中度抚育对冀北山地不同起源白桦林土壤水文效应的影响

赵会艳，平丽丽，冯楷斌，邓丽娟，刘海翔，陈继东，屈柏林

(1 河北省木兰围场国有林场管理局，河北 围场 068450；2 承德市农林科学院，河北 承德 067000；3 张家口市国有林场管理处，河北 张家口 075000)

土壤是陆地生态系统中最主要的水分贮存地，也是森林生态系统发挥水文调节作用的重要场所[1-2]。土壤水分是陆地生态系统中最活跃和最有影响力的要素之一，在区域水量平衡乃至区域水文循环中占有重要地位[3]。土壤物理性质以及与其相适应的土壤水分特征影响着土壤的水文效应，反映出土壤结构、水分状况和持水保水能力，对于土壤质量评价具有重要意义。冀北山地作为京津冀的重要生态屏障，其森林生态功能的好坏直接影响到京津冀生态环境的质量。白桦(BetulaplatyphyllaSuk.)作为冀北山区主要造林树种之一，对森林水土保持、涵养水源以及生态系统的健康有着重要的作用[4]。森林中度抚育是调整林分结构、加快林木生长的重要手段，是提高森林质量的重要措施[5]。目前，关于森林抚育的研究，主要集中在抚育对林木生长、合理密度的确定、林分结构特征等森林结构的影响方面[6-7]，但少见关于对土壤性质的研究。为此，拟以冀北山地最常见的不同起源白桦林为研究对象，探讨中度抚育后3 a内林下土壤水分物理性质的变化，以期为该地区白桦林的科学经营提供理论依据和技术指导。

1 研究区概况

研究区位于河北省承德市围场县，地理坐标为北纬41°35′～42°40′、东经116°32′～118°14′，为冀北山地与内蒙古高原交汇的坝缘地段，地势西北高、东南低，海拔800～1 900 m，属中温带向寒温带过渡、半干旱向半湿润过渡的大陆性季风气候区[8]。年平均气温约3～5℃，年平均降雨量在400～580 mm，无霜期约67～125 d。研究区主要土壤类型为壤土，植被类型多样，且垂直带状分布明显，主要乔木林为桦木天然次生林、落桦混交林、杨桦混交林等，主要乔木有白桦、山杨、棘皮桦、华北落叶松、油松等，主要灌木有毛榛、金花忍冬、胡枝子、鼠李、接骨木等，主要草本有糙苏、披针叶苔草、大齿山芹等。

2 研究方法

2013年9月初在抚育设计小班内选取有代表性的白桦人工林和白桦天然次生林林地各1块，分别设置30 m×30 m的样地2个(1个做20%的中度抚育处理，另一个不做抚育处理，作为对照)。抚育前，对每个样地进行每木检尺，记录林木胸径、树高、郁闭度、海拔、坡度、坡向等林分因子[9-10]。根据土壤剖面调查法，在每个样地内相对均匀的挖取3个土壤剖面，用环刀按0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm分别取原状土样，带回室内，用环刀浸泡法与烘干法测定土壤的自然含水量、最大持水量等[11]。于2013年9月中旬按照采劣留优、采弱留壮、采密留稀、保护幼树幼苗及兼顾林木分布均匀的原则对处理样地进行中度抚育，对照样地不做处理。2014年9月份和2016年9月份分别对处理样地和对照样地按前述方法取样并测定土壤水分物理性状。将每个样地3个剖面测定的数据分层取平均值，应用Excel和PDS软件进行数据处理。土壤持水量公式为[12]：

Wt=10 000pt×h

(1)

Wc=10 000pc×h

(2)

Wu=Wt-Wc

(3)

式中：Wt为土壤最大持水量(t/hm2)；pt为土壤总孔隙度(%)；Wc为土壤毛管持水量(t/hm2)；pc为土壤毛管孔隙度(%)；h为土壤厚度(m)；Wu为土壤有效持水量(t/hm2)。

3 结果与分析

3.1 样地基本情况

试验样地的坡向均为阴坡，下坡位，海拔为1 300 m～1 400 m之间，平均胸径、平均树高等各指标基本情况见表1。

表1 样地基本情况

3.2 土壤容重变化

土壤容重受土壤质地、土壤结构、土壤紧实度和有机质含量等影响，通常土壤容重小，土壤结构好且疏松多孔[12]。不同起源白桦纯林中度抚育前后土壤容重变化情况见图1。

图1 中度抚育前后土壤容重

Figure 1 Soil bulk density changes under different moderate tending intensities

由图1可知，3 a内，不同起源白桦林抚育组3个土层的土壤容重和土壤平均容重均随时间的推移整体有所下降。其中，抚育后1 a，3个土层的土壤容重及其平均值较抚育前有少许提高，这是由于抚育时的人为活动直接造成了土壤容重的上升；抚育后3 a，不同起源白桦林3个土层的土壤容重及其平均值较抚育1 a后均呈下降趋势，其中白桦天然林和人工林抚育后均值分别下降了0.05 g/cm3和0.04 g/cm3。同时，抚育后3 a白桦人工林和天然林土壤平均容重较抚育前下降值明显高于对照组，说明中度抚育能够间接降低白桦林的土壤容重，且对白桦天然林表层土壤容重下降的促进作用更为明显。

3.3 土壤孔隙度变化

3.3.1 毛管孔隙度 土壤毛管孔隙度是毛管孔隙容积占土壤容积的比例，其大小反映了森林植被吸持水分并用于维持其生长发育的能力，也就是说毛管孔隙度与森林植物生长能力成正比关系[11]。不同起源白桦林中度抚育前后土壤毛管孔隙度变化见图2。

图2 中度抚育前后土壤毛管孔隙度

Figure 2 Capillary porosity changes under different moderate tending intensities

由图2可知，3 a内，不同起源白桦林抚育和对照组3个土层的土壤毛管孔隙度及其平均值，随时间的推移变化趋势较一致。抚育后1 a，3个土层的土壤毛管孔隙度和平均值较抚育前有所下降，且白桦人工林土壤平均毛管孔隙度的下降值，明显高于天然林，是天然林2.76倍；抚育后3 a，3个土层的土壤毛管孔隙度及其平均值较抚育1 a后均有所上升。同时，抚育后3 a白桦人工林和天然林土壤毛管孔隙度平均值较抚育前分别增加了1.69%和2.74%，且比对照组变化明显。这说明中度抚育对不同起源白桦林土壤毛管孔隙度的上升具有一定的促进作用，且对白桦天然林土壤毛管孔隙度的促进作用更大。

3.3.2 非毛管孔隙度 土壤非毛管孔隙由微孔隙和空气孔隙组成，是土壤重力水分运动的重要途径，主要对水分的调节和土壤的渗透能力产生影响[12]，能够反映森林植被滞留水分发挥涵养水源和削减洪水的能力[13-14]。不同起源白桦纯林中度抚育前后土壤非毛管孔隙度变化见图3。

图3 中度抚育前后土壤非毛管孔隙度

Figure 3 Non-capillary porosity changes under different moderate tending intensities

由图3可知，3 a内，不同起源白桦林3个土层的土壤非毛管孔隙度及其平均值，随时间的推移总体呈先下降后上升趋势，其中抚育组白桦人工林的变化幅度更为明显，说明该阶段森林植被滞留水分发挥涵养水源和削减洪水的能力在缓慢增强；中度抚育后1 a，3个土层的土壤非毛管孔隙度及其平均值较抚育前有所下降，且白桦天然林的下降值高于白桦人工林，说明中度抚育时的人为活动在一定程度上削减了土壤非毛管孔隙度，且对白桦天然林的削减程度更强；中度抚育后3 a，不同起源白桦林3个土层的土壤非毛管孔隙度和平均值较抚育后1 a有所上升，且人工林稍高于天然林，这说明中度抚育对不同起源白桦林土壤非毛管孔隙度的上升具有一定促进作用，且对白桦人工林的作用更为明显。

3.3.3 总孔隙度 大多数土壤的总孔隙度值介于30%～60%，而最适合树木生长的范围则是稍大于或等于50%。不同起源白桦纯林中度抚育前后土壤总孔隙度变化见图4。

由图4可知，3 a内，不同起源白桦林抚育组3个土层的土壤总孔隙度及平均值随时间的推移总体均先下降后上升，对照组上升趋势较为平缓。其中，抚育后1 a，不同起源白桦林3个土层的土壤总孔隙度和平均值较抚育前有所下降，且白桦人工林土壤平均总孔隙度的下降值明显高于天然林，说明中度抚育时的人为活动一定程度上破坏了土壤孔隙，且对白桦人工林的土壤空隙破坏更重；抚育后3 a，不同起源白桦林3个土层的土壤总孔隙度和平均值较抚育后1 a均有所上升，同时，抚育后3 a白桦人工林和白桦天然林土壤平均总孔隙度较抚育前分别增加了2.76%和3.17%，且均比对照组的增加明显，这说明中度抚育对不同起源白桦林土壤总孔隙度的上升具有一定的促进作用，其中对天然林的作用稍明显于人工林。

图4 中度抚育前后土壤总孔隙度

3.4 土壤持水量变化

3.4.1 毛管持水量 土壤毛管空隙中的水分可以长时间保持在土壤中，有利于植物根系吸收和土壤蒸发。不同起源白桦林中度抚育前后土壤毛管持水量变化见图5。

由图5可知，3 a内，不同起源白桦林对照组土壤毛管持水量随时间的推移呈较平稳的上升趋势，且中度抚育后3 a与抚育前相比较变化明显，白桦人工林和天然林土壤毛管持水量的增加值分别为34.08 t/hm2和48.89 t/hm2，均高于对照组。抚育1 a后，不同起源白桦林土壤毛管持水量较中度抚育前有所下降，且白桦人工林土壤毛管持水量的下降值明显高于白桦天然林土壤毛管持水量的下降值，说明中度抚育活动本身能够极大的削弱土壤毛管持水能力，且对白桦人工林的影响程度更明显；抚育后3 a，不同起源白桦林土壤毛管持水量与抚育1 a后、抚育前相比较有明显差异，说明中度抚育能够极大地提升不同起源白桦林土壤毛管持水能力，且对白桦天然林土壤毛管持水能力的影响更为明显。

图5 中度抚育前后土壤毛管持水量

3.4.2 有效持水量 土壤有效持水量能够更为直接的反映出林地实际持水能力[15]，且与非毛管孔隙度密切相关，非毛管孔隙度越大说明土壤越能够较快地吸收降水，并及时下渗，有利于森林涵养水源[16]。不同起源白桦纯林中度抚育前后土壤有效持水量变化见图6。

图6 中度抚育前后土壤有效持水量

由图6可知，3 a内，不同起源白桦林对照组土壤有效持水量随时间的推移呈上升趋势。白桦人工林和天然林抚育后3 a与较抚育前上升明显，土壤有效持水量的增加值分别为22.45 t/hm2和21.13 t/hm2，均高于对照组。抚育后1 a，不同起源白桦林土壤有效持水量较中度抚育前总体呈下降趋势，且白桦天然林土壤毛管持水量的下降值大于白桦人工林土壤有效持水量的下降值，说明中度抚育活动本身极大削弱了土壤有效持水能力，且对白桦天然林的削弱程度更大；中度抚育后3 a，不同起源白桦林土壤有效持水量与抚育1 a后、抚育前相比上升明显，说明中度抚育能够提升不同起源白桦林土壤有效持水能力。

4 结论与讨论

森林抚育时的人为活动会造成林地土壤容重上升，而土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度、毛管持水量和有效持水量呈现不同程度的下降，随着时间的推移，中度抚育对不同起源白桦林土壤性质产生积极作用，能够不同程度降低土壤容重，并提升土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度、毛管持水量和有效持水量，其中土壤容重毛管孔隙度、总孔隙度和毛管持水量增加程度表现为白桦天然林大于白桦人工林，非毛管孔隙度和有效持水量变化程度表现为白桦人工林大于白桦天然林。综合看来，中度抚育对白桦天然林的土壤性质影响要高于白桦人工林。

抚育措施对土壤性质的影响是多方面的，如抚育的机械性对土壤产生作用，也能够降低林分郁闭度，促进林下植被生长[17-18]等。本研究中，中度抚育对白桦人工林的土壤有效持水量稍高于天然林，该研究结果对于以后的生产实践及调控森林涵养水源能力具有重要意义[19]，但由于未考虑到枯落物分解、林分光照、空间结构等因素，研究结果同样存在一些片面性。此外，抚育成效的显现是一个长期的过程，本研究中相关的监测研究期为3 a，抚育的成效已有了较好的显现，对于它的长期影响，仍需要不断地探索和研究。