不同造林模式水源涵养功能研究

罗 佳 ，田育新，周小玲 ，曾掌权 ，牛艳东 ，陈 艺 ，何先进 ，姚 敏

（1.湖南省林业科学院 国家林业局湖南慈利森林生态系统定位观测研究站，湖南 长沙 410004；2.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；3.资兴市林业科学研究所，湖南 资兴 423400）

森林作为陆地面积最大的生态系统，由于其具有庞大的林冠层、深厚的枯落物层、发达的根系及疏松多孔的森林土壤起到水源涵养的作用，主要体现在对降水的截持再分配，调节径流河川，调整林内小气候，减小林内地表蒸发，改良土壤结构，减少地表侵蚀等[1-2]。以往针对森林水源涵养功能的大量研究主要有林冠截留与再分配、树干茎流、枯落物截留与持水能力、土壤特性与持水能力等[3-17]，这些多集中在针对某一特定层次指标或某一种林分类型水源涵养功能的研究。降雨受森林的影响而表现出来的水分分配和运动过程，包括降雨、降雨截持、干流、蒸散、地表径流等，构成了森林的水文过程。它是森林的4个作用层，即森林乔木层、灌草层、枯枝落叶层和土壤层对降水进行再分配的复杂过程。为恢复2008年雪灾受损森林资源，提高湖南森林生态系统对气候灾害的适应性和抗逆性，在世界银行贷款湖南森林恢复与发展项目支持下，以发挥森林生态效益为目标、以多功能森林经营为指导思想、以近自然经营技术为实现途径，考虑林分现状和适地适树原则，提出了多种森林经营模式[18]。本文整体系统的研究项目实施区造林模式森林涵养水源功能，并进行比较分析，旨在定量分析不同造林模式水源涵养功能大小，为其可持续发展提供数据支撑。

1 研究区概况

研究区平江县位于湖南省东北部，处汨水、罗水上游，汨罗江自东向西贯穿全境，东与江西省修水县、铜鼓县交界，北与湖北省通城县和湖南省岳阳县相连，南与浏阳市接壤，西与长沙县、汨罗市毗邻。平江县地貌以山地和丘陵为主。山地占总面积的28.5%，丘陵占55.9%，岗地占5.8%，平原占9.8%。地势东南部和东北部高，西南部低，相对高度达1 500 m。境内山丘分属连云山脉和幕阜山脉。连云山主峰海拔1 600.3 m，为境内最高峰。幕阜山主峰海拔1 593.6 m。平江县气候属大陆性季风气候区，东亚热带向北亚带过渡气候带。年平均气温16.8 ℃,常年积温6 185.3 ℃。年平均降水量1 450.8mm，雨雪160 d。雨季降水最占全年降水量的70%。年日照1 731 h，太阳辐射平均为每平方厘米108.5 kcal。境内河网密布，分属汨罗江和新墙河两大水系。

平江定位监测点位于平江县献冲苗圃加义镇献钟马脑岭，选取造林模式M1（针叶树种+一般阔叶树种混交林：杉木+枫香+樟树+桤木）、M2（针叶树种+珍贵阔叶树种混交林模式：杉木+银杏+香樟+檫木+鹅掌楸）、M3（珍贵树种培育模式：银杏+香樟+檫木+楠木+鹅掌楸）作为研究对象进行水源涵养监测，由于是新造林地，造林时间为2013年。各造林模式暂无明显的乔木层， 但是栽培树种与次生树种种类较多，灌草生物多样性丰富。其中M1栽培树种4种，灌木种类达15种，草本植物种类达20种，M2栽培树种4种，灌木种类达16种，草本植物种类达21种，M3栽培树种5种，灌草种类分别达到20种，灌草生物多样性丰富。CK1林分为M1、M2、M3的起点，属于荒山自然演替类型，主要由灌、草层组成。各试验地基本概况详见表1和表2。

2 材料与方法

研究区域森林经营类型均为造林模式，在目前阶段，由于栽培树种均处于灌层中，目前无法进行林分穿透雨测定。因此，水源涵养监测内容包括降雨过程即降雨量、降雨强度、降雨过程监测；水源涵养即（乔）灌草层（截）持水量、凋落物层持水量、土壤层持水量。监测时间为2014年8月—12月，根据监测期间降雨量和年降雨量，按降雨分配特征进行耦合，得各林分各层次年持水量。

表1 试验样地基本概况Table 1 Feathers of experimental plots

表2 试验样地土壤理化性质Table 2 Experimental plots of soil physical and chemical properties

2.1 样地设置

每个林分类型设置1个固定样地。固定样地规格为25 m（平行等高线）×40 m（垂直等高线）。利用全站仪对每个固定样地进行现场测量定界（线），对固定样地的四角进行标记，根据标记埋设固定水泥桩作为永久标记。在固定样地内，沿样方对角线设置5块灌草调查小样方，小样方规格为2 m×2 m。小样方采用罗盘仪进行标定，在小样方四角插入直径10mmPVC管作为永久标记。

2.2 降水观测

在固定样地外空旷平整的场地上设置规格为5 m×5 m的降雨观测场，7852型自记雨量仪布设在观测场的中央，自动连续测定各次降水量。

2.3 （乔）灌草层（截）持水量的测定

采用灌草持水仿真模拟测定装置（专利号ZL 2013 2 0778400.6）对灌草层截留量进行测定。（乔）灌草层（截）持水量的计算公式为：（1）当到达灌草层雨量小于灌草层最大截留量G0时，灌草层截留量计算公式为：G=C×P。式中：G为灌草层截留量（mm）；C为灌草层盖度；P为降水量（mm）。（2）当到达灌草层雨量大于等于灌草层最大截留量G0时：G=G0。式中：G为灌草层截留量（mm）；G0为灌草层最大截留量(mm)。

2.4 枯落物持水量的测定

采用浸水法测定枯落物持水量。取回20 cm×20 cm 小样方内枯落物，将枯落物称鲜重，并取样带回实验室烘干 (95 ℃，24 h)至恒重，计算枯落物干生物量。将枯落物的部分样品称重后分别装入称重后的湿布袋（预先称量记录干、湿布袋重量）；再将装有枯落物的布袋完全浸没于盛有清水的容器中；将枯落物浸入水中24 h后，将枯落物连同布袋一并取出，静置5 min左右，直至枯落物不滴水为止，迅速称量枯落物的湿重，然后将枯落物连同布袋一同烘干（95 ℃，24 h）至恒重，计算枯落物最大持水能力。

2.5 土壤持水量的测定

在样地内挖掘土壤剖面，记录土壤层次及土层厚度，用环刀按 0～10，10～20，20～40，40～60 cm的深度分层取样，带回室内测定总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度。

按0～10 ，10～20，20～40，40～60 cm的不同土层深度，采用土壤水分测定仪（TDR）测定土壤含水量。

2.6 林分涵养水源能力计算

林分涵养水源能力的计算公式为：S=G+K+ W。式中：S为林分涵养水源能力（mm）；G为灌草层截留量（mm）；K为枯落物层持水量（mm）；W为土壤层贮水量（mm）

2.7 数据处理

数据统计分析主要采用SPSS19.0和Microsoft Office Excel 2007。

3 结果与分析

3.1 降雨特征

根据平江气象站2014年气象观测数据，平江点2014年全年降水量1 332.2mm，年内降水分布不均，各区间雨量差异较大，大于50mm降水区间的降雨累积量最大，约占年降水量的27.3%；30～40mm区间次之，占年降水量的18.7%；10～20mm区间和40～50mm区间基本持平，约占年降水量的11%。

2014年监测期间降水分布不均，降雨量为196.8mm，按小于10、10～20、20～30、30～40、40～50mm以及大于50mm6个降水区间进行统计（表3），各区间雨量差异较大，其中降雨量最大的区间为30～40mm，雨量为61.6mm，约占监测期间降水量的31.3%；其次是区间为≥50mm，雨量为53.4mm，约占监测期间降水量的27.1%；最小降水量区间为小于10mm，雨量为3mm，约占监测期间降水量的1.5%。

表3 降雨特征Table 3 Rainfall characteristics

3.2 灌草层持水能力

林分灌草层具有一定的持水性能。林下灌草包括灌木和草本，是处在林分中的较低层次。雨水会被林下灌草截留，从而进一步削减雨滴势能，防止地表溅蚀，是森林植被中的一个重要层次。在每次降雨事件中，灌草层持水量随着到达灌草层雨量的增加而增加，当雨量超过一个定值，灌草层持水量将不再发生变化，此拐点就是不同林分灌草层的最大持水量，各林分不同其灌草层最大持水量也不同。表4反映了各林分灌草层特征状况，灌草层持水量随着到达灌草层的雨量增加而增加其持水量，直到达到其最大持水量。

表4 各林分灌草层特征Table 4 Characteristics of shrub-grass layers of all forest stands

灌草层最大持水量与生物量呈正比例关系。灌草层植被的种类与其自身特性同样也间接影响着持水量的大小。由表4分析可知，造林模式灌草层最大持水量范围在0.490～0.502mm之间，各林分灌草层最大持水量按大小排序是M3(0.502mm)＞ M2（0.491mm）＞ M1(0.490mm)。

3.3 枯落物层持水量能力

枯枝落叶层具有保护土壤免受雨滴冲击和增加土壤腐殖质和有机质的作用，并参与土壤团粒结构的形成，有效地增加土壤孔隙度，为林分土壤层蓄水提供了物质基础。森林枯枝落叶层水分截持能力较强，一般吸持水量可达自身干重的2～4倍，不同森林类型的枯落物现存率和持水率有差异，故它们的最大持水量也存在明显差异。在每次降雨事件中，枯落物层持水量随着到达枯落物层雨量的增加而增加，当雨量超过一个定值，枯落物层持水量将不再发生变化，此拐点就是不同林分枯落物层的最大持水量，各林分特征不同其枯落物层最大持水量也不同。枯落物层持水量随着到达枯落物层的雨量增加而增加其持水量，直到达到其最大持水量。

表5 各林分枯落物层持水性能Table 5 Litter layer water-holding capacities of all forest stands

枯落物的最大持水量反映了枯落物层的水文特性，它主要与枯落物的类型、组成、蓄积量等有很大关系，而不同的植被类型，由于其枯落物种类、分解特性等不同，枯落物蓄积量也不相同。枯落物的持水能力大小与林分类型、林龄、枯落物的自身组成、分解状况和蓄积量等有关。由表5分析可知，造林模式枯落物最大持水量范围在0.50～2.00mm之间，其中M3枯落物层最大持水量最大，达到2.00mm，各林分枯落物最大持水量按大小排序是M3(2.00mm)＞M2（1.20mm）＞M1(0.95mm)。

3.4 土壤层贮水能力

土壤贮水量是评价森林植被水源涵养功能的重要指标,其大小及土壤厚度与土壤孔隙状况紧密相关。在一定土壤厚度条件下，土壤贮水特征取决于土壤孔隙大小和其数量特征，或说取决于森林植被对土壤孔隙状况的改善作用大小。土壤孔隙按当量的直径大小可以分为毛管孔隙和非毛管孔隙，土壤水分贮存可以分为滞留贮存及吸持贮存两种形式（某土层厚度内所储存的水量分别称为吸持贮水量与滞留贮水量，两者合称作土壤饱和贮水量）。滞留贮存作为饱和土壤中自由重力水在非毛管孔隙(大孔隙)中暂时贮，为大雨或者暴雨提供应急水分贮存，能有效减少地表径流；降雨停止后水分逐步向深层下渗，使土壤水分不断地补充地下水或者以壤中流形式注入河流， 因此具有较高涵养水源功能。针对森林生态系统，土壤非毛管孔隙度大小反映着森林植被滞留水分发挥涵养水源及削减洪水能力。

不同林分由于其模式和组成树种的不同，所形成的土壤结构差异显著，从而导致了土壤贮水能力的明显不同，造林模式前期对土壤的扰动较大，影响其贮水能力，而荒山最小。由表6分析可知，造林模式林地的贮水能力M3与M1、M2之间差异显著，M1与M2之间差异不大。造林模式林地与对照CK1之间，除了M3差异较大之外，其它差异不大，其大小排序为：珍贵阔叶M3（20.740mm）＞针叶+珍贵阔叶M2（17.280mm）＞针叶+一般阔叶M1（16.170mm）。

3.5 林分水源涵养总能力

森林的水源涵养功能是森林生态服务功能的重要功能之一，不同森林类型由于其生态学特性的差异，其林分整体水源涵养功能存在一定的差异。森林以其繁茂的林冠层，林下的灌草层，林地上的枯枝枯叶层和酥松而深厚的土壤层，构建了截留、吸收和贮存大气降水的良好环境，发挥森林生态系统特有的水源涵养功能，起到削弱降雨侵蚀力、改善土壤结构、削减洪峰流量、减少地表径流，调节河川流量等作用。

表6 土壤最大贮水能力Table 6 The maximum storage capacity of the soil

表7 监测期间林分水源涵养能力Table 7 Water conservation capacity of each stand in the monitoring period

由表7可以看出，各林分之间灌草层持水量差异不明显，由大到小排序M3（3.514mm）＞M2（3.437mm）＞M1（3.43mm）。灌草层持水量最大的造林模式是M3，灌草层持水量达3.514mm，最小的是M1，灌草层持水量3.43mm，两者相差0.084mm。各林分灌草层持水量相对较高，主要在于造林模式暂无林冠层，灌草生长的光热条件较好，灌草多样性丰富，灌草层生物量也大，由于灌草层最大持水量与其生物量成显著正相关，因此其灌草层持水能力强。造林模式与CK之间灌草层持水量差值范围为0.07～0.154mm，其中，M3与CK3差值最大。各林分枯落物层持水量差异显著，由大到小排序M3（14mm）＞M2（8.4mm）＞M1（6.65mm）。枯落物持水量最大的造林模式是M3，枯落物层持水量达14mm，最小的是M1，枯落物持水量6.65mm。造林模式各林分暂无林冠层，仅有灌草层、草本层，枯落物储量较小，各林分枯落物年持水量较低，这也可能是由于新造林地前期砍伐、炼山、栽种等经营活动对土壤的扰动较大，植被破坏较严重，并且项目区坡度较大，同样也降低了枯落物层持水量。造林模式与CK之间枯落物层持水量差值范围为3.15～10.50mm，其中，M3与CK3差值最大。各模式降雨前土壤含水量大于土壤毛管孔隙度，其土壤贮水量=[非毛管孔隙度-（土壤含水量-毛管孔隙度）]×土壤贮水能力。造林模式其它降雨前土壤含水量小于土壤毛管孔隙度，其土壤贮水量等于非毛管的滞留贮水量。监测期间造林模式小区土壤贮水量介于8.4～20.07mm。

根据监测期间降雨量和年降雨量，按降雨分配特征进行耦合，得到各林分各层次年持水量，再根据计算公式获得各林分水源涵养总能力。由图1分析可知，各林分水源涵养总能力大小为M3（992.042mm） ＞ M2（821.091mm） ＞ M1（792.621mm）＞CK1(668.990mm)；M3水源涵养能力最高，达到992.042mm，约年降雨量的75%，M1水源涵养能力最差，仅有792.621mm，主要是造林模式采取全垦整地造林方式所致，全垦整地造成地被物显著减少，裸露地明显增加，破坏了灌草层和枯落物层结构和功能，严重降低了灌草层、枯落物层的水源涵养能力；造林各模式水源涵养能力略强于对照，但差异较小。

4 结论与讨论

图1 林分水源涵养总能力Fig.1 Water conservation total capacity of each stand

研究区域森林经营类型均为造林模式，在目前阶段，由于栽培树种均处于灌层中，暂无明显的乔木层，目前无法进行林冠截留量的测定。监测期间，各林分水源涵养功能各不相同，但是，各林分灌草层差异不明显，灌草层持水量最大的是M3，达3.514mm，灌草层持水量最小的是M1， 达3.43mm，灌草层持水量均高，这主要是由于该林分灌草多样性丰富，灌草层生物量大，灌草层最大持水量与其生物量成显著正相关，因此其灌草层持水能力强；各林分枯落物层持水量差异显著，枯落物持水量最大的造林模式是M3，枯落物层持水量达14mm，最小的是M1，仅有6.65mm；监测期间造林模式小区土壤贮水量介于8.4～20.07mm。

造林模式各林分水源涵养总能力大小为M3（992.042mm）＞M2（821.091mm）＞M1（792.621mm）＞CK1(668.990mm)。M3水源涵养能力最高，达到992.042mm，约年降雨量的75%，主要是由于其树种组成丰富、林下灌草盖度相对较高、枯落物储量多。各新造林模式水源涵养能力均不高，M1水源涵养能力最差，仅有792.621mm。造林模式各林分水源涵养总能力较差，主要是因为采取全垦整地造林方式所致，全垦整地造成地被物显著减少，裸露地明显增加，破坏了灌草层和枯落物层结构和功能，严重降低了灌草层、枯落物层的水源涵养能力。

研究结果表明，造林模式各林分由于林相相对单调，暂无林冠层，且项目区坡度较大，总能力大小范围在668.990～992.042mm之间。主要是造林模式采取全垦整地造林方式所致，全垦整地破坏了灌草层和枯落物层结构和功能，严重降低了灌草层、枯落物层的水源涵养能力，造林模式各林分灌草年持水量减少量均在46.797mm以上，枯落物层持水量减少量在90.724mm以上。在项目实施过程中，推荐采取穴状整地生态造林方式，尽量保护原有植被，禁止炼山、全垦整地，提高林分水源涵养能力。

参考文献：

[1]Andreassian V.Water and forests:from historical controversy to scientific debate[J].Journal of Hydrology,2004,29 (1):1-27.

[2]李昌哲,郭卫东.森林植被的水文效应[J].生态学杂志,1986,5(5):17-21.

[3]王忠诚,华 华,王淮永,等.八大公山国家级自然保护区林地水源涵养功能研究[J].中南林业科技大学学报,2014,34(2):95-101.

[4]时忠杰,王彦辉,熊 伟,等.单株华北落叶松树冠穿透降雨的空间异质性[J].生态学报,2006,26 (9) :2877-2886.

[5]时忠杰,王彦辉,徐丽宏,等.六盘山华山松(Pinus armandii)林降雨再分配及其空间变异特征[J].生态学报,2009,29(1):76-85.

[6]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.

[7]朱金兆,刘建军,朱清科,等.森林凋落物层水文生态功能研究[J].北京林业大学学报,2002,24(5):30-34.

[8]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.

[9]刘学全,唐万鹏,崔鸿侠.丹江口库区主要植被类型水源涵养功能综合评价[J].南京林业大学学报(自然科学版),2009,33(1):59-63.

[10]万师强,陈灵芝.东灵山地区大气降水特征及森林树干茎流[J].生态学报,2000,20(1) :61-67.

[11]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.

[12]陈引珍,程金花,张洪江,等.缙云山几种林分水源涵养和保土功能评价[J].水土保持学报,2009,23(2) :66-70.

[13]李海涛,陈灵芝.应用热脉冲技术对棘皮桦和五角枫树干液流的研究[J].北京林业大学学报,1998,20(1):1-6.

[14]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.

[15]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.

[16]田育新,李锡泉,袁正科,等.丘陵缓坡梯土不同植被覆盖条件下土壤保土能力研究[J].湖南林业科技,2000,27(3):78-82.

[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]廖 科,管远保,胡道连,等.湖南森林恢复与发展项目经营模式设计[J].湖南林业科技,2013,40(2):47-51.