太行山区主要森林生态系统水源涵养能力*

马维玲, 石培礼,2**, 宗 宁, 赵广帅,2, 柴 曦,2, 耿守保,2



太行山区主要森林生态系统水源涵养能力*

马维玲1, 石培礼1,2**, 宗 宁1, 赵广帅1,2, 柴 曦1,2, 耿守保1,2

(1. 中国科学院地理科学与资源研究所生态网络观测与模拟重点实验室 北京 100101; 2. 中国科学院大学资源与环境学院 北京 100190)

森林生态系统水源涵养功能是林冠层、枯落物层和土壤层对大气降水进行再分配的过程。本文通过文献收集整理太行山地区森林植被林冠一次降水截留量、枯落物层持水量和土壤层贮水量数据, 分析该地区主要森林植被对降水的截留和贮蓄能力, 采用综合蓄水能力法对森林植被的综合涵养水源能力进行评价, 旨在为合理经营和管理森林生态系统提供依据。结果表明: 1)土壤非毛管孔隙度与生态系统综合持水量呈正相关, 且最大持水量占整个森林生态系统综合持水量的90%以上, 表明土壤层作为森林生态系统水文效应最重要的一层, 是整个森林系统水分循环的主要贮蓄库和调节器; 2)针叶林中油松和侧柏的冠层一次降水截留量显著高于其他林型, 其林冠结构更加适应该地区气象条件, 林冠层降水再分配能力也优于其他林型; 3)混交林郁闭度低, 有利于林下灌、草丛的生长, 其枯落物现存量比纯林和人工林更高, 虽然林冠一次截留量低但林下具有丰富的枯落物层而更易涵养水源; 4)天然林综合蓄水能力整体高于人工林, 侧柏人工林和油松人工林综合蓄水能力仅次于刺槐、侧柏和油松天然林。综上可见, 合理利用森林资源防止水土流失、天然林长期封育和合理控制优势树种密度及增加植被覆盖率对太行山地区植被恢复和生态建设具有重要意义。为提高该区综合水源涵养能力, 可增加乡土树种油松和侧柏人工林的种植面积。

太行山区; 森林植被类型; 水源涵养; 综合蓄水能力

森林和水的相互作用关系一直是林学、生态学关注的热点问题, 而水源涵养能力则是森林生态系统的一项重要生态服务功能, 是指生态系统在一定空间和时间范围内保持水分的过程和能力[1-4]。20世纪末21世纪初, 众多学者开始研究森林与水的相互关系。随着人口增长、水资源紧缺和水环境质量恶化, 人们对森林水源涵养功能愈加重视, 从不同区域、不同尺度对不同类型森林水源涵养功能的水文过程和形成机制进行了深入研究。如营建水源涵养林可以解决因水资源供需不协调导致的部分缺水问题[5]; 长江上游[6]、祁连山[7]、大兴安岭[8]、黄土高原[9]、亚热带[10]、中国主要陆地[11]乃至全国[12]森林的水源涵养功能的研究对水土保持、水文调节、资源利用、生态安全屏障建设与保护, 以及生态系统管理等有重要意义。影响森林水源涵养能力的因子很多, 主要与气象、海拔、植被类型、地形、地表枯落物层、土壤等因素密切相关[3,7,13], 但主要受植被类型和土壤持水能力控制。鉴于其复杂性和动态性, 水源涵养能力的核算方法也多种多样, 主要包括林冠截留剩余量法、综合蓄水能力法、土壤蓄水能力法、降水量储存法、水量平衡法等, 每种方法都有其优点和局限性[6,14-19]。其中综合蓄水能力法是相对比较理想和最常用的综合评估方法, 主要通过不同森林类型的冠层截留、枯落物层的吸水截持与土壤层非毛管孔隙持水等3个层次对降水进行有效拦蓄和再分配, 从而实现其涵养水源的功能, 在一定程度上反映了整个生态系统的涵养水源和储蓄水分的潜在能力[3,14,20]。

太行山区作为北方典型的土石山区, 具有降水少且季节分配不均、土层浅薄、持水能力低的生态劣势, 生态环境脆弱, 但却是华北平原的生态屏障和重要水源保障[21-23]。水成为太行山区植被保护与恢复的重要限制因素之一, 因此, 比较分析太行山区主要森林植被的水源涵养能力, 并提出切实可行的提高水源涵养的建议和措施对华北地区的水资源安全保障十分重要。目前对于太行山区域内的森林水源涵养的研究案例不少, 但多局限于一个小的流域或者个别森林群落和林分类型, 尚缺少对各种森林植被类型水源涵养能力的综合比较分析。为了综合分析太行山区主要森林植被类型的水源涵养能力, 本文基于大量文献资料, 筛选出太行山区天然落叶阔叶林、人工落叶阔叶林、混交林、天然针叶林、人工针叶林和灌丛植被等的样点研究数据, 采用综合蓄水能力法系统比较该区主要森林植被的林冠截持降水、枯落物蓄水和土壤持水能力, 进而分析主要植被的水源涵养功能的差异, 为评估植被的水源涵养能力、合理经营森林资源和实现水资源科学管理提供依据, 对太行山地区的生态环境保护和防灾减灾也具有重要意义。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

太行山位于110°14′~114º33′E, 34°34′~40°43′N, 其东侧为断层构造, 相对高差达1 500~2 000 m, 最高峰海拔2 882 m, 自北向南覆盖河北、北京、山西和河南4个省市, 绵延数400余km, 地处中国地形第二阶梯的东缘, 也是黄土高原的东部界线。太行山属于暖温带半湿润大陆性季风气候, 四季分明, 春季多风, 雨热同季, 但明显冬长夏短, 年平均气温在10 ℃左右, 年降水量在530 mm左右, 7月降水最多, 为130 mm左右, 12月最少, 不足10 mm。地带性土壤类型以褐土为主。太行山是中国东部的一条重要地理界线, 东西两侧的植被垂直带特征存在明显差异, 东侧植被属于暖温带落叶阔叶林地带类型, 植物种类丰富, 西侧植被则属于森林草原和干草原地带类型。

1.2 数据收集与分析

本文以SRTM(Shuttle Radar Topography Mission) 90 m × 90 m DEM为基础, 提取太行山区边界信息(图1), 定位太行山区范围和确定该区的主要森林植被类型, 收集研究区内1990s以来森林生态系统水源涵养定量研究所需的降水量、林型、郁闭度、林冠降水截流量、枯落物现存量和土壤非毛管孔隙度等指标数据, 用以估算冠层、枯枝落叶层和土壤层的水分持留能力。参考中国植被分布图(1∶100万)[24]建立太行山区典型植被类型的水源涵养指标数据库[6,25], 共获取太行山区森林立地(研究点)尺度的196条森林植被水源涵养有效数据记录, 代表了主要的森林和灌丛植被类型。计算主要森林植被类型水源涵养指标的平均值及变幅(表1, 仅列出代表性植被类型数据)。从时间跨度来看, 获取了1990s的8篇24条数据、2010s的15篇50条记录和2000s的122条记录, 其中, 绝大部分数据都是2003— 2013年的数据, 占总数据的86.5%。因此, 本研究主要反映了2000s—2010s之间的植被水源涵养能力。

植被类型按照中国植被分类系统分类, 考虑太行山区山地气候带及植物生活型的相似性, 参考文献样本量, 将研究区植被分为4种植被类型和7种林型。植被类型分别为: 针叶林、针阔混交林、落叶阔叶林和灌丛; 森林类型按照优势树种归为6类具有代表性的乔木群落和1类灌丛, 乔木群落分别是椴树属()、栎属()、杨属()、刺槐属()等落叶阔叶乔木, 松属()、侧柏属()、落叶松属()等针叶乔木。同时参考太行山区各省、市的第2次土壤普查数据及地方县土壤志中相关评定方法, 确定土壤贮蓄能力评价的有效深度(以0.4 m为准)。现有文献资料在林冠降水截留方面有部分数据缺失, 运用指标特征数据库, 采用临近相同植被类型的数据与植被指数(NDVI)的关系插补[25]。

表1 太行山区主要森林类型水源涵养特征参数

本研究利用收集到的数据比较主要森林和灌丛植被的平均水源涵养能力, 采用研究区同一林型的平均值反映其水源涵养能力, 数据的标准差反映区域的异质性。

1.3 林冠截留率

森林对降水的调节作用首先表现为林冠对降水的截留过程[31-32]。作为森林生态系统水文作用的重要一环, 林冠截留降雨是个复杂的过程, 是降雨在到达地面过程中发生的第１次水量分配, 它不仅影响降水的重新分配, 还可以产生滞留作用及影响营养元素的输入等, 在森林生态系统水文循环中具有重要的意义[1,33-35]。前人研究表明, 林冠截留率(, %)受到降雨量(, mm)、降雨强度(, mm∙h-1)、风速 (, m∙s-1)与林冠郁闭度(, %)等因素影响[1,25]:

=(,,,) (1)

林冠郁闭度在不考虑植物单体球形、椭球形、圆锥形等形态差异外, 与植被种类、生长态势等具有相关性, 而乔木植物的生长态势可通过实测数据与遥感图片结合分析进行估算。同时, 在忽略降水强度与风速的动态影响后, 结合斑块的林地类型和NDVI值, 公式1可简化为某种林地中∝NDVI林地[25]。因此, 本文通过收集2011—2016年8—9月(2期∙a-1)MODIS Level4 16 d数据h2705、h2605与h0604区地表反射产品共30幅, 经过投影转换、裁剪拼接等处理, 通过文献资料内试验区、实地考察确定林地类型, 并选取方圆3 km区域的NDVI作为郁闭度样本点, 加权计算8—9月多年平均NDVI, 计算得到NDVI林地用于估算不同林分的降水截留率。

1.4 森林水源涵养功能计量

森林水源涵养功能与气候因素具有强相关。由于受到年际温度、降水量波动性以及降水集中度等因素的影响, 森林蓄水能力处于动态变化过程。但受限于试验设备、条件等因素的影响, 短期林间降水试验定量计量方法存在不确定性, 考虑到整个太行山区尺度的土壤质地差异性较小、降水协同性较高等特点, 利用森林涵养水源能力作为计量林冠层降水截留量、枯落物层持水量和土壤层贮水量的综合水源涵养的指标计算不同森林类型综合水源涵养能力, 为人工调节水源涵养提供林地种植参考(公式2-5)[2,6]。

林冠层降水截留量是指一次降水过程中林冠的截留能力, 可以通过林冠截留量与林外降水量计算(公式3); 枯落物持水量通过凋落物现存量与最大持水率计算(公式4); 土壤层贮水量通过土壤非毛管孔隙度和土壤厚度计算(公式5)。这种方法综合考虑了森林3个作用层对降水的拦蓄作用, 比较全面, 有助于比较分析不同作用层拦蓄降水功能的大小, 但需要大量的实测数据且计算复杂。

森林综合涵养水源能力:

TW= CI+ LC+S(2)

式中: TW、CILC和S分别表示第种类型森林植被综合涵养水源能力、林冠层一次降水截流量、单位面积枯落物层持水量和单位面积土壤层贮水量, 单位均为mm。

林冠一次降水截留量:

式中:X表示第种森林植被林外一次降水量;A和B分别表示第种类型森林林冠截流量与林外降水量幂函数方程中的常数, 此处林冠一次降水截留量的数据直接从文献中提取, 如果提取数据文献中没有直接的林冠一次降水截留量的数据而出现幂函数方程, 则直接采用文献中数据及公式进行计算。

枯落物持水量:

式中:L表示第种类型森林的枯落物积累量(t·hm-2),W表示第种类型森林枯落物最大持水率(%)。

土壤贮水量:

式中:P表示第种类型森林土壤的非毛管孔隙度(%),D表示第种类型森林土壤深度, 取值0.4 m。

2 结果与分析

2.1 太行山区主要森林植被类型的林冠截留量

统计分析表明(图2), 太行山区不同类型森林生长态势的加权NDVI林地(郁闭度×NDVI)与前人调查点的定位点的截留率均具有相关性。Logistic回归显示出太行山区主要森林植被在低生长态势时(NDVI林地< 0.4), 落叶阔叶林降水截流率最高, 针阔混交林次之, 针叶林最低; 当森林长势较好时(NDVI林地>0.6), 针叶林降水截留率最高, 针阔混交林次之, 阔叶林最低。通过数据的回归计算, 对森林水源涵养指标特征数据库中一次降水截流量缺失项进行计算补全。

太行山区各森林植被林冠层一次降水截留量平均为2.02 mm, 不同类型林分由于树种不同林冠层一次降水截留量不同(表2), 其中以油松、侧柏和华北落叶松为代表的针叶林冠层一次降水截流量显著高于以刺槐、杨树、栎树为代表的落叶阔叶林冠层以及针阔混交林(<0.05), 一次降水截留量达到2.18 mm, 而落叶阔叶林截流量为1.93 mm, 3种乔木林中最小, 但与针阔混交林差异不显著。太行山区主要森林类型林冠层一次降水截流量有所不同, 侧柏>油松>栎、椴>刺槐>桦、杨>落叶松>灌丛, 其中最大的侧柏林冠层一次降水截流量为2.53 mm, 落叶松林冠一次降水截流量仅为1.20 mm, 但仍高于灌丛。

2.2 太行山区主要类型森林植被的枯落物持水量

森林植被枯落物层是涵养水源的又一主要作用层, 具有明显的截持降水、调节地表径流等功能, 其蓄积量对评价森林水文功能占有非常重要的地位, 而森林枯落物层蓄积量受到气候、森林类型、林龄、土壤动物、枯落物分解速度等众多因素的影响[53-55]。

太行山区各林分地表枯落物层现存量平均为14.75 t·hm-2, 研究区域内枯落物现存量变动范围为9.97~19.47 t·hm-2(表3), 最大为针阔混交林, 最小为灌丛。各林分枯落物层最大持水率平均为232.54%, 研究区域内枯落物最大持水率的变动范围为210.37%~260.01%, 从大到小依次为灌丛、落叶阔叶林、针阔混交林和针叶林。各林分枯落物层最大持水量平均为3.41 mm, 研究区域内枯落物最大持水量的变动范围为1.80~4.27 mm, 最大为针阔混交林, 最小为灌丛。

表2 太行山区主要森林植被冠层生态水文功能

表3 太行山区主要森林植被枯落物蓄积量和持水能力

太行山区主要森林植被类型枯落物层贮水量存在差异(图3), 整体来看栎、椴、桦、杨阔叶林>油松、落叶松、侧柏针叶林>灌丛, 其中枯落物层贮水量最大是栎、椴林4.92 mm, 最小是灌丛, 仅为1.80 mm。

2.3 太行山区主要类型森林植被的土壤贮水量

森林土壤层作为水分贮蓄的主要场所, 被称为大气降水“储存库”和“调节器”, 体现在其对水分有渗透性和储存性, 在整个生态系统中具有重要的不可替代的涵养水源能力[55]。土壤层的蓄水能力与土壤质地、土壤厚度及土壤孔隙度关系非常密切, 降水渗入土壤后, 水分主要存在于土壤最主要的组成非毛管孔隙中。在森林生长过程中, 植被根系不断新老更替, 林下枯落物不断堆积分解, 改善了土壤结构, 增大了非毛管孔隙度, 即可以增强土壤的入渗性能和贮水功能, 起到了很好的蓄水作用[56]。

太行山区各林分土壤非毛管孔隙度差异不大(表4), 变化范围为10.45%~15.62%, 最大的是落叶阔叶林, 最小是针阔混交林。土壤厚度均值为40 cm, 各林分该厚度的土壤非毛管孔隙最大持水量均值为52.22 mm, 变化范围为43.06~60.27 mm, 其中落叶阔叶林最大, 灌丛最小。

表4 太行山区主要森林植被土壤非毛管孔隙度和持水量

太行山区主要森林植被类型土壤层持水量也存在差异(图3), 整体来看栎、椴、桦、杨阔叶林>侧柏、油松、落叶松针叶林>灌丛, 其中土壤层持水量最大是栎、椴林71.32 mm, 最小是灌丛仅为38.82 mm。

2.4 太行山区主要类型森林植被的综合蓄水能力

各类型森林植被总的持水量由林冠层、枯落物层和土壤层3个部分对降雨截流和储存量组成, 植被总的持水量越大, 表明其涵养水分的能力越强。太行山地区各种森林植被平均综合涵养水源能力为64.66 mm。综合蓄水能力针叶林(侧柏、油松)>落叶阔叶林(栎、椴、刺槐、桦、杨)>针阔混交林>灌丛, 其中综合蓄水能力最强的是栎、椴阔叶林, 为78.77 mm;灌丛综合蓄水能力最弱, 仅为41.52 mm(图3)。

图3 太行山区各林型(a)和林分(b)综合蓄水能力

Fig. 3 Water conservation function of different forest types (a) and forest stand (b) in Taihang Mountain

图a中, A、B、C、D、E、F和G分别为侧柏林、油松林、栎椴林、刺槐林、桦杨林、落叶松林和灌丛。图b中, A、B、C和D分别为落叶阔叶林、针叶林、针阔混交林和灌丛。不同林型和林分间林冠层蓄水能力差异用小写英文字母表示, 枯落物层蓄水能力差异用大写英文字母表示, 土壤层蓄水能力差异用(小写英文字母)表示, 不同字母表示< 0.05。In figure a, A, B, C, D, E, F, and G areforest,froest,andforest,forest,andforest,forest and shrub, respectively. In figure b, A, B, C and D are deciduous broad-leaved forest, coniferous forest, mixed forest and shrub. Canopy interception difference among each forest type and forest stand is expressed in lowercase letters. Litter containment difference among each forest type and forest stand is expressed in capital letters. Soil retention difference among each forest type and forest stand is expressed in (lowercase letters). Different letters indicate significant differences among forest types or forest stands at< 0.05.

太行山区各森林植被林冠层一次降水截留量平均依次为: 天然林(2.02 mm)>人工林(1.99 mm), 差异不显著; 天然纯林(2.10 mm)>人工林(1.99 mm), 差异不显著; 天然纯林(2.10 mm)>天然混交林(1.86 mm) (<0.05)。

各森林植被枯落物层最大持水量平均依次为: 天然林(3.69 mm)>人工林(3.54 mm), 差异不显著; 天然混交林(4.38 mm)>天然纯林(3.56 mm) (<0.05), 天然混交林(4.38 mm)>人工林(3.54 mm) (<0.05)。

各森林植被土壤层非毛管孔隙最大持水量平均依次为: 天然林(61.32 mm)>人工林(57.88 mm), 差异不显著; 天然纯林(64.60 mm)>人工林(57.88 mm) (<0.05), 天然纯林(64.60 mm)>天然混交林(51.56 mm) (<0.05)。

各森林植被综合蓄水能力平均依次为: 天然林(66.68 mm)>人工林(58.63 mm), 差异不显著; 天然纯林(69.95 mm)>人工林(58.63 mm) (<0.05), 天然纯林>天然混交林(56.97 mm) (<0.05), 人工林与天然混交林差异不显著。不同森林植被类型3个层次对降水的截持量及其综合蓄水能力见表5。

表5 太行山区森林植被不同类型综合蓄水能力比较

3 讨论与结论

森林植被的水源涵养功能是指森林生态系统通过地上林冠层、地表枯落物层及土壤层3个层次拦截、贮蓄林外降水, 改变降水的分配过程, 缓和地表径流, 补充地下水及径流, 进而起到有效的调水蓄水作用[2,57]。本研究通过建立太行山地区降水截留率与林地生长态势间的定量关系(图2), 采用较为全面和注重生态过程的综合蓄水能力法, 计量森林生态系统各层次水源涵养量, 更加符合真实情况。作为森林生态系统一项重要的服务功能, 水源涵养的研究对森林管理、植被建设、土地利用、环境保护和水土资源优化等均具有一定的指导意义。本研究在分析大量太行山区相关文献的基础上, 发现:

1)土壤非毛管孔隙度与生态系统综合持水量呈正相关关系(图4a), 且最大持水量占整个森林生态系统综合持水量的90%以上(图3), 表明土壤层作为森林生态系统水文效应最重要的一层, 是整个森林系统水分循环的主要贮蓄库和调节器。刘璐璐等[20,58]的研究结果也表明, 土壤层对琼江流域和南北盘江流域森林生态系统水源涵养的贡献达到7成以上。因此, 水源涵养区在利用和保护的过程中, 需重点关注对土壤质量的改良。考虑到土壤的变化, 尤其是土壤修复是一个缓慢的过程, 土地利用方式变化和植被建设方案的规划应该首先考虑对土壤层的影响, 在日常的森林管理中也应避免超过土壤的阈值。

2)该地区针叶林降水截留率显著高于阔叶林与针阔混交林, 各森林植被中针叶林林冠层一次降水截流量最大, 混交林次之, 落叶阔叶林最小(表2), 而在针叶林中油松林、侧柏林降水截留率显著高于其他林型。究其原因, 在于区域降水集中在7—9月, 山地降水强度大且多伴随大风, 更利于针叶林丛状硬叶汇集水分, 而从叶片形态上, 油松、侧柏叶片长度、叶片密度等形态上更适合降水集中、强度大的气候环境; 油松、侧柏林冠层降水再分配能力优势使得林下水分更集中于根部区域, 有利于森林整体水源涵养[59]。而且, 油松和侧柏抗旱能力强, 能够适应恶劣的生态环境。因此, 在太行山区土地贫瘠区域, 油松和侧柏可以作为主要的植被建设树种种植。

3)纯林林冠一次降水截流量高于人工林和混交林。在不同林型中侧柏、油松林、栎椴林的林冠一次截留量要高于其他类型森林, 这与侧柏、油松、栎椴林枝叶密集、冠幅大密不可分。而纯林枯落物最大持水量低于混交林, 由于混交林低郁闭度下更有利于林下低矮灌草丛生长, 因此枯落物现存量更高, 使得枯落物层持水量最大(图4b), 这表明降水过程中, 混交林林冠层降水再分配能力较弱, 林下枯落物层更易涵养水源。韩同吉等[60]在北方石质山区的研究也发现枯落物层有效拦蓄量表现为针阔混交林>阔叶林>针叶林。

4)天然林林冠与人工林林冠降水再分配能力差异不显著, 但枯落物层最大持水量略高于人工林, 土壤层最大持水量也高于人工林。因此, 天然林综合蓄水能力整体高于人工林。不同林型间, 刺槐天然林综合蓄水能力最优, 其次是侧柏天然林、油松天然林、侧柏人工林、油松人工林、栎椴天然林。太行山地区森林植被在整个华北地区起到重要的生态调节作用, 但长期受到人为开发利用, 其植被生物生产功能和水源涵养功能较低, 林冠层、枯落物层的持水量相对较低[22]。为提高该区域整体水源涵养能力, 需要在保护天然林的基础上提高人工林种植面积, 采用人工种植综合水源涵养能力较高的油松、侧柏来替代落叶松和灌丛。但在实际人工种植过程中,仍要考虑到生物多样性对生态系统弹性和稳定性的重要作用, 切不可大面积的只保留单一树种。另外, 最新研究发现黄土高原的植被重建已接近该地区水资源植被承载力的阈值[61], 因此在太行山区的植被恢复过程中, 应当考虑实际水资源量, 在保障生态安全的前提下, 优化配置水土资源, 尽量使太行山区能够对华北平原和京津冀地区的水量缺口有所贡献。

从长远看来, 在人工种植水源涵养功能较强树种的同时, 需减轻人类活动对太行山地区森林植被的影响强度并实施天然林局部长期封育, 随着封育年限的增加, 树龄增加, 林冠结构、枯落物量也会随之增加, 通过枯落物分解形成的土壤腐殖质也会对土壤结构有所改善, 从而提高森林植被对林外降水的截持贮蓄作用, 将有利于整体提高森林生态系统的水源涵养功能。

本研究在收集大量文献的基础上, 对太行山区主要森林植被的水源涵养进行了分析和比较, 对该区域合理经营森林资源和进行植被建设具有一定的借鉴意义。但研究过程中未考虑林下植被截留、土壤类型、树龄、海拔以及坡度的差异, 因此研究结果不够细致, 与实际情况可能有所偏差, 未来的工作中希望能够借助土壤数据库和地理信息系统技术, 结合实地调研, 更加系统而直观地评价太行山区森林系统的水源涵养能力及其对华北平原的重要贡献。另外, 植被是不断变化的, 在以后的研究中还应考虑时间尺度上的动态变化, 探讨不同时期森林水源涵养能力的主要限制因子, 进行更加深化的研究。

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Water conservation capacity of forest ecosystems in Taihang Mountain*

MA Weiling1, SHI Peili1,2**, ZONG Ning1, ZHAO Guangshuai1,2, CHAI Xi1,2, GENG Shoubao1,2

(1. Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 2. College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

Water conservation is a comprehensive water resources regulatory function of forest ecosystems through various hydrological processes, including canopy interception, litter containment and soil retention. As a typical northern rocky mountain area, Taihang Mountain is characterized by low rainfall with uneven seasonal distribution, shallow soil, low soil water-holding capacity and fragile environment. In spite of this, Taihang Mountain is an important ecological security shelter for the water sources belt in the North China Plain. Water has become one of the key limiting factors for the protection and restoration of vegetation in the region. Therefore, comparative analysis of water conservation capacities of main forest vegetation types is needed for development of feasible measures for water conservation and sustainable water security in the region. In this paper, we selected 196 records of canopy interception, litter and soil water carrying capacity in the natural deciduous broad-leaved forest, artificial deciduous broad-leaved forest, mixed forest, natural coniferous forest, coniferous forest and shrubs in the mountain region. We integrated water storage capacity with canopy rainfall interception, litter and soil water-holding capacity and then analyze water carrying capacities of main forest vegetation types in the area. Forest integrated water conservation capacity was calculated using a water conservation function for forest ecosystems.The results showed that: 1) soil non-capillary porosity had positive correlation with integrated water holding capacity of the ecosystem and the maximum soil water-holding capacity accounted for over 90% of the total water capacity of forest ecosystems in the region. It was revealed that soil layer, as the main water reservoir, was the most important layer for hydrological processes in the forests. 2) Coniferous forests such asandwere more suitable for regional meteorological conditions. Redistribution capacity of precipitation by coniferous forest is significantly higher than that of other forest types. 3) Low canopy density of mixed forest was beneficial to shrub growth and its litter holding was also higher than that of pure forest. 4) Although comprehensive water storage capacity of natural forest was higher than that of plantation forest, water storage capacity ofplantation andplantation ranked inferior to that of natural forests of,and. In summary, it was important to take afforestation measures for soil erosion, long-term forest enclosure and appropriate stand density in order to fulfill the goals of ecosystem restoration and ecological reconstruction. In order to increase water conservation capacity, plantation forest with tree species such asandwas recommended in afforestation. This study provided the basis for the evaluation of water conservation capacity of vegetation along with rational management of forest and water resources. It laid the foundation for environmental protection and disaster prevention and mitigation in Taihang Mountain.

Taihang Mountain; Forest vegetation type; Water conservation; Comprehensive water retention capacity

10.13930/j.cnki.cjea.160786

S715.7

A

1671-3990(2017)04-0478-12

2016-11-11

2017-01-20

Nov. 11, 2016; accepted Jan. 20, 2017

* 国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB452705)资助

* Supported by the National Program on Key Basic Research Project of China (973 Program) (2015CB452705)

** Corresponding author, E-mail: shipl@igsnrr.ac.cn

**通讯作者: 石培礼, 主要研究方向为植物生理生态学和生态系统生态学。E-mail: shipl@igsnrr.ac.cn

马维玲, 主要研究方向为生态系统生态学。E-mail: mawl.09b@foxmail.com

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