全 文 ：林业科学研究!"#$%!"&"$#$%% -# !"#$%&$%$(#)*
!!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$$倍"表 ,#) 草本层的耗水导致间伐林地表层土壤水分降低) 此 &% 第$ 期 朱!喜等$间伐对祁连山青海云杉人工林土壤水分的影响 外!光照条件也增加了表层土壤的蒸发损失量) 而 对深层土壤来说!由于间伐降低了林冠郁闭度!增加 穿透雨量*$ [$*+ !导致水分入渗深度增加) 另一方 面!间伐也减小了林分密度从而减少了林木的蒸腾 耗水) 因此!导致林木根系分布层 -# 90处的土壤 水分增加) 然而!未间伐人工林地表层$# 90处土
壤体积含水量明显高于间伐强度为 "#d的人工林)
其原因为未间伐的人工林林冠郁闭度较高!林下苔
藓盖度和生物量较高!而苔藓具有很强的吸水和保
水能力!并能在降水的间期!通过慢慢地向土壤中释
放水分!来维持湿润的环境!有效的调节了地表径流
和涵养了水源*"#+ ) 本研究中无间伐的人工林林下
苔藓盖度和生物量干质量分别为间伐人工林地的
"+% 和 %+" 倍"表 ,#) 苔藓层的保水导致未间伐林
地表层土壤水分增加)
理解根际土壤水分的变化对于预测植被生长变
化具有重要的意义*"$[""+ ) 如果土壤水分水平低于 物种特有的需水阈值!那么植被将会经历干旱水分 胁迫*",+ ) 本研究中!未间伐人工林由于密度过大深 层土壤体积含水量仅占到天然林的 %#d左右!深层 土壤可能出现了旱化现象) 若以青海云杉天然林地 土壤体积含水量作为参照!"#d的间伐强度可以将 青海云杉人工林地深层 -# 90和 &# 90处的土壤水 分提高$"d ""d) 马履一等*")+在抚育对北京山
区侧柏人工林土壤水分特性影响的研究中发现!抚
育间伐能增加林地持水性和供水性!且效果随抚育
强度的增加而有所增加) 贾芳等*"%+的研究也表明!
抚育间伐可以提高人工林土壤水源涵养功能!并且
强度和中度抚育效果差异显著) 因此!在人工林植
被恢复重建过程中!适当的进行人为抚育间伐可提
高林地土壤持水性和水源涵养功能!从而减缓林地
土壤水分旱化) 但是!由于本研究中没有设置不同
的间伐强度的对照试验!为了促进人工林的稳定和
可持续发展!今后应加强该区域不同间伐强度对林
地土壤水分影响的研究!从而确定出减缓甚至消除
该地区人工林林地土壤旱化现象的最佳间伐强度)
)!结论
间伐促进了祁连山青海云杉人工林林下植被的
生长同时也对林地土壤水分具有明显的影响) 间伐
后人工林林下植被的物种数和草本生物量显著高于
未间伐的人工林) 间伐强度为 "#d的人工林表层
土壤含水量相对较低!但深层土壤含水量明显高于
无间伐的人工林) 天然林除表层 $# 90外!其他各 层土壤水分均高于人工林) 间伐能够减缓人工林深层土壤水分的旱化) 密 度较大的青海云杉人工林!在 ,# 年左右可能会出现 深层土壤水分旱化的现象!如若采取间伐措施可以 减缓深层土壤旱化现象) 参考文献! *$+ \K:23
0:2KF6I<0<1K6I<0<7FK27 T1E:KF$#"*b"##&UN##-&"*+ *"+ 何其华!何永华!包维楷+干旱半干旱区山地土壤水分动态变化 *k++山地学报!"##,!"$""#$$)* [$%- +
*,+ D200:7KZJ!.I9;F?1"%(# <><9FK:7 MI1KKMI:VF;$ .7 1(
@:T<(17E @<3:VMI:67E 27F713:>.I2E /7T2I:70<7FK! "##&!"" )#$,$) [,"%+
*)+ 段!稢!马履一!贾黎明!等+抚育间伐对侧柏人工林及林下植被
生长的影响*k++生态学报!"#$#!,#"#-#$$),$ [$))$+
*%+ 徐金良!毛玉明!郑成忠!等+抚育间伐对杉木人工林生长及出材
量的影响*k++林业科学研究!"#$)!""$#$** [$#+
*-+ 孙洪刚!张建国!段爱国!等+杉木密度间伐试验林林分断面积生
长效应*k++林业科学研究!"#$#!","$#$- [$"+
*+ 杨新兵!张伟!张建华!等+生态抚育对华北落叶松幼龄林枯落物
和土壤水文效应的影响*k++水土保持学报!"#$#!") "$# $$$* [$""+ *&+ 盛炜彤+不同密度杉木人工林林下植被发育与演替的定位研究 *k++林业科学研究!"##$!$)"%#$)-, [)$+ **+ 刘!鹄!赵文智!何志斌!等+祁连山浅山区不同植被类型土壤水 分时间异质性*k++生态学报!"##&!"&"%#$",&* [",*)+ *$#+ 王金叶!田大伦!王彦辉!等+祁连山林草复合流域土壤水文效 应*k++水土保持学报!"##%!$*"#,#$$ )) [$)+ *$$+ 车克钧!傅辉恩!王金叶+祁连山水源林生态系统结构与功能的 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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9<7FI13G:I<1*k++k:6I713:>?:I$,*+ *$+ 王爱娟!章文波+林冠截留降雨研究综述*k++水土保持研究!
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林!业!科!学!研!究 第 "& 卷
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KF<0>3:V! F;I:6M;>1317E 27F3<1T:IF;Q5EI:3:M5U1FN*"#+ 吴玉环!程国栋!高!谦+苔藓植物的生态功能及在植被恢复与
重建中的作用*k++中国沙漠!"##,!",",#$* [$)+
*"$+ G6I9D .! D013//+D:230:2KF6I>36AV1F*k++U1F*""+ D<7F6I<(93201F<27FD92<79*",+ H27EI:F; .! BI<3<.! Z:It7 .D+H:7M(F@:(
I<13>:IB3:@13P;17M*")+ 马履一!翟明普!徐程扬!等+抚育对北京山区侧柏人工林土壤
水分特性的影响*k++西南林学院学报!"##%!"%")#$-) [-&+ *"%+ 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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%林业科技通讯&征订征稿启事
经国家新闻出版广电总局批准!"#$% 年0林业实用技术1刊名恢复为0林业科技通讯1) 更名后!在原来 的基础上!增加研究类及综述类论文篇幅) 该刊收录于0中国核心期刊"遴选#数据库1,0中文期刊全文数据 库1,0中文核心期刊要目总览1以及万方,维普,台湾华艺数据库) 从$**" 年至 "#$# 年为中文核心期刊) 入 选科技期刊方阵&双效期刊!荣获第三届梁希林业图书期刊奖) 该刊主要刊登树木育种!造林经营!森林经理!园林园艺!森林保护!生态与环境!珍稀植物与动物!森林 采运!木材加工!林产化学!非木制林产品!森林认证,森林价值评估,知识产权保护,林权改革,计算机应用等 方面的文章) 稿件形式$论文,简报,实验报告,综述等) 凡属国家,省级重点及各类基金项目论文及创新成
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