水庫集水區(qū)林下枯落物及土壤的水源涵養(yǎng)功能研究

張勇鄭超超 吳文躍 張超邱問心余樹全＊

（1 浙江省林業(yè)生態(tài)工程管理中心 浙江杭州 310020；2 浙江農(nóng)林大學林業(yè)與生物技術學院 浙江臨安 311300；3 國家林業(yè)局華東林業(yè)調查規(guī)劃設計院 浙江杭州 310004）

森林資源與環(huán)境

水庫集水區(qū)林下枯落物及土壤的水源涵養(yǎng)功能研究

張勇1鄭超超2吳文躍3張超2邱問心2余樹全2＊

（1 浙江省林業(yè)生態(tài)工程管理中心 浙江杭州 310020；2 浙江農(nóng)林大學林業(yè)與生物技術學院 浙江臨安 311300；3 國家林業(yè)局華東林業(yè)調查規(guī)劃設計院 浙江杭州 310004）

通過對臨安市水濤莊水庫集水區(qū)森林地表土壤和林下枯落物的取樣分析，分別對11種森林類型的枯落物層和土壤層的水源涵養(yǎng)特性進行研究，從而得到該區(qū)域森林枯落物及土壤的水源涵養(yǎng)功能值。研究結果表明：研究區(qū)枯落物水源涵養(yǎng)總量為 9.17× 104m3，單位面積水源涵養(yǎng)量為 17.10 m3/hm2，單位面積持水攔截量表現(xiàn)為馬尾松-白櫟-短柄枹櫟混交林＞青岡櫟林＞麻櫟林＞短柄枹櫟林＞山核桃林＞灌木林＞毛竹林＞金錢松林＞馬尾松林＞高節(jié)竹林＞杉木林；土壤水源涵養(yǎng)總量為 2108.41×104m3，單位面積水源涵養(yǎng)量為 3931.06 m3/hm2，單位面積持水量表現(xiàn)為馬尾松-白櫟-短柄枹櫟混交林＞青岡櫟林＞毛竹林＞麻櫟林＞短柄枹櫟林＞金錢松林＞高節(jié)竹林＞馬尾松林＞杉木林＞灌木林＞山核桃林。

水庫集水區(qū)；枯落物；土壤；水源涵養(yǎng)

森林和水是人類生存與發(fā)展的重要物質基礎，也是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。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、枯落物層和土壤層對降水再分配，從而有效涵蓄水分、調節(jié)徑流等功能[1]。不同森林類型由于其樹種生物學特性與林分結構的不同，其水源涵養(yǎng)效應存在一定的差異[2-6]。

相關研究表明，林冠部分的持水量通常僅占林分水源涵養(yǎng)能力的15%左右，這表明林下土壤和枯落物是森林涵養(yǎng)水源的主體[7]。森林枯落物層作為森林生態(tài)系統(tǒng)中獨特的結構層次，其疏松結構類似于海綿的吸水性和收縮彈性，有效減弱了大氣降雨對土壤表面的動能沖擊[5]。森林土壤是森林發(fā)揮水文調節(jié)作用的主要場所[8]，雨水經(jīng)過林冠層、枯落物層截留后，對土壤層的沖擊力極弱[4]，對土壤結構破壞作用非常輕微[9]，雨水即沿著林地的孔隙開始被土壤吸收或下滲，轉化為土壤貯水和地下徑流[10,11]。

本文以水濤莊水庫集水區(qū)不同森林類型林下土壤和枯落物水源涵養(yǎng)功能為研究內容，通過對比分析不同森林類型水源涵養(yǎng)能力的差異，了解浙江省水庫集水區(qū)不同森林類型林下土壤和枯落物水源涵養(yǎng)功能特征，為進一步評價區(qū)域水文生態(tài)效益和優(yōu)化區(qū)域森林植被配置模式提供理論依據(jù)，以期為當?shù)厣鷳B(tài)功能研究和林業(yè)部門的實際工作夯實理論基礎。

1 研究區(qū)概況

杭州市臨安水濤莊水庫地屬臨安市高虹鎮(zhèn)，位于臨安市東北部，介于東經(jīng) 119°61′-119°72′、北緯 30°44′-30°34′之間。水濤莊水庫是一座以防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電、供水及改善水環(huán)境等多種效益的水利建設項目，南北長約 13.2km，東西寬約 7.8km，集水區(qū)面積 5756.67hm2，其中，林地面積最大，為 5363.46hm2，占研究區(qū)總面積的 93.14%。

研究區(qū)地處浙江省西北部、中亞熱帶季風氣候區(qū)南緣，屬中亞熱帶常綠闊葉林北部—亞地帶浙皖山區(qū)丘陵青岡櫟、苦櫧林栽培植被區(qū)第一亞區(qū)。全年溫暖濕潤，光照充足，四季分明，雨量充沛。

2 研究方法

2.1 樣地設置

利用系統(tǒng)抽樣法，綜合考慮研究區(qū)內森林植被類型分布情況，在研究區(qū)設置 20 m×20 m的森林樣地 55個，同時確保各森林類型有 3個以上重復取樣，其分布如表1所示。

表1 研究區(qū)森林類型及面積分布

2.2 實驗設置與數(shù)據(jù)處理

2.2.1 枯落物持水能力測定實驗

在各樣地林分內分別設置 l m×l m 的枯落物樣方3個，調查枯落物層的厚度、分布狀況以及分解程度。將收集的枯落物帶回實驗稱重，并取部分樣品烘干(85℃，24 h)，稱重后推算 l hm2的枯落物蓄積量。同時取部分烘干試樣，用清水浸泡 24 h 后取出，濾去多余水分，稱重后計算得到飽和持水率[12]。

2.2.2 土壤持水能力測定實驗

在設置的標準樣地內，選擇具有代表性的樣點，劃一個長 1.5 m、寬 1 m 的長方形，向下挖取土壤剖面，采用環(huán)刀（直徑 6.18 cm，高 4 cm）在 0-20cm 層采集原始土塊，重復 3次。帶回實驗室測定土壤容重、土壤孔隙度，并計算最大持水量及有效蓄水量等土壤持水性能指標[6-7,11]。

3 研究結果

3.1 森林枯落物層水文生態(tài)功能分析

3.1.1 枯落物蓄積量

枯落物蓄積量的大小在一定程度上決定了枯落物吸持水量，在同樣的吸水能力下，枯落物蓄積量儲量越高，持水量越大，水源涵養(yǎng)能力則越強。研究區(qū)不同森林類型的枯落物蓄積量如表 2 所示，枯落物蓄積總量為 4.39× 104t，單位面積枯落物蓄積量為 8.19t/hm2，不同森林類型的枯落物蓄積總量表現(xiàn)為灌木林＞短柄枹櫟林＞毛竹林＞馬尾松-白櫟-短柄枹櫟混交林＞青岡櫟林＞高節(jié)竹林＞麻櫟林＞馬尾松林＞山核桃林＞杉木林＞金錢松林。

如表2所示，不同森林類型間單位面積枯落物蓄積量差異較為明顯。其中馬尾松-白櫟-短柄枹櫟混交林的單位面積蓄積量最大，為17.56 t/hm2，這是由于研究區(qū)內該森林類型多為復層林，群落內物種復雜、生物量大，且白櫟和短柄枹櫟皆為落葉樹種，枯枝落葉較多，同時處于復層林上層的馬尾松為常綠針葉樹種，林分郁閉度較高，林內透光性差，凋落物分解較慢，從而增加了枯落物的厚度。

表2 研究區(qū)不同林分類型枯落物蓄積統(tǒng)計

3.1.2 枯落物持水能力分析

枯落物最大持水量的測定是將枯落物試樣浸水 24 h 后測定的結果，而在自然條件下，山地森林的坡面上一般不會出現(xiàn)較長時間的浸水條件，且落到枯落物層上的雨水，一部分被其攔蓄，一部分通過孔隙滲入土壤中或形成地表徑流，所以用最大持水量來估算枯落物層對降雨的攔蓄能力偏高，一般使用有效持水量估算枯落物層對降雨的實際攔蓄量。

表3 研究區(qū)不同林分類型枯落物持水能力特征

研究區(qū)不同森林類型林下枯落物持水能力特征如表3所示，枯落物層的有效持水攔量表現(xiàn)為馬尾松-白櫟-短柄枹櫟混交林＞青岡櫟林＞麻櫟林＞短柄枹櫟林＞經(jīng)濟林＞灌木林＞毛竹林＞金錢松林＞馬尾松林＞高節(jié)竹林＞杉木林。其中，杉木林和馬尾松林的枯落物持水率最弱，分別為 8.30 m3/hm2和 10.62 m3/hm2，這是由于枯落物主要以葉片為主，而杉木和馬尾松落葉多為掉落針葉，葉片細小、枯落物間孔隙大、結構松散，不易持水，且馬尾松凋落物更富含較高濃度油脂，吸水能力弱。

3.1.3 枯落物層水源涵養(yǎng)總量

研究區(qū)森林枯落物層水源涵養(yǎng)功能如表3所示，枯落物層能水源涵養(yǎng)總量為 9.17×104m3，枯落物層單位面積水源涵養(yǎng)量為 17.10 m3/hm2。不同森林類型枯落物層水源涵養(yǎng)總量差異較大，主要表現(xiàn)為灌木林＞毛竹林＞馬尾松-白櫟-短柄枹櫟混交林＞短柄枹櫟林＞高節(jié)竹林＞青岡櫟林＞麻櫟林＞馬尾松林＞山核桃林＞杉木林＞金錢松林。

3.2 土壤層水文生態(tài)功能分析

3.2.1 土壤物理性質分析

研究區(qū)土壤容重及孔隙度如表4所示，不同林地類型土壤容重之間存在著差異，主要表現(xiàn)為山核桃林＞杉木林＞灌木林＞馬尾松林＞金錢松林＞毛竹林＞高節(jié)竹林＞青岡櫟林＞馬尾松-白櫟-短柄枹櫟混交林＞短柄枹櫟林＞麻櫟林；研究區(qū)森林的土壤總孔隙度主要表現(xiàn)為麻櫟林＞短柄枹櫟林＞馬尾松-白櫟-短柄枹櫟混交林＞青岡櫟林＞毛竹林＞高節(jié)竹＞金錢松林＞馬尾松林＞灌木林＞杉木林＞山核桃林。研究區(qū) 11 種林分類型中，以山核桃林的土壤較為緊實，土壤總孔隙度較小，青岡類林、麻櫟林、短柄枹櫟林等闊葉林及馬尾松-白櫟-短柄枹櫟混交林的土壤結構最疏松，土壤孔隙度最大。

表4 林地土壤容重及孔隙度分布情況

3.2.2 土壤持水能力分析

森林土壤飽和蓄水量是毛管水和非毛管水均達到飽和時土壤的持水量，研究區(qū)不同森林類型土壤的持水能力有所差異，單位面積土壤飽和持水量與土壤總孔隙度、土壤厚度相關。研究區(qū)不同森林類型土壤層單位面積水源涵養(yǎng)量如表 5所示，主要表現(xiàn)為馬尾松-白櫟-短柄枹櫟混交林＞青岡櫟林＞毛竹林＞麻櫟林＞短柄枹櫟林＞金錢松林＞高節(jié)竹林＞馬尾松林＞杉木林＞灌木林＞山核桃林。

馬尾松-白櫟-短柄枹櫟混交林的單位面積水源涵養(yǎng)能力最強，其值為 5225.60m3/hm2，這與該森林類型復雜的群落結構、豐富的物種組成有較為直接的關系；山核桃林的單位面積水源涵養(yǎng)能力最弱，其值為 1206.30m3/hm2，這是由于研究區(qū)內山核桃林多為周邊村民種植，林下物種較少且多分布在坡度較陡、土壤較為瘠薄的區(qū)域。

表5 研究區(qū)森林土壤層水源涵養(yǎng)功能統(tǒng)計表

3.2.3 土壤層水源涵養(yǎng)總量

研究區(qū)森林土壤水源涵養(yǎng)功能如表5所示， 2015 年土壤層水源涵養(yǎng)總量為 2108.41×104m3，單位面積土壤水源涵養(yǎng)量為 3931.06 m3/hm2。不同森林類型土壤層水源涵養(yǎng)總量主要表現(xiàn)為毛竹林＞短柄枹櫟林＞高節(jié)竹林＞灌木林＞馬尾松-白櫟-短柄枹櫟混交林＞青岡櫟林＞馬尾松林＞杉木林＞麻櫟林＞金錢松林＞山核桃林。其中，森林面積最大的毛竹林土壤層水源涵養(yǎng)總量亦最大，為 571.60×104m3；單位面積土壤水源涵養(yǎng)能力最弱的山核桃林土壤層水源涵養(yǎng)總量最小，為 20.56×104m3。

4 結論

（1）研究區(qū)森林枯落物蓄積總量為 4.39 ×104t，單位面積枯落物蓄積量為 8.19 t/hm2。不同森林類型的枯落物蓄積總量表現(xiàn)為灌木林＞短柄枹櫟林＞毛竹林＞馬尾松-白櫟-短柄枹櫟混交林＞青岡櫟林＞高節(jié)竹林＞麻櫟林＞馬尾松林＞山核桃林＞杉木林＞金錢松林。

（2）研究區(qū)枯落物對降雨截留總量為9.17 ×104m3，不同林分類型枯落物水源涵養(yǎng)量表現(xiàn)為灌木林＞毛竹林＞馬尾松-白櫟-短柄枹櫟混交林＞短柄枹櫟林＞高節(jié)竹林＞青岡櫟林＞麻櫟林＞馬尾松林＞山核桃林＞杉木林＞金錢松林；枯落物層單位面積水源涵養(yǎng)量為 17.10m3/hm2，不同林分類型枯落物層單位面積持水攔截量表現(xiàn)為馬尾松-白櫟-短柄枹櫟混交林＞青岡櫟林＞麻櫟林＞短柄枹櫟林＞山核桃林＞灌木林＞毛竹林＞金錢松林＞馬尾松林＞高節(jié)竹林＞杉木林。

（3）研究區(qū)土壤層水源涵養(yǎng)總量為2108.41×104m3，不同森林類型土壤水源涵養(yǎng)總量表現(xiàn)為毛竹林＞短柄枹櫟林＞高節(jié)竹林＞灌木林＞馬尾松-白櫟-短柄枹櫟混交林＞青岡櫟林＞馬尾松林＞杉木林＞麻櫟林＞金錢松林＞山核桃林；研究區(qū)土壤層單位面積水源涵養(yǎng)量為3931.06m3/hm2，不同森林類型土壤層的單位面積持水量表現(xiàn)為馬尾松-白櫟-短柄枹櫟混交林＞青岡櫟林＞毛竹林＞麻櫟林＞短柄枹櫟林＞金錢松林＞高節(jié)竹林＞馬尾松林＞杉木林＞灌木林＞山核桃林。

[1] 余新曉,周彬,呂錫芝,等.基于 INVEST 模型的北京山 區(qū)森林水 源涵養(yǎng)功 能評估[J].林業(yè)科學,2012,48(10):1-5.

[2]Jastrow J D,BouttonTW,MillerR M.Carbon dynamics of aggregate-associated organic matter estimated by 13 C natural abundance[J].Soil Science Society of AmericaJournal,1996160:801-807.

[3] 田月亮,金池,海東,等.不同林分類型土壤水分物理性質及其海拔效應——以浙江省鳳陽山為例[J].水土保持通報,2013,33(1):53-57,61．

[4] Puget P,Chenu C,Balesdent J.Dynamics of soil organic matter as sociated with particle-size fractions of waterstable aggregates[J].European Journal of Soil Science,2000,51:595-605.

[5] 陳嚴武,史正濤,周楫人,等.高原盆地城市水源地不同林分類型水源涵養(yǎng)功能評價——以東風水庫為例[J].浙江農(nóng)業(yè)學報,2015,27(5):804-812.

[6] 龔文明.不同林分類型凋落物及土壤水源涵養(yǎng)功能差異分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2013,41(15): 6763-6766.

[7] 張啟東,謝強,楊晗,等.四姑娘山國家級自然保護區(qū)岷江冷杉枯落物及土壤的持水能力研究[J].四川環(huán)境，2013,32(2):42-45.

[8] 羅友進,魏朝富,李渝,等.土地利用對石漠化地區(qū)土壤團聚體有機碳分布及保護的影響[J].生態(tài)學報,2011,31(1):257-266.

[9] 史曉巍. 水源涵養(yǎng)林功能指標與結構指標的定量模擬[D].東北林業(yè)大學,2007.

[10] 周佳寧,王彬,王云琦,等.三峽庫區(qū)典型森林植被對降雨再分配的影響[J].中國水土保持科學,2014,12(4):28-36.

[11] 周澤福,洪玲霞.不同林地土壤水分入滲和入滲模擬的研究[J].林業(yè)科學,1997,33(1):9-15.

[12] 孟廣濤,文毅,柴勇,等.高黎貢山南段 4 種典型植被類型枯落物層持水性能研究[J].西部林業(yè)科學，2012,41(3):8-13.

Astudy on water conservation functions of forest litter and soil layers in water catchment areas around reservoirs

Zhang Yong1,Zheng Chaochao2,Wu Wenyue3,Zhang Chao2,Qiu Wenxin2,Yu Shuquan2＊
（1.ZhejiangForestryEcologicalEngineeringManagementCenter;Hangzhou 310020,China 2.SchoolofForestryandBiotechnology,ZhejiangAgricultureandForestry University;Lin’an 311300,China 3.The EastChinaInstituteofForestInventoryandplanningoftheStateForestryAdministration;Hangzhou 310004,China）

This research mainly studied the water conservation function of litter layer and soil layer in Shuitaozhuang reservoir water collecting areas which was located in Lin’an city,and compared the water conservation function between 11 kinds of forest types.In this study,we samplinged litter and soil of different forests and tested water storage capacity of each sample in the lab.The results showed that the water conservation amount of litter layer in study area was 9.17×104m3and the water conservation capacity per unit area of litter layer was 17.10 m3/hm2.The water conservation amount of soil layer in study area was 2108.41×104m3and the water conservation capacity per unit area of soil layer was 3931.06 m3/hm2.In terms of water conservation capacity per unit area,the litter layer of different forest types espressed that Pinus massoniana-Quercus fabri-Quercus fabri mixed forest＞Cyclobalanopsis glauca forest＞Cyclobalanopsis glauca forest＞ Quercus serrata var.brevipetiolata forest＞Carya cathayensis forest＞Shurb forest＞Phyllostachys heterocycla forest＞Pseudolarix amabilis forest＞Pinusmassoniana forest＞Phyllostachys prominens forest＞Cunninghamia lanceolata forest,while the soil layer espressed Pinus massoniana-Quercus fabri-Quercus fabri mixed forest＞Cyclobalanopsis glauca forest＞Phyllostachys heterocycla forest＞Cyclobalanopsis glauca forest＞Quercus serrata var. brevipetiolata forest＞Pseudolarix amabilis forest＞Phyllostachys prominens forest＞Pinus massoniana forest＞Cunninghamia lanceolata forest＞Shurb forest＞Carya cathayensis fores.

reservoir water collecting areas；litter layer；soil layer；water conservation function

S715.1 < class="emphasis_bold"> 文獻標識碼：A

A < class="emphasis_bold"> 文章編號：1004-7743（2017）01-0032-05

1004-7743（2017）01-0032-05

2016-12-15

＊通訊作者：余樹全，浙江農(nóng)林大學林業(yè)與生物技術學院，教授，E-mail：yushq@zafu.edu.cn。