禿杉林和連栽杉木林水源涵養(yǎng)功能的差異

南雅薇，戴軍，李元強(qiáng)，梁新戚，何斌，張日施

（1.廣西大學(xué)林學(xué)院，廣西南寧 530004；2.廣西壯族自治區(qū)國有維都林場，廣西來賓546000)

森林水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)最重要的功能之一[1-2]，其研究貫穿森林水文研究的全過程，也是生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)。近年來，對森林水源涵養(yǎng)功能的主要表現(xiàn)形式（涵蓄土壤水分、調(diào)節(jié)徑流和凈化水質(zhì)等）進(jìn)行了較全面的研究[3]；對不同地域典型植被或不同結(jié)構(gòu)森林類型貯蓄水分的能力進(jìn)行了比較分析，結(jié)果顯示森林水源涵養(yǎng)功能受物種組成、群落結(jié)構(gòu)、土壤類型和管理措施等因素的影響[4-7]。分析和比較不同森林類型，尤其是不同人工林類型的水源涵養(yǎng)功能及其差異，可正確評價森林的水文生態(tài)功能，對合理經(jīng)營森林資源、實現(xiàn)其可持續(xù)經(jīng)營與發(fā)展有重要意義。

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我國南方重要的商品用材林樹種之一[8]。廣西是我國杉木的主產(chǎn)區(qū)之一,杉木蓄積量在全區(qū)人工林中位列第一,杉木在廣西林業(yè)生產(chǎn)和木材戰(zhàn)略儲備基地建設(shè)中有重要地位[9]。由于連栽，杉木林地力衰退和生態(tài)功能下降等問題日趨嚴(yán)重[10-12]。尋求解決杉木采伐跡地更新問題的方法，維持林地生產(chǎn)力，已成為當(dāng)前杉木栽培區(qū)亟需解決的問題。禿杉（Taiwania flousiana）為杉科（Taxodiaceae）臺灣杉屬珍稀樹種，具有生長快、病蟲害少、生物生產(chǎn)力及出材量高和材質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，已成為南方部分山區(qū)杉木采伐跡地更新的優(yōu)良替代樹種[13]和退耕還林地的重要栽培樹種.。目前，與禿杉人工林栽培的相關(guān)研究已有較多報道[14-18]，但水源涵養(yǎng)方面的研究較少[17-18]。本研究對廣西南丹縣23年生禿杉林和連栽杉木林（即二代杉木林）不同結(jié)構(gòu)層次的持水性能進(jìn)行比較與分析，探索兩種林分水源涵養(yǎng)功能的差異，以期為禿杉林的經(jīng)營管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣西西北部的南丹縣（107°1′～107°55′E，24°42′～25°37′N），地處云貴高原邊緣，以中低山為主，海拔多為600～1 000 m，具有高原山區(qū)的氣候特點(diǎn)和變化規(guī)律，年均氣溫16.9℃，年均降水量1 498 mm。試驗地設(shè)在南丹縣山口林場山口分場，海拔960～975 m，坡度27°～34°，東北坡向，土壤母質(zhì)（母巖）為砂頁巖，風(fēng)化程度較高，土壤類型為山地黃壤，土層厚度80 cm以上[16]。

禿杉林和連栽杉木林均栽植于原杉木一代林采伐跡地，定植時間為1993年3月，造林密度均為2 500株/hm2（株行距2 m×2 m）。造林后前3年的春季和秋季各進(jìn)行1次鏟草撫育，生長期間沒有進(jìn)行人工施肥[16]。2016年5月，調(diào)查禿杉林和連栽杉木林的林分特征（表1）。

表1 禿杉林和連栽杉木林林分特征Tab.1 Stand features of T.flousiana plantation and successive rotation plantation of C.lanceolata

1.2 試驗方法

1.2.1 林分生物量調(diào)查

2016年5月，在立地條件（坡向、坡度、坡位和海拔等）基本一致且相互毗鄰的23年生禿杉林和連栽杉木林中分別設(shè)置3塊標(biāo)準(zhǔn)樣地，面積均為20 m×20 m。開展林分生長調(diào)查，調(diào)查指標(biāo)包括林分郁閉度、密度以及林木胸徑、樹高、冠幅和枝下高。在每塊樣地外，選擇3株平均木伐倒，采用Monsic分層切割法分別測定樹葉、樹枝、地上部分干皮和干材鮮質(zhì)量[16]。在每塊樣地內(nèi)，沿對角線設(shè)置3個2 m×2 m的小樣方，調(diào)查林下植被（灌木和草本）的種類、個體數(shù)、高度和覆蓋度等，采用樣方收獲法測定林下植被層和凋落物層鮮重[16]；采集林冠層、林下植被層和凋落物層樣品各500～1 000 g，將部分樣品烘干，測定其干質(zhì)量和含水率，估算各結(jié)構(gòu)層次的生物量或現(xiàn)存量。

1.2.2 植物和土壤樣品的采集與分析

將采集的林冠層、林下植被層和凋落物層部分樣品分別置于水中浸泡24 h，測定其持水量和持水率[19]。按S形在每塊樣地內(nèi)設(shè)置5個土壤剖面，將土壤剖面分為0～20、20～40和40～80 cm 3個層次。每層次分別采集土壤約1 000 g，將同一樣地內(nèi)不同土壤剖面同層次的土壤樣品混合裝袋，帶回實驗室，用環(huán)刀采集原狀。采用環(huán)刀法測定土壤水分-物理性質(zhì)[19-20]，采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)[20]。

1.2.3 林分持水量估算

林分持水量包括地上部分持水量和土壤層持水量，地上部分包括林冠層、林下植被層和凋落物層。持水量計算公式為：

式中，Wl為持水率（%）；WL為持水量（t/hm2）；M為水分質(zhì)量（t）；Wm為干質(zhì)量（t）；W為生物量或現(xiàn)存量（t）。

土壤水分貯蓄性能指標(biāo)包括土壤總持水量（飽和持水量）和土壤有效持水量（非毛管蓄水量）[19]，分別采用以下公式計算：

式中，Wt為土壤總持水量（t/hm2）；Wf為土壤有效持水量（t/hm2）；Pt為土壤總孔隙度（%）；Pf為土壤非毛管孔隙度（%）；H為土層厚度（cm）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013軟件進(jìn)行處理，采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 禿杉林和連栽杉木林地上部分的持水性能

禿杉林的林冠層生物量和持水量分別為44.51和31.66 t/hm2，分別是連栽杉木林（16.60和12.25 t/hm2）的2.68和2.58倍，均差異顯著（P＜0.05）（表2）。

表2 地上部分的持水性能Tab.2 Water-holding properties of aboveground part(t/hm2)

與連栽杉木林相比，禿杉林郁閉度較大，林下植被發(fā)育較差，林下植被層的生物量和持水量分別為4.57和3.84 t/hm2，略低于連栽杉木林（5.14和4.13 t/hm2），差異均不顯著。

禿杉林凋落物層的生物量和持水量分別為6.84和20.82 t/hm2，分別是連栽杉木林（4.67和15.72 t/hm2）的1.46和1.32倍，均差異顯著（P＜0.05）。

禿杉林地上部分持水量（56.32 t/hm2）是連栽杉木林（32.10 t/hm2）的1.75倍。與連栽杉木林相比，禿杉林除林下植被層的生物量和持水量稍低外，林冠層和凋落物層持水量均較大，對降雨的截留能力更強(qiáng)。

2.2 禿杉林和連栽杉木林土壤持水性能

2.2.1 土壤滲透性能

土壤滲透性能是反映林地土壤對降雨的調(diào)節(jié)能力的重要指標(biāo)。禿杉林和連栽杉木林土壤滲透速度的初滲值和穩(wěn)滲值均隨土層加深而下降，與總孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量的變化趨勢相同。除40～80 cm土層外，禿杉林土壤滲透速度的初滲值和穩(wěn)滲值均高于連栽杉木林，在0～20 cm土層差異顯著（P＜0.05）（表3）。說明禿杉林可提高土壤滲透性能，減少因超滲而導(dǎo)致的地表徑流。

表3 土壤滲透性能Tab.3 Soil permeation capacity

2.2.2 土壤持水性能

土壤是森林涵養(yǎng)水源最重要的場所，其蓄水能力是反映森林水源涵養(yǎng)功能的重要指標(biāo)之一。禿杉林0～80 cm土層總持水量為4 320.80 t/hm2，比杉木林（4 214.00 t/hm2）高出106.80 t/hm2；其中0～20 cm土層最大持水量的增加量最大（96.80 t/hm2），占總增加量的90.64%（表4）。與土壤總持水量的變化趨勢相似，禿杉林0～80 cm土層總有效持水量（604.40 t/hm2）比連栽杉木林（555.10 t/hm2）高出49.30 t/hm2；其中0～20 cm土層的增加量最大（48.00 t/hm2），占總增加量的97.36%，且兩種林分間差異顯著（P＜0.05）。

表4 土壤持水性能Tab.4 Soil water-holding capacity

2.3 禿杉林和連栽杉木林水源涵養(yǎng)功能

林分的總持水量由林分地上部分和土壤涵養(yǎng)水分的能力決定。禿杉林和連栽杉木林的林分總持水量分別為4 377.12和4 246.11 t/hm2，均以土壤層持水量所占比例較高，分別為98.71%和99.24%，地上部分持水量所占比例分別為1.29%和0.76%（表5）。禿杉林的林分總持水量比連栽杉木林高出3.09%，有較強(qiáng)的水源涵養(yǎng)能力。

表5 林分持水量Tab.5 Water-holding capacity of stands

續(xù)表5 Continued

3 討論與結(jié)論

林冠層對降雨的截留作用是森林水源涵養(yǎng)功能的最先表現(xiàn)，林冠層通過對降雨進(jìn)行重新分配，既可避免雨水對地面的直接濺擊，緩解降雨對地表的侵蝕，又能截留部分降水量，減少地表土壤流失[21]。林冠層截留降雨的作用主要取決于樹種組成、郁閉度、生物量以及降水量、降雨強(qiáng)度和蒸發(fā)速率等[19]。禿杉的樹冠呈塔形，枝葉較茂盛，成層性明顯，林分郁閉度較大，林冠層的生物量和持水量均顯著高于連栽杉木林，對降雨有較強(qiáng)的截留作用，可使透過林冠層的雨量減少。

林下植被層是森林發(fā)揮水源涵養(yǎng)作用的第二層次，可對穿過林冠層的降雨進(jìn)行再次截留，進(jìn)一步減弱雨水對土壤的濺打。林下植被層的持水性能主要取決于林下植被的生物量和持水率。受林分結(jié)構(gòu)特征影響，禿杉林林下植被層的發(fā)育稍差于連栽杉木林，其生物量和持水量均略低于連栽杉木林，但差異均不顯著。

凋落物層是植物-土壤養(yǎng)分循環(huán)的聯(lián)結(jié)庫，也是森林植被對降雨進(jìn)行再分配的重要作用層，具有涵養(yǎng)水源、保持水土、提高土壤滲透能力和改善土壤結(jié)構(gòu)等作用[18，22]。凋落物層覆蓋林地表面，可增加地表粗糙度，起到減弱雨水對地表土壤的濺打、提高水分入滲能力、降低徑流速度和延長徑流時間等作用。禿杉林中，凋落物較豐富，以樹葉和柔軟細(xì)枝為主，持水率較高[18]，而連載杉木林有明顯的凋落物宿存現(xiàn)象，因此禿杉林的凋落物層生物量和持水量均顯著高于連栽杉木林，表現(xiàn)出比連栽杉木林更高的水源涵養(yǎng)功能。

森林土壤是森林貯存水分的最主要場所，其儲蓄水分的能力與土壤種類、容重及孔隙度等密切相關(guān)[19]。土壤容重和孔隙狀況是對土壤構(gòu)造狀況的反映，影響土壤的通氣性、透水性及貯存水分的能力。本研究中，禿杉林和連栽杉木林0～40 cm土層土壤容重分別為0.884～0.990 g/cm3和0.915～1.017 g/cm3，土壤總孔隙度分別為55.14%～63.88%和54.30%～59.04%，兩種林分的土壤容重均明顯小于廣西南寧市馬占相思（Acacia mangium）人工林[19]、廣西玉林市福建柏（Fokienia hodginsii）純林和混交林[23]、江西省都昌縣杉木林和常綠落葉闊葉混交林[24]和四川省高縣馬尾松（Pinus massoniana）人工林[25]，土壤總孔隙度則相反，表明研究區(qū)林地土壤較疏松，通氣透水和水源涵養(yǎng)性能較強(qiáng)，這也是該區(qū)域能作為廣西重要杉木栽培區(qū)之一，而且引種的禿杉人工林生長良好和生產(chǎn)力較高的重要原因之一[26]。禿杉林0～20和20～40 cm土層的容重均低于連栽杉木林，土壤總孔隙度則較高，其原因一方面是禿杉林凋落物較豐富，以較易分解的樹葉和柔軟小枝為主，通過分解和腐殖化促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的生物積累[14]；另一方面，禿杉是淺根性樹種，根系發(fā)達(dá)且疏散，根系間相互連生[26-27]，通過根系的穿插和伸展，可產(chǎn)生各種孔隙，活根的分泌和死根的腐解也能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量和孔隙。禿杉林土壤（0～80 cm）的總有效持水量和總持水量均高于連載杉木林。

禿杉林的總持水量比連栽杉木林高，表明禿杉林有較強(qiáng)的水源涵養(yǎng)功能。在杉木采伐跡地上營造禿杉林，有利于改善土壤結(jié)構(gòu)和孔隙狀況，提高土壤主要養(yǎng)分含量和酶活性[28]，可增強(qiáng)森林水源涵養(yǎng)功能。