不同植被恢復(fù)模式地表徑流與土壤貯水能力研究

曾掌權(quán)， 田育新， 鄧鷹鴻， 羅 佳， 牛艷東， 吳子劍， 楊 蕊， 羅 萍

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南慈利森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站， 湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省林業(yè)廳， 湖南 長(zhǎng)沙 410004； 3.湖南省桃江縣板溪國(guó)有林場(chǎng)， 湖南 桃江 413402)

不同植被恢復(fù)模式地表徑流與土壤貯水能力研究

曾掌權(quán)1， 田育新1， 鄧鷹鴻2， 羅 佳1， 牛艷東1， 吳子劍1， 楊 蕊1， 羅 萍3

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南慈利森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站， 湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省林業(yè)廳， 湖南 長(zhǎng)沙 410004； 3.湖南省桃江縣板溪國(guó)有林場(chǎng)， 湖南 桃江 413402)

于湖南省平江縣選取針葉樹種+一般闊葉樹種混交林(M1)、針葉樹種+珍貴闊葉樹種混交林(M2)、珍貴闊葉樹種(M3)等3種重建造林模式；于湖南省資興市選取針葉樹種+珍貴闊葉樹種混交林(M6)、竹、喬混合經(jīng)營(yíng)(M7)、人工促進(jìn)天然更新(M8)等3種恢復(fù)培育模式作為研究對(duì)象，定位觀測(cè)研究不同模式徑流產(chǎn)生特征與土壤持水能力。結(jié)果表明:造林模式M1、M2與M3的年地表徑流量相差不大，其排序?yàn)镃K1(73.07 mm)>M3(66.47 mm)>M2(62.51 mm)>M1(61.74 mm)。培育模式M7、M6、M8的年徑流量相差不大，排序?yàn)闉镸7(22.76 mm)> M6(21.88 mm)>M8(20.16 mm)。造林模式在 30～40 mm和≥50 mm降雨區(qū)間產(chǎn)流量較多，占全年徑流的25.89%～30.42%。造林模式20～30 mm和≥50 mm降雨區(qū)間產(chǎn)流量較多，占全年徑流的27.83%～35.09%。森林植被重建和恢復(fù)模式下產(chǎn)生徑流量較對(duì)照小，說明森林植被重建和恢復(fù)有利于降低林地地表徑流。

造林模式； 培育模式； 地表徑流； 森林經(jīng)營(yíng)

降雨是坡面產(chǎn)流的先決條件，降雨的過程中，林地表層土壤滲水能力好，容易形成壤中流[1]，在壤中流回流的基礎(chǔ)上產(chǎn)生地表徑流[2]。林地產(chǎn)流量的大小取決于降雨量、降雨強(qiáng)度及森林植被狀況[3]。森林植被對(duì)坡面產(chǎn)流有著重要的調(diào)節(jié)作用[4-5]，通過林冠截持、灌草枯落物緩沖，可降低雨滴動(dòng)能和減少水土流失[6]。不同地區(qū)、不同類型的森林植被具有不同的冠層結(jié)構(gòu)和土壤環(huán)境，影響著降水在林冠層、凋落物層和土壤層的分配，進(jìn)而影響地表徑流的形成[7-8]。在世界銀行貸款湖南森林恢復(fù)與發(fā)展項(xiàng)目區(qū)，通過增加樹種與結(jié)構(gòu)的多樣性恢復(fù)和重建森林資源，改善地表徑流狀況，提高土壤貯水能力。因此，開展不同植被恢復(fù)與重建模式地表徑流及土壤貯水能力研究十分必要。作者選取湖南省平江項(xiàng)目區(qū)不同植被重建模式和資興項(xiàng)目區(qū)不同植被恢復(fù)模式的徑流小區(qū)2014年定位觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究不同植被恢復(fù)與重建模式地表徑流量，探討不同植被恢復(fù)與重建模式對(duì)地表徑流量的影響，為湖南植被恢復(fù)與重建選擇持水保土能力強(qiáng)的造林樹種，營(yíng)建水土保持功能強(qiáng)大的林分提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

平江不同植被重建模式項(xiàng)目區(qū)位于湖南省東北部、平江縣獻(xiàn)沖苗圃。該區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)、東亞熱帶向北亞帶過渡氣候帶，年平均氣溫16.8 ℃，常年積溫6 185.3 ℃，年平均降水量1450.8 mm，年日照1 731 h。資興不同植被恢復(fù)模式項(xiàng)目區(qū)位于湖南省東南部、資興市林業(yè)科學(xué)研究所。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，年均氣溫17.7 ℃，年均降雨量1 487.6 mm，年均日照1 700 h。

2 研究方法

2.1樣地設(shè)置

在平江縣獻(xiàn)沖苗圃選取重建造林模式為M1(針葉樹種+一般闊葉樹種混交林)、M2(針葉樹種+珍貴闊葉樹種混交林模式)、M3(珍貴樹種培育模式)的徑流小區(qū)設(shè)置樣地。在資興市林業(yè)科學(xué)研究所選取恢復(fù)培育模式為M6(針葉樹種+珍貴闊葉樹種混交林模式)、M7(竹、喬混合經(jīng)營(yíng)模式)、M8(人工促進(jìn)天然更新模式)的徑流小區(qū)設(shè)置樣地。各樣地植被特征見表1，土壤特征見表2。

表1 樣地植被特征Tab1 Patternsofvegetationrestorationandrestoration編號(hào)模式樣地主要植被類型密度(株/667m2)平均樹高(m)平均胸徑(cm)CK1M1、M2、M3起點(diǎn)荒山1<5M1針葉樹種+一般闊葉樹種新造林杉木+楓香+樟樹+榿木150<3<5M2針葉樹種+珍貴闊葉樹種新造林杉木+銀杏+檫木+鵝掌楸150<3<5M3珍貴闊葉樹種新造林銀杏+香樟+檫木+楠木+鵝掌楸150<3<5M6針葉樹種+珍貴闊葉樹種培育模式馬尾松+樟樹+楓香+木荷1001210CK6受損森林馬尾松 801210M7竹、喬混合經(jīng)營(yíng)模式毛竹+杜英+木荷2001512CK7受損森林竹林1501512M8人工促進(jìn)天然更新模式柏+酸棗+含笑+紅豆杉1001311CK8受損森林柏801311

2.2降雨觀測(cè)

降雨觀測(cè)場(chǎng)規(guī)格為5 m×5 m，場(chǎng)地平整，應(yīng)用7852型自記雨量?jī)x連續(xù)采集數(shù)據(jù)。按日降雨量<10 mm、10～20 mm、20～30 mm、30～40 mm、40～50 mm及≥50 mm等6個(gè)降雨區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2.3地表徑流觀測(cè)

地表徑流采用坡面徑流小區(qū)定位監(jiān)測(cè)研究方法。每個(gè)項(xiàng)目區(qū)林分模式和每個(gè)非項(xiàng)目區(qū)林分模式(CK)各設(shè)置1個(gè)坡面徑流小區(qū)進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)，各重復(fù)3次。坡面徑流小區(qū)采取5 m(平行等高線)×20 m(垂直等高線)進(jìn)行設(shè)計(jì)。坡面徑流小區(qū)由圍埂、圍埂圍成的小區(qū)、集流槽、監(jiān)測(cè)用房(含翻斗式地表徑流儀、泥沙采樣池)、進(jìn)水管、排水管、保護(hù)帶等組成。

表2 樣地土壤基本理化性質(zhì)Tab2 Basicphysicalandchemicalpropertiesofsoil編號(hào)坡向小區(qū)坡度(°)土壤容重(g/cm3)pH值有機(jī)碳(g/kg)總氮(g/kg)總磷(g/kg)CK1東南25311215425581250272M1東南2525122544543130257M2東南25191255486891210295M3東南25581235637241220291M6西南1055135055211290283CK6西南10571295015431310277M7西南25221325788471250274CK7西南25231315718121350275M8北20361375895321280242CK8北20321365905371340247

地表徑流量監(jiān)測(cè)采用QT-50 mL型翻斗式地表徑流儀，連續(xù)采集數(shù)據(jù)。

2.4土壤持水量的測(cè)定及計(jì)算

在樣地內(nèi)挖掘土壤剖面，記錄土壤層次及土層厚度，用環(huán)刀按 0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，40～60 cm的深度分層取樣，帶回室內(nèi)測(cè)定土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、含水率及土壤持水能力，同時(shí)測(cè)定石礫體積含量。

2.5數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1降雨特征

表3結(jié)果表明：資興恢復(fù)模式區(qū)2014年總降雨量為1 436.5 mm，不同日降雨量區(qū)間的年降雨量差異較大；日降雨量最大(≥50 mm)區(qū)間的年降雨量為392.5 mm，約占年總降雨量的27.3%；日降雨量最小(40～50 mm)區(qū)間的年降雨量為155.3 mm，約占年總降雨量的10.8%；日降雨量最大區(qū)間的年降雨量約為最小區(qū)間年降雨量的2.53倍。平江重建模式區(qū)2014年總降雨量為1 332.2 mm，不同日降雨量區(qū)間年降雨量差異亦較大；日降雨量最大(≥50 mm)區(qū)間的年降雨量為364.2 mm，約占年總降雨量的27.3%；日降雨量最小(40～50 mm)區(qū)間的年降雨量為142.5 mm，約占年總降雨量的10.7%；日降雨量最大區(qū)間的年降雨量約為最小區(qū)間年降雨量的2.56倍。

表3 2014年降雨特征Tab3 Characteristicsofrainfallin2014year日降雨量(mm)區(qū)間年降雨量(mm)資興平江<101623159810～201654149320～302967267330～402643249140～5015531425≥5039253642模式區(qū)年總降雨量1436513322

3.2土壤貯水

3.2.1 土壤最大貯水能力 表4結(jié)果表明：培育模式林分M8的土壤貯水能力與M6、M7相差較大，M6與M7之間相差不大；各模式林分與各自對(duì)照間的相差不大，其大小排序?yàn)?M8> CK8> M7>CK7> M6>CK6。造林模式林分M3的土壤貯水能力與M1、M2的相差較大，M1與M2之間相差不大，M3與對(duì)照CK1之間相差較大；其它相差均不大，其大小排序?yàn)?M3> M2> M1。

表4 土壤最大貯水能力Tab4 Themaximumstoragecapacityofthesoil樣地土層厚度(cm)總孔隙度(%)毛管孔隙度(%)非毛管孔隙度(%)最大貯水能力(t/hm2)M149397536453316170M254373634163217280M361386935293420740CK150382235123115500M657394935294223940CK654372333134122140M756392534854424640CK757374633164324510M848451139215928320CK845436538155524750

3.2.2 土壤貯水量 由表5可以看出：造林模式小區(qū)全年土壤貯水量為42.19～75.30 t/100 m2。6個(gè)日降雨量區(qū)間中，各林分都以40～50 mm區(qū)間的土壤貯水量最小，10～20 mm和30～40 mm區(qū)間的土壤貯水量較多。培育模式小區(qū)全年土壤貯水量達(dá)53.66～63.57 t/100 m2。6個(gè)日降雨區(qū)間中，各林分都以40～50 mm區(qū)間土壤貯水量最小，20～30 mm和30～40 mm區(qū)間土壤貯水量較多。培育模式林分M8的全年土壤貯水量與M6、M7的相差不大，各模式林分與各自的對(duì)照之間差異不大，其大小排序?yàn)镸8(63.57 t/100 m2)>M7(60.23 t/100 m2)> M6(59.05 t/100 m2)> CK8

(59.00 t/100 m2)>CK7(58.37 t/100 m2)> CK6(53.66 t/100 m2)。造林模式林分M3的全年土壤貯水量與M1、M2、CK1的相差較大，M1、M2與CK1之間相差不大，其大小排序?yàn)镸3(75.30 t/100 m2)>M2(65.96 t/100 m2)> M1(65.51 t/100 m2)> CK1(57.54 t/100 m2)。

表5 各林分全年土壤貯水量Tab5 Annualsoilwaterstorageofeachstand(t/100m2)日降雨(mm)區(qū)間M1M2M3CK1M6CK6M7CK7M8CK8<10106585269226621312209106100000010～20117111431292130181071479575475976520～30135514381751135015611459171916221669170230～40130813981677125416251502167216631922168040～50549586704526721667742738853745≥501103117914151057976902100499911541009總計(jì)6551659675305754590553666023583763575900

3.3年地表徑流量

表6結(jié)果顯示：造林模式M1、M2與M3的年徑流量相差不大，與對(duì)照CK1的相差也不大，其排序?yàn)镃K1(73.07 mm)>M3(66.47 mm)>M2(62.51 mm)>M1(61.74 mm)。培育模式M7、M6、M8之間年徑流量相差不大，各林分與對(duì)照之間相差也不大，排序?yàn)镸7(22.76 mm)> M6(21.88 mm)>M8(20.16 mm)。6個(gè)日降雨區(qū)間中，各林分的0～10 mm區(qū)間均不產(chǎn)流。造林模式30～40 mm和≥50 mm區(qū)間產(chǎn)流較多，占全年徑流的25.89%～30.42%。造林模式20～30 mm和≥50 mm區(qū)間產(chǎn)流較多，占全年徑流的27.83%～35.09%。

表6 各林分年徑流區(qū)間分布Tab6 Annualrunoffintervaldistribution(mm)降雨(mm)區(qū)間M1M2M3CK1M6CK6M7CK7M8CK8<1000000000000000000000000000000010～2076181783685229430125827229330620～30123511241328144775176466068864670030～40181118851884222323124026226328529940～50767724821883258263297303218229≥501598170217781902654684798812573592總計(jì)6174625166477307218822512276233820162125

4 結(jié)論與討論

土壤貯水量作為評(píng)價(jià)森林植被水土保持功能的重要指標(biāo)，其大小與土壤厚度和土壤孔隙狀況密切相關(guān)。土壤孔隙按當(dāng)量直徑的大小可分為毛管孔隙與非毛管孔隙，土壤水分貯存可分為吸持貯存和滯留貯存兩種形式。有研究認(rèn)為，在土壤結(jié)構(gòu)方面，土壤結(jié)構(gòu)是由土壤的板結(jié)程度、密實(shí)度和孔隙狀況決定的[9]。土壤的孔隙度越大，土壤結(jié)構(gòu)越疏松，土壤滲透性能越強(qiáng)。地表徑流量與土壤滲透性能有關(guān)，土壤滲透性能越強(qiáng)，地表水下滲越多，徑流量越小，反之，徑流量越大[10]。徐小牛[11]等比較了常綠闊葉林65年生林分0～40 cm土壤層的最大持水量高于幼齡林的15.4%。這與本研究培育模式與造林模式之間土壤貯水能力相差較大的結(jié)果相似。這主要是因?yàn)榕嘤Ｊ绞禽^成熟的林分，對(duì)土壤性質(zhì)特別是對(duì)其毛管孔隙度有一定的促進(jìn)作用。不同林分由于其模式和組成樹種的不同，所形成的土壤結(jié)構(gòu)不同，從而導(dǎo)致了土壤貯水能力的明顯不同。培育模式具有較高的調(diào)節(jié)和涵養(yǎng)水源的功能，造林模式前期對(duì)土壤的擾動(dòng)較大，影響其貯水能力，而荒山最小。

降雨是坡面產(chǎn)流的先決條件，地表徑流量均隨著降雨強(qiáng)度的增加而增大。這是因?yàn)榻涤昴軌虍a(chǎn)生地表徑流，對(duì)地表徑流量的大小有著直接的影響[12]。同時(shí)，森林植被覆蓋情況對(duì)其也有決定性的影響[3]，可以林冠截持、增加地面覆蓋、涵養(yǎng)水源、降低雨滴動(dòng)能，阻擋水土流失[6]。有研究表明，徑流量受到林冠截留、林地枯枝落葉狀況、土壤結(jié)構(gòu)等多種因素的共同影響[I3]。林冠截留能夠遲緩林內(nèi)地表徑流，不同的林地類型對(duì)降雨的截流能力存在差異。林冠層對(duì)降雨的截留作用，將會(huì)影響到地表徑流量的大小[14]。在林地枯枝落葉方面，有研究表明，凋落物層會(huì)對(duì)徑流產(chǎn)生較大的影響，不僅吸水持水能力強(qiáng)，而且還能夠截留雨水，降低雨水的侵蝕作用，增強(qiáng)土壤滲透性，減緩減少地表徑流量。

本研究造林模式各林分與培育模式各林分之間年徑流量相差較大，主要原因可能是培育模式的林分較成熟，對(duì)土壤的改良較多。林分地表徑流受降雨量的影響較大，尤其是大雨和暴雨過后，林分地表徑流量呈明顯增大的趨勢(shì)，這與付林池[15]等研究米櫧次生林和杉木人工林的地表徑流量均隨著降雨強(qiáng)度的增加而增大的結(jié)果相似。造林模式形成徑流量遠(yuǎn)大于培育模式的原因可能是造林模式監(jiān)測(cè)區(qū)為新造林分，前期砍伐、煉山、栽植等經(jīng)營(yíng)活動(dòng)對(duì)土壤的擾動(dòng)較大，植被破壞較嚴(yán)重，不利于保水保土，同時(shí)造林模式項(xiàng)目區(qū)坡度較大，同樣也加劇了水土流失。培育模式有完整的林冠層、灌草層和枯落物層，改變了降雨的再分配，減少了地表徑流的產(chǎn)生。因此，通過對(duì)森林資源的重建與恢復(fù)，將針葉林改造成針闊混交林，構(gòu)建復(fù)層、異齡、多樹種的植被群落，增加森林植被覆蓋度，增強(qiáng)林地的林冠截留能力，增加林地凋落物的儲(chǔ)量，能夠降低雨水對(duì)地表的沖擊，提高土壤滲透性，減少林地的地表徑流。

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Therunoffandsoilwaterstorageofdifferentrestorationpatterns

ZENG Zhangquan1, TIAN Yuxin1, DENG Yinghong2, LUO Jia1, NIU Yandong1, WU Zijian1, YANG Rui1, LUO Ping3

(1.Hunan Academy of Forestry, Cili Research Station of Forest Ecosystem, Changsha 410004, China; 2.Forestry Department of Hunan Province, Changsha 410004, China； 3.Taojiang Banxi State-owned Forest Farm, Taojiang 413402, China)

This paper selects there afforestation modes of Pingjiang County as the research object about coniferous species+general broad-leaf species mixed forest (M1), coniferous species+ precious broad-leaved species mixed forest mode (M2) and precious broad-leaved species mixed forest mode (M3)，and there cultivation modes of Zixing City as the research object about coniferous species + precious broad-leaved species mixed forest mode (M6), bamboo and arbor mixed mode (M7) and manually promoted natural regeneration mode (M8), to research the runoff characteristics under different vegetation model. The results show that there is a little difference in the annual runoff volumes among the afforestation modes. The sequence is CK1 (73.07 mm) > M3 (66.47 mm) > M2 (62.51 mm) > M1 (61.74 mm). There is a little difference in the annual runoff volumes among the cultivation modes M7, M6 and M8. The sequence is M7 (22.76 mm) > M6 (21.88 mm) > M8 (20.16 mm). There is significant difference in the annual runoff volumes between afforestation mode forest stands and cultivation mode forest stands. The afforestation modes have more runoff generation at 30～40 mm and ≥50mm sections, amounting to 25.89%～30.42% of the annual runoff volume. The cultivation modes have more runoff generation at 20～30mm and ≥50 mm sections, amounting to 27.83～35.09% of the annual runoff volume. Under the mode of forest vegetation reconstruction and recovery, the runoff rate is smaller than that of the control, which indicates that the vegetation restoration and restoration is beneficial to reduce the surface runoff.

afforestation mode; cultivation mode; runoff; forest management

2016-04-08

世界銀行貸款湖南森林恢復(fù)與發(fā)展項(xiàng)目(JC-3)；湖南省林業(yè)科技計(jì)劃(XLGYLCJ-201501，XLK201417)；科技部國(guó)際科技合作專項(xiàng)(2015DFA90450)；湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015JJ6050)；國(guó)家林業(yè)局湖南慈利石漠化定位監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

曾掌權(quán)(1976-)，男，湖南省益陽(yáng)市人，助理研究員，博士，主要從事森林生態(tài)研究。

田育新，研究員；E-mail：1549751927@qq.com

S 718.55+7

A

1003 — 5710(2016)04 — 0081 — 05

10.3969/j. issn. 1003 — 5710.2016.04.016

(文字編校：唐效蓉)