苏州太湖流域2种水源涵养林空间结构特征与枯落物持水特性研究

肖文娅，周 琦，董务闯，2，关庆伟

（1.南京林业大学 森林资源与环境学院，南京210037；2.吴中区农业局，江苏 苏州215104）

近年来，森林的水源涵养功能愈发受到重视，林分功能取决于林分结构［1］，只有保持森林结构的优良才能保证森林功能的良好发挥［2］。李建军［3］等最新研究表明：水源涵养林整体林分空间结构的提高，能有效促进生态系统的健康与稳定，提高生态系统功能。此外，为了充分发挥水源涵养林的功能，研究林分结构和功能耦合关系是最重要的领域［4］。

孙立达等［5］认为林分结构对水源涵养的影响主要体现在林冠截留、枯落物截留和土壤层的拦蓄截留三方面。枯落物层涵养水源能力的差异主要取决于枯枝落叶层厚度及贮量、枯落物的分解程度、组成类型以及分解层与半分解层持水量等的差异性［6］。另外，部分研究表明：枯落物层涵养水源能力具有显著的时空差异性，受到如林分结构［7］、林分类型［8］、枯落物组成［9］、降雨特点［10］影响。目前，水源林结构对生态功能影响上的研究大多集中于林分的树种组成、林冠层等非空间结构 或林下层、土壤层垂直层次等结构［12］，而将水源涵养林空间结构与其枯落物层持水功能结合起来的研究还甚少。

本文以苏州吴中区太湖流域2种代表性的冬青湿地松针阔混交林和栎树湿地松针阔混交林为对象，应用传统林分结构因子，配合描述林分空间结构的角尺度、混交度、大小比数和开敞度4个林分空间结构参数，分析森林群落的结构特征，并测定林分下枯落物持水能力，旨在明晰其空间结构特征与枯落物持水特性的差异，以期为今后城市水源涵养林的结构调整和森林水文循环机制的研究提供一定的科学依据。

1 研究区概况

研究地位于苏州市吴中区，江苏省南部。地理坐标为东经 119°55′—120°54′，北纬 30°56′—31°21′。地处中亚热带北缘，属季风气候过渡类型。四季分明，平均气温17.1℃，年降水量1 114.6mm［13］。区内成土母质大部分为第四纪堆积物，土层深厚，土质肥沃。境内土质主要有水稻土、黄棕土、沼泽土和石灰岩土等4种类型［14］。现有植被以青冈栎（Cyclobalanopsis glauca（Thunb.）Oerst）、木荷（Schima superba Gardn et Champ）、麻栎（Quercus acutissima Carruth.）、香樟（Cinnamomum camphora （L.）Presl.）、冬青（Ilex purpurea Hassk.）、湿地松（Pinus elliottii Engelmann）、火炬松（Pinus taeda L.）等为主。在具有代表性的的冬青湿地松针阔混交林和栎树湿地松混交林中各设3块样地进行林分概况调查，结果见表1。

表1 林分基本情况

2 研究方法

2.1 样地调查方法及结构单元的确定

苏州市二类森林资源清查数据表明，冬青湿地松混交林和栎树湿地松混交林，是苏州太湖流域的典型水源涵养林。在踏查的基础上，选择位于吴中区七子山中坡北向的2个立地条件相近的典型冬青湿地松混交林和栎树湿地松混交林作为标准样地。

群落学调查采用样地法，每个林分设立3块标准地，样地面积为25m×25m，记录标准地群落类型、海拔、坡向、坡度、土壤等立地条件因子。调查样地内所有径阶大于5cm的林木特征，即树木的相对XY坐标、胸径、树高、冠幅等。在每个乔木样地的4个角各设置1个2m×2m的灌木样方和1个1m×1m的草本样方，记录灌木和幼苗的种类、数量、平均高度、盖度及草本植物的种类、数量、平均高度和盖度。

样地边界木的处理方法，以样地内每1棵调查木为目的树、选取其周围4株最近相邻木共同组成一个林分空间结构单元，采用8邻域平移式法对样地边缘木进行校正［15］。

2.2 林分空间结构分析方法

选择用混交度（Mi）衡量对象木与最近邻木之间、最近邻木相互之间的树种空间隔离程度，用角尺度（Wi）描述n株最近相邻木（本研究n＝4）围绕参照树i的均匀性，用大小比数（Ui）描述n株最近相邻木与参照树i的大小关系，开敞度（Bi）来描述林木个体生长空间大小，4个描述林分空间结构的参数［16－18］，并计算各个参数，进行林分空间结构的分析，参数计算见表2。

表2 林分空间结构参数

2.3 枯落物层的蓄水能力及入渗特点研究

在每个标准样地内，选出3个具有代表性的0.3 m×0.3m的样方。每个样方内根据枯落物分解程度测量枯落物层总厚度、未分解层厚度和半分解层厚度，用钢尺测量3次取其平均值作为样地内枯落物的厚度。将枯落物按照未分解层和半分解层分别收集，分层称重，待风干后，以干物质重计算自然含水率及蓄积量。取15g风干样品，每个样地3次重复，用“室内浸泡法”测定枯落物层的最大持水率（量），并计算枯落物最大持水量、最大持水率、有效拦蓄率和有效拦蓄量。

3 结果与分析

3.1 林分组成结构特征分析

所调查的冬青针阔混交林和栎树针阔混交林2种林分内，林分密度分别为875株／hm 和1 210株／hm2，物种丰富度较高，乔木层树种分别有9个和8个，其中，冬青混交林中，按株数或断面积排列前三的树种，均是湿地松（Pinus elliottii Engelmann）、冬青（Ilex purpurea Hassk.）和香樟（Cinnamomum camphora L.Presl.），栎树混交林中为湿地松、麻栎（Quercus acutissima Carruth.）和栓皮栎（Quercus variabilis Blume）。从表3可知，2种林分中的优势种均有湿地松，而优势阔叶树种不相同，冬青混交林中，优势阔叶树种为冬青和香樟等常绿阔叶树种；麻栎混交林中，优势阔叶树种为麻栎和栓皮栎等落叶阔叶树种。

表3 混交林林分概况

3.2 林木树种空间隔离程度分析

根据混交度定义，Mi值越大，树种组成的结构多样性越好。太湖流域混交林分类型的混交度见图1。经计算栎树针阔混交林混交度和冬青针叶阔叶混交林混交度分别为0.551和0.660，均属于强度混交。这表明2种林分中各树种之间隔离程度均很小，林分稳定性较强，且冬青针阔混交林混交度略大于栎树针阔混交林混交度。由图1可知，栎树针阔混交林和冬青针阔混交林两种林分下5种混交强度均有出现，并均以零度混交林木最少，分别为6.1%和4.5%。其中，栎树混交林分下中度混交的林木最多，占总数的41.8%，其次为强度混交，占25.5%，该林分中弱度、中度和强度混交的林木总株数达82.7%。冬青混交林中强度混交的林木所占比例最大，为38.2%，极强度混交次之，为23.6%，并且中度混交、强度混交和极强度混交，占总数的83.1%。

图1 不同林分类型混交度比较

3.3 林分空间分布格局分析

对于每个空间结构单元而言，取4株最近相邻木时，最优标准角为72［16］。太湖流域混交林分类型的角尺度如图2所示，经计算所得，栎树针阔混交林和冬青针阔混交林的角尺度分别为0.495和0.438，均属于均匀分布。据研究，一个发育成熟的顶级森林群落，其优势树种的总体分布呈随机分布［19］，而冬青针阔混交林比栎树针阔混交林更接近于随机分布。2种群落中，均出现了绝对均匀、均匀、随机和不均匀，只有栎树混交林内出现了绝对不均匀的单元，占4.1%。栎树混交林和冬青混交林的群落中都是随机分布的单元所占比例最大，分别为59.2%和41.6%，均匀分布次之，分别占20.4%和31.5%。在栎树混交林中均匀分布与随机分布的单元已达到近80%的比例，并且随机分布的单元所占比例远高于其余4种单元分布。

图2 不同林分角尺度比较

3.4 林木大小分化程度与生长空间分析

大小比数（Ui）用以反映参照树与相邻木的大小关系的量化指标，考虑到测定树高和冠幅的精确性较低，本文采用胸径大小比数。2种不同林分类型的大小比数如图3所示，而大小比数是比较参照木与相邻木的大小关系，但相邻木对参照木的干扰也会因距离的不同而发生变化，故将开敞度代入考虑，见表4，两种指标能进行相互补充。通过计算，栎树混交林和冬青混交林2种林分的大小比数分别为0.518和0.492。从图上可以看出，2种林分的大小比数分布频度均很均匀，表明2种林分的林木分化差异不大。栎树混交林分下，处于亚优势（Ui＝0.25）、中庸（Ui＝0.5）、劣势（Ui＝0.75）或极劣势（Ui＝1）条件下的林木所占比例差异不大，而处于优势（Ui＝0）条件下的林木相对较少，仅占15.3%。在冬青混交林分中，处于优势、亚优势、劣势或极劣势条件下的林木所占比例相差不大，在17%～19%之间，中庸条件下的林木最高，所占比例为28.1%，明显高于其他条件下的林木。相对于冬青混交林，栎树混交林的分布更为均匀。

图3 不同林分大小数比较

表4 不同林分开敞度统计

为了弥补大小比数的不足，而引入2种不同类型林分的平均开敞度，用来描述参照树个体生长空间大小。栎树混交林平均开敞度为0.169，冬青混交林平均开敞度为0.204。2种类型林分分别属于生长空间充裕度严重不足，和生长空间严重不足与基本不足之间的临界状态。冬青混交林分下，生长空间充裕度均属于不足以下程度，严重不足或不足程度约各占一半。栎树混交林分中，生长空间充裕度严重不足的林木比例最大，占76.5%，同时也有极少的林木生长空间属基本充足状态，仅占3.1%。说明了2种不同类型林分下的林木生长空间严重不足。

3.5 2种混交林下的枯落物持水特性

从表5可看出，该地区复杂林分枯落物储量分别为：冬青湿地松混交林28.15t／hm2、栎树湿地松混交林22.94t／hm2。结合对林分蓄积量的分析可看出林分的枯落物储量与林分的蓄积量并不相对应，因为枯落物的储量与林分结构、林分发育、凋落物的分解状况等有关。

表5 不同林分的枯落物厚度和现存量

从表6可看出，最大持水量从总体上来看为半分解层大于未分解层，2种林分最大持水量相差不大，而栎树湿地松混交林的最大持水率显著大于冬青湿地松混交林分，可能是由于叶面积的差异以及枯落物自然含水率的差异，栎树林下枯落物的自然含水率显著高于冬青湿地松混交林。

从枯落物储量与有效拦蓄量来看，储量越大对应有效拦蓄量也越大。而冬青湿地松混交林分的总有效拦截率是大于栎树湿地松混交林的。这说明枯落物的持水能力不仅与其储量有关，还与其分解速率有关［9］；同时也说明了枯落物的持水能力与林分结构尤其是树种组成有密切关系，因为树种组成的不同会影响到枯落物的数量、组成、质地和持水特性［8］。

4 结论

从以上结果可以看出，水源涵养林的树种组成及林分空间结构对枯落物层的持水特性有一定影响，空间结构较优的林分，其枯落物层理水功能较强。

本研究中的2种林分，均属于林龄30年以上，是经封山育林形成的针阔混交林，但由于其阔叶优势树种的不同，导致2种针阔混交林在林分空间结构及枯落物理水功能上差异较大。树种组成上，以冬青为阔叶优势种的混交林，乔木层中分布有9个树种，而以栎树为阔叶优势树的混交林的乔木层有8个树种，冬青混交林树种包含8个科属，麻栎混交林包含5个科属，冬青混交林的物种丰富度明显较高。从空间各参数来看，2种林分平均混交度、角尺度、林木胸径大小比数以及林分平均开敞度的比较均表明，冬青湿地松混交林林分空间结构优于栎树湿地松混交林。2种林分下的枯落物特性表明，枯落物层的蓄积量以及分解程度主要影响了枯落物层的持水能力。

2种林分结构上的差异导致了林分枯落物层差异：不同的植被特性以及树种组成造成了枯落物层组成类型及性质的差异；林分混交度是对树种多样性的表达［16］，影响枯落物层多样性组成比例的差异；角尺度分布特征反映了林分的整体分布情况，表明枯落物层积累量的分布；林木大小比数量化了林木个体的生长状况，开敞度体现了林木个体可生长空间的大小，这两者的结合可表现整个林分总体的生长情况，而林分的生长情况影响了枯落物层的分解程度。比较2种林分下枯落物持水的特性可知，枯落物层不同种类组成影响着枯落物层的自然含水率；枯落物层蓄积量影响枯落物有效拦蓄量；枯落物层分解阶段的快慢也影响其持水特性。结合林分空间结构4个因子而言，冬青湿地松混交林空间结构总体优于栎树湿地松混交林，林分结构更为合理，植被多样性更高，枯落物层蓄积量更大，枯落物层的有效拦蓄量和有效拦蓄率也更高，更合理稳定的水源涵养林结构，具有更好的水源涵养功能。

一般来说，林分空间结构越优，林分的功能越强，林分稳定性越大［20］，即树种混交程度高，角尺度分布均匀，林木大小比数频率分布呈现均匀分布，开敞度大，林木成长空间充足，林分抗干扰能力或受扰动后恢复能力强，植被物种多样性越大，其截留降雨的能力也越大［11］。由于考虑到造林成活率，太湖流域人工林初期均会产生林分密度过大的现象，从而导致林分林木生长状况不好，生长空间不足，竞争压力过大。建议对林分密度过大的林分采取适当的单株间伐等措施，调整林木生长空间，保证林木的正常发育，提高群落生物多样性，从而使整个林分空间结构趋于合理，充分发挥水源涵养林的理水功能。

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