华南3种典型生态恢复模式的生态水文效应

段文军，王金叶，李海防

（桂林理工大学 a. 旅游学院；b.生态规划与工程研究所，广西桂林541004）

华南3种典型生态恢复模式的生态水文效应

段文军a,b，王金叶a,b，李海防a,b

（桂林理工大学 a. 旅游学院；b.生态规划与工程研究所，广西桂林541004）

退化生态系统的恢复一直是广泛关注的热点问题，如何科学评价不同生态恢复模式的综合效益也是生态恢复研究的重点方向。对华南地区3种典型生态恢复模式，即自然恢复草坡、马尾松Pinus massoniana人工林、马占相思Acacia mangium人工林，进行了对比研究，以评价自然恢复与人工林恢复、针叶人工林与阔叶人工林、外来树种人工林与乡土树种人工林恢复模式的生态水文化效益。结果表明：人工林的保水、保湿效果好于自然恢复草坡；马尾松人工林的生态水文效益略好于马占相思人工林；马占相思人工林的土壤结构和保水潜力略好于马尾松人工林。在生态恢复过程中，利用人工林可加快生态恢复的速度，改善生境条件，恢复生态功能，从而为后续物种的定居和繁殖提供条件，但同时也必须通过各种措施，加快人工林向天然林的转变，提高生物多样性。

生态恢复模式；生态水文效应；自然恢复草坡；人工林；华南

水是森林生态系统能量流动和养分循环等生态功能过程的重要载体，水文功能(水源涵养、水土保持)是森林生态系统作用中人们最为关注的一个重要服务功能[1-3]。退化生态系统的不同恢复模式具有不同的生态水文效应，能影响退化生态系统土壤理化性质的改善和乡土植物的定居与繁殖，是衡量其生态恢复效果的重要指标[4-5]。长期以来，众多学者对人工林生态水文效益进行了不同角度的研究，主要集中在林冠截留效应[6]、人工林枯落物水文效应[7]、人工林土壤层水文效应[8]等方面。近年来，相关研究的热点趋向不同人工林水文效应的综合对比研究、人工林水分分配机理研究、以及借助相关模型对人工林模拟研究[9-11]。本文中选择华南地区生态恢复的3种典型模式，即自然恢复模式、针叶人工林恢复模式、阔叶人工林恢复模式，对其生态水文效应进行对照研究，以期评价生态恢复的综合效应，为华南退化生态系统恢复和人工林管理提供参照。

1 试验区概况

中国科学院鹤山丘陵综合开放实验站（文中简称鹤山站）位于广东省鹤山市中部，东经 112°54′，北纬 22°41′，是中国科学院华南植物园的野外定位站，也是中国生态系统研究网络（Chinese Ecosystem Researc Network， 简 称CERN）的重点台站之一。鹤山站是华南植物所和鹤山市于1984年共同创建，占地面积约230hm2，建站前为退化草坡地。实验区按集水区的形式划分为自然恢复草坡（对照，目前已发展到灌木占主要优势，也有少量乔木的阶段）、针叶人工林、针阔混交人工林、豆科混交人工林、乡土人工林、桉树人工林、马占相思人工林以及林果草鱼复合生态系统和林果苗复合生态系统试验区。试验区为低丘地势。试验区为亚热带季风气候，温暖多雨，年平均气温21.7 ℃，其中最高月平均温度29.2 ℃，最低月平均温度12.6 ℃，年辐射量为460kJ/cm2。试验区雨量充沛，全年降水量1 801 mm，但分布不均，主要集中在5～9月份的雨季。试验区地带性土壤为赤红壤，土壤有机质含量为5.6～16.4 g·kg-1，地带性植被为南亚热带季风常绿阔叶林[12]。样地概况见表1。

表1 研究样地基本概况Table 1Introduction of researched plots

2 材料与方法

2.1 试验样地

本试验选择中国科学院鹤山丘陵综合开放实验站的自然恢复草坡、针叶人工林、阔叶人工林3种典型生态恢复模式作为研究对象，分析自然恢复和人工林恢复、针叶人工林和阔叶人工林恢复模式的森林小气候调节效益。

2.2 小气候的观测

各恢复模式的穿透雨、土壤湿度、空气湿度以及其它小气候指标使用美国HOBO小气候仪进行自动观测，设定每15 min取样1次，30min数据采集器记录1次数据。记录项目包括太阳辐射、风速风向、气温、降水、土壤温度、土壤含水量。其中，测定太阳辐射、降水、风速风向等指标的传感器安装在2 m左右，低于草坡（约2.5 m）主要冠层。土壤温度传感器安装在地表（凋落物下）、10、20cm土壤层，土壤含水量传感器安装在10、20、30cm土壤层。观测数据运用excel2010和spss17.0进行整理和分析。

2.3 土壤物理性质的测定

在样地中随机选择5个点，用环刀在0～20cm土壤取样，每个点取样3次，分别测定土壤容重、土壤毛管持水量和饱和含水量。其中土壤容重采用环刀烘干法测定，土壤毛管持水量和饱和含水量用环刀浸水法测定[13]。

2.4 凋落物质量及含水量

在样地中随机选择5个1 m×1 m样方，下雨一周后，收集凋落物，分别测定凋落物层的厚度、鲜质量，并在烘箱中以105 ℃烘干至恒质量，称量并计算含水量。因凋落物层的厚度变化较大，每个样地随机测定10次，取厚度的平均值。

3 结果与分析

3.1 林冠降水截留

森林群落的穿透雨是指大气降雨被森林群落的冠层截留后能够到达地表的降水。一般来说森林的郁闭度越高，冠层截留的雨量越多，穿透雨越少。因树干茎流较少，一般占总降雨量的1%左右，本研究计算冠层截留时忽略不计[14-16]。

图1 3种生态恢复模式的穿透雨比较Fig. 1Through-fall of three restoration models in a year

从图1中可以看出，自然恢复草坡的穿透雨比马占相思林和针叶林要多，而且这种趋势在降水较为集中的5、6月份更为明显。从全年来看，人工阔叶林和人工针叶林分别比草坡多截留20.2%和33.5%的降水，针叶人工林比阔叶人工林多截留10%左右的降水。

华南地区属季风性气候，降水较为集中，且一般为阵雨，雨量大，历时短。如果地表缺少植被覆盖，很容易在短时间内形成较强的地表径流，从而造成较为严重的水土流失[5,17]。从降水的截留效益来看，人工林比草坡、针叶人工林比阔叶人工林有更好的冠层截留效果，减少了雨水对林下种子及树苗的冲刷，能增加生物多样性。

3.2 林间空气湿度

森林的空气相对湿度能影响植物的光合作用和呼吸作用，对林下植物幼苗的成活也十分关键，是森林的重要生态功能[14-16]。观测表明，草坡、针叶人工林、阔叶人工林全年空气平均相对湿度分别为66.52%、81.37%和72.09%，针叶人工林比自然草坡湿度增加22%，阔叶人工林比自然草坡增加8%，针叶林比阔叶林增加13%，针叶林的保湿效果最好。这说明，相对自然恢复草坡而言，人工林恢复模式能显著地提高相对湿度。

从全年来看，在降水较多的四月份，三者之间的差距较小，而在降水偏少的七月和十月，这种差距十分明显（见表2）。同时，从日较差和变异系数来看，草坡的湿度波动非常大，这可能与草坡冠层不完整，林内空气扰动更为频繁、剧烈有关。而针叶林的保湿效果好于阔叶人工林，这主要与用于恢复的阔叶树种有关。本研究选作的是外来固氮树种马占相思，这种树种在恢复的早期阶段生长快、抗逆性强，能较快地改善退化草坡的物理环境，改善土壤营养条件。但这种速生树种容易早衰，且树冠容易受台风的影响而折断。马占相思林样地中已有大约10%的立枯木，还有大量树木的树冠不完整，这在一定程度上减弱了森林的保温保湿效果。

表2 3种典型恢复模式的相对湿度Table 2Microclimate of three restoration modes

3.3 枯落物层水分状况

森林枯落物层能提高土壤的保温保湿效果，减少水土流失，并为林下种子留存、萌发和幼苗存活提供更为稳定的环境，对森林生态恢复和生物多样性的保护具有重要意义[5,18-19]。

表3 3种典型恢复模式的凋落物特征Table 3Litter characteristics of three restoration modes

从表3可知，相思林的凋落物层的厚度显著高于针叶林和自然恢复草坡（P＜0.001），针叶林凋落物的厚度显著大于自然恢复草坡（P＜0.05）。从凋落物的干质量来看，人工林单位面积的凋落物干质量显著大于自然恢复草坡（P＜0.001），而相思林和针叶林之间的差别未达到显著水平，相思林的平均值略高于针叶林。这说明人工林的生产量较草坡大，产生的凋落物多，这有利于增加土壤的有机质含量，并增强土壤的保温保湿效果，从而改善地表小生境条件。此外，人工林凋落物的自然含水量显著高于自然草坡（P＜0.001），针叶林显著高于相思林（P＜0.05）。自然草坡的凋落物量少、层薄，且冠层透光率较高，凋落物保水性能不佳。而就2种人工林而言，相思林的凋落物主要以叶片为主，较为蓬松，凋落物的量略大于针叶林，但冠层不完整，森林透光率高，凋落物较为干燥。针叶林的凋落物油脂含量多，且森林透光率低，其保水性能好于相思林。

3.4 土壤结构及水分状况

土壤是森林生态系统蓄积水分的重要场所，土壤水分的多少影响林下动植物及微生物的种类及数量，特别是对林下植物种子的萌发及幼苗建立有非常重要的影响[5,18-19]。

表4 3种典型恢复模式的土壤容重及含水量Table 4Soil bulk density and water retention of three restoration modes

表4为3种典型恢复模式的土壤容重及保水性能分析。从表4中可以看出，自然恢复草坡的容重显著大于2种人工林恢复模式（P＜0.001），针叶林显著大于相思林（P＜0.001），这说明土壤结构方面人工林恢复模式好于自然恢复模式，阔叶林好于针叶林。而人工林的饱和含水量、毛管含水量则显著大于自然恢复草坡（P＜0.001），相思林显著大于针叶林（P＜0.001），这说明人工林的保水性能好于自然恢复草坡，相思林相对好于针叶林。主要原因在于相思林凋落物较多，且容易分解，土壤有机质含量相对较高，土壤受侵蚀相对较少，土壤结构得到了较好的改善。自然恢复草坡因凋落物较少，土壤有机质补充少，且表土经常受地表径流冲刷，水土流失严重，结构相对较差，保水性能较弱。

从表5可以看出，从全年来看，2种人工林恢复模式3个土壤层次的土壤含水量均显著大于自然恢复草坡，针叶林略大于相思林。自然恢复草坡、相思林和针叶林三者年平均10cm土壤含水量分别为8.82%、14.18%和15.14%，20cm土壤含水量分别为8.66%、16.24%和16.82%，30cm土壤含水量分别为12.35%、19.29%和20.21%。在10cm和20cm土层中，2种人工林的土壤含水量约为草坡的2倍，在30cm土层约为1.5倍，说明人工林土壤含水量较草坡有了显著的增加。这主要是因为人工林在降雨时能延长径流时间，让土壤有充分的时间吸收水分，而且人工林林下辐射少，湿度大，风速小，水分蒸发慢。此外，人工林的土壤结构较草坡好，其保水能力较强。

表5 3种典型生态恢复模式的土壤含水量比较Table 5Soil water contents of three restoration modes

从全年变化来看，在降水较为丰富的季节，2种人工林各土层含水量差别不大，有些月份（如8月份）相思林的土壤含水量甚至还超过了针叶林。而在大部分月份，特别是降水较少的月份，针叶林的土壤含水量高于相思林，这主要与2种人工林的特点有关。针叶林的林下辐射少，风速低，而马占相思林的林下凋落物多，土壤有机质含量高，土壤结构较好，因而2种人工林的土壤保水能力基本相当，但水份蒸散方面针叶林略少于马占相思林。随着土壤深度的增加，土壤含水量的变化幅度逐步减少，说明深层土壤含水量受外界环境因素的干扰较表层少。从全年的变化来看，人工林土壤含水量的月变幅也明显少于草坡。

4 结论与讨论

退化生态系统的恢复问题一直是全球生态学研究的热点课题，寻求快速高效的生态恢复模式也是各国生态学者不懈努力的目标[4-5]。生态恢复一般可采取自然恢复和人工恢复2种模式。自然恢复适合退化程度低的地段，其恢复速度较慢，但可最大限度地恢复生态系统的原始状。而人工恢复可大大加快生态系统恢复的速度，但也存在生物多样性不高、生态系统结构简单的问题[4-5,20-22]。

本研究从生态水文的角度，对比分析了华南地区3种不同恢复模式，即自然恢复与人工林恢复、针叶人工林与阔叶人工林、外来树种人工林与乡土树种人工林恢复模式的生态效益。结果表明，种植人工林可以显著改善退化生态系统的小气候状况，改善林间和林下土壤的水分状态，避免水土流失，从而为后继物种的定居和繁殖提供更为有利的环境和条件。而就2种人工林而言，针叶林的总体水文效益要好于阔叶林，这与前人的一些研究有所差异[2,14-16,20-22]。主要原因在于相思林是一种外来速生树种，其存在严重的早衰现象，且易受台风影响，冠层折损较多，影响了冠层结构和森林生态系统功能。此外，从生态恢复的最终目标来看，采用人工林恢复模式还需考虑人工林向天然林转变的过程。因此，相思林的早衰也为后续乡土树种的定居提供了便利的条件，有利于向顶级群落演替，提高生物多样性。

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Hydrological effects of three typical ecological restoration models on degraded ecosystem in South China

DUAN Wen-juna,b, WANG Jin-yea,b, LI Hai-fanga,b
(a. School of Tourism; b. Institute of Ecological Planning and Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, Guangxi, China)

The restoration of degraded ecosystems is a hot issue and how to scientif i cally assess the comprehensive effects of different restoration models is also an important research direction. Three restoration models (natural restoration models, restoration model of Pinus massoniana plantation, restoration model of Acacia mangium plantation) were comparatively analyzed to assess the hydrological effects of natural restoration model and plantation restoration model, coniferous plantation and broad leaf plantation, exotic plantation and native plantation. The results show that the water and moisturize retention effects of plantation was better than the natural restoration model; the hydrological effects of P. massoniana plantation was better than A. mangium plantation; the soil structure and water holding capacity of A. mangium plantation was better than P. massoniana plantation. In the ecological restoration of degraded forest ecosystem,planting plantation can accelerate the restoration process, and meliorate the physical environment, recover the ecological function,and provide the favorable conditions for the settlement of tree spices. However, it is also very important to speed up the plantation’s transition to a natural forest, thus improving the biodiversity of forest.

ecological restoration modes; hydrological effect; natural restoration model; plantation restoration model; South China

S715.7

A

1673-923X(2014)05-0051-05

2013-12-10

国家自然科学基金“喀斯特石漠化地区典型人工林林下生物多样性形成机制研究”（31100406）；国家科技支撑计划项目“漓江流域生态旅游资源可持续利用技术模式及示范”（2012BAC16B04）；广西自然科学基金“岩溶地区桉树人工林植物多样性形成及调控机制研究”（2012GXNSFBA053066）

段文军（1977-），男, 湖南常宁人，副教授，博士，主要从事生态恢复和生态旅游研究；E-mail：duanwenjunagr@163.com

[本文编校：谢荣秀]