八大公山国家级自然保护区林地水源涵养功能研究

王忠诚 ，华 华 ，王淮永 ，张 展

（1. 中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004；2. 株洲市林业科学研究所，湖南 株洲 412002）

八大公山国家级自然保护区林地水源涵养功能研究

王忠诚1，华 华2，王淮永1，张 展2

（1. 中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004；2. 株洲市林业科学研究所，湖南 株洲 412002）

为了研究林地水源涵养功能，选择湘西北的八大公山自然保护区为研究区域，采用野外观察与室内实验相结合的方法，分别对该区域具有代表性的阔叶林地，从灌草、枯落物、土壤3个层次水源涵养功能进行了定量分析。结果表明：（1）林地灌草持水量与其生物量呈正相关关系，与林地郁闭度呈负相关关系；（2）林地枯落物持水量与枯落物生物量呈显著正相关关系；（3）林地土壤容重随土层加深而增大，且表层变化幅度较大，随时间推移，容重呈减小趋势；林地土壤非毛管孔隙度随土壤深度变化与土壤容重基本相反，且各层明显高于撂荒地。以上研究结果表明，森林对土壤具有强大的保护及改良作用，此研究结论对于森林在改良土壤、美化环境等方面，尤其是在提升土壤涵养水源功能方面具有建设性意义。

林地；水源涵养；持水量；八大公山自然保护区

森林的水源涵养功能是森林生态系统生态功能的重要组成部分，主要体现在森林乔木层、灌草层、枯落物层和土壤层对降水再分配过程中。鉴于实际状况，从林地灌草、枯落物、土壤3个层次对八大公山自然保护区典型阔叶混交林林地持水性能进行研究，综合分析森林生态系统的水文过程及其效应，以期为该地区水源涵养林科学经营提供基础数据和实践指导。人们对森林生态系统水源涵养功能的研究，多集中于不同森林类型土壤水源涵养功能的研究，而对林冠层、枯落物层、灌草层水源涵养功能的研究相对较少。因此，本研究试验地选在江河源头区域八大公山自然保护区内，对该区域内水源涵养林水源涵养功能进行研究，并监测其涵水功能动态过程，旨在定量分析该区域森林水源涵养功能大小，明确森林水源涵养效益变化趋势，以期为该区域水源涵养林可持续发展提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验时间、地点

研究试验地设置在张家界市八大公山自然保护区内，田间试验时间为2007～2010年，室内试验按基本采样时间同步进行。

湖南省八大公山国家级自然保护区地处澧水源头区域，地理坐标为东经 109°41′～ 110°15′，北纬 29°34′～ 29°47′，保护区总面积 2×104hm2。保护区位于云贵高原古陆块的东北边缘武陵山脉腹地，地形复杂，地貌多样，海拔359～1 890.4 m，孕育和保存了亚热带最完整、面积最大的原生性常绿阔叶林区。该区属于亚热带山地湿润季风气候，年平均气温11.5℃，年均降水量2 105.4 mm，雨日176 d，是湖南三大暴雨中心之一，相对湿度在90%以上，基岩主要为石灰岩、板岩和页岩，土壤类型主要是山地黄棕壤、石灰土和山地沼泽土，其中山地黄棕壤是自然保护区分布面积最广泛的土壤类型[1]。

保护区林业用地19 001 hm2，其中有林地11 399.6 hm2。植被垂直分布明显，从山脚到山顶一次呈现出常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、落叶阔叶林、山地灌丛4个植被带谱[1]。

1.2 试验方法

1.2.1 样地选择与设置

根据保护区内森林资源状况，采用线路调查和典型调查相结合的方法，选择3块阔叶树种组合类型不同的典型阔叶林地进行试验，并取1块撂荒地（2010年）作对照，分别建立面积为667 m2的样地，连续4年对林地进行监测。对林木进行每木检尺，测定树高、胸径等因子，并记录坡度、坡向、坡位、郁闭度、林分密度、土壤类型等指标。各样地基本情况，见表1。

表1 各标准样地基本情况Table 1 Basic statistics of standard plots

1.2.2 林下灌草层植被持水特征的测定

在每个标准样地内沿对角线方向分别设置5个2 m×2 m的小样方，采用“全体收获法”收集样方内全部灌草，称其鲜重，并取样带回实验室烘干(95℃，24 h)后再称重，以干物质重来推算1 hm2林地范围内的灌草贮量。将所采部分样品称重后装入称重后的湿布袋，再将其完全浸没于盛有清水的容器中，浸泡3 h后静置，直至灌草不滴水为止，称量测定最大持水率，与单位面积灌草鲜重相乘得到最大持水量，并推算1 hm2林地内灌草的最大持水量。

1.2.3 林地枯落物生物量、持水量和持水过程的测定

在每个标准样地内设置小样方收集灌草的同时，设置5个1 m×1 m的小样方，测量并记录枯落物层的厚度、未分解层厚度、半分解层厚度，将枯落物按层分别取样收集，带回实验室内称重，取部分样品烘干(95℃, 24 h)后再称重，推算单位面积生物量。枯落物持水性能的测定采用室内浸泡法，将枯落物样品分别装入网袋，在清水中浸泡24 h后称重，计算其最大持水率及最大持水量[2]。根据最大持水率及枯落物现存量来算有效持水量[3]。

1.2.4 林地土壤持水性能的测定

在每块标准样地内随机布设3个点，挖掘土壤剖面，运用机械分层取土法，用环刀（容积为200 cm3）按照0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm分层取样，每个组合重复3次。用烘干法测定土壤持水性能，用环刀法测定土壤容重、孔隙度等土壤物理指标[4]。

1.2.5 统计分析

采用Excel和SPSS 19.0软件对数据进行处理及统计分析。

2 结果与分析

2.1 林下灌草层植被持水特征分析

由表2可知，林地灌草生物量依次为：“小花木荷×利川润楠×红楠”混交林＞“刺楸×黄连木×栓皮栎”混交林＞“木荷×利川润楠×响叶杨”混交林，且阔叶混交林灌草生物量均低于撂荒地。主要是由于受到林冠郁闭度的影响，林冠郁闭度越高，林下灌木草本层相对稀少[5]。林地最大持水量范围为：2.26～4.94 t/hm2，平均3.28 t/hm2。对灌草层生物量与最大持水量进行相关性分析，得到相关系数R=0.942(P＜0.05)，说明灌草最大持水量与其生物量成显著正相关关系。

最大持水率反映了灌草的持水能力，撂荒地最大持水率略高于林地，主要在于撂荒地光热条件较好，有利于灌草的成长，灌草多样性也较丰富。阔叶林地灌草持水率也存在一定差异，主要由灌草种类、高度、盖度等因子差异引起。

表2 林地灌草层持水性能Table 2 Water-holding capacity of woodland shrub-grass layer

2.2 枯落物持水特征分析

研究枯落物持水特征，必须先收集枯落物的生物量（现存量），其生物量情况见表3。

通过对样地枯落物生物量的测定，林地枯落物每年平均生物量在7.21～13.82 t/hm2，是撂荒地的1.97～3.78倍，说明乔木层是林地枯落物的主要来源。从林地来看，枯落物贮量有所差异，“木荷×利川润楠×杉木”混交林＞“刺楸×黄连木×栓皮栎”混交林＞“小花木荷×利川润楠×红楠”混交林，与林冠郁闭度一致。枯落物蓄积量主要取决于其输入量、分解速度、树种组成及林分所处水热条件[6]。除了“小花木荷×利川润楠×红楠”混交林，枯落物半分解层生物量均高于未分解层，说明枯落物所处环境有利于其分解；“木荷×利川润楠×杉木”混交林的树种有26种，其多样性丰富，枯落物生物量相比之下也明显提高。

表3 林地枯落物生物量Table 3 Litters biomass in forestland t/hm2

枯落物最大持水量与其现存量呈极显著的正相关关系[5]。由表4可知，阔叶混交林枯落物最大持水量16.93～31.80 t/hm2，是撂荒地的3.3～5.9倍，林地枯落物水源涵养功能明显；通过相关性分析，林地枯落物半分解层最大持水量与生物量的相关系数为R1=0.993(P＜0.05)；林地枯落物未分解层最大持水量与生物量的相关系数为R2=0.888(P＜0.05)。说明八大公山自然保护区阔叶混交林地的枯落物，无论是半分解层还是未分解层，其最大持水量与其生物量（现存量）都呈显著正相关关系。

表4 林地枯落物持水性能Table 4 Litters water-holding capacity of forestland

最大持水率反映了枯落物持水能力的大小，由表4可知，阔叶混交林枯落物最大持水率在189.96%～268.01%。其中，“木荷×利川润楠×杉木”混交林Ⅰ(234.19%)＞“小花木荷×利川润楠×红楠”混交林Ⅲ(232.78%)＞“刺楸×黄连木×栓皮栎”混交林Ⅱ(219.49%)，这种差异主要由树种类型、枯落物分解速率等因素引起。枯落物持水率是其自身干重的1.90～2.68倍，其平均值为228.82%，明显高于撂荒地。与湖南省常绿阔叶林枯落物最大持水量(210%)[7]相比，该地区枯落物持水性能更强，且未分解层持水率大于半分解层，这与高人等[8]的研究结果一致。

最大持水量并不能代表枯落物对降雨的截留量，有效拦蓄量才是反映枯落物对一次降水拦蓄的真实指标，其与枯落物数量、水分状况、降雨特性等有关[9]。由表4可知，有效持水量表现为：“木荷×利川润楠×杉木”混交林(Ⅰ)＞“刺楸×黄连木×栓皮栎”混交林(Ⅱ)＞“小花木荷×利川润楠×红楠”混交林(Ⅲ)＞撂荒地Ⅳ，与其枯落物生物量一致。林地平均有效持水量变化范围为：1.40～2.75 mm，是撂荒地的2.92～5.73倍。

2.3 土壤持水特征分析

2.3.1 土壤容重分析

土壤容重是土壤松紧程度的一个敏感性指标，反映了土壤的孔隙状况、透水性、通气性、持水能力、入渗速率、溶质迁移特征、根系生长的阻力状况和土壤的抗侵蚀能力等[10]。阔叶混交林地土壤容重情况，见表5。

表5 林地土壤的密度Table 5 Soil bulk density of forestland

由表5可知，土壤容重的变化特点为：随土壤深度增加，土壤容重增大，且深层增加幅度小于表层，主要在于土壤受植被影响较大，因为森林土壤受到森林凋落物、树根以及植被下特殊生物群的影响，有机质和腐殖质主要集中在土壤表层，随着土层的加深，其含量逐渐减少，因此，随着土层度的增加土壤容重逐渐增加[11]；土壤同一层次上，林地土壤容重小于撂荒地，林地对改善土壤环境起重要建设性作用。林地4年土壤容重值的平均变化范围为1.19～1.35 g/cm3。容重平均值：“木荷×利川润楠×杉木”混交林1.25 g/cm3、“刺楸×黄连木×栓皮栎”混交林1.27 g/cm3、“小花木荷×利川润楠×红楠”混交林1.29g/cm3。阔叶混交林平均土壤容重(1.27 g/cm3)比2009年湖南省二类资源清查中张家界市森林土壤平均值(1.36 g/cm3)低，同样也低于武陵山区润楠次生林地土壤密度(1.51 g/cm3)[12]。

由表5可知，土壤容重随时间呈减小的趋势。现就林地土壤容重平均值随时间变化进行分析，见图1。由图1可知，阔叶混交林地土壤容重随时间呈下降趋势，说明阔叶林对于改良土壤环境起着重要作用。森林植被的枯枝落叶、根等在改良土壤结构，尤其是提高土壤通气性方面有着明显的作用。在林地中，“刺楸×黄连木×栓皮栎”混交林土壤容重在2009年有上升的趋势，原因在于该林地是非公益林，受到人类活动影响较大。

图1 林地土壤容重随时间变化Fig.1 Changes of soil bulk density with time

2.3.2 林地土壤孔隙状况分析

土壤孔隙是土壤养分、水分和空气以及微生物、植物根系等的通道或贮存库[13]，土壤孔隙组成直接影响土壤通气透水性和根系穿插的难易程度[14]。土壤孔隙状况一般用总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度来表现。通过试验，八大公山自然保护区阔叶混交林土壤孔隙状况，见表6。

2.3.3 林地土壤持水能力分析

土壤最大蓄水量是毛管水和非毛管水均达到饱和时土壤的蓄水量。毛管孔隙中的水分可以长时间保持在土壤中，非毛管孔隙能较快吸收降水并及时下渗, 有利于水源涵养[15]。林地土壤持水情况，见表7。

表6 林地土壤孔隙度Table 6 Soil porosity of forestland

表7 林地土壤持水量Table 7 Moisture-holding capacity of forestland

由表7可知，土壤0～45 cm范围内，土壤最大蓄水量及有效蓄水量均随土壤深度增加而减小，与土壤容重变化相反；土壤最大蓄水量为：“木荷×利川润楠×杉木”混交林1 760.04～2 518.12 t/hm2、“刺楸×黄连木×栓皮栎”混交林1 756.87～2 069.82 t/hm2、“小花木荷×利川润楠×红楠”混交林2 125.23～2 517.67 t/hm2，从最大蓄水量看，“小花木荷×利川润楠×红楠”混交林蓄水能力较强。现就各林地土壤非毛管孔隙持水量，即土壤有效蓄水量进行比较，见图2。由图2可知，3种阔叶混交林有效蓄水量均高于撂荒地，即“木荷×利川润楠×杉木”混交林＞“小花木荷×利川润楠×红楠”混交林＞“刺楸×黄连木×栓皮栎”混交林＞撂荒地。

3 结 论

图2 土壤有效蓄水量随时间变化Fig.2 Changes of effective water storage capacity in forest soil with time

通过对八大公山自然保护区不同阔叶树种组合的典型阔叶混交林进行监测及试验分析，从林地灌草、枯落物、土壤3个层次研究了阔叶林地生态系统的水源涵养功能，并以撂荒地作对照。结论如下：

（1）林地灌草层持水率与其生物量呈正相关关系，与林地郁闭度呈负相关关系。林地灌草层持水率在61.19%～88.05%之间，最大持水量大小依次为：撂荒地＞“小花木荷×利川润楠×红楠”混交林＞“刺楸×黄连木×栓皮栎”混交林＞“木荷×利川润楠×杉木”混交林，与其生物量呈正相关关系，与林地郁闭度呈负相关关系。阔叶混交林中“小花木荷×利川润楠×红楠”混交林灌草层最大持水量相当于截持0.49 mm降水，而撂荒地灌草层截持0.56 mm降水，说明林下灌草层能够截留一定量的雨水，而且对于分散降雨强度和减缓降水对林地，尤其是撂荒地地表的直接冲击有重要的作用。

（2）枯落物层最大持水量与有效持水量与枯落物生物量呈显著正相关关系。枯落物层最大持水量与有效持水量大小均表现为：“木荷×利川润楠×杉木”混交林＞“刺楸×黄连木×栓皮栎”混交林＞“小花木荷×利川润楠×红楠”混交林＞撂荒地，与枯落物生物量呈显著正相关关系；林地枯落物最大持水率是其自身干重的1.90～2.68倍，其平均值为228.82%，明显高于撂荒地，表现为：“木荷×利川润楠×杉木”混交林＞“小花木荷×利川润楠×红楠”混交林＞“刺楸×黄连木×栓皮栎”混交林＞撂荒地，说明枯落物持水效果受到植被类型的影响较明显。“木荷×利川润楠×杉木”混交林土壤最大持水量相当于拦截3.18 mm大气降水，是撂荒地的5.9倍。林地土壤最大持水量中最小的“小花木荷×利川润楠×红楠”混交林，其持水量是撂荒地的3.3倍。

（3）森林对土壤容重、孔隙、持水性能等的影响非常明显。土壤容重在0～45 cm范围各层次中平均值为1.19～1.32 g/cm3，明显低于撂荒地，且随时间总体呈下降趋势，说明森林植被对改善土壤，尤其是表层土壤发热结构具有建设性意义。森林植被通过枯枝落叶、根系等来增加土壤孔隙数量，从而增强土壤持水性能。从土壤总孔隙度、非毛管孔隙度来看，所研究阔叶混交林中“小花木荷×利川润楠×红楠”混交林对土壤改良作用最为明显。土壤最大蓄水与有效蓄水并非一致。从最大蓄水量来看，“小花木荷×利川润楠×红楠”混交林蓄水能力较强；从有效蓄水来看，“木荷×利川润楠×杉木”混交林蓄水能力较强。

4 讨 论

（1）本研究从灌草、枯落物、土壤3个层次对八大公山自然保护区森林生态系统水源涵养功能进行分析，对江河源头区域水源涵养林的水文过程及特征研究具有一定的指导意义。结果显示，林地涵水功能明显高于撂荒地；林地3个层次涵水性能存在较大差异，表现出：土壤＞枯落物＞灌草，且土壤涵水量占94.69%。说明土壤层在森林对雨水调节能力中的特殊地位，土壤层的调节能力占90%以上[16]。因为林冠截留降水、枯落物拦截降水、灌草截持降水，最终大部分降水都将渗入土壤。

（2）林冠截留数据的欠缺，使森林生态系统水源涵养总量数据偏小。由于试验操作的局限性，未对林冠层截持降水进行分析，研究显示，森林生态系统林冠截留水占大气降水的10%～40%[17]。在条件允许的情况下，如果对林冠截留降水过程进行定量研究，则能更准确反映该地区森林涵养水源功能，也有利于全面分析森林植被的水文过程。

（3）关于森林生态系统水源涵养功能的研究，很多学者[18-23]采用了水量平衡法或通过降水量、蒸发量、径流量与水源涵养量间的关系来推算森林生态系统水源涵养效益。而本研究采用森林生态系统不同层次水源涵养量之和来体现生态系统水源涵养效益，主要考虑到研究区域所处江河源头这一特殊生态区位，而且就自然保护区这一范围层次，尤其具体到植被类型的水源涵养效益，此方法能比较清晰地反映出水源涵养功能大小及森林植被水文过程，如果在大尺度上来研究森林水源涵养效益，则水量平衡法显得更易于操作，且比较精准。

[1] 林业工业设计院.湖南八大公山国家级自然保护区生态旅游总体规划(文本)[Z].2009:9.

[2] 马书国,杨玉盛,谢锦升,等.亚热带6种老龄天然林及杉木人工林的枯落物持水性能[J].亚热带资源与环境学报,2010,5(2): 31-38.

[3] 姜海燕,赵雨森,陈祥伟,等.大兴安岭岭南几种主要森林类型土壤水文功能研究[J].水土保持学报,2010,5(2):149-153.

[4] 刘 明.凤凰山林场小流域试验场林地土壤涵养水源效益研究[J].林业资源管理,1998(6):51-54.

[5] 鲍 文,包维楷,何丙辉,等.森林生态系统对降水的分配与拦截效应[J].山地学报,2004,22(4):483-491.

[6] 廖 容,邓丽瑶,石 薇.川西低山区天然林转巨桉林后枯落物的持水特性[J].湖北农业科学,2012,51(13):2749-2751.

[7] 黄金玲,李晓明,王永安,等.湖南省主要森林植被类型涵养水源能力的研究[J].中南林业调查规划,1997,16(4):37-42.

[8] 高 人,周广柱.辽宁东部山区几种主要森林植被类型枯落物层持水性能研究[J].沈阳农业大学学报,2002,33(2):115-118.

[9] 陈 波,杨新兵,赵心苗,等.冀北山地6种天然纯林枯落物及土壤水文效应[J].山地学报,2012,26(2):196-202.

[10] 李 灵,张 玉,孔丽娜,等.武夷山风景区不同林地类型土壤水分物理性质及土壤水库特性[J].水土保持通报,2011,31(3): 60-65.

[11] 杨 弘,李 忠,裴铁璠,等.长白山北坡阔叶红松林和暗针叶林的土壤水分物理性质[J].应用生态学报,2007,18(2):272-276.

[12] 周 璟,张旭东,何 丹,等.湘西北小流域坡面尺度地表径流与侵蚀产沙特征及其影响因素[J].水土保持学报,2010,24(3): 18-22.

[13] 吴建平,袁正科,袁通志.湘西南沟谷森林土壤水文——物理特性与涵养水源功能研究[J].水土保持研究,2004,11(1):74-81.

[14] 王 燕,王 兵,赵广东,等.江西大岗山3种林型土壤水分物理性质研究[J].水土保持学报,2008,22(1):151-153.

[15] 孙艳红,张洪江,程金花,等.缙云山不同林地类型土壤特性及其水源涵养功能[J].水土保持学报,2006,20(2):106-109.

[16] 潘春翔,李裕元,彭亿,等.湖南乌云界自然保护区典型生态系统的土壤持水性能[J].生态学报,2012,32(2):538-547.

[17] 温远光,刘世荣.我国主要森林生态系统类型降水截留规律的数量分析[J].林业科学,1995,31(4):289-298.

[18] 刘晓清,张振文,沈炳岗,等.秦岭生态功能区森林水源涵养功能的经济价值估算[J].水土保持通报,2012,32(1):177-180.

[19] 欧阳志云,王效科,苗 鸿.中国陆地生态系统服务功能及其生态经济价值的初步研究[J].生态学报,1999,19(5):607-613.

[20] 程根伟,石培礼.长江上游森林涵养水源效益及其经济价值评估[J].中国水土保持科学,2004,2(2):17-20.

[21] 余新晓,秦永胜,陈丽华,等.北京山地森林生态系统服务功能及其价值初步研究[J].生态学报,2002,22(5):783-786.

[22] 王忠诚, 张 展, 吕 磊, 等. 鹰嘴界自然保护区不同植被类型土壤的水源涵养功能[J]. 中南林业科技大学学报, 2011,31(10): 21-25.

[23] 王卫军, 赵婵璞, 姜 鹏, 等. 塞罕坝华北落叶松人工林水源涵养功能研究[J]. 中南林业科技大学学报, 2013,33(2):66-68.

Research on forestland water conservation function of Badagong Mountain Nature Reserve

WANG Zhong-cheng1, HUA Hua2, WANG Huai-yong1, ZHANG Zhan2
(1. School of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2. Zhuzhou Research Institute of Forestry Science, Zhuzhou 412002, Hunan, China)

In order to study water conservation function of forest in northwest Hunan, Badagong Mountain Nature Reserve was chosen as a research area and the method of combining fi eld observations with laboratory experiments were adopted. The water conservation functions of a representative broad-leaved forest in the area on the three levels (shrub and grass level, litter level and soil level)respectively were quantitatively analyzed. The results show that (1) the forestland shrub grass layer’s water holding capacity was positively correlated with the biomass in the layer and negatively correlated with the forest canopy density in the level; (2) the forest litters layer’s water holding capacity litter biomass had a signif i cant positive correlation with litter biomass; (3) Soil bulk density increased with the increase of soil depth, and the surface layer changed greatly, the bulk density decreased with the time passing; with the soil thickness change, woodland soil non-capillary porosity was basically opposite to soil bulk density, and each layers were apparently higher than the abandoned land. The above results indicate that the forest played a powerful role in the protection and improvement of the soil, the conclusion of this research has a constructive meaning for improving forest soil quality, beautifying environment and other aspects, especially for improving soil water conservation functions.

forest land; water resources conservation; water-retaining capacity; Badagong Mountain Nature Reserve

S759.93

A

1673-923X(2014)02-0095-07

2013-03-27

2012年度湖南省高校创新平台开放基金项目“湖南省典型农业干旱区基本农田保护模式研究”(12K072)

王忠诚（1970-），男，湖南新宁人，副教授，硕士研究生导师，研究方向：森林生态与水土保持、农村与区域发展；

E-mail：wzc366@163.com

[本文编校：吴 彬]