不同经营模式的水源涵养林生态防护功能研究

林业科学研究　2003,16(2):189～195

ForestResearch

　　文章编号:100121498(2003)0220189207

不同经营模式的水源涵养林生态防护功能研究

周择福1,林富荣1,宋吉红2

(1.中国林业科学研究院林业研究所,北京　100091;2.北京林业大学生物学院,北京　100083)

摘要:在山西五台山研究了不同经营技术措施的水源涵养林的生态防护功能。研究结果表明:油松纯林的林冠截留率最大,桦木纯林的林冠截留率最小;针阔混交林林地的持水量较高,其次为阔叶林、人工针叶林;阔叶林地土壤入渗率较针阔混交林高;经过封禁和封育后的灌木林改良土壤的作用明显;抚育型的林木生长量比封育和封禁型的大。同,关键词:水源涵养林;生态防护功能;经营技术措施;中图分类号:S727119　　　文献标识码:A

　　,,取而代之,。相应地,植被的水源涵养功能及其他生态,在该区采取了各,包括:植树造林、封山育林、抚育更新、天然次[14]。为了科学评价水源涵养林采取经营技术措施后的生态防护功能,为水源涵养林生态系统的恢复与重建提供科学依据,指导太行山中、亚高山的天然林保护工程,本文对水源涵养林采取经营技术措施后的涵养水源、改良土壤两项功能进行了研究,并对生态系统恢复与重建后的林木生长量进行了对比研究。

1　试验地基本情况

　　试验地位于山西五台山森林经营局门限石林场,行政隶属山西省五台县,该区位于太行山北段西侧,属太行山中、亚高山。海拔1400～3058m,年平均气温612～712℃,年平均降水量56618～96613mm。降水分配不均,多集中在7—9月,相对湿度70%左右。土壤垂直分布较明显,从低到高依次为山地石灰性褐土(海拔1300m以下),山地淋溶褐土(1300～1900m),山地棕壤(1900～2500m),亚高山草甸土(2500m以上)。土壤厚度差异较大,干旱阳坡土层较薄,约30cm,有的不足10cm,森林土壤和草甸土土层较厚,约30～120cm。母岩以花岗片麻岩为主[1,5]。该区植被有明显的垂直分布特点,海拔1100～1800m为针阔混交林带,针叶树种以油松(PinustabulaeformisCarr1)为主,其次是华北落叶松(Larixprincipis2rupprechtii

Mayr),阔叶树种为天然次生的山杨(PopulusdavidianaDode)、白桦(BetulaplatyllaSuk1)等,呈小片纯林

收稿日期:2002210214

([1**********]2)的部分内容基金项目:国家“九五”攻关项目“太行山水土保持林、水源涵养林经营技术研究”

),男,山西大同人,研究员.作者简介:周择福(1955—

091林　业　科　学　研　究第16卷

和针阔混交林。人工栽培有青杨(P1cathayanaRehd1)等。阳坡大部分为灌丛,主要有毛榛子

(CorylusmandshuricaMaxim)、三裂绣线菊(SpiraeatuilobataL1)、二色胡枝子(Lespedezabicolor

)等。海拔1800～2400m为针叶林带,以华北落叶松、Turcz云杉(PiceameyeriRehd1etWils)为主,呈大片纯林,在林内或林缘分布有白桦等阔叶树种。灌木主要有山柳(SalixcharactaSchneid)、美蔷薇(RosabellaRehd1etWils)、二色胡枝子、照山白(RhododendronmicranthumTur2)等。海拔2400～3058m为亚高山草甸带。cz)、六道木(AbeliabifloraTurcz

共选择20块试验样地的标准地,分别代表不同的植被类型和经营措施,各试验样地的基本情况及所采取的经营措施如表1。

表1　试验样地的基本情况

标准试验地海拔/坡度/

坡向

(.)地号位置m

[***********][1**********]20

主要组成树种二色胡枝子白桦华北落叶松白桦三裂绣线菊白桦白桦白桦华北落叶松华北落叶松

10白桦

9白桦1华北落叶松8白桦2青杨8白桦2华北落叶松

1999年调查时灌草植被及其盖度经营措施封禁桦木封育桦木封育封禁桦木抚育桦木封育桦木封禁落叶松改造桦木抚育桦木封禁落叶松改造抚育更新封育

抚育

桦-杨封育抚育

落叶松改造油松造林落叶松造林

四方林1750西南四方林1720西北四方林1830西北四方林1850西北四方林1860西南四方林1850西北四方林1780东北四方林1780西北四方林18502850东北四方林1980东北四方林四方林四方林四方林四方林门限石三叉沟

2100东北2170东北[***********]80

[***********][***********]20

二色胡枝子、三裂绣线菊、美蔷薇,019六道木、山柳、毛榛子、美蔷薇,018二色胡枝子、,0,01,013六道木、美蔷薇,015毛榛子、三裂绣线菊、六道木,018山柳、毛榛子、三裂绣线菊,014美蔷薇、六道木,三裂绣线菊,012毛榛子、六道木,三裂绣线菊,017毛榛子、二色胡枝子、山柳,019毛榛子、三裂绣线菊、二色胡枝子,011山柳、毛榛子、三裂绣线菊、六道木,018毛榛子、三裂绣线菊、美蔷薇、六道木,013毛榛子、二色胡枝子、三裂绣线菊、六道木,019毛榛子、山柳、二色胡枝子,016二色胡枝子、山柳,013照山白,二色胡枝子,012三裂绣线菊、二色胡枝子,012

北

北西北西北西北

华北落叶松油松林华北落叶松

2　研究方法

林冠层截水量　在林内布设简易的雨量筒,通过观测林内降水计算截留率。

枯落物持水量　在标准地内选择一20cm×30cm的小样方收集枯落物并测定枯落物各层的厚度,计算枯落物贮量、最大持水率、最小持水率和持水量。

林地土壤贮水与入渗　采用土壤水分物理常规研究方法测定。土壤化学性质　采用野外取混合土样进行室内化学分析,分析土壤中速效P、速效K、水

解N等主要营养元素的含量。

林木生长量计算方法　林木生长量用标准木树干解析进行计算。

将以上20个标准地归结为10种经营模式,经营措施与试验样地号见表2。

10种经营模式中,除油松人工林为30a外,其它经营模式的作业时间均为10～11a,即

第2期周择福等:不同经营模式的水源涵养林生态防护功能研究191

1988年完成各项经营措施,数据采集时间为1998—1999年。

表2　不同经营模式的经营技术措施及对应试验样地

经营模式灌木封禁型桦木封禁型桦木封育型桦木抚育型桦2杨封育型桦2落抚育型落叶松抚育型

落叶松改造型(采伐迹地造林)落叶松人工林型(荒坡造林)油松人工林型(荒坡造林)

经营措施

对坡度较陡,立地条件较差,乔木难以生长的灌木林地进行封禁管护对坡度较陡,生态条件脆弱的桦木林进行封禁管护,禁止任何人类活动对桦木林进行封山育林,仅允许少量人类经营活动对桦木林进行间伐、割灌木、除草,以培育大径级木材对白桦、青杨天然混交林进行封山育林对白桦、落叶松天然混交林进行抚育间伐,除去部分生长较差的白桦,保留落叶松

对落叶松天然林进行间伐、割灌,培育大径级木材

原有桦木或其他林分进行皆伐,改造成落叶松人工林,因是采伐迹地造林,立地条件较好,林木生长等各方面均优于荒坡造林对宜林荒坡营造落叶松人工林对宜林荒坡营造油松人工林

试验样地号1、58、112、4、7、146、10

168、15、17133、9、12、182019

3　结果与分析

311　水源涵养功能

:林冠截持降水量、枯落物持水量、林地土

,[6～9]。31111、林分结构有关外,还与降水强度、降水量、。一般来说,降水量少、降水时间持续长林冠截持降水量相对大,截留率高。从表3可知:各林分林冠层对降水有较大的截留作用,降水量大于40mm时仍能截留10%;各林分林冠层截留率在降水量较小时相对较大,随着降水量的增加而降低;油松纯林截留率最大,桦木纯林截留率最小。排序为:油松人工纯林>落叶松纯林(落叶松抚育型)>落叶松幼林(落叶松改造型)>桦木2落叶松林>桦木2青杨林>桦木纯林,其原因是针叶面积指数大,毛细张力大,而阔叶叶面较大,毛细张力小,另外桦木叶面比较光滑。可见:针叶林林冠层截留量较大,针阔混交林分次之,阔叶林分最小。

表3　不同经营模式的林冠对降水量的截留情况

110～5102158

经营模式

0163

林冠截留

/%

/mm[***********][1**********]4

林冠截留

/%[***********]930190

/mm[***********][1**********]8

降水量/mm

510～10101010～[1**********]95林冠截留林冠截留

/%[***********]082113

/mm[***********][1**********]9

/%[***********]953111

/mm[***********][1**********]0

2010～401034132

>401049178

林冠截留

/%[***********]185147

/mm[***********][1**********]4

林冠截留

/%[***********]646150

/mm[***********]1313413106

截留率截留量截留率截留量截留率截留量截留率截留量截留率截留量截留率截留量

桦木抚育型

落叶松抚育型油松人工林桦2杨封育型桦2落抚育型落叶松改造型

[***********]490152

291林　业　科　学　研　究第16卷

31112　林地枯落物持水量　大气降水经过林冠层后到达林地,首先被枯落物层吸持,水源涵

养林地一般都保存较好的枯落物层,其吸水量相当可观,因而枯落物持水量是评价水源林水源

涵养功能的一个重要指标[8～10]。由表4可知:林地有较大的枯落物贮量,约为20～50t・hm-2,林地枯落物贮量以落叶松纯林(落叶松抚育型)最大,高达5113t・hm-2,针叶林以及针阔混交林枯落物贮量较高,即使是10年生的落叶松幼林地(落叶松改造和落叶松造林)其贮量也分别高达26147、2416t・hm-2;封禁的灌丛地也有较大枯落物贮量。林地枯落物有较大的持水率,其持水率(指最大持水率)是其本身质量的150%～300%,按持水率大小排序为:桦2杨封育型、桦木封禁型、桦2落抚育型、桦木抚育型、落叶松改造型、胡枝子灌丛、绣线菊灌丛、油松人工林、落叶松纯林(落叶松抚育型)、落叶松荒坡造林,可见阔叶林、针阔混交林枯落物持水率较高,针叶林较低,灌木枯落物也有较高的持水率,甚至高于针叶林枯落物。

表4　各主要林分及灌草地枯落物持水量

林分类型及经营措施桦木抚育型桦木封禁型落叶松抚育型油松人工林桦2杨封育型桦2落抚育型绣线菊灌丛

枯落物总厚度/

cm4662554344

未分解层厚度/

cm234133223

半分解层厚度/

cm232321121

枯落物干质量/

g[***********][***********]1716

最大持水率/

%[***********][***********]194

最小持/

%[***********][***********][1**********]

枯落物/[***********][***********]71271916

/(thm[***********][***********][1**********]182

枯落物

水容量/

mm[***********][***********][1**********]782

枯落物持水量反映了林分枯落物的涵养水源能力。所观测的各种林地枯落物持水量(水容量)为3～9mm,按大小顺序排列为:落叶松纯林(天然林、落叶松抚育型)、桦木2落叶松混交林(桦2落抚育型)、桦木封禁、桦木2青杨林(封育型)、落叶松改造型、桦木抚育型、绣线菊灌丛、油松人工林、胡枝子灌丛、落叶松荒坡造林。所调查的落叶松纯林为天然落叶松林,林龄较大,具有相当丰富的枯落物贮量,因而其持水量较高。相对而言,针阔混交林由于枯落物贮量和持水率都较大,其持水量相对较高,

其次为阔叶林分,再次为油松等针叶树种人工林分及灌木林分,在阔叶树种中封禁和封育类型优于抚育类型。

31113　林地土壤持水量　研究表明(表5),土壤与荒草坡相比具有更好的土壤水分物理性质,

更高的暂时贮水量和入渗率。林地暂时贮水量与土层厚度有关,林地土壤暂时贮水量明显高于灌草地,按大小排序为:落叶松改造型、桦木2落叶松抚育型、桦木封禁型、桦木抚育型、落叶松纯林型、桦木2青杨林封育型、油松纯林及灌木林地。落叶松改造型因改造前为天然阔叶林地,再加上造林整地措施,因而林地暂贮水量最高。林地入渗率是荒草坡的2～11倍,按大小排序为:落叶松幼林改造型、桦木2青杨林、桦木封禁、桦木抚育、桦木2落叶松抚育型、胡枝子灌丛、油松人工林、落叶松荒坡造林、落叶松纯林抚育型、绣线菊灌丛。总的来看,阔叶林地入渗率较高、针阔混交林地次之,针叶林地较低,落叶松改造类型入渗率最高。

第2期周择福等:不同经营模式的水源涵养林生态防护功能研究

表5　不同林地及灌草地土壤水分物理性质

391

林地类型桦木封禁型

桦木抚育型落叶松抚育型油松人工林桦2杨封育型桦2落抚育型落叶松改造型落叶松人工林胡枝子灌丛绣线菊灌丛荒草坡

土层厚度

/cm0～400～600～500～400～450～600～500～400～300～300～25

容重/(g・cm-3)

[***********][***********][***********]6

孔隙度/%

总孔

隙度

[***********][***********][***********][1**********]5

毛管孔隙度

[***********][***********][***********][1**********]5

非毛管孔隙度

[***********][***********]271026153

最大持水量/%

[***********][***********][***********]5

毛管持水量/%

[***********][***********][***********]5

林地暂时贮水量/mm

[***********][***********][***********]4

渗透率/(mm・min-1)

[***********][***********]01510132

312　林地土壤的养分状况

森林枯落物的分解增加了土壤有机质,和动物的活动,从而使土壤疏松,并增加肥力,,其有机质、速效P、速效K、水解N,包括灌木林地)有较好的改良土壤的作用。,这主,加速了土壤的熟化。桦木封禁、胡枝子灌丛、、,而这几种类型均为封禁和封育型,可见封禁((灌木林地)土壤有机质含量。有机质含量较低的为落叶松纯林、油松,这主要是针叶林枯落物较难分解,不利于改良土壤造成的。速效P、速效K、水解N等指标与有机质含量反映的趋势大体一致。

表6　各主要植被类型土壤机械组成及化学性质

林分名称及

经营类型桦木封禁型桦木封育型落叶松抚育型油松人工林桦2杨封育型桦2落抚育型落叶松改造型落叶松人工林胡枝子灌丛绣线菊灌丛荒草坡

土层厚度/cm

0～400～600～500～400～450～600～500～400～300～300～25

石砾

/%

砂粒

/%粉(砂)粒/%

[***********][***********][***********][1**********]0

粘粒

/%[***********][***********][***********][1**********]

有机质/(g・kg-1)

[***********]6417

速效P/速效K/水解N/

-1-1

(mg・kg)(mg・kg)(mg・kg-1)

[***********][***********]41522185

[***********][***********][***********]3619388152

[***********][***********][***********]16762105

pH值[***********][***********]71007100

[***********][***********][***********][***********][***********][***********][***********]61520

　　注:石砾、砂粒、粉(砂)粒、粘粒的粒径分别为>2100mm、2～0105mm、0105～01002mm。

313　林木生长量

表7表明

,落叶松具有最高的胸径平均生长量,年生长量达014cm以上,即使林龄接近

50a仍有较高的生长量,油松生长量也较高,而白桦林在30a以下生长量较大,40a以上生长

491林　业　科　学　研　究第16

卷

量明显减小。从经营类型看(考虑林龄因素),抚育及抚育更新类型胸径生长量大于封育型,封

育型大于封禁型,这是因为经过抚育,增加了疏透度,利于林木生长,另外封禁类型适用于坡度较陡、立地条件较差、环境脆弱的地段,因而其生长量较小。从林分结构看,混交林(针阔混交、不同阔叶树种混交)生长量较大。林龄对高生长量的影响较大,幼林高生长较大,林分接近成熟后,高生长减小。桦木30～40a已接近成熟,而落叶松林接近50a仍处于生长旺期。落叶松幼林在当地生长良好,甚至在立地条件较差的荒坡上也有较高的生长量。

表7　各主要经营模式林木生长比较

林分类型及

经营措施桦木封禁桦木封禁桦木封育桦木封育桦木抚育桦木抚育桦2落抚育桦2落抚育桦2杨封育桦2杨封育油松人工林落叶松抚育更新落叶松改造落叶松造林

树种白桦白桦白桦白桦白桦白桦白桦落叶松白桦青杨落叶松

年龄/

a[***********]271110

密度/(株・hm-2)

[***********][***********]5027602520

胸径生长量/cm树高生长量/m材积生长量/(×0101m3)

总生长量平均生长量总生长量平均生长量总生长量平均生长量

[***********][***********][***********]4195

[***********][***********][***********][1**********]950

[***********][***********][***********]180

[***********][***********][***********][***********]00

[***********][***********][***********][**************]2

[***********][***********][***********][***********][***********]

4　结论

(1)各林分林冠层的截留率随着降水量的增加而降低,截留率由大到小的排序为:油松人

工纯林>落叶松纯林(落叶松抚育型)>落叶松幼林(落叶松改造型)>桦木2落叶松林>桦木2

青杨林>桦木纯林,降雨量为49178mm时油松人工纯林的截留率高达1316%。阔叶林地的入渗率较高,其次是针阔混交林地、针叶林地,入渗率按大小排序为:落叶松幼林改造型、桦木2青杨林、桦木封禁、桦木抚育、桦木2落叶松抚育型、胡枝子灌丛、油松人工林、落叶松荒坡造林、落叶松纯林抚育型、绣线菊灌丛。在水源林建设中应大力发展针阔混交林,推广针阔混交模式。

(2)在当地存在大量的天然次生林,它们的形成是在原始林分破坏后,天然恢复的白桦、山杨等演替植被,而非顶极的地带性植被,应对其进行改造,引进落叶松、云杉等针叶树种,形成针阔混交林结构,加速演替进程,增加水源涵养林生态系统的稳定性。

(3)不同的经营类型各有其优点,封禁和封育有利于形成良好的森林结构,林地具有较大的枯落物;而抚育则有利于林木的生长,加快土壤的熟化,利于林木的天然更新;改造则能尽快建立起针阔混交的林分,并实现森林的部分经济效益,因而应根据具体的立地条件和林分结构以及植被类型选择不同的经营模式。

第2期周择福等:不同经营模式的水源涵养林生态防护功能研究591

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　ZHOUZe2fu1　LINFu2122

(

　100083,China)

21Abstract:Pinustabulaeformispureforestandthelowestin

Betulaplatyllapureforest.

thewater2thebroadlevedforestsoil,andwasthelowestinconiferousplantationsoil.Thewaterinfiltrationratioinbroadleavedforestsoilwashigherthanthatinconiferousandbroadleavedmixedforestssoil.Thesoilimprovementeffectwasobviousinshrubforestafterhillclosure.Thetreeincrementaftertreatmentbytendingmeasurewashigherthanbyclosethelandandallclosethelandmeasures.Theecologicalprotectionfunctionsvariedindifferenttechnologicalmeasures.Differentmanagepatternsshouldchosenaccordingtotheforeststand,theforeststructureandthevegetationtapes.

Keywords:waterconservationforest;ecologicalprotectivefunctions;managementmeasures

2

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