1、华北土石山区人工林与天然林结构与功能研究2007 年 12 月,灌溉排水第 26 卷第 6 期JournalofIrrigationandDrainage.文章编号:16723317(2007)06 006306华北土石山区人工林与天然林结构与功能研究张永利,鲁绍伟.,杨峰伟(1.国家林业局科技司,北京 100714;2.北京林业大学 ,北京 100083)摘要:在调查北京八达岭林区天然林,人工林土壤理化性质 ,水源涵养能力,病虫害的基础上,研究其结构与功能关系.结果表明,天然林,混交林与人工纯林相比,明显改善土壤不同层次机械组成的异质性,空隙性能,提高土壤肥力,增加土壤的持水能力,增强对病虫
2、害的抵抗能力.在林分尺度上森林的理想结构可简单表述为复层,异龄,混交林结构,具有比较发达的灌木层和草本层,并且具有较高的生物多样性和生物生产力.这样的结构具有较高的稳定性,抗干扰性和活力,是健康森林群落的理想结构.在此基础上提出了森林健康经营调控的具体方法,以期对北京市森林健康经营具有一定的指导意义.关键词:人工林;天然林;结构;功能;健康经营中图分类号:$75 文献标志码:A由于粗放管理,林分结构不尽合理等历史原因,导致北京八达岭林区三分之二为纯林,部分森林的生长较差,生态系统不稳定,抵抗病虫害能力较低,严重影响林木的正常生长,使林分的水源涵养及其景观功能较差,生态系统结构与功能受到显着影响
3、.在当前首都森林覆盖率和森林特别是人工林面积持续提高,首都林业由“ 量的增加“ 到“质的改善“转变的重要阶段 L1,研究天然林与人工林结构与功能的关系,以此来揭示森林经营方式对森林土壤理化性质,抵抗病虫害,水源涵养功能的影响,阐述天然林与人工林的机理和生态过程,从而为北京市正在进行的森林健康经营提供理论依据和指导.1 试验地概况试验区位于北京延庆县东南部八达岭林区,总面积 2940hm.海拔高度为40012501TI.山地基岩以花岗岩为主,在西部石匣沟有石灰岩分布.年平均气温 1O.8,平均降水量 454mm.试验区从 2O 世纪 5O年代起实施封山育林与人工造林,到目前森林覆盖率已达 60.
4、7.该地区林分是华北地区山地森林的典型代表.试验区内的人工林有油松林,华北落叶松林,侧柏林,刺槐林,杨树林等,天然植被有黑桦林,五角枫表 l 林分概况收稿日期:20070921基金项目:北京市科委重大项目(D0706001000091);国家“十一五“科技攻关项目(2006BAD-03A11)作者简介:张永利(1963 一),男,高级工程师,博士,主要从事森林生态系统管理工作.63林,胡桃楸林,暴马丁香林等,山地阳坡有大面积的山杏,山桃,绣线菊,黄栌,胡枝子等灌丛,这些都是华北区暖温带落叶阔叶林及山地垂直带的代表类型,是北京地区森林垂直谱系分布比较完整和典型的地区之一.调查标准地为 6 块,每
5、块面积为 100mX100m,各标准地基本情况详见表 1.2 研究方法1)植被调查 .地标准调查内容有样地总面积,海拔,坡度,坡向,坡位,乔灌木样方面积,草本样方面积.植物多样性调查采用样方调查,其中乔木调查涉及乔木的种类,胸径,高,枝下高及冠幅;灌木调查涉及灌木的种类,地径,高,冠幅及数量;草本调查涉及草本植物的种类 ,高及盖度.2)土壤调查与分析.在每块标准地随机选取 3 个土壤剖面,进行土壤剖面调查分析,确定土壤发生层,按各层次记录土壤的基本情况(包括厚度,颜色,湿度,质地,结构,生物活动等).土壤物理,化学性质的分析方法按照中国科学院南京土壤研究所,森林土壤分析方法和森林生态系统定位研
6、究方法来进行.3)水源涵养功能试验.土壤物理性质及土壤含水量的测定,用土盒法和环刀法测量土壤容重,总孔隙度,非毛管孔隙度等物理性质和含水率.土壤人渗速率(K)测定采用双环法进行.4)昆虫调查与评价方法.选取样地中危害主要树种的一种昆虫进行采样,将采集来的昆虫带回室内进行分类鉴定,记录各样地昆虫种类和数量,测量昆虫的长度.对食叶性昆虫,刺吸性昆虫采用样枝法计算虫口密度;对蛀干害虫采用样树法计算虫口密度.目测样地内 10 株乔木或灌木,根据徐宏发(1998), 张执中(1997)所采用的方法来计算有虫株率2. 评价方法采用王玉华(2006)所采用虫口密度(M), 有虫株率(w),虫体长度 (L)3
7、 项因子来进行综合评价 4.观测与实验时间为 2004,2005,2006 年 510 月.3 结果与分析3.1 土壤养分分析土壤有机质的数量与质量变化是土壤肥力及环境质量状况的重要表现特征,是制约土壤理化性质的关键因素.研究结果(表 2)表明,6 种林分土壤有机质含量介于 35.4948.14g/kg 之间,最高的天然糠椴林达到 48.14g/kg.由于枯枝落叶层分解缓慢,有机质均在表层有明显积累 ,因此对025cm 的土层养分含量进行比较,其顺序为糠椴林杂木林华北落叶松林油松一元宝枫林油松林刺槐林.天然林经过长时间的封育,土壤营养物质明显好于人工林;油松一元宝枫林由于有着良好的结构 ,针阔
8、混交有利于土壤营养元素积累;华北落叶松有机质高的原因有可能因为所处的土壤母质有关 ,再者是由于华北落叶松长期未受到人为干扰,密度适中所致.土壤全氮反映土壤氮素总量,综合反映土壤氮素的丰缺程度.表 2 中 025cm 的土层养分全氮含量进行比较,其顺序为油松一元宝枫林糠椴林杂木林华北落叶松林 油松林刺槐林.其原因为:油松一元宝枫混交林针阔混交有利于营养物质的积累及其分解,其全氮量最高为 2.02g/kg.天然林全氮含量高达2.00g/kg,这是因为天然林较人工林更有利于土壤氮素的积累 ,天然林在自身不断的演替中,免受人为干扰,与土壤建立了较和谐的关系,利于土壤养分循环.天然次生杂木林处于演替初期
9、阶段,其全氮含量低于糠椴林,油松一元宝枫林,但高于其它林分.土壤水解性氮是指土壤中无机态氮和土壤有机质中分子组成简单的有机态氮,这部分氮素可以被植物直接吸收.研究表明,碱解氮含量的变化规律与土壤全氮含量基本一致,华北落叶松土壤水解性氮较高的原因是由于华北落叶松植物体对水解性氮具有较高的吸收能力.磷是植物生长的主要营养元素之一,土壤中 95 的磷是以迟效性状态存在而且不同磷形态其有效性不同.全磷含量高时并不意味着磷素供应充足,而全磷含量低于 0.81.0g/kg 时,土壤常出现磷供应不足.研究结果表明,6 种林分土壤全磷含量在 0.040.95g/kg 之间,土壤严重供磷不足,尤其是刺槐林,这主
10、要是受母质的影响(表 2).由表 2 还可以看出,不同林型土壤速效磷含量明显不同.华北落叶松,天然糠椴林有效磷含量最较高,其它林分速效磷含量普遍低于正常水平.钾是植物必需的营养元素之一,在植物生长和代谢中具有重要的作用.土壤中的钾是植物所需钾的主要来源.速效钾含量的高低是土壤供钾能力的标志.不同林型的全钾含量有明显的区别,其排序为:油松林 油松一元宝枫混交林刺槐林糠椴林杂木64林华北落叶松林.然而,土壤中又有效磷的排序为: 糠椴林油松一元宝枫林华北落叶松林杂木林油松林刺槐林,天然林及混交林速效钾高的原因与土壤凋落物中钾容易淋洗出来有关(表 2).表 26 种林分土壤理化性质依据北京市土肥站土壤
11、养分分级标准进行土壤养分等级评价 L5.八达岭地区人工林水解性氮,速效磷,有效钾,天然林中水解性氮,速效磷均属于低水平,表明该区人工林土壤肥力处于低水平.土壤磷和钾含量主要受母质中矿物成分影响,由于该区土壤发育在花岗岩母质上,所以磷和钾缺乏.为了促进八达岭地区森林可持续发展,需要通过合理配置树种,建立混交林,适当增施氮,磷肥等途径来提高该区“低氮 ,磷,钾“ 型人工林土壤肥力水平.通过以上分析,结果表明,人工林水解性氮,有效钾,有效磷,均属于低水平;各种养分在剖面中的含量具有明显的层次性,这反映了植被对土壤养分的“表聚效应“. 人工纯林与天然林,混交林相比土壤有机质,水解性氮,速效钾,速效磷等
12、有降低的趋势;天然杂木林属于隐域性植被 ,总体上土壤营养元素好于人工纯林;华北落叶松林由于人为干扰较少,密度适中,土壤所处的母质较好,所以土壤中各种营养元素的含量较高.3.2 林分病虫害分析统计有害昆虫的虫体长度平均值,虫口密度的平均值,数据见表 3.表 3 有害昆虫评价因子数据根据虫口密度(M),有虫株率(w),虫体长度(L)3 项因子进行综合评价,结果见表 4.从表 4 中可以看出达到 4 级较为严重的有刺槐样地的蚜科,华北落叶松样地的球蚜科;达到 3 级中等危害的有油松样地的粉虱科,杂木样地的蚜科;2 级轻微危害的有油松一元宝枫样地的小蠹科 ;1 级危害很轻的有糠椴号样地的粉65虱科.表
13、 4 有害昆虫危害等级综合评价样地林型昆虫种类妻募总分 cA,等级1 刺槐林2 油松林3 落叶松林4 杂木林5 元宝枫一油松混交林6 椴树林蚜科粉虱科球蚜科蚜科小蠹科粉虱科刺槐,华北落叶松林,油松林为人工纯林,林内结构单一,抵抗病虫害能力较差.刺槐是北京西部山区人工林中抗旱能力最弱的树种,同时土壤的含水量对刺槐的生长有着明显的影响,不能保证刺槐正常生理需要,所以上部枯死,树木生长受到严重影响,生长势衰弱,释放出某种吸引蚜科昆虫的化学物质,引起蚜科昆虫大量发生.油松林处于沟谷之内,地势平坦,土壤较湿润,能够保证油松正常水分需求.另外,调查时样地内的草本植物唐芥正在开花,吸引了一些胡蜂科和食蚜蝇科
14、昆虫.胡蜂科昆虫可捕食鳞翅目的幼虫;食蚜蝇幼虫多捕食蚜科昆虫,但其成虫产卵前必需取食花粉,花蜜,否则卵巢不能发育.油松林内开花的唐芥为其提供了必要的营养补充.保证了食蚜蝇在油松林内产卵,有效控制蚜科昆虫,因而油松抵抗病虫害能力略高于刺槐和华北落叶松林.杂木林由于处于演替初期阶段,抵抗病虫害能力低于天然椴糠林,油松一元宝枫混交林,但高于一般纯林.油松一元宝枫混交林由于林分内针,阔叶林昆交,增加了对病虫害的抵抗能力,因而受病虫害危害轻微.天然糠椴林是八达岭地区主要的天然林分,林内乔灌草结构合理,层次较多,物种多样性高,形成了和谐的森林结构.林内发现有粉虱科天敌瓢虫科昆虫.在粉虱科虫口密度较低的情况
15、下,瓢虫科昆虫能够较好地控制粉虱科昆虫的发生.3.3 水源涵养能力分析3.3.1 不同林地枯落物的持水能力枯枝落叶层是森林发挥良好水文效益的重要层次,它不仅具有拦蓄雨水,减少土壤表面水分蒸发耗损的作用,而且能够防止雨水直接溅击地表,增加地面粗糙度,促进地表径流变为地下径流.八达岭林场主要树种的枯落物干重,湿重及持水能力如表 5,表 6 所示.表 5 不同林分枯落物干重,湿重表表 6 不同林分枯落物最大持水量表66枯落物的干重受多种因子影响,如林龄,林分组成,林型,生长季节,气候状况,人为活动,枯落物的输入量,本身的厚度和性质等.由表 5 可知,6 种林分的枯落物厚度大小依次为天然椴糠林杂木林落
16、叶松林一油松林油松一元宝枫混交林刺槐林.然而,枯落物的干重大小依次为油松林落叶松林油松一元宝枫林天然椴糠林杂木林刺槐林.从这一结果可以看出,针叶林干重普遍大于阔叶林干重,针阔混交林干重大于阔叶林干重,刺槐林由于生长极差,病虫害严重,大量死亡,枯落物的厚度和干重明显较少.由表 6 可知:几种树种枯落物的最大持水量变动范围在 12.6031.20m./hm,相当于 1.33.1mm水深.天然糠椴林,杂木林,油松一元宝枫林的枯落物持水量较高,分别为31.20,24.80 和 23.48m./hm.刺槐,油松林枯落物持水量最低,分别为 12.60,14.O0m./hm.枯落物最大持水率变动范围在 16
17、1263.依次为:天然椴糠林 杂木林刺槐林油松一元宝枫混交林落叶松林油松林.一般来说,枯落物,扩落物层积累多,层次厚,分解快,分解较彻底,则具有孑 L 隙多,细,小,吸水面大的特点,因而表面张力大,其蓄水性能良好.由于阔叶树种林下的枯落物分解程度高于针叶树种,因此阔叶树种枯落物的持水能力普遍高于针叶树种.以上可以看出,天然林,阔叶林的持水能力普遍高于混交林和针叶林;而混交林下的枯落物持水量普遍高于针叶林.3.3.2 不同林分土壤水源涵养能力1)林地土壤的物理性质及持水性能由于不同土壤表层的枯落物组成及其分解等方面存在的差异,致使土壤物理化学性质的不同.土壤非毛管空隙度是主要反映土壤持水能力大小
18、的重要指标.6 种不同林分土壤物理性质和持水能力如表 7 所示.表 7 不同林地土壤的物理性质及其持水能力林地类型毛隙度/总孔隙度/刺槐林油松林元宝枫一油松混交林落口 t-松林杂木林天然糠椴林8.369.3O15.661O.9613.6616.3448.8744.O950.8771.2O67.7258.3O由表 7 可以看出,天然林,混交林土壤容重低于针叶,阔叶纯林,这是由于天然林和混交林具有较好的林分结构,对土壤具有较好的改良长期作用,杂木林由于处于演替初期阶段,从上面的土壤营养物质及其容重来说,略小于油松一元宝枫混交林.不同植被类型的土壤非毛管空隙度差异较大.天然林林下土壤的非毛管空隙度较
19、大,其次是混交林,杂木林,油松林,刺槐林下土壤非毛管空隙度较小.40cm 深土壤的平均持水能力的次序:天然糠椴林杂木林 油松一元宝枫混交林落叶松林油松林刺槐林.天然糠椴林及混交林林下的土壤持水力最强.2)林地土壤入渗特性林地土壤的入渗特性直接影响水分在土壤中的运动状况.表 8 为 6 种林分土壤入渗特性指标.表 8 不同林地土壤的入渗特征型刺槐林油松林油松一元宝枫混交林落叶松林杂木林天然糠椴林天然糠椴林,油松一元宝枫混交林的初渗率,稳渗率均高于其它林地,天然杂木林的土壤稳渗率大于纯林的土壤稳渗率.天然糠椴林,混交林的土壤非毛管孔隙量多,有利于土壤水分的快速下渗,土壤的渗透能力较强,而纯林的非毛管孔隙度小,地力较差,土壤的渗透性能较差.
