中度撫育對冀北山地不同起源白樺林土壤水文效應(yīng)的影響

趙會艷，平麗麗，馮楷斌，鄧麗娟，劉海翔，陳繼東，屈柏林

(1 河北省木蘭圍場國有林場管理局，河北 圍場 068450；2 承德市農(nóng)林科學(xué)院，河北 承德 067000；3 張家口市國有林場管理處，河北 張家口 075000)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最主要的水分貯存地，也是森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮水文調(diào)節(jié)作用的重要場所[1-2]。土壤水分是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍和最有影響力的要素之一，在區(qū)域水量平衡乃至區(qū)域水文循環(huán)中占有重要地位[3]。土壤物理性質(zhì)以及與其相適應(yīng)的土壤水分特征影響著土壤的水文效應(yīng)，反映出土壤結(jié)構(gòu)、水分狀況和持水保水能力，對于土壤質(zhì)量評價具有重要意義。冀北山地作為京津冀的重要生態(tài)屏障，其森林生態(tài)功能的好壞直接影響到京津冀生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量。白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)作為冀北山區(qū)主要造林樹種之一，對森林水土保持、涵養(yǎng)水源以及生態(tài)系統(tǒng)的健康有著重要的作用[4]。森林中度撫育是調(diào)整林分結(jié)構(gòu)、加快林木生長的重要手段，是提高森林質(zhì)量的重要措施[5]。目前，關(guān)于森林撫育的研究，主要集中在撫育對林木生長、合理密度的確定、林分結(jié)構(gòu)特征等森林結(jié)構(gòu)的影響方面[6-7]，但少見關(guān)于對土壤性質(zhì)的研究。為此，擬以冀北山地最常見的不同起源白樺林為研究對象，探討中度撫育后3 a內(nèi)林下土壤水分物理性質(zhì)的變化，以期為該地區(qū)白樺林的科學(xué)經(jīng)營提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省承德市圍場縣，地理坐標(biāo)為北緯41°35′～42°40′、東經(jīng)116°32′～118°14′，為冀北山地與內(nèi)蒙古高原交匯的壩緣地段，地勢西北高、東南低，海拔800～1 900 m，屬中溫帶向寒溫帶過渡、半干旱向半濕潤過渡的大陸性季風(fēng)氣候區(qū)[8]。年平均氣溫約3～5℃，年平均降雨量在400～580 mm，無霜期約67～125 d。研究區(qū)主要土壤類型為壤土，植被類型多樣，且垂直帶狀分布明顯，主要喬木林為樺木天然次生林、落樺混交林、楊樺混交林等，主要喬木有白樺、山楊、棘皮樺、華北落葉松、油松等，主要灌木有毛榛、金花忍冬、胡枝子、鼠李、接骨木等，主要草本有糙蘇、披針葉苔草、大齒山芹等。

2 研究方法

2013年9月初在撫育設(shè)計小班內(nèi)選取有代表性的白樺人工林和白樺天然次生林林地各1塊，分別設(shè)置30 m×30 m的樣地2個(1個做20%的中度撫育處理，另一個不做撫育處理，作為對照)。撫育前，對每個樣地進(jìn)行每木檢尺，記錄林木胸徑、樹高、郁閉度、海拔、坡度、坡向等林分因子[9-10]。根據(jù)土壤剖面調(diào)查法，在每個樣地內(nèi)相對均勻的挖取3個土壤剖面，用環(huán)刀按0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm分別取原狀土樣，帶回室內(nèi)，用環(huán)刀浸泡法與烘干法測定土壤的自然含水量、最大持水量等[11]。于2013年9月中旬按照采劣留優(yōu)、采弱留壯、采密留稀、保護(hù)幼樹幼苗及兼顧林木分布均勻的原則對處理樣地進(jìn)行中度撫育，對照樣地不做處理。2014年9月份和2016年9月份分別對處理樣地和對照樣地按前述方法取樣并測定土壤水分物理性狀。將每個樣地3個剖面測定的數(shù)據(jù)分層取平均值，應(yīng)用Excel和PDS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。土壤持水量公式為[12]：

Wt=10 000pt×h

(1)

Wc=10 000pc×h

(2)

Wu=Wt-Wc

(3)

式中：Wt為土壤最大持水量(t/hm2)；pt為土壤總孔隙度(%)；Wc為土壤毛管持水量(t/hm2)；pc為土壤毛管孔隙度(%)；h為土壤厚度(m)；Wu為土壤有效持水量(t/hm2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 樣地基本情況

試驗樣地的坡向均為陰坡，下坡位，海拔為1 300 m～1 400 m之間，平均胸徑、平均樹高等各指標(biāo)基本情況見表1。

表1 樣地基本情況

3.2 土壤容重變化

土壤容重受土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤緊實度和有機(jī)質(zhì)含量等影響，通常土壤容重小，土壤結(jié)構(gòu)好且疏松多孔[12]。不同起源白樺純林中度撫育前后土壤容重變化情況見圖1。

圖1 中度撫育前后土壤容重

Figure 1 Soil bulk density changes under different moderate tending intensities

由圖1可知，3 a內(nèi)，不同起源白樺林撫育組3個土層的土壤容重和土壤平均容重均隨時間的推移整體有所下降。其中，撫育后1 a，3個土層的土壤容重及其平均值較撫育前有少許提高，這是由于撫育時的人為活動直接造成了土壤容重的上升；撫育后3 a，不同起源白樺林3個土層的土壤容重及其平均值較撫育1 a后均呈下降趨勢，其中白樺天然林和人工林撫育后均值分別下降了0.05 g/cm3和0.04 g/cm3。同時，撫育后3 a白樺人工林和天然林土壤平均容重較撫育前下降值明顯高于對照組，說明中度撫育能夠間接降低白樺林的土壤容重，且對白樺天然林表層土壤容重下降的促進(jìn)作用更為明顯。

3.3 土壤孔隙度變化

3.3.1 毛管孔隙度 土壤毛管孔隙度是毛管孔隙容積占土壤容積的比例，其大小反映了森林植被吸持水分并用于維持其生長發(fā)育的能力，也就是說毛管孔隙度與森林植物生長能力成正比關(guān)系[11]。不同起源白樺林中度撫育前后土壤毛管孔隙度變化見圖2。

圖2 中度撫育前后土壤毛管孔隙度

Figure 2 Capillary porosity changes under different moderate tending intensities

由圖2可知，3 a內(nèi)，不同起源白樺林撫育和對照組3個土層的土壤毛管孔隙度及其平均值，隨時間的推移變化趨勢較一致。撫育后1 a，3個土層的土壤毛管孔隙度和平均值較撫育前有所下降，且白樺人工林土壤平均毛管孔隙度的下降值，明顯高于天然林，是天然林2.76倍；撫育后3 a，3個土層的土壤毛管孔隙度及其平均值較撫育1 a后均有所上升。同時，撫育后3 a白樺人工林和天然林土壤毛管孔隙度平均值較撫育前分別增加了1.69%和2.74%，且比對照組變化明顯。這說明中度撫育對不同起源白樺林土壤毛管孔隙度的上升具有一定的促進(jìn)作用，且對白樺天然林土壤毛管孔隙度的促進(jìn)作用更大。

3.3.2 非毛管孔隙度 土壤非毛管孔隙由微孔隙和空氣孔隙組成，是土壤重力水分運動的重要途徑，主要對水分的調(diào)節(jié)和土壤的滲透能力產(chǎn)生影響[12]，能夠反映森林植被滯留水分發(fā)揮涵養(yǎng)水源和削減洪水的能力[13-14]。不同起源白樺純林中度撫育前后土壤非毛管孔隙度變化見圖3。

圖3 中度撫育前后土壤非毛管孔隙度

Figure 3 Non-capillary porosity changes under different moderate tending intensities

由圖3可知，3 a內(nèi)，不同起源白樺林3個土層的土壤非毛管孔隙度及其平均值，隨時間的推移總體呈先下降后上升趨勢，其中撫育組白樺人工林的變化幅度更為明顯，說明該階段森林植被滯留水分發(fā)揮涵養(yǎng)水源和削減洪水的能力在緩慢增強(qiáng)；中度撫育后1 a，3個土層的土壤非毛管孔隙度及其平均值較撫育前有所下降，且白樺天然林的下降值高于白樺人工林，說明中度撫育時的人為活動在一定程度上削減了土壤非毛管孔隙度，且對白樺天然林的削減程度更強(qiáng)；中度撫育后3 a，不同起源白樺林3個土層的土壤非毛管孔隙度和平均值較撫育后1 a有所上升，且人工林稍高于天然林，這說明中度撫育對不同起源白樺林土壤非毛管孔隙度的上升具有一定促進(jìn)作用，且對白樺人工林的作用更為明顯。

3.3.3 總孔隙度 大多數(shù)土壤的總孔隙度值介于30%～60%，而最適合樹木生長的范圍則是稍大于或等于50%。不同起源白樺純林中度撫育前后土壤總孔隙度變化見圖4。

由圖4可知，3 a內(nèi)，不同起源白樺林撫育組3個土層的土壤總孔隙度及平均值隨時間的推移總體均先下降后上升，對照組上升趨勢較為平緩。其中，撫育后1 a，不同起源白樺林3個土層的土壤總孔隙度和平均值較撫育前有所下降，且白樺人工林土壤平均總孔隙度的下降值明顯高于天然林，說明中度撫育時的人為活動一定程度上破壞了土壤孔隙，且對白樺人工林的土壤空隙破壞更重；撫育后3 a，不同起源白樺林3個土層的土壤總孔隙度和平均值較撫育后1 a均有所上升，同時，撫育后3 a白樺人工林和白樺天然林土壤平均總孔隙度較撫育前分別增加了2.76%和3.17%，且均比對照組的增加明顯，這說明中度撫育對不同起源白樺林土壤總孔隙度的上升具有一定的促進(jìn)作用，其中對天然林的作用稍明顯于人工林。

圖4 中度撫育前后土壤總孔隙度

3.4 土壤持水量變化

3.4.1 毛管持水量 土壤毛管空隙中的水分可以長時間保持在土壤中，有利于植物根系吸收和土壤蒸發(fā)。不同起源白樺林中度撫育前后土壤毛管持水量變化見圖5。

由圖5可知，3 a內(nèi)，不同起源白樺林對照組土壤毛管持水量隨時間的推移呈較平穩(wěn)的上升趨勢，且中度撫育后3 a與撫育前相比較變化明顯，白樺人工林和天然林土壤毛管持水量的增加值分別為34.08 t/hm2和48.89 t/hm2，均高于對照組。撫育1 a后，不同起源白樺林土壤毛管持水量較中度撫育前有所下降，且白樺人工林土壤毛管持水量的下降值明顯高于白樺天然林土壤毛管持水量的下降值，說明中度撫育活動本身能夠極大的削弱土壤毛管持水能力，且對白樺人工林的影響程度更明顯；撫育后3 a，不同起源白樺林土壤毛管持水量與撫育1 a后、撫育前相比較有明顯差異，說明中度撫育能夠極大地提升不同起源白樺林土壤毛管持水能力，且對白樺天然林土壤毛管持水能力的影響更為明顯。

圖5 中度撫育前后土壤毛管持水量

3.4.2 有效持水量 土壤有效持水量能夠更為直接的反映出林地實際持水能力[15]，且與非毛管孔隙度密切相關(guān)，非毛管孔隙度越大說明土壤越能夠較快地吸收降水，并及時下滲，有利于森林涵養(yǎng)水源[16]。不同起源白樺純林中度撫育前后土壤有效持水量變化見圖6。

圖6 中度撫育前后土壤有效持水量

由圖6可知，3 a內(nèi)，不同起源白樺林對照組土壤有效持水量隨時間的推移呈上升趨勢。白樺人工林和天然林撫育后3 a與較撫育前上升明顯，土壤有效持水量的增加值分別為22.45 t/hm2和21.13 t/hm2，均高于對照組。撫育后1 a，不同起源白樺林土壤有效持水量較中度撫育前總體呈下降趨勢，且白樺天然林土壤毛管持水量的下降值大于白樺人工林土壤有效持水量的下降值，說明中度撫育活動本身極大削弱了土壤有效持水能力，且對白樺天然林的削弱程度更大；中度撫育后3 a，不同起源白樺林土壤有效持水量與撫育1 a后、撫育前相比上升明顯，說明中度撫育能夠提升不同起源白樺林土壤有效持水能力。

4 結(jié)論與討論

森林撫育時的人為活動會造成林地土壤容重上升，而土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、毛管持水量和有效持水量呈現(xiàn)不同程度的下降，隨著時間的推移，中度撫育對不同起源白樺林土壤性質(zhì)產(chǎn)生積極作用，能夠不同程度降低土壤容重，并提升土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、毛管持水量和有效持水量，其中土壤容重毛管孔隙度、總孔隙度和毛管持水量增加程度表現(xiàn)為白樺天然林大于白樺人工林，非毛管孔隙度和有效持水量變化程度表現(xiàn)為白樺人工林大于白樺天然林。綜合看來，中度撫育對白樺天然林的土壤性質(zhì)影響要高于白樺人工林。

撫育措施對土壤性質(zhì)的影響是多方面的，如撫育的機(jī)械性對土壤產(chǎn)生作用，也能夠降低林分郁閉度，促進(jìn)林下植被生長[17-18]等。本研究中，中度撫育對白樺人工林的土壤有效持水量稍高于天然林，該研究結(jié)果對于以后的生產(chǎn)實踐及調(diào)控森林涵養(yǎng)水源能力具有重要意義[19]，但由于未考慮到枯落物分解、林分光照、空間結(jié)構(gòu)等因素，研究結(jié)果同樣存在一些片面性。此外，撫育成效的顯現(xiàn)是一個長期的過程，本研究中相關(guān)的監(jiān)測研究期為3 a，撫育的成效已有了較好的顯現(xiàn)，對于它的長期影響，仍需要不斷地探索和研究。