生态公益林林地土壤水源涵养功能研究

吕 磊， 文仕知，张新文，张满君，彭尔卿

(1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004； 2.长沙市林业技术推广站，湖南 长沙 410000)

生态公益林林地土壤水源涵养功能研究

吕 磊1， 文仕知1，张新文2，张满君2，彭尔卿2

(1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004； 2.长沙市林业技术推广站，湖南 长沙 410000)

以湖南省5种不同类型生态公益林为研究对象，对其林地土壤水源涵养功能进行研究，结果表明：从土壤容重的均值来看，自然保护区类公益林林地最低，天然混交林相对于人工纯林林地土壤结构的改善效果更为明显；土壤的非毛管孔隙度大致随土层深度的增加而逐渐减少；不同类型公益林林地土壤最大蓄水量顺序为：江河源头>江河两岸>自然保护区>湿地和水库>城市风景林，有效蓄水量大小变化在22.5～318.9t·hm-2之间；自然保护区类公益林林地土壤渗透性能最好，这与其有较好的土壤物理性状有关。

生态公益林；土壤；水源涵养

森林植被所具有的涵养水源的能力是森林生态系统最直观的功能之一，而森林土壤层是森林生态系统中水分界面传输的重要环节。不同森林类型由于其树种生物学特性与林分结构不同，其林分土壤涵养水源的能力差异显著[1-6]。对湖南省5种主要生态公益林的林地土壤涵养水源能力进行研究，能较全面评价各种类型生态公益林的涵养水源效益，可为生态公益林林分结构调整、经营和管理提供参考。

1 研究区概况

研究区位于长江中游以南。该区属中亚热带季风气候区和常绿阔叶林带，其土壤为红壤和山地黄壤。境内呈辐射状展布4条主干水：湘江、资水、沅江、澧水，地貌类型以山地丘陵为主，年平均气温16～18℃，年降水量1200～1700mm，成土母岩主要有花岗岩类、 板页岩类、 砂砾岩类、 碳酸岩类、 紫色砂页岩类、 第四纪红色粘土。 我们以湖南省5种 (江河源头、 江河两岸、 国家级自然保护区、 湿地和水库、 城市风景林) 不同类型生态公益林为研究对象， 于澧水源头、 湘江两岸、 湖南鹰嘴界国家自然保护区、 东江湖湿地、 长沙市南郊湖南省林业科学院试验林场等5个生态公益林区设置监测点， 各监测点基本情况见表1。

表1 不同类型生态公益林标准样地基本情况表Tab 1 Thesampleplotsituationofdifferenttypesofecologicalpublic⁃welfareforest生态公益林类型代号林分类型起源母岩类型坡度(°)坡向土壤厚度(cm)树高(m)胸径(cm)郁闭度生长状况江河源头Ⅰ类阔叶混交林天然次生板页岩30N 8315．0010 540 85良江河两岸Ⅱ类马尾松林人工第四纪红土5S1107 3715 320 55一般国家级自然保护区Ⅲ类阔叶混交林天然次生板页岩32SE609 3510 650 90一般湿地和水库Ⅳ类阔叶混交林天然次生板页岩35S1257 6514 380 90良城市风景林Ⅴ类枫香纯林人工第四纪红土15S7612 309 800 75良生态公益林类型林分及林下植被状况江河源头林分密度为1455株·hm-2，主要有利川润楠、小花木荷等天然阔叶树种，林内层次结构明显，林下灌草本稀少，盖度小江河两岸林分密度为615株·hm-2，乔木单一，植物群落结构简单，灌木有刚竹、枸骨、大青等，盖度70%国家级自然保护区林分密度为1815株·hm-2，以乔、灌木为主，草本少，藤本较粗，乔木主要有檵木、虎皮楠、贵定桤叶树等天然阔叶树种，灌木多为乌药、鼠刺湿地和水库早期样地林分质量好，郁闭度大，因雨雪冰冻灾害，部分林木断顶或枯死，林分密度为1815株·hm-2，以栲树为主的阔叶混交林，林下植被主要有红叶树、日本金星厥、网脉酸藤子等城市风景林林分类型为1986年营造的枫香人工纯林，密度为1780株·hm-2，林下灌木较少，以草本为主，主要有竹叶草、鸡血藤、油茶、菝葜、蕨类等植物

2 研究方法

通过实地踏查，在5种不同类型生态公益林中分别选取具有代表性的地段，各设置面积为667m2的标准样地2块；在各标准样地内，对其林分和林下植被状况以及土壤类型与土层厚度等立地因子进行调查、记录；在标准地内进行踏查,选取有代表性的样点，在其土壤剖面进行土壤样本采集。土壤取样采用机械分层法，用容积为200cm3的环刀分别在土壤剖面的0～15cm，15～30cm，30～45cm处取原状土样，重复3次。采用常规方法[7]测定土壤水分物理性状、渗透性能等指标。

3 结果与分析

3.1土壤物理性状

林地土壤物理性状是林地土壤的基本特征，是反映林分水土保持功能强弱的重要指标。土壤物理性状的优劣直接影响到土壤的持水、渗透能力，土壤物理性状优良的土壤可减少地表径流，具有更好的涵养水源和保持水土的作用[8]。土壤的物理性状主要是指土壤的容重、孔隙度等指标。不同类型生态公益林林地的土壤物理性状见表2。

从表2中可以看出，各种生态公益林的土壤容重最低值均出现在表层(0～15cm)土壤。这是由于植物根系活动和枯落物的分解等作用使林地表层土壤结构得到明显改善。从容重的均值来看，Ⅲ类公益林林地母岩为板页岩，由于土层较薄，植物根系分布相对集中，根系活动的影响大，土壤比较疏松，所以土壤容重最低，为1.21g·cm-3；其次，Ⅰ类公益林林地因枯落物的贮量大及分解能力强，使林地土壤结构得到明显改善，容重为1.23g·cm-3；Ⅴ类林地土壤较为紧实，容重为1.33g·cm-3，其它2种生态公益林林地土壤容重分别是: Ⅳ类为1.28g·cm-3、Ⅱ类为1.31g·cm-3。可见，各种生态公益林林地的土壤容重差异不大，各林分植物根系活动和枯落物的分解等作用使林地土壤结构得到了明显改善，土壤结构较为疏松。其中，天然混交林相对于人工纯林林地土壤结构的改善更为明显，这说明天然混交林的多层复合结构对于林地土壤的结构改善有明显的效果。

表2 不同类型生态公益林林地土壤物理性状Tab 2 Soilphysicalpropertiesofdifferenttypesofeco⁃logicalpublic⁃welfareforest生态公益林类型林分类型土层厚度(cm)容重(g·cm-3)非毛管孔隙(%)毛管孔隙(%)总孔隙度(%)Ⅰ类阔叶混交林 0～151 155 0745 9851 0615～301 261 7748 6050 3730～451 282 4347 0849 51平均1 233 0947 2250 31Ⅱ类马尾松林 0～151 296 2444 6250 8615～301 345 7445 7451 4730～451 313 8244 8348 65平均1 315 2645 0650 33Ⅲ类阔叶混交林 0～151 0610 4437 2447 6815～301 315 4542 7948 2430～451 275 3741 8047 17平均1 217 0940 6147 70Ⅳ类阔叶混交林 0～151 163 4247 6651 0815～301 342 9841 4144 3930～451 352 3542 1944 54平均1 282 9243 7546 67Ⅴ类枫香纯林 0～151 298 7835 0043 7815～301 386 4136 3742 7830～451 316 0338 4545 31平均1 337 0736 6143 96

土壤孔隙作为评价土壤通透性和水源涵养潜力的重要指标，是土壤水分的贮存库。土壤孔隙度包括毛管孔隙度、非毛管孔隙度及总孔隙度。从表2和图1中可以看出，土壤各层的非毛管孔隙度变化趋势大致是随着土壤深度的增加，非毛管孔隙度逐渐减小。在各种生态公益林中，平均土壤非毛管孔隙度最大的林分是Ⅲ类(7.09%)，最小的是Ⅳ类(2.92%)，这可能是由于Ⅳ类生态公益林中林内灌草少，根系活动影响小，枯落物分解慢，土壤改良速度慢，容重大，导致非孔隙度小。各类林地土壤总孔隙度随土壤深度的变化无明显变化规律，通过对各类型林分土壤总孔隙度进行方差分析，结果表明各类型林地之间总孔隙度差异不显著。

图1 不同类型公益林样地土壤非毛管孔隙度 Fig.1 The non-capillary porosity of soil in different types of ecological public-welfare forest

总体而言，各种类型公益林中，Ⅲ类林地土壤物理性状最好。土壤物理性状主要受林地母岩、林分质量及立地条件等因素的影响。

3.2土壤蓄水性能

土壤的蓄水性能是评价森林涵养水源功能最主要的指标之一，主要取决于土壤的物理性状。众多研究表明，森林土壤的蓄水性能与土壤的孔隙度(特别是非毛管孔隙度)、土层厚度有着密切的关系[9-11]：

土壤最大蓄水量(t·hm-2)=1.0g·cm-3×10000m2×土壤总隙度(%)×土壤深度(m)；

土壤有效蓄水量(t·hm-2)=1.0g·cm-3×10000m2×土壤非毛管隙度(%)×土壤深度(m)。

为了使各种类型公益林的土壤蓄水功能的具体差异更为直观，将各种类型公益林林地的土层深度统一为45cm。从表3可以看出，不同类型公益林林地，其45cm土层的土壤最大蓄水量的范围是1978.05～2264.02t·hm-2，以Ⅰ类公益林林地土壤最大蓄水量最大，Ⅴ类的最大蓄水量最小。这主要是因为Ⅰ类公益林林地的植物多样性大、枯落物贮量多且分解速度快，给土壤提供了大量的有机质，改变了土壤的结构，其孔隙度大，相应持水能力就强；Ⅱ类样地因林下灌木较多，根系活动影响大，土壤孔隙度大，所以其持水能力较强。不同类型公益林，其土壤最大蓄水量顺序为Ⅰ类>Ⅱ类>Ⅲ类>Ⅳ类>Ⅴ类。

对于蓄涵降水来说，有效蓄水量更能体现各种类型公益林的水源涵养能力。不同类型公益林的有效蓄水量大小在131.28～318.9t·hm-2之间，以Ⅲ类公益林的林地土壤有效蓄水量最大，Ⅳ类的有效蓄水量最小。土壤的有效蓄水能力大，其渗透能力就强。Ⅲ类公益林林地的土壤调节水分的功能较强，原因之一是Ⅲ类公益林林地的土壤厚度小，植物根系集中分布于浅层，可能对它的非毛管孔隙度有很大影响，导致Ⅲ类公益林林地的非毛管孔隙度大，有效持水能力强。

表3 不同类型公益林林地土壤蓄水量Tab 3 Thewaterstoragecapacityofsoilindifferenttypesofecologicalpublic⁃welfareforest生态公益林类型林分类型土层厚度(cm)毛管持水量(mm)土壤有效蓄水量(t·hm-2)土壤最大蓄水量(t·hm-2)分层合计分层合计 0～1568 9876 12765 89Ⅰ类阔叶混交林15～3072 8926 55139 13755 502264 0230～4570 6236 45742 64 0～1566 9393 60762 85Ⅱ类马尾松林15～3068 6186 03236 92772 082263 6230～4567 2557 30728 69 0～1555 86156 60715 22Ⅲ类阔叶混交林15～3064 1981 75318 90723 652146 4230～4566 4180 55707 55 0～1571 4951 25766 14Ⅳ类阔叶混交林15～3062 1044 78131 28665 832100 0530～4563 2835 25668 08 0～1552 50131 70656 70Ⅴ类枫香纯林15～3054 5696 15318 30641 701978 0530～4557 6890 45679 65

综合以上分析，Ⅲ类公益林林地土壤的有效蓄水量最大，最大蓄水量也相对较大，水源涵养功能明显，这与其土壤物理性状的良好相对应，但因其样地实际土层厚度小，因此涵蓄的水量是有限的。而Ⅰ类公益林林地土壤的最大蓄水能力最大，有效蓄水量也相对较好。总体来看Ⅰ类公益林林地的土壤贮蓄和调节水分潜在能力好，可以吸收更多的降雨；同样，Ⅱ类公益林林地因其林下灌木较多，根系活动影响大，所以土壤的持水性能相对较好。可见，林地土壤孔隙状况和水源涵养能力与林地生物多样性、树种的搭配、立地条件、林分年龄以及森林植被的生物特性(尤其是根系特性)等因素密切相关。因此，在今后的生态公益林经营中，应充分考虑这些因素，从而获得更好的生态效益。

3.3土壤水分渗透性能

森林土壤渗透性能是森林水文特征的重要反映，土壤入渗性能的高低是影响土壤涵养水源性能的另一重要指标。渗透性能良好的林地土壤，能够使降水在土壤内进行合理再分配，从而减少土壤侵蚀，良好的森林土壤其土壤稳定入渗率高达8.0cm/h以上[12-13]。

从表4可知，各类公益林林地土壤在初渗、稳渗阶段的渗透速度和渗透系数大体趋势为随着土层深度的增加而递减，部分出现下层渗透速率大于上层，原因可能与人类干扰和土壤石砾含量有关，一些样地土壤深层石砾含量较多使渗透率相对增大。不同类型公益林林地土壤表层(0～15cm)的初渗和稳渗速度大小范围分别在2.86～10.68mm·min-1和0.83～5.75mm·min-1之间，Ⅲ类公益林林地的初渗和稳渗系数都最大，土壤渗透性能最好，这与其较好的土壤物理性状有密切关系；Ⅰ、Ⅴ类的土壤表层渗透性能较好，但是随着土层深度增加，其渗透能力下降明显，这与林地土壤表层上的枯落物的分解改善了表层土壤结构和增加了土壤孔隙度等有一定的关系。

表4 不同类型公益林的林地土壤渗透性能比较Tab 4 Thesoilpermeabilityofdifferenttypesofecologicalpublic⁃welfareforest生态公益林类型林分类型土层厚度(cm)渗透速度/(mm·min-1)渗透系数K10/(mm·min-1)初渗稳渗初渗稳渗 0～158 713 044 111 43Ⅰ类阔叶混交林15～300 750 270 360 1330～450 910 360 430 17 0～155 721 922 700 91Ⅱ类马尾松林15～300 310 150 150 0730～450 470 050 220 02 0～1510 685 755 042 71Ⅲ类阔叶混交林15～308 154 323 842 0430～457 283 743 431 77 0～152 860 831 350 39Ⅳ类阔叶混交林15～301 020 550 480 2630～450 360 340 170 16 0～158 535 414 022 15Ⅴ类枫香纯林15～305 523 122 601 4730～453 651 252 000 59

4 结论与讨论

(1) 由于公益林林地的母岩、植被类型等不同使得其土壤物理性状有着较明显的差异。其中自然保护区和江河源头类公益林林地土壤结构得到了明显的改善，天然混交林相对于人工纯林林地土壤结构的改善更为显著；城市风景林和江河两岸类公益林林地则较为一般，湿地类公益林林地土壤结构最差。

(2) 各公益林类型土壤初渗、稳渗阶段的渗透速度和渗透系数大体趋势为随着土层深度的增加而递减，初渗和稳渗速度大小范围分别在2.86～10.68mm·min-1和0.83～5.75mm·min-1之间。各类型公益林林地土壤最大蓄水量顺序为：江河源头>江河两岸>自然保护区>湿地和水库>城市风景林，有效蓄水量大小变化在131.28～318.9t·hm-2之间。自然保护区类公益林样地土壤的有效蓄水量最大，最大蓄水量也相对较大，土壤渗透性能最好，水源涵养功能最明显，这与其土壤物理性状的良好相对应。可见，林地水源涵养能力与林地生物多样性、树种的搭配、立地条件、林分年龄以及森林植被的生物特性(尤其是根系特性)等因素密切相关。考虑到各类型公益林本底值的差异，指标数据不能够全面反映各类型公益林林地土壤水源涵养功能的具体差异，有待进一步对各指标进行动态变化监测，以探寻其规律。

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Studyonthewaterconservationfunctionofecologicalpublic-welfareforestsoil

Lü Lei1，WEN Shizhi1，ZHANG Xinwen2，ZHANG Manjun2，PENG Erqing2

(1.Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China; 2.Changsha Forestry Technology Promotion Station, Changsha 410000, China)

The water conservation function of five different types of ecological public-welfare forest in Hunan was studied. The results showed that in terms of the mean soil bulk density, the Nature Reserve ecological forest occupied the lowest, while the natural mixed forest had obvious improvement in soil structure compared with the artificial pure forest. The non-capillary porosity of soil decreased gradually along with the increase of soil depth. The maximum water storage capacity in soil of different types of ecological public-welfare forest was in order of Source of Rivers>River Cross>Nature Reserve>Wetlands and Reservoirs>City Landscape Forest, with the effective water storage capacity ranged from 22.5t· hm-2to 318.9t·hm-2. The soil permeability of ecological public-welfare forest of the Nature Reserve was the best, which was related to the better soil physical properties.

ecological public-welfare forest; soil; water conservation

2010-06-21

2011-07-29

湖南省重点公益林资源与生态效益监测项目(2130209)；中南林业科技大学青年科学研究基金资助项目(2008006B)

吕 磊(1981-)，男，湖南省永州市人，讲师，硕士研究生，主要从事水土保持学研究。

S 714.7

A

1003-5710(2011)04-0022-05

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2011. 04. 007

(文字编校：唐效蓉，龚玉子)