宁夏六盘山南侧华北落叶松人工林生态水文影响的密度效应评价

摘要

本文在宁夏六盘山南侧的香水河小流域内,选择了立地条件基本一致但密度不同的25年生华北落叶松人工林,调查比较了不同密度(800、1000、1200、1500、1800株/hm2)林分的结构特征、林下植被多样性特征,并测定和评价了各种密度林分的林冠层、枯落物层及土壤层的水文影响,最后运用主成分分析方法首次对该地区华北落叶松人工林进行了林分密度效应的综合评价,确定了以结构最优化和生态水文功能最大化为目标的合理林分密度。研究结果对该地区确定稳定、高效、多能的华北落叶松人工林合理密度配置及其经营调控提供了一定的理论依据和技术指导。研究结果表明:
　　 (1)林分结构特征。利用Weibull分布函数进行了林分内林木直径分布的拟合,结果表明密度为800、1000、1500株/hm2的华北落叶松林分直径分布符合Weibull分布。在年龄相同、立地条件相似但密度不同的林分中,林分直径分布曲线随密度的变化而变化:密度较小时林木胸径普遍偏大,而密度较大时林木胸径主要分布在较小径阶内。直径分布呈现出偏度为左偏或右偏的单峰曲线,随着林分密度增加时左偏程度增大。树高分布主要为不对称的单峰或双峰分布。在同一林分中,树高与胸径呈显著正相关,即树高随着林木胸径增大呈线性增大。
　　 (2)林下植物物种多样性特征。所有密度样地的草本层物种丰富度和多样性都明显高于灌木层。在林分密度为800株/hm2时,灌木的高度和盖度达到最大,分别为138.8cm和125.3％;在密度为800株/hm2和1000株/hm2时,草本的高度及盖度达到最大,分别为为46.7cm和71.6%;当密度为1800株/hm2和1500株/hm2时,灌木及草本的物种丰富度分别达到最大,为10种和128种。对密度为1500株/hm2的林分,其灌木层及草本层的丰富度指数、草本层的Simpson指数和Shannon-Wiener指数及均匀度指数均达到最大,分别为2.216,1.909,0.898,2.565,0.842。
　　 (3)林冠层水文影响。林内穿透雨量、树干茎流量均与林外降雨量呈极显著线性关系,而林内穿透雨率、树干茎流率与林外降雨量均呈极显著对数函数关系。在2011年5-10月的测定期间,林外降雨量为813.0mm,不同密度华北落叶松林的林内穿透雨量依次为800株/hm2(654.08mm)＞1800株/hm2(636.42mm)＞1000株/hm2(624.86mm)＞1200株/hm2(617.88mm)＞1500株/hm2(613.06mm)。林冠截留量与林外降雨量呈较好的对数函数关系,林冠截留率与林外降雨量呈较好的幂函数关系。不同密度林分的林冠截留量依次为1500株/hm2(197.51mm)＞1200株/hm2(192.89mm)＞1000株/hm2(185.77mm)＞1800株/hm2(173.92mm)＞800株/hm2(156.90mm)。林冠截留量表现出随密度增大先增大后减小的变化,而林冠穿透雨量正好相反,即随着密度增加呈现先减小后增大的趋势;这是因密度不是直接影响因素,而叶面积指数直接影响林冠穿透雨和截留,所以林冠截留量及穿透雨量的变化与各林分叶面积指数变化趋势一致;在林分密度为1.500株/hm2时,林冠的叶面积指数和林冠截留量均达到最大。
　　 (4)枯落物层水文效应。不同密度华北落叶松林分的枯落物层贮量变化在8.12～12.50t/hm2。林下枯落物的累积持水量与浸水时间的关系符合对数函数模型(S=α1nt+b),林下枯落物吸水速率与浸水时间的关系符合幂函数模型(V=αtb)。在不同密度林分中,枯落物吸水速率依次排序为1500＞1200＞1800＞1000＞800株/hm2。在同一密度林分中,浸水初期枯落物半分解层的吸水速率比未分解层的高。密度为1500株/hm2的林分,其枯落物的贮存量、持水量、吸水速率及有效拦蓄量均为最大。
　　 (5)根系层土壤水文效应。各密度林分的土壤容重均有随土层加深而增加的趋势,0-100cm土层的平均土壤容重随着林分密度增加呈现出先增大后减小的趋势,表现为1200株/hm(1.420g/cm3)＞1000株/hm2(1.176g/cm3)＞1800株/hm2(1.168g/cm3)＞800株/hm2(1.141g/cm3)＞1500株/hm2(1.111g/cm3)。各密度林分0-100cm土层的土壤总孔隙度、毛管孔隙度及最大持水量、毛管持水量均随土层加深而呈现递减趋势。当林分密度为1500株/hm2时,土壤的总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及平均持水量均达到最大。不同密度林分0-100cm土层的有效蓄水深变化在96.59～184.41mm,表现为1500＞1800＞800＞1000＞1200株/hm2。不同密度林分的有效土壤涵蓄降水性能不同,当密度为1500株/hm2时,土壤有效涵蓄降水深最大,为120.33mm,1800株/hm2最小,为62.79mm。
　　 (6)林分密度生态水文效应综合评价。在研究的相同立地和林龄条件下(25年生),当华北落叶松人工林密度为1500株/hm2时,其生态水文影响的密度综合评价结果最好,密度为1200株/hm2的次之,800株/hm2的最差。