冀北地区丰宁县水源林地水源涵养能力

齐特，李玉婷，何会宾，张雪峰，赵廷宁†(．北京林业大学水土保持学院，0008，北京;．河北省承德市承德林业局，067000，河北承德; ．河北省承德市丰宁县林业局，06850，河北承德)



冀北地区丰宁县水源林地水源涵养能力

齐特1，李玉婷1，何会宾2，张雪峰3，赵廷宁1†
(1．北京林业大学水土保持学院，100083，北京;2．河北省承德市承德林业局，067000，河北承德; 3．河北省承德市丰宁县林业局，068350，河北承德)

摘要:林地是水源林涵养水源、防治水土流失的功能主体。以冀北地区丰宁县，4种不同类型水源林地为研究对象，从土壤层与枯落物层两方面，研究当地水源林地的水源涵养能力。研究发现:水源林地枯落物持水能力阔叶林地明显优于针叶林地，4种水源林地枯落物持水能力依次为杨树林地＞落叶松×山杏林地＞油松×山杏林地＞油松林地;其中，杨树林地枯落物最大持水量为29.79 t/hm2，有效持水量为4.01 t/hm2。在土壤总孔隙度方面，水源林地土壤持水能力依次为杨树林地＞草地＞耕地＞落叶松×山杏林地＞油松×山杏林地＞油松林地，水源林地总孔隙度在43.49% ～34.96%;在土壤密度方面，草地 ＞油松林＞耕地 ＞杨树林地 ＞油松 ×山杏林地 ＞落叶松 ×山杏林地;在土壤水分常数方面，在0～30 cm的土层内，落叶松×山杏林地、油松×山杏林地、油松林地3种山地立地类型水源林地均是10～20 cm土层土壤水分常数最大，杨树林地20～30 cm土层的水分常数最大，草地和耕地内，0 ～10 cm土层的水分常数最大。综合比较不同样地类型内，样地土壤和枯落物持水能力，杨树林地的水源涵养能力最强，最大持水量和有效持水量分别为1 334.49和1 167.41 t/hm2，总体涵养水源能力为杨树林地＞落叶松 ×山杏林地＞油松×山杏林地＞油松林地。

关键词:水源林地;枯落物;土壤;水源涵养;冀北地区

项目名称:北京市园林绿化局 2013—2014年水源林生态监测项目“京冀生态水源保护林生态效益监测”(2013HXFWJGXY010)

水源涵养林具有涵养水源、防治水土流失的重要功能，水源林地是水源林发挥功能作用的主体［1］。水源林地的水源涵养能力表现为枯落物持水量、林地土壤蓄水量二者之和，而土壤是水源林地涵养水源的主体［2］;因此，土壤水文物理性质是森林生态水文功能的基础。土壤的孔隙度状况、土壤密度和水分常数是土壤水文物理性质的必不可少的组成部分［3 7］;同时，枯落物在水源林地涵养水源功能中的地位不可或缺，它不仅对森林土壤的发育和改良有重要意义，而且因其结构疏松，增大了地表粗糙程度，具有良好的透水性和持水能力。枯落物在降水过程中起着缓冲的作用，降水通过枯落物缓慢渗透到土壤中，变地表径流为地下径流，减少表层土壤的流失［8 12］。

冀北地区位于内蒙古高原边缘，大部分地区降水稀少，气候干燥，蒸发量大，荒山、荒地是该地区的景观特征;同时，冀北地区是首都重要的水源地:因此，涵养水源的任务尤为重要。水源林作为冀北地区重要的涵养水源措施，可以达到有效涵养水源的目的;但是，由于当地耕地稀少，种植水源林的土地多为干旱缺水的荒坡、荒地，造成水源林涵养水源功能的地域性特点。目前，国内对冀北地区森林涵养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，在冀北地区大尺度上，赵伟红等［13 16］研究了森林的水文生态效益;在特定流域尺度上，张雷燕等［17］研究了森林的土壤水文效应;在立地类型、海拔、林分和土壤等小尺度方面，陈波等［18 20］研究了冀北地区森林的水文效应。但是，针对幼龄林地的研究极少。2009—2012年，冀北地区丰宁县和北京市合作，在该县境内建设幼龄水源林，作为京冀合作涵养水源的的重要措施;因此，研究当地幼龄水源林地的水源涵养能力，可以有效补充目前研究的遗漏，有利于形成冀北地区完整的水源林生态效益拼图。本文通过实地测量，对比各种幼龄水源林地的枯落物和土壤涵养水源情况，并且选择相似耕地和草地作为对照，以期揭示当地水源林地的涵养水源情况。

1　研究区概况

研究区位于冀北地区河北省丰宁县境内(E 116°15'～116°48'，N 41°21'～41°31')，属于冀北山地地貌类型。该地区全年日照时间为2 826 h，年平均气温在6.6～8℃之间，10℃以上有效积温不超过3 300℃，无霜期为110～142 d。年平均降水量350～550 mm，年降雨量集中在6—8月份，占年总降雨量的70%。年均蒸发量为1 767.5 mm，蒸发大于降水，月平均蒸发量147.3 mm。该地区成土母质以花岗岩、片麻岩和风积沙为主，主要土壤类型为褐土和棕壤，大部分土层较薄，土壤养分质量分数普遍偏低，生产力较低。研究区植被主要由针叶林、针阔混交林、落叶阔叶林、灌丛和灌草丛等植被组成。所涉及的造林地区域内植被相对稀疏，主要为灌丛和灌草丛。主要乔木植物有杨树(Populus simonii)、桦树(Betula)、油松(Pinus tabuliformis Carr．)、落叶松(Larix gmelinii(Rupr．)Kuzen)、柞树(Xylos marace-mosum)、榆树(Ulmus pumila L．)、山杏(Armeniaca sibirica(L．)Lam)等;主要灌木有榛子(Corylus heterophylla Fisch)、绣线菊(Spiraea salicifolia L．)、胡枝子(Lespedeza bicolor Turcz)、溲疏(Deutzia scabra Thunb)、荆条(Vitex negundo L．var．heterophylla (Franch．)Rehd)、酸枣(Ziziphus jujuba Mill．var．spinose(Bunge)Hu ex H．F．Chow)等;草本植物以菊科的蒿类、禾本科杂草等为主。

2　研究方法

2.1样地调查

通过查询造林资料和实地探查，2014年5—6月，在潮河流域选择5年生油松、油松 ×山杏、落叶松×山杏和杨树这4种水源林地及草地和耕地，共6种样地进行调查研究。水源林中混交林种植方式为隔行一致种植;其中，林中采用标准地调查方法，标准地大小20 m×20 m，每木检尺，实测胸径和树高等。由于油松、落叶松株高不到1.3 m，杨树比较高大;因此，油松和落叶松测量地径，杨树测量胸径。此外，山杏不在本次调查范围之列。各林分标准地调查基本情况见表1。基于草地在此期间长势茂盛，几乎不存在枯落物层，所以，草地水源涵养功能的调查以选取典型的样地，挖取土壤剖面进行。

表1　标准地基本情况Tab．1　Basic situation of 6 lands

2.2枯落物现存量测定

在林地中采用“S”型采样方法，布设5个1 m× 1 m的小样方，调查枯落物单位面积现存量［21］。

2.3枯落物持水过程及持水能力测定

采用室内浸泡方法，取样方内原状枯落物试样，装入编织袋中，并将其浸泡到清水中，每隔0.5、1、4、8、12和24 h分别取出，研究其吸水速度和吸水过程［22］。

2.4土壤水分和物理性质测定

鉴于研究区土壤深度普遍在30 cm左右，在6种立地类型中，采用剖面法调查土壤，按剖面层次0～10，10～20和20～30 cm，用环刀(体积V=98.5 cm3)取样，用烘干法测定土壤含水量，用环刀浸泡法测定土壤孔隙度等物理性质;按剖面层次0～5，5～10，10～15，16～20，21～25，26～30 cm，用环刀取样，测定土壤密度变化情况［23］。

式中:W为土壤持水量，t/hm2;P为土壤毛管孔隙度，%;h为土层深度，m。

3　结果与分析

3.1枯落物水源涵养功能

枯落物水源涵养功能主要从枯落物现有量、枯落物持水过程和枯落物持水性能3方面予以分析:4种水源林地枯落物现存量比较如图1所示，不同水源林地枯落物现有量在6.85～11.82 t/hm2之间，由于水源林的树龄较小，水源林地枯落物现有量取决于枯叶的数量。杨树林作为落叶乔木积累最多的枯落物;落叶松×山杏混交林的枯落物量大于油松 ×山杏混交林;油松纯林的枯落物现有量最少。

从图2可见，相同立地条件下，油松林地的枯落物持水量低于其他3种水源林地。枯落物的绝对持水量由大到小依次为，杨树林地＞落叶松×山杏林地＞油松×山杏林地＞油松林地。油松林地的枯落

图1　不同水源林地枯落物现有量Fig．1　Litter standing crop in different forest land for water source

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

物持水能力最差，这与油松林地的枯落物层枯枝落叶的性质及组织形态有关。通过图中回归曲线斜率变化可以看出，吸水速率随着浸泡时间的增加而越来越小，枯落物的持水量与浸泡时间呈现很好的对数关系。由表2得出，各类林地的关系式拟合效果好，相关系数较高。

表2　枯落物持水量(y)与浸泡时间(x)的关系式Tab．2　Relationship between litter water-holding capacity(y)and immersion time(x)

如表3所示，4种水源林地枯落物持水能力的差异。油松林枯落物的持水能力最差，这是因为针叶林枯落物细长坚硬，不能有效保存水分。由于落叶松林的枯落物质量分数比油松林的枯落物量大;所以混交林中，落叶松 ×山杏林的持水能力大于油松×山杏林的持水能力，杨树林的持水能力最好，其最大持水量为29.79 t/hm2，有效持水量为4.01 t/hm2。

3.2土壤水源涵养功能

土壤水源涵养功能主要从土壤孔隙度情况、土壤密度和土壤水分常数3个方面予以分析。从图3可以看出，不同水源林地土壤的孔隙度的差异。总孔隙度与毛管孔隙度呈现出近似的比较结果。总孔隙度和毛管孔隙度最大的都是杨树林，其总孔隙度达到43.49%，毛管孔隙度也达到最高的38.78%。土壤总孔隙度杨树林地＞草地＞耕地＞落叶松×山杏林地＞油松×山杏林地＞油松林地。这是因为:杨树林种植在河滩缓坡上，河滩土壤结构较疏松;草地中草本植被覆盖度高，大量根系造成土壤结构中空隙大;混交林植物根系比纯林植被根系复杂，容易形成较大的孔隙度。

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

图3　不同水源林地土壤的孔隙状况Fig．3　Soil porosity of different forest land for water source

从整个土层的总孔隙度和毛管孔隙度来看，不同水源涵养林地的总孔隙度均值在 34.96% ～ 43.49%之间，杨树林地的总孔隙度最高，毛管孔隙度也最大。人工林的总孔隙度混交林最大。而综合土壤孔隙状况可以看出:纯林与混交林林差异显著，混交林地比较，落叶松×山杏林地＞油松×山杏林地，差异不显著;纯林地中，杨树林地和油松林地差异显著。

由表4可见，随着土层加深，土壤密度均增大后减小。原因是水源林地土层厚度均较薄，维持在30 cm左右深度，只有中层土壤保存较为完好，紧实度高，密度大。表层土壤密度的顺序依次为:杨树林地＞草地＞油松林地＞耕地＞油松×山杏林地＞落叶松×山杏林地。其原因是:草地的草本植被覆盖度高;油松林地土壤表层枯落物较多;杨树林地位于河滩，河滩土壤含沙量高。

表4　不同样地林地土壤密度状况Tab．4　Soil bulk density of different land　g/cm3

表5和表6列出不同样地的土壤水分常数，即土壤饱和含水率和田间持水率。可以看出，油松林地、油松×山杏林地、落叶松×山杏林地3种水源林地内的土壤水分常数，均是10～20 cm最大，这是因为3种水源林地均为山地贫瘠土壤造林地，表层土壤土质条件差;杨树林地20～30 cm土层的水分常数最大，这是因为杨树林地为河滩，河滩土壤含沙量高，0～20 cm土层存不住水分;草地和耕地0～10 cm土层水分常数最大，因为草地草本植被覆盖度高，表层土壤中水分不容易蒸发，耕地内存在着人为灌溉。

表5　不同样地的土壤饱和含水率Tab．5　Saturated soil moisture content of different land　%

表6　不同样地的田间持水率Tab．6　Saturated field water-holding percentage of different land　%

3.3不同水源林地持水能力比较

表7综合分析不同样地的持水能力，发现在相对恶劣的水源林地中，河滩种植的杨树林地的枯落物和土壤可以蓄积更多的水分，最大持水量和有效持水量分别为1 334.49和1 167.41 t/hm2;草地与耕地的持水能力均好于水源林地;山地水源林地中，持水能力为落叶松×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，土壤持水能力远远大于枯落物，同时，在最大持水量中，枯落物所占的比例明显变高。说明枯落物的持水能力有很大的潜力和提高的空间。4种水源林地无论土壤和枯落物持水能力，都是杨树林地＞落叶松×山杏林地 ＞油松×山杏林地＞油松林地。

表7　不同样地土壤层和枯落物层持水能力Tab．7　Soil layers and water-holding capacity of litter layer in different land

4　结论

1)不同水源林地枯落物的持水能力方面，无论从枯落物现存量、最大持水量、最大持水率、有效持水量和有效持水率比较，阔叶林均明显优于针叶林;因此，4种水源林的枯落物持水能力现状是杨树林地＞落叶松×山杏林地＞油松×山杏林地＞油松林地。

2)不同立地类型土壤持水能力的各个方面表现比较复杂。在土壤孔隙度方面，杨树林＞草地 ＞耕地＞落叶松×山杏林地＞油松×山杏林地＞油松林地，水源林总孔隙度在43.49% ～34.96%;在土壤密度方面，草地＞油松林 ＞耕地＞杨树林地 ＞油松×山杏林地＞落叶松 ×山杏林地;在土壤水分常数方面，在0～30 cm的土层内，落叶松×山杏林地、油松×山杏林地、油松林地3种山地立地类型水源林地，均是10～20 cm土层土壤水分常数最大，河滩种植的杨树林地中，20～30 cm土层的水分常数最大，草地和耕地内，0～10 cm土层的水分常数最大。

3)综合分析不同样地土壤和枯落物持水能力得出:杨树林地的水源涵养能力最强，最大持水量和有效持水量分别为1 334.49和1 167.41 t/hm2，总体涵养水源的能力为:杨树林地 ＞落叶松 ×山杏林地＞油松×山杏林地＞油松林地。

根据以上的分析，不同水源林地的水源涵养能力差异明显，在相同立地条件下，阔叶针叶混交林地具有更好的水源涵养功能;为充分发挥冀北地区水源林的水源涵养功能，应加强对现存水源林的经营与管理，构建结构合理的水源林。

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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

中图分类号:S157.5

文献标志码:A

文章编号: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

第一作者简介:齐特(1989—)，男，硕士研究生。主要研究方向:工程绿化与水土保持。E-mail:67526091@163．com

通信作者†简介:赵廷宁(1962—)，男，博士，教授。主要研究方向:工程绿化与水土保持。E-mail:zhtning@bjfu．edu．cn