冀北山地华北落叶松、桦木林土壤水分物理性质研究

李淑春

(河北省木兰围场国有林场管理局，河北 围场 068450)

冀北山地华北落叶松、桦木林土壤水分物理性质研究

李淑春

(河北省木兰围场国有林场管理局，河北 围场 068450)

华北落叶松和桦木是冀北山区最主要的造林树种。为探讨二者的纯林或混交林对土壤水分物理性质的影响，以冀北山地华北落叶松林、落叶松白桦混交林、桦木林、黑桦林为研究对象，对其土壤水分物理性质进行比较，结果表明：土层越深，土壤容重越大，由大到小依次为华北落叶松林(1.14 g/cm3)、黑桦林(1.03 g/cm3)、落叶松白桦混交林(1.01 g/cm3)、桦木林(0.98g /cm3)，土壤总孔隙度由大到小排序为落叶松白桦混交林(53.04%)、华北落叶松林(51.84%)、桦木林(51.40%)、黑桦林(51.14%)；土壤最大持水量由大到小排序为落叶松白桦混交林(55.53%)、桦木林(52.81%)、黑桦林(51.33%)、华北落叶松林(48.22%)；土壤稳渗速率由大到小排序为落叶松白桦混交林、桦木林、黑桦林、华北落叶松林。营造华北落叶松和桦木混交林有利于土壤涵养水源和保持水土。

冀北山地；土壤水分物理性质；土壤入渗；混交林；华北落叶松；桦木

土壤的水分物理性质与构成林分的树种组成、林分结构等因子密切相关[1]。土壤水分贮存和水分入渗作为森林植被的主要水文过程和功能，是反映森林植被保持水土和涵养水源作用的重要水文参数[2]。林地类型不同，其植物生物学特性不同，对于土壤水分物理性质的影响也会有所不同。冀北山区是京津冀上风上水区，其植被的好坏对下游的生态环境影响很大。关于冀北山区森林植被的土壤水分物理性质已有学者做过部分研究[1-3]。华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr)、桦木(Betulaspp.)因其木材经济效益较高，是河北省北部山区重要的造林树种。为了增加林地收入，冀北山地营造了大量华北落叶松或桦木纯林。为了避免纯林的各种弊端，增加纯林内树种组成的比例，营建混交林，是当前的主要造林形式，所以，华北落叶松和桦木2个重要造林树种的搭配模式在冀北山区被大量应用[2]。为了弄清营造的华北落叶松、桦木树种纯林或混交林对土壤水分物理性质有何影响，以河北省木兰围场国有林场管理局华北落叶松林、落叶松白桦混交林、桦木林、黑桦林林下土壤为研究对象，分析其不同土层的水分物理性质，以便为冀北山地华北落叶松、桦木的纯林或混交林的营建提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于冀北山区河北省木兰围场国有林场管理局，北纬41°47′～42°06′，东经 116°51′～117°45′；地貌以山地为主，地势西北高，东南低，海拔高度800～1 780 m。该区属典型的大陆性季风气候，年平均气温4℃左右，年降水量在400～500 mm。土壤类型主要是棕壤、褐土和灰色森林土。主要树种有华北落叶松、油松(PinustabulaeformisCarr.)、白桦(BetulaplatyphyllaSuk.)、黑桦(B.dahuricaPall.)、山杨(PopulusdavidianaDode)等。

2 研究方法

在围场县河北省木兰林场国有林场管理局辖区林地选取华北落叶松林、落叶松白桦混交林、桦木林、黑桦林为研究对象，采用剖面法对其进行土壤调查，在选定的样地里随机挖取5个土壤剖面，采用环刀机械取样，分为0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60 cm以下。采用环刀浸泡法测定土壤容重、孔隙度、持水量等物理性质，采用双环入渗法测定土壤入渗速率[3-4]。

表1 样地基本情况Table 1 The status of different samples

3 结果与分析

3.1 土壤容重

土壤容重的大小与土壤的紧实度密切相关，容重越大土壤透气性越好。不同林分类型土壤容重见图1。

图1 不同林分类型土壤容重Fig.1 Soil bulk density of different forest types

由图1可知：土壤容重均值华北落叶松林最大、桦木林最小，其由大到小排序为华北落叶松林(1.14 g/cm3)、黑桦林(1.03 g/cm3)、落叶松白桦混交林(1.01 g/cm3)、桦木林(0.98 g/cm3)，不同林分类型的土壤容重在垂直方向上总体变化规律基本一致，土壤深度增加则土壤容重也随之变大。造成这种变化的主要原因是随土层深度增加，土壤中有机质含量逐渐减少，从而增加了土壤的紧实度。黑桦林在60 cm以下土壤容重反而减小，是因为下层土壤为母岩风化成的沙土。

3.2 土壤孔隙度

3.2.1 土壤毛管孔隙度 毛管孔隙度的大小反映了森林植被吸持水分用于维持自身生长发育的能力。毛管孔隙度与森林植物生长能力成正比关系。一般有机质丰富的土壤中毛管孔隙较多，在此生长的植物自身生长发育的能力就强。不同林分类型土壤毛管孔隙度见图2。

图2 不同林分类型土壤毛管孔隙度Fig.2 Soil capillary porosity of different stand types

由图2可知：在0～60 cm范围内，各类型林分土壤毛管孔隙度均值最大的是桦木林、最小的是落叶松白桦混交林，其由大到小顺序为桦木林(47.84%)、华北落叶松林(42.84%)、黑桦林(42.40%)、落叶松白桦混交林(41.22%)，表明桦木林土层保留植物利用有效水分的能力最佳。

3.2.2 土壤非毛管孔隙度 非毛管孔隙度的大小和森林植被滞留水分、发挥涵养水源和削减洪水的能力密切相关。不同林分类型土壤非毛管孔隙度见图3。

在此还应特别提及各级教研组织的力量．例如，中国特有的“教研员”在这方面就具有特别重要的作用：“中国有专门的包含省、地（市）、县（区）等各级教研室的教研工作管理系统，这个系统中的教研员通过有计划的、形式多样的教研活动，组织不同层级的课例研究，从而为中国教师专业发展提供有效支持．”[9]

图3 不同林分类型土壤非毛管孔隙度Fig.3 Soil non-capillary porosity of different stand types

由图3可知：在0～60 cm范围内，各林分类型土壤非毛管孔隙度均值最大的是落叶松白桦混交林、最小的是桦木林，其由大到小顺序为落叶松白桦混交林(11.82%)、华北落叶松林(9.00%)、黑桦林(8.74%)、桦木林(3.56%)。落叶松白桦混交林表层(1～10 cm)土壤非毛管孔隙度最大。非毛管孔隙度越大越有利于降水下渗，涵养水源的能力越强。

3.2.3 土壤总孔隙度 一般土壤总孔隙度在30%～60%之间，适宜林木生长的土壤孔隙度为50%或稍大于50%为好。不同林分类型土壤总孔隙度见图4。

图4 不同林分类型土壤总孔隙度Fig.4 Soil total porosity of different stand types

由图4可知：土壤总孔隙度均值落叶松白桦混交林最大、黑桦林最小，其由大到小顺序为落叶松白桦混交林(53.04%)、华北落叶松林(51.84%)、桦木林(51.40%)、黑桦林(51.14%)。其中，落叶松白桦混交林的土壤总孔隙度变化规律最明显，随森林土层深度增加总孔隙度降低。从总体上来说，这4种林分下表层土壤的总孔隙度都比较适合林木生长，落叶松白桦混交林最佳。

3.3 土壤持水量

3.3.1 土壤田间持水量 田间持水量是指借助于毛管力保持在土壤中的最大含水量。不同林分类型土壤田间持水量见图5。

图5 不同林分类型土壤田间持水量Fig.5 Field water-holding capacity of soil for different stand types

由图5可知：各林分田间持水量均值桦木林最大，华北落叶松林最小，其由大到小顺序为桦木林(45.72%)、黑桦林(41.32%)、落叶松白桦混交林(41.14%)、华北落叶松林(38.34%)。各林分在土层0～10 cm处土壤田间持水量最大(桦木林除外)，其中最大的是黑桦林(65.01%)。

3.3.2 土壤毛管持水量 毛管持水量是指土壤中所有的毛细管都充满水时的土壤含水量。不同林分类型土壤毛管持水量见图6。

图6 不同林分类型土壤毛管持水量Fig.6 Soil capillary water-holding capacity of different stand types

3.3.3 土壤最大持水量 最大持水量是指土壤中所有孔隙都充满水时的含水量。不同林分类型土壤最大持水量见图7。

图7 不同林分类型土壤最大持水量Fig.7 The maximum water holding capacity of soil for different stand types

由图7可知：各林分类型土壤最大持水量均值落叶松白桦混交林最大、华北落叶松林最小，其由大到小顺序为落叶松白桦混交林(55.53%)、桦木林(52.81%)、黑桦林(51.33%)、华北落叶松林(48.22%)，在0～10 cm的土层中落叶松白桦混交林的土壤最大持水量最大。

3.4 土壤入渗速率

土壤入渗速率与土壤对降雨的拦截能力息息相关。不同林分土壤渗透速率见表2。

由表2可知，土壤初渗速率和稳渗速率的数值相差较大，初渗速率的大小主要取决于土壤当时的含水量，4种林分类型表层稳渗速率落叶松白桦混交林最大、华北落叶松林最小，由大到小排序为落叶松白桦混交林、桦木林、黑桦林、华北落叶松林。土壤入渗速率与入渗时间存在明显的幂函数关系。

表2 不同林分土壤渗透速率及渗透模型Table 2 Soil infiltration rate and infiltration model in different forest

4 结论与讨论

以冀北山地华北落叶松林、落叶松白桦混交林、桦木林、黑桦林为研究对象，对其土壤水分物理性质进行比较，结果表明：各林分土壤容重在垂直方向上变化规律大致相同，土层越深容重越大，土壤容重均值由大到小排序为华北落叶松林、黑桦林、落叶松白桦混交林、桦木林；土壤毛管孔隙度均值由大到小顺序为桦木林、华北落叶松林、黑桦林、落叶松白桦混交林；土壤非毛管孔隙度均值由大到小顺序为落叶松白桦混交林、华北落叶松林、黑桦林、桦木林；土壤总孔隙度均值由大到小顺序为落叶松白桦混交林、华北落叶松林、桦木林、黑桦林；田间持水量均值由大到小顺序为桦木林、黑桦林、落叶松白桦混交林、华北落叶松林；土壤毛管持水量均值由大到小排序为桦木林、黑桦林、落叶松白桦混交林、华北落叶松林；土壤最大持水量均值由大到小顺序为落叶松白桦混交林、桦木林、黑桦林、华北落叶松林；林分土壤稳渗速率由大到小排序为落叶松白桦混交林、桦木林、黑桦林、华北落叶松林；土壤入渗速率与入渗时间存在明显的幂函数关系。

混交林的各项物理性质明显优于纯林，纯林土壤底层的物理性质如持水量、总孔隙度等明显受土壤表层孔隙度的正向影响，而混交林则受此影响比较小，且为负向[5-7]。本文研究结果显示落叶松白桦混交林的各项物理性质优于其他的林分，其下的土壤物理性质更适于树木的生长和涵养水源。

纯林中底层土壤物理性质对林分影响较大，混交林中则是表层土壤物理性质对林分影响大。落叶松白桦混交林表层土壤物理性质由于受植被自身特性的影响，表层土壤较底层肥沃，土壤总孔隙度表层处于最大值。而纯林则相反，桦木林底层土壤总孔隙度较表层来说反而更大。

[1]耿玉清,余新晓,孙向阳,等.北京八达岭地区油松与管丛林地土壤肥力特征的研究[J].北京林业大学学报，2007，29 (2): 50-54.

[2]陈波,孟成生,赵耀新,等.冀北山地不同海拔华北落叶松人工林枯落物和土壤水文效应[J].水土保持学报，2012，26(3): 216-221.

[3]陈波,杨新兵,赵心苗,等.冀北山地6种天然纯林枯落物及土壤水文效应[J].水土保持学报，2012，26(2): 196-202.

[4]田超,杨新兵,李军,等.冀北山地阴坡枯落物层和土壤层水文效应研究[J].水土保持学报，2011，25(2):97-103．

[5]陈喜全,郭秋慧,王政权.落叶松纯林与落叶松胡桃楸混交林下土壤理化性质的研究[J].东北林业大学学报，1991(S1):258-267.

[6]杨弘,李忠,裴铁璠,等.长白山北坡阔叶红松林和暗针叶林的土壤水分物理性质[J].应用生态学报，2007，18(2)：272-276.

(编辑 郭丽娟)

Study on physical properties of soil water ofLarixprincipis-rupprechtiiandBetulaspp. forests in mountain of northern Hebei province

LI Shuchun

(MulanweichangNationalForestryAdministrationofHebeiProvince,Weichang068450,China)

Larixprincipis-rupprechtiiforest andBetulaspp. forest are the main afforestation tree species in mountain of northern Hebei province. To explore the impact of constructing pure and mixed forest on physical characteristics of soil moisture, theLarixprincipis-rupprechtiiforest,Larixprincipis-rupprechtiiandBetulaplatyphyllamixed forest, birch forest, and black birch forest in mountain of northern Hebei province were taken as materials, and the physical properties of soil water were compared. The results showed that the deeper the soil, the greater the soil bulk density, and the order was:Larixprincipis-rupprechtiiforest (1.14 g/cm3) >Betuladahuricaforest (1.03 g/cm3) >Betulaplatyphylla+Larixprincipis-rupprechtiimixed forest (1.01 g/cm3) >Betulaspp. forest (0.98 g/cm3). The total soil porosity order was as follows:Betulaplatyphylla+Larixprincipis-rupprechtiimixed forest(53.04%)>Larixprincipis-rupprechtiiforest(51.84%)>Betulaspp. forest(51.40%)>Betuladahuricaforest(51.14%).The soil maximum water-holding capacity order was:Betulaplatyphylla+Larixprincipis-rupprechtiimixed forest (55.53%) >Betulaspp. forest (52.81%) >Betuladahuricaforest (51.33%) >Larixprincipis-rupprechtiiforest (48.22%). The order of soil steady infiltration rate was as follows:Betulaplatyphylla+Larixprincipis-rupprechtiimixed forest >Betulaspp. forest >Betuladahuricaforest >Larixprincipis-rupprechtiiforest. Therefore, creating a mixed forest ofLarixprincipis-rupprechtiiforest andBetulaspp. forest in mountain of northern Hebei province is beneficial to soil and water conservation.

mountain of northern Hebei province; physical properties of soil moisture; soil infiltration; mixed forest;Larixprincipis-rupprechtii; birch

1007-4961(2017)01-0001-05

10.13320/j.cnki.hjfor.2017.0001

2016-11-11；

2016-12-08

河北省林业厅科技项目“冀北山区森林生态系统健康评价技术研究”(1403451)；林业公益性行业科研专项子课题“冀北山区典型森林生态系统健康经营技术研究与示范”(200804022F)。

李淑春(1971-)，女，河北围场人，本科，林业工程师，研究方向：林业资源管理。

S 714.7

A