坡向、坡位對杉木馬尾松混交林水源涵養(yǎng)功能的影響

張昌桂

(福建省連城縣營上國有林場，福建 連城366210)

杉木(Cunninghamia lancceolata)和馬尾松(Pinus massoniana)是我國南方最重要的兩種用材樹種，對南方山地人工林森林生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)成及森林生態(tài)效益的發(fā)揮具有重要的作用［1，2］。由于長期不合理的經(jīng)營，我國南方杉木連作經(jīng)營所引起的生產(chǎn)力下降、地力衰退、水土流失等問題日益突出［3］。如何維護杉木人工林林地生產(chǎn)力，提高其生態(tài)效益，成為我國南方林業(yè)工作者需解決的難題。

水源涵養(yǎng)能力是森林生態(tài)效益的一項重要指標(biāo)，杉木人工林水源涵養(yǎng)能力的高低，直接關(guān)系到南方林分水土保持能力及林地的可持續(xù)經(jīng)營［4，5］。近年，學(xué)者們主要研究不同林分類型、撫育措施、林齡及立地條件對人工林水源涵養(yǎng)功能的影響，而不同地形因子對杉木馬尾松混交林林分水源涵養(yǎng)能力的研究較少［6-9］。鑒于此，本文以4年生杉木馬尾松混交林幼林為研究對象，分析不同坡位及坡向?qū)ζ淞止趯?、灌木層、草本層、凋落物層以及土壤層水源涵養(yǎng)能力的影響，以期為提高杉木人工林的生態(tài)效益提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于福建省連城縣塘前鄉(xiāng)羅地村長嶺8 林班6 大班1 小班，隸屬戴云山中山帶長坡下部，116°52＇20″E，25°47＇30″N，海拔約560 -700 m。該地年均氣溫13.8 -19.5 ℃，最高氣溫38 ℃，最低氣溫-4 ℃，年平均雨量1700 mm，年平均日照時數(shù)1760 h，年平均相對濕度78%，全年無霜期約291 d。林地土壤為紅壤，呈微酸性，土層深厚、疏松、肥沃，排水良好。

杉木馬尾松混交林為2009年營造的林分，初始造林密度為1800 株·hm-2，坡度18 -20°，前茬為杉木皆伐跡地。造林方式為植苗造林，造林后第1年采取全鏟撫育，擴穴通帶;第2年全鏟撫育;第3、4年全劈撫育。林分灌木主要有黃瑞木(Cornus stolonifera)、鹽膚木(Rhus chinensis)、山蒼子(Litsea cubeba)、楓香(Liquidambar formosana)及山烏桕(Sapium discolor)等;林下草本主要有白茅(Imperata cylindrica)、淡竹葉(Lophatherum gracile)、鐵芒萁(Dicranopteris dichotoma)、地稔(Melastoma dodecandrum)及高粱泡(Rubus lambertianus)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置及樣品收集 2013年5月，全面踏查杉木馬尾松混交林，不同坡向(東坡、西坡)、坡位(上坡、中坡及下坡)各設(shè)置3 個20 cm×30 cm 樣地，共18 個樣地，并測定樣地坡度、海拔及土壤理化性質(zhì)等基本指標(biāo)。采取每木調(diào)查，分別測量各樣地杉木馬尾松胸徑及樹高，并依此計算林分蓄積量(表1)。確定每一樣地平均木2 株(杉木與馬尾松各1 株)，伐倒后分別測量其鮮枝葉重，并取部分鮮枝葉帶回室內(nèi)測定持水量。在每塊樣地內(nèi)設(shè)置4 個2 m×2 m 小樣方用于收集林下灌木，同時設(shè)置4 個1 m×1 m 小樣方用于收集林下草本層植物樣品及凋落物樣品;稱量每一樣方樣品鮮重后，取部分樣品帶回室內(nèi)測定持水量。在每塊樣地中部挖取土壤剖面3 個，用土壤環(huán)刀分別取各土壤剖面0 - 20 cm、20 - 40 cm 及40 -60 cm土壤，每土層設(shè)3 個重復(fù)，帶回室內(nèi)測定土壤持水量。

表1 不同坡向、坡位杉木馬尾松混交林生長概況Table 1 Growth of young C.lanceolata and P.massoniana mixed forest in different aspect and slope position

1.2.2 水源涵養(yǎng)能力測定 將林冠層、灌木層、草本層及凋落物層鮮樣品置于紗袋中浸水24 h，取出靜置至無重力滴水后立即稱重(W1)，然后將樣品放置于烘箱中以80 ℃烘干至恒重(W2)，樣品最大持水量=W1-W2。將環(huán)刀置于水中吸水12 h 后稱重，去蓋后放置于干燥的沙中，2、48 h 后分別稱重，取土樣放于烘箱中以105 ℃烘干至恒重，計算土壤最大蓄水量及土壤有效蓄水量［6，10］。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 分析處理，并通過DPS 7.05 對結(jié)果進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同坡向、坡位杉木馬尾松混交林林冠層枝葉水源涵養(yǎng)功能差異

不同坡向、坡位對杉木馬尾松混交林林冠層枝葉水源涵養(yǎng)能力影響不同(表2)。由表2 可知，林冠層枝葉生物量及最大持水量在同一坡位不同坡向均為東坡＞西坡，其中東坡位上坡、中坡及下坡林冠層枝葉生物量分別比西坡提高了21.82%、36.06%和33.12%，最大持水量分別比西坡提高了22.77%、22.39%和33.81%。同一坡向不同坡位林冠層枝葉生物量及最大持水量隨著坡位下降均呈上升趨勢。東坡位杉木上坡、中坡及下坡林冠層枝葉生物量分別比西坡提高了0.38%、23.95%和16.54%，最大持水量分別比西坡提高了3.31%、6.00%和22.39%;馬尾松上坡、中坡及下坡林冠層枝葉生物量分別比西坡提高了41.65%、45.77%和47.75%，最大持水量分別比西坡提高了39.68%、37.66%和44.23%。

表2 不同坡向、坡位杉木馬尾松混交林林冠層枝葉生物量和最大持水量1)Table 2 Biomass and maximum water holding capacity of canopy layer of young C.lanceolata and P.massoniana mixed forest in different aspect and slope position t·hm -2

方差分析表明，不同坡位及坡向?qū)ι寄抉R尾松混交林林冠層枝葉水源涵養(yǎng)能力的影響具有一定差異。上坡位不同坡向間混交林林冠層枝葉生物量及最大持水量、杉木及馬尾松林冠層枝葉生物量及最大持水量差異均不顯著;而中坡位和下坡位不同坡向間混交林林冠層枝葉生物量及最大持水量、杉木及馬尾松林冠層枝葉生物量及最大持水量差異均顯著。同一坡向不同坡位混交林林冠層枝葉生物量及最大持水量、杉木及馬尾松林冠層枝葉生物量及最大持水量兩兩坡位之間差異均顯著。

2.2 不同坡向、坡位杉木馬尾松混交林林下植被層水源涵養(yǎng)功能差異

不同坡向、坡位杉木馬尾松混交林林下植被層的植被種類和數(shù)量均存在差異，因此其水源涵養(yǎng)能力也存在差異(表3)。由表3 可知，東坡位混交林林下植被層生物量及最大持水量均大于西坡，其中東坡位上坡、中坡及下坡林下植被層生物量分別比西坡提高了23.11%、29.67%和12.63%，最大持水量分別比西坡提高了11.17%、32.42%和17.84%;東坡位灌木層生物量及最大持水量均小于西坡，其中東坡位上坡、中坡及下坡灌木層生物量分別比西坡降低了7.83%、17.86%和1.03%，最大持水量分別比西坡降低了8.36%、8.49%和5.62%;東坡位草本層生物量及最大持水量均大于西坡，其中東坡位上坡、中坡及下坡林下草本層生物量分別比西坡提高了40.03%、63.88%和19.06%，最大持水量分別比西坡提高了18.30%、50.36%和25.62%。同一坡向不同坡位杉木馬尾松混交林林下植被層生物量及最大持水量均表現(xiàn)為:下坡＞中坡＞上坡。東坡位下坡林下植被層生物量分別比中坡、上坡提高了15.03%、43.39%，最大持水量分別比中坡、上坡提高了28.01%、49.36%;東坡位下坡灌木層生物量分別比中坡、上坡提高了19.86%、46.69%，最大持水量分別比中坡、上坡提高了17.45%、44.04%;東坡位下坡草本層生物量分別比中坡、上坡提高了13.15%、42.10%，最大持水量分別比中坡、上坡提高了22.99%、50.69%。

方差分析表明，不同坡位、坡向杉木馬尾松混交林林下植被層水源涵養(yǎng)能力差異不同。就同一坡位不同坡向而言，東坡位中坡林下植被層生物量及最大持水量與西坡相比差異顯著，上坡及中坡林下草本層生物量和最大持水量與西坡相比差異顯著，其余坡位植被層不同坡向間水源涵養(yǎng)能力差異不顯著。就同一坡向不同坡位而言，東坡位林下灌木層及草本層生物量及最大持水量3 個坡位之間兩兩差異顯著，東坡位上坡林下植被層生物量及最大持水量與中坡和下坡相比差異顯著;西坡位林下植被層生物量及最大持水量3 個坡位兩兩之間差異顯著，西坡位上坡灌木層生物量及最大持水量與中坡、下坡相比差異均顯著，西坡位林下草本層生物量及最大持水量不同坡位間兩兩差異顯著

表3 不同坡向、坡位杉木馬尾松混交林林下植被層生物量和最大持水量1)Table 3 Biomass and maximum water holding capacity of undergrowth layer of young C.lanceolata and P.massoniana mixed forest in different aspect and slope position t·hm -2

2.3 不同坡向、坡位杉木馬尾松混交林凋落物層水源涵養(yǎng)功能差異

凋落物層對森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能具有重要影響。不同地形條件杉木馬尾松混交林凋落物層水源涵養(yǎng)能力存在差異(表4)。就同一坡位不同坡向而言，東坡位上坡凋落物層生物量比西坡提高了24.57%，中坡及下坡分別比西坡降低了19.23% 和4.77%;東坡上坡最大持水量分別比西坡提高了25.95%，中坡、下坡分別比西坡降低了23.94%和8.46%。同一坡向不同坡位杉木馬尾松混交林林下凋落物層生物量及最大持水量均表現(xiàn)為:下坡＞中坡＞下坡。東坡下坡位凋落物層生物量分別比中坡、上坡提高了35.49%、67.12%，最大持水量分別比中坡、上坡提高了26.46%、64.59%;西坡下坡位凋落物層生物量分別比中坡、上坡提高了23.94%、74.86%，最大持水量分別比中坡、上坡提高了12.98%、74.27%。

表4 不同坡向、坡位杉木馬尾松混交林調(diào)落物層生物量和最大持水量1)Table 4 Biomass and maximum water holding capacity of litter layer of young C.lanceolata and P.massoniana mixed forest in different aspect and slope position t·hm -2

方差分析表明，東坡位中坡混交林林下凋落物層生物量及最大持水量與西坡相比差異顯著，而上坡及下坡與西坡相比差異不顯著;同一坡向不同坡位之間杉木馬尾松混交林林下凋落物層生物量及最大持水量兩兩坡位間差異均顯著。

2.4 不同坡向、坡位杉木馬尾松混交林土壤層水源涵養(yǎng)功能差異

不同坡向、坡位對杉木馬尾松混交林土壤層蓄水能力影響不同(表5)。由表5 可知，東坡位上坡土壤總蓄水量比西坡提高了4.43%，中坡及下坡比西坡降低了2.10%和3.33%。同一坡向隨著坡位的下降土壤總蓄水量呈上升趨勢。同一坡位相同土層不同坡向時，東坡位上坡所有土層、中坡0 -20 cm 土層土壤最大蓄水量和有效蓄水量均大于西坡;東坡位下坡所有土層、中坡20 -40 cm 土層、中坡40 -60 cm 土層的土壤最大蓄水量和有效蓄水量均小于西坡。東坡位上坡0 -20 cm、20 -40 cm 及40 -60 cm 土層的土壤最大蓄水量分別比西坡提高了5.69%、3.39%和4.07%，土壤有效蓄水量分別比西坡提高了5.50%、2.95%和13.47%;東坡位下坡0 -20 cm、20 -40 cm 及40 -60 cm 土層的土壤最大蓄水量分別比西坡降低了3.85%、3.14%和2.83%，土壤有效蓄水量分別比西坡降低了8.08%、4.18%和2.30%。同一坡向隨著坡位的下降土壤層最大蓄水量和總蓄水量呈逐漸增加的趨勢，而土壤有效蓄水量隨著坡位下降呈現(xiàn)先增后減的趨勢。其中，東坡位下坡0 -20 cm、20 -40 cm 及40 -60 cm 土層的土壤最大蓄水量分別比上坡提高了18.23%、9.20%和13.17%;中坡0 -20 cm、20 -40 cm 及40 -60 cm 土層的土壤有效蓄水量分別比上坡提高了13.40%、13.47%和8.99%。同一坡位隨著土層深度的增加，土壤最大蓄水量及有效蓄水量均呈下降趨勢，其中東坡位上坡、中坡及下坡0 -20 cm 土層土壤最大蓄水量與40 -60 cm 土層相比分別提高了28.09%、27.68%和33.82%，土壤有效蓄水量與40 -60 cm 土層相比分別提高了44.96%、50.83%和29.87%。

表5 不同坡向、坡位杉木馬尾松混交林土壤蓄水量和有效蓄水量1)Table 5 Soil water storage and effective water storage of young C.lanceolata and P.massoniana mixed forest in different aspect and slope position

方差分析表明，土壤總蓄水量在同一坡位不同坡向間差異不顯著，東坡同一坡位相同土層的土壤最大蓄水量及有效蓄水量與西坡相比也未達顯著水平。同一土層不同坡位間土壤蓄水能力差異較大，其中就東坡位而言，下坡全部土層以及中坡20 -40 cm 土層的土壤最大蓄水量與上坡對應(yīng)土層相比差異顯著;中坡0 -20 cm 和20 -40 cm 土層土壤有效蓄水量與上坡及下坡對應(yīng)土層相比差異顯著。

2.5 不同坡向、坡位杉木馬尾松混交林綜合水源涵養(yǎng)能力

杉木馬尾松混交林林分綜合水源涵養(yǎng)能力可通過林分地上植被層、凋落物層及土壤層最大蓄水量之和進行評價。隨著坡位的上升，林分最大持水總量呈逐漸下降的趨勢(表6)，其中東坡位下坡和中坡林分最大持水總量分別比上坡提高了14.73%和2.38%，西坡位下坡和中坡分別比上坡提高了23.64%和13.34%;東坡位上坡林分最大持水量比西坡提高了4.54%，東坡位中坡及下坡林分最大持水量分別比西坡降低了1.77%和3.00%。

不同持水層持水量占林分最大持水量比例見表6。由表6 可知，0 -60 cm 土壤層最大持水量占林分最大持水總量98%以上。其中，東坡比例稍低于西坡，隨著坡位上升土壤層最大持水量占林分最大持水總量比例呈逐漸上升趨勢?；旖涣值厣喜糠种脖粚拥淖畲蟪炙考s占林分最大持水總量的1%左右，其中東坡比例略高于西坡，隨著坡位上升植被層最大持水量占林分最大持水總量比例呈下降趨勢。凋落物層最大持水量占林分最大持水總量比例最少，不同坡位坡向所占比例均小于0.5%，東坡位上坡凋落物層最大持水量占林分最大持水總量比例大于西坡，其余坡位均小于西坡，并且所占比例隨著坡位的上升逐漸降低。

表6 不同坡向、坡位杉木馬尾松混交林林分總持水量1)Table 6 Total water holding capacity of young C.lanceolata and P.massoniana mixed forest in different aspect and slope position

方差分析表明，不同坡向的林分最大持水總量間差異不顯著，但上坡位林分最大持水總量與下坡位相比差異顯著。

3 小結(jié)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)最主要的組成部分，為森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)動植物的生長和繁衍提供了穩(wěn)定的環(huán)境［11］。森林生態(tài)系統(tǒng)具有強大的水源涵養(yǎng)功能，在保障系統(tǒng)內(nèi)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面具有重要作用［11，12］。本研究表明，土壤層在森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)能力最強，其最大持水量占林分最大持水總量比例最大，且隨著坡位的下降逐漸升高，原因是下坡位土壤立地條件優(yōu)于其他坡位，下坡土壤中豐富的有機質(zhì)、腐殖質(zhì)及微生物對土壤的持水能力具有促進作用［6，13］。林冠層及林下植被層水源涵養(yǎng)能力雖不及土壤層，但其截留雨水的能力能夠避免雨水對地面的直接沖擊，在減少水土流失方面具有重要作用［4，14］。同一坡位東坡林冠層及林下植被層持水能力均大于西坡，原因是東坡杉木馬尾松混交林喬木及林下植被的生長狀況優(yōu)于西坡，因此東坡植被層對雨水的截留能力更強;除此之外，由于同一坡向不同坡位混交林植被層生物量隨著坡位的降低而增加，從而導(dǎo)致混交林植被層持水能力由強到弱依次為:下坡＞中坡＞上坡。林下凋落物層的水源涵養(yǎng)能力與凋落物數(shù)量密切相關(guān)，而林下凋落物數(shù)量又和森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植被種類及生長狀況呈正相關(guān)，因此同一坡向不同坡位杉木馬尾松混交林凋落物層持水能力由強到弱依次為:下坡＞中坡＞上坡;隨著坡位的下降，東坡凋落物層持水量由大于西坡逐漸演變?yōu)樾∮谖髌隆?/p>

我國南方山地用材林以杉木和馬尾松為主，長期的林地連作經(jīng)營導(dǎo)致用材林生產(chǎn)力嚴重下降，且連作種植會導(dǎo)致林地地力衰退、森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性遭到破壞、林下水土流失現(xiàn)象日益嚴重，人工林林下植被數(shù)量和種類隨著連栽代數(shù)的增加而逐漸減?。?，15］。本研究表明，隨著杉木馬尾松混交林林下植被層生物量的增加，林分整體水源涵養(yǎng)能力有所改善。因此，在人工林經(jīng)營中應(yīng)盡量減少人為干預(yù)力度，人工林近自然經(jīng)營將會是未來林業(yè)發(fā)展方向之一。本文僅對不同坡位和坡向的4年生杉木馬尾松混交林水源涵養(yǎng)功能進行了研究，在未來的研究中將繼續(xù)開展不同混交比例、造林時間及混交類型等人工林的水源涵養(yǎng)功能的差異，為進一步提高杉木馬尾松人工林的生態(tài)效益提供依據(jù)。

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