1、辽河源不同林龄油松林水源涵养能力研究 1郭梦娇，朱江，程小琴，韩海荣，康峰峰，董玲玲，赵金龙，宋小帅（北京林业大学林学院，100083，北京）摘要：为定量评价不同林龄油松林的水源涵养能力，采用水量平衡法和综合蓄水量法，对辽河源地区 3 种不同林龄油松林的降雨再分配、凋落物持水能力、土壤蓄水能力以及林分水源涵养能力进行了研究。以辽河源地区不同林龄油松林为研究对象，对降雨分配、凋落物持水能力和土壤蓄水能力 3 个生态作用层的水源涵养能力进行了研究。结果表明：（1）观测期间，共观测到 112 次降雨，累计降雨量 902.2 mm，平均降雨量 8.1 mm；小雨、中雨、大雨和暴雨分别占总降雨量的 25
2、.2%、35.5%、26.4%和 12.9%；（2）不同林龄油松林的林冠截留、林内降雨和树干茎流占总降雨量的比例分别为 24.1%、72.9% 和 3%；林内降雨与林外降雨呈显著正线性关系；随着林龄的增加，林冠截留能力增加，而树干茎流先增加后减少；（3）凋落物的最大持水量、最大吸湿比和有效拦蓄量均随着林龄的增加而增加；（4）随着林龄的增加，土壤容重减小，总孔隙度增加，土壤入渗速率提高，蓄水能力增加；（5）不同林龄油松林水源涵养能力表现为成熟林近熟林中龄林。在不同林龄的油松林中，随着演替的进行，林分对降雨的分配与截流能力、水源涵养能力逐步增强。关键词：辽河源；油松；林龄；降雨分配；水源涵养中图分
3、类号：S715.2;S714.7;S791.254 文献标志码： 文章编号：Water Conservation Capacity of Pinus tabulaeformis Forests with Different Ages at Liaohe RiverGUO Mengjiao, ZHU Jiang, CHENG Xiaoqin, HAN Hairong, KANG Fengfeng, DONG Lingling, ZHAO Jinlong, SONG Xiaoshuai (College of forestry, Beijing Forestry University, 10008
4、3, Beijing, China)Abstract：To evaluate the water conservation capacity of Pinus tabulaeformis forest with different ages quantitatively, water balance method and comprehensive water storage method were used to investigate the rainfall redistribution, litter water-holding capacity, soil water storage
5、 capacity of three Pinus tabulaeformis stands with different ages in Liaohe source region. Taking the Pinus tabulaeformis forests in different ages of Liaohe River as research objects, this study investigated water conservation capacity of three ecological function layers: rainfall distribution, wat
6、er holding capacity of withered materials, and water storage capacity of soil. The results showed that: (1) During the observation, a total of 112 times rainfall were observed, cumulative 收稿日期：2016-01-28 修回日期： （第一作者手机：18600815209）资助项目：林业公益性行业科研专项“森林生态服务功能分布式定位观测与模型模拟”(201204101)第一作者：郭梦娇（1989），女，硕士研究
7、生，主要研究方向为森林生态系统服务功能评价。E-mail：通信作者：韩海荣（1963） ，男，教授，博士，主要从事森林生态学、生态规划与管理方面的研究。E-mail：rainfall was 902.2 mm, the average rainfall was 8.1mm; the light rain, moderate rain, heavy rain and torrential rain accounted for 25.2% 35.5%, 26.4% and 12.9% of the total rainfall, respectively. (2) The percentage o
8、f crown canopy interception, forest precipitation and sap flow of Pinus tabulaeformis forests in total rainfall were 24.1%, 72.9% and 3%; there was a significant positive linear relationship between forest precipitation inside and outside; with the increase of forest age, the capacity of crown canop
9、y interception increased, and the sap flow increased first and then decreased; (3) The maximum moisture capacity of litter, the maximum of moisture absorption ratio and effective interception amount increased with the increase of forest age; (4) With the increase of forest age, the soil bulk density
10、 reduced, but the total porosity, soil infiltration rate and storage capacity increased; (5) The water conservation capacity of Pinus tabulaeformis forest with different ages performed : mature forest nearly mature forest middle-aged forest. In different aged Pinus tabulaeformis stands, the ability
11、of rainfall distribution and retention capacity and water conservation capacity increased with the succession.Key words: The source of Liaohe; Pinus tabulaeformis; Forest age; Rainfall distribution; Water conservation森林水源涵养能力主要体现在对大气降水的拦截、分配和滞蓄作用上 1-21，具有拦蓄洪水、削减洪峰、调节径流的功能效应 32。国内外对于森林水源涵养的计算方法 43、功能
12、评价 5-64、降雨分配 7-85、凋落物 9-106-7和土壤水文特征 118等方面进行了有针对性的研究工作，但对于同一林型的不同林龄和不同发育阶段生态系统水源涵养能力的研究相对较少 129。辽河作为东北南部重要的河流，辽河对流域内的社会、经济和生态效益具有十分重要的作用，对其水源地森林的水源涵养能力进行的研究具有重要意义。油松(Pinus tabulaeformis)是我国特有树种，其分布广泛， 。油松林是我国北方温性针叶林中分布最广的森林群落，也是暖温带湿润半湿润气候区的地带性植被 13。作为辽河源典型的森林类型，其水源涵养功能对该区域具有重要作用。目前，对于辽河源地区不同森林类型土壤
13、14和凋落物 15的水文特征研究偶见报道，但对于其水源涵养能力的研究相对较少。本文以辽河源不同林龄油松天然林作为研究对象，通过对降雨分配、凋落物持水和土壤蓄水等方面的分析研究，旨在获取油松林在不同林龄阶段的水源涵养能力， 。该研究对辽河源地区的森林生态系统服务功能的评价具有重要意义，同时为当地水土保持举措的确定与实施提供技术支撑。1 研究区概况研究地位于河北省辽河源自然保护区大窝铺林场，地理坐标为东经 118 位于河北省辽河源自然保护，北纬 41 纬位于河北省辽河源自然，处在暖温带向寒温带的过渡地带，属半湿润半干旱大陆性季风型山地气候，年均气温 7.3 ，年均降雨量 540 mm，降雨主要集中
14、在 5-9 月，无霜期 110-125 天，全年日照 2000-2900 小时，年均蒸发量 1800 mm。土壤类型以棕壤土和褐土为主，且土层深厚。森林植被主要乔木树种有油松(Pinus tabulaeformis)、辽东栎( Quercus wutaishanicaQuercusliaotungensis)、山杨 (Populus davidiana)、白桦(Betula platyphylla)等；灌木主要有锦带花(Weigela florida)、胡枝子( Lespedeza bicolor)、榛( Corylus heterophylla)、三裂绣线菊(Spiraea trilobat
15、a)等；草本以细叶薹草(Carex duriuscularigescens)、野青茅 (Deyeuxia arundinaceapyramidalis)、银背风毛菊(Saussurea nivea)等。2 研究方法2.1 样地调查对于油松天然林龄组的划分标准，国家林业局森林资源规划设计调查主要技术规定（2003）和国家森林资源连续清查技术规定（2003）中定义：油松天然林幼龄林30a、中龄林为 31a-50a、近熟林为 51a-60a、成熟林为 61a-80a、过熟林81a。2012 年7-9 月在大窝铺林场选择林相整齐，、具有代表性的油松林，共设置三种不同林龄组的标准样地，样地面积为 600
16、 m2（20 m30 m），每种类型 3 个重复。对各样地的立地条件（海拔、坡度、坡向等）和植被（乔木、灌木和草本）进行调查，基本情况见表 1。表 1 研究区样地基本情况编号 森林类型 森林起源 龄组/a 海拔/m 坡度/() 坡向 密度/(株hm -2) 平均胸径/cm 平均树高/m 油松纯林 天然林 中龄林 1004 27 南 1017 16.1 11.33 油松纯林 天然林 近熟林 998 17 南 634 20.6 15.60 油松纯林 天然林 成熟林 990 18 北 434 38.4 20.682.2 水文监测2.2.1 降雨量测定在 2013 年和 2014 年的 5-9 月生长
17、季内对研究区进行了降雨监测。林外降雨量通过在研究样地旁边的空旷地安装的小型气象站进行测定；林内穿透雨量和树干茎流量按照森林生态系统长期定位观测方法 1610进行测定。林内降雨：在样地内沿对角线均匀设置 3 个内径 10 cm， 、长 2 m 的 PVC 的集水槽，固定集水槽于高于地面 50-70 cm 处，并稍微倾斜，较低一端放置带盖的雨量收集器，降雨事件后及时测定雨量收集器内的水量。树干径流量：在样地内按径阶标准木选择 5 棵标准木，将直径为 2.0 cm-3.0 cm 的聚乙烯橡胶沿中缝剪开，开口向上，呈螺旋形缠绕于标准木树干下部，缠绕时与水平面成 30角，缠绕树干 2-3 圈，固定后，用
18、密封胶将接缝处封严，将导管伸入量水器的进水口，并用密封胶带将导管固定于进水口，旋紧进水口的螺纹盖，收集导入量水器的树干径流，及时进行测量，避免水分散失或满溢。2.2.2 林冠截留量测定林冠截留量根据水量平衡原理进行计算，公式为 1711：I=P-T-S式中，I、P 、T、S 分别为为林冠截留量（mm） 、林外降雨量（ mm） 、林内穿透雨量（mm）和树干茎流量（mm） 。2.2.3 凋落物储量与持水量测定在每个样地上、中、下沿对角线方向设 0.5 m0.5 m 的样方 3 个，按未分解层、半分解层和已分解层分别取样，然后带回实验室在 95下烘干至恒重，计算单位面积凋落物储量。采用室内浸泡法 1
19、8-1912-13测定不同分解程度下的凋落物的最大持水率、最大持水量、最大拦蓄量、有效拦蓄量和最大吸湿比。2.2.4 土壤物理性状与蓄水量测定在每个样地上、中、下坡位选取 3 个位置挖掘土壤剖面，先用 100 cm3 的环刀按 0-20 cm、 20-40 cm 和 40-60 cm 分层取样，然后再在各层另取 100 g 左右土样，带回实验室后，前者采用环刀浸泡法测定土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、土壤初渗速率、稳渗速率以及渗透时间 20；后者在 105 下烘干，称重，测定土壤含水率。土壤最大蓄水量、非毛管蓄水量和毛管蓄水量计算公式如下 2114：Wt=1000pthW0=1000p0h
20、Wc=1000pch式中，W t、W 0、W c 分别为土壤最大蓄水量（mm） 、非毛管蓄水量（mm）和毛管蓄水量（mm） ；p t、p 0、p c 分别为总孔隙度（%） 、非毛管孔隙度（%）和毛管孔隙度（%） ；h为土层厚度（m） 。2.2.5 水源涵养量估算对于森林水源含量的计算采用王晓学等 43在森林水源涵养的计量方法中的综合蓄水量法进行计算，基本假设是在降雨事件中，蒸发量小，水源涵养的物质量等于森林不同层次的截留量， 。在所有的降雨截留都是理想的情况下，森林不同层次截留降雨之和即为水源涵养量，主要分为林冠截留量、凋落物拦蓄量和土壤有效蓄水量三个方面。3 结果与分析3.1 降雨特征在观测
21、期间，通过小型气象站完成对降雨的观测和统计，共观测到 112 次降雨，累计降雨量 902.2 mm，单次最大降雨量为 58.8 mm，单次最小降雨量为 0.2 mm（气象站最小识别雨量） ，平均降雨量为 8.1 mm；其中降雨次数在 2013 年和 2014 年分别为 55 次和 57 次，降雨量在 2013 年和 2014 年分别为 508.8 mm 和 393.4 mm；平均降雨量在 2013 年和 2014年分别为 9.3 mm 和 6.9 mm。降雨次数和降雨量在生长期内的不同月份间的分布呈现出一定差异（图 1） 。在 2013年和 2014 年中的观测期间，降雨事件发生的月份动态均呈
22、现为先增加后减小再增加的变化趋势，且均在 6 月和 8 月的降雨次数较多；2013 年降雨量多分布在 6 月、7 月和 8 月，均达到了 100 mm 以上，三个月累计降雨量占该年观测期间总降雨量的 82.5%，其中以 6 月份最大，为 179.6 mm，5 月份最小，仅为 14.4 mm；2014 年生长期月份间降雨量分配相对2013 年较为平均，5 月份最大，为 108.2 mm，其次为 9 月和 8 月，分别为 89.2 mm 和 83.4 mm，7 月份最小，为 52.6 mm。5月 6月 7月 8月 9月0204060801001201401601802000246810121416
23、182013年 降 雨 量 2014年 降 雨 量 2013年 降 雨 次 数2014年 降 雨 次 数月 份降雨量/mm降雨次数图 1 研究区生长季月均降雨量和降雨次数根据中国气象局颁布的“降水强度等级划分标准（内陆部分） ”为分类依据，将观测期内的降雨事件划分为四种等级：0.2 mm2 P10 mm（小雨） 、10 mm P25 mm（中雨） 、25 mm P50 mm（大雨） 、50 mm P100 mm（暴雨） ，如图 2 所示。分析结果表明，：观测期间小雨事件发生最多，共 85 次，占总降雨次数的 75.9%， ；其次为中雨，共 19 次，占总降雨次数的 17.0%， ；暴雨仅观测到
24、 2 次，占总降雨次数的 1.8%；从小雨到暴雨，发生的次数逐渐减少，且不同年份间不同等级的降雨事件发生次数均表现出一致的规律。0.2P 10 10P 25 25P 50 50P 1000501001502002503003500510152025303540452013年 降 雨 量2014年 降 雨 量2013年 次 数2014年 次 数降 雨 量 等 级/ （mmd-1）降雨量/mm降雨次数图 2 研究区生长季降雨量等级分布不同降雨等级下的累计降雨量分布与降雨次数的分布并不一致，按照累计降雨量大小依次排列，表现为中雨（320.2 mm）大雨（238.2 mm）小雨（227.2 mm）暴雨
25、（116.6 mm） ，分别占观测期间总降雨量 35.5%、26.4%、25.2%和 12.9%；。对不同年份中各降雨等级下的累计降雨量分布情况可以看出，2013 年不同降雨量等级累计降雨量分布相对平均，分布范围在 116.6 mm-140.4 mm 之间；2014 年观测期间，未观测到暴雨事件，其余三种等级中以中雨累计降雨量最大，为 179.8 mm，占该年度观测期降雨总数的 45.7%，其次为大雨和小雨，分别为 108.8 mm 和 104.8 mm，占比为 27.7%和 26.6%。3.2 不同林龄油松林降雨分配特征利用回归分析对不同林龄油松林生长季林外降雨量与林内降雨量的关系进行了解释
26、（图 3） 。结果表明，中龄林、成熟林和近熟林的拟合关系式分别为：T =0.8799P-1.3857（R 2=0.9929） 、T =0.8361P-1.4252（R 2=0.9898）和 T =0.7792P-1.5036（R 2=0.9740） ，各林龄油松林的林内降雨量和林外降雨量呈显著正线性关系（p0.05） ，且 Person 相关系数均在 0.97 以上，林内降雨量随着林外降雨量的增加而增加；根据不同林龄的回归方程可知，随着油松林龄的增加，其方程斜率逐渐降低，表明在相同林外降雨量的条件下，林内降雨量丛小到大依次为：成熟林近熟林中龄林，从而说明随着油松林龄的增加，林冠对于降雨有着更好
27、的截留效果。利用回归分析对不同林龄油松林生长季林外降雨量与林内降雨量的关系进行了解释（图 2） ，结果表明，两者间呈显著正线性关系（p0.05） ，Person相关系数均在 0.97 以上，林内降雨量随着林外降雨量的增加而增加；根据不同林龄的回归方程可知，随着油松林龄的增加，其方程斜率逐渐降低，表明在相同林外降雨量的条件下，林内降雨量丛小到大依次为：成熟林近熟林中龄林，从而说明随着油松林龄的增加，林冠对于降雨有着更好的截留效果。Comment gmj1: 图 4的原图较大，粘贴后再进行缩小调整的话会导致图片无法正常显示，所以将此图片可编辑的原图存于附件中，编辑如有需要请下载附件。-10 0 1
28、0 20 30 40 50 60 70-100102030405060 降 雨 量/mm林内降雨量/mm图 3 油松林生长季林外降雨量与林内降雨量的关系（、和分别为中龄林、近熟林和成熟林，下同。 ）不同降雨量等级下林内降雨量、树干茎流量和林冠截留量相对百分比如图 4所示。分析结果表明，每种林龄油松林的降雨量分配各组分所占比例中，林内降雨最大，其次为林冠截留量，树干茎流最小，不同林龄油松林的林冠截留、林内降雨和树干茎流占总降雨量的比例分别为 24.1%、72.9%和 3%。林内降雨量在中龄林、近熟林和成熟林三种林龄内平均占比分别为 77.5%、73.7%和 67.5%，随着林龄的增加，林内降雨所
29、占比例逐渐降低；树干茎流量在 3种林龄内平均占比依次为 2.3%、5.3% 和 1.4%，树干茎流量以近熟林最大，其次为中龄林，成熟林最小；林冠截留量在不同林龄油松林内平均占比依次为20.1%、 21.0%和 31.1%，随着林龄的增加，林冠的截留量逐渐增加，表明其截留能力也逐步提高。图 4不同降雨量等级下林内降雨量、树干茎流量和林冠截留量相对百分比比较不同降雨量等级下的降雨分配结果可以发现，各林龄油松林的林内降雨量随着降雨等级的增加而增加，但树干茎流量的变化趋势呈现先增加后降低的规律，且最大值均出现在大雨时，可能原因是随着降雨强度的增加，树干茎流量逐渐增加，当增加到一定降雨强度时树干茎流达到
30、饱和，增加的降雨以穿透雨的形式降落到地表，形成林内降雨；。3种林龄油松林的林冠截留量均随着降雨量等级的增加而呈降低趋势。在相同的降雨等级下，随着林龄的增加其林冠截留量均呈上升趋势，也进一步表明高林龄油松林对于各个等级的降雨的截留能力均优于低林龄油松林。3.3 不同林龄下凋落物持水能力从表 2 可以看出，不同林龄油松林林下凋落物储量随着林龄的增加而逐渐增加，凋落物厚度也呈现增加的趋势，这与地表凋落物累计年限和油松高油脂松针分解速度缓慢有着直接的关系；将凋落物经过 24h 的浸泡处理过后，林下凋落物最大持水率在 164.12%-190.10%之间，表明其最大可吸持自身重量 1.6-1.9 倍的水量
31、，其大小排序为近熟林成熟林中龄林，且显著性分析结果表明，近熟林和成熟林之间差异不明显（p0.05） ，但显著高于中龄林（p0.05） ；最大吸湿比的大小反映了凋落物吸持水分能力的强弱，不同林龄油松林凋落物最大吸湿比大小同最大持水率结果相符，共同说明近熟林和成熟林凋落物较中龄林凋落物能吸持更多的水分。不同林龄油松林凋落物最大持水量以成熟林最大，为 31.42 t/hm2，其次是为近熟林（，为 22.95 t/hm2） ，中龄林凋落物最大持水量最小，为（22.31 t/hm2） ；凋落物的有效拦蓄量作为反映凋落物对降水拦蓄能力的有效指标，在不同林龄油松林中随着林龄的增加而增加，与最大持水量的变化规
32、律一致，成熟林对降水的拦蓄能力均优于近熟林和中龄林。表 2 不同林龄油松林凋落物持水能力森林类型凋落物总储量/（thm -2） 凋落物厚度/mm 最大持水率/% 最大吸湿比/%最大持水量/（thm -2）有效拦蓄量/（thm -2） 12.02 39 164.12 2.64 22.31 17.15 12.85 53 190.10 2.90 22.95 18.38 15.56 51 189.58 2.89 31.42 25.463.4 不同林龄下土壤蓄水能力对不同林龄油松林的土壤蓄水能力的几项主要指标进行了分析研究（表 3） 。 ，结果表明，随着油松林龄的增加，土壤容重逐步减小，说明单位体积内土壤重量逐渐减少，土壤孔隙度增加，土壤更为疏松，这一结果与土壤总孔隙度的测定结果相符， 。土壤总孔隙度从大到小依次为：成熟林（47.98% ）近熟林（44.91% ）中龄林（ 41.25%） ，其中非毛管空隙度和毛管孔隙度均表现出一致的规律。水分在土壤层的渗透速率的高低在一定程度上决定了地表径流的产生和地表径流量的大小，更高的渗透速率能在相同时间内截留更多的降水，减少地表径流的产生和减小地表径流量。从表 3 可以看出，土壤初渗速率和稳渗速率均表现为：成熟林近熟林中龄林，
