量最大，是因?yàn)槠淞址置芏群陀糸]度顯著低于其他樣地，林木稀疏，林冠截留降水少所致；20%強(qiáng)度間伐后，林分密度和郁閉度較大，當(dāng)郁閉度太大時(shí)，受林分密度的影響，冠幅較?。ū?），當(dāng)遇到強(qiáng)降雨時(shí)，作用卻較差，而且林下灌草發(fā)育不好，不能減弱雨滴對(duì)地表濺擊的作用。

2016年不同強(qiáng)度間伐樣地產(chǎn)沙量在1.68～ 8.06 kg/hm2之間，2017年不同強(qiáng)度間伐樣地產(chǎn)沙量在1.37～4.48 kg/hm2之間，除25%強(qiáng)度間伐樣地外，其他強(qiáng)度2016年產(chǎn)沙量顯著高于2017年。不同間伐強(qiáng)度產(chǎn)流、產(chǎn)沙大小順序存在一定差異，主要表現(xiàn)在25%間伐強(qiáng)度上，其產(chǎn)流量很大，產(chǎn)沙量反而較少。

2016年不同間伐強(qiáng)度土壤侵蝕模數(shù)變化范圍為0.169～0.846 t/(hm2·a)；由于降水量和雨強(qiáng)較小的緣故，2017年土壤侵蝕模數(shù)低于2016年，變化范圍為0.114～0.448 t/(hm2·a)。本區(qū)土壤侵蝕模數(shù)較?。ū?），即使在間伐后第一年，2015年本區(qū)最大土壤侵蝕模數(shù)僅為26.13 t/(hm2·a)。

表3 不同間伐強(qiáng)度徑流系數(shù)和侵蝕模數(shù)Table 3 Surface runoff coefficient and soil erosion modulus in different intermediate cutting stands

2.3 不同間伐強(qiáng)度對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙影響的灰色關(guān)聯(lián)分析

選取降水量、林分密度、郁閉度、灌草層蓋度、枯落物儲(chǔ)量、冠幅等影響因子，對(duì)6個(gè)因子對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響程度進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析。從表4看出，所選參數(shù)對(duì)產(chǎn)沙量和產(chǎn)流量影響程度存在差異，對(duì)于產(chǎn)流量來(lái)說(shuō)：降水量＞郁閉度＞枯落物儲(chǔ)量＞林分密度＞冠幅＞灌草層蓋度；對(duì)于產(chǎn)沙量來(lái)說(shuō)：降水量＞林分密度＞枯落物儲(chǔ)量＞ 冠幅＞郁閉度＞灌草層蓋度；降水是產(chǎn)生徑流的原動(dòng)力，無(wú)論是產(chǎn)流還是產(chǎn)沙，降水與其灰色關(guān)聯(lián)度都最大。其余參數(shù)中對(duì)產(chǎn)流量影響最大的是郁閉度、枯落物儲(chǔ)量和林分密度，分別為： 0.658 4、0.599 7、0.523 3；但對(duì)產(chǎn)沙量影響最大的是林分密度、枯落物儲(chǔ)量和冠幅，分別為：0.602 3、 0.567 7、0.466 4。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

間伐對(duì)徑流的影響是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，上述研究結(jié)果表明，蒙古櫟天然次生林經(jīng)過(guò)適當(dāng)間伐后，保持水土效果優(yōu)于未撫育林地，過(guò)度間伐后水土保持效果較差。綜合比較6個(gè)徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，40%強(qiáng)度間伐后，樣地徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)都較小，是本區(qū)次生林合理的間伐強(qiáng)度。因此對(duì)于本區(qū)蒙古櫟天然次生林，中齡林林木密度在1 500 株/hm2左右，平均冠幅在3.5 m 左右，平均胸徑在10 cm 左右，郁閉度在0.70～0.80范圍內(nèi)，且具有完整的喬灌草復(fù)合結(jié)構(gòu)時(shí)，水源涵養(yǎng)達(dá)到最佳。由于冀北山地蒙古櫟天然林特殊的生長(zhǎng)環(huán)境條件，難以形成喬灌草的林分生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，因此通過(guò)適當(dāng)?shù)娜斯さ慕?jīng)營(yíng)及撫育措施對(duì)水源涵養(yǎng)林進(jìn)行合理分配和布置，使之維持一個(gè)良好的垂直結(jié)構(gòu)，將對(duì)該區(qū)涵養(yǎng)水源、保持水土起到良好的作用。

產(chǎn)流、產(chǎn)沙對(duì)間伐強(qiáng)度響應(yīng)程度不同，25%強(qiáng)度間伐后，林地產(chǎn)流量最大，產(chǎn)沙量反而較小，主要是因?yàn)?5%間伐時(shí)，雖然林木密度較小，無(wú)法發(fā)揮喬木層對(duì)降水的分配作用，但冠幅和枯落物儲(chǔ)量較大，在林冠層及林下灌草和枯落物的共同防護(hù)下，雨滴對(duì)土壤的沖擊力較小。關(guān)聯(lián)度分析表明，林分結(jié)構(gòu)因子中，郁閉度、枯落物儲(chǔ)量和林分密度對(duì)產(chǎn)流影響較大，林分密度、枯落物儲(chǔ)量和冠幅對(duì)產(chǎn)沙影響較大。

表4 影響產(chǎn)流產(chǎn)沙的各因子關(guān)聯(lián)度值Table 4 Grey correlation coefficient of the influence factors on runoff and sediment yield

3.2 討 論

根據(jù)2008年頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL190—2007），北方土石山區(qū)土壤容許流失量為200 t/(hm2·a)，雖然不同間伐強(qiáng)度間土壤侵蝕模數(shù)差異很大（表3），但都遠(yuǎn)小于本區(qū)的土壤容許流失量，屬于微度土壤侵蝕；與其它地區(qū)比較[20-23]， 新疆天山山區(qū)[20]為0.05～0.22 t/(hm2·a)，華北太行山區(qū)[21]林地為 0.21～1.99 t /(hm2·a)，南方紅壤區(qū)[22]為0.3～10.8 t/(hm2·a)，武夷山區(qū)[23]118.29～ 174.89 t/(hm2·a)，本區(qū)蒙古櫟天然次生林具有較好的水土保持效果。

間伐撫育主要是通過(guò)改變林地林分密度和郁閉度，促進(jìn)林下灌草層生長(zhǎng)，通過(guò)植被、枯落物等對(duì)徑流、泥沙的攔慮，對(duì)土壤的保護(hù)及對(duì)土壤理化性狀的改善，改變林地水土保持的效果。40%強(qiáng)度間伐后，雖然其植被密度相對(duì)減小，但其郁閉度和冠幅增大，由于冠層對(duì)降水的截留，以及枯枝落葉對(duì)土壤的保護(hù)，且林下灌草結(jié)合較好，導(dǎo)致其產(chǎn)流產(chǎn)沙量較少，并低于對(duì)照。

地域自然條件和植被類型不同，植被參數(shù)對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙影響程度也不同，目前關(guān)于防治水土流失的植被因子主要集中于植被蓋度，然而較高的蓋度并不代表良好的保持水土功能[24]。本研究發(fā)現(xiàn)冀北山地蒙古櫟天然次生林產(chǎn)沙量與林分密度、枯落物儲(chǔ)量和冠幅關(guān)聯(lián)度較大，與郁閉度關(guān)聯(lián)度較小。郁閉度主要體現(xiàn)林冠層對(duì)降水的截留和減小樹(shù)干莖流；而郁閉度過(guò)高，由于林木的營(yíng)養(yǎng)空間不足，影響到光合作用導(dǎo)致林下死枝高度變高，冠變小，且林下植被發(fā)育不全，當(dāng)遇到強(qiáng)降雨時(shí)產(chǎn)沙量變大，不能發(fā)揮防治土壤侵蝕的最佳作用[20]。相比郁閉度，垂直結(jié)構(gòu)多樣性對(duì)水土流失的影響更加顯著，植被垂直結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其防治土壤侵蝕能力越強(qiáng)[24-25]。

朱冰冰等[26]指出，植被的空間格局及其與地貌的不同組合都會(huì)影響植被的水土保持作用，而且，植被的水土保持效應(yīng)存在尺度性，隨尺度的增大影響水土流失的因素也而愈加復(fù)雜[27]，因此本研究是基于本區(qū)特殊的群落結(jié)構(gòu)和立地條件，不能一概而論地評(píng)價(jià)所有坡面間伐強(qiáng)度對(duì)土壤侵蝕的影響。且植物群落性狀結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，通過(guò)間伐梯度確定的林分結(jié)構(gòu)因子是無(wú)法完整詮釋性狀結(jié)構(gòu)與產(chǎn)流產(chǎn)沙之間關(guān)系的，因此探索指標(biāo)之間的組合模型應(yīng)是未來(lái)植物群落與產(chǎn)流產(chǎn)沙響應(yīng)關(guān)系研究的一個(gè)重要方向。