不同造林模式水源涵養(yǎng)功能研究

羅 佳 ，田育新，周小玲 ，曾掌權(quán) ，牛艷東 ，陳 藝 ，何先進(jìn) ，姚 敏

（1.湖南省林業(yè)科學(xué)院 國家林業(yè)局湖南慈利森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站，湖南 長沙 410004；2.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004；3.資興市林業(yè)科學(xué)研究所，湖南 資興 423400）

森林作為陸地面積最大的生態(tài)系統(tǒng)，由于其具有龐大的林冠層、深厚的枯落物層、發(fā)達(dá)的根系及疏松多孔的森林土壤起到水源涵養(yǎng)的作用，主要體現(xiàn)在對降水的截持再分配，調(diào)節(jié)徑流河川，調(diào)整林內(nèi)小氣候，減小林內(nèi)地表蒸發(fā)，改良土壤結(jié)構(gòu)，減少地表侵蝕等[1-2]。以往針對森林水源涵養(yǎng)功能的大量研究主要有林冠截留與再分配、樹干莖流、枯落物截留與持水能力、土壤特性與持水能力等[3-17]，這些多集中在針對某一特定層次指標(biāo)或某一種林分類型水源涵養(yǎng)功能的研究。降雨受森林的影響而表現(xiàn)出來的水分分配和運(yùn)動過程，包括降雨、降雨截持、干流、蒸散、地表徑流等，構(gòu)成了森林的水文過程。它是森林的4個作用層，即森林喬木層、灌草層、枯枝落葉層和土壤層對降水進(jìn)行再分配的復(fù)雜過程。為恢復(fù)2008年雪災(zāi)受損森林資源，提高湖南森林生態(tài)系統(tǒng)對氣候災(zāi)害的適應(yīng)性和抗逆性，在世界銀行貸款湖南森林恢復(fù)與發(fā)展項目支持下，以發(fā)揮森林生態(tài)效益為目標(biāo)、以多功能森林經(jīng)營為指導(dǎo)思想、以近自然經(jīng)營技術(shù)為實現(xiàn)途徑，考慮林分現(xiàn)狀和適地適樹原則，提出了多種森林經(jīng)營模式[18]。本文整體系統(tǒng)的研究項目實施區(qū)造林模式森林涵養(yǎng)水源功能，并進(jìn)行比較分析，旨在定量分析不同造林模式水源涵養(yǎng)功能大小，為其可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)平江縣位于湖南省東北部，處汨水、羅水上游，汨羅江自東向西貫穿全境，東與江西省修水縣、銅鼓縣交界，北與湖北省通城縣和湖南省岳陽縣相連，南與瀏陽市接壤，西與長沙縣、汨羅市毗鄰。平江縣地貌以山地和丘陵為主。山地占總面積的28.5%，丘陵占55.9%，崗地占5.8%，平原占9.8%。地勢東南部和東北部高，西南部低，相對高度達(dá)1 500 m。境內(nèi)山丘分屬連云山脈和幕阜山脈。連云山主峰海拔1 600.3 m，為境內(nèi)最高峰。幕阜山主峰海拔1 593.6 m。平江縣氣候?qū)俅箨懶约撅L(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1 450.8mm，雨雪160 d。雨季降水最占全年降水量的70%。年日照1 731 h，太陽輻射平均為每平方厘米108.5 kcal。境內(nèi)河網(wǎng)密布，分屬汨羅江和新墻河兩大水系。

平江定位監(jiān)測點(diǎn)位于平江縣獻(xiàn)沖苗圃加義鎮(zhèn)獻(xiàn)鐘馬腦嶺，選取造林模式M1（針葉樹種+一般闊葉樹種混交林：杉木+楓香+樟樹+榿木）、M2（針葉樹種+珍貴闊葉樹種混交林模式：杉木+銀杏+香樟+檫木+鵝掌楸）、M3（珍貴樹種培育模式：銀杏+香樟+檫木+楠木+鵝掌楸）作為研究對象進(jìn)行水源涵養(yǎng)監(jiān)測，由于是新造林地，造林時間為2013年。各造林模式暫無明顯的喬木層， 但是栽培樹種與次生樹種種類較多，灌草生物多樣性豐富。其中M1栽培樹種4種，灌木種類達(dá)15種，草本植物種類達(dá)20種，M2栽培樹種4種，灌木種類達(dá)16種，草本植物種類達(dá)21種，M3栽培樹種5種，灌草種類分別達(dá)到20種，灌草生物多樣性豐富。CK1林分為M1、M2、M3的起點(diǎn)，屬于荒山自然演替類型，主要由灌、草層組成。各試驗地基本概況詳見表1和表2。

2 材料與方法

研究區(qū)域森林經(jīng)營類型均為造林模式，在目前階段，由于栽培樹種均處于灌層中，目前無法進(jìn)行林分穿透雨測定。因此，水源涵養(yǎng)監(jiān)測內(nèi)容包括降雨過程即降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨過程監(jiān)測；水源涵養(yǎng)即（喬）灌草層（截）持水量、凋落物層持水量、土壤層持水量。監(jiān)測時間為2014年8月—12月，根據(jù)監(jiān)測期間降雨量和年降雨量，按降雨分配特征進(jìn)行耦合，得各林分各層次年持水量。

表1 試驗樣地基本概況Table 1 Feathers of experimental plots

表2 試驗樣地土壤理化性質(zhì)Table 2 Experimental plots of soil physical and chemical properties

2.1 樣地設(shè)置

每個林分類型設(shè)置1個固定樣地。固定樣地規(guī)格為25 m（平行等高線）×40 m（垂直等高線）。利用全站儀對每個固定樣地進(jìn)行現(xiàn)場測量定界（線），對固定樣地的四角進(jìn)行標(biāo)記，根據(jù)標(biāo)記埋設(shè)固定水泥樁作為永久標(biāo)記。在固定樣地內(nèi)，沿樣方對角線設(shè)置5塊灌草調(diào)查小樣方，小樣方規(guī)格為2 m×2 m。小樣方采用羅盤儀進(jìn)行標(biāo)定，在小樣方四角插入直徑10mmPVC管作為永久標(biāo)記。

2.2 降水觀測

在固定樣地外空曠平整的場地上設(shè)置規(guī)格為5 m×5 m的降雨觀測場，7852型自記雨量儀布設(shè)在觀測場的中央，自動連續(xù)測定各次降水量。

2.3 （喬）灌草層（截）持水量的測定

采用灌草持水仿真模擬測定裝置（專利號ZL 2013 2 0778400.6）對灌草層截留量進(jìn)行測定。（喬）灌草層（截）持水量的計算公式為：（1）當(dāng)?shù)竭_(dá)灌草層雨量小于灌草層最大截留量G0時，灌草層截留量計算公式為：G=C×P。式中：G為灌草層截留量（mm）；C為灌草層蓋度；P為降水量（mm）。（2）當(dāng)?shù)竭_(dá)灌草層雨量大于等于灌草層最大截留量G0時：G=G0。式中：G為灌草層截留量（mm）；G0為灌草層最大截留量(mm)。

2.4 枯落物持水量的測定

采用浸水法測定枯落物持水量。取回20 cm×20 cm 小樣方內(nèi)枯落物，將枯落物稱鮮重，并取樣帶回實驗室烘干 (95 ℃，24 h)至恒重，計算枯落物干生物量。將枯落物的部分樣品稱重后分別裝入稱重后的濕布袋（預(yù)先稱量記錄干、濕布袋重量）；再將裝有枯落物的布袋完全浸沒于盛有清水的容器中；將枯落物浸入水中24 h后，將枯落物連同布袋一并取出，靜置5 min左右，直至枯落物不滴水為止，迅速稱量枯落物的濕重，然后將枯落物連同布袋一同烘干（95 ℃，24 h）至恒重，計算枯落物最大持水能力。

2.5 土壤持水量的測定

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 0～10，10～20，20～40，40～60 cm的深度分層取樣，帶回室內(nèi)測定總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度。

按0～10 ，10～20，20～40，40～60 cm的不同土層深度，采用土壤水分測定儀（TDR）測定土壤含水量。

2.6 林分涵養(yǎng)水源能力計算

林分涵養(yǎng)水源能力的計算公式為：S=G+K+ W。式中：S為林分涵養(yǎng)水源能力（mm）；G為灌草層截留量（mm）；K為枯落物層持水量（mm）；W為土壤層貯水量（mm）

2.7 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析主要采用SPSS19.0和Microsoft Office Excel 2007。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征

根據(jù)平江氣象站2014年氣象觀測數(shù)據(jù)，平江點(diǎn)2014年全年降水量1 332.2mm，年內(nèi)降水分布不均，各區(qū)間雨量差異較大，大于50mm降水區(qū)間的降雨累積量最大，約占年降水量的27.3%；30～40mm區(qū)間次之，占年降水量的18.7%；10～20mm區(qū)間和40～50mm區(qū)間基本持平，約占年降水量的11%。

2014年監(jiān)測期間降水分布不均，降雨量為196.8mm，按小于10、10～20、20～30、30～40、40～50mm以及大于50mm6個降水區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計（表3），各區(qū)間雨量差異較大，其中降雨量最大的區(qū)間為30～40mm，雨量為61.6mm，約占監(jiān)測期間降水量的31.3%；其次是區(qū)間為≥50mm，雨量為53.4mm，約占監(jiān)測期間降水量的27.1%；最小降水量區(qū)間為小于10mm，雨量為3mm，約占監(jiān)測期間降水量的1.5%。

表3 降雨特征Table 3 Rainfall characteristics

3.2 灌草層持水能力

林分灌草層具有一定的持水性能。林下灌草包括灌木和草本，是處在林分中的較低層次。雨水會被林下灌草截留，從而進(jìn)一步削減雨滴勢能，防止地表濺蝕，是森林植被中的一個重要層次。在每次降雨事件中，灌草層持水量隨著到達(dá)灌草層雨量的增加而增加，當(dāng)雨量超過一個定值，灌草層持水量將不再發(fā)生變化，此拐點(diǎn)就是不同林分灌草層的最大持水量，各林分不同其灌草層最大持水量也不同。表4反映了各林分灌草層特征狀況，灌草層持水量隨著到達(dá)灌草層的雨量增加而增加其持水量，直到達(dá)到其最大持水量。

表4 各林分灌草層特征Table 4 Characteristics of shrub-grass layers of all forest stands

灌草層最大持水量與生物量呈正比例關(guān)系。灌草層植被的種類與其自身特性同樣也間接影響著持水量的大小。由表4分析可知，造林模式灌草層最大持水量范圍在0.490～0.502mm之間，各林分灌草層最大持水量按大小排序是M3(0.502mm)＞ M2（0.491mm）＞ M1(0.490mm)。

3.3 枯落物層持水量能力

枯枝落葉層具有保護(hù)土壤免受雨滴沖擊和增加土壤腐殖質(zhì)和有機(jī)質(zhì)的作用，并參與土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，有效地增加土壤孔隙度，為林分土壤層蓄水提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。森林枯枝落葉層水分截持能力較強(qiáng)，一般吸持水量可達(dá)自身干重的2～4倍，不同森林類型的枯落物現(xiàn)存率和持水率有差異，故它們的最大持水量也存在明顯差異。在每次降雨事件中，枯落物層持水量隨著到達(dá)枯落物層雨量的增加而增加，當(dāng)雨量超過一個定值，枯落物層持水量將不再發(fā)生變化，此拐點(diǎn)就是不同林分枯落物層的最大持水量，各林分特征不同其枯落物層最大持水量也不同?？萋湮飳映炙侩S著到達(dá)枯落物層的雨量增加而增加其持水量，直到達(dá)到其最大持水量。

表5 各林分枯落物層持水性能Table 5 Litter layer water-holding capacities of all forest stands

枯落物的最大持水量反映了枯落物層的水文特性，它主要與枯落物的類型、組成、蓄積量等有很大關(guān)系，而不同的植被類型，由于其枯落物種類、分解特性等不同，枯落物蓄積量也不相同?？萋湮锏某炙芰Υ笮∨c林分類型、林齡、枯落物的自身組成、分解狀況和蓄積量等有關(guān)。由表5分析可知，造林模式枯落物最大持水量范圍在0.50～2.00mm之間，其中M3枯落物層最大持水量最大，達(dá)到2.00mm，各林分枯落物最大持水量按大小排序是M3(2.00mm)＞M2（1.20mm）＞M1(0.95mm)。

3.4 土壤層貯水能力

土壤貯水量是評價森林植被水源涵養(yǎng)功能的重要指標(biāo),其大小及土壤厚度與土壤孔隙狀況緊密相關(guān)。在一定土壤厚度條件下，土壤貯水特征取決于土壤孔隙大小和其數(shù)量特征，或說取決于森林植被對土壤孔隙狀況的改善作用大小。土壤孔隙按當(dāng)量的直徑大小可以分為毛管孔隙和非毛管孔隙，土壤水分貯存可以分為滯留貯存及吸持貯存兩種形式（某土層厚度內(nèi)所儲存的水量分別稱為吸持貯水量與滯留貯水量，兩者合稱作土壤飽和貯水量）。滯留貯存作為飽和土壤中自由重力水在非毛管孔隙(大孔隙)中暫時貯，為大雨或者暴雨提供應(yīng)急水分貯存，能有效減少地表徑流；降雨停止后水分逐步向深層下滲，使土壤水分不斷地補(bǔ)充地下水或者以壤中流形式注入河流， 因此具有較高涵養(yǎng)水源功能。針對森林生態(tài)系統(tǒng)，土壤非毛管孔隙度大小反映著森林植被滯留水分發(fā)揮涵養(yǎng)水源及削減洪水能力。

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)差異顯著，從而導(dǎo)致了土壤貯水能力的明顯不同，造林模式前期對土壤的擾動較大，影響其貯水能力，而荒山最小。由表6分析可知，造林模式林地的貯水能力M3與M1、M2之間差異顯著，M1與M2之間差異不大。造林模式林地與對照CK1之間，除了M3差異較大之外，其它差異不大，其大小排序為：珍貴闊葉M3（20.740mm）＞針葉+珍貴闊葉M2（17.280mm）＞針葉+一般闊葉M1（16.170mm）。

3.5 林分水源涵養(yǎng)總能力

森林的水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)服務(wù)功能的重要功能之一，不同森林類型由于其生態(tài)學(xué)特性的差異，其林分整體水源涵養(yǎng)功能存在一定的差異。森林以其繁茂的林冠層，林下的灌草層，林地上的枯枝枯葉層和酥松而深厚的土壤層，構(gòu)建了截留、吸收和貯存大氣降水的良好環(huán)境，發(fā)揮森林生態(tài)系統(tǒng)特有的水源涵養(yǎng)功能，起到削弱降雨侵蝕力、改善土壤結(jié)構(gòu)、削減洪峰流量、減少地表徑流，調(diào)節(jié)河川流量等作用。

表6 土壤最大貯水能力Table 6 The maximum storage capacity of the soil

表7 監(jiān)測期間林分水源涵養(yǎng)能力Table 7 Water conservation capacity of each stand in the monitoring period

由表7可以看出，各林分之間灌草層持水量差異不明顯，由大到小排序M3（3.514mm）＞M2（3.437mm）＞M1（3.43mm）。灌草層持水量最大的造林模式是M3，灌草層持水量達(dá)3.514mm，最小的是M1，灌草層持水量3.43mm，兩者相差0.084mm。各林分灌草層持水量相對較高，主要在于造林模式暫無林冠層，灌草生長的光熱條件較好，灌草多樣性豐富，灌草層生物量也大，由于灌草層最大持水量與其生物量成顯著正相關(guān)，因此其灌草層持水能力強(qiáng)。造林模式與CK之間灌草層持水量差值范圍為0.07～0.154mm，其中，M3與CK3差值最大。各林分枯落物層持水量差異顯著，由大到小排序M3（14mm）＞M2（8.4mm）＞M1（6.65mm）?？萋湮锍炙孔畲蟮脑炝帜Ｊ绞荕3，枯落物層持水量達(dá)14mm，最小的是M1，枯落物持水量6.65mm。造林模式各林分暫無林冠層，僅有灌草層、草本層，枯落物儲量較小，各林分枯落物年持水量較低，這也可能是由于新造林地前期砍伐、煉山、栽種等經(jīng)營活動對土壤的擾動較大，植被破壞較嚴(yán)重，并且項目區(qū)坡度較大，同樣也降低了枯落物層持水量。造林模式與CK之間枯落物層持水量差值范圍為3.15～10.50mm，其中，M3與CK3差值最大。各模式降雨前土壤含水量大于土壤毛管孔隙度，其土壤貯水量=[非毛管孔隙度-（土壤含水量-毛管孔隙度）]×土壤貯水能力。造林模式其它降雨前土壤含水量小于土壤毛管孔隙度，其土壤貯水量等于非毛管的滯留貯水量。監(jiān)測期間造林模式小區(qū)土壤貯水量介于8.4～20.07mm。

根據(jù)監(jiān)測期間降雨量和年降雨量，按降雨分配特征進(jìn)行耦合，得到各林分各層次年持水量，再根據(jù)計算公式獲得各林分水源涵養(yǎng)總能力。由圖1分析可知，各林分水源涵養(yǎng)總能力大小為M3（992.042mm） ＞ M2（821.091mm） ＞ M1（792.621mm）＞CK1(668.990mm)；M3水源涵養(yǎng)能力最高，達(dá)到992.042mm，約年降雨量的75%，M1水源涵養(yǎng)能力最差，僅有792.621mm，主要是造林模式采取全墾整地造林方式所致，全墾整地造成地被物顯著減少，裸露地明顯增加，破壞了灌草層和枯落物層結(jié)構(gòu)和功能，嚴(yán)重降低了灌草層、枯落物層的水源涵養(yǎng)能力；造林各模式水源涵養(yǎng)能力略強(qiáng)于對照，但差異較小。

4 結(jié)論與討論

圖1 林分水源涵養(yǎng)總能力Fig.1 Water conservation total capacity of each stand

研究區(qū)域森林經(jīng)營類型均為造林模式，在目前階段，由于栽培樹種均處于灌層中，暫無明顯的喬木層，目前無法進(jìn)行林冠截留量的測定。監(jiān)測期間，各林分水源涵養(yǎng)功能各不相同，但是，各林分灌草層差異不明顯，灌草層持水量最大的是M3，達(dá)3.514mm，灌草層持水量最小的是M1， 達(dá)3.43mm，灌草層持水量均高，這主要是由于該林分灌草多樣性豐富，灌草層生物量大，灌草層最大持水量與其生物量成顯著正相關(guān)，因此其灌草層持水能力強(qiáng)；各林分枯落物層持水量差異顯著，枯落物持水量最大的造林模式是M3，枯落物層持水量達(dá)14mm，最小的是M1，僅有6.65mm；監(jiān)測期間造林模式小區(qū)土壤貯水量介于8.4～20.07mm。

造林模式各林分水源涵養(yǎng)總能力大小為M3（992.042mm）＞M2（821.091mm）＞M1（792.621mm）＞CK1(668.990mm)。M3水源涵養(yǎng)能力最高，達(dá)到992.042mm，約年降雨量的75%，主要是由于其樹種組成豐富、林下灌草蓋度相對較高、枯落物儲量多。各新造林模式水源涵養(yǎng)能力均不高，M1水源涵養(yǎng)能力最差，僅有792.621mm。造林模式各林分水源涵養(yǎng)總能力較差，主要是因為采取全墾整地造林方式所致，全墾整地造成地被物顯著減少，裸露地明顯增加，破壞了灌草層和枯落物層結(jié)構(gòu)和功能，嚴(yán)重降低了灌草層、枯落物層的水源涵養(yǎng)能力。

研究結(jié)果表明，造林模式各林分由于林相相對單調(diào)，暫無林冠層，且項目區(qū)坡度較大，總能力大小范圍在668.990～992.042mm之間。主要是造林模式采取全墾整地造林方式所致，全墾整地破壞了灌草層和枯落物層結(jié)構(gòu)和功能，嚴(yán)重降低了灌草層、枯落物層的水源涵養(yǎng)能力，造林模式各林分灌草年持水量減少量均在46.797mm以上，枯落物層持水量減少量在90.724mm以上。在項目實施過程中，推薦采取穴狀整地生態(tài)造林方式，盡量保護(hù)原有植被，禁止煉山、全墾整地，提高林分水源涵養(yǎng)能力。

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