密度對毛竹林水源涵養(yǎng)能力的影響

陳亞剛+賴玉玲+李武

摘 要： 以崇陽縣毛竹為研究對象，在4種密度（D1）1 300±100、（D2）1 900±100、（D3）2 500±100及（D4）3 100±100株·hm-2毛竹林分內(nèi)通過標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置與調(diào)查對毛竹林分水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，雖然不同毛竹林密度林冠層截留率之間的差異不顯著，但截留量之間的差異極顯著。半分解以及未分解凋落物持水量與浸泡時間之間均為對數(shù)方程，半分解以及未分解凋落物吸水速率與浸泡時間之間均為冪函數(shù)方程。不同密度凋落物最大持水量0.81～1.21 mm，并隨林分密度增加而增加。凋落物總最大持水率380.39%～402.13%。林分有效攔蓄量0.75～0.92 mm，有效攔蓄率292.92%～311.31%，并密度增大而增大。毛竹林土壤土壤含水率11.21%～13.70%，土壤容重1.19～1.34 g/cm3，毛管總孔隙度52.89%～54.77%，土壤毛管總孔隙度隨土層深度的增加而減小，土壤非毛管孔隙度9.39%～10.22%。林分密度對土壤物理性狀及其土壤滲透性能影響均不顯著。毛竹林土壤飽和蓄水量3 173.35～3 286.11 t·hm-2，不同密度毛竹林分土壤層飽和蓄水量之間的差異不顯著。雖然不同密度毛竹林分土壤毛管蓄水量之間的差異不顯著，但非毛管蓄水量差異顯著。毛竹林水源涵養(yǎng)總量584.15～626.58 t·hm-2，土壤蓄水量、林冠截留量及凋落物持水量分別占96.41%～97.91%、0.79 %～1.51%及1.30%～2.07%。

關(guān)鍵詞： 毛竹；密度；水源涵養(yǎng)；崇陽

中圖分類號：S727.15 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-3020（2017）01-0007-07

Abstract： Phyllostachys edulis （Moso bamboo） in Chongyang had been taken as research object. With 4 density stands， i.e， 1 300±100 stems·hm-2（D1）， 1 900±100 stems·hm-2（D2）， 2 500±100 stems·hm-2（D3） and 3 100±100 stems·hm-2（D4），a study of effect of stand density on water conservation capacity had been studied.Results showed that although the difference of canopy interception rate among bamboo stand density was not significant， the difference of canopy interception significant. Regressions for both semidecomposition and no decomposition litter water holding capacity to soaking time were logarithmic equation， regressions for both semidecomposition and no decomposition litter water absorption rate to soaking time power function equation. The maximum water holding capacity of litter in different density stand was 0.81～1.21 mm， and increased with the increase of the stand density.The total maximum water holding rate of litter was 380.39～402.13%. Stand effective interception was 0.75～0.92 mm， effective interception rate of 292.92%～311.31%， and it increased density with stand density increase. Soil moisture content was 11.21%～13.70% and soil bulk density 1.19～1.34 g/cm3. Total soil capillary porosity was 52.8%9～54.77%， soil capillary porosity decreased with the increase of soil depth， and soil non capillary porosity was 9.39%～10.22%. The effect of stand density on soil physical properties and soil permeability were not significant. Saturated soil water storage capacity of Moso bamboo forest was 3173.35～3286.11 t·hm-2， the difference of saturated soil water storage capacity among different density stand was not significant. Although the differences of soil capillary water capacity among different density stand was not significant， the difference of soil non capillary water capacity significant. The total water conservation capacity of Moso bamboo forest was 584.15～626.58 t·hm-2， the percent of soil water storage capacity， the percent of canopy conservation capacity and the percent of litter water holding capacity were 96.41%～97.91%， 0.79% ～ 1.51% and 1.30%～ 2.07%， respectively.

Key words： Phyllostachys edulis； stand density； water conservation capacity； Chongyang

森林是陸地上最大的生態(tài)系統(tǒng)，具有涵養(yǎng)水源、保持水土等多種生態(tài)功能[1]。森林通過林冠層截留降雨，改變雨滴的降落方式，削弱雨點對土壤的沖擊動力等方式來涵養(yǎng)水源[2]。不僅森林結(jié)構(gòu)，如林分的組成、林木密度、垂直層次、植株的水平空間分布等對其水源涵養(yǎng)能力有重要的影響，枯枝落葉層現(xiàn)存量及土壤物理性狀對森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量亦有重要的影響。森林土壤在森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)總量中占據(jù)主導(dǎo)地位，森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)總量是森林植被和土壤共同作用的結(jié)果[3-7]。

不同密度林分由于林分結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì)等的不同，導(dǎo)致其水源涵養(yǎng)能力也存在一定差異。周澤福等對太行山不同密度水源涵養(yǎng)林的研究得出合理調(diào)整林分密度才能使生態(tài)效益得到更大的發(fā)揮。鄭郁善等研究了福建省沿海丘陵不同密度巨尾按人工林水源涵養(yǎng)功能，得出不同密度的巨尾桉人工林其水源涵養(yǎng)能力存在顯著差異。魯紹偉研究了北京山地人工側(cè)柏林發(fā)現(xiàn)不同密度側(cè)柏林分凋落物總儲量隨著林分密度增加而增大，最大持水量隨林分密度增加表現(xiàn)為先增大而后減。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

崇陽縣地理位置為東經(jīng)112°32′～114°29′，北緯29°12′～29°41′，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，日照充足，溫和多雨。平均氣溫16.7 ℃，極端最高氣溫40.7 ℃，極端最低氣溫-14.9 ℃，無霜期259 d，年雨量1 395 mm。夏季酷暑持續(xù)時間較短，冬季嚴(yán)寒冰凍較少。

試驗區(qū)毛竹土壤母巖主要是頁巖及石灰?guī)r類型。由頁巖發(fā)育的紅壤pH值4.5～6.5，由石灰?guī)r發(fā)育的石灰土，pH值7.0～7.5。土質(zhì)疏松、石礫含量輕（10%～30%），腐殖質(zhì)層較厚，通透性好，保水保肥能力較強(qiáng)。

試驗地林內(nèi)雜草雜藤較多，植被蓋度70%。林木郁閉度在0.5以上，土層厚度在60～80 cm。

1.2 研究方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置

2015年4月，在頁巖中下坡厚土層立地類型毛竹林分中，分別不同密度按常規(guī)方法設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣地，面積20 m×15 m，每處理3次重復(fù)，共12個標(biāo)準(zhǔn)地，標(biāo)準(zhǔn)地四周設(shè)置3 m左右的緩沖帶。試驗設(shè)置4個密度，即1 300±100株·hm-2（D1）、1 900±100株·hm-2（D2）、2 500±100株·hm-2（D3）及3 100±100株·hm-2（D4）。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查

（1）林分調(diào)查。在上述各標(biāo)準(zhǔn)地毛竹進(jìn)行每木檢尺，包括年齡（度）、地徑、胸徑、枝下高、竹高、冠幅等指標(biāo)。

（2）林冠層持水量測定。分別1～4度竹，以各度竹的平均胸徑為標(biāo)準(zhǔn)選取四株標(biāo)準(zhǔn)竹，取其枝與葉后稱鮮重。用尼龍袋包裹標(biāo)準(zhǔn)竹枝葉樣品置于水池中浸泡0.5～1.0 h后取出靜置，待重力水滴凈后再稱重量，從而得到以鮮重為基準(zhǔn)的毛竹枝葉最大持水量與持水率。通過密度，推算出每公頃毛竹林冠層的最大持水量與持水率。

（3）凋落物儲量調(diào)查。在各標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)凋落物有代表性的地方設(shè)置3個0.5 m×0.5 m樣方，用尺測定凋落物層未分解層和半分解層的厚度，并分層采集樣方內(nèi)所有凋落物，用天平稱其重量后裝入樣品袋后帶回實驗室，待其自然風(fēng)干后再稱重。隨機(jī)取部分風(fēng)干樣品在80 ℃恒溫下烘干至恒重，計算樣品的自然含水率以及樣方內(nèi)枯落物烘干重量，進(jìn)而推算出各標(biāo)準(zhǔn)地的凋落物儲量。

（4）凋落物層持水量和吸水速率的測定。分別在未分解層和半分解層取部分自然風(fēng)干樣品，稱風(fēng)干重。然后用尼龍袋包裹浸入水中0.5、1、2、4、6、12、24 h，每次取出靜置，待重力水滴凈后再稱重量，凋落物濕重與其風(fēng)干重的差值即為不同浸水時間的持水量，該值與浸泡時間的比值即為凋落物的吸水速率。將浸泡24 h后的凋落物含水率作為最大持水率。

采用程金花有效攔蓄量方法來估算凋落物對降雨的實際攔蓄量，計算公式為：

W=（0.85 Rm-Ro）M

式中，W有效攔蓄量（t·hm-2），Rm最大持水率（%），Ro平均自然含水率（%），M凋落物儲量（t·hm-2）。

對毛竹凋落物持水量與浸泡時間，以及毛竹凋落物吸水速率與浸泡時間進(jìn)行多方程擬合?；貧w方程包括線性、對數(shù)、指數(shù)、冪函數(shù)、邏輯斯蒂及S曲線。對方程進(jìn)行顯著性檢驗，選擇F及R2值大者為其回歸方程。在同等條件下，則選擇相對簡單的回歸方程。

（5）土壤物理性質(zhì)、持水能力和滲透性能測定。在各標(biāo)準(zhǔn)樣內(nèi)選取3個具有代表性的地塊挖掘土壤剖面，用環(huán)刀分別在0～20 cm、20～40 cm及40～60 cm土層內(nèi)取原狀土，每層3次重復(fù)，同時取環(huán)刀周圍的部分土放入鋁盒，編號后帶回實驗室，用室內(nèi)雙環(huán)刀法測定土壤土壤滲透性[8]。本試驗測得的滲透系數(shù)統(tǒng)一換算為10 ℃時的滲透系數(shù)，本試驗所用環(huán)刀體積為100 cm2。由公式計算不同林分一定土層深度內(nèi)（本文計算深度均為60 cm）土壤的毛管蓄水量、非毛管蓄水量和飽和蓄水量。

Wc=10 000 Pc×h，Wn=10 000 Pn×h，Wt=Wc+Wn

式中，Wc土壤毛管蓄水量（t·hm-2），Wn非毛管蓄水量（t·hm-2），Wt土壤飽和貯水量（t·hm-2），Pc土壤毛管孔隙度（%），Pn土壤非毛管孔隙度（%），h土層深度（m）。

2 結(jié)果與分析

2.1 毛竹林密度對林冠層截留量及截留率的影響

對毛竹林分結(jié)構(gòu)而言，影響森林水源涵養(yǎng)功能最主要的因子是密度，即密度對毛竹林林冠層截留量與截留率產(chǎn)生重要的影響，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，毛竹林林冠層枝葉截留量在4.97～8.84 t·hm-2，毛竹林冠截留量隨林分密度增大而增大。方差分析表明，不同密度毛竹林冠層截留量之間的差異極顯著。

毛竹林林冠層截留率大小依次為D2（40.65%）>D3（39.01%）>D4（37.87%）>D1（35.58%）。數(shù)據(jù)表明，隨著林分密度的增大，林冠層持水量先增大后減小。方差分析表明，不同密度毛竹林分林冠層截留率差異不顯著。

2.2 毛竹林密度對凋落物層持水能力的影響

2.2.1 凋落物持水量與浸泡時間的關(guān)系

毛竹林凋落物持水量隨浸泡時間的增加而增加。在浸泡的前0～2 h內(nèi)，其持水量急速上升，到4 h時的持水量達(dá)到其最大持水量的80%以上，此后逐漸變緩，不同密度毛竹林凋落物持水量與浸泡時間的變化趨勢相同，如圖1所示。經(jīng)多回歸方程擬合，毛竹半分解凋落物持水量與浸泡時間之間，未分解凋落物持水量與浸泡時間之間均為對數(shù)方程，見表2。

2.2.2 凋落物吸水速率與浸泡時間的關(guān)系

毛竹凋落物在浸泡前1 h內(nèi)，吸水速率急劇下降，約2 h后下降速度開始減緩并逐漸趨于穩(wěn)定，如圖2所示。經(jīng)多回歸方程擬合，毛竹半分解凋落物吸水速率與浸泡時間之間，未分解凋落物吸水速率與浸泡時間之間均為冪函數(shù)方程，見表3。

2.2.3 毛竹林密度對凋落物層持水能力的影響

（1）毛竹林凋落物層最大持水量與最大持水率。毛竹林凋落物最大持水量隨林分密度增加而增加。不同密度最大持水量在0.81～1.21 mm，未分解層凋落物的最大持水量大于半分解層的，見表4。

未分解層凋落物的最大持水量隨密度變化表現(xiàn)為：D1（0.43 mm）

毛竹林凋落物最大持水率380.39%～402.13%，其中未分解層凋落物的最大持水率大于半分解層的。

未分解層凋落物的最大持水率隨密度變化表現(xiàn)為：D4（242.83%）

半分解層凋落物的最大持水率隨密度變化表現(xiàn)為：D2（137.30%）

（2）毛竹林凋落物層有效攔蓄量與有效攔蓄率。就有效攔蓄量而言，林分密度越大，有效攔蓄量越大。其中D1的有效攔蓄量為0.63 mm，D2為0.75 mm，D3為0.91 mm，D4為0.92 mm，見表4。

不同密度毛竹林凋落物層總有效攔蓄率292.92%～311.31%，其中未分解層凋落物有效攔蓄率大于半分解層。未分解層有效攔蓄率依次為D3（203.65%）>D1（197.22%）>D2（195.44%）>D4（194.30%）。半分解層有效攔蓄率依次為D3（107.65%）>D1（106.21%）>D2（98.91%）>D4（98.62%）。

2.3 毛竹林密度對林分水源涵養(yǎng)量的影響

（1）毛竹林密度對土壤物理性狀及其滲透性能的影響。毛竹林分的土壤土壤含水率11.21%～13.70%，土壤容重為1.19～1.34 g·cm-3，土壤毛管總孔隙度52.89%～54.77%，土壤毛管總孔隙度隨土層深度的增加而減小。各林分土壤非毛管孔隙度在9.39%～10.22%。方差分析表明，密度對各土壤物理性狀的影響不顯著，見表5。

土壤滲透是指水分進(jìn)入土壤形成土壤水的過程。毛竹林不同密度各土壤層次土壤滲透性能如表6所示。

由表6可知，各密度毛竹林分的土壤初始滲透速率在4.92～5.89 mm·min-1，穩(wěn)定滲透速率在 2.91～3.22 mm·min-1，平均滲透速率在 3.33～3.84 mm·min-1，各種滲透速率均表現(xiàn)為隨著密度的增大而逐漸減小的規(guī)律。各林分中土壤滲透系數(shù)最小的是D4（1.89 mm·min-1），D1的土壤滲透系數(shù)最大（2.18 mm·min-1）。在0～60 cm土層中，表土層土壤有較好的滲透性能，這可能是因為表層土壤有機(jī)質(zhì)和鞭根量較多，有利于水分的入滲。方差分析表明，不同密度不同土層毛竹林土壤滲透性能之間的差異均不顯著。

（2）毛竹林密度對土壤水源涵養(yǎng)量的影響。

土壤飽和蓄水量變化幅度為3 173.35～3 286.11 t·hm-2，不同密度土壤蓄水量依次為D2（3 286.11 t·hm-2）>D4（3 251.23 t·hm-2）>D3（3 247.75 t·hm-2）>D1（3 173.35 t·hm-2）。方差分析表明，不同密度毛竹林分土壤層飽和蓄水量之間差異不顯著，見表6。

土壤毛管蓄水量變化幅度為2 559.88～2 703.11 t·hm-2，不同密度土壤毛管蓄水量依次為D2（2 703.11 t·hm-2）>D4（2 688.03 t·hm-2）>D3（2 648.49 t·hm-2）>D1（2 559.88 t·hm-2），方差分析表明，不同密度毛竹林分土壤毛管蓄水量差異不顯著。

非毛管蓄水量各密度林分土壤有效蓄水量變化幅度為563.20～613.47 t·hm-2，不同密度土壤非毛管蓄水量依次為：D1（613.47 t·hm-2）>D3（599.27 t·hm-2）>D2（583.00 t·hm-2）>D4（563.20 t·hm-2）。這可能是由于低密度毛竹林林下植被生長較多，其根系使土壤非毛管孔隙度增加，從而使有效蓄水量增加。方差分析表明，不同密度毛竹林分土壤非毛管蓄水量差異顯著。

（3）毛竹林密度對林分水源涵養(yǎng)總量的影響。毛竹林分的總水源涵養(yǎng)量由林冠截留量、凋落物持水量和土壤層蓄水量等組成。對各密度毛竹林分的各層次的總水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行分析，結(jié)果見表8。

由表8可以看出，毛竹林水源涵養(yǎng)總量584.15～626.58 t·hm-2，不同密度毛竹林水源涵養(yǎng)總量依次為D1（626.58 t·hm-2）>D3（618.88 t·hm-2）>D2（599.56 t·hm-2）>D4（584.15 t·hm-2）。土壤蓄水量所占比例最高，在96.41%～97.91%，且隨著林分密度的增大而減小。地上部分的水源涵養(yǎng)量占林分總水源涵養(yǎng)的比例非常小，其中林冠截留量在0.79%～1.51%，凋落物持水量1.30%～2.07%，且均隨著密度的增大而增大。

3 結(jié)論與討論

密度對毛竹林分水文效益，如林冠截留量、凋落物最大持水量、林分有效攔蓄量、非毛管蓄水量等產(chǎn)生顯著影響。毛竹林水源涵養(yǎng)總量584.15～626.58 t·hm-2，土壤蓄水量、林冠截留量及凋落物持水量分別占96.41%～97.91%、0.79%～1.51%及1.30%～2.07%。土壤持水量是毛竹林水源涵養(yǎng)的主體，該結(jié)論與許多學(xué)者研究結(jié)果相同[4，67]。

森林結(jié)構(gòu)包括林分的。林分的結(jié)構(gòu)上的不同，如森林組成結(jié)構(gòu)、密度結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)、植株水平空間分布與垂直分布結(jié)構(gòu)的不同會導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)差異。

毛竹在竹類中最高大的一種，用途廣泛，栽培面積大，是南方最重要的材用、筍用及材筍兩用竹種。在大多數(shù)情況下，毛竹林是純林。因此，林分密度對其地上部分與地下部分空間，對太陽光能，對大氣中的CO2與O2吸收與利用率，對土壤中的水分、礦物質(zhì)吸收與利用率；林分生產(chǎn)力；林分穩(wěn)定性與抗逆能力；森林的美景度；森林小氣候特征；森林自我培肥能力；水源涵養(yǎng)能力及其他森林生態(tài)效能等產(chǎn)生重要的影響。

依據(jù)培育毛竹林的目的不同，如材用林、筍用林及材筍二用林，林分的密度也要因此而不同。因此，在生產(chǎn)實際中，要根據(jù)培育目的、立地條件、產(chǎn)品市場銷路與價格、交通與勞力、以及經(jīng)營水平等綜合確定毛竹林分密度。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：夏劍萍）