江西廬山自然保護(hù)區(qū)不同林地水源涵養(yǎng)功能研究

于法展, 張忠啟, 陳龍乾, 沈正平, 尤海梅

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 徐州 221116;2.江蘇師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)

江西廬山自然保護(hù)區(qū)不同林地水源涵養(yǎng)功能研究

于法展1,2, 張忠啟2, 陳龍乾1, 沈正平2, 尤海梅2

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 徐州 221116;2.江蘇師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)

森林的水源涵養(yǎng)功能一直是生態(tài)學(xué)與水文學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。以江西廬山自然保護(hù)區(qū)6種不同林地為研究對象，對其土壤物理性質(zhì)和水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明，不同林地凋落物層貯量為5.48～23.19 t/hm2；落葉闊葉林地凋落物層的持水量遠(yuǎn)大于其它林地。不同林地土壤硬度平均值變化為13.24～25.43 kg/cm2；不同林地土壤容重大小排序?yàn)椋狐S山松林>玉山竹林>常綠—落葉闊葉混交林>落葉闊葉林>常綠闊葉林>馬尾松林。從土壤的滲透速度來看，不同林地土壤的滲透性能依次為：馬尾松林>落葉闊葉林>常綠闊葉林>黃山松林>玉山竹林>常綠—落葉闊葉混交林；不同林地最大蓄水量大小依次為：落葉闊葉林>馬尾松林>常綠闊葉林>黃山松林>玉山竹林>常綠—落葉闊葉混交林；而其涵養(yǎng)水源量大小排序：落葉闊葉林>馬尾松林>常綠闊葉林>黃山松林>常綠—落葉闊葉混交林>玉山竹林。

林分類型; 土壤物理性質(zhì); 水源涵養(yǎng)功能; 廬山自然保護(hù)區(qū)

森林的水源涵養(yǎng)功能是指森林生態(tài)系統(tǒng)通過林冠層、枯落物層和土壤層攔截滯蓄降水，從而有效涵蓄土壤水分和補(bǔ)充地下水、調(diào)節(jié)河川流量的功能[1]。不同森林類型由于其樹種生物學(xué)特性與林分結(jié)構(gòu)的不同，其土壤物理性質(zhì)和水源涵養(yǎng)效應(yīng)存在一定的差異。不同森林土壤的物理性質(zhì)會(huì)造成土壤水、氣、熱的差異，影響土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分的供應(yīng)狀況，從而影響森林植被的生長發(fā)育[2]。研究土壤的物理性質(zhì)和水源涵養(yǎng)功能對于森林生態(tài)保護(hù)具有重要參考價(jià)值。20世紀(jì)60，70年代，森林的生態(tài)水文過程研究開始受到重視，林冠截留、枯枝落葉層截持、土壤水分入滲與貯存以及林地蒸發(fā)等水文過程逐漸為人們所認(rèn)識(shí)[3-4]。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對不同生態(tài)環(huán)境和時(shí)空尺度條件下的林地土壤物理性質(zhì)和水源涵養(yǎng)功能分別進(jìn)行了大量研究[5-9]。目前，多數(shù)學(xué)者在森林水源涵養(yǎng)功能各個(gè)環(huán)節(jié)及整體涵養(yǎng)價(jià)值的量化上研究較多，但在定性評(píng)價(jià)其功能優(yōu)劣方面研究較少，且研究結(jié)果有一定的局限性。

本文以廬山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的6種不同林地為研究對象，將其土壤的物理性質(zhì)和水源涵養(yǎng)功能兩個(gè)方面結(jié)合起來，對這兩個(gè)方面作為相互影響的整體進(jìn)行系統(tǒng)研究和分析，揭示不同林分對土壤水文特性的影響及差異，以期為當(dāng)?shù)厣种脖换謴?fù)改造以及森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況診斷與評(píng)價(jià)提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

廬山自然保護(hù)區(qū)位于江西省北部，九江市南郊，西北濱長江，東南臨鄱陽湖，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)115°50′—116°10′，北緯29°28′—30°53′，總面積約302 km2，主峰大漢陽峰海拔1 473.8 m。廬山地處亞熱帶東部季風(fēng)區(qū)域，具有鮮明的季風(fēng)氣候特征；而且廬山是一座中山，面江臨湖，山高谷深，與周圍平原地區(qū)相比較，又具有山地氣候特征。年平均溫度11.4℃，1月均溫-0.3℃，7月均溫22.5℃，極端低溫-16.8℃，極端高溫32.0℃，年平均降水量1 916 mm。該保護(hù)區(qū)發(fā)育的土壤從山麓到山頂依次分布著紅壤和黃壤、山地黃壤、山地黃棕壤、山地棕壤。廬山海拔跨度較大，具有不同的林分類型，在海拔700 m以下主要為常綠闊葉林帶，海拔700～1 000 m之間為常綠—落葉闊葉混交林帶，海拔1 000 m以上為落葉闊葉林帶。其中常綠闊葉林帶由于人類活動(dòng)的干擾，破壞比較嚴(yán)重，僅存小片分布，從灌草叢中首先恢復(fù)起來的是馬尾松林，在山麓中分布很廣；落葉闊葉林帶破壞比較嚴(yán)重，在海拔800 m以上主要為黃山松林。該區(qū)域物種豐富，森林覆蓋率達(dá)76.6%，主要林分類型有馬尾松林、玉山竹林、常綠—落葉闊葉混交林、落葉闊葉林、常綠闊葉林、黃山松林等，不同林分的分布使得各林地土壤的物理性質(zhì)和水源涵養(yǎng)功能出現(xiàn)差異。

2 樣地設(shè)置與測定方法

2.1 樣地設(shè)置

2012年8月在位于廬山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)選擇主要林分類型設(shè)置6塊測試樣地，選取不同林地進(jìn)行研究，對樣本進(jìn)行植被類型、數(shù)量、覆蓋率和生長情況的調(diào)查并記錄地形因子，各測試樣地概況見表1和圖1。

表1 廬山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)各測試樣地概況

圖1 廬山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)各測試樣地分布示意圖

其樣地面積根據(jù)亞熱帶山地植被研究中的最小面積法，闊葉林取為40 m×50 m，針葉林取為20 m×25 m，每個(gè)樣地設(shè)置3次重復(fù)；用環(huán)刀法取20 cm×20 cm的自然土樣，地表凋落物的調(diào)查也利用采樣的方法對凋落物的物種、厚度、腐殖質(zhì)情況和含水量進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)記錄。數(shù)據(jù)采集完畢后將樣點(diǎn)布局空間數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)輸入該保護(hù)區(qū)森林土壤資源動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，采用SPSS軟件對所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性檢驗(yàn)和相關(guān)分析[10]。

2.2 林地含水量測定

2.2.1 凋落物含水量的測定 將測試樣地中取回不同林地凋落物的樣本分別精確稱重(W1)后，使用烘干法將凋落物的樣本置于烘箱中在80℃下烘至恒重后精確稱重(W2)。凋落物的持水量(WC)和持水率(WR)按下式計(jì)算：

再將烘干后的凋落物裝入紗布袋中置于水中浸24h，取出將其晾干(以無水滴滴下為標(biāo)準(zhǔn))后稱重(W3)，則凋落物的最大持水量(WCM)和最大持水率(WRM)為：

2.2.2 土壤物理性質(zhì)及含水量的測定 土壤容重、孔隙度測定采用環(huán)刀法；土壤硬度測定采用硬度計(jì)法；土壤含水量的測定：利用環(huán)刀法所取的原狀土樣，將盛有新鮮土樣的大型鋁盒在分析天平上稱重，準(zhǔn)確至0.01 g。揭開盒蓋，放在盒底下，置于已預(yù)熱至(105±2)℃的烘烤箱中烘烤12 h。取出，蓋好，在干燥器中冷卻至室溫(約需30 min)，立即稱重。新鮮土樣水分的測定應(yīng)做3份平行測定。

2.3 林地土壤滲透性能測定

采用容積785 cm3的滲透筒，取0—20，20—40，40—60 cm三個(gè)層次土壤，帶回室內(nèi)測定，利用達(dá)西定律計(jì)算。

Vt=Kt×(H+L)/L=Q10/ (A×T)

式中：Vt——溫度t℃時(shí)的滲透速度(mm/min)；Kt——溫度t℃時(shí)的滲透系數(shù)；H——水層厚度(cm)；L——水柱長度(cm)；Q10——滲出水量(ml)；A——滲透筒底面積(cm2)；T——滲透歷時(shí)(min)。

2.4 林地土壤蓄水量測定

在各測試樣地內(nèi)分上、中、下3個(gè)部分各挖一個(gè)土壤剖面，然后按0—20，20—40，40—60 cm采土樣，用下式測定林地土壤蓄水量。

最大蓄水量=土壤總孔隙度×10000×土壤深度；

非毛管孔隙蓄水量=土壤非毛管孔隙度×10000×土壤深度。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林地凋落物層貯量及其持水量

凋落物層對土壤涵養(yǎng)水源功能的發(fā)揮有著重要影響，既能截持降水，保護(hù)地表免受雨滴的直接沖擊，又能減輕徑流的沖刷對地表的影響[11]。與此同時(shí)，分解的凋落物形成的土壤腐殖質(zhì)對土壤結(jié)構(gòu)和土壤滲透性能的提高有顯著作用。凋落物層貯量是表征枯落物生態(tài)功能的重要參數(shù)，枯落物數(shù)量(厚度)和質(zhì)量(組成)不僅對水文生態(tài)具有重要影響，而且是土壤有機(jī)質(zhì)的主要來源[12]。廬山自然保護(hù)區(qū)不同林地凋落物層貯量及其持水量見表2。

表2 廬山自然保護(hù)區(qū)不同林地凋落物層貯量及其持水量

由表2可知，落葉闊葉林地凋落物層貯量最大(23.19 t/hm2)，玉山竹林地凋落物層貯量最小(5.48 t/hm2)。這種差異主要由林分本身的生物學(xué)特性決定，即落葉闊葉林地人為干擾較少，其葉片較厚，呈革質(zhì)，凋落后分解速度較慢；相比之下，玉山竹林郁閉度相對較低，葉量較少，每年輸入的凋落物較少，且其葉片相對較薄，凋落后易分解腐爛，歸還土壤的速度較快，造成凋落物現(xiàn)存量較少。森林凋落物層具有吸收雨水、調(diào)節(jié)和過濾地表徑流的作用，一方面可以阻留和減緩水分流速，延長水分下滲時(shí)間，增加地表粗糙度，避免雨水直接打擊土壤，減少水土流失；另一方面，森林凋落物層具有較大的水分截持能力，從而影響到穿透降水對土壤水分的補(bǔ)充和植物的水分供應(yīng)[7]。從表2中可以看出，落葉闊葉林地凋落物的持水量達(dá)到1 005.76 t/hm2，即落葉闊葉林地凋落物層的持水量遠(yuǎn)大于其它林地，這說明落葉闊葉林地具有較強(qiáng)的水分截持能力，較好地起到對林地土壤水分的有效補(bǔ)充。

3.2 不同林地土壤物理性質(zhì)

土壤的物理性質(zhì)可以作為衡量森林生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。土壤容重大小顯示土壤的疏松程度，可以說明土壤涵蓄水分以及供應(yīng)樹木生長所需水分的能力；土壤硬度作為土壤的基本物理性質(zhì)之一，土壤硬度的差異影響植被根系的發(fā)達(dá)程度和土壤的蓄水能力；土壤孔隙程度的差異導(dǎo)致土壤的透氣性能不同，對土壤的持水量有著重要影響[11]。該保護(hù)區(qū)6塊測試樣地土壤物理性質(zhì)測定結(jié)果見表3。

表3 廬山自然保護(hù)區(qū)不同林地土壤物理性質(zhì)

注：采樣土層深為60 cm。

由表3可知，不同林地土壤硬度的平均值變化為13.24～25.43 kg/cm2，說明各林地土壤能夠滿足當(dāng)?shù)刂参镎ＩL發(fā)育的需要[2]。不同林地土壤容重大小排序?yàn)椋狐S山松林>玉山竹林>常綠—落葉闊葉混交林>落葉闊葉林>常綠闊葉林>馬尾松林。正是由于不同林地土壤容重和孔隙度有差異，導(dǎo)致其土壤的持水量不同，即不同林地之間土壤的透氣性能不同。馬尾松林地土壤容重的平均值最小，而孔隙度的比例最高，說明馬尾松林下土壤疏松、透氣性能好，具有較高的水源涵養(yǎng)和水土保持功能；同時(shí)可以看出馬尾松林地土壤的平均非毛管孔隙度(總孔隙度減去毛管孔隙度)以及飽和持水量、田間持水量的平均值最大，這是因?yàn)樵摿址窒律锪拷M成及分布較合理，是一種穩(wěn)定的生態(tài)結(jié)構(gòu)。此外，使用SPSS軟件對6塊測試樣地土壤分析結(jié)果顯示，各林地土壤容重隨土層深度的變化達(dá)到顯著水平(P<0.01)，而土壤孔隙度隨土層深度的變化也達(dá)到顯著水平(P<0.01)，也就是說不同林地土壤均表現(xiàn)出土壤容重隨土層深度增加而逐漸增大，土壤孔隙度隨土層深度增加而逐漸減小的規(guī)律。這與林地土壤有機(jī)質(zhì)、土壤動(dòng)物形成的孔隙、植物根系、死亡根系形成的根孔都隨土層深度而降低有關(guān)。由此可見，林地土壤物理性質(zhì)的差異可以引起不同林地土壤持水量和蓄水能力的變化。

3.3 不同林地土壤滲透性能及其蓄水功能

土壤的滲透性能與土壤的質(zhì)地、孔隙結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)、濕度和溫度等有關(guān)，是林分水源涵養(yǎng)的重要指標(biāo)之一[11]。廬山自然保護(hù)區(qū)不同林地土壤滲透性能見表4。

表4 廬山自然保護(hù)區(qū)不同林地土壤滲透性能

由表4可知，各林地土壤的滲透速率變化趨勢一致，在初期滲透速率較高(初滲值)，隨著時(shí)間的推移而下降，最后達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)(穩(wěn)滲值)。滲透性能良好的土壤，在一定的降雨強(qiáng)度條件下，水分可以充分地進(jìn)入土壤貯存起來或轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥纼?nèi)部徑流，不易形成地表徑流，使林地水土流失得到有效控制[13]。不同林地土壤滲透性能存在一定的差異，從土壤的滲透速度來看(表4)，不同林地土壤的滲透性能從大到小依次為：馬尾松林>落葉闊葉林>常綠闊葉林>黃山松林>玉山竹林>常綠—落葉闊葉混交林。森林中的水分主要儲(chǔ)存在林地土壤中，土壤的物理性質(zhì)在很大程度上決定了土壤的蓄水量，土壤蓄水量是毛管孔隙與非毛管孔隙水分蓄量之和，反映了土壤貯蓄和調(diào)節(jié)水分的潛在能力，它是土壤涵蓄潛力的最大值，可體現(xiàn)出林地土壤的蓄水功能。其中毛管水供植物根系吸收和林地蒸發(fā)，只做上下垂直運(yùn)動(dòng)；非毛管水受到重力的影響在土壤中可做上下運(yùn)動(dòng)，也可橫向滲透，沿不透水層由高到低供應(yīng)湖泊、河流，起著調(diào)節(jié)流量、穩(wěn)定水位的功能，通常把非毛管水貯蓄量稱為涵養(yǎng)水源量[11]。廬山自然保護(hù)區(qū)不同林地土壤蓄水功能見表5。

由表5可知，不同林地由于土壤物理性質(zhì)存在一定差異，其土壤的最大蓄水量和涵養(yǎng)水源量也表現(xiàn)不同。從最大蓄水量來看，6種林地最大蓄水量大小依次為：落葉闊葉林>馬尾松林>常綠闊葉林>黃山松林>玉山竹林>常綠—落葉闊葉混交林；而其涵養(yǎng)水源量大小排序：落葉闊葉林>馬尾松林>常綠闊葉林>黃山松林>常綠—落葉闊葉混交林>玉山竹林。

表5 廬山自然保護(hù)區(qū)不同林地土壤蓄水功能

4 結(jié)論與建議

(1) 廬山自然保護(hù)區(qū)不同林地凋落物層貯量及其持水量的變化。落葉闊葉林地凋落物層貯量最大(23.19 t/hm2)，玉山竹林地凋落物層貯量最小(5.48 t/hm2)；落葉闊葉林地凋落物的持水量達(dá)到1 005.76 t/hm2，即落葉闊葉林地凋落物層的持水量遠(yuǎn)大于其它林地。

(2) 廬山自然保護(hù)區(qū)不同林地土壤物理性質(zhì)存在著明顯的差異。不同林地土壤硬度的平均值變化為13.24～25.43 kg/cm2；不同林地土壤容重大小排序?yàn)椋狐S山松林>玉山竹林>常綠—落葉闊葉混交林>落葉闊葉林>常綠闊葉林>馬尾松林。

(3) 廬山自然保護(hù)區(qū)不同林地土壤滲透性能及其蓄水功能排序。不同林地土壤滲透性能存在一定差異，從土壤的滲透速度來看，不同林地土壤的滲透性能從大到小依次為：馬尾松林>落葉闊葉林>常綠闊葉林>黃山松林>玉山竹林>常綠—落葉闊葉混交林；不同林地最大蓄水量大小依次為：落葉闊葉林>馬尾松林>常綠闊葉林>黃山松林>玉山竹林>常綠—落葉闊葉混交林；而其涵養(yǎng)水源量大小排序：落葉闊葉林>馬尾松林>常綠闊葉林>黃山松林>常綠—落葉闊葉混交林>玉山竹林。

(4) 廬山自然保護(hù)區(qū)不同林地水源涵養(yǎng)功能較強(qiáng)的林分是落葉闊葉林，水源涵養(yǎng)貢獻(xiàn)度最大的是針葉林，因此，建議在廬山自然保護(hù)區(qū)的林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)中，加強(qiáng)對現(xiàn)有落葉闊葉林及針葉林的保護(hù)；同時(shí)，大力營造混交林，在營造過程中，可采用降低造林密度，促其形成人工—天然復(fù)合型混交林；其次，應(yīng)加強(qiáng)對現(xiàn)有林分的經(jīng)營管理，有效地改造現(xiàn)有的低效針葉林，可通過適度間伐，引入闊葉樹，促其形成高效的針闊混交林，提高林分的生態(tài)防護(hù)功能。

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StudyonWaterConservationFunctionofDifferentForestlandsinLushanNatureReserve,JiangxiProvince

YU Fa-zhan1,2, ZHANG Zhong-qi2, CHEN Long-qian1, SHEN Zheng-ping2, YOU Hai-mei2

(1.JiangsuKeyLaboratoryofResourcesandEnvironmentalInformationEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,Jiangsu221116,China; 2.CollegeofUrbanandEnvironmentalSciences,JiangsuNormalUniversity,Xuzhou,Jiangsu221116,China)

Understanding the function of water conservation of forest has been a hot topic in ecology and hydrology research. Six types of forestlands in Lushan nature reserve of Jiangxi were taken as the study sites.Soil physical properties and water conservation function were analyzed in this study. The results showed that the litter storages of various forestlands were 5.48～23.19 t/hm2. The water-holding capacity of the litter layer of deciduous broad-leaved (DBF) forestland was higher than other forestlands. Average soil hardness of different forestlands was 13.24～25.43 kg/cm2. The soil bulk density of various forestland decreased in the order of Huangshan pine (HsP) forest>Yushania (Ys) forest>evergreen-deciduous broad-leaved(EDBL) forest>deciduous broad-leaved(DBL) forest >evergreen broad-leaf forest (EBL) forest>Pinus (PM) forest. In the case of soil seepage velocity, the order of velocities of various foresland was PM>DBL>EBL>HsP>Ys>EDBL. The calculated forestland soil maximum storage capacity followed the order of DBL>PM>EBL>HsP>Ys>EDBL, and the water conservation quantities of various forestland was in the sequence of DBL>PM>EBL> HsP>EDBL>Ys.

forest stand type; soil physical property; water conservation function of forestland; Lushan nature reserve

2013-12-22

：2014-01-07

國家自然基金項(xiàng)目“采樣點(diǎn)布置和空間預(yù)測對揭示紅壤區(qū)土壤有機(jī)碳變異性的影響”(41201213);江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(編號(hào):SZBF2011-6-B35);徐州市科技計(jì)劃項(xiàng)目 (XZZD1201)

于法展(1972—),男,江蘇豐縣人,副教授,在讀博士,從事土地資源管理研究。E-mail:yufazhan@126.com

陳龍乾(1964—),男,江蘇阜寧人,教授,博士生導(dǎo)師,從事土地利用與地理信息研究。E-mail:chenlq@cumt.edu.cn

S714

：A

：1005-3409(2014)05-0255-05