赣江源区不同类型低效林水源涵养功能变化特征

王丽艳，杨 桦，唐星林，周 晨，刘光正

(江西省林业科学院，江西 南昌330013)

赣江源是赣江的最大源头，是赣鄱大地的生态屏障，对保障赣江流域、鄱阳湖乃至长江中下游水资源生态安全具有重要作用。针对源头区大面积人工针叶纯林及残次林林相单一、水源涵养能力差等关键生态环境问题，开展了人工针叶林结构优化、低效残次林水土流失控制综合治理关键技术研究。人工林生态系统在人为干扰下能否保持稳定、变化程度有多大、恢复时间为多长等一系列问题是人们关注的焦点，也是稳定性研究的热点[1]。这关系到人们能否合理利用森林资源、保护生态环境、促进经济增长和社会稳定[2-3]。但大多数的研究都是针对林地枯落物本身或从不同森林类型枯落物持水特性的比较进行[4-8]，而针对低效林改造后的林分涵养水源性能变化，以及通过空间代时间的方法对低效林改造后期的效果研究较少。

赣江源区水源涵养功能弱的防护林主要是针叶纯林，包括杉木（Cunninghamia lanceolata）林、马尾松(Pinus massoniana)林、湿地松（P. elliottii）林等，本研究结合南方丘陵地区常见阔叶树，通过林下补植乡土阔叶树木荷 (Schima superba)、枫香（Liquidambar formosana）等调整林分结构。改造后的林分通过群落演替，将向以阔叶树为优势种群的针阔混交林或阔叶林演替[9-12]。因此，本研究以空间代时间的方法，在赣江源头区选择马尾松与木荷(Schima superba)的复合林分、杉木与阔叶树复合林，以及阔叶林为参照，作为改造林分在未来较短时期内演替进程中发育形成的目标林分，分析现改造低效及残次针叶林和参照林分生态功能的差异，来判断针叶林改造模式达到未来10～20 a 后生态功能状况。通过对不同优化措施林分在各种降雨条件下产流产沙的连续4 a 动态监测，开展不同人工针叶林结构改造技术模式的生态水文效益评价，筛选出适合源头区的、低扰动的人工针叶林结构优化模式，以期为亚热带低效针叶林改造模式的选择提供可靠方案，进而为长江中下游水源涵养林提质增效提供参考。

1 研究地点与方法

1.1 研究地林分概况

研究区位于江西赣江源国家级自然保护区（以下简称赣江源自然保护区），该保护区位于我国华东“屋脊”武夷山脉的中南段，与福建长汀交界，地理坐标为25°56′30″-26°07′42″ N，116°15′01″-116°29′06″ E，是中亚热带与南亚热带的过渡区。研究样地位于石城县赣江源自然保护区。低效林和残次林通过间伐及林下补植乡土阔叶树的改造方法，起到林分结构优化及防护功能提升的目的，以研究区马尾松和木荷的复合林分、杉木阔叶树复合林，以及阔叶林为参照。不同类型林分如表1。

表1 研究区不同类型林分概况Tab. 1 General situation of different types of forest stand in study area

1.2 以空间代时间的方法

2012 年对低效和残次针叶林分进行林下补植阔叶树、灌木及草本的补植改造。为了进一步分析低效针叶林改造后林分随时间维度的变化效果，因被改造林分长时间维度监测数据在短短几年内无法获取，因此采用空间代替时间法。群落的空间序列研究法，即空间代替时间法，是植被演替研究中常采用的方法，对无长期固定生态监测站点的研究来说是尤为有效的一种研究手段[5]。

本研究以马尾松和木荷的复合林分、杉木阔叶树复合林，以及阔叶林为参照，作为低效针叶改造林分在未来较长时间维度演替进程中发育形成的目标林分（即被改造针叶林分不同演替阶段的群落空间），以林分的演替空间代替恢复时间维度的研究方法。

1.3 低效和残次林的判定方法

根据国家林业行业标准《低效林改造技术规程》（LY/T 1690—2007）对低效林分进行判别。

1.4 林分及物种调查方法

于2014、2016 和2017 年的7-9 月，选择林分设置标准样方。对样地内乔木开展每木检尺调查，测定其胸径、树高、冠幅等，分别在每个乔木样方内设置3个5 m×5 m 的灌木样方，调查灌木和DBH＜5.0 cm 的乔木树种的种类、数量、高度、盖度等。分别在每个灌木样方内的四角及中心位置设5 个1 m×1 m 的草本样方，分别调查草本层的种类、数量、高度、盖度等。同时记录每块标准样地的地理坐标、郁闭度、坡向、坡度、枯枝落叶层厚度及土壤类型等生态环境因子。

1.5 径流小区布设和指标观测

在各类型样地建有20 m×5 m 标准径流场，径流场下方建1 m×1 m×1 m 的集水池，安装水表和水尺等测流设施，进行不同改造模式径流观测、泥沙观测和水质观测。在试验区内建一个小型自动气象站，自动观测和记录各种气象因子。径流场观测内容为径流小区产生径流大小和径流所携带的泥沙量，并对水样进行监测。分析确定试验区内的水土保持、水土涵养和净化水质的作用。

1.6 数据计算

降雨量：取自研究区自动气象观测系统和人工观测的观测数据。径流系数：年产地表径流的量/年降雨量×100%径流量（t·hm-2）=V×A×ΔT（式中，V为平均水流速；A为过水断面积；ΔT为一定时段）

使用Excel 2010 和统计软件DPS7.5 和SPSS 19.0 进行数据计算分析。

2 结果与分析

2.1 不同类型林分生物量和土壤质量特征

研究区改造林分林下植被覆盖度和生物量大幅提高，土壤理化性质得以改善。低效湿地松改造林林地上生物量由57.80 t·hm-2提高到64.17 t·hm-2，林下灌草覆盖度提高了15.67%，低效马尾松改造林分林下灌草覆盖度提高了33.32%、地上部分生物量提高了5.55 t·hm-2。残次杉木改造林林下灌草覆盖度提高了26.13%、地上部分生物量提高了8.21 t·hm-2。2017年与2014 年相比，改造低效和残次林分林地土壤养分含量有所增加。有机质含量的增幅为1.04～12.44 g·kg-1，全氮含量增幅为0.02～0.12 g·kg-1，碱解氮含量增幅5.07～7.75 mg·kg-1，速效磷含量增幅为0.04～0.11 mg·kg-1，速效钾含量增幅为19.77～50.13 mg·kg-1，而土壤中全磷含量增幅仅为0.02～0.04 g·kg-1（表2）。

表2 不同类型林分生物量和土壤性质Tab. 2 Stand biomass and soil properties of different types of forest stand

在森林的生长发育过程中，林分结构是一个重要的驱动因子。促进森林发育的干扰，主要表现为森林结构调整[6]，说明乔、灌、草3 层结构在森林防护效益上有不可忽视的重要性，只有在乔木、灌木、草本和枯落物层具有较大覆盖度并合理搭配时，林地固持土壤能力的防护功能才是高效的。

2.2 不同类型林分水源涵养能力比较

2.2.1 枯落物持水量

不同改造林分与参照林分枯落物蓄积量如图1所示。杉木残次林、湿地松林和马尾松林改造林分中林下枯落物的蓄积量和厚度都远小于参照林分。主要原因是乔木层中阔叶树处于幼林，而杉阔复合林与马阔复合林中，阔叶树已成为优势群落，在林分中占有优势地位，随着林分生长周期林下枯落物不断增多，其蓄积量和厚度均远高于人工针叶纯林。2016 年枯落物的蓄积量依次为杉阔（8.48 t·hm-2）＞马阔（8.30 t·hm-2）＞阔叶（6.12 t·hm-2）＞湿地松改造林（4.36 t·hm-2）＞马尾松改造林（2.75 t·hm-2）＞残次杉木改造林（2.56 t·hm-2）。枯落物的蓄积量与枯落物的厚度呈正相关，马尾松改造林与残次杉木改造林的林下枯落物厚度分别是1.73 cm 和1.38 cm。

图1 不同类型林分枯落物蓄积量Fig. 1 Litter accumulation of different types of forest stand

从2016 年枯落物的最大持水量来看（图2），马阔复合林最大持水量是23.30 t·hm-2＞阔叶林22.73 t·hm-2＞低效马尾松改造林（2.53 t·hm-2）。杉阔复合林（26.90 t·hm-2）＞阔叶林（22.73 t·hm-2）＞低效湿地松改造林（5.79 t·hm-2）＞残次杉木改造林（2.12 t·hm-2）。枯落物的有效拦蓄水量依次是杉阔复合林（19.79 t·hm-2）＞马阔复合林（18.06 t·hm-2）＞阔叶林（17.03 t·hm-2）＞湿地松改造林（4.44 t·hm-2）＞马尾松改造林（2.02 t·hm-2）＞残次杉木林（1.61 t·hm-2）。

图2 不同类型林分枯落物持水量Fig. 2 Interception amount of litter layers of different types of forest stand

2.2.2 土壤容重和土壤持水量

不同类型林分土壤持水特征如表3 所示。2016年测定的阔叶林土壤容重0.98 g·cm-3，杉阔复合林土壤容重1.05 g·cm-3，马阔复合林土壤容重1.05 g·cm-3，湿地松改造林土壤容重为1.18 g·cm-3，马尾松改造林土壤容重为1.23 g·cm-3，杉木残次林的土壤容重是1.27 g·cm-3。土壤容重越小越疏松，土壤蓄水能力越强。在试验区的马尾松改造林分和残次杉木林地土壤多为砂石土，土壤容重较大，蓄水能力较差。

表3 不同类型林分土壤容重和持水量Tab. 3 Stand soil bulk density and moisture capacity of different types of forest stand

不同林分类型的土壤持水量，与土壤容重的表现状况相近，土壤储蓄的水分总量取决于土壤质地、土壤层厚度、容重、毛管孔隙度和非毛管孔隙等物理因素。土壤毛管孔隙蓄存的水分提供树木根系吸收或土壤蒸散，而非毛管孔隙为水分蓄存提供了空间。土壤的最大持水量依次为杉阔复合林(4 721.02 t·hm-2)＞马阔复合林(4 674.78 t·hm-2)＞阔叶林(4 617.22 t·hm-2)＞湿地松改造林（3 562.27 t·hm-2）＞马尾松改造林（2 635.67 t·hm-2）＞杉木残次林改造林（2 482.71 t·hm-2）。不同林分的土壤毛管持水量变化为：杉阔复合林（4 520.44 t·hm-2）＞马阔复合林（4 430.70 t·hm-2）＞阔叶林（4 349.74 t·hm-2）＞湿地松改造林（3 367.84 t·hm-2）＞马尾松改造林（2 635.67 t·hm-2）＞杉木残次林（2 309.50 t·hm-2）。

由此可见，各改造林分的水源涵养能力几乎都低于参照林分的1/2 或2/3，这表明，改造后林分的水源涵养功能提升空间很大，随着林分的更新演替，现有林分的水源涵养能力将不断提高。

2.2.3 地表径流水质

图3 反映了不同林分类型的地表径流的pH 值。不同植被状况对区域内水源的pH 值影响较大。低效湿地松和马尾松改造林、马阔复合林的地表径流水为弱碱性，杉阔复合林、阔叶林、残次杉木改造林地表径流水为微酸性。2014—2017 年不同类型改造林分径流水pH 值差异不显著（P＜0.05）。

图3 不同类型林分地表径流pH 值Fig. 3 pH of surface runoff water of different types ofmodified forest stands

水中溶解氧的含量与空气中氧的分压、水的温度都有密切关系。水中溶解氧的多少是衡量水体自净能力的一个指标。水里的溶解氧被消耗，要恢复到初始状态所需时间短，说明该水体的自净能力强，或者水体污染不严重。否则说明水体污染严重，自净能力弱，甚至失去自净能力。因此，溶解氧饱和度越高，说明其自净能力越强。各林分地表径流中溶解氧饱和度2017 年变化趋势为：不同发育阶段林分年际间差异不明显(图4)，阔叶林（78.02%）＞杉阔复合林（76.20%）＞马阔复合林（75.36%）＞湿地松改造林（69.72%）＞马尾松改造林（64.72%）＞杉木残次林（63.12%）。根据国家地表水环境质量标准（GB/T 3838—2002），马阔复合林地表径流水质达到Ⅱ类水质标准，湿地松和马尾松改造林为Ⅲ级数值标准。这说明，对照的杉阔和马阔林地的水自净能力要高于改造低效和残次林分，随着林分的更新演替，各改造林分对水的自净能力将不断增强，林分中涵养水的水质将不断改善。

图4 不同类型林分地表径流水溶解氧Fig. 4 Dissolved oxygen in surface runoff water of different types of modified forest stands

2.3 不同类型林分水土保持能力比较

不同森林由于结构不同，其林冠层和下木层等地上植被对降水的拦截和阻挡作用差异较大。通过对不同林分类型的地表径流的长期观测可以发现，2014年地表径流最大的是残次杉木林，径流量达到1 490.50 t·hm-2，最小为阔叶林726.50 t·hm-2。通过对不同类型林分不同年份径流系数和径流量方差分析表明，随着林分生长年限的增长改造林分径流量减少，并且年际间差异显著（P＜0.05），2017 年与2014年相比，低效湿地松改造林、马尾松改造林和杉木残次改造林径流量分别减少了6.56%、4.17%、4.76%。

通过观测和计算得到2014 年阔叶林的土壤侵蚀量为116.90 t·km-2·a-1、杉阔复合林为235.10 t·km-2·a-1、杉木残次林在585.75～612.15 t·km-2·a-1之间、马尾松低效改造林为571.00 t·km-2·a-1（表4）。由此可见，随着林分的发育更新，改造残次林和低效林的土壤侵蚀量将有一定幅度的下降，改造林分的土壤侵蚀量减少量在20.95～26.40 t·km-2·a-1之间，减少了3.7%～4.3%，再次证明了对低效针叶林进行阔叶化改造的重要性和必要性，也表明了改造后的低效林和残次林在未来林内水土流失状况将得到明显改善。如果采取合理的方案和技术，可以避免水土流失加剧的情况。

表4 不同类型林分地表径流与土壤侵蚀量Tab. 4 Stand surface runoff and amount of soil erosion in different types

对不同演替阶段的几种林分类型的地表径流、土壤侵蚀量等进行了方差分析比较。结果发现，马尾松改造林与残次杉木改造林和其他更高演替阶段的林分在径流系数和径流量上表现出差异显著性，径流量更高；更高演替阶段的林分与改造的杉木残次林在土壤侵蚀量与径流中泥沙含量上表现出差异显著性，随着演替阶段的上升，林分的土壤侵蚀量与地表径流中泥沙含量减小。

3 结论与讨论

恢复森林水源涵养功能的核心是调整林冠组成和结构[8]。植物群落由共存的物种构成，组成群落的各物种间的关系，决定着群落的结构特征和群落的动态[13-14]。我国亚热带广大地区的森林次生演替规律为：马尾松为优势的针叶林→马尾松为优势的常绿针阔混交林→阔叶林为优势的常绿针阔混交林→常绿阔叶林[15-16]。王方超[11]等对江西中亚热带针阔混交林的物种组成和空间分布特征研究表明，针阔混交林是中亚热带先锋群落马尾松林相顶级群落常绿阔叶林演替的中间阶段。本研究采用了空间代时间的方法，以针阔混交林和阔叶林作为参照林分，研究低效针叶林阔叶化改造林分通过群落演替，将向以阔叶树为优势种群的针阔混交林或阔叶林演替，从而推断林分改造后的成效。低效林的改造就是通过调控林分结构，进而改善土壤生态功能[12]。补植是低效林改造的有效措施之一，随着郁闭度增加，植物多样性增大[16]。许多学者的研究结果显示通过补植阔叶树，低效针叶林林下生物量和物种丰富度增加[17-19]。本研究改造林分林下阔叶树以乡土树种为主，主要是木荷和枫香为主，体现了地带性针阔混交林的群落类型，以期达到改造目标为乔、灌、草3 层复层结构。改造后的低效和残次针叶林将加快林上植被更新发育的进程，未来不断演替进化为具有乔、灌、草复层结构的林分，其生物多样性将大大提升。低效和残次针叶林改造4 a 后，林分地上部分生物量和林下植被的覆盖度得到了较大幅度的提高，分别提高15.67%和33.32%。研究区改造林分林下植被覆盖度和生物量大幅提高，土壤理化性质得以改善。

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，不同森林类型由于发育阶段不同、结构存在差异，林分整体水源涵养功能也有一定的差异[20-21]。枯落物的持水能力主要集中在未分解层和半分解层，已分解层补充了土壤有机质，增加了土壤通透性和持水能力，从而提高土壤的持水能力，在林分改造和经营过程中应尽可能地加以保护[22-24]。林分改造由于改变了林地光照、水分等条件，在促进更新树种及灌草生长的同时，也加剧了地表水土流失和有机物分解，一定程度上导致了土壤抗蚀性降低[25]。林分改造降低了乔木层的林冠截留，有利于林分涵养水源[26]。美国和日本采用林草复合改造增加林地肥力[27]。许多研究发现改造后的林分凋落物、土壤的持水能力及肥力都有一定程度的提升[28-30]。本研究表明马尾松改造模式与杉木残次林改造模式在径流系数和径流量上表现出显著性差异。改造后的林分可增强水自净能力，提高了地表径流水溶解氧饱和度，增幅为4%～12%。本研究再次证明了对低效针叶林进行阔叶化改造的重要性和必要性，也表明了残次林改造后在未来林内水土流失状况将得到明显改善。如果采取合理的方案和技术，可以避免水土流失加剧的情况。林分结构的复杂化与稳定需要长时间的发育，虽然本研究中经密度调控与结构优化的林分在物种的丰富性、乔灌草层的生物量、林分立体结构上有明显的改善，但其水源涵养功能在短短的4 a 项目期中无法得到切实体现。今后，应对改造后的林分进行水土流失的长期观测，进一步深入开展水土流失动态变化规律的研究，并且建立针叶林改造不同类型生物量及演替预测模型，为森林生态系统服务功能评价提供理论依据。