江西省公益林枯落物層和土壤層水源涵養(yǎng)功能評價

溫林生,鄧文平,鐘 流,陳錫方,盧妍潔,全 蕾,劉苑秋

(江西農(nóng)業(yè)大學林學院 鄱陽湖流域森林生態(tài)系統(tǒng)保護與修復實驗室， 330045，南昌)

江西省位于我國南部，地處亞熱帶中部，水、熱資源充沛，在中國林業(yè)中占據(jù)重要地位。2017年數(shù)據(jù)顯示，江西森林覆蓋率高達63.1%[1]；其中人工林面積338.6萬hm2，蓄積1萬1 121.9萬m3[1]。其中，國家級公益林216.1萬hm2、省級公益林達123.9萬hm2，占江西省森林總面積的34%[2]，截至2018年底，江西省公益林的生態(tài)服務(wù)功能價值達到5 188.18億元[3]。

森林的水源涵養(yǎng)功能是生態(tài)服務(wù)功能的重要組成部分[4]，森林通過林冠、枯落物及土壤共同完成攔蓄降水、調(diào)節(jié)徑流、消減洪峰等水文功能[4]。森林枯落物通過對降雨的吸持與攔蓄來減少水土流失[5]；林地土壤自身的物理性質(zhì)及有效滯留、蓄水能力等反映土壤對水文過程的調(diào)節(jié)，因此具有較高的水源涵養(yǎng)效應[5]。針對水源涵養(yǎng)能力的研究，高迪等[6]認為成熟林的枯落物水源涵養(yǎng)能力最強；胡小燕等[7]、呂圣吉[8]的結(jié)論結(jié)合推斷杉木密度為1 667株/hm2時土壤的水源涵養(yǎng)功能較好，但對于何種林型能更好地發(fā)揮森林的水源涵養(yǎng)能力，目前存在一定的分歧[7,9-10]。

土壤的滯存水能力受質(zhì)地類型的影響[9]，是土壤發(fā)揮其水文效應的重要因子。江西省土壤質(zhì)地類型多樣，先劃分土壤質(zhì)地類型區(qū)，再進行森林水源涵養(yǎng)功能的評價具有更高的可信度。因此，筆者以江西省公益林為研究對象，以土壤質(zhì)地類型分區(qū)，評價不同林分類型水源涵養(yǎng)功能效應，以期對江西省公益林發(fā)揮水源涵養(yǎng)效益、減緩水土流失提供理論指導，對江西省公益林林分改造、樹種選擇提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

江西省(E 113°34′36″～118°28′58″，N 24°29′14″～30°04′41″)地處亞熱帶中部，東、西、南三面環(huán)山，中部河谷與丘陵交錯分布；北部平緩，為鄱陽湖湖積、沖積平原；擁中國第一大淡水湖——鄱陽湖，并含2 400余條河流，其中贛江、撫河、信江、修河和饒河為江西五大河流。江西位于北回歸線附近，全省氣候溫暖，雨量充沛，屬中亞熱帶季風氣候，年均溫16.3～19.5 ℃，年均降雨量1 341～1 940 mm，無霜期240～307 d。江西省土壤質(zhì)地類型豐富，植被以常綠闊葉林為主，具典型亞熱帶森林植物群落。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

選擇粗砂質(zhì)土、粉土、壤土等3種質(zhì)地類型區(qū)，涉及毛竹(Phyllostachysheterocycla)林、闊葉混交林、杉木(CunninghamiaLanceolata)純林、馬尾松(Pinusmassoniana)純林、濕地松(Pinuselliottii)純林等類型的公益林(近熟、成熟林)，共18個試驗地，樣點分布及概況見表1。

2.2 枯落物層研究方法

于2016年對江西省公益林樣地(20 m×20 m)進行枯落物的采集(個別樣地采樣時間為2019年，但都在7—9月采樣)，采集方式為：在樣地內(nèi)設(shè)置西南角、西北角、東南角各1個(50 cm×50 cm)樣方，進行枯落物厚度(H)調(diào)查后，取樣裝袋測其鮮質(zhì)量(Mn)后，帶回實驗室利用烘干法、室內(nèi)浸水法[10]測定蓄積量M、最大吸持水量Mmax及最大持水率Wmax。

在森林的理想狀態(tài)下，所有枯落物完全發(fā)揮持水或攔蓄作用，最大持水率與枯落物干質(zhì)量的乘積即為枯落物的最大攔蓄量。然而在自然狀態(tài)下，當降雨>25 mm/d時，實際的持水率約為最大持水率的85%，因而在通常條件下常采用有效攔蓄量和有效攔蓄率來衡量枯落物層的水源涵養(yǎng)能力[11]。

2.3 土壤層研究方法

土壤的物理性質(zhì)采用環(huán)刀法測定，在樣地選對角線3點(坡上、坡中、坡下)，分0～10、10～30和30～50 cm共3個土層深度用環(huán)刀取其原狀土，將其帶回實驗室通過浸水法和置砂法來測定土壤物理性質(zhì)和持水能力；土壤水源涵養(yǎng)能力參照土壤的最大吸持貯水量、最大滯留貯水量和飽和貯水量(分別是毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度與深度的乘積)計算[12]。

表1 試驗點概況Tab.1 Basic situation of test point

3 結(jié)果與分析

3.1 粗砂土質(zhì)地區(qū)的枯落物層、土壤層水文效應

江西省粗砂土質(zhì)地區(qū)中，毛竹林、闊葉混交林、杉木純林以及馬尾松純林的枯落物厚度、蓄積量、含水率最大持水量(率)均無顯著差異，但這些指標的最大、最小值都分別出現(xiàn)在針葉林、闊葉混交林(表2)。

由圖1可見，有效攔蓄量表現(xiàn)為馬尾松純林(3.73 t/hm2)顯著大于闊葉混交林(1.31 t/hm2)、竹林(1.14 t/hm2)(P<0.05)；有效攔蓄率呈現(xiàn)馬尾松純林顯著高于毛竹林；但是，在粗質(zhì)砂土類型中不同林分的最大攔蓄量、最大攔蓄率沒有顯著差異，但針葉林與闊葉混交林、毛竹林形成2個層次等級。

在粗砂質(zhì)地區(qū)，毛竹林的平均土壤水分最大滯留貯存量最大(25.27 mm)，顯著高于闊葉混交林與杉木純林(17.97與17.51 mm)；土壤最大吸持貯水量在不同林分間無顯著差異(P>0.05)；土壤飽和貯水量表現(xiàn)為毛竹林(43.75 mm)大于闊葉混交林、杉木純林，馬尾松純林(40.06 mm)大于杉木林(P<0.05)(圖2)。

由表3可見，粗砂質(zhì)地區(qū)內(nèi)的闊葉混交林最大持水量0～10、10～3 cm 2個土層顯著大于30～50 cm土層；30～50、10～30 cm土層的最小持水量顯著低于0～10 cm土層。土壤密度、毛管持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度以及孔隙度在相同林分不同土層深度、相同土層深度不同林分類型間均無明顯差異(P>0.05)。

表2 粗砂土質(zhì)地區(qū)不同林分類型的枯落物概況Tab.2 Litters of different forest types in coarse sandy soil area

圖1 粗砂土質(zhì)地區(qū)不同林分類型枯落物的攔蓄能力Fig.1 Litter retention capacity of different forest type in coarse sandy soil areas

圖2 粗砂土質(zhì)地區(qū)不同林分類型土壤平均貯水能力Fig.2 Average soil water storage capacity types of different forest type in coarse sandy soil areas

表3 粗砂土質(zhì)地區(qū)不同林分類型土壤物理性質(zhì)Tab.3 Soil physical properties of different forest types in coarse sandy soil area

3.2 粉土質(zhì)地區(qū)的枯落物層、土壤層水文效應

江西省粉土質(zhì)地區(qū)的枯落物層中，濕地松純林的枯落物層厚度(6.46 cm)顯著高于闊葉混交林(3.17 cm)；枯落物含水率、最大持水率呈現(xiàn)闊葉混交林與杉木純林顯著低于濕地松純林(P<0.05)。但枯落物蓄積量、最大持水量等指標在不同林分間沒有顯著差異性(表4)。

由圖3可得知，在江西粉土質(zhì)地區(qū)，枯落物最大攔蓄量的是濕地松純林(10.41 t/hm2)，最小是杉木純林(5.60 t/hm2)；枯落物有效攔蓄量呈現(xiàn)一致規(guī)律，濕地松純林(7.94 t/hm2)高于杉木林(4.39 t/hm2)(P<0.05)，闊葉混交林位于兩者之間但無顯著差異?？萋湮锏淖畲?有效)攔蓄率在不同林分類型間無顯著差別。

表4 粉土質(zhì)地區(qū)不同林分類型的枯落物概況Tab.4 Litters of different stand types in silty soil area

江西省粉土質(zhì)地區(qū)內(nèi)，不同林分間的土壤水分最大滯留貯存量、土壤最大吸持貯水量不存在顯著性差別(圖4)。但土壤水分飽和貯水量闊葉混交林(24.82 mm)極顯著高于杉木純林、濕地松純林(P<0.01)。

圖4 粉土質(zhì)地區(qū)不同林分類型土壤平均貯水能力Fig.4 Average soil water storage capacity types of different forest type in silty soil areas

江西省粉土質(zhì)地區(qū)內(nèi)不同林分間土壤物理性質(zhì)大致相當(表5)，除卻在0～10 cm土層的闊葉混交林的毛管持水量顯著高于杉木純林、濕地松純林(P<0.05)；30～50 cm的非毛管孔隙度與0～10 cm土層的毛管持水量規(guī)律一致；毛管孔隙度表現(xiàn)為闊葉混交林(22.51%)顯著高于濕地松純林(11.25%)，杉木純林(12.31%)處于二者之間但無顯著性差異(P>0.05)。

3.3 壤土質(zhì)地區(qū)的枯落物層、土壤層水文效應

壤土區(qū)調(diào)查闊葉混交林與濕地松純林2個林分類型。由表6可見闊葉混交林的枯落物厚度、蓄積量(3.43 cm、3.63 t/hm2)都極顯著低于濕地松純林(7.33 cm、7.07 t/hm2)(P<0.01)；然闊葉混交林的含水率極顯著高于濕地松純林。壤土質(zhì)地區(qū)的2種枯落物最大持水量(率)無顯著性差異。

在壤土區(qū)，濕地松純林的枯落物最大攔蓄量、有效攔蓄量(7.25、5.78 t/hm2)都顯著高于闊葉混交林(4.59、3.67 t/hm2)；濕地松純林與闊葉混交林的最大/有效攔蓄率等指標無顯著性差異(圖5)。

表5 粉土質(zhì)地區(qū)不同林分類型土壤物理性質(zhì)Tab.5 Soil physical properties of different forest types in silty soil area

表6 壤土質(zhì)地區(qū)不同林分類型的枯落物概況Tab.6 Litters of different forest types in loamy soil area

圖5 壤土質(zhì)地區(qū)不同林分類型枯落物的攔蓄能力Fig.5 Litter retention capacity of different forest type in loamy soil areas

圖6表明，在壤土質(zhì)地區(qū)，調(diào)查的闊葉混交林、濕地松純林的土壤水分滯留貯存量、土壤最大吸持貯水量、土壤水分飽和貯水量不存在顯著性差異。

圖6 壤土質(zhì)地區(qū)不同林分類型土壤平均貯水能力Fig.6 Average soil water storage capacity types of different forest type in loamy soil areas

江西省壤土質(zhì)地區(qū)內(nèi)，闊葉混交林的土壤密度隨土層的深度加深而增大，0～10、10～30、30～50 cm分別為1.01、1.25、1.52 g/cm3(P<0.05)。其他土壤物理性質(zhì)指標均無顯著性差異(表7)。

3.4 天然次生林、人工林的枯落物層、土壤層水文效應

由圖7可見，江西省人工林枯落物的最大攔蓄量(4.66 t/hm2)、有效攔蓄量(5.31 t/hm2)均極顯著的高于天然次生林(P<0.01)，但最大(有效)攔蓄率不呈現(xiàn)顯著性差異。與枯落物攔蓄能力相反，天然次生林的平均土壤水分最大滯留貯存量(14.51 mm)、土壤最大吸持貯水量(21.44 mm)、土壤水分飽和貯水量(38.95 mm)均極顯著的高過人工林(P<0.01)(圖8)。

表7 壤土質(zhì)地區(qū)不同林分類型土壤物理性質(zhì)Tab.7 Soil physical properties of different forest types in loamy soil area

圖7 不同林分起源枯落物的攔蓄能力Fig.7 Interception capacity of litters in different forest origins

圖8 不同林分起源的土壤平均貯水能力Fig.8 Average water storage capacity of soil in different forest origins

4 討論

4.1 枯落物層水文效應

枯落物的攔蓄功能主要是由有效攔蓄量來體現(xiàn)。在實際過程中，枯落物的最大持水量(率)都是一種理想的狀態(tài)，自然狀態(tài)下幾乎不可能達到，通常認為實際持水率約為最大持水率的85%[11]。從枯落物的有效攔蓄量的計算公式可以得知，枯落物的攔蓄能力取決于蓄積量、自然含水率以及最大持水率。自然含水率受較多因素共同影響，不確定性較高，所以本文僅對枯落物的蓄積量及最大持水率進行討論。

枯落物的蓄積量主要取決于林木的凋落輸入以及分解輸出。本研究中，壤土質(zhì)地區(qū)，闊葉混交林的蓄積量(3.63 t/hm2)極顯著低于濕地松純林(7.07 t/hm2)，表明針葉純林的蓄積量大于闊葉混交林，這與賈劍波等[11]、溫林生等[10]和吳曉光等[13]所得結(jié)果一致?？萋湮锏男罘e量與凋落產(chǎn)量呈正相關(guān)，與分解速率負相關(guān)。王鵬飛[14]進行動態(tài)觀測發(fā)現(xiàn)刺槐人工林凋落量為5 372.34 kg/(hm2·a)，小于側(cè)柏人工林年凋落量7 494.71 kg/(hm2·a)；孟玉珂等[15]發(fā)現(xiàn)針葉林的蓄積量高于闊葉純林、混交林且研究對象華山松年分解速率(11.2%)僅相當于銳齒櫟的1/3，表明針葉林的分解速率顯著小于闊葉樹種，是因為闊葉林具有更短的分解周期，是凋落物特質(zhì)、環(huán)境接觸面及環(huán)境因子共同決定。

4.2 土壤層的水源涵養(yǎng)能力

土壤的水分移動主要取決于以滲透為主的非毛管孔隙以及貯藏植物所用水的毛管孔隙[5,12]。研究土壤水源涵養(yǎng)效益的評判指標多選用貯存重力水的土壤最大滯留貯存量，代表土壤減少地表徑流的能力，評價水源涵養(yǎng)效果[9,16]。陳琦等[9]發(fā)現(xiàn)，大徑級土壤顆粒比例越大，土壤的平均土壤水分最大滯留貯存量越大。在按照A2ND分類(二級分類質(zhì)地類型名稱，依據(jù)土壤的砂粒、粗砂粒、黏粒含量的分類方式)的土壤質(zhì)地區(qū)，所調(diào)查的江西省3個質(zhì)地區(qū)：粗砂質(zhì)地區(qū)、粉土質(zhì)地區(qū)、壤土質(zhì)地區(qū)的土壤最大滯留貯存量均值分別為20.43、8.04 和11.82 mm。并不遵循大徑級土壤顆粒比例越大，土壤的平均土壤水分最大滯留貯存量越大的規(guī)律，這可能是由于局部根系改變環(huán)境、改善土壤導致。王偉平等[17]研究發(fā)現(xiàn)不同林分類型及林分結(jié)構(gòu)等因素，會導致林下土壤的變化，不同林分下微生物、土壤動物的差異會引起土壤理化性質(zhì)的改變，進而影響土壤的水文功能發(fā)揮。因而，在相同的質(zhì)地區(qū)內(nèi)，不同林分及林分結(jié)構(gòu)等差異會影響局部的土壤水源涵養(yǎng)能力。

5 結(jié)論

1)針葉純林的枯落物層將具有更高的水文功能效應，混交林次之，闊葉純林居末。

2)人工林枯落物層將具有更高的水文功能效應，土壤水文功能效應則天然次生林更佳。