生態公益林林地土壤水源涵養功能研究

呂 磊， 文仕知，張新文，張滿君，彭爾卿

(1.中南林業科技大學，湖南 長沙 410004； 2.長沙市林業技術推廣站，湖南 長沙 410000)

生態公益林林地土壤水源涵養功能研究

呂 磊1， 文仕知1，張新文2，張滿君2，彭爾卿2

(1.中南林業科技大學，湖南 長沙 410004； 2.長沙市林業技術推廣站，湖南 長沙 410000)

以湖南省5種不同類型生態公益林為研究對象，對其林地土壤水源涵養功能進行研究，結果表明：從土壤容重的均值來看，自然保護區類公益林林地最低，天然混交林相對于人工純林林地土壤結構的改善效果更為明顯；土壤的非毛管孔隙度大致隨土層深度的增加而逐漸減少；不同類型公益林林地土壤最大蓄水量順序為：江河源頭>江河兩岸>自然保護區>濕地和水庫>城市風景林，有效蓄水量大小變化在22.5～318.9t·hm-2之間；自然保護區類公益林林地土壤滲透性能最好，這與其有較好的土壤物理性狀有關。

生態公益林；土壤；水源涵養

森林植被所具有的涵養水源的能力是森林生態系統最直觀的功能之一，而森林土壤層是森林生態系統中水分界面傳輸的重要環節。不同森林類型由于其樹種生物學特性與林分結構不同，其林分土壤涵養水源的能力差異顯著[1-6]。對湖南省5種主要生態公益林的林地土壤涵養水源能力進行研究，能較全面評價各種類型生態公益林的涵養水源效益，可為生態公益林林分結構調整、經營和管理提供參考。

1 研究區概況

研究區位于長江中游以南。該區屬中亞熱帶季風氣候區和常綠闊葉林帶，其土壤為紅壤和山地黃壤。境內呈輻射狀展布4條主干水：湘江、資水、沅江、澧水，地貌類型以山地丘陵為主，年平均氣溫16～18℃，年降水量1200～1700mm，成土母巖主要有花崗巖類、 板頁巖類、 砂礫巖類、 碳酸巖類、 紫色砂頁巖類、 第四紀紅色粘土。 我們以湖南省5種 (江河源頭、 江河兩岸、 國家級自然保護區、 濕地和水庫、 城市風景林) 不同類型生態公益林為研究對象， 于澧水源頭、 湘江兩岸、 湖南鷹嘴界國家自然保護區、 東江湖濕地、 長沙市南郊湖南省林業科學院試驗林場等5個生態公益林區設置監測點， 各監測點基本情況見表1。

表1 不同類型生態公益林標準樣地基本情況表Tab 1 Thesampleplotsituationofdifferenttypesofecologicalpublic?welfareforest生態公益林類型代號林分類型起源母巖類型坡度(°)坡向土壤厚度(cm)樹高(m)胸徑(cm)郁閉度生長狀況江河源頭Ⅰ類闊葉混交林天然次生板頁巖30N 8315．0010 540 85良江河兩岸Ⅱ類馬尾松林人工第四紀紅土5S1107 3715 320 55一般國家級自然保護區Ⅲ類闊葉混交林天然次生板頁巖32SE609 3510 650 90一般濕地和水庫Ⅳ類闊葉混交林天然次生板頁巖35S1257 6514 380 90良城市風景林Ⅴ類楓香純林人工第四紀紅土15S7612 309 800 75良生態公益林類型林分及林下植被狀況江河源頭林分密度為1455株·hm-2，主要有利川潤楠、小花木荷等天然闊葉樹種，林內層次結構明顯，林下灌草本稀少，蓋度小江河兩岸林分密度為615株·hm-2，喬木單一，植物群落結構簡單，灌木有剛竹、枸骨、大青等，蓋度70%國家級自然保護區林分密度為1815株·hm-2，以喬、灌木為主，草本少，藤本較粗，喬木主要有檵木、虎皮楠、貴定榿葉樹等天然闊葉樹種，灌木多為烏藥、鼠刺濕地和水庫早期樣地林分質量好，郁閉度大，因雨雪冰凍災害，部分林木斷頂或枯死，林分密度為1815株·hm-2，以栲樹為主的闊葉混交林，林下植被主要有紅葉樹、日本金星厥、網脈酸藤子等城市風景林林分類型為1986年營造的楓香人工純林，密度為1780株·hm-2，林下灌木較少，以草本為主，主要有竹葉草、雞血藤、油茶、菝葜、蕨類等植物

2 研究方法

通過實地踏查，在5種不同類型生態公益林中分別選取具有代表性的地段，各設置面積為667m2的標準樣地2塊；在各標準樣地內，對其林分和林下植被狀況以及土壤類型與土層厚度等立地因子進行調查、記錄；在標準地內進行踏查,選取有代表性的樣點，在其土壤剖面進行土壤樣本采集。土壤取樣采用機械分層法，用容積為200cm3的環刀分別在土壤剖面的0～15cm，15～30cm，30～45cm處取原狀土樣，重復3次。采用常規方法[7]測定土壤水分物理性狀、滲透性能等指標。

3 結果與分析

3.1土壤物理性狀

林地土壤物理性狀是林地土壤的基本特征，是反映林分水土保持功能強弱的重要指標。土壤物理性狀的優劣直接影響到土壤的持水、滲透能力，土壤物理性狀優良的土壤可減少地表徑流，具有更好的涵養水源和保持水土的作用[8]。土壤的物理性狀主要是指土壤的容重、孔隙度等指標。不同類型生態公益林林地的土壤物理性狀見表2。

從表2中可以看出，各種生態公益林的土壤容重最低值均出現在表層(0～15cm)土壤。這是由于植物根系活動和枯落物的分解等作用使林地表層土壤結構得到明顯改善。從容重的均值來看，Ⅲ類公益林林地母巖為板頁巖，由于土層較薄，植物根系分布相對集中，根系活動的影響大，土壤比較疏松，所以土壤容重最低，為1.21g·cm-3；其次，Ⅰ類公益林林地因枯落物的貯量大及分解能力強，使林地土壤結構得到明顯改善，容重為1.23g·cm-3；Ⅴ類林地土壤較為緊實，容重為1.33g·cm-3，其它2種生態公益林林地土壤容重分別是: Ⅳ類為1.28g·cm-3、Ⅱ類為1.31g·cm-3。可見，各種生態公益林林地的土壤容重差異不大，各林分植物根系活動和枯落物的分解等作用使林地土壤結構得到了明顯改善，土壤結構較為疏松。其中，天然混交林相對于人工純林林地土壤結構的改善更為明顯，這說明天然混交林的多層復合結構對于林地土壤的結構改善有明顯的效果。

表2 不同類型生態公益林林地土壤物理性狀Tab 2 Soilphysicalpropertiesofdifferenttypesofeco?logicalpublic?welfareforest生態公益林類型林分類型土層厚度(cm)容重(g·cm-3)非毛管孔隙(%)毛管孔隙(%)總孔隙度(%)Ⅰ類闊葉混交林 0～151 155 0745 9851 0615～301 261 7748 6050 3730～451 282 4347 0849 51平均1 233 0947 2250 31Ⅱ類馬尾松林 0～151 296 2444 6250 8615～301 345 7445 7451 4730～451 313 8244 8348 65平均1 315 2645 0650 33Ⅲ類闊葉混交林 0～151 0610 4437 2447 6815～301 315 4542 7948 2430～451 275 3741 8047 17平均1 217 0940 6147 70Ⅳ類闊葉混交林 0～151 163 4247 6651 0815～301 342 9841 4144 3930～451 352 3542 1944 54平均1 282 9243 7546 67Ⅴ類楓香純林 0～151 298 7835 0043 7815～301 386 4136 3742 7830～451 316 0338 4545 31平均1 337 0736 6143 96

土壤孔隙作為評價土壤通透性和水源涵養潛力的重要指標，是土壤水分的貯存庫。土壤孔隙度包括毛管孔隙度、非毛管孔隙度及總孔隙度。從表2和圖1中可以看出，土壤各層的非毛管孔隙度變化趨勢大致是隨著土壤深度的增加，非毛管孔隙度逐漸減小。在各種生態公益林中，平均土壤非毛管孔隙度最大的林分是Ⅲ類(7.09%)，最小的是Ⅳ類(2.92%)，這可能是由于Ⅳ類生態公益林中林內灌草少，根系活動影響小，枯落物分解慢，土壤改良速度慢，容重大，導致非孔隙度小。各類林地土壤總孔隙度隨土壤深度的變化無明顯變化規律，通過對各類型林分土壤總孔隙度進行方差分析，結果表明各類型林地之間總孔隙度差異不顯著。

圖1 不同類型公益林樣地土壤非毛管孔隙度 Fig.1 The non-capillary porosity of soil in different types of ecological public-welfare forest

總體而言，各種類型公益林中，Ⅲ類林地土壤物理性狀最好。土壤物理性狀主要受林地母巖、林分質量及立地條件等因素的影響。

3.2土壤蓄水性能

土壤的蓄水性能是評價森林涵養水源功能最主要的指標之一，主要取決于土壤的物理性狀。眾多研究表明，森林土壤的蓄水性能與土壤的孔隙度(特別是非毛管孔隙度)、土層厚度有著密切的關系[9-11]：

土壤最大蓄水量(t·hm-2)=1.0g·cm-3×10000m2×土壤總隙度(%)×土壤深度(m)；

土壤有效蓄水量(t·hm-2)=1.0g·cm-3×10000m2×土壤非毛管隙度(%)×土壤深度(m)。

為了使各種類型公益林的土壤蓄水功能的具體差異更為直觀，將各種類型公益林林地的土層深度統一為45cm。從表3可以看出，不同類型公益林林地，其45cm土層的土壤最大蓄水量的范圍是1978.05～2264.02t·hm-2，以Ⅰ類公益林林地土壤最大蓄水量最大，Ⅴ類的最大蓄水量最小。這主要是因為Ⅰ類公益林林地的植物多樣性大、枯落物貯量多且分解速度快，給土壤提供了大量的有機質，改變了土壤的結構，其孔隙度大，相應持水能力就強；Ⅱ類樣地因林下灌木較多，根系活動影響大，土壤孔隙度大，所以其持水能力較強。不同類型公益林，其土壤最大蓄水量順序為Ⅰ類>Ⅱ類>Ⅲ類>Ⅳ類>Ⅴ類。

對于蓄涵降水來說，有效蓄水量更能體現各種類型公益林的水源涵養能力。不同類型公益林的有效蓄水量大小在131.28～318.9t·hm-2之間，以Ⅲ類公益林的林地土壤有效蓄水量最大，Ⅳ類的有效蓄水量最小。土壤的有效蓄水能力大，其滲透能力就強。Ⅲ類公益林林地的土壤調節水分的功能較強，原因之一是Ⅲ類公益林林地的土壤厚度小，植物根系集中分布于淺層，可能對它的非毛管孔隙度有很大影響，導致Ⅲ類公益林林地的非毛管孔隙度大，有效持水能力強。

表3 不同類型公益林林地土壤蓄水量Tab 3 Thewaterstoragecapacityofsoilindifferenttypesofecologicalpublic?welfareforest生態公益林類型林分類型土層厚度(cm)毛管持水量(mm)土壤有效蓄水量(t·hm-2)土壤最大蓄水量(t·hm-2)分層合計分層合計 0～1568 9876 12765 89Ⅰ類闊葉混交林15～3072 8926 55139 13755 502264 0230～4570 6236 45742 64 0～1566 9393 60762 85Ⅱ類馬尾松林15～3068 6186 03236 92772 082263 6230～4567 2557 30728 69 0～1555 86156 60715 22Ⅲ類闊葉混交林15～3064 1981 75318 90723 652146 4230～4566 4180 55707 55 0～1571 4951 25766 14Ⅳ類闊葉混交林15～3062 1044 78131 28665 832100 0530～4563 2835 25668 08 0～1552 50131 70656 70Ⅴ類楓香純林15～3054 5696 15318 30641 701978 0530～4557 6890 45679 65

綜合以上分析，Ⅲ類公益林林地土壤的有效蓄水量最大，最大蓄水量也相對較大，水源涵養功能明顯，這與其土壤物理性狀的良好相對應，但因其樣地實際土層厚度小，因此涵蓄的水量是有限的。而Ⅰ類公益林林地土壤的最大蓄水能力最大，有效蓄水量也相對較好。總體來看Ⅰ類公益林林地的土壤貯蓄和調節水分潛在能力好，可以吸收更多的降雨；同樣，Ⅱ類公益林林地因其林下灌木較多，根系活動影響大，所以土壤的持水性能相對較好。可見，林地土壤孔隙狀況和水源涵養能力與林地生物多樣性、樹種的搭配、立地條件、林分年齡以及森林植被的生物特性(尤其是根系特性)等因素密切相關。因此，在今后的生態公益林經營中，應充分考慮這些因素，從而獲得更好的生態效益。

3.3土壤水分滲透性能

森林土壤滲透性能是森林水文特征的重要反映，土壤入滲性能的高低是影響土壤涵養水源性能的另一重要指標。滲透性能良好的林地土壤，能夠使降水在土壤內進行合理再分配，從而減少土壤侵蝕，良好的森林土壤其土壤穩定入滲率高達8.0cm/h以上[12-13]。

從表4可知，各類公益林林地土壤在初滲、穩滲階段的滲透速度和滲透系數大體趨勢為隨著土層深度的增加而遞減，部分出現下層滲透速率大于上層，原因可能與人類干擾和土壤石礫含量有關，一些樣地土壤深層石礫含量較多使滲透率相對增大。不同類型公益林林地土壤表層(0～15cm)的初滲和穩滲速度大小范圍分別在2.86～10.68mm·min-1和0.83～5.75mm·min-1之間，Ⅲ類公益林林地的初滲和穩滲系數都最大，土壤滲透性能最好，這與其較好的土壤物理性狀有密切關系；Ⅰ、Ⅴ類的土壤表層滲透性能較好，但是隨著土層深度增加，其滲透能力下降明顯，這與林地土壤表層上的枯落物的分解改善了表層土壤結構和增加了土壤孔隙度等有一定的關系。

表4 不同類型公益林的林地土壤滲透性能比較Tab 4 Thesoilpermeabilityofdifferenttypesofecologicalpublic?welfareforest生態公益林類型林分類型土層厚度(cm)滲透速度/(mm·min-1)滲透系數K10/(mm·min-1)初滲穩滲初滲穩滲 0～158 713 044 111 43Ⅰ類闊葉混交林15～300 750 270 360 1330～450 910 360 430 17 0～155 721 922 700 91Ⅱ類馬尾松林15～300 310 150 150 0730～450 470 050 220 02 0～1510 685 755 042 71Ⅲ類闊葉混交林15～308 154 323 842 0430～457 283 743 431 77 0～152 860 831 350 39Ⅳ類闊葉混交林15～301 020 550 480 2630～450 360 340 170 16 0～158 535 414 022 15Ⅴ類楓香純林15～305 523 122 601 4730～453 651 252 000 59

4 結論與討論

(1) 由于公益林林地的母巖、植被類型等不同使得其土壤物理性狀有著較明顯的差異。其中自然保護區和江河源頭類公益林林地土壤結構得到了明顯的改善，天然混交林相對于人工純林林地土壤結構的改善更為顯著；城市風景林和江河兩岸類公益林林地則較為一般，濕地類公益林林地土壤結構最差。

(2) 各公益林類型土壤初滲、穩滲階段的滲透速度和滲透系數大體趨勢為隨著土層深度的增加而遞減，初滲和穩滲速度大小范圍分別在2.86～10.68mm·min-1和0.83～5.75mm·min-1之間。各類型公益林林地土壤最大蓄水量順序為：江河源頭>江河兩岸>自然保護區>濕地和水庫>城市風景林，有效蓄水量大小變化在131.28～318.9t·hm-2之間。自然保護區類公益林樣地土壤的有效蓄水量最大，最大蓄水量也相對較大，土壤滲透性能最好，水源涵養功能最明顯，這與其土壤物理性狀的良好相對應。可見，林地水源涵養能力與林地生物多樣性、樹種的搭配、立地條件、林分年齡以及森林植被的生物特性(尤其是根系特性)等因素密切相關。考慮到各類型公益林本底值的差異，指標數據不能夠全面反映各類型公益林林地土壤水源涵養功能的具體差異，有待進一步對各指標進行動態變化監測，以探尋其規律。

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Studyonthewaterconservationfunctionofecologicalpublic-welfareforestsoil

Lü Lei1，WEN Shizhi1，ZHANG Xinwen2，ZHANG Manjun2，PENG Erqing2

(1.Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China; 2.Changsha Forestry Technology Promotion Station, Changsha 410000, China)

The water conservation function of five different types of ecological public-welfare forest in Hunan was studied. The results showed that in terms of the mean soil bulk density, the Nature Reserve ecological forest occupied the lowest, while the natural mixed forest had obvious improvement in soil structure compared with the artificial pure forest. The non-capillary porosity of soil decreased gradually along with the increase of soil depth. The maximum water storage capacity in soil of different types of ecological public-welfare forest was in order of Source of Rivers>River Cross>Nature Reserve>Wetlands and Reservoirs>City Landscape Forest, with the effective water storage capacity ranged from 22.5t· hm-2to 318.9t·hm-2. The soil permeability of ecological public-welfare forest of the Nature Reserve was the best, which was related to the better soil physical properties.

ecological public-welfare forest; soil; water conservation

2010-06-21

2011-07-29

湖南省重點公益林資源與生態效益監測項目(2130209)；中南林業科技大學青年科學研究基金資助項目(2008006B)

呂 磊(1981-)，男，湖南省永州市人，講師，碩士研究生，主要從事水土保持學研究。

S 714.7

A

1003-5710(2011)04-0022-05

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2011. 04. 007

(文字編校：唐效蓉，龔玉子)