黃浦江上游近自然混交林和人工純林水源涵養功能評價

蔡 婷, 李阿瑾, 宋 坤,2, 達良俊,2,3, 徐開欽, 燕愛玲

(1.華東師范大學 生態與環境科學學院, 上海 200241; 2.浙江天童森林生態系統國家野外科學觀測研究站, 浙江 寧波 315114;3.上海市城市化生態過程與生態恢復重點實驗室, 上海 200241; 4.國立環境研究所, 日本 筑波 305-8506)

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黃浦江上游近自然混交林和人工純林水源涵養功能評價

蔡 婷1, 李阿瑾1, 宋 坤1,2, 達良俊1,2,3, 徐開欽4, 燕愛玲1

(1.華東師范大學 生態與環境科學學院, 上海 200241; 2.浙江天童森林生態系統國家野外科學觀測研究站, 浙江 寧波 315114;3.上海市城市化生態過程與生態恢復重點實驗室, 上海 200241; 4.國立環境研究所, 日本 筑波 305-8506)

以上海黃浦江上游水源涵養林為研究對象，選擇近自然混交林、香樟(Cinnamomumcamphora)人工純林和無患子(Sapindusmukorossi)人工純林，對比了地上部分、枯落物層、土壤層三個垂直層次的持水量，綜合評價了其水源涵養功能。結果表明:地上部分持水量近自然混交林與香樟純林持平，大于無患子純林，分別為16.36 t/hm2，16.85 t/hm2，12.54 t/hm2；枯落物層最大持水量依次為近自然混交林(0.37 t/hm2)>無患子純林(0.004 t/hm2)>香樟純林(0.003 t/hm2)；土壤層最大持水量近自然混交林(2 657.02 t/hm2)>無患子純林(2 526.81 t/hm2)>香樟純林(2 474.80 t/hm2)。土壤層對森林涵養水源功能的貢獻最大，但同時離不開地上部分及枯落物層三者間的相互依存和影響。綜合評價得到不同類型林分的總持水量為近自然混交林(2 673.73 t/hm2)>無患子純林(2 539.35 t/hm2)>香樟純林(2 491.65 t/hm2)。由此可見，林分復雜、樹種多樣、林下植被豐富的近自然混交林涵養水源的能力最強，優于單一的無患子純林，而香樟純林最差。

近自然混交林； 水源涵養； 林冠截留； 枯落物持水； 土壤物理性質

涵養水源是森林生態系統最重要的功能之一，主要表現在調節水分變化、減少地表徑流、增加河流水量等方面[1]。森林涵養水源的功能主要通過植被的截留和枯落物層持水的形式，達到增強土壤下滲、補充地下水、抑制蒸發等[2-3]。森林能夠涵養水源，不僅表現在可以截留降水，還體現在群落自身對水分的吸收，最直接的反映就是植物自身的含水量。植物體含水量由其自身的生物量和含水率共同決定。不同類型植被在林冠層、枯落物層和土壤層三個層次的持水量上存在很大差別，主要是由該層生物量的大小決定的，生物量大，持水量則大。此外，持水率也是影響植被持水量的重要因素，但在不同功能層中其作用大小存在差異[4]。枯落物層因其結構疏松，具有良好的透水性能和持水能力，可以有效地截持降水、防止土壤濺蝕、阻延地表徑流、抑制土壤水分蒸發、增強土壤抗沖效能[5]，在森林生態系統涵養水源的功能中扮演著非常重要的角色。枯落物層的持水量主要由枯落物的蓄積量和持水率共同決定，并與兩者成正比關系。土壤層在森林涵養水源功能中發揮著最重要的作用。通常情況下，土壤層的物理性質和滲透性能是衡量和評價森林涵養水源功能大小的重要指標，而這種水文效應又與土壤的結構、孔隙狀況及滲透速率有一定的關系。

黃浦江是上海重要的水源地，其上游系上海市重點保護地區。松江區黃浦江上游水源涵養林林帶營建于2003—2004年，其造林方式既有傳統的人工純林種植，也有近年來提倡的近自然林混交林營造模式。前者包含常綠闊葉純林和落葉闊葉純林，分別以香樟純林和無患子純林為典型代表；后者以欒樹(Koelreuteriapaniculata)、香樟、女貞(Ligustrumlucidum)為優勢種的常綠落葉闊葉混交林為主，其在林分配置、林分密度、林下更新層、枯落物管理、土壤含水量等方面存在較大的差異。森林涵養水源的研究經歷了從針對某一特定結構層次，如林冠層、枯枝落葉層和土壤層[6-10]的單一層次評價，到針對多層次的綜合評價的發展歷程[5,11-13]。但是針對黃浦江上游流域水源涵養功能的綜合評價還未見報道。鑒于此，本文擬通過對三種不同植被類型的各結構層次進行綜合評價，對比近自然混交林與人工純林在涵養水源功能上的差異，分析得出涵養水源功能較強的優勢類型，為黃浦江的水源涵養林經營和保育提供依據。

1 研究區概況

上海市松江區位于長江三角洲(30°54′—31°10′N，121°01′—121°21′E)，地處亞熱帶北緣，氣候溫和，四季分明。年平均氣溫15.4℃，極端最高氣溫39.1℃，極端最低氣溫-10.5℃。年平均日照為2 047.3 h，無霜期達230 d。土壤屬黏土類，上層土壤的主要成分為沙質小粉泥、青紫泥[14]。

本研究選取位于上海市松江區東南角葉榭鎮的黃浦江上游水源涵養林林段為對象。該狹長帶狀區域南與黃浦江相連，北鄰車墩，西靠泖港，東臨金山區，全長12.6 km，造林總面積達207.6 hm2，造林時間為2003—2004年，多實行近自然式的經營與管理模式，現多已發展為以欒樹—香樟—女貞為主要優勢樹種的常綠落葉闊葉混交林，有明顯的喬木層、灌木層和草本層。經調查，共發現72種植物，其中落葉闊葉喬木21種，主要為欒樹、無患子、池杉(Taxodiumdistichumvar.imbricarium)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)、重陽木(Bischofiapolycarpa)；常綠闊葉喬木8種，主要為香樟、女貞、杜仲(Eucommiaulmoides)；灌木樹種13種，均為林下自然更新的種類，有火棘(Pyracanthafortuneana)、海桐(Pittosporumtobira)、蚊母樹(Distyliumracemosum)、梔子樹(Gardeniajasminoides)等；一年生草本植物15種和多年生草本植物11種，主要有爵床(Rostellulariaprocumbens)、蛇莓(Duchesneaindica)、狗尾草(Setariaviridis)、加拿大一枝黃花(Solidagocanadensis)、烏蘞莓(Cayratiajaponica)等。此外，還有藤本植物共計4種，分別為蘿藦(Metaplexisjaponica)、絡石(Trachelospermumjasminoides)、扶芳藤(Euonymusfortunei)和野薔薇(Rosamultiflora)。

常綠闊葉香樟林和落葉闊葉無患子林中分別以香樟和無患子為主，林下有少量欒樹、女貞、北美楓香(Liquidambarstyraciflua)的更新苗，無灌木存在，其他為多年生草本和一年生草本，包括豬殃殃(Galiumaparine)、蚊母草(Veronicaperegrina)、蛇莓(Duchesneaindica)、一年蓬(Erigeronannuus)、加拿大一枝黃花(Solidagocanadensis)等，共計16種植物。近自然混交林和純林的生活型組成見表1。

2 研究方法

采用最小樣方法[15]，設置25個20 m×20 m近自然水源涵養林樣地，總面積達1 hm2。對照組中設置香樟和無患子純林各5個20 m×20 m樣地。于2011年4月和2012年11月對樣地進行了2次植被調查和枯落物采集。

表1 3種不同林地的生活型組成

注：括號中數字表示其所占的比例(%)。

2.1 植物地上部分持水能力的測定

植物地上部分的生物量借鑒生物量相對生長方程計算[16-20]。采樣時間為2012年8月植物生長旺盛時，分東西南北四個朝向采集葉片，每棵樹50片，放于自封袋中低溫保存帶回實驗室；后將所有葉片混合后稱取2 kg待測；喬木層和灌木層隨機選取每種6棵樹取一年生枝(帶葉)、兩年生枝(帶葉)待測，喬木個體截伐后獲取主干圓盤樣品。草本植物在2塊近自然混交林樣地、5塊香樟純林樣地和5塊無患子純林樣地中隨機選擇1 m×1 m的樣方用收獲稱重法測定生物量的大小后，混合稱取2 kg樣品。所有植物樣品用“浸水差減法”計算葉、枝、主干的持水率(浸水2 h)。

2.2 枯落物層持水能力的測定

于2012年8月，在25個近自然混交林樣地中選取樣地12塊，香樟純林和無患子純林各取樣地5塊，隨機選擇1 m×1 m的樣方，將地面所有的枯落物保持其原有形狀裝入18 cm×18 cm的尼龍網袋帶回實驗室待測，并記錄每個樣方枯落物的厚度。將枯落物自然風干并稱其重量，以此推算不同森林類型1 hm2樣地枯落物現存量。然后將稱重后的枯落物浸泡24 h，取出后等待枯落物在不滴水的情況下迅速稱其濕重，換算成枯落物最大持水率，進而求得整個樣地枯落物的最大持水量。

2.3 土壤層滲透性及持水能力的測定

于2012年8月，在25個近自然混交林樣地中選取雙號樣地12塊，香樟和無患子純林各取樣地5塊，取土壤剖面，分0—10，10—20，20—40 cm深的三個土層采樣，重復3次。采用烘干法和環刀法測定土壤水分物理性質(中華人民共和國林業行業標準，LY/T 1215—1999)。滲透性采用雙環法測定。

2.4 數據處理

通過Excel 2010，Matlab，SPSS 18.0進行數據的處理和作圖，采用單因素方差分析(ANOVA)進行顯著性檢驗。

3 結果與分析

3.1 不同植被類型地上部分的持水能力

根據測定的結果，近自然混交林的總持水量(16.36 t/hm2)與香樟純林的總持水量(16.85 t/hm2)相當，顯著大于無患子純林(12.54 t/hm2)。其中，近自然混交林冠層的持水量來自喬灌草三個層次，主要集中在喬木層，由自然含水量和降雨截留量共同組成。香樟和無患子純林的持水量由喬木層和草本層組成(見表2)。

表2 不同植被類型地上部分持水量 t/hm2

注：數字表示平均值±標準差，同列不同小寫字母表示處理間顯著差異(p<0.05)。下表同。

3.2 不同植被類型枯落物層的持水能力

本研究所取的三種植被類型的樣地在枯落物種類及分解特性方面各不相同。由于該區域水源涵養林林下多人工管護，枯落物現存量較少，近自然混交林、香樟純林和無患子純林的枯落物蓄積量依次為0.06，0.002，0.002 t/hm2。不同植被類型林下枯落物的最大持水率差異不顯著(p<0.05，下同)。其中近自然混交林最大，達184.33%；香樟純林最小，為145.16%(表3)。

3.3 不同植被類型土壤層的滲透性能與持水能力

本研究測定了三種不同植被類型下的土壤滲透指標及土壤物理性質，結果表明，不同植被類型的林地其土壤層的滲透性能存在一定差異。其中，近自然混交林的土壤滲透性能最好。從表4可知，不同植被類型土壤的初滲速率(下滲50 mm水量時的入滲速率)為：近自然混交林(37.00 mm/min)>無患子純林(34.00 mm/min)≈香樟純林(33.00 mm/min)。近自然混交林達到穩滲時所積累的蓄水量顯著大于香樟純林和無患子純林，為119.7 mm，香樟純林和無患子純林分別為86.4 mm和83.3 mm。

表3 不同植被類型枯落物層持水率與持水量

表4 不同植被類型林地土壤入滲特性

三種不同植被類型的森林其林下土壤層的物理性質不盡相同，以近自然混交林的各項指標為最優。其中，近自然混交林的土壤總孔隙度在58%～66%之間，而香樟純林和無患子純林的總孔隙度變化范圍分別是54%～61%和56%～63%。香樟純林和無患子純林在0—40 cm整體土層中土壤容重均大于1 g/cm3，近自然混交林土壤容重小于1 g/cm3。不同植被類型其土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均隨土層的加深而逐漸降低，變化趨勢相同。從各林分來看，無論是哪一土層，總孔隙度、毛管孔隙度與非毛管孔隙度均以近自然混交林為最佳，無患子純林次之，最差為香樟純林(圖1—4)。0—40 cm土層最大持水量仍以近自然混交林能力最大，為2 657.02 t/hm2，其次是無患子純林(2 526.81 t/hm2)和香樟純林(2 474.80 t/hm2)(表6)。

圖1 不同植被類型土壤各層非毛管孔隙度

圖2 不同植被類型土壤總孔隙度

結果表明，土壤的滲透性能與土壤容重、非毛管孔隙度等呈極顯著相關(p<0.01)，與總孔隙度、毛管孔隙度等呈顯著相關(p<0.05)，說明非毛管孔隙比毛管孔隙對土壤滲透性能的影響更大，與段興鳳等的研究成果一致[21]。分析表明，土壤的非毛管孔隙度越大意味著土壤的結構越疏松，土壤的持水能力越強，土壤的滲透性能就越好[22]；土壤容重和毛管孔隙度越大，土壤的滲透性能越差。此外，初滲率與自然含水率呈極顯著負相關(p<0.01)，而穩滲率則與自然含水率無關(表5)。

圖3 不同植被類型土壤容重變化特征

圖4 不同植被類型不同土層深度土壤含水量

3.4 不同類型植被水源涵養能力的比較

森林生態系統所發揮的水源涵養功能來源于地上部分、枯落物層和土壤層三者之間的互相配合，即地上部分對降雨進行截留，枯落物層可以吸收截持降雨，土壤層再進行截留與蓄水。從三種不同植被類型生態系統的持水能力來看，土壤層對降雨的截留和再分配作用最為顯著，貢獻率達到了99%以上。無灌草層和枯落物層較少的香樟純林和無患子純林其林下土壤層涵養水源的能力顯著低于近自然混交林(表6)。

表5 土壤物理性質與土壤滲透性相關關系

注：**為在p<0.01水平上顯著相關，*為在p<0.05水平上顯著相關。

表6 不同植被類型涵養水源能力 t/hm2

植被類型地上部分持水量枯落物層持水量土壤最大持水量總計持水量近自然混交林16.360.3702657.022673.73香樟純林16.850.0032474.802491.65無患子純林12.540.0042526.812539.35

4 討 論

森林的水源涵養功能是地上部分、枯落物層和土壤層三個垂直結構層次綜合作用的結果。土壤層的透水性能和蓄水能力是評價森林水源涵養功能的重要指標，土壤的蓄水能力決定于土壤的物理性質和土壤自身的水分特征[23]。本研究表明土壤層在整個涵養水源的過程中貢獻率達99%，與劉明等[1]在鳳凰山林場的研究結果一致，均說明森林涵養水源的主要載體是土壤。森林在生長過程中對林下土壤的影響主要表現在根系的增加而帶來的土壤孔隙度增大，又因枯枝落葉的分解使得土壤層的有機質積累從而改善了土壤的結構和物理性質，形成了較多的水穩性團聚體[24]，因此土壤層含蓄水分的能力要比地上部分、枯落物層大得多。

本研究工作主要集中在小面積樣地和小尺度流域上，同莫菲等在東靈山的研究中存在的問題類似[5]，如何把研究從小面積擴展到整個近自然混交林，還存在諸多復雜的因素。另外，本研究區域內的水源涵養林純林林下的人工清理和管護頻率及強度較高，嚴重影響了枯落物層在涵養水源功能中的貢獻。在以后的建設與管護中，應保護好枯落物層，使其恢復到自然生長的循環和分解狀態。

致謝：感謝郭雪艷、崔易翀、李偉立、段秀文、王偉波等在野外調查和室內試驗中給予的幫助，感謝華東師范大學沈國春副教授幫助修改英文摘要。

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Study on Water Conservation of Near-Natural Forest and Pure Forest in Upper Reaches of the Huangpu River

CAI Ting1, LI Ajin1, SONG Kun1，2, DA Liangjun1,2,3, XU Kaiqin4, YAN Ailing1

(1.SchoolofEcologicalandEnvironmentalSciences,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200241,China; 2.TiantongNationalStationofForestEcosystem,Ningbo,Zhejiang315114,China;3.ShanghaiKeyLaboratoryforEcologyofUrbanizationProcessandEco-restoration,Shanghai200241,China; 4.NationalInstituteforEnvironmentalStudies,Tsukuba305-8506,Japan)

This study focuses on water-holding capacity (WHC) of forest for conservation of water supply in upper reaches of the Huangpu River. Specifically, WHCs of canopy, litter layer and soil were compared with each other in the near-natural forest, the pureCinnamomumcamphoraforest and the pureSapindusmukorossi in the study region. The results showed that aboveground WHC of pureCinnamomumcamphoraforest (16.36 t/hm2) was approximately equal to the aboveground WHC of near-natural forest (16.85 t/hm2), and was greater than the aboveground WHC of pureSapindusmukorossi forest (12.54 t/hm2). Order of WHCs among different forest types was the near-natural forest (0.370 t/hm2), pureSapindusmukorossi forest (0.004 t/hm2) and the pureCinnamomumcamphoraforest (0.003 t/hm2) in terms of the litter layer, and the near-natural forest (2 657.02 t/hm2), the pureSapindusmukorossi forest (2 526.81 t/hm2) and the pureCinnamomumcamphorarforest (2 474.80 t/hm2) with respect to the soil layer. The soil layer of the studied forest played the major role in the conservation of water supply, but it could not reach such a state without interactions with the aboveground and litter layers. The total water conservation is higher in the near-natural forest (2 673.73 t/hm2) than the pureSapindusmukorossi forest (2 539.35 t/hm2), and is the lowest in the pureCinnamomumcamphoraforest (2 491.65 t/hm2). These results consistently suggested that the near-natural forest with complex community structure and high species diversity had the highest WHC, followed by the pureSapindusmukorossi forest and the pureCinnamomumcamphoraforest.

near-natural forest； water conservation； canopy interception； water-holding capacity of litter； soil physical properties

2014-05-04

2014-06-05

上海市科學技術委員會科研計劃項目(08DZ1203102)

蔡婷(1990—),女,山東德州平原縣人,碩士研究生,研究方向:城市生態學。E-mail:caiting1991@126.com

宋坤(1983—),男,安徽宣城市人,博士,研究方向:植被生態學。E-mail:seceek@gmail.com

S715

1005-3409(2015)02-0036-05