永嘉縣四海山林場森林枯落物及土壤持水能力研究

林 松，張 崑，蔣仲龍，鄭得利，吳家森，劉海英

(1.浙江省公益林和國有林場管理總站，浙江 杭州 310020；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 311300； 3.國營浙江省永嘉縣四海山林場，浙江 永嘉 325000)

隨著全球水資源短缺形勢的日趨嚴(yán)峻，森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能日益被人們所關(guān)注[1]，而森林枯落物層與土壤層涵養(yǎng)水源能力可占森林涵養(yǎng)水源能力的90%[2]，已成為森林水文學(xué)研究的熱點。目前，以省、市和縣域尺度對不同森林類型枯落物和土壤水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行的研究較多[3-7]，但對于森林經(jīng)營單位水平的研究較少[8]。

國營浙江省永嘉縣四海山林場(以下簡稱“四海山林場”)是典型的“帽子山林場”，即林場所轄林地大部分位于山頭頂端，是浙江省楠溪江的源頭區(qū)域，森林的水源涵養(yǎng)、水土保持功能對該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。本研究以該林場2018年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選擇典型森林樣地深入開展枯落物層、土壤層蓄水能力研究，將面上數(shù)據(jù)和樣地實測結(jié)果相結(jié)合，對其森林枯落物層和土壤層的蓄水能力和水源涵養(yǎng)價值量進(jìn)行估算，旨在為林場績效評價和森林植被管理提供依據(jù)，同時為相似區(qū)域森林水源涵養(yǎng)功能評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

四海山林場位于浙江省永嘉縣境內(nèi)，中心位置地理坐標(biāo)為120°45′36″E、28°30′35″N，屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫18.5 ℃，年平均降水量1 743.9 mm，年無霜期281 d，年平均日照時數(shù)1 775.7 h。林場總面積2 567.3 hm2，森林面積2 449.4 hm2，森林覆蓋率95.4%。森林樹種有馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、柳杉(Cryptomeriajaponicavar.sinensis)、木荷(Schimasuperba)、青岡(Cyclobalanopsisglauca)、苦櫧(Castanopsissclerophylla)、毛竹(Phyllostachysedulis)、茶(Camelliasinensis)、楊梅(Myricarubra)等。

1.2 樣地選擇

根據(jù)四海山林場2018年的森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，于2019年8月分別選擇柳杉林、馬尾松林、針葉混交林、針闊混交林等4種森林類型中海拔、坡向、林分特征相似的典型小班作為標(biāo)準(zhǔn)樣地。其基本情況見表1。

1.3 樣品采集與分析

在樣地的4個角和中心位置共布設(shè)5塊1 m×1 m小樣方，將枯落物分為未分解層、半分解層，分別全部收集并準(zhǔn)確稱量后，各取部分樣品帶回實驗室，在85 ℃烘箱中烘干至恒定質(zhì)量，計算自然含水率、枯落物儲量，并采用室內(nèi)浸泡法測定枯落物持水特性[9]。

在收集枯落物的小樣方內(nèi)，分別挖取土壤剖面，采集0～10、10～30、30～60 cm土層的容重圈原狀樣品，帶回實驗室測定土壤容重、非毛管孔隙度，并計算總孔隙度、毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量[10]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 2013對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理；采用單因素方差分析，利用Duncan法進(jìn)行多重比較和差異顯著性分析(α=0.05)。林地水源涵養(yǎng)能力=枯落物最大攔蓄量+土壤最大蓄水量[11]；森林涵養(yǎng)水源價值按陸珠琴等[12]的方法進(jìn)行計算。

表1 主要森林類型樣地基本特征

2 結(jié)果與分析

2.1 主要森林類型枯落物儲量

不同森林的樹種組成、林齡和凋落物的輸入、分解速度不同，因此林地枯落物累積量與組成存在較大的差異。由表2可知，四海山林場4種森林枯落物總儲量大小為馬尾松林>柳杉林>針葉混交林>針闊混交林，其中馬尾松林枯落物總儲量顯著高于其他森林類型(P<0.05)；不同分解層枯落物儲量大小為半分解層>未分解層。

表2 四海山林場主要森林類型枯落物儲量

2.2 主要森林類型枯落物吸水過程

由圖1可看出，隨著浸水時間的延長，不同森林類型枯落物未分解層、半分解層持水量的增加趨勢均表現(xiàn)為“快—緩慢—穩(wěn)定”。在浸水1 h內(nèi)，枯落物持水量急劇增加，而后緩慢增加，至4 h后持水量保持相對穩(wěn)定。24 h時，4種森林枯落物未分解層和半分解層枯落物持水量大小均表現(xiàn)為柳杉林>針闊混交林>針葉混交林>馬尾松林，不同分解層持水量均表現(xiàn)為半分解層>未分解層。

圖1 主要森林類型枯落物持水量

由圖2可知，4種森林類型枯落物未分解層、半分解層吸水速率的變化規(guī)律均表現(xiàn)為：浸水1 h內(nèi)枯落物吸水速率顯著降低，浸水2 h后持水已基本飽和，吸水速率趨于0；浸水初期半分解層枯落物吸水速率高于未分解層。

圖2 主要森林類型枯落物吸水速率

2.3 主要森林類型枯落物持水能力

森林枯落物不僅能夠吸收降水，使地表免受雨滴的直接沖擊，阻滯徑流和地表沖刷，而且枯落物分解后形成土壤腐殖質(zhì)，可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增強土壤的滲透性能。由表3可知，4種森林枯落物自然含水率與最大持水率均表現(xiàn)為半分解層>未分解層。其中：枯落物未分解層和半分解層自然含水率分別介于11.2%～14.2%和17.4%～20.8%之間，不同森林間的差異均不顯著；未分解層最大持水率介于156.1%～178.0%之間，不同森林間的差異不顯著，半分解層最大持水率介于172.7%～232.9%之間，柳杉林顯著高于馬尾松林(P<0.05)，其他森林間差異不顯著。

由表3可知，4種森林枯落物最大攔蓄量大小也表現(xiàn)為半分解層(12.6～19.3 t/hm2)>未分解層(8.6～11.6 t/hm2)。不同森林類型枯落物有效攔蓄量大小表現(xiàn)為柳杉林>馬尾松林>針葉混交林>針闊混交林，其中柳杉林顯著高于針葉混交林和針闊混交林。

表3 四海山林場主要森林類型枯落物的持水能力

2.4 主要森林類型土壤物理性質(zhì)

土壤容重表征土壤的松緊程度，反映土壤的透水性、通氣性。土壤孔隙影響土壤通氣性、透水性，對土壤水、肥、氣、熱發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)功能，土壤孔隙度越大，土壤持蓄水能力越強。土壤的滲透性能取決于非毛管孔隙，非毛管孔隙中滯留的重力水在調(diào)蓄水方面的作用更為重要，更加有利于涵養(yǎng)水源。由表4可知，隨著土層深度的增加，土壤容重呈現(xiàn)增大趨勢，而土壤總孔隙度和非毛管孔隙度則表現(xiàn)為降低的趨勢。在相同土層中，土壤容重和總孔隙度在不同森林間沒有顯著性差異(P>0.05)；0～10 cm土層土壤非毛管孔隙度柳杉林和針闊混交林顯著高于馬尾松林和針葉混交林(P<0.05)，而10～30、30～60 cm土層非毛管孔隙度在不同森林間的差異并不顯著(P>0.05)。

表4 四海山林場主要森林類型土壤物理性質(zhì)與持水量

2.5 主要森林類型土壤持水性能

林地土壤是森林涵養(yǎng)水源的主體，林木根系腐朽后會形成大量的孔隙，動物活動過程中也會形成孔穴及其他非毛管孔隙。土壤非毛管孔隙能較快容納降水并及時下滲，更加有利于涵養(yǎng)水源。從表4可知，同一土層土壤最大持水量在不同森林間均無顯著性差異(P>0.05)；10～30、30～60 cm土層非毛管持水量在不同森林間沒有顯著性差異(P>0.05)，0～10 cm土層土壤非毛管持水量柳杉林和針闊混交林顯著高于馬尾松林和針葉混交林(P<0.05)。

將不同土層土壤持水量相加，得到0～60 cm土壤蓄水量，結(jié)果見圖3。由圖3可知，土壤最大蓄水量(2 782.2～3 354. 9 t/hm2)和有效蓄水量(599.2～691.9 t/hm2)在不同森林間均沒有顯著性差異(P>0.05)。

2.6 四海山林場林地水源涵養(yǎng)能力估測

除本研究的4種森林類型外，將四海山林場的毛

竹林、茶園、楊梅林、闊葉林、杉木林等合并歸類為其他森林，其水源涵養(yǎng)能力以4種森林類型的平均值計，結(jié)果見表5。從表5可知，4種森林類型水源涵養(yǎng)能力大小為針闊混交林>柳杉林>針葉混交林>馬尾松林；四海山林場林地水源涵養(yǎng)總量為7 530 343.4 t，涵養(yǎng)水源的經(jīng)濟(jì)價值量為6 174.8萬元。

圖3 主要森林類型0～60 cm土層土壤蓄水量

3 結(jié) 論

(1)4種森林類型枯落物總儲量大小表現(xiàn)為馬尾松林>柳杉林>針葉混交林>針闊混交林，枯落物有效攔蓄量大小則表現(xiàn)為柳杉林>馬尾松林>針葉混交林>針闊混交林；4種森林類型枯落物不同分解層儲量和有效攔蓄量大小均表現(xiàn)為半分解層>未分解層。

(2)在相同土層中，土壤容重和總孔隙度在不同森林類型間沒有顯著性差異；0～10 cm土層土壤非毛管孔隙度柳杉林和針闊混交林顯著高于馬尾松林和針葉混交林，其他土層土壤非毛管孔隙度不同森林類型間無顯著性差異。

(3)柳杉林和針闊混交林0～10 cm土層土壤非毛管持水量顯著高于馬尾松林和針葉混交林；土壤最大蓄水量和有效蓄水量在不同森林間均沒有顯著性差異。

(4)四海山林場森林水源涵養(yǎng)能力大小表現(xiàn)為針闊混交林>柳杉林>針葉混交林>馬尾松林；林場林地水源涵養(yǎng)總量為7 530 343.4 t，涵養(yǎng)水源的經(jīng)濟(jì)價值量為6 174.8萬元。從水源涵養(yǎng)能力角度分析，今后林相調(diào)整中，可將馬尾松林改造為針闊混交林。

表5 不同森林類型水源涵養(yǎng)能力及價值