江西信丰森林健康示范区主要林分类型土壤水源涵养功能

2012-02-11余定坤胡绍平杨清培曾明洪陈建明欧阳勋志

水土保持研究 2012年3期

余定坤，胡绍平，杨清培，曾明洪，陈建明，欧阳勋志

（1.江西农业大学省竹子种质资源与利用重点实验室，南昌 330045；2.信丰县林业局，江西信丰 341600）

森林健康是指森林不仅能保持自身良性存在和更新，而且能充分发挥其野生动物保护、木材利用、休闲游憩和水源涵养等多种功能和效益［1－3］。自2002年6月起，中美森林健康合作项目正式启动，先后在江西省信丰县、云南省丽江县、贵州省麻江县、陕西省佛坪县、北京市八达岭林场启动了5个试验区和山东泰山等4个实验点。至此，森林健康被正式引入到中国并进行较大范围的试验［4］。

土壤涵养水源功能主要表现在静态持水能力与动态渗透能力两方面，它对降水分配过程、水分循环和土壤流失等过程作用明显［5］，且与森林的树种组成、林分结构和经营方式密切相关，故不同森林水源涵养存在一定的差异［6－9］。江西省信丰县森林健康项目示范区主要有常绿阔叶林、马尾松（Pinus massoniana）林、毛竹（Phyllostachys pubescens）林、杉木（Cunninghamia lanceolata）林、湿地松（Pinus elliotii）林和火炬松（Pinus taeda）林6种主要林分类型。本文对这6种林分类型土壤水源涵养功能进行比较研究，为探索我国南方红壤区森林生态功能和健康状况评价提供理论依据。

1 研究区概况

江西信丰森林健康项目示范区，设在大桥镇（25°21′12.8″N，115°8′38.82″E）、万隆乡（25°13′22.01″N，114°47′34.79″）两个乡镇，属低效林改造及经济林建设森林健康类型区项目，重点以解决低效针叶纯林改造为主要目标。示范区内地貌以低山丘陵为主，土壤为黄红壤，气候温暖湿润，雨量充沛，年平均气温17℃，年平均降水量1430 mm，年平均无霜期263d，地带性植被为常绿阔叶林，但多被采伐利用。现主要森林类型有:经封山育林形成次生常绿阔叶林，逆行演替形成马尾松林和毛竹林，以及杉木、湿地松、火炬松等人工林［10］。

2 研究方法

2.1 样地的设置与调查

根据示范区森林资源状况，并综合考虑各林分类型特点、培育现状、立地条件、林龄、经营措施、受干扰程度等多个方面因素，选择具有代表性林分进行样地调查［10］，样地大小20m×30m，每种林型设2个重复（表1）。

表1 江西信丰森林健康项目示范区6种林分概况

2.2 土壤物理水文指标测定

2010年10月，在各样地内随机挖土壤剖面3个，用100cm3环刀分0—20cm（上层）、20—40cm（中层）、40—60cm（下层）取原状土，带回室内测定土壤容重、土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度、持水能力等物理—水文指标；按“环刀法”测定土壤渗透性［11］。为了便于比较，将全部渗透系数按K10＝Kt／（0.07＋0.3t）转换成10℃时的渗透系数［12］。

3 结果与分析

3.1 土壤容重和孔隙度特征

土壤容重与孔隙度是反映土壤物理性质的重要参数，都直接影响着土壤持水能力、通气性能和渗透性能［13］。项目示范区6种主要林分各层土壤容重与孔隙度特征见图1。

由图1可知，6种林分土壤都是上层容重最小，其值在0.75～1.07g／cm3之间，且常绿阔叶林、马尾松林、毛竹林、杉木林土壤容重随土壤深度的增加而增大，各林分下层土壤密度为1.09～1.38g／cm3。全层（0—60cm）土壤平均容重变动于0.99～1.28g／cm3，大小顺序为:毛竹林＜杉木林＜湿地松林＜马尾松林＜常绿阔叶林＜火炬松林。

就总孔隙度而言，除马尾松林外，其他类型都是表层土壤最大，均超过了45.0%。全层土壤总孔隙均值为44.04%～50.37%，大小顺序为:毛竹林＞杉木林＞常绿阔叶林＞火炬松林＞湿地松林＞马尾松林。

图1 6种主要林分各层土壤容重与孔隙度特征

土壤容重和孔隙度受枯落物特性、根系分布及人类活动等因素影响［14］。毛竹林因具有庞大地下鞭根系统和人类的垦复或挖笋，其各层土壤的容重最小、孔隙度最高；而马尾松林、火炬松林、湿地松林受割草拾柴或早年炼山等人为因素的影响，土壤孔隙度较低。

3.2 土壤持水能力

土壤持水能力可分为非毛管持水能力、毛管持水能力、最大持水能力。它们都是评价土壤涵养水源及调节水分循环的一个重要指标［15－18］。江西信丰森林健康示范区6种主要林分土壤持水能力详见表2。

表2 6种主要林分类型土壤持水能力比较

由表2可以看出，6种林分土壤平均非毛管持水能力为:毛竹林＞杉木林＞湿地松林＞常绿阔叶林＞马尾松林＞火炬松林。毛竹林土壤（尤其是表层）颗粒排列疏松、非毛管孔隙度大，故其非毛管持水力最大。

毛管持水能力大小为:火炬松林＞常绿阔叶林＞杉木林＞马尾松林＞湿地松林＞毛竹林。常绿阔叶林毛管持水能力较强，是因为其凋落物易于分解，土壤生物活动强度大，有利于改良土壤性质［19］。

6种森林土壤最大持水能力依次为:毛竹林＞杉木林＞常绿阔叶林＞火炬松林＞湿地松林＞马尾松林。毛竹林因土壤疏松、孔隙度大，其潜在持水能力最强，而马尾松林因土壤紧实，孔隙度小的因而最弱。

3.3 土壤渗透特征

土壤渗透性也是森林水源涵养功能的另一个重要指标，表现了土壤的动态水文特性。6种林分各层土壤的渗透速率变化趋势一致，即初期渗透速率较高，随着时间的推移而逐渐下降，最后达到稳渗状态。整个入渗过程可用Horton土壤入渗模型来模拟。

式中:i——t时刻的土壤入渗率；ic——土壤达到饱和状态后的稳定入渗率；i0——t＝0时刻的初始入渗率；k——与土壤性质有关的常数。且模拟效果较好（R2≥0.650），结果详见表3。

从不同林分看，毛竹林土壤各层渗透速率都较大，其上、中、下层初渗速率分别为3.773，2.927，4.008mm／min，稳渗速率分别也为1.525，1.157，1.709mm／min；火炬松相对较小，其初渗速率依次为0.163，0.390 和 1.637mm／min，稳渗速率只有0.112，0.206，0.930mm／min。各林分土壤渗透性好坏依次为:毛竹林＞杉木林＞湿地松林＞马尾松林＞阔叶林＞火炬松林。

从不同层次看，除常绿阔叶林外，其他林分都是下层土壤的初渗速率和稳渗速率最大，中层或上层较小，说明人畜踩踏会增加紧实度，减少渗透率，但中下层土壤石砾增加会增加土壤渗透率。

表3 6种林分土壤水分入渗过程拟合参数及效果

3.4 不同森林土壤水源涵养功能综合评价

选取初渗系数（X1）、稳渗系数（X2）、非毛管持水量（X3）、总持水量（X4）为评价指标，对6种林分土壤水源涵养功能进行主成分分析（表4）。由表4可知，第一主成分F1的方差累积贡献率高达89.3%，且特征值3.57（＞1），信息损失量很少，用主成分F1来表征4个评价指标是合理的。第一主成分F1＝0.925 X1＋0.979 X2＋0.991 X3＋0.688 X4，在所有变量上的正载荷大致相等，F1可以解释为对土壤综合水源涵养功能的量度（即水源涵养功能综合值）。依据主成分F1得分大小，各林分土壤综合水源涵养功能强弱依次为:毛竹林＞杉木林＞湿地松林＞常绿阔叶林＞马尾松林＞火炬松林。

表4 6种林分森林土壤水源涵养功能主成分分析

4 结论与讨论

森林土壤对水分的调节能力主要表现在静态持水能力与动态渗透能力两方面，它们都与土壤孔隙度高低、孔隙大小及分布情况有关。一般而言，土壤容重越小，孔隙度愈高，其持水能力、透水性愈强［11］。

江西信丰森林健康示范区6种林分表层土壤容重为0.75～1.07g／cm3，下层为1.19～1.38g／cm3，随深度增加而增大的趋势，全层平均容重为0.99～1.28g／cm3，且毛竹林＜杉木林＜湿地松林＜马尾松林＜常绿阔叶林＜火炬松林。6种林分土壤非毛管孔隙平均为5.00%～15.93%，毛管孔隙为34.44%～41.13%，总孔隙度平均为44.04%～0.37%，依次为:毛竹林＞杉木林＞常绿阔叶林＞火炬松林＞湿地松林＞马尾松林。最大持水能力平均为2642 .63～3022 .07t／hm2，顺序为:毛竹林＞杉木林＞常绿阔叶林＞火炬松林＞湿地松林＞马尾松林。

6种林分各层土壤渗透速率的变化趋势一致，在初期渗透速率较高，随着时间的推移而下降，最后达到稳渗状态，而且整个入渗过程用Horton土壤入渗模型模拟效果较好。毛竹林土壤初渗速率分别为3.773，2.927，4.008mm／min，稳渗速率分别为1.525，1.157，1.709mm／min；火炬松相对较小，其初渗速率依次为0.163，0.390，1.637mm／min，稳渗速率只有0.112，0.206，0.950mm／min。各林分土壤渗透性好坏依次为:毛竹林＞杉木林＞湿地松林＞马尾松林＞常绿阔叶林＞火炬松林。

最后，通过主成分分析法综合评价，毛竹林水源涵养功能最强，马尾松林最弱。可见，毛竹林因庞大的地下鞭根系统［20］和人类经常性垦复或挖笋，有利于土壤结构、增加孔隙度和渗透性，从而增强其水源涵养功能。另外，应该减少人畜对火炬松林、马尾松林等林地的踩踏，以保持其土壤水源涵养功能。

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