陜西榆林樟子松人工林土壤及枯落物水文效應(yīng)

王 謙，孫保平，丁國棟，趙國平，鄧?yán)^峰，高廣磊，王新星，李 旭

(1 北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2 陜西省治沙研究所，陜西 榆林 719000)

陜西榆林樟子松人工林土壤及枯落物水文效應(yīng)

王 謙1，孫保平1，丁國棟1，趙國平2，鄧?yán)^峰1，高廣磊1，王新星1，李 旭1

(1 北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2 陜西省治沙研究所，陜西 榆林 719000)

【目的】 研究不同密度樟子松人工林土壤及枯落物的水文效應(yīng)?！痉椒ā?以陜西榆林不同密度(550，800，1 250，1 750，2 050，2 250，3 850株/hm2)樟子松人工林為研究對(duì)象，在林下設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地采集土壤及枯落物，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究不同密度林地土壤物理性質(zhì)、土壤持水量及枯落物的持水特性?！窘Y(jié)果】 7種林分密度樟子松人工林中，密度為800株/hm2林地土壤的含水率最大(6.88%)，土壤體積質(zhì)量最小(1.51 g/cm3)，總孔隙度最大(42.99%)，土壤有效持水能力最強(qiáng)(147.55 t/hm2)。隨著林分密度的增大，林下枯落物總蓄積量不斷增加，其值為16.23～27.99 t/hm2，枯落物有效攔蓄量表現(xiàn)為3 850株/hm2>2 250株/hm2>2 050株/hm2>1 750株/hm2>1 250株/hm2>800株/hm2>550株/hm2，其中以林分密度為3 850株/hm2林地的最強(qiáng)，達(dá)45.14 t/hm2，是林分密度為800株/hm2林地的1.8倍。不同林分密度下，枯落物持水量與浸泡時(shí)間呈對(duì)數(shù)關(guān)系，吸水速率與浸泡時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系?！窘Y(jié)論】 在一定范圍內(nèi)，樟子松人工林分密度越大，枯落物總蓄積量越高，持水能力越強(qiáng)；但其土壤含水率、總孔隙度呈先增大后減小趨勢(shì)，土壤持水能力先增強(qiáng)后減弱。因此，人工林水文功能的充分發(fā)揮應(yīng)綜合考慮土壤含水率、孔隙度等土壤物理性質(zhì)以及林地枯落物蓄積量等持水特性，從而確定最適種植密度。

樟子松人工林；林分密度；土壤；枯落物；水文效應(yīng)

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是降雨和徑流之間的調(diào)節(jié)者，具有消減洪峰、涵養(yǎng)水源等功能[1-3]，人們形象地稱之為“森林水庫”[4]。森林枯落物層作為森林水文效應(yīng)的第二活動(dòng)層，既能有效攔截降雨、防止土壤濺蝕，又對(duì)攔蓄地表徑流、減少土壤水分蒸發(fā)、增加土壤水分入滲發(fā)揮著重要作用[5-7]。土壤層作為森林水文效應(yīng)的第三活動(dòng)層，林下降水量在這里進(jìn)行第三次分配，即通過林冠層和枯落物層的水分沿土壤毛管孔隙和非毛管孔隙下滲，一部分供植物蒸騰和土壤蒸發(fā)，另一部分則貯存起來或通過滲透匯入溪流，從而起到森林涵養(yǎng)水源和保持水土的作用。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)，松屬，陽性深根性樹種，喜光，耐寒，抗旱，耐貧瘠，在土壤水分較少、養(yǎng)分較貧瘠的風(fēng)沙土上亦能生長良好，有防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、改良土壤、保持水土等作用，是我國“三北”防護(hù)林及北方干旱、半干旱風(fēng)沙區(qū)的主要造林樹種，更是毛烏素沙地針葉樹造林的首選樹種[8]。20世紀(jì)50年代，我國西北地區(qū)首批樟子松在陜西榆林成功引種栽植，截至2013年，全市樟子松造林總面積達(dá)到4.67萬hm2，固沙覆蓋率由最初的2%提高到了42.9%，有效地改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。

目前，國內(nèi)關(guān)于樟子松的研究多集中于對(duì)其個(gè)體生長特性的探討[9-12]、造林技術(shù)的優(yōu)化[13]及病蟲害防治[14-15]等方面，而對(duì)其不同密度林地水文功能的研究相對(duì)較少。為此，本研究對(duì)陜西榆林地區(qū)不同密度樟子松人工林的土壤及枯落物水文效應(yīng)進(jìn)行定量分析，旨在了解不同密度樟子松人工林土壤和枯落物的特點(diǎn)和水文功能，進(jìn)而探討樟子松人工林的水源涵養(yǎng)功能，同時(shí)為確定其適宜的種植密度提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西榆林紅石峽沙地植物園(38°16′N，109°12′E)，海拔1 100 m，總面積178.3 hm2。該區(qū)距榆林市區(qū)6 km，地處毛烏素沙地南緣，屬暖溫帶干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候。主要特點(diǎn)為春季干燥，日照充足；夏季炎熱，降水集中；秋季陰雨，溫差明顯；冬季寒冷，風(fēng)沙肆虐。年平均氣溫 7.9 ℃，極端最低氣溫-32.7 ℃，冬夏晝夜溫差較大，最冷月(1月)和最熱月(7月)平均氣溫分別為-10 和24 ℃，全年無霜期130～150 d，年日照時(shí)數(shù)2 900 h。年平均降水量415 mm，主要集中在7-9月，占全年降水量的60%～70%，多暴雨，年蒸發(fā)量是年降水量的4～10倍。土壤類型為我國西北干旱地區(qū)常見的風(fēng)沙土，土壤結(jié)構(gòu)松散，質(zhì)量較差。主要天然植被類型為沙蒿(Artemisiaordosica)、沙柳(SalixPsammophila)。研究區(qū)內(nèi)樟子松為20世紀(jì)50年代引種栽植，80年代大面積補(bǔ)植的沙地先鋒樹種，此外經(jīng)過多年搜集引種栽植試驗(yàn)，還培育出大量造林樹種，包括油松(Pinustabuliformis)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、花棒(Hedysarumscoparium)、沙棘(Hippophaerhamnoides)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置及樣品采集

通過對(duì)樟子松人工林進(jìn)行全面踏查，選擇7塊生長在平坦丘頂?shù)?5年生的中齡樟子松人工林作為研究對(duì)象，各林地林下灌草等植物種類較為相似，林分狀況見表1。在各密度人工林內(nèi)分別選擇1塊20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地，并設(shè)1處無林地作為對(duì)照(CK)，每塊標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)3個(gè)1 m×1 m的小樣方，將小樣方內(nèi)的枯落物按未分解層和半分解層分別裝入布袋中封好。同時(shí)，在各密度標(biāo)準(zhǔn)地中隨機(jī)挖取3個(gè)土壤剖面，按0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm自下而上逐層采集環(huán)刀土。將封好的環(huán)刀土和枯落物帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行分析測(cè)定。

表1 陜西榆林不同密度樟子松人工林樣地的基本情況
Table 1 Basic characteristics of sample plots inPinussylvestrisvar.mongolicaplantations with different stand densities in Yulin,Shaanxi

樣地編號(hào)Plot林分密度/(株·hm-2)Standdensity平均胸徑/cmAverageDBH平均樹高/mAverageheight第一活枝下高/mFirstheightunderbranch枝夾角/(°)Branchangle郁閉度/%Canopydensity枯落物厚度/cmLitterdepth155016.019.91.1900.61.9280013.019.90.9850.62.23125014.549.80.9850.72.64175016.1010.31.5850.72.95205013.6510.40.2800.83.16225013.009.80.7800.83.27385013.299.80.2800.93.9

2.2 土壤水分含量測(cè)定

將采集的環(huán)刀土迅速帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析測(cè)定。土壤含水率采用烘干法測(cè)定[16]，土壤體積質(zhì)量、土壤孔隙度采用環(huán)刀法測(cè)定[17]。通過以下公式計(jì)算各密度林地的土壤最大持水量、土壤毛管持水量和土壤有效持水量[18]，即：

Wt=10 000Pth，

(1)

Wc=10 000Pch，

(2)

Wo=10 000Poh。

(3)

式中：Wt為土壤最大持水量(t/hm2)，Pt為土壤總孔隙度(%)，h為土層厚度(cm)，Wc為土壤毛管持水量(t/hm2)，Pc為土壤毛管孔隙度(%)，Wo為土壤有效持水量(t/hm2)，Po為土壤非毛管孔隙度(%)。

2.3 枯落物持水量、攔蓄量測(cè)定

稱取收集到的枯落物質(zhì)量，通過以下公式計(jì)算枯落物的最大持水量、最大攔蓄量、有效攔蓄量[19]，即：

W=RmM，

(4)

Wm=(Rm-R0)M，

(5)

W0=(0.85Rm-R0)M。

(6)

式中：W為枯落物最大持水量(t/hm2)，Rm為枯落物最大持水率(%)，M為枯落物水分蓄積量(t/hm2)，Wm為枯落物最大攔蓄量(t/hm2)，R0為枯落物自然含水率(%)，W0為枯落物有效攔蓄量(t/hm2)。

2.4 枯落物持水過程、吸水速率分析

將稱取質(zhì)量后的風(fēng)干枯落物按未分解層、半分解層分別裝入紗布袋中進(jìn)行浸泡試驗(yàn)，在浸泡0.5，1，2，4，6，8，24 h后將枯落物取出控干，至枯落物不再滴水為止，迅速稱取其質(zhì)量。對(duì)其持水過程進(jìn)行回歸分析，并得出浸泡時(shí)間與該時(shí)間段內(nèi)持水量、吸水速率的關(guān)系式。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同密度樟子松人工林土壤持水特性的變化

3.1.1 土壤含水率 由圖1可知，不同密度樟子松人工林0～20 cm土層土壤含水率為3.65%～5.64%，20～40 cm土層為4.79%～6.27%，40～60 cm土層為3.86%～7.24%，60～80 cm土層為3.23%～7.48%，80～100 cm土層為2.98%～7.75%。對(duì)各土層不同密度林地的土壤含水率進(jìn)行方差分析可知，在0～20，20～40 cm土層各林分密度林地之間的土壤含水率無顯著差異；在40～60 cm土層，林分密度為800與2 250，3 850株/hm2林地土壤含水率存在顯著差異；在60～80 cm土層，林分密度為800與3 850株/hm2林地之間土壤含水率存在顯著差異；在80～100 cm土層，林分密度為800與2 250，3 850 株/hm2林地之間土壤含水率存在顯著差異。這說明林分密度對(duì)土壤含水率具有顯著影響，林分密度為800株/hm2時(shí)林地土壤平均含水率最高，密度為3 850株/hm2時(shí)林地土壤平均含水率最低。

由圖1還可知，隨著土層的加深，小密度(550～800株/hm2)林地土壤含水率呈上升趨勢(shì)，中密度(1 250～2 250株/hm2)林地土壤含水率先升高后降低，大密度(3 850株/hm2)林地土壤含水率呈明顯下降趨勢(shì)。根據(jù)不同林地林分密度土壤含水率的變化情況可以發(fā)現(xiàn)：小密度(550～800株/hm2)林地和無林地(CK)土壤水分變化呈現(xiàn)相同趨勢(shì)，即隨著土層的加深，溫度下降，土壤蒸發(fā)逐漸減小，土壤含水率逐漸增大，說明土壤蒸發(fā)仍是小密度林地土壤耗水的主要因素；對(duì)于中密度(1 250～2 250 株/hm2)樟子松人工林，表層土壤仍受溫度的影響較大，土壤蒸發(fā)量大，且由于林地密度增大及樟子松的深根性特點(diǎn)，下層根系發(fā)達(dá)，耗水能力強(qiáng)，因此土壤含水率呈現(xiàn)中層較高而表層和深層較低的趨勢(shì)；對(duì)于大密度(3 850株/hm2)樟子松人工林，林內(nèi)逐漸形成小氣候，林冠層葉片表面積增大，枯落物增多，對(duì)于土壤表層的蒸發(fā)有明顯的抑制作用，同時(shí)下層根系更發(fā)達(dá)、數(shù)量更多、分布更廣，加強(qiáng)了下層根系的吸水作用，因此隨著土層深度增加，土壤含水率呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)。

圖1 陜西榆林不同密度樟子松人工林土壤含水率的比較Fig.1 Comparison of soil moistures of Pinus sylvestris var.mongolica plantations with different stand densities in Yulin,Shaanxi

從土壤含水率的均值(圖1)來看，土壤含水率隨林分密度增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，小密度(550～800株/hm2)及中密度(1 250～2 250株/hm2)林地土壤含水率均大于無林地(CK)，而大密度(3 850 株/hm2)林地小于無林地，說明樟子松林有明顯的土壤涵水能力，但當(dāng)林分密度過大時(shí)，由于根系吸收大量的土壤水分，土壤含水率明顯下降。張繼義等[20]認(rèn)為，控制林分密度是調(diào)控干旱半干旱區(qū)人工林穩(wěn)定性的重要途徑。過大密度必然導(dǎo)致林地水分過量的消耗，使生長環(huán)境的水分條件惡化，群落會(huì)逐漸衰亡[21]。由圖1可知，樟子松人工林土壤含水率平均值在林分密度為800株/hm2時(shí)達(dá)到最大，即800株/hm2為該地區(qū)樟子松土壤最適宜的種植密度。

3.1.2 土壤體積質(zhì)量與總孔隙度 陜西榆林不同密度樟子松人工林土壤體積質(zhì)量、總孔隙度的比較見圖2。

圖2 陜西榆林不同密度樟子松人工林土壤體積質(zhì)量、總孔隙度的比較Fig.2 Comparison of soil bulk density and total soil porosity of Pinus sylvestris var.mongolica plantations with different stand densities in Yulin,Shaanxi

由圖2可知，隨著林分密度的增大，土壤平均體積質(zhì)量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，整體表現(xiàn)為800株/hm2<550株/hm2<1 250株/hm2<1 750株/hm2<2 050株/hm2<2 250株/hm2<3 850株/hm2，各密度林地土壤平均體積質(zhì)量均小于無林地。其中林分密度為800株/hm2時(shí)的土壤平均體積質(zhì)量最小，為 1.51 g/cm3，林分密度為3 850株/hm2時(shí)的土壤平均體積質(zhì)量最大，為1.59 g/cm3。說明隨著林分密度的增大，根系活動(dòng)加劇，土壤中有機(jī)質(zhì)不斷減少，土壤團(tuán)聚性逐漸降低，土壤的緊實(shí)度相應(yīng)增加。

從土壤總孔隙度的均值(圖2)來看，各林分密度林地土壤總孔隙度隨林分密度的增加而呈先增大后降低的變化趨勢(shì)，其與土壤體積質(zhì)量的變化趨勢(shì)相反，表現(xiàn)為800株/hm2>550株/hm2>1 250 株/hm2>1 750株/hm2>2 050株/hm2>2 250 株/hm2>3 850株/hm2，其中林分密度為800 株/hm2林地的土壤總孔隙度最大，為42.99%；林分密度為3 850株/hm2林地的土壤總孔隙度最小，為 40.11%。說明隨著林分密度的增大，土壤總孔隙度減少，土壤緊實(shí)度提高，不利于土壤呼吸和根系吸收作用。一般認(rèn)為，土壤體積質(zhì)量小，土壤疏松，有利于攔蓄降水，減緩徑流沖刷。上述研究證明，800株/hm2為當(dāng)?shù)卣磷铀扇斯ち值赝寥雷钸m宜的密度。

3.1.3 土壤持水能力 林地土壤的蓄水能力是評(píng)價(jià)森林涵養(yǎng)水源功能的重要指標(biāo)，其大小主要與土壤孔隙度和土壤厚度有關(guān)[22]。毛管孔隙中的水分長期存在于土壤中，有利于土壤蒸發(fā)、植物根系吸收及各種植物必需的生長活動(dòng)；而非毛管孔隙能夠有效吸收降水并及時(shí)下滲，對(duì)林地的水源涵養(yǎng)起到積極作用。因此，不同密度林地土壤的孔隙度不同，其林地的持水能力也不盡相同。

由圖3可知，7種林分密度樟子松林土壤最大持水量的變化規(guī)律與土壤總孔隙度一致，隨著林分密度的增大，土壤最大持水量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，變化范圍為802.22～859.78 t/hm2。土壤有效持水量主要取決于非毛管孔隙度大小，不同林分密度下土壤有效持水量的排序?yàn)?00 株/hm2>550株/hm2>2 050株/hm2>3 850株/hm2>1 750株/hm2>2 250株/hm2>1 250株/hm2，變化范圍為93.33～147.55 t/hm2。上述結(jié)果表明，林分密度為800株/hm2的樟子松人工林林地持水能力最強(qiáng)。

圖3 陜西榆林不同密度樟子松人工林土壤持水能力的比較Fig.3 Comparison of soil water holding capacity of Pinus sylvestris var.mongolica plantations with different stand densities in Yulin,Shaanxi

3.2 不同密度樟子松人工林枯落物持水和攔蓄能力的變化

3.2.1 持水能力 枯落物層是森林結(jié)構(gòu)中的重要組成部分[23]，枯落物的持水性是反映枯落物層水文作用的重要指標(biāo)，是直觀了解枯落物在森林系統(tǒng)中涵養(yǎng)水源作用的有效方式。對(duì)榆林不同密度樟子松人工林枯落物持水和攔蓄能力的測(cè)定結(jié)果如表2～4所示。

由表2可知，7種密度樟子松人工林枯落物總蓄積量為16.23～27.99 t/hm2，且枯落物總蓄積量與林分密度呈正相關(guān)，即隨著林分密度的增大，枯落物的總蓄積量相應(yīng)增加。

由表2還可知，隨著林分密度的增大，半分解層枯落物蓄積量占總蓄積量的比例呈先增大后減小的趨勢(shì)，以密度為2 050株/hm2時(shí)最大，為60.1%，密度為550株/hm2時(shí)最小，為51.3%；未分解層則相反，即隨著林分密度的增大，枯落物蓄積量占總蓄積量比例先減小后增加，其中以密度為800株/hm2時(shí)最大，密度為2 050株/hm2時(shí)最小。這是因?yàn)殡S著林分密度的增大，森林的凋落物也隨之增加，但由于不同林地自身分解速度的不同，不同密度林地未分解層和半分解層枯落物蓄積量所占的比例也不盡相同，這主要與林分的生長狀況、林地內(nèi)的水熱條件、天氣、地形等多種因素有關(guān)。

表2 陜西榆林不同密度樟子松人工林的枯落物蓄積量Table 2 Litter volume of Pinus sylvestris var.mongolica plantations with different stand densities in Yulin,Shaanxi

最大持水量和最大持水率是反映林地枯落物持水能力的重要指標(biāo)[3]。由表3可知，7種密度樟子松人工林枯落物的最大持水量為30.55～65.33 t/hm2，表現(xiàn)為隨林分密度的增大而呈上升趨勢(shì)，當(dāng)密度達(dá)到3 850株/hm2時(shí)，其枯落物最大持水量最大，達(dá)65.33 t/hm2，這主要由于林分密度增加，枯落物厚度不斷增大，蓄積量不斷增加，且林下灌草數(shù)量不斷增多，故枯落物的持水能力也不斷增強(qiáng)。7種林分密度林地枯落物的最大持水率為187.84%～264.21%，表現(xiàn)為2 250株/hm2>1 750株/hm2>2 050 株/hm2>3 850株/hm2>1 250株/hm2>800株/hm2>550株/hm2，枯落物最大持水率與其自身最大持水量呈現(xiàn)不同變化趨勢(shì)，這不僅與林地枯落物的蓄積量、自然含水率有關(guān)，而且與枯落物的組成、分解狀況、累計(jì)狀況密切相關(guān)。

表3 陜西榆林不同密度樟子松人工林枯落物的持水能力Table 3 Litter water holding capacity of Pinus sylvestris var.mongolica plantations with different stand densities in Yulin,Shaanxi

3.2.2 攔蓄能力 最大持水量是枯落物最大程度持水能力的度量，用其來表示枯落物攔截降雨的能力往往結(jié)果偏高，因此通常用有效攔蓄率來表示枯落物的攔蓄能力。由表4可知，由于林分密度不同，各密度樟子松人工林枯落物的最大攔蓄量和有效攔蓄量也不盡相同。

從有效攔蓄率(表4)來看，不同林分密度下枯落物的未分解層和半分解層呈不同的變化規(guī)律，未分解層表現(xiàn)為2 050株/hm2>1 750株/hm2>800株/hm2>1 250株/hm2>550株/hm2>2 250株/hm2>3 850株/hm2；半分解層則表現(xiàn)為2 250株/hm2>2 050株/hm2>1 750株/hm2>3 850株/hm2>1 250株/hm2>800株/hm2>550株/hm2，這是主要由于枯落物的蓄積量、自然含水率不同所致。因此，未分解層和半分解層枯落物的有效攔蓄量變化規(guī)律也不盡相同。合計(jì)未分解層和半分解層可知，以密度為3 850株/hm2時(shí)枯落物的有效攔蓄量最大，為45.14 t/hm2，相當(dāng)于攔蓄了 4.51 mm的降雨。

表4 陜西榆林不同密度樟子松人工林枯落物的攔蓄能力Table 4 Interception capacity Pinus sylvestris var.mongolica plantations with different stand densities in Yulin,Shaanxi

3.2.3 持水過程 枯落物的持水量與其浸泡時(shí)間具有一定關(guān)系。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，枯落物在最初0.5 h浸泡過程中，持水量迅速增加，而在之后的24 h內(nèi)，隨著浸泡時(shí)間的延長，持水量呈不斷增加的趨勢(shì)，但增加速度逐漸變緩。這一趨勢(shì)與枯落物攔截降雨、地表徑流的規(guī)律相似，即降雨初期，枯落物的攔蓄能力最強(qiáng)，能夠大量攔蓄降雨，但隨著降雨時(shí)間的延長，枯落物的濕潤度逐漸增加，其吸水能力也逐漸減弱，當(dāng)達(dá)到最大持水量時(shí)則不再增加[23]。

對(duì)0.5～24 h內(nèi)不同林分密度下的枯落物未分解層、半分解層的持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得出該時(shí)間段內(nèi)持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系為：

Q=alnt+b，R>0.90。

(7)

式中：Q為枯落物持水量(g/kg)，t為浸泡時(shí)間(h)，a為方程系數(shù)，b為方程常數(shù)項(xiàng)。

按照公式(7)，可得不同林分密度下樟子松人工林持水量與浸泡時(shí)間的關(guān)系如表5所示。

表5 陜西榆林不同密度樟子松人工林枯落物持水量(Q)與浸泡時(shí)間(t)的關(guān)系Table 5 Relationship of litter water holding capacity (Q) and soaking time (t) of Pinus sylvestris var. mongolica plantations with different stand densities in Yulin,Shaanxi

3.2.4 吸水速率 枯落物的吸水速度與其干燥度、浸泡時(shí)間有著一定關(guān)系。本研究發(fā)現(xiàn)，不同林分密度下枯落物的未分解層、半分解層枯落物在開始浸泡的0.5 h吸水速率最大，之后急速下降，4 h后下降速度明顯變緩。雖然不同密度林分枯落物最初的吸水速率相差較大，但隨著浸泡時(shí)間的延長，其吸水速率逐漸趨于一致。這主要由于隨著浸泡時(shí)間的延長，枯落物的持水量逐漸接近其最大持水量，吸水能力趨于飽和，其吸水速率也隨之變緩。對(duì)7種密度樟子松人工林未分解層、半分解層枯落物的吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得出吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系為：

V=ktn，R>0.99。

(8)

式中：V為枯落物吸水速率(g/(kg·h))，t為浸泡時(shí)間(h)，k為方程系數(shù)，n為指數(shù)。

按照公式(8)，可得不同林分密度下樟子松人工林吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系如表6所示。

表6 陜西榆林不同密度樟子松人工林吸水速率(V)與浸泡時(shí)間(t)的關(guān)系Table 6 Relationship of litter water absorption rate (V) and soaking time (t) of Pinus sylvestris var.mongolica plantations with different stand densities in Yulin,Shaanxi

4 結(jié) 論

1)對(duì)陜西榆林樟子松人工林的土壤水文特性進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，隨著土層深度的增加，小密度(550～800株/hm2)林地土壤含水率隨之增加；中密度(1 250～2 250株/hm2)林地土壤含水率先增加后降低；大密度(3 850株/hm2)林地土壤含水率呈明顯的下降趨勢(shì)，土壤平均含水率為4.02%～6.88%，土壤平均體積質(zhì)量為1.51～1.59 g/cm3，平均總孔隙度為40.11%～42.99%。不同林分密度相比，以密度為800株/hm2時(shí)林地的土壤含水率最大(6.88%)，土壤體積質(zhì)量最小(1.51 g/cm3)，總孔隙度最大(42.99%)。這與康冰等[24]研究林分密度對(duì)人工林土壤物理性質(zhì)影響的結(jié)果一致，即林分過密或過疏都不利于人工林群落的養(yǎng)分循環(huán)。

2)樟子松人工林的土壤最大持水量隨林分密度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。這與陳莉莉等[25]對(duì)不同密度人工林土壤水源涵養(yǎng)功能研究的結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明，7種林分密度樟子松人工林的土壤最大持水量為802.22～859.78 t/hm2，有效持水量為93.33～147.55 t/hm2，均以密度為800株/hm2時(shí)二者均達(dá)到最大值。綜上所述，800株/hm2為當(dāng)?shù)卣磷铀扇斯ち值赝寥雷钸m宜的密度。

3)對(duì)7種樟子松人工林枯落物蓄積量的調(diào)查結(jié)果顯示，隨著林分密度的增加，總蓄積量不斷增大，其值為16.23～27.99 t/hm2，以密度為3 850 株/hm2時(shí)總蓄積量最大。從整個(gè)枯落物層持水能力來看，最大持水量為30.55～65.33 t/hm2，以密度為3 850株/hm2時(shí)的最大持水量最大，為65.33 t/hm2。但最大持水率與最大持水量呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，這不但與各密度林地枯落物的蓄積量有關(guān)，而且也與枯落物自然含水率及枯落物的組成、分解狀況、累計(jì)狀況密切相關(guān)。

4)從7種樟子松人工林枯落物持水過程來看，枯落物持水量與浸泡時(shí)間呈對(duì)數(shù)關(guān)系(R>0.90)，吸水速率與浸泡時(shí)間呈冪函數(shù)關(guān)系(R>0.99)?？萋湮镌陂_始浸泡的前0.5 h內(nèi)，持水量迅速增加，吸水速率最大，之后急速下降，4 h后下降速度明顯變緩。不同層次枯落物的攔蓄能力不同?？傮w來看，以半分解層有效攔蓄量高于未分解層，7種林分密度林地枯落物的有效攔蓄量為21.22～45.14 t/hm2，以密度為3 850株/hm2時(shí)林地枯落物的有效攔蓄量最大，是密度為800株/hm2林地的1.8倍，可達(dá)到45.14 t/hm2，相當(dāng)于攔蓄了4.51 mm的降雨。

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Hydrological effects of soil and litters inPinussylvestrisvar.mongolicaplantations in Yulin,Shaanxi

WANG Qian1,SUN Bao-ping1,DING Guo-dong1,ZHAO Guo-ping2,DENG Ji-feng1，GAO Guang-lei1,WANG Xin-xing1,LI Xu1

(1KeyLabofSoil&WaterConservationDesertificationCombatingMinistryofEducation,CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China;2DesertControlResearchInstituteofShanxiProvince,Yulin,Shaanxi719000,China)

【Objective】 The study aimed to explore the influence of stand density on hydrological effects of soil and litters inPinussylvestrisvar.mongolicaplantations. 【Method】 TakingPinussylvestrisvar.mongolicaplantations with different stand densities (550,800,1 250,1 750,2 050,2 250 and 3 850 stem/hm2) in Yulin,Shaanxi as object,standard plots were set for collection of soil and litter samples to investigate soil physical properties,soil water holding capacity,and litter water holding characteristics.【Result】 In the sevenPinussylvestrisvar.mongolicaplantations with different stand densities,the plot with stand density of 800 stem/hm2had the largest soil moisture (6.88%),lowest soil bulk density (1.51 g/cm3),largest total soil porosity (42.99%),and the strongest modified water holding capacity (147.55 t/hm2).Litters reserves increased as the increase of stand density,ranging from 16.23 to 27.99 t/hm2.The modified interception capacity was in the order of 3 850 stem/hm2>2 250 stem/hm2>2 050 stem/hm2>1 750 stem/hm2>1 250 stem/hm2>800 stem/hm2>550 stem/hm2.The highest value (45.14 t/hm2) was 1.8 times of the lowest.Water holding capacity and soaking time had logarithmic relationship,while water absorption rate and soaking time had power function relationship.【Conclusion】 Litter volume and water holding capacity increased with the increase of stand density inPinussylvestrisvar.mongolicaplantations.However,soil moisture,total soil porosity,and soil water holding capacity firstly increased followed by a decreasing trend.Comprehensive consideration of soil physical properties,such as soil moisture,soil organic matter content,soil porosity and litter water holding characteristics is needed to determine optimal stand densities.

Pinussylvestrisvar.mongolicaplantation;stand density;soil;litter;hydrological effects

2014-01-27

國家林業(yè)局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201304325)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)項(xiàng)目(2013CB429906)

王 謙(1989-)，女，天津人，在讀碩士，主要從事水土保持與荒漠化防治研究。E-mail：yuanxi_blue@163.com

孫保平(1956-)，男，山西原平人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水土保持與荒漠化防治研究。E-mail：sunbp@163.com

時(shí)間:2015-06-30 13:47

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.08.006

S715

A

1671-9387(2015)08-0123-10

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