贛江源區(qū)不同類型低效林水源涵養(yǎng)功能變化特征

王麗艷，楊 樺，唐星林，周 晨，劉光正

(江西省林業(yè)科學(xué)院，江西 南昌330013)

贛江源是贛江的最大源頭，是贛鄱大地的生態(tài)屏障，對(duì)保障贛江流域、鄱陽湖乃至長(zhǎng)江中下游水資源生態(tài)安全具有重要作用。針對(duì)源頭區(qū)大面積人工針葉純林及殘次林林相單一、水源涵養(yǎng)能力差等關(guān)鍵生態(tài)環(huán)境問題，開展了人工針葉林結(jié)構(gòu)優(yōu)化、低效殘次林水土流失控制綜合治理關(guān)鍵技術(shù)研究。人工林生態(tài)系統(tǒng)在人為干擾下能否保持穩(wěn)定、變化程度有多大、恢復(fù)時(shí)間為多長(zhǎng)等一系列問題是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，也是穩(wěn)定性研究的熱點(diǎn)[1]。這關(guān)系到人們能否合理利用森林資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和社會(huì)穩(wěn)定[2-3]。但大多數(shù)的研究都是針對(duì)林地枯落物本身或從不同森林類型枯落物持水特性的比較進(jìn)行[4-8]，而針對(duì)低效林改造后的林分涵養(yǎng)水源性能變化，以及通過空間代時(shí)間的方法對(duì)低效林改造后期的效果研究較少。

贛江源區(qū)水源涵養(yǎng)功能弱的防護(hù)林主要是針葉純林，包括杉木（Cunninghamia lanceolata）林、馬尾松(Pinus massoniana)林、濕地松（P. elliottii）林等，本研究結(jié)合南方丘陵地區(qū)常見闊葉樹，通過林下補(bǔ)植鄉(xiāng)土闊葉樹木荷 (Schima superba)、楓香（Liquidambar formosana）等調(diào)整林分結(jié)構(gòu)。改造后的林分通過群落演替，將向以闊葉樹為優(yōu)勢(shì)種群的針闊混交林或闊葉林演替[9-12]。因此，本研究以空間代時(shí)間的方法，在贛江源頭區(qū)選擇馬尾松與木荷(Schima superba)的復(fù)合林分、杉木與闊葉樹復(fù)合林，以及闊葉林為參照，作為改造林分在未來較短時(shí)期內(nèi)演替進(jìn)程中發(fā)育形成的目標(biāo)林分，分析現(xiàn)改造低效及殘次針葉林和參照林分生態(tài)功能的差異，來判斷針葉林改造模式達(dá)到未來10～20 a 后生態(tài)功能狀況。通過對(duì)不同優(yōu)化措施林分在各種降雨條件下產(chǎn)流產(chǎn)沙的連續(xù)4 a 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，開展不同人工針葉林結(jié)構(gòu)改造技術(shù)模式的生態(tài)水文效益評(píng)價(jià)，篩選出適合源頭區(qū)的、低擾動(dòng)的人工針葉林結(jié)構(gòu)優(yōu)化模式，以期為亞熱帶低效針葉林改造模式的選擇提供可靠方案，進(jìn)而為長(zhǎng)江中下游水源涵養(yǎng)林提質(zhì)增效提供參考。

1 研究地點(diǎn)與方法

1.1 研究地林分概況

研究區(qū)位于江西贛江源國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)（以下簡(jiǎn)稱贛江源自然保護(hù)區(qū)），該保護(hù)區(qū)位于我國華東“屋脊”武夷山脈的中南段，與福建長(zhǎng)汀交界，地理坐標(biāo)為25°56′30″-26°07′42″ N，116°15′01″-116°29′06″ E，是中亞熱帶與南亞熱帶的過渡區(qū)。研究樣地位于石城縣贛江源自然保護(hù)區(qū)。低效林和殘次林通過間伐及林下補(bǔ)植鄉(xiāng)土闊葉樹的改造方法，起到林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化及防護(hù)功能提升的目的，以研究區(qū)馬尾松和木荷的復(fù)合林分、杉木闊葉樹復(fù)合林，以及闊葉林為參照。不同類型林分如表1。

表1 研究區(qū)不同類型林分概況Tab. 1 General situation of different types of forest stand in study area

1.2 以空間代時(shí)間的方法

2012 年對(duì)低效和殘次針葉林分進(jìn)行林下補(bǔ)植闊葉樹、灌木及草本的補(bǔ)植改造。為了進(jìn)一步分析低效針葉林改造后林分隨時(shí)間維度的變化效果，因被改造林分長(zhǎng)時(shí)間維度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在短短幾年內(nèi)無法獲取，因此采用空間代替時(shí)間法。群落的空間序列研究法，即空間代替時(shí)間法，是植被演替研究中常采用的方法，對(duì)無長(zhǎng)期固定生態(tài)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的研究來說是尤為有效的一種研究手段[5]。

本研究以馬尾松和木荷的復(fù)合林分、杉木闊葉樹復(fù)合林，以及闊葉林為參照，作為低效針葉改造林分在未來較長(zhǎng)時(shí)間維度演替進(jìn)程中發(fā)育形成的目標(biāo)林分（即被改造針葉林分不同演替階段的群落空間），以林分的演替空間代替恢復(fù)時(shí)間維度的研究方法。

1.3 低效和殘次林的判定方法

根據(jù)國家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《低效林改造技術(shù)規(guī)程》（LY/T 1690—2007）對(duì)低效林分進(jìn)行判別。

1.4 林分及物種調(diào)查方法

于2014、2016 和2017 年的7-9 月，選擇林分設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣方。對(duì)樣地內(nèi)喬木開展每木檢尺調(diào)查，測(cè)定其胸徑、樹高、冠幅等，分別在每個(gè)喬木樣方內(nèi)設(shè)置3個(gè)5 m×5 m 的灌木樣方，調(diào)查灌木和DBH＜5.0 cm 的喬木樹種的種類、數(shù)量、高度、蓋度等。分別在每個(gè)灌木樣方內(nèi)的四角及中心位置設(shè)5 個(gè)1 m×1 m 的草本樣方，分別調(diào)查草本層的種類、數(shù)量、高度、蓋度等。同時(shí)記錄每塊標(biāo)準(zhǔn)樣地的地理坐標(biāo)、郁閉度、坡向、坡度、枯枝落葉層厚度及土壤類型等生態(tài)環(huán)境因子。

1.5 徑流小區(qū)布設(shè)和指標(biāo)觀測(cè)

在各類型樣地建有20 m×5 m 標(biāo)準(zhǔn)徑流場(chǎng)，徑流場(chǎng)下方建1 m×1 m×1 m 的集水池，安裝水表和水尺等測(cè)流設(shè)施，進(jìn)行不同改造模式徑流觀測(cè)、泥沙觀測(cè)和水質(zhì)觀測(cè)。在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)建一個(gè)小型自動(dòng)氣象站，自動(dòng)觀測(cè)和記錄各種氣象因子。徑流場(chǎng)觀測(cè)內(nèi)容為徑流小區(qū)產(chǎn)生徑流大小和徑流所攜帶的泥沙量，并對(duì)水樣進(jìn)行監(jiān)測(cè)。分析確定試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的水土保持、水土涵養(yǎng)和凈化水質(zhì)的作用。

1.6 數(shù)據(jù)計(jì)算

降雨量：取自研究區(qū)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)和人工觀測(cè)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。徑流系數(shù)：年產(chǎn)地表徑流的量/年降雨量×100%徑流量（t·hm-2）=V×A×ΔT（式中，V為平均水流速；A為過水?dāng)嗝娣e；ΔT為一定時(shí)段）

使用Excel 2010 和統(tǒng)計(jì)軟件DPS7.5 和SPSS 19.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型林分生物量和土壤質(zhì)量特征

研究區(qū)改造林分林下植被覆蓋度和生物量大幅提高，土壤理化性質(zhì)得以改善。低效濕地松改造林林地上生物量由57.80 t·hm-2提高到64.17 t·hm-2，林下灌草覆蓋度提高了15.67%，低效馬尾松改造林分林下灌草覆蓋度提高了33.32%、地上部分生物量提高了5.55 t·hm-2。殘次杉木改造林林下灌草覆蓋度提高了26.13%、地上部分生物量提高了8.21 t·hm-2。2017年與2014 年相比，改造低效和殘次林分林地土壤養(yǎng)分含量有所增加。有機(jī)質(zhì)含量的增幅為1.04～12.44 g·kg-1，全氮含量增幅為0.02～0.12 g·kg-1，堿解氮含量增幅5.07～7.75 mg·kg-1，速效磷含量增幅為0.04～0.11 mg·kg-1，速效鉀含量增幅為19.77～50.13 mg·kg-1，而土壤中全磷含量增幅僅為0.02～0.04 g·kg-1（表2）。

表2 不同類型林分生物量和土壤性質(zhì)Tab. 2 Stand biomass and soil properties of different types of forest stand

在森林的生長(zhǎng)發(fā)育過程中，林分結(jié)構(gòu)是一個(gè)重要的驅(qū)動(dòng)因子。促進(jìn)森林發(fā)育的干擾，主要表現(xiàn)為森林結(jié)構(gòu)調(diào)整[6]，說明喬、灌、草3 層結(jié)構(gòu)在森林防護(hù)效益上有不可忽視的重要性，只有在喬木、灌木、草本和枯落物層具有較大覆蓋度并合理搭配時(shí)，林地固持土壤能力的防護(hù)功能才是高效的。

2.2 不同類型林分水源涵養(yǎng)能力比較

2.2.1 枯落物持水量

不同改造林分與參照林分枯落物蓄積量如圖1所示。杉木殘次林、濕地松林和馬尾松林改造林分中林下枯落物的蓄積量和厚度都遠(yuǎn)小于參照林分。主要原因是喬木層中闊葉樹處于幼林，而杉闊復(fù)合林與馬闊復(fù)合林中，闊葉樹已成為優(yōu)勢(shì)群落，在林分中占有優(yōu)勢(shì)地位，隨著林分生長(zhǎng)周期林下枯落物不斷增多，其蓄積量和厚度均遠(yuǎn)高于人工針葉純林。2016 年枯落物的蓄積量依次為杉闊（8.48 t·hm-2）＞馬闊（8.30 t·hm-2）＞闊葉（6.12 t·hm-2）＞濕地松改造林（4.36 t·hm-2）＞馬尾松改造林（2.75 t·hm-2）＞殘次杉木改造林（2.56 t·hm-2）?？萋湮锏男罘e量與枯落物的厚度呈正相關(guān)，馬尾松改造林與殘次杉木改造林的林下枯落物厚度分別是1.73 cm 和1.38 cm。

圖1 不同類型林分枯落物蓄積量Fig. 1 Litter accumulation of different types of forest stand

從2016 年枯落物的最大持水量來看（圖2），馬闊復(fù)合林最大持水量是23.30 t·hm-2＞闊葉林22.73 t·hm-2＞低效馬尾松改造林（2.53 t·hm-2）。杉闊復(fù)合林（26.90 t·hm-2）＞闊葉林（22.73 t·hm-2）＞低效濕地松改造林（5.79 t·hm-2）＞殘次杉木改造林（2.12 t·hm-2）?？萋湮锏挠行r蓄水量依次是杉闊復(fù)合林（19.79 t·hm-2）＞馬闊復(fù)合林（18.06 t·hm-2）＞闊葉林（17.03 t·hm-2）＞濕地松改造林（4.44 t·hm-2）＞馬尾松改造林（2.02 t·hm-2）＞殘次杉木林（1.61 t·hm-2）。

圖2 不同類型林分枯落物持水量Fig. 2 Interception amount of litter layers of different types of forest stand

2.2.2 土壤容重和土壤持水量

不同類型林分土壤持水特征如表3 所示。2016年測(cè)定的闊葉林土壤容重0.98 g·cm-3，杉闊復(fù)合林土壤容重1.05 g·cm-3，馬闊復(fù)合林土壤容重1.05 g·cm-3，濕地松改造林土壤容重為1.18 g·cm-3，馬尾松改造林土壤容重為1.23 g·cm-3，杉木殘次林的土壤容重是1.27 g·cm-3。土壤容重越小越疏松，土壤蓄水能力越強(qiáng)。在試驗(yàn)區(qū)的馬尾松改造林分和殘次杉木林地土壤多為砂石土，土壤容重較大，蓄水能力較差。

表3 不同類型林分土壤容重和持水量Tab. 3 Stand soil bulk density and moisture capacity of different types of forest stand

不同林分類型的土壤持水量，與土壤容重的表現(xiàn)狀況相近，土壤儲(chǔ)蓄的水分總量取決于土壤質(zhì)地、土壤層厚度、容重、毛管孔隙度和非毛管孔隙等物理因素。土壤毛管孔隙蓄存的水分提供樹木根系吸收或土壤蒸散，而非毛管孔隙為水分蓄存提供了空間。土壤的最大持水量依次為杉闊復(fù)合林(4 721.02 t·hm-2)＞馬闊復(fù)合林(4 674.78 t·hm-2)＞闊葉林(4 617.22 t·hm-2)＞濕地松改造林（3 562.27 t·hm-2）＞馬尾松改造林（2 635.67 t·hm-2）＞杉木殘次林改造林（2 482.71 t·hm-2）。不同林分的土壤毛管持水量變化為：杉闊復(fù)合林（4 520.44 t·hm-2）＞馬闊復(fù)合林（4 430.70 t·hm-2）＞闊葉林（4 349.74 t·hm-2）＞濕地松改造林（3 367.84 t·hm-2）＞馬尾松改造林（2 635.67 t·hm-2）＞杉木殘次林（2 309.50 t·hm-2）。

由此可見，各改造林分的水源涵養(yǎng)能力幾乎都低于參照林分的1/2 或2/3，這表明，改造后林分的水源涵養(yǎng)功能提升空間很大，隨著林分的更新演替，現(xiàn)有林分的水源涵養(yǎng)能力將不斷提高。

2.2.3 地表徑流水質(zhì)

圖3 反映了不同林分類型的地表徑流的pH 值。不同植被狀況對(duì)區(qū)域內(nèi)水源的pH 值影響較大。低效濕地松和馬尾松改造林、馬闊復(fù)合林的地表徑流水為弱堿性，杉闊復(fù)合林、闊葉林、殘次杉木改造林地表徑流水為微酸性。2014—2017 年不同類型改造林分徑流水pH 值差異不顯著（P＜0.05）。

圖3 不同類型林分地表徑流pH 值Fig. 3 pH of surface runoff water of different types ofmodified forest stands

水中溶解氧的含量與空氣中氧的分壓、水的溫度都有密切關(guān)系。水中溶解氧的多少是衡量水體自凈能力的一個(gè)指標(biāo)。水里的溶解氧被消耗，要恢復(fù)到初始狀態(tài)所需時(shí)間短，說明該水體的自凈能力強(qiáng)，或者水體污染不嚴(yán)重。否則說明水體污染嚴(yán)重，自凈能力弱，甚至失去自凈能力。因此，溶解氧飽和度越高，說明其自凈能力越強(qiáng)。各林分地表徑流中溶解氧飽和度2017 年變化趨勢(shì)為：不同發(fā)育階段林分年際間差異不明顯(圖4)，闊葉林（78.02%）＞杉闊復(fù)合林（76.20%）＞馬闊復(fù)合林（75.36%）＞濕地松改造林（69.72%）＞馬尾松改造林（64.72%）＞杉木殘次林（63.12%）。根據(jù)國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 3838—2002），馬闊復(fù)合林地表徑流水質(zhì)達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，濕地松和馬尾松改造林為Ⅲ級(jí)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)。這說明，對(duì)照的杉闊和馬闊林地的水自凈能力要高于改造低效和殘次林分，隨著林分的更新演替，各改造林分對(duì)水的自凈能力將不斷增強(qiáng)，林分中涵養(yǎng)水的水質(zhì)將不斷改善。

圖4 不同類型林分地表徑流水溶解氧Fig. 4 Dissolved oxygen in surface runoff water of different types of modified forest stands

2.3 不同類型林分水土保持能力比較

不同森林由于結(jié)構(gòu)不同，其林冠層和下木層等地上植被對(duì)降水的攔截和阻擋作用差異較大。通過對(duì)不同林分類型的地表徑流的長(zhǎng)期觀測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，2014年地表徑流最大的是殘次杉木林，徑流量達(dá)到1 490.50 t·hm-2，最小為闊葉林726.50 t·hm-2。通過對(duì)不同類型林分不同年份徑流系數(shù)和徑流量方差分析表明，隨著林分生長(zhǎng)年限的增長(zhǎng)改造林分徑流量減少，并且年際間差異顯著（P＜0.05），2017 年與2014年相比，低效濕地松改造林、馬尾松改造林和杉木殘次改造林徑流量分別減少了6.56%、4.17%、4.76%。

通過觀測(cè)和計(jì)算得到2014 年闊葉林的土壤侵蝕量為116.90 t·km-2·a-1、杉闊復(fù)合林為235.10 t·km-2·a-1、杉木殘次林在585.75～612.15 t·km-2·a-1之間、馬尾松低效改造林為571.00 t·km-2·a-1（表4）。由此可見，隨著林分的發(fā)育更新，改造殘次林和低效林的土壤侵蝕量將有一定幅度的下降，改造林分的土壤侵蝕量減少量在20.95～26.40 t·km-2·a-1之間，減少了3.7%～4.3%，再次證明了對(duì)低效針葉林進(jìn)行闊葉化改造的重要性和必要性，也表明了改造后的低效林和殘次林在未來林內(nèi)水土流失狀況將得到明顯改善。如果采取合理的方案和技術(shù)，可以避免水土流失加劇的情況。

表4 不同類型林分地表徑流與土壤侵蝕量Tab. 4 Stand surface runoff and amount of soil erosion in different types

對(duì)不同演替階段的幾種林分類型的地表徑流、土壤侵蝕量等進(jìn)行了方差分析比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，馬尾松改造林與殘次杉木改造林和其他更高演替階段的林分在徑流系數(shù)和徑流量上表現(xiàn)出差異顯著性，徑流量更高；更高演替階段的林分與改造的杉木殘次林在土壤侵蝕量與徑流中泥沙含量上表現(xiàn)出差異顯著性，隨著演替階段的上升，林分的土壤侵蝕量與地表徑流中泥沙含量減小。

3 結(jié)論與討論

恢復(fù)森林水源涵養(yǎng)功能的核心是調(diào)整林冠組成和結(jié)構(gòu)[8]。植物群落由共存的物種構(gòu)成，組成群落的各物種間的關(guān)系，決定著群落的結(jié)構(gòu)特征和群落的動(dòng)態(tài)[13-14]。我國亞熱帶廣大地區(qū)的森林次生演替規(guī)律為：馬尾松為優(yōu)勢(shì)的針葉林→馬尾松為優(yōu)勢(shì)的常綠針闊混交林→闊葉林為優(yōu)勢(shì)的常綠針闊混交林→常綠闊葉林[15-16]。王方超[11]等對(duì)江西中亞熱帶針闊混交林的物種組成和空間分布特征研究表明，針闊混交林是中亞熱帶先鋒群落馬尾松林相頂級(jí)群落常綠闊葉林演替的中間階段。本研究采用了空間代時(shí)間的方法，以針闊混交林和闊葉林作為參照林分，研究低效針葉林闊葉化改造林分通過群落演替，將向以闊葉樹為優(yōu)勢(shì)種群的針闊混交林或闊葉林演替，從而推斷林分改造后的成效。低效林的改造就是通過調(diào)控林分結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善土壤生態(tài)功能[12]。補(bǔ)植是低效林改造的有效措施之一，隨著郁閉度增加，植物多樣性增大[16]。許多學(xué)者的研究結(jié)果顯示通過補(bǔ)植闊葉樹，低效針葉林林下生物量和物種豐富度增加[17-19]。本研究改造林分林下闊葉樹以鄉(xiāng)土樹種為主，主要是木荷和楓香為主，體現(xiàn)了地帶性針闊混交林的群落類型，以期達(dá)到改造目標(biāo)為喬、灌、草3 層復(fù)層結(jié)構(gòu)。改造后的低效和殘次針葉林將加快林上植被更新發(fā)育的進(jìn)程，未來不斷演替進(jìn)化為具有喬、灌、草復(fù)層結(jié)構(gòu)的林分，其生物多樣性將大大提升。低效和殘次針葉林改造4 a 后，林分地上部分生物量和林下植被的覆蓋度得到了較大幅度的提高，分別提高15.67%和33.32%。研究區(qū)改造林分林下植被覆蓋度和生物量大幅提高，土壤理化性質(zhì)得以改善。

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，不同森林類型由于發(fā)育階段不同、結(jié)構(gòu)存在差異，林分整體水源涵養(yǎng)功能也有一定的差異[20-21]?？萋湮锏某炙芰χ饕性谖捶纸鈱雍桶敕纸鈱?，已分解層補(bǔ)充了土壤有機(jī)質(zhì)，增加了土壤通透性和持水能力，從而提高土壤的持水能力，在林分改造和經(jīng)營(yíng)過程中應(yīng)盡可能地加以保護(hù)[22-24]。林分改造由于改變了林地光照、水分等條件，在促進(jìn)更新樹種及灌草生長(zhǎng)的同時(shí)，也加劇了地表水土流失和有機(jī)物分解，一定程度上導(dǎo)致了土壤抗蝕性降低[25]。林分改造降低了喬木層的林冠截留，有利于林分涵養(yǎng)水源[26]。美國和日本采用林草復(fù)合改造增加林地肥力[27]。許多研究發(fā)現(xiàn)改造后的林分凋落物、土壤的持水能力及肥力都有一定程度的提升[28-30]。本研究表明馬尾松改造模式與杉木殘次林改造模式在徑流系數(shù)和徑流量上表現(xiàn)出顯著性差異。改造后的林分可增強(qiáng)水自凈能力，提高了地表徑流水溶解氧飽和度，增幅為4%～12%。本研究再次證明了對(duì)低效針葉林進(jìn)行闊葉化改造的重要性和必要性，也表明了殘次林改造后在未來林內(nèi)水土流失狀況將得到明顯改善。如果采取合理的方案和技術(shù)，可以避免水土流失加劇的情況。林分結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化與穩(wěn)定需要長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)育，雖然本研究中經(jīng)密度調(diào)控與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的林分在物種的豐富性、喬灌草層的生物量、林分立體結(jié)構(gòu)上有明顯的改善，但其水源涵養(yǎng)功能在短短的4 a 項(xiàng)目期中無法得到切實(shí)體現(xiàn)。今后，應(yīng)對(duì)改造后的林分進(jìn)行水土流失的長(zhǎng)期觀測(cè)，進(jìn)一步深入開展水土流失動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的研究，并且建立針葉林改造不同類型生物量及演替預(yù)測(cè)模型，為森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。