福壽林場杉木人工林水源涵養(yǎng)功能比較研究

李際平，李沛霖，曹小玉，趙春燕，袁曉紅

（中南林業(yè)科技大學 林學院，湖南 長沙 410004）

福壽林場杉木人工林水源涵養(yǎng)功能比較研究

李際平，李沛霖，曹小玉，趙春燕，袁曉紅

（中南林業(yè)科技大學 林學院，湖南 長沙 410004）

以福壽林場作為研究區(qū)域，將杉木人工林按齡組劃為幼齡林、中林齡和近熟林，采用標準地調查的方法、環(huán)刀法和烘干法對杉木的幼齡林、中齡林、近熟林的土壤物理性質以及水源涵養(yǎng)功能進行研究。結果表明：不同林齡杉木類型土壤容重為上層小于下層，土壤容重為中齡林（1.44 g/cm3）＞近熟林（1.37 g/cm3）＞幼齡林（1.36 g/cm3）；不同林齡杉木類型土壤毛管孔隙度隨土壤厚度增加而減小，毛管孔隙度為幼齡林（30.32%）＞中齡林（17.26%）＞近熟林（14.41%）；土壤非毛管孔隙度隨土壤深度的增加無明顯變化，非毛管孔隙度為近熟齡（36.66%）＞中林齡（28.61%）＞幼齡林（18.55%）；根據土壤蓄水能力的大小，可以得出涵養(yǎng)水源能力的大小為近熟林（107.74 t/hm2）＞中齡林（81.24 t/hm2）＞幼齡林（57.43 t/hm2）；隨著杉木林齡的增大，水源涵養(yǎng)功能呈增大趨勢。

杉木人工林；水源涵養(yǎng)功能；毛管孔隙度；非毛管孔隙度

森林的水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一，它通過林冠層、灌木層、凋落物和土壤層來體現，其中土壤的蓄水能力是水源涵養(yǎng)功能的主體部分[1-3]。雖然森林群落地上部分的水源涵養(yǎng)功能很重要，但是森林地上部分的水源涵養(yǎng)量通常僅占整個林分水源涵養(yǎng)量的15%以下，因此森林土壤的涵養(yǎng)水源則是主體，同時也是森林最大的貯存庫和水分調節(jié)器[4]。森林水源涵養(yǎng)的計量方法有很多，由于土壤蓄水能力法相對比較簡單，可操作能力強[5]，并且林地土壤蓄持能力又與土壤層厚度和土壤孔隙度狀況密切相關。因此，林地的土壤持水量取決于土壤非毛管孔隙度與土壤層厚度[6]。

由于森林生態(tài)系統(tǒng)結構的復雜性，森林土壤表現出疏松性、結構性和持水性等獨特的物理性質。在土壤物理特性中，土壤容重不僅反映了土壤的通氣性和透水性，而且對根系生長的阻力狀況也有影響，是決定森林土壤水源涵養(yǎng)功能的一個重要指標[7]。對于同種林分，不同立地條件和不同外界環(huán)境因素，土壤容重也會存在一定的差異。土壤孔隙的組成直接影響土壤的物理性質和根系穿插的深度，還對土壤中水、肥、氣、熱和微生物活性等有著不同的調節(jié)功能[8-9]。

目前，很多學者對杉木天然林、杉木針闊混交林以及杉木人工純林做了大量的比較研究[10-15]，但以杉木人工純林為研究對象，同時空定量地比較不同林齡杉木人工純林的水源涵養(yǎng)能力相關的研究不是很多。本研究對3種不同經營類型的杉木人工林的水源涵養(yǎng)功能進行研究，旨在揭示杉木人工純林不同類型的水源涵養(yǎng)功能的特點，提高人們對人工林生態(tài)功能的認識，為杉木人工林的科學經營和保護提供理論依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南平江縣福壽林場，地處北緯 28°3′00″～ 28°32′30″， 東 經 113°41′15″～113°45′00″之間。最高處海拔 1 573.2 m，最低處海拔835 m。土壤層深厚肥沃，土壤以山地黃壤和山地黃棕壤為主。屬濕潤的大陸性季風氣候，氣候涼冷，夏秋尤為涼爽，降水量多，陰霧多濕，日照較少，適宜多種樹木生長。年平均氣溫12.1℃，極端最高氣溫33.4℃，最低氣溫為-15℃，年日照1 500 h，無霜期217 d，有效積溫4 547 ℃，年相對濕度87%（如圖1所示）。

圖1 標準地調查示意Fig.1 Standard plot survey

本場屬中亞熱帶常綠闊葉林植被區(qū)，植被繁茂，群落較多。喬木樹種主要有杉木Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook、 黃 山松 Pinus taiwanensis Hayata、 楠 竹 Phyllostachys pubescens、檫木Sassafras tzumu、江南榿木Alnus trabeculosa、 山 核 桃 Carya cathayensis Sarg； 灌木樹種主要有柃木Eurya japonica Thunb、杜鵑Rhododendron、烏飯樹Vaccinium bracteatum、越桔Vaccinium Vitis-Idaea、鹽膚木Rhus chinensis Mill 、 胡 枝 子 Lespedeza bicolor Turcz、 冬青Ilex purpurea Hassk等；林下植被主要有矮 蒲 葦 Cortaderia selloana‘Pumila’、 蕨 類Pteridophyta、五節(jié)芒Miscanthus fl oridulu (Labnll.)Warb、魚腥草Houttuynia cordata Thunb、黃精Polygonatum sibiricum等。

2 研究方法

2.1 標準地設置與調查

2012年7～8月，對整個研究區(qū)踏查的基礎上，選擇能代表整個林場平均水平的杉木林分，每個齡組設置了6塊標準地，每塊標準地面積為20 m×30 m，標準地長邊沿等高線設置，對于坡度大于5°的進行了轉化。在測量時，將標準地平均等分為6個小樣方，其大小為10 m×10 m，按從上到下，從左往右的順序，對標準地內達到起測胸徑的林木進行每木檢尺，實測喬木胸徑、樹高和冠幅等。對每個林齡，求得各樣地的坡度、坡向和平均高等指標，基本情況如表1所示。

表1 調查地基本情況Table 1 Basic information of sample plots

2.2 土壤物理性質與最大持水量的測定

土壤調查采用剖面法，在每個標準地內選取有代表性的點取樣。在不同類型的標準地的上、中、下3個部位各挖了1個長寬分別為1.2 m、60 cm深的土壤剖面進行觀測記錄。用環(huán)刀和密封袋分別采集0～20、20～30、 30～45、45～60 cm土層的土樣。采用環(huán)刀法測定土壤容重和土壤毛管孔隙度[16-17]，用烘干法測定土壤毛管持水量。土壤容重、土壤毛管持水量、土壤毛管孔隙度、土壤孔隙度和土壤非毛管孔隙度計算公式為：

式中：Y為土壤容重(g/cm3)；W0為土壤毛管持水量(%)；P2為土壤毛管孔隙度(%)；P1為土壤總孔隙度(%)；P3為土壤非毛管孔隙度(%)；g為環(huán)刀內濕樣質量(g)；V為環(huán)刀內容積(cm3)；W為樣品含水百分數(%)；Pt為環(huán)刀內濕土質量(g)；P0為環(huán)刀內干土質量(g)；d為土壤比質量；D為土層厚度(m)。

3 結果與分析

3.1 不同年齡杉木人工林土壤容重分析

根據公式（1）可以得到不同林齡杉木人工林的土壤容重，結果如圖2所示。

圖2 不同林齡杉木人工林的土壤容重Fig.2 Soil density of Cunninghamia lanceolata plantation with different tree ages

在0～20 cm表土層的土壤容重從杉木幼齡林到杉木中齡林升高了7.32%；從杉木中齡林到杉木近熟林降低了6.45%；土壤容重從大到小順序為：杉木中齡林＞杉木近熟林＞杉木幼齡林。在20～60 cm土層，土壤容重也都是在杉木幼齡林到杉木中齡林之間升高，在杉木中齡林到杉木近熟林降低；土壤容重從大到小的順序為杉木中齡林＞杉木近熟林＞杉木幼齡林。在0～60 cm的土層，杉木幼齡林、杉木中齡林、杉木近熟林的平均容重分別為1.36、1.44 、1.37 g/cm3，杉木中林齡是杉木近熟林和杉木幼林齡的1.1倍。不同林齡的杉木人工林的土壤容重都隨土層深度的加深，均呈現出逐漸增大的趨勢，表明表土層土壤生命活動旺盛，林木、灌草層以及微生物的活動給表土層造成了巨大的影響。

3種不同林齡杉木人工林土壤容重平均最大的是杉木中齡林，其次是杉木近熟林，最小的是杉木幼齡林。這與不同林齡林分特點和所處地理環(huán)境密切相關，中林齡的土壤容重明顯高于其他林齡，是由于土壤根系較深，林下枯落物相對較少，因此土壤容重最大。而近熟林林分生長速率減低，土壤表層根系更新迅速，再加上微生物活動較多，因此土壤的物理性質變化劇烈，容重較小。關于幼林齡，其土壤發(fā)育程度較高，再加上林分密度大，枯落物蓄積等原因，因而土壤容重最小。

3.2 不同年齡杉木人工林土壤孔隙度分析

根據公式（2）～（5）分別可以得出不同林齡杉木人工林土壤毛管孔隙度、總孔隙度和非毛管孔隙度（如表2所示）。

表2 不同年齡杉木人工林土壤水分物理性質Table 2 Physical characteristics of soil moisture of C.lanceolata plantation with different tree ages

不同林齡杉木的土壤總孔隙度隨著土壤層深度的增加而逐漸減小。表層土的總孔隙最大，說明通氣透水性能力強。在0～20 cm土層，三者土壤總孔隙度的順序為杉木幼齡林＞杉木近熟林＞杉木中齡林；而在20～60 cm土層，其順序為杉木近熟林＞杉木幼齡林＞杉木中林齡。在0～60 cm土層，杉木幼齡林、杉木中林齡和杉木近熟林的土壤總孔隙度分別為：48.88%，45.87%和51.07%。隨著土壤層深度的增加，杉木幼齡林、杉木中齡林和杉木近熟林的毛管孔隙度均逐漸減小。在0～60 cm土層中，三者的土壤毛管孔隙度的順序均為：杉木幼齡林＞杉木中齡林＞杉木近熟林，其平均大小分別為30.32%、17.26%、14.41%。隨著土壤層厚度的增加，杉木中齡林和杉木近熟林的土壤非毛管孔隙度同樣也是隨著土壤層深度增加而不斷減小，但杉木幼齡林的土壤非毛管孔隙度隨土壤層深度增加而不斷增大。在0～60 cm土層，三者的土壤非毛管孔隙度的順序均為杉木近熟林＞杉木中齡林＞杉木幼齡林；杉木幼齡林、杉木中齡林和杉木近熟林的非毛管孔隙度平均大小分別為18.55%、28.61%、36.66%。從表2能夠看出，隨著杉木人工林林齡的增大，土壤總孔隙度和非毛管孔隙度呈增加的趨勢，尤其是在近熟林增加較大，說明了成熟的杉木人工林在植被狀況、群落結構、系統(tǒng)復雜等方面均有所增加，使得土壤具有更好的通氣性、滲透性和保水性。

3.3 不同年齡杉木人工林土壤水源涵養(yǎng)功能分析

根據公式（6）可以得出不同林齡杉木人工林水源涵養(yǎng)功能大小，結果見圖3。

圖3 不同年齡杉木人工林土壤水源涵養(yǎng)功能Fig.3 Capacity of water conservation functionof C.lanceolata plantation with different tree ages

如圖3所示，不同林齡杉木人工林由于受環(huán)境及其地理因素的影響，造成土壤孔隙度的差異，導致了福壽林場3種杉木林分的最大蓄水量不同。三者的最大蓄水量排序為杉木近熟林＞杉木中齡林＞杉木幼齡林，其大小分別為107.74、81.24.0和57.43 t/hm2，杉木近熟林是杉木中林齡與杉木幼齡林的1.33倍和1.88倍。隨著土壤層深度的增加，杉木幼齡林、杉木中齡林和杉木近熟林土壤的蓄水量均逐漸增加。在0～60 cm土層中，3種杉木林分的蓄水量大小順序均為：杉木近熟林＞杉木中齡林＞杉木幼齡林。產生差異的原因是由于各林齡的土壤總孔隙度不同所致。聯(lián)系表2中土壤水分物理性質測定結果，說明土壤蓄水能力與土壤非毛管孔隙度呈正相關關系，都是隨著杉木林齡的增大呈增加趨勢。因此，杉木近熟林的水源涵養(yǎng)功能最強，其次是杉木中齡林，杉木幼齡林水源涵養(yǎng)功能最小。

4 結論與討論

本研究以福壽林場杉木人工林為研究對象，采用環(huán)刀法和土壤蓄水能力法，計算出了福壽林場杉木人工林的土壤物理性質和森林的涵養(yǎng)水源功能，并分析了不同林齡杉木人工林土壤物理性質和涵養(yǎng)水源功能的差異，得出以下結論：

（1）在0～60 cm土層，杉木幼齡林、杉木中齡林和杉木近熟林的土壤容重分別為1.36、1.44、1.37 g/cm3。土壤容重較大說明了土質較緊湊，建議對中齡林的土壤的松實層度進行改善，有利于杉木中齡林更好的生長。

（2）不同杉木林齡的土壤總孔隙度和毛管孔隙度均隨土層深度的增加而減小，非毛管孔隙度則無明顯變化。研究發(fā)現，土壤總孔隙在50%左右，非毛管孔隙占總孔隙的1/5～2/5時，土壤通透性和持水能力較好。本研究土壤總孔隙在49%左右，與前人研究差別不大，而非毛管孔隙度偏大了一些。因此，對3種不同林齡土壤進行不定時的疏松，使土壤結構得到不斷改善。

（3）隨著杉木不同林齡的增大，水源涵養(yǎng)功能逐漸增強。3種杉木林齡功能大小為57.43、81.24.0和107.74 t/hm2。這與林光耀等[18]研究的結果一致。

目前，福壽林場天然闊葉林不斷減少，單一杉木人工林的種植的比例加大。因此，從生態(tài)林和提高水源涵養(yǎng)功能的角度來看，應大力營造闊葉樹與杉木林的混交，提高其比例；同時對林中的枯死木進行間伐，從整體上提高水源涵養(yǎng)功能。本研究在分析福壽林場森林生態(tài)系統(tǒng)不同杉木林齡水源涵養(yǎng)功能差異的過程中，由于條件有限，僅對森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能做了粗略的估計，這并不妨礙人們對福壽林場水源涵養(yǎng)功能的認識。隨著未來評估方法和技術不斷的完善，森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的評估將會更加合理與精確。

[1] 巍 強,張秋良,代海燕,等.大青山不同林地類型土壤特性及其水源涵養(yǎng)功能[J].水土保持學報, 2008,22(2):111-115.

[2] 薛 立,梁麗麗,任向榮,等.華南典型人工林的土壤物理性質及其水源涵養(yǎng)功能[J].土壤通報,2008,39(5):986-988.

[3] 丁訪軍,王 兵,鐘洪明,等.赤水河下游不同林地類型土壤物理特性及其水源涵養(yǎng)功能[J].水土保持學報,2009,23(3):179-183.

[4] 黃 進,張金池,陶寶先.江寧小流域主要森林類型水源涵養(yǎng)功能研究[J].水土保持學報,2009,23(1):182-186.

[5] 張 彪,李文華,謝高地,等.森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能及其計量方法[J].生態(tài)學雜志,2009,28(3):529-534.

[6] 梁永強,薛 立,曹 鶴,等.幾種生態(tài)公益林土壤物理性質及其水源涵養(yǎng)功能[J].西南林學院學報,2007,27(3):11-14.

[7] 王 燕,王 兵,趙廣東,等.江西大崗山3種林型土壤水分物理性質研究[J].水土保持學報,2008,22(1):151-153.

[8] 田大倫,陳書軍.樟樹人工林土壤水文物理性質特征分析[J].中南林學院報,2005,25(2):1-6.

[9] 游秀花.馬尾松天然林不同演替階段土壤理化性質的變化[J].福建林學院學報,2005,25(2):121-124.

[10] 劉劍武.杉木天然林和人工林涵養(yǎng)水源功能研究[J].福建林業(yè)科技,2003, 30(3):19-22.

[11] 洪長福.不同杉木混交類型幼齡林水源涵養(yǎng)功能研究[J].福建林學院學報,1997,17(2):184-188.

[12] 呂圣吉.杉木-木荷混交林土壤肥力與水源涵養(yǎng)功能的研究[J].安徽農業(yè)科學,2012, 40(28):13844-13846.

[13] 李海防,楊章旗,韋理電,等.廣西華山5種幼齡人工林水源涵養(yǎng)功能研究[J].中南林業(yè)科技大學學報,2010,30(12):70-74.

[14] 王衛(wèi)軍,趙嬋璞,姜 鵬,等.塞罕壩華北松人工林水源涵養(yǎng)功能研究[J].中南林業(yè)科技大學學報,2013,33(2):66-68.

[15] 王忠誠,華 華,王淮永,等.八大公山國家自然保護區(qū)林地水源涵養(yǎng)功能研究[J].中南林業(yè)科技大學學報,2014,34(2):95-101.

[16] 李進峰,宮淵波,陳林武,等.廣元市不同土地利用類型土壤的分形特征[J].水土保持學報,2007,21(5)167-168.

[17] 周 萍,劉國彬,候喜祿.黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式土壤團粒結構分形特征[J].中國水土保持科學,2008,6(2):75-82.

[18] 林光耀,盧鏡明,楊玉盛,等.不同年齡杉木林水源涵養(yǎng)功能的探討[J].林業(yè)經濟問題,1995,15(4)37-39.

Comparative study of water conservation function of Chinese fi r plantation in Fushou forest farm

LI Ji-ping, LI Pei-lin, CAO Xiao-yu, ZHAO Chun-yan, YUAN Xiao-hong
(School of Forestry, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

By taking Fushou Forest Farm as the studied area, the Chinese fi r plantations in the farm were divided by age group into young-aged forests, middle-aged forests and near-mature forests. The soil physical characteristics and water conservation functions of the three age-level forests were investigated by adopting standard plot survey method, cutting ring method and oven drying method.The results are as follows: the upper layer of soil bulk density of the three types of Chinese fi r were less than that of the lower，and the soil non-capillary porosity decreased with the increase of the soil depth. The average soil bulk density of the three types of Chinese fi r arranged in magnitude order; middle-aged forests(1.44 g/cm3)＞near-mature forests(1.37 g/cm3)＞young-aged forests(1.36 g/cm3);the soil capillary porosity rates of the three types of Chinese fi r sequenced by magnitude: young-aged forests(30.32%)＞middle-aged forests(17.26%)＞near-mature forests(14.41%); the soil non-capillary porosity of the three types of Chinese fi r ordered from big to small: near-mature forests(36.66%)＞ middle-aged forests(28.61%)＞ young-aged forests(18.55%). According to the soil water storage capacity, the outcome of the water conservation capacity lined from high to low: near-mature forests(107.74 t/hm2)＞middle-aged forests(81.24 t/hm2)＞ young-aged forests(57.43 t/hm2). Along with the increase of the Chinese fi r’s age, the water conservation showed an increasing tend as well.

Chinese fi r plantation; water conservation function; capillary porosity; non-capillary porosity

S715.7

A

1673-923X(2014)07-0080-04

2014-03-10

國家自然科學基金項目“生態(tài)公益林人工純林多功能結構優(yōu)化技術研究與示范”（2012BAD22B0505）

李際平（1957-），男，湖南醴陵人，教授，博士，研究方向：林業(yè)系統(tǒng)工程

[本文編校：謝榮秀]