全 文 ：林业科学研究!"#$%!"&"$#$%% -#
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!!文章编号!$##$($)*&""#$%##$(##%%(#-
间伐对祁连山青海云杉人工林
土壤水分的影响
朱!喜$!"! 何志斌$!! 杜!军$!"! 杨军军$!"! 陈龙飞$!"
"$+中国科学院寒区旱区环境与工程研究所!中国生态系统研究网络临泽内陆河流域研究站!中国科学院内陆河流域生态
水文重点实验室!甘肃 兰州!,####% "+中国科学院大学!北京!$###)*#
收稿日期$ "#$)(#%("#
基金项目$ 国家自然科学基金面上项目&祁连山中段人工植被恢复的生态水文机理研究"编号$)$"$%")#%甘肃省杰出青年科学基金
"编号$$"$#Nk^.#$%#%中科院&百人计划项目&祁连山区森林水文过程及其对气候变化的响应"编号$"*a$" $^$#资助)
作者简介$ 朱!喜"$**#(#!甘肃临泽人!硕士研究生!主要从事森林生态水文学研究) /(0123$S;6A2$#$83S@+19+97
!
通讯作者$研究员!博士生导师!主要从事生态水文研究) /(0123$;S@012383S@+19+97
摘要!利用/Z%# 土壤水分监测仪!在样地尺度上!测定了祁连山青海云杉天然林,无间伐和间伐强度为 "#d的人工
林地生长季节的土壤水分!对比分析间伐对人工林土壤水分的影响) 结果表明$未间伐人工林林地表层"$# 90#土
壤含水量显著高于间伐强度为 "#d的人工林和天然林!间伐导致了人工林林地表层土壤水分下降%而对于深层土
壤含水量而言!间伐措施又显著提高了深层 -# 90处的土壤含水量) 与天然林地土壤含水量相比!无间伐人工林深
层 -# 90和 &# 90处的土壤体积含水量仅为天然林的 )*+d和 %"+$d!深层土壤已经出现旱化现象!间伐措施能够
减缓这种旱化现象)
关键词!祁连山% 青海云杉人工林% 土壤水分% 间伐
中图分类号!D$) 文献标识码!.
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林!业!科!学!研!究 第 "& 卷
土壤水分是土壤水文过程"如地表水地下水相
互作用和蒸散#,物理和生物化学过程中的一个关键
环节*$+ !也是土壤系统养分循环和流动的载体) 它
不但直接影响着土壤特性和植物生长!而且间接地
影响植物分布和在一定程度上影响小气候的变
化*"+ ) 土壤水分是影响干旱区山地植被恢复与重建
的首要因素*,+ !如人工林的稳定性主要受到土壤水
分的限制) 间伐对人工林生长及其木材质量具有重
要的影响*) [%+ !进而会影响林下植被生长和林地土
壤水分状况*- [&+ ) 因此!研究间伐对林地土壤水分
的改良和人工林稳定性的保持对干旱区山地植被恢
复和重建具有重要的意义)
祁连山是我国西北干旱区山地生态系统的典型
代表!也是主要内陆河的发源地!对维护区域生态安
全及可持续发展具有重要的意义) 近年来!国家针
对祁连山生态问题!专门投入大量资金进行封山育
林,退耕还林"还草#!山区人工林面积有了大幅度
的增加) 但是由于人工林在演替进程中出现密度过
大,林冠郁闭度高,土壤水分旱化等现象!导致人工
林稳定性差) 如何通过相应的管理措施改善人工林
地土壤水分状况!提高人工林稳定性是该区域生态
恢复的主要目的之一) 目前!针对祁连山土壤水分
的研究主要集中在土壤水分时间异质性**+ ,土壤水
文效应*$# [$$+ ,水土保持和水文调节功能*$"+等方面)
闫文德等*$,+对祁连山排露沟流域土壤水分时空分
布研究表明$降水影响生长季节土壤表层水分的变
化!同时森林植被生长影响根系层土壤水分的变化!
而土壤水分垂直分布随深度的变化而变化!但是不
同土壤类型间有一定的差异性) 党宏忠等*$)+对祁
连山青海云杉林地土壤水分含量及主要影响因子的
研究发现青海云杉林地土壤具有密度低,入渗率高,
土壤水分含量垂向分布受降水影响明显等特征) 这
些研究为认识干旱区山地不同植被土壤水分动态变
化规律和空间异质性等提供了基础!但对人工林的
土壤水分动态以及间伐改善土壤水分状况的程度与
深度范围等问题仍不清楚) 因此!本研究以青海云
杉人工林为研究对象!通过定位监测天然林,无间伐
和间伐强度为 "#d的人工林地土壤体积含水量的
变化并结合林下植被状况,土壤性质对土壤水分的
影响!旨在阐明间伐对青海云杉人工林地土壤水分
的影响!为评价青海云杉人工林的稳定性及抚育管
理提供基础数据和理论依据)
$!研究地区与研究方法
9+9:研究区概况
样地设在祁连山西水自然保护区内",&o,"+%*i
]%$##o$%+"i/#!海拔 " , " &)) 0) $ 月平均
气温为[$" f!
%
$# f积温 $ -,$+# f!无霜期平
均为 $-% E!年降水量 ,# )## 00!年蒸发量 $ %-*
$ && 00!年平均日照时数 " -## ;左右) 土壤母
质为钙质岩!土层相对较薄!土壤质地较为粗糙!主
要土壤类型有山地栗钙土,山地灰褐土等%永久冻土
和季节性冻土广泛分布于中高海拔地区!最大冻土
深度为 "%# 90%有机质含量 +#d $"+#d!WQ值
&
*$%+
)
选择平均年龄为 "* 年未间伐 "样地编号为
]J`#,"% 年间伐强度为 "#d"样地编号为 J`#的青
海云杉人工林和平均林龄为 )& 年"样地编号为]?#
的青海云杉天然林) 于 "#$, 年 & 月中旬进行样地
调查!在每一种林地上设置 , 个 "# 0q"# 0样方调
查林分密度,胸径,树高,叶面积指数等!每个样方内
挖 , 个 &# 90深的土壤剖面!按照仪器探头埋设位
置分别在 % $#,$% "#,,% )#,%% -# 和 %
&# 90处用环刀采集土壤样品测量其土壤密度) 再
在每一个样方内随机设置 % 个 $ 0q$ 0的草本样
方!共计 )% 个样方!分别记录林下植被的地上生物
量"苔藓和草本分开收获#,苔藓高度,苔藓盖度和
草本的种类) 各样地基本情况见表 $) 本研究中!
"% 年人工林"J`#于 "##- 年春季进行 "#d的间伐!
间伐前林分密度和郁闭度与 "* 年人工林大体一致)
间伐原则为主要针对低矮的小树!林木相对密集的
地方进行稀疏) 因此!尽管有 "#d林木被伐掉!但
林木郁闭度仅下降 $#d左右) 各林地土壤密度见
表 ") J` 表层 % $# 90处的土壤密度大于 ]J`!
除了间伐后 年林地自身土壤性质的变化外!可能
还与当时间伐对林地的践踏有关) 林下草本主要包
括甘肃棘豆"JY^&#"G2%*(6%?$6%2%LM<+#,披针苔草
"D(#$Y1(6)$"1(&( L::F+#,珠芽蓼"H"1^A"6?@_2_2G(0
#?@H277+#,藓生马先蒿"H$F2)?1(#2%@?%)2)"1( Z1A(
20+#,西藏早熟禾 "H"( &27$&2)( Z67I:#,唐松草
"K*(12)&#?6 #"7?%&?@Z1A20+#,黑穗苔"D(#$Y(&#(&(
H+#等)
9+;:研究方法
$+"+$!监测剖面地点的选择!首先选择具有代表
-%
第 $ 期 朱!喜等$间伐对祁连山青海云杉人工林土壤水分的影响
性,立地条件基本一致的林地!然后采用土钻随机取
样!用烘干法测定土壤水分) 在确定其空间差异 m
$#d的情况下!最后在林地中间选择一个监测点!并
且确保该点与周围树干的距离保持一致)
表 9:青海云杉林地基本情况
样地编号 经纬度 坡度 坡向 林冠郁闭度 平均林龄b1 海拔b0 林分密度b"株-;0["#
]J` ,&o,"+%&i]%$##o$%+"#i/ $$+- ,))+& #+&% "* " & ) )%&
J` ,&o,"+)i]%$##o$%+,%i/ $#+ ,,-+, #+- "% " &,& , %-%
]? ,&o%%+$#i]%$##o"*+,"i/ $+* ,,&+% #+-& )& " &## $ -%"
!!注$]J`$"* 年人工林"无间伐#%J`$"% 年人工林"间伐强度为 "#d#%]?$平均林龄为 )& 年的天然林%下同)
表 ;:青海云杉林地各层土壤密度
样地
编号
各层密度b"M-90[,#
% $# 90 $% "# 90,% )# 90%% -# 90% &# 90
]J` #+- #+& #+*% #+*- #+*#
J` #+&" #+&$ #+*" #+*% $+#"
]? #+%$ #+-" #+-* #+$ #+)
$+"+"!数据采集与校准!利用 /Z%# 土壤水分监
测仪!测定了青海云杉人工林和天然林地生长季节
$#,"#,)#,-# 和 &# 90处的土壤体积含水量) 具体
操作过程为$在确保青海云杉天然林和人工林地坡
度,坡向,海拔等立地因子一致的前提下!在所选的
监测点位置挖一个土壤剖面!将 % 个土壤水分监测
探头分别埋在 $#,"#,)#,-# 和 &# 90土层处!采集
数据时间间隔设置为 ,# 027) 待仪器稳定后!/Z%#
监测土壤水分的同时!定期"每月 $ 次#拿土钻在距
离埋设仪器 " 0左右的两侧采集土壤样品通过烘干
法测定其含水量!用于对仪器进行校准) 数据采集
时间为 "#$, 年 - 月 "& 日("#$, 年 $# 月 $% 日)
$+"+,!土层蓄水厚度的计算
I
*
ZI
L
-9
!! I
*
$土壤蓄水厚度"00#! I
L
$体积含水量"d#!
9$土层厚度"00#
9+<:数据处理
用/A9<3"## 和YI2M27 &+% 软件对数据进行处
理和绘图!采用 D D`D $*+# 进行数据分析) 利用单
因素方差分析和最小显著差异法比较不同数据组间
的差异)
"!结果与分析
;+9:不同林地林下植被的组成特征
表 , 反映了各林地林下植被的基本状况) 间伐
增加了林下光照条件!有利于林下植被物种数和草
本生物量的增加) 间伐强度为 "#d的人工林"J` #
林下植被物种数显著高于未间伐人工林"]J` #!但
是其苔藓高度和盖度却显著降低%各林地林下植被
总生物量大小为$]?n]J` nJ` ! J` 苔藓生物量干
质量仅为]J` 的 "#d!但是草本生物量干质量却为
]J` 的 $$ 倍) 各林地土壤密度见表 " !随着土层深
度增加! J` 和]J` 的土壤密度逐渐增加!但是两者
之间差异不显著) 天然林"]?#由于其土壤结构和
通气性能较好!各层土壤密度均低于人工林)
表 <:各样地苔藓和草本的平均生物量" z标准差#
样地编号 林下物种数 苔藓高度b90 苔藓盖度bd
生物量鲜质量b"M-0["#
苔藓 草本
生物量干质量b"M-0["#
苔藓 草本
]J` )+* z,+" %+, z"+") &) z$* $ ,*# z$ #) $$ z$& -$) z,%) "+% z)+%
J` &+) z$+ "+% z$+&% ,, z" $-) z",% &% z $$& z$, "& z"
]? *+- z"+, *+% z$+& -# z$# , %"# z-%- %# z"$ *)# z$*" $%+& z$,
;+;:土壤水分动态变化规律
"#$, 年土壤水分观测期间"- 月 "&(* 月 ,#
日#!共降水 )% 次!总降水量为 "%+$ 00) 其中!
m% 00的降水次数为 "% 次!降水量为 )*+- 00!分
别占总降水次数和降水量的 %%+-d和 $*+,d%%
$% 00降水次数为 $ 次!占总降水量的 %-+d!
n$% 00的降水仅 , 次!但是占总降水量的 ")d)
图 $ 为天然林和人工林各层土壤体积含水量的动态
变化) 无间伐人工林"]J` #$# 90处土壤体积含水
量显著高于天然林"]?#!但其它各层土壤体积含水
量均小于天然林地) 对于 -# 90和 &# 90处的平均
土壤体积含水量来说!天然林显著高于人工林!在
"#$, 年生长季"- 月 "& 日(* 月 ,# 日#天然林 -#
90和 &# 90处的平均土壤体积含水量分别为 #+$-%
z#+#$- 90
,
-90
[,和 #+$ z#+#$" 90,-90[,%在
此期间无间伐的人工林"]J` #-# 90和 &# 90处的
%
林!业!科!学!研!究 第 "& 卷
平均土壤体积含水量分别为 #+#&" z#+##, 90,-
90
[,和 #+#*" z#+##" 90,-90[,!分别为天然林的
)*+d和 %"+$d) 但是间伐强度为 "#d的人工林
"J`#-# 90和 &# 90处的平均土壤体积含水量分别
为 #+$$* z#+#$# 90,-90[,和 #+$$, z#+##, 90,-
90
[,
!是天然林的 "+$d和 -)+*d)
由于该地区林木根系层主要分布于 -# 90左
右!因此以 )# 90为界将土层分为林木的非主根系
层"# )# 90#和主根系层")# &# 90#) 图 " 为
生长季各林地林木非主根系层"# )# 90#和主根
系层")# &# 90#土壤蓄水厚度的变化) 林木非主
根系层"# )# 90#由于受降水的影响较大!因而土
壤蓄水厚度的波动较大%]J`,J`,]?三块林地整个
生长季节林木非主根系层"# )# 90#平均蓄水厚
度分别为 %,+& 00,%,+" 00和 -)+$ 00!其中!
]J`,J` 之间差异不显著!但与 ]?差异显著) 林木
主根系层")# &# 90#!土壤蓄水厚度大小情况为$
]?nJ` n]J`!并且三者差异达到显著水平"Hm
#e#%#%间伐强度为 "#d的人工林"J`#整个生长季
林木主根系层")# &# 90#的平均蓄水厚度为未间
伐人工林"]J`#的约 $+, 倍!是天然林的 --d)
图 $!生长季天然林和人工林土壤水分动态变化
图 , 反映了不同林地生长季土壤水分垂直变
化情况) , 块林地 $# 90处的土壤体积含水量情况
为$]?mJ` m]J`%"# &# 90处的土壤体积含水量
的大小情况为$]?nJ` n]J`) "# 90和 -# 90处土
壤体积含水量]?,J` 和]J` 差异显著"Hm#+#%#%
)# 90和 &# 90处土壤体积含水量]?和 J`,]J` 之
图 "!生长季各林地林木非主根系层"# )# 90#和
主根系层")# &# 90#土壤蓄水厚度的变化
间差异显著!但是 J` 和 ]J` 差异不显著) 在垂直
剖面上!]J`,J` 土壤体积含水量呈递减的趋势) 但
是]?表层 $# 90处土壤体积含水量最低!"# 90处
最高!而其它各层没有显著差异)
图 ,!生长季各林地土壤体积含水量的垂直变化
,!讨论
间伐对祁连山青海云杉人工林地土壤水分有明
显的影响) 间伐强度为 "#d的林地表层 $# 90处土
壤体积含水量相对较低!而深层土壤体积含水量却
高于未间伐的人工林) 其主要原因是间伐降低了林
冠郁闭度!增加了森林地面光照条件!有利于下层植
被的生长*$-+ ) 本研究表明间伐强度为 "#d的林地
林下草本层生物量是未间伐林地的 $$ 倍"表 ,#)
草本层的耗水导致间伐林地表层土壤水分降低) 此
&%
第 $ 期 朱!喜等$间伐对祁连山青海云杉人工林土壤水分的影响
外!光照条件也增加了表层土壤的蒸发损失量) 而
对深层土壤来说!由于间伐降低了林冠郁闭度!增加
穿透雨量*$ [$*+ !导致水分入渗深度增加) 另一方
面!间伐也减小了林分密度从而减少了林木的蒸腾
耗水) 因此!导致林木根系分布层 -# 90处的土壤
水分增加) 然而!未间伐人工林地表层 $# 90处土
壤体积含水量明显高于间伐强度为 "#d的人工林)
其原因为未间伐的人工林林冠郁闭度较高!林下苔
藓盖度和生物量较高!而苔藓具有很强的吸水和保
水能力!并能在降水的间期!通过慢慢地向土壤中释
放水分!来维持湿润的环境!有效的调节了地表径流
和涵养了水源*"#+ ) 本研究中无间伐的人工林林下
苔藓盖度和生物量干质量分别为间伐人工林地的
"+% 和 %+" 倍"表 ,#) 苔藓层的保水导致未间伐林
地表层土壤水分增加)
理解根际土壤水分的变化对于预测植被生长变
化具有重要的意义*"$ [""+ ) 如果土壤水分水平低于
物种特有的需水阈值!那么植被将会经历干旱水分
胁迫*",+ ) 本研究中!未间伐人工林由于密度过大深
层土壤体积含水量仅占到天然林的 %#d左右!深层
土壤可能出现了旱化现象) 若以青海云杉天然林地
土壤体积含水量作为参照!"#d的间伐强度可以将
青海云杉人工林地深层 -# 90和 &# 90处的土壤水
分提高 $"d ""d) 马履一等*")+在抚育对北京山
区侧柏人工林土壤水分特性影响的研究中发现!抚
育间伐能增加林地持水性和供水性!且效果随抚育
强度的增加而有所增加) 贾芳等*"%+的研究也表明!
抚育间伐可以提高人工林土壤水源涵养功能!并且
强度和中度抚育效果差异显著) 因此!在人工林植
被恢复重建过程中!适当的进行人为抚育间伐可提
高林地土壤持水性和水源涵养功能!从而减缓林地
土壤水分旱化) 但是!由于本研究中没有设置不同
的间伐强度的对照试验!为了促进人工林的稳定和
可持续发展!今后应加强该区域不同间伐强度对林
地土壤水分影响的研究!从而确定出减缓甚至消除
该地区人工林林地土壤旱化现象的最佳间伐强度)
)!结论
间伐促进了祁连山青海云杉人工林林下植被的
生长同时也对林地土壤水分具有明显的影响) 间伐
后人工林林下植被的物种数和草本生物量显著高于
未间伐的人工林) 间伐强度为 "#d的人工林表层
土壤含水量相对较低!但深层土壤含水量明显高于
无间伐的人工林) 天然林除表层 $# 90外!其他各
层土壤水分均高于人工林)
间伐能够减缓人工林深层土壤水分的旱化) 密
度较大的青海云杉人工林!在 ,# 年左右可能会出现
深层土壤水分旱化的现象!如若采取间伐措施可以
减缓深层土壤旱化现象)
参考文献!
*$+ \
0:2KF6I<0<1K6I<0<7FK27 T1E:K
*"+ 何其华!何永华!包维楷+干旱半干旱区山地土壤水分动态变化
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生长的影响*k++生态学报!"#$#!,#"#-#$$),$ [$))$+
*%+ 徐金良!毛玉明!郑成忠!等+抚育间伐对杉木人工林生长及出材
量的影响*k++林业科学研究!"#$)!""$#$** [$#+
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和土壤水文效应的影响*k++水土保持学报!"#$#!") "$#$$$*
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**+ 刘!鹄!赵文智!何志斌!等+祁连山浅山区不同植被类型土壤水
分时间异质性*k++生态学报!"##&!"&"%#$",&* [",*)+
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研究*k++林业科学!$**&!,)"%#$,$ [,*+
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上水源涵养林为例*Z++北京!科学出版社!"##&+
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分布*k++西北林学院学报!"##-!"$",#$"$ ["%+
*$)+ 党宏忠!赵雨森!陈祥伟!等+祁连山青海云杉林地土壤水分特
征研究*k++应用生态学报!"##)!$%"#$$$)& [$$%" +
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*$*+ 1`I4 Q! Q1F:I2D! G17MQY+D<1K:71317E 27F
KF<0>3:V! F;I:6M;>1317E 27F
重建中的作用*k++中国沙漠!"##,!",",#$* [$)+
*"$+ G6I9D .! D013//+D:230:2KF6I
I<13>:I
水分特性的影响*k++西南林学院学报!"##%!"%")#$-) [-&+
*"%+ 贾!芳!贾忠奎!马履一!等+抚育间伐对北京山区油松幼龄人
工林水源涵养功能的影响*k++水土保持学报!"##*!", "-#$
",% [",*+
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