水库集水区林下枯落物及土壤的水源涵养功能研究

张勇郑超超 吴文跃 张超邱问心余树全＊

（1 浙江省林业生态工程管理中心 浙江杭州 310020；2 浙江农林大学林业与生物技术学院 浙江临安 311300；3 国家林业局华东林业调查规划设计院 浙江杭州 310004）

森林资源与环境

水库集水区林下枯落物及土壤的水源涵养功能研究

张勇1郑超超2吴文跃3张超2邱问心2余树全2＊

（1 浙江省林业生态工程管理中心 浙江杭州 310020；2 浙江农林大学林业与生物技术学院 浙江临安 311300；3 国家林业局华东林业调查规划设计院 浙江杭州 310004）

通过对临安市水涛庄水库集水区森林地表土壤和林下枯落物的取样分析，分别对11种森林类型的枯落物层和土壤层的水源涵养特性进行研究，从而得到该区域森林枯落物及土壤的水源涵养功能值。研究结果表明：研究区枯落物水源涵养总量为 9.17× 104m3，单位面积水源涵养量为 17.10 m3/hm2，单位面积持水拦截量表现为马尾松-白栎-短柄枹栎混交林＞青冈栎林＞麻栎林＞短柄枹栎林＞山核桃林＞灌木林＞毛竹林＞金钱松林＞马尾松林＞高节竹林＞杉木林；土壤水源涵养总量为 2108.41×104m3，单位面积水源涵养量为 3931.06 m3/hm2，单位面积持水量表现为马尾松-白栎-短柄枹栎混交林＞青冈栎林＞毛竹林＞麻栎林＞短柄枹栎林＞金钱松林＞高节竹林＞马尾松林＞杉木林＞灌木林＞山核桃林。

水库集水区；枯落物；土壤；水源涵养

森林和水是人类生存与发展的重要物质基础，也是森林生态系统的重要组成部分。森林的水源涵养功能是指森林生态系统通过林冠层、枯落物层和土壤层对降水再分配，从而有效涵蓄水分、调节径流等功能[1]。不同森林类型由于其树种生物学特性与林分结构的不同，其水源涵养效应存在一定的差异[2-6]。

相关研究表明，林冠部分的持水量通常仅占林分水源涵养能力的15%左右，这表明林下土壤和枯落物是森林涵养水源的主体[7]。森林枯落物层作为森林生态系统中独特的结构层次，其疏松结构类似于海绵的吸水性和收缩弹性，有效减弱了大气降雨对土壤表面的动能冲击[5]。森林土壤是森林发挥水文调节作用的主要场所[8]，雨水经过林冠层、枯落物层截留后，对土壤层的冲击力极弱[4]，对土壤结构破坏作用非常轻微[9]，雨水即沿着林地的孔隙开始被土壤吸收或下渗，转化为土壤贮水和地下径流[10,11]。

本文以水涛庄水库集水区不同森林类型林下土壤和枯落物水源涵养功能为研究内容，通过对比分析不同森林类型水源涵养能力的差异，了解浙江省水库集水区不同森林类型林下土壤和枯落物水源涵养功能特征，为进一步评价区域水文生态效益和优化区域森林植被配置模式提供理论依据，以期为当地生态功能研究和林业部门的实际工作夯实理论基础。

1 研究区概况

杭州市临安水涛庄水库地属临安市高虹镇，位于临安市东北部，介于东经 119°61′-119°72′、北纬 30°44′-30°34′之间。水涛庄水库是一座以防洪为主，兼顾灌溉、发电、供水及改善水环境等多种效益的水利建设项目，南北长约 13.2km，东西宽约 7.8km，集水区面积 5756.67hm2，其中，林地面积最大，为 5363.46hm2，占研究区总面积的 93.14%。

研究区地处浙江省西北部、中亚热带季风气候区南缘，属中亚热带常绿阔叶林北部—亚地带浙皖山区丘陵青冈栎、苦槠林栽培植被区第一亚区。全年温暖湿润，光照充足，四季分明，雨量充沛。

2 研究方法

2.1 样地设置

利用系统抽样法，综合考虑研究区内森林植被类型分布情况，在研究区设置 20 m×20 m的森林样地 55个，同时确保各森林类型有 3个以上重复取样，其分布如表1所示。

表1 研究区森林类型及面积分布

2.2 实验设置与数据处理

2.2.1 枯落物持水能力测定实验

在各样地林分内分别设置 l m×l m 的枯落物样方3个，调查枯落物层的厚度、分布状况以及分解程度。将收集的枯落物带回实验称重，并取部分样品烘干(85℃，24 h)，称重后推算 l hm2的枯落物蓄积量。同时取部分烘干试样，用清水浸泡 24 h 后取出，滤去多余水分，称重后计算得到饱和持水率[12]。

2.2.2 土壤持水能力测定实验

在设置的标准样地内，选择具有代表性的样点，划一个长 1.5 m、宽 1 m 的长方形，向下挖取土壤剖面，采用环刀（直径 6.18 cm，高 4 cm）在 0-20cm 层采集原始土块，重复 3次。带回实验室测定土壤容重、土壤孔隙度，并计算最大持水量及有效蓄水量等土壤持水性能指标[6-7,11]。

3 研究结果

3.1 森林枯落物层水文生态功能分析

3.1.1 枯落物蓄积量

枯落物蓄积量的大小在一定程度上决定了枯落物吸持水量，在同样的吸水能力下，枯落物蓄积量储量越高，持水量越大，水源涵养能力则越强。研究区不同森林类型的枯落物蓄积量如表 2 所示，枯落物蓄积总量为 4.39× 104t，单位面积枯落物蓄积量为 8.19t/hm2，不同森林类型的枯落物蓄积总量表现为灌木林＞短柄枹栎林＞毛竹林＞马尾松-白栎-短柄枹栎混交林＞青冈栎林＞高节竹林＞麻栎林＞马尾松林＞山核桃林＞杉木林＞金钱松林。

如表2所示，不同森林类型间单位面积枯落物蓄积量差异较为明显。其中马尾松-白栎-短柄枹栎混交林的单位面积蓄积量最大，为17.56 t/hm2，这是由于研究区内该森林类型多为复层林，群落内物种复杂、生物量大，且白栎和短柄枹栎皆为落叶树种，枯枝落叶较多，同时处于复层林上层的马尾松为常绿针叶树种，林分郁闭度较高，林内透光性差，凋落物分解较慢，从而增加了枯落物的厚度。

表2 研究区不同林分类型枯落物蓄积统计

3.1.2 枯落物持水能力分析

枯落物最大持水量的测定是将枯落物试样浸水 24 h 后测定的结果，而在自然条件下，山地森林的坡面上一般不会出现较长时间的浸水条件，且落到枯落物层上的雨水，一部分被其拦蓄，一部分通过孔隙渗入土壤中或形成地表径流，所以用最大持水量来估算枯落物层对降雨的拦蓄能力偏高，一般使用有效持水量估算枯落物层对降雨的实际拦蓄量。

表3 研究区不同林分类型枯落物持水能力特征

研究区不同森林类型林下枯落物持水能力特征如表3所示，枯落物层的有效持水拦量表现为马尾松-白栎-短柄枹栎混交林＞青冈栎林＞麻栎林＞短柄枹栎林＞经济林＞灌木林＞毛竹林＞金钱松林＞马尾松林＞高节竹林＞杉木林。其中，杉木林和马尾松林的枯落物持水率最弱，分别为 8.30 m3/hm2和 10.62 m3/hm2，这是由于枯落物主要以叶片为主，而杉木和马尾松落叶多为掉落针叶，叶片细小、枯落物间孔隙大、结构松散，不易持水，且马尾松凋落物更富含较高浓度油脂，吸水能力弱。

3.1.3 枯落物层水源涵养总量

研究区森林枯落物层水源涵养功能如表3所示，枯落物层能水源涵养总量为 9.17×104m3，枯落物层单位面积水源涵养量为 17.10 m3/hm2。不同森林类型枯落物层水源涵养总量差异较大，主要表现为灌木林＞毛竹林＞马尾松-白栎-短柄枹栎混交林＞短柄枹栎林＞高节竹林＞青冈栎林＞麻栎林＞马尾松林＞山核桃林＞杉木林＞金钱松林。

3.2 土壤层水文生态功能分析

3.2.1 土壤物理性质分析

研究区土壤容重及孔隙度如表4所示，不同林地类型土壤容重之间存在着差异，主要表现为山核桃林＞杉木林＞灌木林＞马尾松林＞金钱松林＞毛竹林＞高节竹林＞青冈栎林＞马尾松-白栎-短柄枹栎混交林＞短柄枹栎林＞麻栎林；研究区森林的土壤总孔隙度主要表现为麻栎林＞短柄枹栎林＞马尾松-白栎-短柄枹栎混交林＞青冈栎林＞毛竹林＞高节竹＞金钱松林＞马尾松林＞灌木林＞杉木林＞山核桃林。研究区 11 种林分类型中，以山核桃林的土壤较为紧实，土壤总孔隙度较小，青冈类林、麻栎林、短柄枹栎林等阔叶林及马尾松-白栎-短柄枹栎混交林的土壤结构最疏松，土壤孔隙度最大。

表4 林地土壤容重及孔隙度分布情况

3.2.2 土壤持水能力分析

森林土壤饱和蓄水量是毛管水和非毛管水均达到饱和时土壤的持水量，研究区不同森林类型土壤的持水能力有所差异，单位面积土壤饱和持水量与土壤总孔隙度、土壤厚度相关。研究区不同森林类型土壤层单位面积水源涵养量如表 5所示，主要表现为马尾松-白栎-短柄枹栎混交林＞青冈栎林＞毛竹林＞麻栎林＞短柄枹栎林＞金钱松林＞高节竹林＞马尾松林＞杉木林＞灌木林＞山核桃林。

马尾松-白栎-短柄枹栎混交林的单位面积水源涵养能力最强，其值为 5225.60m3/hm2，这与该森林类型复杂的群落结构、丰富的物种组成有较为直接的关系；山核桃林的单位面积水源涵养能力最弱，其值为 1206.30m3/hm2，这是由于研究区内山核桃林多为周边村民种植，林下物种较少且多分布在坡度较陡、土壤较为瘠薄的区域。

表5 研究区森林土壤层水源涵养功能统计表

3.2.3 土壤层水源涵养总量

研究区森林土壤水源涵养功能如表5所示， 2015 年土壤层水源涵养总量为 2108.41×104m3，单位面积土壤水源涵养量为 3931.06 m3/hm2。不同森林类型土壤层水源涵养总量主要表现为毛竹林＞短柄枹栎林＞高节竹林＞灌木林＞马尾松-白栎-短柄枹栎混交林＞青冈栎林＞马尾松林＞杉木林＞麻栎林＞金钱松林＞山核桃林。其中，森林面积最大的毛竹林土壤层水源涵养总量亦最大，为 571.60×104m3；单位面积土壤水源涵养能力最弱的山核桃林土壤层水源涵养总量最小，为 20.56×104m3。

4 结论

（1）研究区森林枯落物蓄积总量为 4.39 ×104t，单位面积枯落物蓄积量为 8.19 t/hm2。不同森林类型的枯落物蓄积总量表现为灌木林＞短柄枹栎林＞毛竹林＞马尾松-白栎-短柄枹栎混交林＞青冈栎林＞高节竹林＞麻栎林＞马尾松林＞山核桃林＞杉木林＞金钱松林。

（2）研究区枯落物对降雨截留总量为9.17 ×104m3，不同林分类型枯落物水源涵养量表现为灌木林＞毛竹林＞马尾松-白栎-短柄枹栎混交林＞短柄枹栎林＞高节竹林＞青冈栎林＞麻栎林＞马尾松林＞山核桃林＞杉木林＞金钱松林；枯落物层单位面积水源涵养量为 17.10m3/hm2，不同林分类型枯落物层单位面积持水拦截量表现为马尾松-白栎-短柄枹栎混交林＞青冈栎林＞麻栎林＞短柄枹栎林＞山核桃林＞灌木林＞毛竹林＞金钱松林＞马尾松林＞高节竹林＞杉木林。

（3）研究区土壤层水源涵养总量为2108.41×104m3，不同森林类型土壤水源涵养总量表现为毛竹林＞短柄枹栎林＞高节竹林＞灌木林＞马尾松-白栎-短柄枹栎混交林＞青冈栎林＞马尾松林＞杉木林＞麻栎林＞金钱松林＞山核桃林；研究区土壤层单位面积水源涵养量为3931.06m3/hm2，不同森林类型土壤层的单位面积持水量表现为马尾松-白栎-短柄枹栎混交林＞青冈栎林＞毛竹林＞麻栎林＞短柄枹栎林＞金钱松林＞高节竹林＞马尾松林＞杉木林＞灌木林＞山核桃林。

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Astudy on water conservation functions of forest litter and soil layers in water catchment areas around reservoirs

Zhang Yong1,Zheng Chaochao2,Wu Wenyue3,Zhang Chao2,Qiu Wenxin2,Yu Shuquan2＊
（1.ZhejiangForestryEcologicalEngineeringManagementCenter;Hangzhou 310020,China 2.SchoolofForestryandBiotechnology,ZhejiangAgricultureandForestry University;Lin’an 311300,China 3.The EastChinaInstituteofForestInventoryandplanningoftheStateForestryAdministration;Hangzhou 310004,China）

This research mainly studied the water conservation function of litter layer and soil layer in Shuitaozhuang reservoir water collecting areas which was located in Lin’an city,and compared the water conservation function between 11 kinds of forest types.In this study,we samplinged litter and soil of different forests and tested water storage capacity of each sample in the lab.The results showed that the water conservation amount of litter layer in study area was 9.17×104m3and the water conservation capacity per unit area of litter layer was 17.10 m3/hm2.The water conservation amount of soil layer in study area was 2108.41×104m3and the water conservation capacity per unit area of soil layer was 3931.06 m3/hm2.In terms of water conservation capacity per unit area,the litter layer of different forest types espressed that Pinus massoniana-Quercus fabri-Quercus fabri mixed forest＞Cyclobalanopsis glauca forest＞Cyclobalanopsis glauca forest＞ Quercus serrata var.brevipetiolata forest＞Carya cathayensis forest＞Shurb forest＞Phyllostachys heterocycla forest＞Pseudolarix amabilis forest＞Pinusmassoniana forest＞Phyllostachys prominens forest＞Cunninghamia lanceolata forest,while the soil layer espressed Pinus massoniana-Quercus fabri-Quercus fabri mixed forest＞Cyclobalanopsis glauca forest＞Phyllostachys heterocycla forest＞Cyclobalanopsis glauca forest＞Quercus serrata var. brevipetiolata forest＞Pseudolarix amabilis forest＞Phyllostachys prominens forest＞Pinus massoniana forest＞Cunninghamia lanceolata forest＞Shurb forest＞Carya cathayensis fores.

reservoir water collecting areas；litter layer；soil layer；water conservation function

S715.1 < class="emphasis_bold"> 文献标识码：A

A < class="emphasis_bold"> 文章编号：1004-7743（2017）01-0032-05

1004-7743（2017）01-0032-05

2016-12-15

＊通讯作者：余树全，浙江农林大学林业与生物技术学院，教授，E-mail：yushq@zafu.edu.cn。