福建柏不同混交模式林分水源涵養(yǎng)能力比較

李肇鋒 黃碧華 鄭郁善,3

(1.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 南平 353000；2.福建省林業(yè)科技試驗(yàn)中心，福建 南靖 363600；3.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002)

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福建柏不同混交模式林分水源涵養(yǎng)能力比較

李肇鋒1黃碧華2鄭郁善1,3

(1.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 南平 353000；2.福建省林業(yè)科技試驗(yàn)中心，福建 南靖 363600；3.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002)

在福建省國有南靖林場對7種混交模式的福建柏混交林進(jìn)行水源涵養(yǎng)能力的觀測，分析比較不同混交模式地上部分與土壤持水量的差異。結(jié)果表明：福建柏混交林林分地上部分持水量與其生物量呈正相關(guān)關(guān)系，福建柏×火炬松混交林最大，為42.49 t/hm2；土壤層持水量均占林分總持水量的96%以上，福建柏×火炬松混交林最高；各林分不同層次的持水量排序?yàn)橥寥缹?林冠層>凋落物層>活地被物層，土壤層是森林水源涵養(yǎng)的主要場所；通過對福建柏混交林林分涵養(yǎng)水源的綜合評價(jià)可知，采用福建柏×火炬松混交模式建立的林分水源涵養(yǎng)能力最大。

福建柏；混交林；水源涵養(yǎng);土壤；綜合評級

近年來，水資源緊缺已成為全球性問題[1]，森林的水源涵養(yǎng)功能以及水土保持能力越來越受到人們的重視。森林水源涵養(yǎng)效益，是指森林對降雨的截留、吸收、貯存和通過將地表水轉(zhuǎn)化為地下水從而達(dá)到調(diào)節(jié)河川徑流豐枯平衡的作用[2]，其作用機(jī)制是個(gè)十分復(fù)雜的過程[3]，但主要功能表現(xiàn)在削減洪峰和增加水資源量2個(gè)方面[4-5]。涵養(yǎng)水源功能的大小取決于森林的樹種組成和結(jié)構(gòu)，森林由林冠層、灌木層、草本層和凋落物層形成的多層次結(jié)構(gòu)，具有陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的水源涵養(yǎng)功能。森林通過林冠層和林下植被層的截留、枯枝落葉層的攔蓄和土壤層的蓄貯實(shí)現(xiàn)其涵養(yǎng)水源的功能[6-7]，因此，有學(xué)者提出用林冠截留量、凋落物蓄水量和林地土壤的最大貯水量之和來表征森林涵養(yǎng)水源的能力。

福建柏(Fokieniahodginsii)是我國特有的單種屬植物，因其生長快，樹形優(yōu)美且具有較強(qiáng)的抗風(fēng)能力，在我國南方作為抗擊臺風(fēng)、保持水土的重要用材樹種。本研究在2003年?duì)I造的不同模式福建柏混交林內(nèi)，建立定位觀察點(diǎn)，對比傳統(tǒng)的杉木(Cunninghamialanceolata)純林，對福建柏混交林涵養(yǎng)水源功能進(jìn)行研究。關(guān)于森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的研究，很多學(xué)者采用了水量平衡法或通過降水量、蒸發(fā)量、徑流量與水源涵養(yǎng)量間的關(guān)系來推算森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)效益[8-13]，而本研究通過采用混交林分不同層次水源涵養(yǎng)量之和來表征不同福建柏混交林水源涵養(yǎng)的能力，以期為揭示福建柏混交林涵養(yǎng)水源功能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 研究地概況

研究地設(shè)在福建省國有南靖林場小山城工區(qū)，地處北緯24′26″～24′59″、東經(jīng)117′00″～117′36″。地勢由西北向東南傾斜，依次分為中低山、丘陵、臺地和河谷平原4個(gè)地貌類型區(qū)，以丘陵為主。氣候溫和，光照充足，雨量充沛，四季常青，雨熱同季；年平均日照時(shí)數(shù)試驗(yàn) 426.6 h，年平均太陽輻射量 486.18 kJ/cm2；年平均氣溫17.0～21.4 ℃，1月平均氣溫4～8 ℃，極端低溫-2.0 ℃，7月平均氣溫29～34.4 ℃，極端高溫40.5 ℃；無霜期321 d；年平均降水量1 580～1 880 mm，年平均蒸發(fā)量1 500 mm，年平均相對濕度為79%；為典型的南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。土壤以河巖母質(zhì)上發(fā)育的山地酸性粗骨性紅壤為主，土層中厚至深厚，肥力較低。林下植被以芒萁骨(Dicranopterislinecaris)和桃金娘(Rhodomyrtustamentosa)為主，其次有東方烏毛蕨(Blechnumcrientale)、鵝掌柴(Scheffleraoctoplylla)、野牡丹(Melastomacandidum)等。

2 研究方法

2.1 調(diào)查對象及方法

不同模式混交林營造于2003年，造林立地條件一致，隨機(jī)區(qū)組排列，行間混交?；旖荒Ｊ接懈＝ò亍聊竞?Schimasuperba)(h-1)、福建柏×火炬松(Pinustaeda)×杉木(h-2)、福建柏×火炬松(h-3)、福建柏×火力楠(Micheliamaudiae)×杉木(h-4)、福建柏×濕地松(Pinuselliottii)(h-5)、福建柏×火力楠×杉木×濕地松(h-6)、福建柏×杉木(h-7)，以及杉木純林(h-8)。每個(gè)混交模式調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)地面積為25.82 m×25.82 m，設(shè)置3塊標(biāo)準(zhǔn)地。2015年1月，對樣地內(nèi)不同模式混交林樹木進(jìn)行每木檢尺，測定胸徑、樹高、枝下高、冠幅，計(jì)算密度。根據(jù)調(diào)查材料計(jì)算平均胸徑和平均樹高，用標(biāo)準(zhǔn)木求算林分地上部分生物量。不同混交模式各樣地概況見表1。

2.2 指標(biāo)測定

在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機(jī)設(shè)3個(gè)1 m×1 m的樣方，收集林冠、活地被物和枯枝落葉的樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)稱量，取部分樣品烘干(95 ℃，24 h)后再稱量，推算單位面積生物量。

持水量和持水率的測定采用室內(nèi)浸水法，將樣品帶回室內(nèi)稱取浸水(2 h)前后質(zhì)量，求算出持水量和持水率。將烘干后的樣品采用浸水24 h后，取出稱量，求算枯枝落葉層的最大持水率[14-16]。

R持水=(mt-m干)/m干×100%

R最大=(m24-m干)/m干×100%

最大持水量=樣品累積質(zhì)量×R最大。

式中：mt為浸泡t時(shí)間的樣品質(zhì)量；m干為樣品干質(zhì)量；m24為浸泡24 h后樣品質(zhì)量。R持水為持水率;R最大為最大持續(xù)率。

土壤滲透能力采用土壤滲透速度和系數(shù)表示，土壤排水能力和土壤貯水量采用環(huán)刀法分層取樣帶回室內(nèi)測定，求算出土壤滲透速度和系數(shù)，以及0～40 cm的土壤排水能力和最大貯水量。

2.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2007和SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 森林地上部分涵養(yǎng)水源作用

福建柏混交林各樣地地上部分持水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

由表2可知：單位面積福建柏混交林平均截留雨水能力為23.93 t/hm2，是杉木純林的1.83倍，表明福建柏混交林地上部分對水源的涵養(yǎng)能力高于杉木純林。不同福建柏混交模式，地上部分持水量從高到低依次為：福建柏×火炬松混交林>福建柏×火力楠×杉木混交林>福建柏×濕地松混交林>福建柏×木荷混交林>福建柏×火炬松×杉木混交林>福建柏×火力楠×杉木×濕地松混交林>福建柏×杉木混交林，即福建柏×火炬松的混交林對水源具有較好的涵養(yǎng)能力。

表1 福建柏不同混交模式樣地概況Tab.1 Situation of the different mixed forest stands plots

表2 福建柏混交林林分地上部分持水量Tab.2 Water-holding capacity of aboveground part of different mixed forest stands (t·hm-2)

注：相同列小寫字母表示P<0.05水平差異顯著，大寫字母表示P<0.01水平極顯著。

從林分地上部分總生物量看(表1)，福建柏×火炬松混交林的生物量最大，為339.57 t/hm2；其次是福建柏×火力楠×杉木混交林，為286.41 t/hm2；第三是福建柏×火炬松×杉木混交林，為256.53 t/hm2。林木生物量直接影響林木的改良土壤、減少地表徑流和土壤侵蝕的作用，以及凋落物吸水能力等。本研究結(jié)果表明：林分地上部分持水量與其生物量呈正相關(guān)關(guān)系(r=0.87**)，不同福建柏混交林林冠層均有較好的持水能力，林冠截留量為10.46～34.94 t/hm2，其中福建柏×火炬松混交林林冠層截留能最大，為34.94 t/hm2。多重比較結(jié)果表明：福建柏×火炬松混交林與其他混交林差異性達(dá)到極顯著，其林冠截留量是杉木純林的3.61倍。福建柏混交林林分林下活地被物也具有一定的持水能力，對林分實(shí)現(xiàn)水源涵養(yǎng)有一定貢獻(xiàn)(表2)，但貢獻(xiàn)量較其他地上部分低。不同模式的福建柏混交林凋落物攔蓄量均高于杉木純林，具有較好的持水能力，其中福建柏×火炬松×杉木混交林最大，其次為福建柏×火炬松混交林，分別為杉木純林的2.56倍和2.19倍，這對于減少水土流失有著重要作用。從不同福建柏混交林林分地上部分總持水量來看，福建柏×火炬松混交林最大，為42.49 t/hm2；其次為福建柏×火力楠×杉木混交林，為30.65 t/hm2，且與其他林分差異均到達(dá)極顯著水平。

3.2 土壤層涵養(yǎng)水源作用

3.2.1 土壤的蓄水能力 林地土壤對降雨的調(diào)節(jié)能力，主要表現(xiàn)在對降雨的動態(tài)調(diào)蓄能力和靜態(tài)調(diào)蓄能力(貯水能力)。土壤對降雨的蓄貯能力，主要取決于土壤非毛管孔隙的數(shù)量和質(zhì)量。土壤非毛管孔隙的數(shù)量愈多、質(zhì)量愈好，則蓄貯降雨的能力就愈大，各福建柏混交林林分土壤的物理性質(zhì)及蓄水能力見表3。

表3 福建柏混交林林分土壤物理性質(zhì)及蓄水能力Tab.3 Soil water-holding capacity and physical properties of different mixed forest stands

森林表層土壤是福建柏混交林林木根吸收養(yǎng)分的主要場所，其水分狀況對福建柏混交林林木的生長具有顯著影響。從表3可知，0～40 cm土層中福建柏×火炬松混交林最大持水量最大，為90.02 t/hm2，比杉木純林高25.03%；福建柏×火炬松混交林0～40 cm的土壤排水能力較強(qiáng)，為51.34 mm；該林分土壤通氣度較好，貯水量最高，達(dá)130.25 mm，比杉木純林高44.85%。在不同的混交模式中，福建柏混交林林分土壤0～40 cm總孔隙度為40%～60%，通氣狀況良好，其中福建柏×火炬松混交林林分土壤0～40 cm總孔隙度最大，為59.03%；0～40 cm非毛管孔隙度也是該林分最大，為17.43%。非毛管孔隙度大小決定了土壤有效持水量大小，有效持水量大，其持水能力強(qiáng)。福建柏×火炬松混交林林分0～20 cm土層土壤容重最小，0～40 cm的平均土壤容重為1.15。總體來看，與杉木純林相比，福建柏混交林均有較強(qiáng)的土壤蓄水能力。

3.2.2 土壤的滲透能力 土壤的滲透能力主要取決于土壤物理性質(zhì)，與土壤容重、非毛管孔隙度和排水能力的關(guān)系最密切。滲透性能良好的土壤，在一定的降雨強(qiáng)度條件下，水分可充分滲入土壤，變成地下徑流。土壤滲透能力的大小，一般用10 ℃時(shí)的土壤穩(wěn)滲系數(shù)(K10)來表示。福建柏混交林林分土壤滲透性能見表4。

表4 福建柏混交林林分土壤滲透性能Tab.4 Soil infiltration capacity of different mixed forest stands

由表4可知，福建柏混交林各林分土壤的穩(wěn)滲速度和穩(wěn)滲系數(shù)均大于杉木純林，其中福建柏×火炬松混交林土壤的穩(wěn)滲速度和穩(wěn)滲系數(shù)最大，分別為7.92 mm/min和3.80 mm/min，高出杉木純林228.63%和645.10%，因而降水能快速滲透到土層中，減少地表徑流。杉木純林土壤滲透性差，是由于其土壤結(jié)構(gòu)較差，杉木人工純林在營造過程中，由于植被單一，林下物種較少，易導(dǎo)致水土流失，削弱了生物對土壤的改良作用，土壤結(jié)構(gòu)劣化，影響杉木純林土壤涵養(yǎng)水源能力。

3.3 各混交林林分綜合評價(jià)

福建柏混交林林分總持水量見表5。由表5可知，不同的混交模式其林分的地上部分持水量也變化較大，平均為23.92 t/hm2，其中福建柏×火炬松混交林持水量最大，為42.49 t/hm2。土壤是森林涵養(yǎng)水源的主體，福建柏混交林林地土壤0～40 cm貯水量均占林分總持水量的96%以上，福建柏×火力楠×杉木混交林土壤持水量最好，為1 310.6 t/hm2;其次是福建柏×火炬松混交林，為1 302.5 t/hm2。但總持水量最大的是福建柏×火炬松混交林，達(dá)1 344.99 t/hm2。

林分總持水量可由地上部分持水量與土壤層持水量之和表征，7種不同混交模式林分總持水量間存在一定差異。福建柏×火炬松混交林最高，其次為福建柏×火力楠×杉木混交林>福建柏×濕地松混交林>福建柏×木荷混交林>福建柏×火力楠×杉木×濕地松混交林>福建柏×杉木混交林>福建柏×火炬松×杉木混交林>杉木純林。

綜合表2、5可知，各林分不同層次的持水量排序?yàn)椋和寥缹?林冠層>凋落物層>活地被物層。其中土壤層持水量均占林分總持水量的96%以上，可見土壤層是森林水源涵養(yǎng)的主要場所，這與許多學(xué)者[17-19]關(guān)于混交林水源涵養(yǎng)的研究結(jié)果相一致。因此，森林水源涵養(yǎng)功能大小取決于林分結(jié)構(gòu)、土壤結(jié)構(gòu)及樹種組成特征等眾多因素，但土壤層持水量影響最大。

表5 福建柏混交林林分總持水量Tab.5 The total water-holding capacity of different mixed forest stands

4 結(jié)論與討論

1) 福建柏混交林林分地上部分持水量與其生物量呈正相關(guān)關(guān)系，為10.46～34.94 t/hm2。其中福建柏×火炬松混交林最大，為42.49 t/hm2，比杉木純林高224.84%;其次為福建柏×火炬松>福建柏×火力楠×杉木>福建柏×濕地松>福建柏×木荷>福建柏×火炬松×杉木>福建柏×火力楠×杉木×濕地松>福建柏×杉木>杉木純林。地上部分持水量中林冠的截留作用所占比例相對較高，其次為凋落物攔截，這與蔡麗萍等[20]和林惠璉等[21]的研究一致。

2) 森林土壤是森林涵養(yǎng)水源的關(guān)鍵一環(huán)，其持水量通常占林分水源涵養(yǎng)量的85%以上，成為森林涵養(yǎng)水源功能的重要評價(jià)指標(biāo)[22]。在福建柏混交林林分中，降雨量被林冠層、林下植被層和枯枝落葉層截留，同時(shí)由于混交林具有較高的培肥土壤能力和改善滲透性能，使林地涵養(yǎng)水源增強(qiáng)，較單一純林地表徑流減少。不同混交模式福建柏混交林的水源涵養(yǎng)作用有所差異，福建柏×火炬松混交林的土壤通透性好，其土壤排水能力較強(qiáng)，林分土壤通氣度較好、貯水量高、總孔隙度大，土壤容重小。福建柏×火炬松混交林土壤的穩(wěn)滲速度和穩(wěn)滲系數(shù)最大，較杉木純林高228.63%和645.10%。吳迪等[18]對林地土壤入滲速率和入滲時(shí)間進(jìn)行擬合，得出二者存在較好的冪函數(shù)關(guān)系，也充分說明其土壤滲透能力能較好地表征涵養(yǎng)水源功能。

3) 從福建柏不同混交模式林分地上部分和林地土壤層持水量對比得知，各林分不同層次的持水量排序?yàn)椋和寥缹?林冠層>凋落物層>活地被物層。其中土壤層持水量均占林分總持水量的96%以上，土壤層持水量對林分水源涵養(yǎng)功能影響最大，與齊清等[23]對沙質(zhì)海岸不同植被類型土壤水源涵養(yǎng)功能的研究的結(jié)果一致，其土壤層貯水量占總蓄水量的97%以上。

4) 通過對福建柏混交林林分涵養(yǎng)水源的綜合評價(jià)可知，采用福建柏×火炬松的混交模式建立的林分對水源涵養(yǎng)能力最大，為1 344.99 t/hm2，說明福建柏和火炬松的混交林對水源具有較好的涵養(yǎng)能力。福建柏與火炬松混交后，林分具有層次性，與杉木純林相比較，林分地上部分的持水性能得到改善，降水經(jīng)過林冠層、活地被物層、凋落物層的多次截留后，減弱了雨滴的擊濺力，延緩了其到達(dá)地面的時(shí)間，加上混交后，能充分利用地力，林地土壤結(jié)構(gòu)及土壤孔隙狀況得到改善，土壤滲透性加強(qiáng)，土壤水分蓄積能力的提高有利于雨水下滲，從而減弱了地表徑流，使得混交林表現(xiàn)出比杉木純林更好的涵養(yǎng)水源功能，達(dá)到較佳的水土保持和涵養(yǎng)水源等目的。

5) 從不同模式的福建柏混交林和杉木純林對水源的涵養(yǎng)能力比較分析可知，在福建省閩南山區(qū)，福建柏與不同樹種的混交林對水源的涵養(yǎng)能力均超過杉木純林。與杉木純林相比，福建柏混交林地的地表覆蓋度增大，具有林冠截留、減緩降水強(qiáng)度、避免雨滴直接打擊土壤的作用，同時(shí)也改善了土壤結(jié)構(gòu)和土壤滲透性能，減少地表徑流，起到保持水土的巨大作用。

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(責(zé)任編輯 曹 龍)

Research on Forestland Water Conservation Function of Mixed Forests ofFokieniahodginsiiPlantation

Li Zhaofeng1，Huang Bihua2，Zheng Yushan1,3

(1.Fujian Forestry Vocational and Technical College, Nanping Fujian, 353000，China；2. Fujian Provincial Forestry Research Center，Nanjing Fujian 363600，China；3.College of Forestry, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou Fujian 350002, China)

Based on the research on the mixed forest water conservation function differences among 7 models ofFokieniahodginsii, in Nanjing national forest farm in Fujian province, analyzed the difference of aboveground part and water-holding capacity of mixed models. The result showed that,Fokieniahodginsiimixed forest had a positive correlation between the water conservation of aboveground part and biomass. Among these models， having the highest ability were the mixed forest ofFokieniahodginsiiandPinustaeda，with 42.49 t/hm2. Soil layer conservation accounted for upwards of 96 percent of total stand water-holding content. Among of them,Fokieniahodginsii×Pinustaedawas highest. The order of the different levels was soil layer, canopy class, litter layer and living ground cover layer, and soil layer was the primary sites for water conservation. Through comprehensive assessment of water conservation capacity of mixed forests ofFokieniahodginsiiplantation could make sure that the mixed model ofFokieniahodginsii×Pinustaedawas the best for stand water conservation .

Fokieniahodginsii;mixed forest;water conservation;soil;comprehensive evaluation

2015-05-25

福建省林木種苗科技攻關(guān)四期項(xiàng)目(閩林科[2013]1號)資助。

鄭郁善(1960—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：森林培育。Email：zys1960@163.com。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.05.003

S715.7

A

2095-1914(2015)05-0014-07

第1作者：李肇鋒(1966—)，男，碩士，副教授。研究方向：森林培育與森林生態(tài)。Email：544713197@qq.com。