不同間伐強度蒙古櫟次生林產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征分析

尤海舟，孫浩倫，王立方，吳樹琴

（1.河北省林業(yè)科學(xué)研究院，河北 石家莊，050061；2.河北小五臺山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站， 河北 涿鹿 075600；3.河北省林木良種工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050061； 4.灤平市國有林場管理處，河北 承德 068250）

蒙古櫟Quercus mongolica為殼斗科櫟屬落葉高大喬木，是中國東北、華北山地森林的主要建群樹種[1]。蒙古櫟抗干旱耐瘠薄能力強，適應(yīng)性廣，在冀北山地形成大面積的次生林，是本區(qū)天然次生林中分布最為廣泛的林分類型。華北地區(qū)天然植被本已所剩不多，蒙古棟作為本區(qū)重要的闊葉樹種之一，不管是對國民經(jīng)濟還是對生態(tài)環(huán)境都具有重要價值，對它的研究基本集中在群落結(jié)構(gòu)[2,3]、 生態(tài)功能[4,5]、森林經(jīng)營[6,7]、生長與收獲模型等方面[8-10]。對于冀北地區(qū)廣泛分布的蒙古櫟天然次生林，間伐是促進其生長的重要措施，能夠改變林分結(jié)構(gòu)和林下植被演替，對其進行間伐強度與產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系分析，特別是連續(xù)的野外定位觀測研究有重要意義。

影響地表產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律有眾多因素，針對這些因素的影響規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者做了大量相關(guān)研究[11-13]，在降水產(chǎn)流機制、降水—入滲—產(chǎn)流過程的影響因素及模擬等方面取得了重要成果[14,15]。除降水外，下墊面特征也是影響坡面侵蝕的重要因素，當坡度和土壤類型一致時，植被是控制水土流失的關(guān)鍵因素[16]。植被對水土流失的影響主要表現(xiàn)在：截留降水、葉片形成雨滴擊濺、根系增強土壤抗蝕性、攔慮徑流、泥沙、植被枯枝落葉對土壤的保護并改善土壤理化性狀等[17]。有關(guān)植被對土壤侵蝕的影響，國內(nèi)外學(xué)者已做了大量的研究，孫艷紅[18]等發(fā)現(xiàn)縉云山不同植被類型保水效果闊葉林＞灌木林＞針闊混交林＞楠竹林；楊春霞[19]等對不同坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征研究發(fā)現(xiàn)，隨著覆蓋度的增加，產(chǎn)沙和徑流相關(guān)性減少；王曉康[20]等通過灰色關(guān)聯(lián)法發(fā)現(xiàn)林分密度、枯落物厚度、郁閉度是影響產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)鍵因素。本研究通過對冀北山地潮灤河流域蒙古櫟天然次生林5個不同間伐強度和1個對照徑流小區(qū)連續(xù)2 a 降水產(chǎn)流產(chǎn)沙資料的分析，探討不同間伐強度下植被結(jié)構(gòu)對地表產(chǎn)流和土壤侵蝕的影響，得出發(fā)揮最佳水土保持功能的合理林分撫育結(jié)構(gòu)，對冀北山地水土保持研究，低功能水源涵養(yǎng)林改造，內(nèi)陸水源涵養(yǎng)林構(gòu)建提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省北部的承德市灤平縣的灤河和潮河流域的交匯處，屬冀北燕山山脈中段，地理位置41°01′35.36"N，117°15′37.33"E，海拔890 m。本區(qū)氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)型燕山山地氣候，年平均氣溫7.6 ℃，年平均降水量552.6 mm，多年平均蒸發(fā)量1 679 mm，降水的季節(jié)變化明顯，6～8月降水量占全年降水量的65%～75%。本區(qū)土壤隨海拔高度變化由低而高的變化為草甸土—褐土—棕壤。本區(qū)屬華北植物區(qū)系，植被類型屬我國東部濕潤森林區(qū)溫濕帶半旱生落葉闊葉林。

1.2 研究方法

1.2.1 徑流小區(qū)布設(shè)

2014年，在承德市拉海嶺林場劉家溝蒙古櫟天然次生林林區(qū)依據(jù)海拔、地形、坡度、坡向等，選取典型地段共設(shè)置面積約1 000 m2矩形樣地6塊，對其中5 塊樣地進行不同強度的間伐，剩余1 塊作為對照，間伐方案見表1，間伐后，每年對樣地植被情況進行調(diào)查，包括胸徑、密度、郁閉度、灌草層蓋度、枯落物儲量及冠幅等，胸徑采用每木檢尺法測定，枯落物儲量采用全部收獲法測定，密度指單位面積內(nèi)的喬木層株數(shù)，蓋度指植物地上部分垂直投影面積占樣地面積的百分比，郁閉度指喬木層蓋度，冠幅指林木南北和東西方向?qū)挾鹊钠骄怠?/p>

表1 蒙古櫟天然次生林撫育方案Table 1 Thinning scheme of Quercus mongolica secondary forests

同時，在各樣地中設(shè)立面積為5 m×20 m 的徑流小區(qū)，徑流小區(qū)的設(shè)置應(yīng)遵循地貌、地質(zhì)、土壤、植被等具有代表性；坡度、土壤特性等具有一致性；坡面上盡可能保持自然狀態(tài)，枯枝落葉不應(yīng)破壞，不存在影響徑流的障礙物等原則。2016年、2017年各徑流小區(qū)的基本情況見表2。

表2 徑流小區(qū)基本情況Table 2 The basic information of runoff plot in different intermediate cutting stands

1.2.2 地表徑流監(jiān)測

徑流小區(qū)產(chǎn)沙和產(chǎn)流量測定：于2015—2017年的5—10月份，每次降水后用量筒測定地表徑流量，并將集水槽內(nèi)的地表徑流取樣帶回，每次取樣量大于500 mL，在室內(nèi)對水樣進行過濾，后將泥沙放入烘箱內(nèi)在80 ℃恒溫下烘干、稱質(zhì)量，得土壤侵蝕量。

徑流小區(qū)氣象數(shù)據(jù)獲?。涸趶搅餍^(qū)空曠地方安裝有簡易野外氣象站，雨量計為翻斗式自記雨量計。

地表徑流系數(shù)是指任意時段內(nèi)的徑流深度與同一時段內(nèi)的降水深度的比值，說明降水量轉(zhuǎn)化為徑流量的比例，計算公式為a=y/x，（y為徑流深，x為降水量）。徑流深指計算時段內(nèi)某一過水斷面上的徑流總量平鋪在斷面以上流域面積上所得到的水層深度。

土壤侵蝕模數(shù)指單位面積和單位時段內(nèi)的土壤侵蝕量。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

本研究的數(shù)據(jù)分析和圖表制作采用Excel 2010和SPSS 20.0 軟件，用 Pearson 相關(guān)系數(shù)評定各因子間的相關(guān)關(guān)系?；疑P(guān)聯(lián)分析采用DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同間伐強度地表徑流分析

2016年和2017年不同間伐強度地表產(chǎn)流量表現(xiàn)規(guī)律一致（圖1），均為：25%間伐強度＞20%間伐強度＞50%間伐強度＞對照＞30%間伐強 度＞40%間伐強度。2016年不同間伐強度地表徑流量在1.55～5.19 m3/hm2之間，2017年不同間伐強度地表徑流量在1.57～5.14 m3/hm2，25%和40%強度間伐樣地徑流量與2016年差別不大，其他強度徑流量低于2016年。

本研究6個徑流小區(qū)相互毗鄰，地質(zhì)狀況差異不大，因而可比性強，能突出植被對地表徑流的影響效應(yīng)。通過計算（表3），2016年年降水量為593.8 mm，不同間伐強度徑流系數(shù)在0.026%～0.087%之間。2017年年降水量為450.7 mm，不同間伐強度徑流系數(shù)在0.034%～0.114%之間，25%和40%強度間伐樣地徑流系數(shù)大于2016年，其他強度徑流系數(shù)小于2016年。研究區(qū)徑流系數(shù)較低，不同間伐強度間徑流系數(shù)排序與地表產(chǎn)流量規(guī)律一致。

圖1 不同間伐強度總地表產(chǎn)流量Fig.1 The total runoff in different intermediate cutting stands

圖2 不同間伐強度總產(chǎn)沙量Fig.2 The total sediment yield in different intermediate cutting stands

2.2 不同間伐強度產(chǎn)沙特征分析

不同間伐強度產(chǎn)沙量見圖2，50%和20%強度間伐樣地產(chǎn)沙量較大，25%、30%和40%強度間伐樣地產(chǎn)沙量較小。50%強度間伐后林地產(chǎn)沙量最大，是因為其林分密度和郁閉度顯著低于其他樣地，林木稀疏，林冠截留降水少所致；20%強度間伐后，林分密度和郁閉度較大，當郁閉度太大時，受林分密度的影響，冠幅較小（表2），當遇到強降雨時，作用卻較差，而且林下灌草發(fā)育不好，不能減弱雨滴對地表濺擊的作用。

2016年不同強度間伐樣地產(chǎn)沙量在1.68～ 8.06 kg/hm2之間，2017年不同強度間伐樣地產(chǎn)沙量在1.37～4.48 kg/hm2之間，除25%強度間伐樣地外，其他強度2016年產(chǎn)沙量顯著高于2017年。不同間伐強度產(chǎn)流、產(chǎn)沙大小順序存在一定差異，主要表現(xiàn)在25%間伐強度上，其產(chǎn)流量很大，產(chǎn)沙量反而較少。

2016年不同間伐強度土壤侵蝕模數(shù)變化范圍為0.169～0.846 t/(hm2·a)；由于降水量和雨強較小的緣故，2017年土壤侵蝕模數(shù)低于2016年，變化范圍為0.114～0.448 t/(hm2·a)。本區(qū)土壤侵蝕模數(shù)較?。ū?），即使在間伐后第一年，2015年本區(qū)最大土壤侵蝕模數(shù)僅為26.13 t/(hm2·a)。

表3 不同間伐強度徑流系數(shù)和侵蝕模數(shù)Table 3 Surface runoff coefficient and soil erosion modulus in different intermediate cutting stands

2.3 不同間伐強度對產(chǎn)流產(chǎn)沙影響的灰色關(guān)聯(lián)分析

選取降水量、林分密度、郁閉度、灌草層蓋度、枯落物儲量、冠幅等影響因子，對6個因子對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響程度進行灰色關(guān)聯(lián)度分析。從表4看出，所選參數(shù)對產(chǎn)沙量和產(chǎn)流量影響程度存在差異，對于產(chǎn)流量來說：降水量＞郁閉度＞枯落物儲量＞林分密度＞冠幅＞灌草層蓋度；對于產(chǎn)沙量來說：降水量＞林分密度＞枯落物儲量＞ 冠幅＞郁閉度＞灌草層蓋度；降水是產(chǎn)生徑流的原動力，無論是產(chǎn)流還是產(chǎn)沙，降水與其灰色關(guān)聯(lián)度都最大。其余參數(shù)中對產(chǎn)流量影響最大的是郁閉度、枯落物儲量和林分密度，分別為： 0.658 4、0.599 7、0.523 3；但對產(chǎn)沙量影響最大的是林分密度、枯落物儲量和冠幅，分別為：0.602 3、 0.567 7、0.466 4。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

間伐對徑流的影響是一個復(fù)雜的過程，上述研究結(jié)果表明，蒙古櫟天然次生林經(jīng)過適當間伐后，保持水土效果優(yōu)于未撫育林地，過度間伐后水土保持效果較差。綜合比較6個徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，40%強度間伐后，樣地徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)都較小，是本區(qū)次生林合理的間伐強度。因此對于本區(qū)蒙古櫟天然次生林，中齡林林木密度在1 500 株/hm2左右，平均冠幅在3.5 m 左右，平均胸徑在10 cm 左右，郁閉度在0.70～0.80范圍內(nèi)，且具有完整的喬灌草復(fù)合結(jié)構(gòu)時，水源涵養(yǎng)達到最佳。由于冀北山地蒙古櫟天然林特殊的生長環(huán)境條件，難以形成喬灌草的林分生長結(jié)構(gòu)，因此通過適當?shù)娜斯さ慕?jīng)營及撫育措施對水源涵養(yǎng)林進行合理分配和布置，使之維持一個良好的垂直結(jié)構(gòu)，將對該區(qū)涵養(yǎng)水源、保持水土起到良好的作用。

產(chǎn)流、產(chǎn)沙對間伐強度響應(yīng)程度不同，25%強度間伐后，林地產(chǎn)流量最大，產(chǎn)沙量反而較小，主要是因為25%間伐時，雖然林木密度較小，無法發(fā)揮喬木層對降水的分配作用，但冠幅和枯落物儲量較大，在林冠層及林下灌草和枯落物的共同防護下，雨滴對土壤的沖擊力較小。關(guān)聯(lián)度分析表明，林分結(jié)構(gòu)因子中，郁閉度、枯落物儲量和林分密度對產(chǎn)流影響較大，林分密度、枯落物儲量和冠幅對產(chǎn)沙影響較大。

表4 影響產(chǎn)流產(chǎn)沙的各因子關(guān)聯(lián)度值Table 4 Grey correlation coefficient of the influence factors on runoff and sediment yield

3.2 討 論

根據(jù)2008年頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》（SL190—2007），北方土石山區(qū)土壤容許流失量為200 t/(hm2·a)，雖然不同間伐強度間土壤侵蝕模數(shù)差異很大（表3），但都遠小于本區(qū)的土壤容許流失量，屬于微度土壤侵蝕；與其它地區(qū)比較[20-23]， 新疆天山山區(qū)[20]為0.05～0.22 t/(hm2·a)，華北太行山區(qū)[21]林地為 0.21～1.99 t /(hm2·a)，南方紅壤區(qū)[22]為0.3～10.8 t/(hm2·a)，武夷山區(qū)[23]118.29～ 174.89 t/(hm2·a)，本區(qū)蒙古櫟天然次生林具有較好的水土保持效果。

間伐撫育主要是通過改變林地林分密度和郁閉度，促進林下灌草層生長，通過植被、枯落物等對徑流、泥沙的攔慮，對土壤的保護及對土壤理化性狀的改善，改變林地水土保持的效果。40%強度間伐后，雖然其植被密度相對減小，但其郁閉度和冠幅增大，由于冠層對降水的截留，以及枯枝落葉對土壤的保護，且林下灌草結(jié)合較好，導(dǎo)致其產(chǎn)流產(chǎn)沙量較少，并低于對照。

地域自然條件和植被類型不同，植被參數(shù)對產(chǎn)流產(chǎn)沙影響程度也不同，目前關(guān)于防治水土流失的植被因子主要集中于植被蓋度，然而較高的蓋度并不代表良好的保持水土功能[24]。本研究發(fā)現(xiàn)冀北山地蒙古櫟天然次生林產(chǎn)沙量與林分密度、枯落物儲量和冠幅關(guān)聯(lián)度較大，與郁閉度關(guān)聯(lián)度較小。郁閉度主要體現(xiàn)林冠層對降水的截留和減小樹干莖流；而郁閉度過高，由于林木的營養(yǎng)空間不足，影響到光合作用導(dǎo)致林下死枝高度變高，冠變小，且林下植被發(fā)育不全，當遇到強降雨時產(chǎn)沙量變大，不能發(fā)揮防治土壤侵蝕的最佳作用[20]。相比郁閉度，垂直結(jié)構(gòu)多樣性對水土流失的影響更加顯著，植被垂直結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其防治土壤侵蝕能力越強[24-25]。

朱冰冰等[26]指出，植被的空間格局及其與地貌的不同組合都會影響植被的水土保持作用，而且，植被的水土保持效應(yīng)存在尺度性，隨尺度的增大影響水土流失的因素也而愈加復(fù)雜[27]，因此本研究是基于本區(qū)特殊的群落結(jié)構(gòu)和立地條件，不能一概而論地評價所有坡面間伐強度對土壤侵蝕的影響。且植物群落性狀結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，通過間伐梯度確定的林分結(jié)構(gòu)因子是無法完整詮釋性狀結(jié)構(gòu)與產(chǎn)流產(chǎn)沙之間關(guān)系的，因此探索指標之間的組合模型應(yīng)是未來植物群落與產(chǎn)流產(chǎn)沙響應(yīng)關(guān)系研究的一個重要方向。