华北落叶松人工林林分密度对枯落物层持水能力的影响

王骄洋，王卫军，姜 鹏，谷建才

（河北农业大学，河北 保定071000）

枯枝落叶层是指土壤上方所有已死植物体，是森林生态系统的特有层，在水源涵养、水土保持方面发挥着主导作用［1］。枯枝落叶层的持水性能取决于枯落物的组成、数量和分解程度［2］。人工林的林木自然分化和稀疏规律与天然林不同，个体间的竞争能力比较接近，如果林分密度过大，容易导致林内个体生长不良，影响其水源涵养功效［3］。对林分密度过大的水源涵养林，应该通过适时、适量的间伐，进行合理的密度调控［4］。合理的经营密度是提高林分生产力的重要途径，可有效提高林分稳定性，获得较大的生态和经济效益［5］。

目前木兰林管局的大面积华北落叶松人工林由于受不合理造林技术与粗放管理技术的影响，较多林分开始出现生长衰退、生态功能降低的现象，因此，合理调控密度已成为保证林分稳定生长和高效功能的关键技术［6］。迄今为止，有关华北落叶松的研究，多集中在速生丰产用材林培育技术方面，涉及水源涵养林的研究较少，尤其缺乏合理造林密度与成林密度的研究［7］。为此，以华北落叶松林为研究对象，综合分析不同林龄（20，30，40，50a）华北落叶松林分密度对枯落物持水量变化的影响，探索其密度合理性，并编制华北落叶松人工林枯落物持水能力密度控制图，以期为冀北山地华北落叶松水源涵养林的密度管理提供数据参考和理论依据［8］。

1 研究区概况

以河北省面积最大的木兰围场国有林场管理局为研究地区，位于滦河上游地区，地理坐标为116°32′—118°14′E，41°35′—42°40′N，东西长128km，南北宽96km，总经营面积102 666．7hm2，属于中温带向寒温带过渡、半干早向半湿润过渡的山地气候，具有水热同季，冬长夏短、四季分明、昼夜温差大的特征。平均气温－1．4～4．7℃，极端最高气温38．9℃，极端最低气温－42．9℃；无霜期67～128d；年均降水量380～560mm，主要集中在7—9月，占全年降水量的78%；年均蒸发量1 462．9～1 556．8mm，平均相对湿度63%；平均日照为2 832h，日照百分率为64%；太阳辐射总量为127．4×4．187～133．9×4．187kJ／cm2。研究区海拔介于1 000～1 200m，随着海拔的升高，山地生物及气候条件发生相应的变化。主要土壤类型有棕壤、褐土、风砂土、草甸土、沼泽土、灰色森林土和黑土7类，研究区主要为棕壤土［9］。主要乔木树种有白桦（Betulaplatyphylla）、油松（Pinus）、华北落叶松（Larixprincipis－rupprechtii）、山杨（Pobulusdavidiana）、蒙古栎（Quecus mongolica）、五角枫（Acerelegantulum）、榆树（UlmuspumilaL．）等；灌木主要有山杏（Prunusarmeniaca）、沙棘（HippophaerhamnoidesLinn．）、胡枝子（LespedezabicolorTurcz．）、绣线菊（SpiraeasalicifoliaL．）等；草本植物主要有披针叶碱草（ElymusdahuricusTurcz．）、篙类等［10］。

2 研究方法

2．1 样地调查

华北落叶松大量分布在冀北山地的半阳坡和半阴坡，于2012年7月在河北省围场县木兰围场内选择立地条件、林下灌草层植物类型相似、林龄不同（20，30，40，50a）的华北落叶松林分进行调查。各林龄分别设不同林分密度的样地8块，共设样地32块，样地大小为30m×30m。分别调查样地所在的地理坐标、海拔、坡度、坡向、坡位；以及样地内的树种组成、林龄、平均树高、平均胸径、公顷株树、枯落物厚度［11］。

表1 研究区样地立地条件

2．2 枯落物层持水量的测定

用四分法在各样方的枯落物中取样品200～500 g，称其重量（W1，g），然后置于烘箱中在85℃下烘干至恒重后称重（W2，g），计算枯落物自然持水率（Wr，%）。再将烘干后的枯落物装入纱布袋中置于水中浸泡24h，然后取出将其空干（以无水滴滴下为标准）后称重（W3，g），用以计算枯落物的最大持水率（Wrm，%）。然而在自然条件下，山地森林的坡面上一般不会出现较长时间的浸水，实际持水量约为最大持水量的85%左右，也就是有效持水率（Ws，%）。通过推算枯落物的贮量计算枯落物最大持水量（t／hm2）及有效持水量（t／hm2）［12］。

Wr＝［（W1—W2）／W2］×100%

Wrm＝［（W3—W2）／W2］×100%

Ws＝0．8×Wrm—Wr

3 结果与分析

3．1 不同林龄枯落物层持水能力随林分密度的变化

华北落叶松人工林不同林龄，经营密度下枯落物层持水能力见图1—8。

图1 20a华北落叶松林经营密度与枯落物最大持水量的关系

图2 20a华北落叶松林经营密度与枯落物有效持水量的关系

20a华北落叶松人工林为幼龄林，经营密度不同，林地枯落物持水量的变化较大。林分密度为2 500株／hm2时，枯落物最大持水量和有效持水量均达到最大，分别为12．32t／hm2和5．44t／hm2。当林分密度小于2 500株／hm2时，枯落物层持水能力随林分密度的增加而增大，当林分密度大于2 500株／hm2时，落物层持水能力随林分密度的增加有所减小。

图3 30a华北落叶松林经营密度与枯落物最大持水量的关系

图4 30a华北落叶松林经营密度与枯落物有效持水量的关系

30a华北落叶松人工林为中龄林，随着林分经营密度变化，林地枯落物最大持水量的变化趋势较明显。林分密度为1 800株／hm2时，枯落物最大持水量和有效持水量均达到最大，分别为18．41t／hm2和7．82t／hm2。当林分密度小于1 800株／hm2时，枯落物层持水能力随林分密度的增加而增大，当林分密度大于1 800株／hm2时，落物层持水能力随林分密度的增加有所减小。

图5 40a华北落叶松林经营密度与枯落物最大持水量的关系

图6 40a华北落叶松林经营密度与枯落物有效持水量的关系

40a华北落叶松人工林已经接近成熟，随着林分经营密度变化，林地枯落物最大持水量的变化趋势较明显。林分密度为1 000株／hm2时，枯落物最大持水量和有效持水量均达到最大，分别为23．56t／hm2和10．12t／hm2。当林分密度小于1 000株／hm2时，落物层持水能力随林分密度增加而增大，当林分密度大于1 000株／hm2时，落物层持水能力随林分密度增加有所减小。

图7 50a华北落叶松林经营密度与枯落物最大持水量的关系

图8 50a华北落叶松林经营密度与枯落物有效持水量的关系

50a华北落叶松人工林已经成熟，随着林分经营密度变化，林地枯落物最大持水量的变化趋势较明显。林分密度为800株／hm2时，枯落物最大持水量和有效持水量均达到最大，分别为33．19t／hm2和15．88t／hm2。当林分密度小于800株／hm2时，落物层持水能力随林分密度增加而增大，当林分密度大于800株／hm2时，落物层持水能力随林分密度增加而减小。

3．2 枯落物层水源涵养能力随密度变化

枯落物层持水能力随林分密度的变化规律与林木生长规律一致，通过建立等树高线、等直径线、最大密度线、自然稀疏线、蓄积量与枯落物层持水量关系的模型，编制华北落叶松人工林枯落物持水能力密度控制图［12］。

根据密度对单产和材种规格的影响，有以下几种数学模型。

等树高线：

V＝a11×Hb11×N－a12×Hb12×N2记为模型1

等疏密度线：

V＝Kp×N－（k3－1） 记为模型2

自然稀疏线：

V＝K5×（N0－N）×N0－K3记为模型3

等直径线：

V＝a×Db×Nc记为模型4

用SPSS 20软件，通过非线性回归分析，可求得参数，具体公式如下：

等树高线：

V＝2．3402×10－5×H3．5986×N－1．5931×10－10×H5．03269×x2记为模型5

等疏密度线（疏密度分别从0．4到1）：

V＝101831．4233×N－1．509326472

V＝255307．8374×N－1．509326472

V＝566351．1021×N－1．509326472

V＝1172893．688×N－1．509326472

V＝2371946．905×N－1．509326472

V＝5002714．05×N－1．509326472

V＝18991324．68×N－1．509326472记为模型6

自然稀疏线：

V＝102643732．8×（N0－N）×N－2．5093264720记为模型7

等直径线：

V＝0．000423×D2．085862×N0．970966记为模型8

式中：V——林分蓄积量（m3／hm2）；D——林分平均胸径（cm）；H——林分平均高（m）；N——林分密度（株／hm2）；N0——初始林分密度（株／hm2）。

根据枯落物最大含水量和林分蓄积量的调查数据，拟合关系式为

落叶松：Y＝11．844×ln（V）－32．398 记为模型9

式中：Y——林分枯落物最大含水量（t／hm2）；V——林分蓄积量（m3／hm2）。

华北落叶松人工林枯落物水源涵养功能关系相关模型。

由模型5和模型9可得等树高线模型为：

Y＝11．844×ln（a11×Hb11×N－a12×Hb12×N2）－32．398 记为模型10

由模型公式6和模型9可得等疏密度线模型为；

由模型7和模型9可得自然稀疏线模型为：

Y＝11．844×ln（102643732．8×（N0－N）×N－2．5093264720）－32．398 记为模型12

由模型8和模型9可得等直径线模型为；

Y＝11．844×ln（0．000423×D2．085862×N0．970966）－32．398 记为模型13

式中：Y——林分含水量（t／hm2）；D——林分平均胸径（cm）；H——林分平均高（m）；N——任意林分密度（株／hm2）；N0——初始密度（株／hm2）。

根据模型10—13，在Origin 8．0中，绘制华北落叶松人工林枯落物层水源涵养能力密度控制图（图9）。

图9 华北落叶松人工林枯落物层水源涵养能力密度控制图

4 结论与讨论

通过综合分析不同林龄的华北落叶松人工林经营密度对枯落物层持水能力的影响，结合华北落叶松人工林枯落物持水能力密度控制图得出：

（1）华北落叶松人工林适宜初植密度。华北落叶松属于长寿树种，在研究区立地环境下培育的水源涵养林，至林分成熟阶段，密度应该控制在800～1 000株／hm2。研究区华北落叶松人工林15a左右开始修枝，20a华北落叶松人工林最佳密度为2 500株／hm2，此密度可作为华北落叶松人工林的初植密度。

（2）华北落叶松人工林不同林龄的经营密度。华北落叶松人工林下枯落物最大持水量和有效持水量均达到最大时20a的林分经营密度为2 500株／hm2、30a的林分经营密度为1 800株／hm2、40a的林分经营密度为1 000株／hm2、50a的林分经营密度为800株／hm2。随着林分密度的增加，枯落物层最大持水量和有效持水量的变化呈现先增后减的趋势。

（3）通过建立等树高线、等直径线、最大密度线、自然稀疏线、蓄积量与含水量关系的模型，可以编制不同林分的水源涵养功能密度控制图。华北落叶松人工林枯落物层水源涵养能力密度控制图在产量预估、资源调查、林木间伐等方面使用方便，对生产实践及调控森林水源涵养功能具有重要意义，可为华北落叶松人工林经营管理提供新的途径。

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