华北落叶松人工林林分密度对土壤持水能力的影响

王卫军，赵婵璞，任 仙，姜 鹏，张绍轩，任佳佳，谷建才

（河北农业大学，河北 保定 071000）

华北落叶松人工林林分密度对土壤持水能力的影响

王卫军，赵婵璞，任 仙，姜 鹏，张绍轩，任佳佳，谷建才

（河北农业大学，河北 保定 071000）

为了评价冀北山地华北落叶松人工林土壤水源涵养功能高低，以木兰林管局华北落叶松人工林为研究对象采用四分法对不同林龄不同密度的华北落叶松土壤持水能力进行研究。结果表明：20、30、40、50 a华北落叶松人工林，对应的林分最佳密度分别为2 500株/hm2、1 800株/hm2、1 000株/hm2、800株/hm2时，土壤最大持水量和有效持水量均达到最大。随着林分密度增加，土壤层最大持水量和有效持水量呈先增加后减小的趋势。并根据土壤持水能力随林分密度的变化规律和林木生长规律的相关关系，编制华北落叶松人工林土壤持水能力的密度控制图，为冀北山地华北落叶松水源涵养林的密度管理提供数据参考和理论依据。

华北落叶松；水源涵养；土壤；持水能力

土壤层是森林水文作用的第3个活动层，大气降水可以沿着土壤毛管孔隙和非毛管孔隙下渗，一部分供植物蒸腾和地表蒸发，一部分则贮存起来或通过渗透汇入溪流，从而体现出森林水源涵养和保持水土的功能[1]， 各种森林群落类型由于树种组成和空间结构不同，其土壤水文生态特征存在较大差异[2]。林地土壤层的水文作用主要表现在透水和贮水性能两方面。土壤中的水分得到充分的涵蓄，才能有效的减弱地表径流的产生，调节河川径流，达到涵养水源的目的[3-5]。因此，研究林地土壤水文特性，是科学认识和评价森林生态系统水文调节功能的基础。

目前木兰林管局的大面积华北落叶松人工林由于受不合理造林技术与粗放管理技术的影响，较多林分开始出现生长衰退、生态功能降低的现象，因此，合理调控密度已成为保证林分生长稳定和功能高效的关键技术[6-8]。迄今为止，有关华北落叶松的研究，多数集中在速生丰产用材林培育技术方面，涉及水源涵养林的研究较少，尤其缺乏合理造林密度与成林密度的研究[9-11]。为此，以华北落叶松林为研究对象，综合分析了不同林龄(20、30、40、50 a)华北落叶松林分密度对土壤持水量变化的影响，探索其密度合理性，并编制华北落叶松人工林枯落物持水能力密度控制图，以期为冀北山地华北落叶松水源涵养林的密度管理提供数据参考和理论依据。

1 区域概况

研究地区—河北省木兰林管局(42°02′～42°36′N，116°51′～ 117°39′E)位于河北省承德围场境内，始建于1963年。研究区域所属辖区属于半干旱半湿润地带，大陆性气候，冬季寒冷干燥，夏季凉爽，无霜期67～128 d，年平均气温-1.4℃～4.7℃，降雨主要集中在6～7月份，年平均降雨量380～560 mm。总经营面积10.73万hm2，混交林面积2.1万hm2；按森林起源划分：人工林面积4.65万hm2，天然次生林面积4.25万hm2；按经营类型划分：商品林3.93万hm2，国家重点生态公益林 4.97万hm2，森林覆盖率84.01%，活立木总蓄积量520.7万m3。研究区内主要乔木树种有：黑桦Betula davurica、白桦Betula platyphylla、华北落叶松Larix principicrupprechtii、蒙古栎Quercusmongolica和山杨Populus davidian等。

2 研究方法

2.1 样地调查

依据2012年的木兰林管局的华北落叶松林作业调查，选择32块处于半阴坡、不同年龄的华北落叶松林标准地。标准地林下灌草种类比较相似，土壤厚度为30～40 cm之间，林分状况见表1。每个龄级设样地8块，大小为30 m×30 m，并在每个样方十字交叉的直径及原心位置选取5个50 cm×50 cm的小样方，壤含水量的调查。调查记录样地的地形地貌、人为干扰、土壤类型、海拔、坡向、坡位、坡度等。

2.2 土壤采样及含水量测定

根据华北落叶松的根系分布情况，将土壤分为3层，每层20 cm进行取样。土壤的物理性质采用环刀浸泡法测定，指标计算方法如下：

土壤最大蓄水量（t/hm2）=10000（m2）×土壤总孔隙度（%）×土层厚度（m）；

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

3 结果与分析

3.1 不同林龄土壤持水能力随林分密度的变化结果

华北落叶松人工林不同林龄，经营密度对其土壤持水能力影响结果见图1。

20 a华北落叶松人工林为幼龄林，经营密度不同，林地土壤持水量的变化较大。林分密度2 500株/hm2时，枯落物最大持水量和有效持水量均达到最大，分别为 3 149.73 t·hm-2和 292.65 t·hm-2。当林分密度小于2 500 株/hm2时，土壤层持水能力随林分密度增加而增大，当林分密度大于2 500株/hm2时，土壤层持水能力随林分密度增加有所减小。

30 a华北落叶松人工林为中龄林，随着林分经营密度变化，林地土壤最大持水量的变化趋势较明显。林分密度1 800 株/hm2时，枯落物最大持水量和有效持水量均达到最大，分别为3 255.26 t•hm-2和 303.33 t•hm-2。当林分密度小于 1 800株/hm2时，土壤层持水能力随林分密度增加而增大，当林分密度大于1 800 株/hm2时，土壤层持水能力随林分密度增加有所减小。

40a华北落叶松人工林已经接近成熟，随着林分经营密度变化，林地枯落物最大持水量的变化趋势较明显。林分密度1 000 株/hm2时，枯落物最大持水量和有效持水量均达到最大，分别为23.56 t·hm-2和 10.12 t·hm-2。当林分密度小于 1 000株/hm2时，枯落物层持水能力随林分密度增加而增大，当林分密度大于1 000 株/hm2时，枯落物层持水能力随林分密度增加有所减小。

50 a华北落叶松人工林已经成熟，随着林分经营密度变化，林地土壤最大持水量的变化趋势较明显。林分密度800 株/hm2时，土壤最大持水量和有效持水量均达到最大，分别为3 785.24 t·hm-2和367.56 t·hm-2。当林分密度小于 800 株 /hm2时，土壤层持水能力随林分密度增加而增大，当林分密度大于800 株/hm2时，土壤层持水能力随林分密度增加而减小。

图1 不同年龄华北落叶松林经营密度与土壤最大持水量的关系Fig. 1 Relationship between density and soil water holding capacity of different age Larix principis-rupprechtii plantation

3.2 枯落物层水源涵养能力随密度变化

枯落物层持水能力随林分密度的变化规律与林木生长规律一致，通过建立等树高线、等直径线、最大密度线、自然稀疏线、蓄积量与枯落物层持水量关系的模型。编制华北落叶松人工林枯落物持水能力密度控制图，为水源涵养林的经营提供理论依据[12-14]。

根据密度对单产和材种规格的影响，有以下几种数学模型

等树高线；

Μ=a11×Hb11×N- a12×Hb12×N2记为模型1

等疏密度线：

Μ=Kp×N-(k3-1) 记为模型2

自然稀疏线；

Μ=K×(N-N)×N-K3记为模型3

500

等直径线；

Μ=a×Db×Nc 记为模型 4

注；Μ为林分蓄积量(m3·hm-2)，D为林分平均胸径(cm)，H为林分平均高(m)，N为林分密度(株·hm-2)，N0为林分初始密度 (株·hm-2)。

用SPSS20.0软件，通过非线性回归分析，可求得参数，具体公式如下：

根据枯落物最大含水量和林分蓄积量的调查数据，拟合关系式为：

表 2 各模型的参数值Table 2 Parameter values of models

落叶松：Y=2 686.745 246+8.264 309Μ-0.021 410 Μ2+0.000 021Μ3记为模型5

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

由模型1到模型5及相应参数在Origin8.0中，模拟出得到华北落叶松人工林土壤层水源涵养能力关系图，见图2。

图2 华北落叶松人工林土壤水源涵养能力控制Fig. 2 Soil water conservation capacity control of Larix principis-rupprechtii plantation

4 结论与讨论

通过综合分析不同林龄的华北落叶松人工林经营密度对其土壤持水能力影响，结合华北落叶松人工林土壤持水能力控制图得出：

（1）华北落叶松人工林适宜初植密度。华北落叶松属于长寿树种， 在研究区立地环境下培育的水源涵养林，至林分成熟阶段，土壤达到最大持水量和最大有效持水量的密度范围为800株/hm2到 1 800 株 /hm2。

（2）华北落叶松人工林不同林龄的经营密度。华北落叶松人工林土壤最大持水量达到最大时20 a的林分经营密度为2 500株/hm2、30 a的林分经营密度为1 800株/hm2、40 a的林分经营密度为1 000株/hm2、50 a的林分经营密度为800株/hm2，此时林分得有效含水量变化趋势基本与最大含水量变化趋势相同。随着林分密度增加，枯落物层最大持水量和有效持水量的变化呈现先增后减的趋势。

（3）通过建立等树高线、等直径线、最大密度线、自然稀疏线、蓄积量与含水量关系的模型，可以编制不同林分的水源涵养功能密度控制图。华北落叶松人工林枯落物层水源涵养能力密度控制图在产量预估、资源调查、林木间伐等方面使用方便，对生产实践及调控森林水源涵养功能具有重要意义，对华北落叶松人工林经营管理，提供新的途径。

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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’地区水源涵养林体系构建技术研究与示范” (2011BAD38B05)

王卫军（1987-），男，河北秦皇岛人，硕士研究生；研究方向：森林可持续经营；E-mail：wangwja@163.com

谷建才（1963-），河北藁城人，教授，研究方向：林业经营技术；E-mail：gujiancai@-126.com

[本文编校：吴 彬]