冀北山地天然次生林與人工林地上植被層的水文調(diào)控功能

李亞男, 李倩茹, 許中旗, 鄭春雅

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 河北 保定 071000; 2.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所, 北京100101)

冀北山地天然次生林與人工林地上植被層的水文調(diào)控功能

李亞男1, 李倩茹2, 許中旗1, 鄭春雅1

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 河北 保定 071000; 2.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所, 北京100101)

摘要：[目的] 比較冀北山地天然次生楊樺林(13，18和28 a)和人工落葉松林(9，13，15和30 a)地上植被層(林冠層、凋落物)的水文調(diào)控功能，為評(píng)估兩種森林類型的轉(zhuǎn)化對(duì)該地區(qū)水文過程的影響提供科學(xué)依據(jù)。 [方法] 采用標(biāo)準(zhǔn)樣地和測(cè)定分析法對(duì)林分的生物量、凋落物及其持水量的進(jìn)行測(cè)算。 [結(jié)果] (1) 不同林齡的人工落葉松林地上植被層的降水截留量均大于天然次生楊樺林，且差異顯著。 (2) 兩種林分類型不同地上植被層的截留量均表現(xiàn)為：凋落物>林冠層>灌木層。 (3) 幼、中齡人工落葉松林的林冠截流量明顯大于同齡的天然次生楊樺林，而近熟林，由撫育間伐導(dǎo)致的林分密度下降使得人工落葉松林低于天然次生楊樺林。 (4) 在各個(gè)林齡上，人工落葉松林的凋落物持水量均顯著大于天然次生楊樺林，其中13 a落葉松為35.36±6.50 t/hm2，13 a楊樺林為15.79±4.85 t/hm2。 [結(jié)論] 冀北山地大面積的人工落葉松林地上植被層具有良好的水文調(diào)控功能，其水文調(diào)控功能不低于甚至高于當(dāng)?shù)氐奶烊淮紊鷹顦辶?，?duì)人工林的撫育間伐在一定程度上會(huì)使地上植被層的水文調(diào)控功能出現(xiàn)一定程度的下降。

關(guān)鍵詞：人工落葉松林; 天然次生楊樺林; 林冠截留; 凋落物; 水文調(diào)控功能

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，水是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的主要載體，森林和水之間的關(guān)系是當(dāng)今林學(xué)和生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究的核心問題[1-3]。水文調(diào)控是森林生態(tài)系統(tǒng)的主要功能之一，更是山地森林植被生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容之一[4-5]。不同森林類型由于物種組成及群落結(jié)構(gòu)等方面的差異，其水文調(diào)控功能會(huì)有所不同[6-12]；即使是同一森林類型，因?yàn)榱铸g的不同，其水文調(diào)控功能也會(huì)有明顯不同[13]。劉劍斌[7]等的研究表明，杉木天然林的持水量高于人工林，但是天然林林冠層的截流量要低于人工林。同時(shí)，吳鵬飛等[13]研究發(fā)現(xiàn)，不同林齡的榿柏混交林涵養(yǎng)水源功能明顯不同，15 a時(shí)榿柏混交林的綜合水源涵養(yǎng)功能達(dá)到最大值，為1 446.06 t/hm2，30 a時(shí)下降到1 331.60 t/hm2。河北省北部山地是灤河的發(fā)源地，該地區(qū)森林植被對(duì)于灤河水量的調(diào)控具有重要作用[14]。天然次生楊樺林和華北落葉松人工林是該地區(qū)分布面積最廣的兩種森林類型，因?yàn)樵谄鹪础浞N組成、林分結(jié)構(gòu)等方面存在明顯不同，二者水文調(diào)控功能有很大不同。本研究以冀北山區(qū)典型的天然次生林和人工林為研究對(duì)象，對(duì)兩種森林類型地上植被層(包括林冠層、林下植被層和凋落物層)的水文調(diào)控功能進(jìn)行對(duì)比分析，以了解兩種森林類型水文調(diào)控功能的差異，為評(píng)估兩種森林類型的相互轉(zhuǎn)化對(duì)該地區(qū)水文過程的影響提供科學(xué)依據(jù)，也為該地森林的合理經(jīng)營(yíng)及保護(hù)提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省圍場(chǎng)縣木蘭圍場(chǎng)林管局孟灤林場(chǎng)。圍場(chǎng)縣位于燕山山脈西北部，為內(nèi)蒙古高原與冀北山地的過渡地帶。地理位置為北緯41°35′—42°40′，東經(jīng)116°32′—118°14′。地勢(shì)西北高，東南低，海拔在700～2 000 m之間。圍場(chǎng)縣屬于半濕潤(rùn)半干旱的過渡地區(qū)，氣候特點(diǎn)是冬季酷寒干燥，夏季涼爽，春秋兩季多風(fēng)沙。該地區(qū)年均溫3.3 ℃，年均降水445 mm，而且雨熱同期。一月平均氣溫-13.2 ℃，極端最低氣溫-42.9 ℃，夏季盛行偏南風(fēng)，7月平均氣溫20.7 ℃，降水多集中在7，8月。

天然次生楊樺林(secondary poplar-birch forest)和華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林是該地區(qū)兩種主要的森林類型。天然次生楊樺林是在原有森林遭受采伐、放牧和自然災(zāi)害等干擾后形成的森林類型。華北落葉松人工林是在原有森林采伐之后經(jīng)人工造林形成的森林類型。山楊(Populusdavidiana)和白樺(Betulaplatyphylla)是天然次生楊樺林的主要樹種，主要伴生樹種為棘皮樺(Betuladahurica)，同時(shí)還有少量的五角楓(Acermono)、大葉椴(Tiliamandshurica)、蒙古櫟(Quercusmongolica)等樹種。落葉松人工林內(nèi)主要伴生有山楊、白樺等樹種。兩種林分類型林下植物種類組成相似，林下灌木主要有毛榛(Corylusmandshurica)、平榛(Corylusheterophylla)、胡枝子(Lespedezabicolor)等[15]。各試驗(yàn)地林分基本概況詳見表1。

2研究方法

2.1　標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置

在2009和2010年的8月份，于河北省木蘭圍場(chǎng)林管局的孟灤林場(chǎng)選取立地條件相似的13，15，30 a生華北落葉松人工林和13，18，28 a生天然楊樺次生林，在各林分中分別于上、中、下3個(gè)坡位設(shè)20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)地各1塊，即每種林分設(shè)3塊標(biāo)準(zhǔn)地。其中，28 a生天然楊樺次生林因林分特征變化較大，設(shè)6塊標(biāo)準(zhǔn)地，共設(shè)標(biāo)準(zhǔn)地21塊。

表1　試驗(yàn)地基本概況

2.2　林冠截留量的測(cè)定

采用浸水法測(cè)定林冠截留量及林下植被層截留量[16]。在各標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)進(jìn)行每木檢尺，根據(jù)每木檢尺結(jié)果選取標(biāo)準(zhǔn)木。將標(biāo)準(zhǔn)木伐倒，測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)木側(cè)枝鮮重，然后將枝條分為大、中、小3類，在每一類中選出標(biāo)準(zhǔn)枝3～5個(gè)進(jìn)行稱重，然后將標(biāo)準(zhǔn)枝放入水中浸泡，每隔10 min取出稱一次重量，直到吸水后枝條的重量不再發(fā)生變化。由吸水前后的枝條重量變化計(jì)算枝條的持水率：

I枝=(W吸水-W)/W

(1)

式中：I枝——枝條持水率；W吸水——枝條浸水后重量；W——浸水前重量。

由持水率及側(cè)枝的重量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)木樹冠的截留量：

I標(biāo)=I大W大+I中W中+I小W小

(2)

式中：I標(biāo)——標(biāo)準(zhǔn)木的林冠截留量；I大，I中和I小——大、中、小枝的持水率。

最后，由標(biāo)準(zhǔn)木的截留量及林分密度推算林分的林冠截留量。同時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)通過五點(diǎn)取樣選取5個(gè)2 m×2 m的小樣方，將小樣方內(nèi)所有的灌木采集、稱重，然后采用與喬木相同的方法測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)灌木的降水截留量。

2.3　凋落物持水量的測(cè)定

在每一種林分類型的上、中、下坡分別設(shè)置3個(gè)0.5 m×0.5 m的樣方，將每個(gè)樣方內(nèi)的全部地表凋落物收集并裝袋貼標(biāo)簽。將取回的凋落物于80 ℃條件下烘干至恒重。取適量干樣裝入自制網(wǎng)袋(網(wǎng)眼大小適中，保證凋落物不掉出)封好加標(biāo)簽，記錄干樣加網(wǎng)袋重，將裝好的樣品完全浸泡于水中，按0.5，1，1.5，2，2.5，3.5，5.5，7.5，9.5，24 h的時(shí)間間隔取出稱重，每次稱重前靜置5 min，記錄每次的濕樣加網(wǎng)袋重。同時(shí)做3個(gè)空白對(duì)照。根據(jù)凋落物的吸水量計(jì)算凋落物持水率、持水量、吸水速率和相對(duì)吸水速率等指標(biāo)。最后得到各森林生態(tài)系統(tǒng)的總凋落物持水量。

3結(jié)果與分析

3.1　不同樹種樹冠枝條的降雨截留能力的比較

由試驗(yàn)結(jié)果可知，13 a華北落葉松樹冠枝條的持水率最高(33.42%)，其次是灌木毛榛(27.08%)，其他樹種持水率相差不大，分別表現(xiàn)為：紙皮樺(22.71%)>39 a華北落葉松(21.72%)>山楊(21.22%)>白樺(19.36%)。說明華北落葉松樹冠的截流能力優(yōu)于山楊、白樺。華北落葉松枝條的持水率明顯高于闊葉樹，其原因主要在于，與闊葉樹相比，華北落葉松的葉片更小，當(dāng)各樹種的葉片重量相同時(shí)，落葉松葉片的表面積更大，因此也就能夠截留更多的降水；另外，落葉松的葉片呈簇狀，這樣也有利于它截留更多的降水。同時(shí)也可以看出，13 a生華北落葉松的枝條持水率遠(yuǎn)大于39 a生華北落葉松。這是因?yàn)闃涔趯?duì)降水的截流能力與葉量有關(guān)，枝條的年齡越小，其葉片也更為密集，其持水量越大，年齡越大的林木，其年齡小的枝條所占比例越小，其持水率越小。13 a生華北落葉松年齡小的枝條所占比例較大，枝條的葉片更為密集，因此其持水率較大。

3.2　不同林分類型林冠截留能力的比較

幼、中齡的人工華北落葉松林的林冠截留量明顯大于天然次生楊樺林，而近熟的人工華北落葉松林則低于天然次生楊樺林(表2)。13 a生的人工落葉松林和天然次生楊樺林的林冠截留量分別為8.35和2.82 t/hm2，前者為后者的2.96倍；15 a生的人工落葉松林的林冠截留量則為天然次生楊樺林的1.84倍。說明在幼齡和中齡階段，人工華北落葉松林的林冠截留量明顯大于天然次生楊樺林。同時(shí)，研究結(jié)果表明，30 a生的人工落葉松林的林冠截留量低于天然次生楊樺林，分別為5.92和6.61 t/hm2，其主要原因在于，30 a生的人工落葉松林經(jīng)過了撫育間伐，其密度有明顯的下降，華北落葉松林的密度為1 116株/hm2，而天然次生楊樺林的密度為3 358株/hm2，后者約為前者的3倍?？梢?，落葉松林林冠截留量的下降主要是由于撫育所導(dǎo)致的密度的下降造成的。另外，從表2還可以看出，天然次生楊樺林隨著林齡的增加，林冠截留量呈逐漸增加的趨勢(shì)，而人工落葉松林的林冠截留量則隨年齡的增加呈逐漸下降的趨勢(shì)。出現(xiàn)這種差異的原因與兩種林分所受的干擾不同有關(guān)。受天然林保護(hù)工程制度的影響，當(dāng)?shù)貙?duì)于天然次生楊樺林的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)基本處于缺失狀態(tài)，所受的人為干擾較少，因此，枝葉的生物量隨著年齡的增長(zhǎng)而增加。而華北落葉松林則受到撫育間伐、修枝等活動(dòng)的影響，其林分密度和枝葉生物量隨林齡的增加有明顯的下降，因此導(dǎo)致林冠層的降水截流能力也表現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)。說明以用材林為經(jīng)營(yíng)目標(biāo)的一些經(jīng)營(yíng)活動(dòng)對(duì)森林的林冠截留能力會(huì)有一定程度的影響。

表2　華北落葉松人工林及天然次生楊樺林林冠截留量的比較

注：表中林冠截留量數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。下同。

3.3　林下植被層截留能力的比較

大氣降水經(jīng)過林冠時(shí)，一部分被林冠截留，一部分形成莖流，還有一部分形成穿透降雨，穿透雨在到達(dá)林地前還要經(jīng)過林下植被(灌木和草本)的截留。天然次生楊樺林灌木層截留量(1.76 t/hm2)顯著大于人工落葉松林(1.02 t/hm2)(表3)。二者的差異主要在于其林下灌木生物量的差異。天然次生楊樺林受撫育、修枝等人為干擾較少，林下灌木層發(fā)育較好，生物量積累量較高。人工落葉松林經(jīng)常受到人工經(jīng)營(yíng)措施，如撫育采伐、修枝、割灌等的影響，林下灌木的發(fā)育較差；另外，人工落葉松林林下凋落物的積累量較大(表4)，在一定程度上抑制了林下灌木的發(fā)育。

表3　華北落葉松人工林及天然次生

3.4　凋落物持水量的比較

人工落葉松林各個(gè)林齡的凋落物持水量均明顯高于林齡相近的天然次生楊樺林，如，13 a人工落葉松林(45.98 t/hm2)>13 a天然次生楊樺林(15.79 t/hm2)(表4)。其主要原因在于，在各個(gè)年齡階段，落葉松人工林凋落物的積累量明顯高于天然次生楊樺林。林下凋落物的積累量除了與凋落物的形成速率有關(guān)之外，還與凋落物分解速度有關(guān)。肖慈英等[17]對(duì)松、櫟純林及混交林凋落物分解特性的研究，以及陳永亮等[18]對(duì)胡桃秋、落葉松純林及其混交林下葉凋落物分解與養(yǎng)分歸還的比較研究均表明，闊葉林的林下凋落物分解速度比針葉林快，因此，針葉林林下凋落物的積累量更大。兩種林分凋落物的持水量與凋落物積累量都隨林齡的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)(表4)。人工落葉松林凋落物積累量及持水量在9~15 a期間隨著林齡的增長(zhǎng)而增加，在15 a達(dá)到最高值(積累量為28.94±5.90 t/hm2，持水量為83.49±17.01 t/hm2)，30 a時(shí)凋落物積累量及持水量最小(積累量為10.31±4.13 t/hm2，持水量為29.74±11.93 t/hm2)。9~15 a期間隨著林齡的增長(zhǎng)，落葉松枝葉的生物量有所增加，所以林下凋落物積累會(huì)逐漸增加，而在林分生長(zhǎng)的后期，林分密度不斷下降，林分葉生物量也明顯下降，導(dǎo)致林下凋落物的積累不斷減少，凋落物的水文調(diào)控功能也呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

表4　華北落葉松人工林及天然次生楊樺林

3.5　地上植被層的總體水文調(diào)控功能

不同林齡人工落葉松林的地上植被層的水文調(diào)控功能均高于同齡或林齡相近的天然次生楊樺林(表5)。表現(xiàn)為：13 a人工落葉松林(55.39 t/hm2)>13 a天然次生楊樺林(20.25 t/hm2)，前者約為后者的2倍。說明從地上植被水文調(diào)控功能來(lái)看，人工落葉松林優(yōu)于天然次生楊樺林。這與劉劍斌[7]對(duì)杉木天然林和人工林涵養(yǎng)水源功能的研究結(jié)果不同，劉劍斌對(duì)杉木天然林和人工林水源涵養(yǎng)功能的研究中表明，杉木天然林地上部分持水能力(118.15 t/hm2)要遠(yuǎn)大于人工林(59.88 t/hm2)，且前者約為后者的2倍。杉木人工林地上部分持水能力較小是由于林下灌木和凋落物生物量明顯低于天然林。但是，林冠層的持水能力仍然是杉木人工林較大，這與本研究結(jié)果一致。兩種林分不同林齡的地上植被總持水量變化趨勢(shì)均是先增加后減少(表5)。人工落葉松林的地上植被總持水量在15 a之前呈遞增趨勢(shì)，在15 a時(shí)達(dá)到最高值(92.24 t/hm2)，之后開始下降；天然次生楊樺林在18 a之前呈遞增趨勢(shì)，在18 a時(shí)達(dá)到最高值(37.35 t/hm2)，之后逐漸下降。從表5可以看出，兩種林分地上植被總持水量隨林齡的變化趨勢(shì)與凋落物持水量的變化趨勢(shì)一致。兩種林分凋落物持水量在地上植被總持水量中所占比例均達(dá)到60%以上，最高可達(dá)90.56%(15 a落葉松林)。這說明，凋落物在森林地上植被水文調(diào)控功能中占據(jù)主要地位。兩種林分地上植被持水量的3個(gè)組成部分的比重均表現(xiàn)為：凋落物持水量>林冠層截留量>灌木層截留量，雖然凋落物持水量所占比例較大，占據(jù)主要地位，但并不代表林冠層截留量和林下灌木截留量就可以忽略，林冠截留作為森林水文調(diào)控的第一個(gè)作用層，是森林對(duì)降水輸入發(fā)揮調(diào)節(jié)作用的起點(diǎn)，能使降水在數(shù)量及空間上進(jìn)行重新分配，同時(shí)還可以降低雨滴的速度，減少對(duì)地表土壤結(jié)構(gòu)的破壞，對(duì)地表具有明顯的保護(hù)作用[3]。

表5　不同林分類型水文調(diào)控能力

注：比例為林冠層、灌木層、凋落物持水量其在地上部分所占比例。

4結(jié) 論

(1) 幼、中齡人工落葉松林的林冠截留量明顯大于同齡或林齡相近的天然次生楊樺林，而到了近熟階段，由撫育間伐導(dǎo)致的林分密度的下降使得人工落葉松林低于天然次生楊樺林。

(2) 凋落物層在兩種森林地上植被水文調(diào)控功能中均起著主要作用。地上植被層中，凋落物的持水量所占比重最大，均大于60%，最高達(dá)90%；其次是林冠截留量(8.47%～22%)，灌木層截留量所占比例最小(<10%)。

(3) 不同林齡人工落葉松林地上植被的水文調(diào)控能力優(yōu)于天然次生楊樺林，且差異顯著。在冀北地區(qū)，人工落葉松林具有較為明顯的水文調(diào)控功能，但撫育間伐等人為活動(dòng)對(duì)其會(huì)有一定程度的影響。

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Hydrological Regulation by Aboveground Layers of Secondary Poplar-birch Forest and Larch Plantation in Northern Mountain Region of Hebei Province

LI Ya’nan1, LI Qianru2, XU Zhongqi1, ZHENG Chunya1

(1.ForestryCollege,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071000，China; 2.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,Beijing100101,China)

Abstract：[Objective] The hydrological regulation by aboveground vegetation layer of two forest types, including secondary poplar-birch forest(13 a, 18 a, 28 a) and larch plantation(9 a, 13 a, 15 a, 20 a) in the northern mountainous region of Hebei Province, was compared in order to provide a support for evaluating how forests conversion influences the hydrological process in the region. [Methods] The litter stock, biomass of different forests and their water interceptions were measured by stardard sample and testing mothods. [Results] (1) Water interceptions of aboveground layers of larch plantations were significantly greater than those of secondary poplar-birch forests. (2) Layers of the two forests had different water interception abilities with a rank as : litter>canopy>shrub layer. (3) The canopy interceptions of the larch plantations with young and middle age were better than that of the secondary poplar-birch forests with the same ages, but the near-mature secondary poplar-birch forest performed better than the larch plantation because of the decreased stand density by thinning. (4) Litter water interceptions of larch plantations with different ages were greater than that of secondary poplar-birch forests, e.g. the litter water interceptions of 13 years larch plantation and secondary poplar-birch forests were 35.36±6.50 t/hm2and 15.79±4.85 t/hm2, respectively. [Conclusion] It was concluded that the aboveground layer of larch plantations had remarkable hydrological regulation function, and sometime it was higher than that of the secondary poplar-birch forest in the northern mountainous region of Hebei Province. Forest thinning can lead to the decrease of hydrological regulation of aboveground vegetation layer to some extent.

Keywords:larch plantation; secondary poplar-birch forest; canopy interception; litter; hydrological regulation

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)06-0230-05

中圖分類號(hào)：S714.7, S153.62

通信作者：許中旗(1971—),男(漢族),河北省饒陽(yáng)市人,博士,教授,主要從事森林生態(tài)學(xué)、恢復(fù)生態(tài)學(xué)方面的研究。E-mail:xzq71110@163.com。

收稿日期：2014-09-17修回日期：2014-10-05

資助項(xiàng)目：林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“燕山山地典型森林類型健康經(jīng)營(yíng)技術(shù)”(20100400205)； 河北省科技廳科技支撐項(xiàng)目(10236728)

第一作者：李亞男(1988—),女(漢族),河北省武安市人,碩士研究生,研究方向?yàn)樯稚鷳B(tài)學(xué)。E-mail:liyanan8369@126.com。