飞播马尾松林水源涵养功能特征

郑崇龙，刘远生，欧阳勋志，潘 萍★，欧阳林霞，章 敏

（1.江西农业大学·林学院，江西 南昌330045；2.安福县明月山林场，江西 吉安343200）

森林水源涵养功能是森林生态系统服务功能的重要组成部分[1]，其内涵可以概括为森林生态系统在一定的时空尺度下通过土壤层、枯枝落叶层和林冠层等对森林降水进行拦截、蓄持和时空调配，并对径流、水质和侵蚀等进行调节的综合作用[2]。森林水源涵养功能受多种因素的影响，如张引等[3]对冀北山地的油松（Pinus tabuliformis）人工林的研究表明，随着海拔的增加，油松人工林的土壤层有效持水量逐渐降低；丁程锋等[4]对天山中部的雪岭云杉（Picea schrenkiana）天然林的研究表明，单位面积水源涵养量随着海拔的增加而呈现先增大后降低的趋势，阴坡水源涵养能力比阳坡强；李奕等[5]研究得出樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolica）天然林林地蓄水能力表现为：下坡＞上坡＞中坡，受坡位影响较大；徐学华等[6]研究表明华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）人工林林分枯落物有效拦蓄量、非毛管蓄水量和总蓄水量随林分郁闭度的降低有下降的趋势；陈莉莉等[7]通过研究不同密度油松人工林的水源涵养能力表明，油松人工林在

2 617 株·hm-2时水源涵养能力最好。可见，不同区域或不同森林类型影响其水源涵养能力的主要因素存在一定的差异。

在对森林水源涵养能力进行量化评估时，由于学者们对其涵义的认识不尽相同，因而在估算方法上也有很大差别。目前，国内外主要使用的估算方法有林冠截留剩余量法[8]、多因子回归法[9]、降水储存法[10]、水量平衡法[11]、土壤蓄水能力法[12]与综合蓄水能力法[13]等。然而，这些方法都有各自的优点和局限性，在实际应用中一般根据数据来源等综合确定采用何种方法。其中，综合蓄水能力法是一种将森林水源涵养能力看作是森林对降水拦蓄截留的土壤层、枯枝落叶层和林冠层3 个主要作用层蓄水能力之和再进行估算的方法[14]。这种方法相较于林冠截留剩余量法和土壤蓄水能力法等方法能更加全面地分析森林3 个不同作用层涵养的水量，与水源涵养的概念较为接近，并且可以对不同作用层水源涵养量的贡献进行比较[15]。

马尾松（Pinus massoniana）是我国南方主要的用材树种和造林先锋树种，其对地力的要求低、耐受干旱的能力强。在20 世纪60 年代，赣南是我国水土流失现象发生比较普遍的地区之一，特别在该区的兴国县水土流失现象尤为普遍，在1980 年代曾被称为“中国江南沙漠”；在1970 年代至1990 年代，兴国县先后进行了大规模飞播马尾松种子的造林工作，以恢复森林植被减少水土流失。受多种因素的影响，目前保存下来的飞播马尾松林龄大多为30 a 左右。近些年来，对于飞播马尾松林的研究主要集中在林分的提质增效经营方面，而在其水源涵养方面主要探讨了不同密度[16]、不同树种组成的土壤持水性能[17]，但对整个林分的水源涵养能力大小目前尚不清晰。因此，本研究以兴国县为研究区，通过分析不同立地及林分不同层次水源涵养能力，以期较全面地了解和认识飞播马尾松林的水源涵养功能，为制定飞播马尾松林增强水源涵养能力的经营措施提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

兴国县（26°03′-26°41′N、115°01′-115°51′E）位于江西省中南部，总面积3 214 km2，属亚热带季风性湿润气候，年均气温18.8℃，年均日照时数1 926.5 h，无霜期284 d，年均降水量1 539 mm，降水多集中在4-6 月。地貌以低山和丘陵为主，海拔300～500 m，属于江西的山区县，土壤类型以红壤、黄壤和紫色土为主。森林资源十分丰富，全县森林覆盖率达74.6%，植被类型主要有常绿阔叶林、针阔混交林、马尾松林、毛竹（Phyllostachys edulis）林、杉木（Cunninghamia lanceolata）林等。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源与处理

本研究的数据以2019 年兴国县森林资源二类调查小班数据库为基础，从中筛选出林地起源为飞播的马尾松纯林小班共2 129 个，并获取各小班的密度、土壤厚度、面积、坡位、海拔等数据。根据飞播马尾松林小班状况及参考相关文献，按其密度大小划分为低密度（＜1 500 株·hm-2）、中密度（1 500～2 100 株·hm-2）、高密度（≥2 100 株·hm-2）等3 种密度组。参考相关文献收集整理出不同密度飞播马尾松林的林冠截留率、枯枝落叶层最大持水量以及不同土层深度的土壤非毛管孔隙度，见表1。

表1 飞播马尾松林水源涵养功能评估参数值Tab. 1 Evaluation parameter value of water conservation function of aerially seeded P. massoniana plantation

1.2.2 评价方法

采用综合蓄水能力法对飞播马尾松林的水源涵养功能进行估算。在计算水源涵养量时所采用的相关参数考虑了不同密度或土壤深度的差异。综合蓄水能力法主要从土壤层蓄水量、枯枝落叶层持水量和林冠层截留降水量3 个层次进行综合考虑[19]，计算公式如下：

式（1）中：WR为飞播马尾松林的总涵养水源量（t）；C为林冠层截留降水量（t）；L为枯枝落叶层持水量（t）；S为土壤层蓄水量（t）。

1.2.2.1 林冠层截留降水量（C）。在森林与降水的关系中，林冠层是森林对降水进行拦截的第一个作用层，也是对降水的首次再分配[20]。林冠层截留降水量不但受到降水特征、降水持续时间和降水量的大小等外部因素的影响，还和林冠郁闭度、树木特征和林分结构等自身特性有关[21]。

式（2）中：αi为第i个小班的林冠截留率（%）；R为单日最大降水量（mm）；Ai为第i个小班面积（hm2）。

1.2.2.2 枯枝落叶层持水量（L）。位于林冠层和土壤层之间的枯枝落叶层是森林对降水进行拦截的第二个作用层，它可以减轻降水对表层土壤的溅蚀，保护土壤结构，也能很大程度地减少地表径流，并对森林的部分降水进行拦截和蓄持[22]。在枯枝落叶层拦截和蓄持水分的过程中，枯枝落叶层最大持水量是影响和决定其能力大小的重要参数，它和枯落物的蓄积量、组成和类型等有很大关系[22]。

式（3）中：βi为第i个小班枯枝落叶层最大持水量（t·hm-2）；Ai为第i个小班面积（hm2）。

1.2.2.3 土壤层蓄水量（S）。土壤层蓄水量是水源涵养量的主体部分，土壤层的蓄水能力直接影响地表径流的产生和地下水的补给[23]，土壤层对于水的储存和释放具有重要作用[24]。土壤的非毛管孔隙度和土壤厚度是影响土壤层蓄水量的主要因素。

式（4）中：γij为第i个小班第j层土壤的非毛管孔隙度（%）；Dij为第i个小班第j层土层厚度（cm）；Ai为第i个小班面积（hm2）。

1.2.3 数据统计分析

数据的统计和图表制作均在Excel 2016 中完成。采用SPSS 22.0 软件进行单因素方差分析及多重比较。

2 结果与分析

2.1 水源涵养功能总体特征

由表2 可知，2019 年兴国县飞播马尾松林总涵养水源量为1.43×107t，单位面积涵养水源量为719.53 t·hm-2。其中，土壤层蓄水量为7.67×106t，枯枝落叶层持水量为0.14×106t，林冠层截留降水量为6.44×106t，分别占总涵养水源量的53.84%、0.98%和45.18%；其单位面积蓄水量分别为387.40 t·hm-2、7.06 t·hm-2和325.07 t·hm-2，以土壤层的蓄水能力最强。

经统计，兴国县飞播马尾松林小班面积为19 808.66 hm2，低、中、高密度飞播马尾松林面积及占比分别为10 749.21 hm2（54.26%）、8 670.11 hm2（43.77%）和389.33 hm2（1.97%），而低、中、高密度林分的蓄水量分别占总水源涵养量的43.91%、53.70%和2.39%，可见，低密度林分蓄水量占总水源涵养量的比例远小于其面积占比。从表2 可知，低、中、高密度飞播马尾松林水源涵养量分别为582.32 t·hm-2、858.65 t·hm-2和835.87 t·hm-2。从不同层次来看，随着林分密度的增大，林冠层水源涵养量逐渐增加，而土壤层和枯枝落叶层水源涵养量均呈现先增加后下降的趋势，中密度的最大。可见，中密度飞播马尾松林的水源涵养能力最强，低密度的最弱。

表2 不同密度的飞播马尾松林水源涵养评估结果Tab. 2 Evaluation results of water conservation of aerially seeded P. massoniana plantation with different stand densities

2.2 不同坡位的林分水源涵养功能

根据小班坡位的分布状况将坡位划分为：上坡、中坡、下坡、全坡和平地5 种类型，其中上坡包括山脊和上部，下坡包括下部和山谷。对小班数据库进行分类统计得出，上坡、中坡、下坡、全坡和平地飞播马尾松林的面积分别为2 155.60 hm2、4 631.90 hm2、2 861.72 hm2、9 102.79 hm2和1 056.65 hm2，分别占飞播马尾松林总面积的10.88%、23.38%、14.45%、45.95%和5.34%。由图1 可知，中坡、下坡、平地的蓄水量占比均大于其面积占比，而上坡、全坡的则小于其面积占比。

图1 不同坡位的林分水源涵养特征Fig. 1 Characteristics of stand water conservation at different slope positions

从表3 可知，上坡、中坡、下坡、全坡和平地单位面积水源涵养量分别为641.08 t·hm-2、747.69 t·hm-2、730.10 t·hm-2、653.12 t·hm-2和709.18 t·hm-2，中坡的水源涵养能力显著高于上坡（P＜0.05）。各坡位林分的单位面积林冠层截留降水量在307.21～327.93 t·hm-2之间，中坡的最大，上坡的最小，不同坡位林分的单位面积林冠截留降水量存在显著差异（P＜0.05），而其占比以全坡的最大（48.59 %）；各坡位单位面积枯枝落叶层持水量在5.07～7.45 t·hm-2间，不同坡位单位面积枯枝落叶层持水量存在显著差异（P＜0.05），占比以下坡的最大（1.90%）、上坡的最小（0.79%）；各坡位单位面积土壤层蓄水量范围为328.80～412.31 t·hm-2，中坡的单位面积土壤层蓄水量要显著大于上坡（P＜0.05）。同一坡位下林分的单位面积林冠层截留降水量、枯枝落叶层持水量及土壤层蓄水量之间均存在显著差异（P＜0.05）。从表3 可以看出，各层单位面积蓄水量及其占比随坡位没有表现出明显的变化规律，但林分单位面积土壤层蓄水量、枯枝落叶层持水量和林冠层截留降水量均为中坡的最大而上坡的最小。

表3 不同立地条件下飞播马尾松林水源涵养评估结果Tab. 3 Evaluation results of water conservation of aerially seeded P. massoniana plantation under different site conditions

2.3 不同坡向的林分水源涵养功能

将坡向划分为阳坡、半阳坡、半阴坡、阴坡和无坡向5 种类型。经统计，阳坡、半阳坡、半阴坡、阴坡和无坡向的飞播马尾松林的面积分别为3 856.49 hm2、5 817.27 hm2、4 832.60 hm2、4 120.23 hm2和1 182.07 hm2，分别占飞播马尾松林总面积的19.47%、29.37%、24.39%、20.80%和5.97%。由图2 可知，阳坡、半阳坡和无坡向的蓄水量占比均大于其面积占比，而半阴坡和阴坡的则小于其面积占比。

图2 不同坡向的林分水源涵养特征Fig. 2 Characteristics of stand water conservation at different slope aspects

从表3 可知，各坡向单位面积林分的水源涵养量在640.28～717.03 t·hm-2之间，半阳坡水源涵养功能最大，阴坡的最小，不同坡向单位面积水源涵养量存在显著差异（P＜0.05）。各坡向单位面积林冠层截留降水量在305.09～323.70 t·hm-2之间，截留降水量大小排序为半阴坡＞半阳坡＞阳坡＞阴坡＞无坡向，不同坡向林分的单位面积林冠截留降水量存在显著差异（P＜0.05），其占比以阴坡的最大（49.53%）、无坡向的最小（43.59%）；单位面积枯枝落叶层持水量范围为5.24～6.88 t·hm-2，无坡向与阳坡、半阳坡、半阴坡、阴坡之间在单位面积枯枝落叶层持水量方面差异显著（P＜0.05）；各坡向单位面积土壤层蓄水量在316.82～

389.64 t·hm-2之间，不同坡向间单位面积土壤层蓄水量无显著差异（P＞0.05）。对同一坡向不同作用层的单位面积蓄水量方差分析表明，除阴坡外，4 种坡向林分单位面积林冠层截留降水量、枯枝落叶层持水量及土壤层蓄水量之间差异显著（P＜0.05）。可以看出，不同坡向林分在各层的蓄水能力有所差异，单位面积林冠层截留降水量、枯枝落叶层持水量均为半阴坡最大，无坡向最小，而单位面积土壤层蓄水量则为无坡向的最大，阴坡的最小。

2.4 不同海拔的林分水源涵养功能

根据小班数据库，研究区飞播马尾松林小班最高海拔为750 m，按海拔高将其划分为≤200 m、200～300 m、300～400 m 和＞400 m 等4 个类型，其面积分别为4 677.02 hm2、7 663.31 hm2、3 924.49 hm2和3 543.85 hm2，分别占飞播马尾松林总面积的23.61%、38.69%、19.81%和17.89%。由图3 可知，海拔200～300 m 林分单位面积蓄水量占总水源涵养量的比例明显高于其面积所占比例，而≤200 m 的则反之。

图3 不同海拔的林分水源涵养特征Fig. 3 Characteristics of stand water conservation at different altitudes

由表3 可知，海拔为200～300 m 的林分水源涵养功能最大（733.56 t·hm-2），≤200 m 的最小（619.01 t·hm-2）；各海拔高度单位面积林冠层、枯枝落叶层的持水量及其所占比例在不同海拔间均差异不大；土壤层单位面积蓄水量以≤200 m 的最小（298.06 t·hm-2），200～300 m 的最大（406.51 t·hm-2），各作用层的单位面积蓄水量随着海拔的增加未表现出明显的变化规律，其总体上数值之间的差异并不大。≤200 m 林分单位面积涵养水源量、土壤层蓄水量、枯枝落叶层持水量、林冠层截留降水量与200～300 m、300～400 m和＞400 m 林分之间差异显著（P＜0.05），说明≤200 m林分的蓄水能力弱；4 种海拔类型林分单位面积林冠截留降水量、枯枝落叶层持水量、土壤层蓄水量之间均存在显著差异（P＜0.05）。

3 结论与讨论

本研究表明，兴国县飞播马尾松林的单位面积总水源涵养量为719.53 t·hm-2，其中，单位面积土壤层蓄水量、枯枝落叶层持水量和林冠层截留降水量分别为387.40 t·hm-2、7.06 t·hm-2和325.07 t·hm-2。单位面积总水源涵养量低于李佳等[19]采用综合蓄水能力法对兴国县估算得出的全县森林生态系统涵养水源量852.45 t·hm-2以及针叶林（马尾松林、湿地松（Pinus elliottii）林和杉木林）涵养水源量838.08 t·hm-2的结果，其主要原因是由于飞播马尾松林是在原来植被大面积破坏、水土流失严重的区域上飞播造林恢复起来的林分，其土壤等立地条件相比阔叶林、杉木林以及天然马尾松林的都要差，林木生长也相对较差而导致其涵养水源能力较低。在飞播马尾松林水源涵养总量中不同作用层蓄水总量的占比表现为：土壤层＞林冠层＞枯枝落叶层，这与唐玉芝等[25]、刘璐璐等[26]的研究结果一致，森林生态系统主要通过土壤层发挥其水源涵养功能[27]，虽然枯枝落叶层持水量及其占总水源涵养量的比例都较小，但枯枝落叶层在减少水土流失中还是具有重要作用，此外，枯枝落叶层持水量与枯枝落叶的储存量及质量密切相关，如本研究得出的单位面积枯枝落叶层持水量（7.06 t·hm-2）小于白云星等[28]得出的马尾松阔叶混交人工林的凋落物最大持水量（15.69～36.00 t·hm-2）。一般来说，阔叶林林下枯落物量和枯落物的持水量要远大于马尾松林[29]，这可能是因为针阔混交林林下凋落物储量较多且对水的吸附能力比单纯针叶落叶林强等所导致。

对于相同森林类型，其水源涵养能力的大小也受多种因素的影响。由于林分密度会直接影响林木的生长以及林下植被等状况，通常在合理密度范围内将有利于林木的生长及生态功能的提升。本研究表明飞播马尾松林综合水源涵养能力随林分密度的增加呈先升高后降低的趋势，即中密度＞高密度＞低密度，这与丁霞等[18]的研究结果一致；王庭雄[30]通过研究不同密度福建柏（Fokienia hodginsii）的水源涵养能力表明，密度在1 665～2 505 株·hm-2范围内水源涵养能力最佳，这与本研究结果相近。飞播马尾松林不同坡位林分水源涵养量从大到小表现为中坡＞下坡＞平地＞全坡＞上坡，这与李佳等[19]的研究结果基本一致，这可能是由于上坡径流较大、土层较薄，不利于土壤及枯落物层的储水。从坡向来看，本研究得出半阳坡的水源涵养能力最大，阴坡的最小。丁程锋等[4]对天山中部区域云杉天然林水源涵养能力的研究结果表明阴坡比阳坡强，这与本研究结果不一致，究其原因，可能是不同树种之间生物学特征的差异产生的影响，马尾松是一种在阴坡上生长比较差的强阳性树种，而云杉则是一种典型的阴性树种，在阴坡上的生长情况要优于阳坡。飞播马尾松林水源涵养能力随着海拔的增加呈先上升后下降的趋势，这与张宏锋等[31]多数研究结果一致。

综合蓄水能力法是众多森林水源涵养功能计量方法中比较常用的一种，同时，该方法还有利于比较分析土壤层、枯枝落叶层和林冠层蓄水能力的强弱。由于在计算过程中并未考虑森林蒸散发和地表径流对森林蓄水量的消耗，其计算结果本质上是理论层面最大的蓄水量，而不是实际状态下的蓄水量。本研究在计算时所使用的土壤非毛管孔隙度、枯枝落叶层最大持水量和林冠截留率等参数只考虑了不同密度或土壤深度的差异，而没有考虑林龄、林下植被覆盖等因子的影响以及不同小班降水量等的差异性，因此部分参数可能与小班的真实状况存在一定的偏差。由于研究方法和数据的局限性，本结果虽然仅是对水源涵养量的粗略估算，但也将有助于认识和了解飞播马尾松林分水源涵养功能的整体情况以及不同密度、立地条件下林分间不同作用层蓄水的差异性，可为提高其水源涵养功能经营措施的制定等提供参考。今后可通过加强对飞播马尾松林水源涵养功能的长期监测以获取更全面的数据，在时间尺度上探究其水源涵养能力的变化趋势，并通过建立相关预测模型对未来水源涵养功能变化趋势进行预测。