不同经营方式对人工林水分利用的影响

张 浩，刘文飞，樊后保，李 凤，吴建平，段洪浪(南昌工程学院，江西 南昌 330099)

不同经营方式对人工林水分利用的影响

张 浩，刘文飞，樊后保，李 凤，吴建平，段洪浪

(南昌工程学院，江西 南昌 330099)

人工林；经营模式；水分利用

人工林在我国森林面积中占很大比例，由于其生长速度快，因此耗水量是人们关注的焦点问题，尤其是在当前水资源匮乏的情况下，如何科学地经营人工林，更加高效地利用有限的水资源，已经成为人工林经营管理的一个非常重要的研究方向。目前，对如何提高人工林的水分利用效率尚无统一的认识，特别是在不同尺度上影响人工林水分利用的生理生态机制的研究还鲜有报道。为此，通过总结国内外人工林水分利用研究现状，介绍了整地、间伐、施肥、混交和林下植被管理等经营方式对人工林水分利用的影响，分析了人工林经营与水分利用的关系及未来的研究趋势，以期为科学协调林水关系提供理论依据。

《2010年全球森林评估报告》指出，人工培育的森林面积达到2.64亿hm2，占全球森林总面积的7%。据第八次全国森林资源清查结果，我国森林面积2.08亿hm2，人工林面积0.69亿hm2，人工林面积居世界首位[1]。

人工林的大规模种植，对区域水资源的影响存在较大的争议。王礼先[2]认为，森林植被恢复与水资源之间的关系是辩证的，一方面森林资源对水资源的开发利用有着积极的影响，如具有水源涵养、削洪补枯、控制土壤侵蚀等作用；另一方面，森林植被的生长也会消耗大量的水资源，特别是在干旱及半干旱地区随着森林植被覆盖率的增加，流域产水量的减少更为明显。王志强和曹扬等[3-4]的研究表明，人工林可以将深层土壤水分利用到极限，从而形成“干层”，导致深层土壤完全失去对植物生长所需水分的调节功能，这种“干层”的形成意味着根系已经很难从土壤中吸取水分，从而对植物生长产生不利影响。由此可见，森林资源的发展与水资源的供需存在矛盾。因此，在人工林经营过程中采取相应的措施来提高林木水分利用效率，是缓解林水矛盾的重要手段之一[5]。笔者根据当前人工林普遍采用的经营方式(整地、间伐、施肥、混交等)，分析不同经营方式对人工林水分利用的影响。

1 整地对人工林土壤水分的影响

整地对林地土壤水分有着很大的影响，不同整地或耕作方式通过影响耕层土壤物理性质和水力学特性，引起土壤水分运动及分布的改变，从而对植物的水分利用效率产生影响[6]。李艳梅等[7]对云南干热河谷森林在不同整地方式下土壤水分的响应动态进行了分析，结果表明水平台地和水平沟整地措施对林下土壤水分环境的改善都起到了显著的作用，并且坡度越缓，改善土壤水分环境的效果越好。对桉树人工林的研究表明，全垦、带垦和穴垦3种整地方式对土壤水分的影响也有差异，比如穴垦的方式可以明显提高土壤的体积含水率，其效果显著大于全垦和带垦[8]。对马尾松林开展的不同整地方式对土壤水分影响的研究也发现，整地后可以提高土壤的通气状况，使更多的雨水下渗，从而提高土壤的保水能力[9]。以上研究说明，合理的整地方式可以改善土壤的水分条件，对提高植物的水分利用效率有积极的作用。因为地形改造后，可以延缓径流在土壤中的消退时间，使水分在土壤内部的蓄留时间更长，这样更有利于植物根系的吸收[10]。另外，有研究显示，在具体的整地过程中，采用形式多样的下垫面改造(减小地形坡度、对地表灌草进行修复)和整地措施，塑造形态各异的微地形和集水区，可以有效地降低土壤内水分、养分和有机物的流失[11]。

2 间伐对人工林水分利用的影响

抚育间伐在森林经营管理中起着十分重要的作用，合理的抚育间伐对改善森林冠层的营养空间和地下水分供应条件具有促进作用[12]。林地土壤是水分储蓄的主要场所，土壤水分储蓄量和储蓄方式受其物理性质影响很大[13]。比如，景芸等[14]总结了采伐前后的土壤水分物理性质变化，发现随着采伐强度(25%、40%、60%、100%)的提高，土壤水稳性团聚体含量有所下降，毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度也都随着采伐强度提升而减小，导致土壤蓄水和持水能力减弱，更容易造成水分的流失。对祁连山青海云杉人工林间伐措施下土壤水分的研究表明，间伐导致了人工林林地表层(10 cm)土壤水分下降[15]。其主要原因是间伐降低了林冠郁闭度，改善了森林地面光照条件，土壤水分的蒸发也增加[16]。但也有研究发现间伐后林地土壤水分含量出现升高的现象。姜有为等[17]研究发现，梭梭林经过间伐后各土层土壤含水量的下降量减小，且间伐强度越大这种趋势越明显。马履一等[18]在研究北京山区侧柏人工林土壤水分特性中发现，抚育间伐能增加林地持水性和供水性，且效果随抚育强度增加而有所增加。贾忠奎等[19]也得出相同的结论，指出土壤水分涵养量随着间伐强度的增强显著提高。综合以上观点，森林被抚育间伐之后，必将引起森林土壤性状的改变，以及水、热和其他物质的再分配，从而使土壤性质产生相应的变化。但是植被的水分利用效率对抚育间伐方式、间伐强度、间伐时间、林分类型和土壤母质的响应也会有所差异[20]。

在干旱和半干旱地区，植被蒸腾耗水是主要的水分支出项，而且随林冠郁闭度的增大而增大[21-22]。由此可见在水分受到限制的区域，间伐措施对于树木水分利用的影响很大。通过间伐，树木可以利用充足的光照、水分和养分资源，水分利用效率也得到一定程度的提升。例如，在澳大利亚，对8年生桉树林间伐后发现，间伐显著提高了资源(光、养分等)的可利用性，增大了叶片的光合速率，从而提升了水分利用效率[23]。在中国安徽的研究也得出了类似的结果，对不同间伐处理(7.67%、28.70%、39.39%)火炬松光合生理生态的研究表明，净光合速率随着间伐强度的增加而提高，差异显著，不同间伐强度的林分蒸腾速率也有显著差异[24]。BRÉDA et al.[12]在研究中发现，间伐的橡树林黎明前叶片水势高于未间伐的，并且间伐减少了树冠截流和林分的蒸腾速率，从而改善了森林水分利用效率。以上研究说明，间伐在一定程度上可以改善林分的水分利用情况，但以何种间伐强度才能实现水分利用和林木生产力相互促进则需要进一步的研究。

3 施氮肥对人工林水分利用的影响

近年来，施肥成为短轮伐期人工林管理的一项基本措施，因为通过施肥能够显著提高人工林生产力。目前，氮素对植物水分利用效率影响的研究有不同的结论。如在美国研究发现，氮的输入提高了欧洲冷杉和榉木的水分利用效率[25-26]。LEONARDI et al.[27]研究表明，氮输入量和水分利用效率能作为环境变化的预测因子，且氮输入量与水分利用效率之间存在显著正相关。在广东鼎湖山的研究则发现，当森林生态系统对氮的需求达到饱和后，林分水分利用效率和氮输入之间是一种非线性关系[28]。ABER et al.[29]的研究表明，氮输入可能导致生态系统朝水分可利用性限制的方向发展，使生态系统碳固定能力下降。另外，从氮沉降对植物光合作用的影响的研究来看，氮沉降对叶片净光合速率表现为增加或抑制作用[30-31]，净光合速率的改变势必会对林木生产力和水分利用效率产生影响[32]。但YAO et al.[33]的研究得出了不同的结论，他们利用稳定同位素技术，评估了氮输入对C3植物(冰草和羊草)和C4植物(反枝苋和狗尾草)水分利用效率的影响，结果显示长期的水分利用并不因氮的输入而改变。由于目前将稳定同位素技术应用于人工林水分利用影响的研究还很少，因此在未来的研究中是否会得到相似的结论还有待进一步的验证。从现有的研究成果来看，对施加氮肥与水分利用效率之间的相互关系的研究还是相对缺乏的，而且对水分利用效率对氮素增加的响应的认识也存在一定的争议，需要更多的试验来验证。

4 林下植被管理对人工林水分利用的影响

林下植被是森林树木下灌木、草本和藤本植物的统称，是森林生态系统的重要组成部分，在维护生物多样性与稳定性方面起着重要作用[34]。许多研究认为，在生产实践中去除林下植被是人工林经营的一项重要措施[35-36]。通过去除林下植被可以减少灌木、草本植物等与乔木竞争水分、养分，同时将灌草残体置于林下可以通过微生物分解过程将养分归还到土壤中，有效协调林内的养分平衡，从而促进人工林生长，达到增产的目的[35]。但也有观点认为，在半干旱地区，林下植被中的草本层与上层乔木的物候发展是同步的，它们从不同深度的土壤中吸取水分，因而不存在水分、养分的竞争关系[37]。

TAKAHASHI et al.[38]对日本北部林下矮竹对土壤水分和上层乔木生长的影响的研究显示，林下植物的蒸腾量约为森林总蒸腾量的20%～30%，林下植被去除可以减少水分不必要的消耗，从而增加土壤水分。但林开敏等[39]研究了杉木林下植被与土壤水分的关系，结果表明林下植被对土壤水分有一定的改善作用，土壤水分有随着覆盖物的增加而增加的趋势，林下植被的去除对土壤水分和植物水分利用会产生负面的影响。因为林地地面水分蒸发量与地表温度、土壤质地和结构及林地是否裸露有关，林地枯枝落叶层遭破坏后，土壤水分蒸发量一般要增加，而且林下植被去除降低了林下郁闭度，会有更多的阳光直射地面，使得土壤温度升高，导致土壤水分蒸发增加[40-41]。

综上所述，林下植被对人工林水分利用的影响也有促进和竞争两个方面的效应。具体表现为：在新造幼林中，林下植被可能对某些目的树种生长所需的水分和生长空间有竞争作用；但在成熟的人工林中，林下植被的存在间接减少了水分的流失，从而使更多的水分被人工林木的生长所利用。所以，林下植被对于林分水分利用的影响是一种比较复杂的过程，植被去除在短期可能会促进林分对水分的利用，但在更长的时间尺度上的效应还不确定。

5 人工林改造对人工林水分利用的影响

当前人工纯林面积较大，面临的生态问题较为突出，而将现有的人工纯林改造成混交林是解决当前问题的主要措施之一。混交林较之纯林，林内光照减弱，气温、地温略低而变幅小，风速降低，蒸发量减少，空气湿度增加，有利于改善林内小气候[42]。比如秦娟等[43]通过研究子午岭白桦和辽东栎混交林发现，其混交林水分利用效率大于白桦纯林和辽东栎纯林。郑郁善等[44]在研究毛竹与杉木混交林土壤性质时发现，其土壤的水分和渗透能力都比杉木纯林好，且随着杉木密度的增加土壤水分的变化呈正态分布的趋势。陈永亮等[45]的研究也发现红松与水曲柳形成混交林后，土壤的疏松程度、通气性、透水性等都得到了明显改善，混交林土壤有效水含量的增加，势必会对林分的生长起到有益的作用。所以，营建混交林可以有效提高植被的水分利用效率。在现有的人工林中适当套种或者补植具有互利共生的伴生植被，不仅可以改善林分结构，还可以提升目标树种的生态效益。

6 问题与展望

基于以上论述，提出以下需要进一步探讨的方向：①在气候变化背景下如何提高人工林水分利用效率是应对全球气候变化的重点研究内容。②当前对于陆地生态系统的研究大多是将人工林的生产力和水循环分开研究，二者的耦合关系及其耦合机制值得深入探讨。③现有研究中常常把土壤蒸发与植物蒸腾分开单独进行研究，应该考虑到两者的联系，以及不同经营管理模式对不同蒸发散组分的影响。④人工林的经营管理活动强度大，在森林结构通常被改变的前提下应该注重把蒸散量充分地与森林植被的生态系统结构特征联系起来，尽量准确地反映出真实的林分蒸散耗水和需水特征。⑤稳定同位素技术在研究植被水分利用中前景广阔，在未来的研究中可以通过同位素示踪技术揭示人工林的耗水机制。

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(责任编辑 徐素霞)

国家自然科学基金资助项目(31360175，31570444)；江西省教育厅科技项目(GJJ151097)；江西省研究生创新专项基金项目(YC2016-S435)

S753.5;S152.7

C

1000-0941(2017)01-0064-04

张浩(1989—)，男，江苏睢宁县人，硕士研究生，从事生态修复研究；通信作者刘文飞(1979—)，男，江西赣州市人，副教授，博士，从事生态系统生态学研究。

2016-03-20