江西信豐森林健康示范區主要林分類型土壤水源涵養功能

余定坤，胡紹平，楊清培，曾明洪，陳建明，歐陽勛志

（1.江西農業大學 省竹子種質資源與利用重點實驗室，南昌 330045；2.信豐縣林業局，江西 信豐 341600）

森林健康是指森林不僅能保持自身良性存在和更新，而且能充分發揮其野生動物保護、木材利用、休閑游憩和水源涵養等多種功能和效益［1－3］。自2002年6月起，中美森林健康合作項目正式啟動，先后在江西省信豐縣、云南省麗江縣、貴州省麻江縣、陜西省佛坪縣、北京市八達嶺林場啟動了5個試驗區和山東泰山等4個實驗點。至此，森林健康被正式引入到中國并進行較大范圍的試驗［4］。

土壤涵養水源功能主要表現在靜態持水能力與動態滲透能力兩方面，它對降水分配過程、水分循環和土壤流失等過程作用明顯［5］，且與森林的樹種組成、林分結構和經營方式密切相關，故不同森林水源涵養存在一定的差異［6－9］。江西省信豐縣森林健康項目示范區主要有常綠闊葉林、馬尾松（Pinus massoniana）林、毛竹（Phyllostachys pubescens）林、杉木（Cunninghamia lanceolata）林、濕地松（Pinus elliotii）林和火炬松（Pinus taeda）林6種主要林分類型。本文對這6種林分類型土壤水源涵養功能進行比較研究，為探索我國南方紅壤區森林生態功能和健康狀況評價提供理論依據。

1 研究區概況

江西信豐森林健康項目示范區，設在大橋鎮（25°21′12.8″N，115°8′38.82″E）、萬隆鄉（25°13′22.01″N，114°47′34.79″）兩個鄉鎮，屬低效林改造及經濟林建設森林健康類型區項目，重點以解決低效針葉純林改造為主要目標。示范區內地貌以低山丘陵為主，土壤為黃紅壤，氣候溫暖濕潤，雨量充沛，年平均氣溫17℃，年平均降水量1430 mm，年平均無霜期263d，地帶性植被為常綠闊葉林，但多被采伐利用。現主要森林類型有:經封山育林形成次生常綠闊葉林，逆行演替形成馬尾松林和毛竹林，以及杉木、濕地松、火炬松等人工林［10］。

2 研究方法

2.1 樣地的設置與調查

根據示范區森林資源狀況，并綜合考慮各林分類型特點、培育現狀、立地條件、林齡、經營措施、受干擾程度等多個方面因素，選擇具有代表性林分進行樣地調查［10］，樣地大小20m×30m，每種林型設2個重復（表1）。

表1 江西信豐森林健康項目示范區6種林分概況

2.2 土壤物理水文指標測定

2010年10月，在各樣地內隨機挖土壤剖面3個，用100cm3環刀分0—20cm（上層）、20—40cm（中層）、40—60cm（下層）取原狀土，帶回室內測定土壤容重、土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、持水能力等物理—水文指標；按“環刀法”測定土壤滲透性［11］。為了便于比較，將全部滲透系數按K10＝Kt／（0.07＋0.3t）轉換成10℃時的滲透系數［12］。

3 結果與分析

3.1 土壤容重和孔隙度特征

土壤容重與孔隙度是反映土壤物理性質的重要參數，都直接影響著土壤持水能力、通氣性能和滲透性能［13］。項目示范區6種主要林分各層土壤容重與孔隙度特征見圖1。

由圖1可知，6種林分土壤都是上層容重最小，其值在0.75～1.07g／cm3之間，且常綠闊葉林、馬尾松林、毛竹林、杉木林土壤容重隨土壤深度的增加而增大，各林分下層土壤密度為1.09～1.38g／cm3。全層（0—60cm）土壤平均容重變動于0.99～1.28g／cm3，大小順序為:毛竹林＜杉木林＜濕地松林＜馬尾松林＜常綠闊葉林＜火炬松林。

就總孔隙度而言，除馬尾松林外，其他類型都是表層土壤最大，均超過了45.0%。全層土壤總孔隙均值為44.04%～50.37%，大小順序為:毛竹林＞杉木林＞常綠闊葉林＞火炬松林＞濕地松林＞馬尾松林。

圖1 6種主要林分各層土壤容重與孔隙度特征

土壤容重和孔隙度受枯落物特性、根系分布及人類活動等因素影響［14］。毛竹林因具有龐大地下鞭根系統和人類的墾復或挖筍，其各層土壤的容重最小、孔隙度最高；而馬尾松林、火炬松林、濕地松林受割草拾柴或早年煉山等人為因素的影響，土壤孔隙度較低。

3.2 土壤持水能力

土壤持水能力可分為非毛管持水能力、毛管持水能力、最大持水能力。它們都是評價土壤涵養水源及調節水分循環的一個重要指標［15－18］。江西信豐森林健康示范區6種主要林分土壤持水能力詳見表2。

表2 6種主要林分類型土壤持水能力比較

由表2可以看出，6種林分土壤平均非毛管持水能力為:毛竹林＞杉木林＞濕地松林＞常綠闊葉林＞馬尾松林＞火炬松林。毛竹林土壤（尤其是表層）顆粒排列疏松、非毛管孔隙度大，故其非毛管持水力最大。

毛管持水能力大小為:火炬松林＞常綠闊葉林＞杉木林＞馬尾松林＞濕地松林＞毛竹林。常綠闊葉林毛管持水能力較強，是因為其凋落物易于分解，土壤生物活動強度大，有利于改良土壤性質［19］。

6種森林土壤最大持水能力依次為:毛竹林＞杉木林＞常綠闊葉林＞火炬松林＞濕地松林＞馬尾松林。毛竹林因土壤疏松、孔隙度大，其潛在持水能力最強，而馬尾松林因土壤緊實，孔隙度小的因而最弱。

3.3 土壤滲透特征

土壤滲透性也是森林水源涵養功能的另一個重要指標，表現了土壤的動態水文特性。6種林分各層土壤的滲透速率變化趨勢一致，即初期滲透速率較高，隨著時間的推移而逐漸下降，最后達到穩滲狀態。整個入滲過程可用Horton土壤入滲模型來模擬。

式中:i——t時刻的土壤入滲率；ic——土壤達到飽和狀態后的穩定入滲率；i0——t＝0時刻的初始入滲率；k——與土壤性質有關的常數。且模擬效果較好（R2≥0.650），結果詳見表3。

從不同林分看，毛竹林土壤各層滲透速率都較大，其上、中、下層初滲速率分別為3.773，2.927，4.008mm／min，穩滲速率分別也為1.525，1.157，1.709mm／min；火炬松相對較小，其初滲速率依次為0.163，0.390 和 1.637mm／min，穩滲速率只有0.112，0.206，0.930mm／min。各林分土壤滲透性好壞依次為:毛竹林＞杉木林＞濕地松林＞馬尾松林＞闊葉林＞火炬松林。

從不同層次看，除常綠闊葉林外，其他林分都是下層土壤的初滲速率和穩滲速率最大，中層或上層較小，說明人畜踩踏會增加緊實度，減少滲透率，但中下層土壤石礫增加會增加土壤滲透率。

表3 6種林分土壤水分入滲過程擬合參數及效果

3.4 不同森林土壤水源涵養功能綜合評價

選取初滲系數（X1）、穩滲系數（X2）、非毛管持水量（X3）、總持水量（X4）為評價指標，對6種林分土壤水源涵養功能進行主成分分析（表4）。由表4可知，第一主成分F1的方差累積貢獻率高達89.3%，且特征值3.57（＞1），信息損失量很少，用主成分F1來表征4個評價指標是合理的。第一主成分F1＝0.925 X1＋0.979 X2＋0.991 X3＋0.688 X4，在所有變量上的正載荷大致相等，F1可以解釋為對土壤綜合水源涵養功能的量度（即水源涵養功能綜合值）。依據主成分F1得分大小，各林分土壤綜合水源涵養功能強弱依次為:毛竹林＞杉木林＞濕地松林＞常綠闊葉林＞馬尾松林＞火炬松林。

表4 6種林分森林土壤水源涵養功能主成分分析

4 結論與討論

森林土壤對水分的調節能力主要表現在靜態持水能力與動態滲透能力兩方面，它們都與土壤孔隙度高低、孔隙大小及分布情況有關。一般而言，土壤容重越小，孔隙度愈高，其持水能力、透水性愈強［11］。

江西信豐森林健康示范區6種林分表層土壤容重為0.75～1.07g／cm3，下層為1.19～1.38g／cm3，隨深度增加而增大的趨勢，全層平均容重為0.99～1.28g／cm3，且毛竹林＜杉木林＜濕地松林＜馬尾松林＜常綠闊葉林＜火炬松林。6種林分土壤非毛管孔隙平均為5.00%～15.93%，毛管孔隙為34.44%～41.13%，總孔隙度平均為44.04%～0.37%，依次為:毛竹林＞杉木林＞常綠闊葉林＞火炬松林＞濕地松林＞馬尾松林。最大持水能力平均為2642 .63～3022 .07t／hm2，順序為:毛竹林＞杉木林＞常綠闊葉林＞火炬松林＞濕地松林＞馬尾松林。

6種林分各層土壤滲透速率的變化趨勢一致，在初期滲透速率較高，隨著時間的推移而下降，最后達到穩滲狀態，而且整個入滲過程用Horton土壤入滲模型模擬效果較好。毛竹林土壤初滲速率分別為3.773，2.927，4.008mm／min，穩滲速率分別為1.525，1.157，1.709mm／min；火炬松相對較小，其初滲速率依次為0.163，0.390，1.637mm／min，穩滲速率只有0.112，0.206，0.950mm／min。各林分土壤滲透性好壞依次為:毛竹林＞杉木林＞濕地松林＞馬尾松林＞常綠闊葉林＞火炬松林。

最后，通過主成分分析法綜合評價，毛竹林水源涵養功能最強，馬尾松林最弱。可見，毛竹林因龐大的地下鞭根系統［20］和人類經常性墾復或挖筍，有利于土壤結構、增加孔隙度和滲透性，從而增強其水源涵養功能。另外，應該減少人畜對火炬松林、馬尾松林等林地的踩踏，以保持其土壤水源涵養功能。

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