江西信豐森林健康示范區(qū)主要林分類型土壤水源涵養(yǎng)功能

余定坤，胡紹平，楊清培，曾明洪，陳建明，歐陽(yáng)勛志

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 省竹子種質(zhì)資源與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330045；2.信豐縣林業(yè)局，江西 信豐 341600）

森林健康是指森林不僅能保持自身良性存在和更新，而且能充分發(fā)揮其野生動(dòng)物保護(hù)、木材利用、休閑游憩和水源涵養(yǎng)等多種功能和效益［1－3］。自2002年6月起，中美森林健康合作項(xiàng)目正式啟動(dòng)，先后在江西省信豐縣、云南省麗江縣、貴州省麻江縣、陜西省佛坪縣、北京市八達(dá)嶺林場(chǎng)啟動(dòng)了5個(gè)試驗(yàn)區(qū)和山東泰山等4個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。至此，森林健康被正式引入到中國(guó)并進(jìn)行較大范圍的試驗(yàn)［4］。

土壤涵養(yǎng)水源功能主要表現(xiàn)在靜態(tài)持水能力與動(dòng)態(tài)滲透能力兩方面，它對(duì)降水分配過程、水分循環(huán)和土壤流失等過程作用明顯［5］，且與森林的樹種組成、林分結(jié)構(gòu)和經(jīng)營(yíng)方式密切相關(guān)，故不同森林水源涵養(yǎng)存在一定的差異［6－9］。江西省信豐縣森林健康項(xiàng)目示范區(qū)主要有常綠闊葉林、馬尾松（Pinus massoniana）林、毛竹（Phyllostachys pubescens）林、杉木（Cunninghamia lanceolata）林、濕地松（Pinus elliotii）林和火炬松（Pinus taeda）林6種主要林分類型。本文對(duì)這6種林分類型土壤水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行比較研究，為探索我國(guó)南方紅壤區(qū)森林生態(tài)功能和健康狀況評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

江西信豐森林健康項(xiàng)目示范區(qū)，設(shè)在大橋鎮(zhèn)（25°21′12.8″N，115°8′38.82″E）、萬(wàn)隆鄉(xiāng)（25°13′22.01″N，114°47′34.79″）兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，屬低效林改造及經(jīng)濟(jì)林建設(shè)森林健康類型區(qū)項(xiàng)目，重點(diǎn)以解決低效針葉純林改造為主要目標(biāo)。示范區(qū)內(nèi)地貌以低山丘陵為主，土壤為黃紅壤，氣候溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛，年平均氣溫17℃，年平均降水量1430 mm，年平均無(wú)霜期263d，地帶性植被為常綠闊葉林，但多被采伐利用。現(xiàn)主要森林類型有:經(jīng)封山育林形成次生常綠闊葉林，逆行演替形成馬尾松林和毛竹林，以及杉木、濕地松、火炬松等人工林［10］。

2 研究方法

2.1 樣地的設(shè)置與調(diào)查

根據(jù)示范區(qū)森林資源狀況，并綜合考慮各林分類型特點(diǎn)、培育現(xiàn)狀、立地條件、林齡、經(jīng)營(yíng)措施、受干擾程度等多個(gè)方面因素，選擇具有代表性林分進(jìn)行樣地調(diào)查［10］，樣地大小20m×30m，每種林型設(shè)2個(gè)重復(fù)（表1）。

表1 江西信豐森林健康項(xiàng)目示范區(qū)6種林分概況

2.2 土壤物理水文指標(biāo)測(cè)定

2010年10月，在各樣地內(nèi)隨機(jī)挖土壤剖面3個(gè)，用100cm3環(huán)刀分0—20cm（上層）、20—40cm（中層）、40—60cm（下層）取原狀土，帶回室內(nèi)測(cè)定土壤容重、土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、持水能力等物理—水文指標(biāo)；按“環(huán)刀法”測(cè)定土壤滲透性［11］。為了便于比較，將全部滲透系數(shù)按K10＝Kt／（0.07＋0.3t）轉(zhuǎn)換成10℃時(shí)的滲透系數(shù)［12］。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤容重和孔隙度特征

土壤容重與孔隙度是反映土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù)，都直接影響著土壤持水能力、通氣性能和滲透性能［13］。項(xiàng)目示范區(qū)6種主要林分各層土壤容重與孔隙度特征見圖1。

由圖1可知，6種林分土壤都是上層容重最小，其值在0.75～1.07g／cm3之間，且常綠闊葉林、馬尾松林、毛竹林、杉木林土壤容重隨土壤深度的增加而增大，各林分下層土壤密度為1.09～1.38g／cm3。全層（0—60cm）土壤平均容重變動(dòng)于0.99～1.28g／cm3，大小順序?yàn)?毛竹林＜杉木林＜濕地松林＜馬尾松林＜常綠闊葉林＜火炬松林。

就總孔隙度而言，除馬尾松林外，其他類型都是表層土壤最大，均超過了45.0%。全層土壤總孔隙均值為44.04%～50.37%，大小順序?yàn)?毛竹林＞杉木林＞常綠闊葉林＞火炬松林＞濕地松林＞馬尾松林。

圖1 6種主要林分各層土壤容重與孔隙度特征

土壤容重和孔隙度受枯落物特性、根系分布及人類活動(dòng)等因素影響［14］。毛竹林因具有龐大地下鞭根系統(tǒng)和人類的墾復(fù)或挖筍，其各層土壤的容重最小、孔隙度最高；而馬尾松林、火炬松林、濕地松林受割草拾柴或早年煉山等人為因素的影響，土壤孔隙度較低。

3.2 土壤持水能力

土壤持水能力可分為非毛管持水能力、毛管持水能力、最大持水能力。它們都是評(píng)價(jià)土壤涵養(yǎng)水源及調(diào)節(jié)水分循環(huán)的一個(gè)重要指標(biāo)［15－18］。江西信豐森林健康示范區(qū)6種主要林分土壤持水能力詳見表2。

表2 6種主要林分類型土壤持水能力比較

由表2可以看出，6種林分土壤平均非毛管持水能力為:毛竹林＞杉木林＞濕地松林＞常綠闊葉林＞馬尾松林＞火炬松林。毛竹林土壤（尤其是表層）顆粒排列疏松、非毛管孔隙度大，故其非毛管持水力最大。

毛管持水能力大小為:火炬松林＞常綠闊葉林＞杉木林＞馬尾松林＞濕地松林＞毛竹林。常綠闊葉林毛管持水能力較強(qiáng)，是因?yàn)槠涞蚵湮镆子诜纸?，土壤生物活?dòng)強(qiáng)度大，有利于改良土壤性質(zhì)［19］。

6種森林土壤最大持水能力依次為:毛竹林＞杉木林＞常綠闊葉林＞火炬松林＞濕地松林＞馬尾松林。毛竹林因土壤疏松、孔隙度大，其潛在持水能力最強(qiáng)，而馬尾松林因土壤緊實(shí)，孔隙度小的因而最弱。

3.3 土壤滲透特征

土壤滲透性也是森林水源涵養(yǎng)功能的另一個(gè)重要指標(biāo)，表現(xiàn)了土壤的動(dòng)態(tài)水文特性。6種林分各層土壤的滲透速率變化趨勢(shì)一致，即初期滲透速率較高，隨著時(shí)間的推移而逐漸下降，最后達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)。整個(gè)入滲過程可用Horton土壤入滲模型來模擬。

式中:i——t時(shí)刻的土壤入滲率；ic——土壤達(dá)到飽和狀態(tài)后的穩(wěn)定入滲率；i0——t＝0時(shí)刻的初始入滲率；k——與土壤性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。且模擬效果較好（R2≥0.650），結(jié)果詳見表3。

從不同林分看，毛竹林土壤各層滲透速率都較大，其上、中、下層初滲速率分別為3.773，2.927，4.008mm／min，穩(wěn)滲速率分別也為1.525，1.157，1.709mm／min；火炬松相對(duì)較小，其初滲速率依次為0.163，0.390 和 1.637mm／min，穩(wěn)滲速率只有0.112，0.206，0.930mm／min。各林分土壤滲透性好壞依次為:毛竹林＞杉木林＞濕地松林＞馬尾松林＞闊葉林＞火炬松林。

從不同層次看，除常綠闊葉林外，其他林分都是下層土壤的初滲速率和穩(wěn)滲速率最大，中層或上層較小，說明人畜踩踏會(huì)增加緊實(shí)度，減少滲透率，但中下層土壤石礫增加會(huì)增加土壤滲透率。

表3 6種林分土壤水分入滲過程擬合參數(shù)及效果

3.4 不同森林土壤水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)

選取初滲系數(shù)（X1）、穩(wěn)滲系數(shù)（X2）、非毛管持水量（X3）、總持水量（X4）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)6種林分土壤水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行主成分分析（表4）。由表4可知，第一主成分F1的方差累積貢獻(xiàn)率高達(dá)89.3%，且特征值3.57（＞1），信息損失量很少，用主成分F1來表征4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)是合理的。第一主成分F1＝0.925 X1＋0.979 X2＋0.991 X3＋0.688 X4，在所有變量上的正載荷大致相等，F(xiàn)1可以解釋為對(duì)土壤綜合水源涵養(yǎng)功能的量度（即水源涵養(yǎng)功能綜合值）。依據(jù)主成分F1得分大小，各林分土壤綜合水源涵養(yǎng)功能強(qiáng)弱依次為:毛竹林＞杉木林＞濕地松林＞常綠闊葉林＞馬尾松林＞火炬松林。

表4 6種林分森林土壤水源涵養(yǎng)功能主成分分析

4 結(jié)論與討論

森林土壤對(duì)水分的調(diào)節(jié)能力主要表現(xiàn)在靜態(tài)持水能力與動(dòng)態(tài)滲透能力兩方面，它們都與土壤孔隙度高低、孔隙大小及分布情況有關(guān)。一般而言，土壤容重越小，孔隙度愈高，其持水能力、透水性愈強(qiáng)［11］。

江西信豐森林健康示范區(qū)6種林分表層土壤容重為0.75～1.07g／cm3，下層為1.19～1.38g／cm3，隨深度增加而增大的趨勢(shì)，全層平均容重為0.99～1.28g／cm3，且毛竹林＜杉木林＜濕地松林＜馬尾松林＜常綠闊葉林＜火炬松林。6種林分土壤非毛管孔隙平均為5.00%～15.93%，毛管孔隙為34.44%～41.13%，總孔隙度平均為44.04%～0.37%，依次為:毛竹林＞杉木林＞常綠闊葉林＞火炬松林＞濕地松林＞馬尾松林。最大持水能力平均為2642 .63～3022 .07t／hm2，順序?yàn)?毛竹林＞杉木林＞常綠闊葉林＞火炬松林＞濕地松林＞馬尾松林。

6種林分各層土壤滲透速率的變化趨勢(shì)一致，在初期滲透速率較高，隨著時(shí)間的推移而下降，最后達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)，而且整個(gè)入滲過程用Horton土壤入滲模型模擬效果較好。毛竹林土壤初滲速率分別為3.773，2.927，4.008mm／min，穩(wěn)滲速率分別為1.525，1.157，1.709mm／min；火炬松相對(duì)較小，其初滲速率依次為0.163，0.390，1.637mm／min，穩(wěn)滲速率只有0.112，0.206，0.950mm／min。各林分土壤滲透性好壞依次為:毛竹林＞杉木林＞濕地松林＞馬尾松林＞常綠闊葉林＞火炬松林。

最后，通過主成分分析法綜合評(píng)價(jià)，毛竹林水源涵養(yǎng)功能最強(qiáng)，馬尾松林最弱。可見，毛竹林因龐大的地下鞭根系統(tǒng)［20］和人類經(jīng)常性墾復(fù)或挖筍，有利于土壤結(jié)構(gòu)、增加孔隙度和滲透性，從而增強(qiáng)其水源涵養(yǎng)功能。另外，應(yīng)該減少人畜對(duì)火炬松林、馬尾松林等林地的踩踏，以保持其土壤水源涵養(yǎng)功能。

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