冀北地區(qū)豐寧縣水源林地水源涵養(yǎng)能力

齊特，李玉婷，何會賓，張雪峰，趙廷寧?(．北京林業(yè)大學水土保持學院，0008，北京;．河北省承德市承德林業(yè)局，067000，河北承德; ．河北省承德市豐寧縣林業(yè)局，06850，河北承德)

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冀北地區(qū)豐寧縣水源林地水源涵養(yǎng)能力

齊特1，李玉婷1，何會賓2，張雪峰3，趙廷寧1?
(1．北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京;2．河北省承德市承德林業(yè)局，067000，河北承德; 3．河北省承德市豐寧縣林業(yè)局，068350，河北承德)

摘要:林地是水源林涵養(yǎng)水源、防治水土流失的功能主體。以冀北地區(qū)豐寧縣，4種不同類型水源林地為研究對象，從土壤層與枯落物層兩方面，研究當?shù)厮戳值氐乃春B(yǎng)能力。研究發(fā)現(xiàn):水源林地枯落物持水能力闊葉林地明顯優(yōu)于針葉林地，4種水源林地枯落物持水能力依次為楊樹林地＞落葉松×山杏林地＞油松×山杏林地＞油松林地;其中，楊樹林地枯落物最大持水量為29.79 t/hm2，有效持水量為4.01 t/hm2。在土壤總孔隙度方面，水源林地土壤持水能力依次為楊樹林地＞草地＞耕地＞落葉松×山杏林地＞油松×山杏林地＞油松林地，水源林地總孔隙度在43.49% ～34.96%;在土壤密度方面，草地 ＞油松林＞耕地 ＞楊樹林地 ＞油松 ×山杏林地 ＞落葉松 ×山杏林地;在土壤水分常數(shù)方面，在0～30 cm的土層內(nèi)，落葉松×山杏林地、油松×山杏林地、油松林地3種山地立地類型水源林地均是10～20 cm土層土壤水分常數(shù)最大，楊樹林地20～30 cm土層的水分常數(shù)最大，草地和耕地內(nèi)，0 ～10 cm土層的水分常數(shù)最大。綜合比較不同樣地類型內(nèi)，樣地土壤和枯落物持水能力，楊樹林地的水源涵養(yǎng)能力最強，最大持水量和有效持水量分別為1 334.49和1 167.41 t/hm2，總體涵養(yǎng)水源能力為楊樹林地＞落葉松 ×山杏林地＞油松×山杏林地＞油松林地。

關(guān)鍵詞:水源林地;枯落物;土壤;水源涵養(yǎng);冀北地區(qū)

項目名稱:北京市園林綠化局 2013—2014年水源林生態(tài)監(jiān)測項目“京冀生態(tài)水源保護林生態(tài)效益監(jiān)測”(2013HXFWJGXY010)

水源涵養(yǎng)林具有涵養(yǎng)水源、防治水土流失的重要功能，水源林地是水源林發(fā)揮功能作用的主體［1］。水源林地的水源涵養(yǎng)能力表現(xiàn)為枯落物持水量、林地土壤蓄水量二者之和，而土壤是水源林地涵養(yǎng)水源的主體［2］;因此，土壤水文物理性質(zhì)是森林生態(tài)水文功能的基礎。土壤的孔隙度狀況、土壤密度和水分常數(shù)是土壤水文物理性質(zhì)的必不可少的組成部分［3 7］;同時，枯落物在水源林地涵養(yǎng)水源功能中的地位不可或缺，它不僅對森林土壤的發(fā)育和改良有重要意義，而且因其結(jié)構(gòu)疏松，增大了地表粗糙程度，具有良好的透水性和持水能力?？萋湮镌诮邓^程中起著緩沖的作用，降水通過枯落物緩慢滲透到土壤中，變地表徑流為地下徑流，減少表層土壤的流失［8 12］。

冀北地區(qū)位于內(nèi)蒙古高原邊緣，大部分地區(qū)降水稀少，氣候干燥，蒸發(fā)量大，荒山、荒地是該地區(qū)的景觀特征;同時，冀北地區(qū)是首都重要的水源地:因此，涵養(yǎng)水源的任務尤為重要。水源林作為冀北地區(qū)重要的涵養(yǎng)水源措施，可以達到有效涵養(yǎng)水源的目的;但是，由于當?shù)馗叵∩?，種植水源林的土地多為干旱缺水的荒坡、荒地，造成水源林涵養(yǎng)水源功能的地域性特點。目前，國內(nèi)對冀北地區(qū)森林涵養(yǎng)水源的研究多集中在不同尺度上的天然林和成熟的人工林上。其中，在冀北地區(qū)大尺度上，趙偉紅等［13 16］研究了森林的水文生態(tài)效益;在特定流域尺度上，張雷燕等［17］研究了森林的土壤水文效應;在立地類型、海拔、林分和土壤等小尺度方面，陳波等［18 20］研究了冀北地區(qū)森林的水文效應。但是，針對幼齡林地的研究極少。2009—2012年，冀北地區(qū)豐寧縣和北京市合作，在該縣境內(nèi)建設幼齡水源林，作為京冀合作涵養(yǎng)水源的的重要措施;因此，研究當?shù)赜g水源林地的水源涵養(yǎng)能力，可以有效補充目前研究的遺漏，有利于形成冀北地區(qū)完整的水源林生態(tài)效益拼圖。本文通過實地測量，對比各種幼齡水源林地的枯落物和土壤涵養(yǎng)水源情況，并且選擇相似耕地和草地作為對照，以期揭示當?shù)厮戳值氐暮B(yǎng)水源情況。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于冀北地區(qū)河北省豐寧縣境內(nèi)(E 116°15'～116°48'，N 41°21'～41°31')，屬于冀北山地地貌類型。該地區(qū)全年日照時間為2 826 h，年平均氣溫在6.6～8℃之間，10℃以上有效積溫不超過3 300℃，無霜期為110～142 d。年平均降水量350～550 mm，年降雨量集中在6—8月份，占年總降雨量的70%。年均蒸發(fā)量為1 767.5 mm，蒸發(fā)大于降水，月平均蒸發(fā)量147.3 mm。該地區(qū)成土母質(zhì)以花崗巖、片麻巖和風積沙為主，主要土壤類型為褐土和棕壤，大部分土層較薄，土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)普遍偏低，生產(chǎn)力較低。研究區(qū)植被主要由針葉林、針闊混交林、落葉闊葉林、灌叢和灌草叢等植被組成。所涉及的造林地區(qū)域內(nèi)植被相對稀疏，主要為灌叢和灌草叢。主要喬木植物有楊樹(Populus simonii)、樺樹(Betula)、油松(Pinus tabuliformis Carr．)、落葉松(Larix gmelinii(Rupr．)Kuzen)、柞樹(Xylos marace-mosum)、榆樹(Ulmus pumila L．)、山杏(Armeniaca sibirica(L．)Lam)等;主要灌木有榛子(Corylus heterophylla Fisch)、繡線菊(Spiraea salicifolia L．)、胡枝子(Lespedeza bicolor Turcz)、溲疏(Deutzia scabra Thunb)、荊條(Vitex negundo L．var．heterophylla (Franch．)Rehd)、酸棗(Ziziphus jujuba Mill．var．spinose(Bunge)Hu ex H．F．Chow)等;草本植物以菊科的蒿類、禾本科雜草等為主。

2　研究方法

2.1樣地調(diào)查

通過查詢造林資料和實地探查，2014年5—6月，在潮河流域選擇5年生油松、油松 ×山杏、落葉松×山杏和楊樹這4種水源林地及草地和耕地，共6種樣地進行調(diào)查研究。水源林中混交林種植方式為隔行一致種植;其中，林中采用標準地調(diào)查方法，標準地大小20 m×20 m，每木檢尺，實測胸徑和樹高等。由于油松、落葉松株高不到1.3 m，楊樹比較高大;因此，油松和落葉松測量地徑，楊樹測量胸徑。此外，山杏不在本次調(diào)查范圍之列。各林分標準地調(diào)查基本情況見表1?；诓莸卦诖似陂g長勢茂盛，幾乎不存在枯落物層，所以，草地水源涵養(yǎng)功能的調(diào)查以選取典型的樣地，挖取土壤剖面進行。

表1　標準地基本情況Tab．1　Basic situation of 6 lands

2.2枯落物現(xiàn)存量測定

在林地中采用“S”型采樣方法，布設5個1 m× 1 m的小樣方，調(diào)查枯落物單位面積現(xiàn)存量［21］。

2.3枯落物持水過程及持水能力測定

采用室內(nèi)浸泡方法，取樣方內(nèi)原狀枯落物試樣，裝入編織袋中，并將其浸泡到清水中，每隔0.5、1、4、8、12和24 h分別取出，研究其吸水速度和吸水過程［22］。

2.4土壤水分和物理性質(zhì)測定

鑒于研究區(qū)土壤深度普遍在30 cm左右，在6種立地類型中，采用剖面法調(diào)查土壤，按剖面層次0～10，10～20和20～30 cm，用環(huán)刀(體積V=98.5 cm3)取樣，用烘干法測定土壤含水量，用環(huán)刀浸泡法測定土壤孔隙度等物理性質(zhì);按剖面層次0～5，5～10，10～15，16～20，21～25，26～30 cm，用環(huán)刀取樣，測定土壤密度變化情況［23］。

式中:W為土壤持水量，t/hm2;P為土壤毛管孔隙度，%;h為土層深度，m。

3　結(jié)果與分析

3.1枯落物水源涵養(yǎng)功能

枯落物水源涵養(yǎng)功能主要從枯落物現(xiàn)有量、枯落物持水過程和枯落物持水性能3方面予以分析:4種水源林地枯落物現(xiàn)存量比較如圖1所示，不同水源林地枯落物現(xiàn)有量在6.85～11.82 t/hm2之間，由于水源林的樹齡較小，水源林地枯落物現(xiàn)有量取決于枯葉的數(shù)量。楊樹林作為落葉喬木積累最多的枯落物;落葉松×山杏混交林的枯落物量大于油松 ×山杏混交林;油松純林的枯落物現(xiàn)有量最少。

從圖2可見，相同立地條件下，油松林地的枯落物持水量低于其他3種水源林地?？萋湮锏慕^對持水量由大到小依次為，楊樹林地＞落葉松×山杏林地＞油松×山杏林地＞油松林地。油松林地的枯落

圖1　不同水源林地枯落物現(xiàn)有量Fig．1　Litter standing crop in different forest land for water source

圖2　不同水源林地枯落物持水過程Fig．2　Forest litter water-holding process in different forest land for water source

物持水能力最差，這與油松林地的枯落物層枯枝落葉的性質(zhì)及組織形態(tài)有關(guān)。通過圖中回歸曲線斜率變化可以看出，吸水速率隨著浸泡時間的增加而越來越小，枯落物的持水量與浸泡時間呈現(xiàn)很好的對數(shù)關(guān)系。由表2得出，各類林地的關(guān)系式擬合效果好，相關(guān)系數(shù)較高。

表2　枯落物持水量(y)與浸泡時間(x)的關(guān)系式Tab．2　Relationship between litter water-holding capacity(y)and immersion time(x)

如表3所示，4種水源林地枯落物持水能力的差異。油松林枯落物的持水能力最差，這是因為針葉林枯落物細長堅硬，不能有效保存水分。由于落葉松林的枯落物質(zhì)量分數(shù)比油松林的枯落物量大;所以混交林中，落葉松 ×山杏林的持水能力大于油松×山杏林的持水能力，楊樹林的持水能力最好，其最大持水量為29.79 t/hm2，有效持水量為4.01 t/hm2。

3.2土壤水源涵養(yǎng)功能

土壤水源涵養(yǎng)功能主要從土壤孔隙度情況、土壤密度和土壤水分常數(shù)3個方面予以分析。從圖3可以看出，不同水源林地土壤的孔隙度的差異?？偪紫抖扰c毛管孔隙度呈現(xiàn)出近似的比較結(jié)果?？偪紫抖群兔芸紫抖茸畲蟮亩际菞顦淞郑淇偪紫抖冗_到43.49%，毛管孔隙度也達到最高的38.78%。土壤總孔隙度楊樹林地＞草地＞耕地＞落葉松×山杏林地＞油松×山杏林地＞油松林地。這是因為:楊樹林種植在河灘緩坡上，河灘土壤結(jié)構(gòu)較疏松;草地中草本植被覆蓋度高，大量根系造成土壤結(jié)構(gòu)中空隙大;混交林植物根系比純林植被根系復雜，容易形成較大的孔隙度。

表3　不同水源林地枯落物持水能力Tab．3　Litter water-holding capacity of different forest land for water source

圖3　不同水源林地土壤的孔隙狀況Fig．3　Soil porosity of different forest land for water source

從整個土層的總孔隙度和毛管孔隙度來看，不同水源涵養(yǎng)林地的總孔隙度均值在 34.96% ～ 43.49%之間，楊樹林地的總孔隙度最高，毛管孔隙度也最大。人工林的總孔隙度混交林最大。而綜合土壤孔隙狀況可以看出:純林與混交林林差異顯著，混交林地比較，落葉松×山杏林地＞油松×山杏林地，差異不顯著;純林地中，楊樹林地和油松林地差異顯著。

由表4可見，隨著土層加深，土壤密度均增大后減小。原因是水源林地土層厚度均較薄，維持在30 cm左右深度，只有中層土壤保存較為完好，緊實度高，密度大。表層土壤密度的順序依次為:楊樹林地＞草地＞油松林地＞耕地＞油松×山杏林地＞落葉松×山杏林地。其原因是:草地的草本植被覆蓋度高;油松林地土壤表層枯落物較多;楊樹林地位于河灘，河灘土壤含沙量高。

表4　不同樣地林地土壤密度狀況Tab．4　Soil bulk density of different land　g/cm3

表5和表6列出不同樣地的土壤水分常數(shù)，即土壤飽和含水率和田間持水率。可以看出，油松林地、油松×山杏林地、落葉松×山杏林地3種水源林地內(nèi)的土壤水分常數(shù)，均是10～20 cm最大，這是因為3種水源林地均為山地貧瘠土壤造林地，表層土壤土質(zhì)條件差;楊樹林地20～30 cm土層的水分常數(shù)最大，這是因為楊樹林地為河灘，河灘土壤含沙量高，0～20 cm土層存不住水分;草地和耕地0～10 cm土層水分常數(shù)最大，因為草地草本植被覆蓋度高，表層土壤中水分不容易蒸發(fā)，耕地內(nèi)存在著人為灌溉。

表5　不同樣地的土壤飽和含水率Tab．5　Saturated soil moisture content of different land　%

表6　不同樣地的田間持水率Tab．6　Saturated field water-holding percentage of different land　%

3.3不同水源林地持水能力比較

表7綜合分析不同樣地的持水能力，發(fā)現(xiàn)在相對惡劣的水源林地中，河灘種植的楊樹林地的枯落物和土壤可以蓄積更多的水分，最大持水量和有效持水量分別為1 334.49和1 167.41 t/hm2;草地與耕地的持水能力均好于水源林地;山地水源林地中，持水能力為落葉松×山杏林地＞油松×山杏林地＞油松林地。

土壤和枯落物持水能力相比，土壤持水能力遠遠大于枯落物，同時，在最大持水量中，枯落物所占的比例明顯變高。說明枯落物的持水能力有很大的潛力和提高的空間。4種水源林地無論土壤和枯落物持水能力，都是楊樹林地＞落葉松×山杏林地 ＞油松×山杏林地＞油松林地。

表7　不同樣地土壤層和枯落物層持水能力Tab．7　Soil layers and water-holding capacity of litter layer in different land

4　結(jié)論

1)不同水源林地枯落物的持水能力方面，無論從枯落物現(xiàn)存量、最大持水量、最大持水率、有效持水量和有效持水率比較，闊葉林均明顯優(yōu)于針葉林;因此，4種水源林的枯落物持水能力現(xiàn)狀是楊樹林地＞落葉松×山杏林地＞油松×山杏林地＞油松林地。

2)不同立地類型土壤持水能力的各個方面表現(xiàn)比較復雜。在土壤孔隙度方面，楊樹林＞草地 ＞耕地＞落葉松×山杏林地＞油松×山杏林地＞油松林地，水源林總孔隙度在43.49% ～34.96%;在土壤密度方面，草地＞油松林 ＞耕地＞楊樹林地 ＞油松×山杏林地＞落葉松 ×山杏林地;在土壤水分常數(shù)方面，在0～30 cm的土層內(nèi)，落葉松×山杏林地、油松×山杏林地、油松林地3種山地立地類型水源林地，均是10～20 cm土層土壤水分常數(shù)最大，河灘種植的楊樹林地中，20～30 cm土層的水分常數(shù)最大，草地和耕地內(nèi)，0～10 cm土層的水分常數(shù)最大。

3)綜合分析不同樣地土壤和枯落物持水能力得出:楊樹林地的水源涵養(yǎng)能力最強，最大持水量和有效持水量分別為1 334.49和1 167.41 t/hm2，總體涵養(yǎng)水源的能力為:楊樹林地 ＞落葉松 ×山杏林地＞油松×山杏林地＞油松林地。

根據(jù)以上的分析，不同水源林地的水源涵養(yǎng)能力差異明顯，在相同立地條件下，闊葉針葉混交林地具有更好的水源涵養(yǎng)功能;為充分發(fā)揮冀北地區(qū)水源林的水源涵養(yǎng)功能，應加強對現(xiàn)存水源林的經(jīng)營與管理，構(gòu)建結(jié)構(gòu)合理的水源林。

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Water conservation capacity of forest lands for water source at Fengning County in the north of Hebei Province

Qi Te1，Li Yuting1，He Huibin2，Zhang Xuefeng3，Zhao Tingning1
(1．School of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，100083，Beijing，China; 2．Chengde Forestry Bureau of Hebei Province，067000，Chengde，Hebei，China;
3．Fengning Forestry Bureau of Chengde in Hebei Province，068350，Chengde，Hebei，China)

Abstract:［Background］The purpose of the study is to understand the situation of water conservation of forest resources in Fengning County of Hebei Province．［Methods］We studied the water conservation ability of 4 different types of forest land for water source by collecting soil and litter samples and comparing the difference of litter amount determination，the litter water-holding capacity，water determination process and soil moisture and physical properties．［Results］The forest litter water-holding capacities of 4 types of forest land for water source followed the order:Populus simonii forest land＞Larix gmelinii×Armeniaca sibirica forest land＞Pinus tabuliformis×A．sibirica forest land＞P．tabuliformis forest land，and the maximum water-holding capacity of P．simonii forest land and theeffective water-holding one were 29.79 and 4.01 t/hm2respectively．In terms of water-holding capacity in soil porosity，total porosity followed the order:P．simonii forest land＞grassland＞cultivated land＞L．gmelinii×A．sibirica forest land＞P．tabuliformis×A．sibirica forest land＞P．tabuliformis forest land，and the value ranged in 43.49% －34.96%．Regarding soil bulk density，there was an order: grassland＞P．tabuliformis forest land＞cultivated land＞P．simonii forest land＞P．tabuliformis× A．sibirica forest land＞L．gmelinii×A．sibirica forest land．Considering the soil water constant within 0－30 cm soil layer，the maximum soil water constant of L．gmelinii×A．sibirica forest land，P．tabuliformis×A．sibirica forest land，and P．tabuliformis forest land existed within 10－20 cm soil layer．The maximum soil water constant of P．simonii forest land existed within 20－30 cm soil layer．The maximum soil water constant of grassland and cultivated land existed within 0 to 10 cm soil layer．［Conclusions］According to the above analysis，the difference of water conservation capacity in different water source forest is obvious．Under the condition of the same site，broadleaf conifer mixed forest has better water conservation function;in order to fully explore the water conservation function of the water source forest in the north of Hebei Province，we should strengthen the management and protection of the existing water source forest，and construct a more reasonable water source forest．

Keywords:forest land for water source;litter;soil;water conservation;north of Hebei province

中圖分類號:S157.5

文獻標志碼:A

文章編號:1672-3007(2016)03-0060-08

DOI:10．16843/j．sswc．2016．03．008

收稿日期:2015 05 11修回日期:2016 03 14

第一作者簡介:齊特(1989—)，男，碩士研究生。主要研究方向:工程綠化與水土保持。E-mail:67526091@163．com

通信作者?簡介:趙廷寧(1962—)，男，博士，教授。主要研究方向:工程綠化與水土保持。E-mail:zhtning@bjfu．edu．cn