喀斯特山地翅莢木人工林水源涵養功能研究

鐘 瑜，侯遠瑞，黃小榮，申文輝，陸國導

(1.廣西壯族自治區林業科學研究院，廣西 南寧 530002；2.國家林業局 中南速生材繁育重點實驗室，廣西 南寧 530002；3.廣西優良用材林資源培育重點實驗室，廣西 南寧 530002)

翅莢木(ZeniainsignisChun)屬蘇木科翅莢木屬落葉大喬木，又名任豆、砍頭樹，樹高達20～30 m，胸徑可達100 cm[1]，天然分布于廣西、廣東、湖南、貴州、云南等省區，在越南北部也有分布。翅莢木樹干圓滿通直，出材率高，木材結構細密，抗壓和抗彎力強，經水浸泡后不翹不裂，不易受蟲蛀，容易干燥，便于加工，是優良的家具用材和膠合板用材；木材纖維長、韌性好、出漿率高，也是優良造紙用材[2]；樹葉粗蛋白質含量達24.6%，為良好的家畜飼料。翅莢木速生，年平均胸徑生長量達1.42 cm，年平均樹高生長量達1.32 m，且根系發達，穿透力強，能通過巖石縫隙向深處生長，在廣西巖溶地區可作為石漠化治理和退耕還林的主要造林樹種，在四川、湖北、湖南、江西、浙江等地引種栽培也表現出良好的速生性。

目前對翅莢木的研究主要集中在苗木培育[3]、栽培技術[4]、生理特性[5]、材性及利用[2]等方面，對其人工林水源涵養功能方面的研究尚未見報道。本研究通過對廣西喀斯特山地17年生的翅莢木人工林水源涵養功能進行測定分析，來初步評估翅莢木人工林的水源涵養能力，為科學評價翅莢木生態效益提供參考。

1 林地概況

調查測定的翅莢木人工林位于廣西壯族自治區平果市，地理位置為東經107°21′～107°51′、北緯23°12′～23°51′。該市氣候屬多雨的亞熱帶季風氣候，夏季炎熱多雨，春秋干旱，冬季干冷。年平均氣溫19.0～21.5 ℃，極端最低溫-1.3 ℃，極端最高溫40.9 ℃，1月份平均氣溫最低，為12.4 ℃，7月份平均氣溫最高，為28.2 ℃，≥10 ℃的年活動積溫為6 500～7 400 ℃，年無霜期300～350 d，年平均降水量1 200～1 500 mm，相對濕度80%以上。翅莢木人工林的地形為喀斯特山地，海拔400～550 m，坡度20°～30°，土壤為石灰巖發育而成的棕色或黑色石灰土，土被零星分布，巖石裸露率達53%。自然植被有黃荊(Vitexnegundo)、紅背山麻桿(Alchorneatrewioides)、小果野桐(Mallotusmicrocarpus)、穿破石(Macluracochinchinensis)、粗葉懸鉤子(Rubusalceifolius)、腎蕨(Nephrolepiscordifolia)、藎草(Arthraxonhispidus)、飛機草(Chromolaenaodorata)等。

2 研究方法

2.1 調查方法

在林分中選擇有代表性的地段，設置3塊20 m×20 m的標準地(即3個重復)，對標準地林木進行每木檢尺。以平均標準木法在每個標準地選擇1株平均木，伐倒或用勾刀取林冠層的枝葉稱量，每株標準木取3份樣品帶回室內測定。在每個標準地的上部、中部和下部各設置1個水平投影為100 cm×100 cm的小樣方，采用切割法收獲林下的灌木和草本稱量。調查小樣方內枯落物總厚度、未分解層(L層)厚度和半分解層(F層)厚度，分層收集枯枝落葉，分層稱量，并分別取300～500 g樣品帶回室內測定其最大持水率和最大持水量。在每個標準地設置土壤剖面3個，按0～20、20～40 cm厚度分層采集樣品，每層取1個環刀樣品，共取回標準地環刀樣品18個。按《森林土壤水分-物理性質的測定》(LY/T 1215—1999)測定土壤物理性質及持水量。

2.2 數據處理

應用Microsoft Excel 2019和IBM SPSS Statistics 21.0軟件進行數據處理，分別進行方差分析、多重比較、變異系數估算等。

3 結果與分析

3.1 林冠層及林下植被層持水性能

林冠層對降雨進行第一次截留。林冠層持水特性與樹種組成、郁閉度、生物量及降雨量、降雨強度、降雨時間等相關。從表1測定結果看，17年生翅莢木人工林平均樹高14.34 m，平均胸徑17.14 cm，林冠層枝葉鮮質量達30.08 t/hm2，最大持水率達23.77%，最大持水量達7.23 t/hm2。灌木層和草本層是森林生態系統的重要組成部分，也具有一定的水源涵養功能。由表2可知，灌木層最大持水率達30.81%，最大持水量達2.75 t/hm2；草本層最大持水率達46.75%，最大持水量達2.42 t/hm2。

表1 翅莢木林冠層持水性能

表2 翅莢木林下灌木和草本持水性能

比較植被各層次的最大持水率，結果是草本層>灌木層>林冠層。而由于各層次生物量的差異，其最大持水量大小排順正好相反，為林冠層>灌木層>草本層，林冠層最大持水量是灌木層的2.6倍，是草本層的近3倍，說明植被對降雨的截留作用林冠層占主導地位，而灌木層和草本層的二次截留也大大減弱了降雨對地表的沖刷。

3.2 枯落物持水性能

枯落物也是森林生態系統的重要組成部分。從表3可知，17年生翅莢木枯落物層總厚度達3.6 cm，枯落物的總蓄積量達4.09 t/hm2，其中未分解層蓄積量占總量的53.55%、半分解層蓄積量占總量的46.45%，枯落物未分解層蓄積量大于半分解層的蓄積量，這一結果與李紅云等[6]對山東石灰巖山區灌木林枯落物的研究結果及張峰等[7]對北京西山主要造林樹種林下枯落物的研究結果相似。枯落物蓄積量大小與林木生長量大小、林分郁閉度高低及樹冠疏密程度等有一定的關系。表3顯示，枯落物浸泡24 h后未分解層最大持水率為190.68%，半分解層為199.71%，即枯落物最大持水量可達到其自身質量的近2倍，且半分解層的最大持水量大于未分解層，這與張峰等[7]的研究結果相似。枯落物層單位面積最大持水量達8.01 t/hm2，大于灌木層與草本層之和，也大于林冠層。林分枯落物的分解速度通常可用F層與L層蓄積量的比值表示，翅莢木的F層與L層蓄積量比值為0.73，而根據吳鵬飛[8]的研究結果，樂昌含笑和杉木的F層與L層蓄積量比值分別為0.45和0.21，表明翅莢木枯落物分解回歸林地的速度較快。由此可見，枯落物覆蓋地表不但使土壤免遭雨滴直接濺蝕,而且能滯緩地表徑流從而減輕雨水對土壤的沖刷，同時枯落物腐爛分解后還可增加土壤養分和改善土壤理化性質，在涵養水源、固持土壤和改良土壤中發揮重要作用。

表3 翅莢木枯落物持水性能

3.3 土壤層持水性能

土壤的孔隙度可反映出土壤的透氣性和蓄水性能。從表4可見，喀斯特山地翅莢木林地0～20 cm土層總孔隙度為51.39%，20～40 cm土層總孔隙度為52.67%，與孫艷等[9]對山地紅壤馬尾松近熟林的研究結果相似(0～20、20～40 cm土層分別為51.39%、46.94%)。翅莢木林地0～20 cm土層與20～40 cm土層的非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度差異不顯著，但0～20 cm土層的非毛管孔隙度比20～40 cm土層稍大一些，毛管孔隙度和總孔隙度則比20～40 cm土層稍小一些。0～20 cm土層與20～40 cm土層的土壤容重差異顯著，0～20 cm土層土壤容重大于20～40 cm土層，這一測定結果與滕秋梅等[10]得出的山地紅壤光皮樺林地土壤容重隨土層加深而增大的研究結果不同。0～20 cm土層與20～40 cm土層的最大持水率及最大持水量差異也不顯著，但0～20 cm土層的最大持水率及最大持水量均比20～40 cm土層稍小一些。翅莢木林地單位面積土壤0～40 cm土層的最大持水量達2 081.1 t/hm2，以林地的巖石裸露率53%推算，則實際最大持水量為978.12 t/hm2。

表4 翅莢木林地土壤物理性質及蓄水性能

4 結 論

喀斯特山地17年生翅莢木人工林的林冠層最大持水量為7.23 t/hm2，林下灌木層最大持水量為2.75 t/hm2，草本層最大持水量為2.42 t/hm2，枯落物層最大持水量為8.01 t/hm2，林分地上部分的最大持水量達20.41 t/hm2，與陳德葉[11]的研究結果福建柏(20.57 t/hm2)、楠木(16.45 t/hm2)、木莢紅豆(25.78 t/hm2)等樹種地上部分的最大持水量相當。翅莢木人工林地上部分各層次持水量大小表現為枯落物層>林冠層>灌木層>草本層，表明翅莢木枯枝落葉層在林分涵養水源中發揮著重要作用，并且其分解回歸林地的速度快，利于增加土壤養分和改良土壤理化性質。翅莢木人工林土壤最大持水量為978.12 t/hm2，林分總的持水量達998.53 t/hm2，在喀斯特石漠化地區形成了一個巨大的“綠色水庫”，改善了該區域干旱缺水的狀況。