不同林分類型林下植被及土壤層水源涵養功能比較研究

摘 要：水源涵養能力是森林生態系統重要功能之一。該文分析了杉木純林、馬尾松純林及杉木馬尾松混交林林下植被層、凋落物層和土壤層水源涵養能力的差異。研究結果表明，林下植被層最大持水量表現為杉木馬尾松混交林>馬尾松純林>杉木純林，凋落物層最大持水量、0～60cm土層總蓄水量以及林分總持水量均表現為杉木馬尾松混交林>杉木純林>馬尾松純林。杉木馬尾松混交林水源涵養功能整體上優于杉木純林和馬尾松純林兩種林分類型。

關鍵詞：林分類型；水源涵養能力；最大持水量

中圖分類號 F307.2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）11-88-04

森林水源涵養功能是以植被層、林地凋落物層以及土壤層來阻滯降水、涵蓄水源，從而起到調節地表徑流，保持水土的功能[1]。不同林分類型因植被種類存在較大差異，植被層水源涵養功能存在較大差異。凋落物層的水源涵養能力主要體現在凋落物的吸水方面，吸水能力的大小取決于其本身的厚度與性質；不同林分類型，其樹種不同，其凋落物的吸水能力存在較大的差異。土壤層是森林水源涵養功能的主體，決定森林生態水文功能的因素是來自于森林土壤水文物理性質，其反映了森林植被水源涵養和保持水土功能的重要指標[2-4]；不同林分類型的樹種生物學特性和林分結構存在差異，造成了土壤容重、孔隙度等性質也存在差異，因而不同林分類型的土壤水源涵養能力也存在較大的差異[5-11]。因此，研究不同林分類型的水源涵養能力，對改善水環境，合理經營森林資源，實現水資源的管理與利用具有重要的意義。本文以杉木馬尾松混交林、杉木純林、馬尾松純林3種林分為研究對象，比較分析不同林分類型林下植被層、凋落物層以及土壤層的水源涵養能力差異，研究結果為合理調整森林結構布局，發揮森林水源涵養功能提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況 實驗地位于尤溪縣國有林場山兜分場89林班2大班3小班，E118°30'01\"，N26°09'33\"，地處戴云山脈北段西坡，屬中亞熱帶季風性濕潤氣候；年平均氣溫為12.5～14℃，最高氣溫達39℃，最低氣溫為-4.5℃；年平均降雨量為1 580mm，年相對濕度為83%，年蒸發量為1 380mm；無霜期299～310d。試驗地海拔850～900m，坡度25°，土壤為山地紅壤。杉木馬尾松混交林、杉木純林及馬尾松純林為互相毗鄰的林分；1991年煉山后，杉木樹種挖暗穴造林，穴規格為60cm×40cm×40cm；馬尾松樹種挖暗穴造林，穴規格為50cm×30cm×30cm；杉木苗木為尤溪縣國有林場初級種子園繁育的1a生實生苗，馬尾松苗木為福建省林業廳種苗種站調撥的種子繁育的1a生實生苗；3種林分類型初植密度均為220株/667m2，杉木馬尾松混交林混交方式為株間混交，混交比例為2∶1；造林當年6月份擴穴培土、全鋤，9月份全鋤；造林第2年6月份及9月份各全鋤1次，造林第3年9月份全鋤1次。

1.2 樣地調查及測定方法

1.2.1 樣地調查 2013年3月，在全面踏查的基礎上，選擇有代表性地段，分別不同林分類型設置3個20cm×20cm樣地共9個。樣地內每木調查，分別調查杉木及馬尾松胸徑及樹高（表1）。在每塊樣地內設置4個2m×2m小樣方及8個1m×1m小樣方，2m×2m小樣方內收集灌木，1m×1m小樣方收集草本層植物樣品及凋落物樣品；分別稱每一樣方內樣品鮮重后，取部分樣品帶回室內測定持水量及干重。在每一樣地中部挖取一土壤剖面，用土壤環刀分別取土層為0～20cm、20～40cm及40～60cm土壤，帶回實驗室測定土壤物理性質及持水量。

1.2.2 水源涵養功能測定 將灌木層、草本層及枯枝落葉層鮮樣樣品放于紗袋中置水中浸泡24h后，取出靜置并待無水滴滴下后稱重W1，然后將樣品放置于烘箱中以80℃烘干至恒重計為W2，則樣品最大持水量=W1-W2，樣品最大持水率（%）=（W1-W2）/W2×100。

將環刀置于水中吸水12h后稱重，接著去蓋后放置于干燥過的沙中2h后稱重，48h后稱重，然后將土樣放于烘箱中在105℃下烘干至恒重并稱重，計算土壤容重、非毛管孔隙、毛管孔隙、土壤最大蓄水量及土壤有效蓄水量[12-13]。

2 結果與分析

2.1 不同林分類型林下植被層水源涵養能力差異分析 不同林分類型人工林林下植被生物量及最大持水量均存在一定的差異（表2）。3種林分林下植被生物量中，杉木馬尾松混交林生物量最大，與杉木純林和馬尾松純林相比分別提高了81.14%和71.35%；杉木純林生物量與馬尾松純林相比提高了5.71%。就林分最大持水率差異而言，杉木馬尾松混交林林下植被層最大持水率最大，馬尾松純林次之，杉木純林最低，其中杉木馬尾松混交林林下植被層最大持水率與杉木純林及馬尾松純林相比分別提高了14.94%和1.14%。各林分林下植被層最大持水量中，杉木馬尾松混交林最大，馬尾松純林次之，杉木純林最低，其中杉木馬尾松混交林與杉木純林和馬尾松純林相比分別提高了117.96%和112.86%。方差分析結果表明，杉木馬尾松混交林林下植被層生物量與杉木純林及馬尾松純林相比差異達顯著水平，杉木馬尾松混交林林下植被層最大持水量與杉木純林及馬尾松純林相比差異達顯著水平。

注：同列不同小寫字母表示差異顯著（P<0.05），下表3、表5同。

2.2 不同林分類型凋落物層水源涵養能力差異分析 在杉木純林、馬尾松純林及杉木馬尾松混交林這3種林分類型中，因主要造林樹種和林下植被的種類不同，凋落物的種類、現存量和最大持水量均存在一定的差異（表3）。就3個林分的凋落物的總現存量而言，杉木馬尾松混交林的凋落物總現存量最大，馬尾松純林次之，杉木純林最少，其中杉木馬尾松混交林的凋落物總現存量與杉木純林及馬尾松純林相比分別提高了28.04%和26.33%，馬尾松純林凋落物總現存量與杉木純林相比提高了1.35%；分析3個林分的凋落物最大持水總量顯示，杉木馬尾松混交林凋落物最大持水總量最高，與杉木純林及馬尾松純林相比分別提高了7.03%和31.37%，其次為杉木純林，與馬尾松純林相比提高了22.74%。不同林分類型林下凋落物的種類和數量也有較大的差異，馬尾松純林的馬尾松凋落物量及其最大持水量均最大，與杉木馬尾松混交林相比提高了73.05%；杉木純林的杉木凋落物量及其最大持水量均最大，與杉木馬尾松混交林相比提高了60.82%；而林下闊葉凋落物量及其最大持水量則以杉木馬尾松混交林最大，馬尾松純林次之，杉木純林最小，杉木馬尾松純林的闊葉凋落物量與杉木純林及馬尾松純林相比分別提高了61.19%和157.14%，杉木馬尾松混交林闊葉凋落物最大持水量與杉木純林及馬尾松純林相比分貝提高了36.26%和65.33%。

方差分析表明，不同林分類型的凋落物數量及凋落物持水量間的差異有所不同。杉木馬尾松混交林的凋落物總現存量、闊葉凋落物現存量及其最大持水量與杉木純林及馬尾松純林相比差異均顯著，兩種純林相比差異均不顯著；就林下凋落物的最大持水總量而言，馬尾松純林的凋落物最大持水總量與杉木馬尾松混交林及杉木純林相比差異均顯著，而混交林的凋落物最大持水總量和杉木純林相比差異不顯著；杉木馬尾松混交林的馬尾松凋落物現存量及其最大持水量與馬尾松純林相比差異顯著；杉木馬尾松混交林的杉木凋落物現存量及其最大持水量與杉木純林相比差異顯著。

2.3 不同林分類型土壤層水源涵養能力差異分析 森林土壤層是森林水源涵養系統的第三活動層，是巨大的水文調節器和水分貯蓄庫。土壤的性質不僅與其成土母質有密切的關系，而且也與當地氣候和植被類型有關。因此，不同林分類型的林分土壤的水分物理性質存在差異。由表4可以看出，不同林分類型，隨著土層深度的增加，各個指標的變化趨勢存在一定的差異。就同一林分類型不同土層深度而言，杉木馬尾松混交林的土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度隨著土層深度的增加呈現先減后增的變化趨勢，其中土壤容重與毛管孔隙度在40～60cm土層達到最大值，土壤容重與0～20cm土層及20～40cm土層相比分別提高了29.35%和48.75%，毛管孔隙度與0～20cm土層及20～40cm土層相比分別提高了9.76%和21.62%，而土壤總孔隙度則在0～20cm土層達到最大值，與20～40cm土層及40～60cm土層相比分別提高了23.40%和7.41%；非毛管孔隙度和非毛管孔隙/毛管孔隙隨著土層深度增加逐漸減小，均在0～20cm時達到最大，非毛管孔隙度與20～40cm土層及40～60cm土層相比分別提高了80.00%和100.00%，非毛管孔隙/毛管孔隙與20～40cm土層及40～60cm土層相比分別提高了59.26%和115.00%；土壤最大蓄水量和有效蓄水量隨著土層深度的增加先增后減，均于20～40cm時達到最大值，土壤最大蓄水量與0～20cm土層及40～60cm土層相比分別提高了3.60%和12.06%，土壤有效蓄水量與0～20cm土層及40～60cm土層相比分別提高了30.68%和158.43%。而就杉木純林而言，土壤容重隨著土層深度的增加逐漸升高，40～60cm與20～40cm及0～20cm土層相比分別提高了13.04%和27.45%；非毛管孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙/毛管孔隙、總孔隙度、土壤最大蓄水量和土壤有效蓄水量均為先降低后升高，其中0～20cm及40～60cm土層非毛管孔隙度與20～40cm土層相比差異最大，分別比20～40cm土層提高了266.67%和100.00%，0～20cm及40～60cm土壤有效蓄水量與20～40cm土層相比分別提高了270.69%和86.76%。分析馬尾松純林的土壤物理性質可知，馬尾松純林土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度、土壤最大蓄水量隨著土層深度的增加逐漸增加，40～60cm土層的土壤最大蓄水量與0～20cm及20～40cm相比分別提高了14.41%和4.45%，非毛管孔隙度、非毛管孔隙/毛管孔隙、土壤有效蓄水量隨著涂層深度的增加逐漸降低，其中0～20cm土層的非毛管孔隙/毛管孔隙與20～40cm和40～60cm相比差異最大，與20～40cm及40～60cm相比分別提高了38.89%和157.14%，0～20cm土層的土壤有效蓄水量與20～40cm和40～60cm土層相比分別提高了43.75%和109.75%。

同一土層深度不同林分類型之間的各測試指標也存在著較大的差異。就0～20cm土層而言，杉木馬尾松混交林土壤的非毛管孔隙、非毛管孔隙/毛管孔隙、土壤有效蓄水量與杉木純林相比分別提高了63.63%、104.76%和53.48%；與馬尾松純林相比則分別提高了157.14%、138.88%和135.47%。就20～40cm土層而言，杉木馬尾松混交林土壤的非毛管孔隙度、土壤最大持水量和土壤有效持水量均高于杉木純林和馬尾松純林，其中非毛管孔隙度與杉木純林和馬尾松純林相比分別提高了233.33%和100.00%，土壤最大持水量與杉木純林和馬尾松純林相比分別提高了21.22%和12.82%，土壤有效持水量與杉木純林和馬尾松純林相比分別提高了643.49%和342.35%。而就40～60cm土層而言，杉木馬尾松混交林土壤的非毛管孔隙度、非毛管孔隙/毛管孔隙和土壤有效持水量均大于杉木純林和馬尾松純林，其中非毛管孔隙度與杉木純林和馬尾松純林相比分別提高50.00%和125.00%，土壤有效持水量與杉木純林和馬尾松純林相比分別提高54.04%和149.75%；馬尾松純林的毛管孔隙度、總孔隙度和土壤最大蓄水量均高于杉木馬尾松混交林和杉木純林，其中毛管孔隙度與混交林和杉木純林相比分別提高了15.56%和8.33%，土壤最大蓄水量與混交林和杉木純林相比分別提高了3.75%和4.45%。0～60cm土層總蓄水量表現為杉木馬尾松混交林>杉木純林>馬尾松純林，其中杉木馬尾松混交林的土層總蓄水量與杉木純林和馬尾松純林相比分別提高了2.37%和9.01%。

2.4 不同林分類型水源涵養能力綜合分析 森林水源涵養層中的林冠層的水源涵養能力在總森林水源涵養中占有15%以下，而林下植被層、凋落物層和土壤層的涵養能力占有森林總涵養的80%以上，其中土壤是水源涵養的主體。林分的地面覆蓋物及0～60cm土壤層的水源涵養能力因林分類型的不同而具有不同程度的差異（表5）。3種林分類型的地表覆蓋物水源涵養能力、0～60cm土壤層持水量和總持水量整體均體現為杉木馬尾松混交林>杉木純林>馬尾松純林，其中杉木馬尾松混交林的地表覆蓋物水源涵養能力與杉木純林和馬尾松純林相比分別提高了24.46%（下轉122頁）（上接90頁）和46.84%，杉木純林的地表覆蓋物水源涵養能力與馬尾松純林相比提高了17.98%；杉木馬尾松混交林的0～60cm土壤層持水量與杉木純林和馬尾松純林相比分別提高了2.37%和9.01%，杉木純林的0～60cm土壤層持水量與馬尾松純林相比提高了6.48%；杉木馬尾松混交林的林分總持水量與杉木純林和馬尾松純林相比分別提高了2.38%和9.15%，杉木純林的0～60cm土壤層持水量與馬尾松純林相比提高了6.52%。

方差分析表明，3種林分類型之間的地表覆蓋物持水量兩兩之間差異均顯著；馬尾松純林0～60cm土壤層持水量和林分總持水量與杉木馬尾松混交林及杉木純林相比差異均顯著，而杉木馬尾松混交林和杉木純林相比0～60cm土壤層持水量和林分總持水量差異不顯著。

3 結論與討論

森林生態系統具有強大的水源涵養功能，林冠層、林下植被層、凋落物層和土壤層都具有一定的水源涵養能力，其中土壤層是水源涵養的主要層次，森林地上部分持水量在森林總持水量中占的比例較小，但在降雨的截留、降低雨水沖擊地面等方面具有重要作用[14]。不同林分類型會導致林下植被層和凋落物的生物量或總現存量間存在不同程度的差異，凋落物種類、現存量及分解程度的差異，影響到有機質向土壤中的輸入，進而造成土壤結構、類型和保水能力間的差異，多因素綜合起來，會對林分的總持水量造成不同程度的影響。本文研究發現，林下植被層最大持水量表現為杉木馬尾松混交林>馬尾松純林>杉木純林，凋落物層最大持水量、0～60cm土層總蓄水量以及林分總持水量均表現為杉木馬尾松混交林>杉木純林>馬尾松純林，其中杉木馬尾松混交林的林下植被層最大持水量與杉木純林和馬尾松純林相比分別提高了117.96%和112.86%；杉木馬尾松混交林的凋落物層最大持水量與杉木純林和馬尾松純林相比分別提高了36.26%和65.33%；杉木馬尾松混交林的0～60cm土層總蓄水量與杉木純林和馬尾松純林相比分別提高了2.37%和9.01%；杉木馬尾松混交林的林分總持水量與杉木純林和馬尾松純林相比分別提高了2.38%和9.15%。綜上可以看出，在所調查的3種林分中，杉木馬尾松混交林在水源涵養方面具有更加優異的林下植被層和土壤層結構，水源涵養能力優于其它兩種林分類型。

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