昆明市松华坝水源区不同森林类型的水源涵养功能研究

杨 光，戴 丽，李小英

（1.西南林业大学环境科学与工程学院，云南 昆明 650224；2.云南省环境科学研究院，云南 昆明 650034）

昆明市松华坝水源区不同森林类型的水源涵养功能研究

杨 光1，2，戴 丽2，李小英1

（1.西南林业大学环境科学与工程学院，云南 昆明 650224；2.云南省环境科学研究院，云南 昆明 650034）

以昆明市松华坝水源保护区四种典型的水源涵养林 （针叶林、针阔混交林、阔叶林、灌木林地）为研究对象，分别对林冠截留能力、枯落物层持水和截留能力以及土壤水源涵养能力三个方面分析比较。结果表明：四种森林类型中，针阔混交林水源涵养效果最好，灌木林地水源涵养效果最差。

水源林；森林类型；涵养水源；功能；研究；松华坝；昆明

水源涵养林，也称为水源林，是指河川、湖泊、水库的上游集水区内具有良好的林分结构和林下地被物层的天然林 （包括原始森林和次生林）和人工林，是防护林种之一［1］。这些森林在水源区占有一定的面积，具有保持水土、涵养水源、改善水质、调减洪峰等作用［2］。森林的水源涵养功能是森林生态系统的重要功能之一，不同的森林类型由于其生态学特征存在差异，导致林分整体的水源涵养功能也存在一定差异［3］。

松华坝水源保护区作为昆明市重要的集中式饮用水水源地之一，近三年日均供水量在 130万 m3左右 （2010—2012年），约占昆明城区日供水量的25%。2009年以来，云南省遭受百年不遇的持续干旱，松华坝水库水位线不断下降。因此，开展松华坝水源区不同森林类型水源涵养功能研究对于保障昆明城市饮用水安全和水源区水资源的可持续利用具有重要意义。

1 研究区概况

松华坝水源区位于昆明市北郊，东经 102°45′～102°59′，北纬25°10′～25°28′，包括松华坝水库径流区以及水库枢纽工程两部分。松华坝水源区属于湖库型水源地，主要入库河流为牧羊河和冷水河，汇水面积629.8km2（含地表593km2和地下水汇入区域），海拔高程1920～2800m。

根据调查，水源区地带性植被是以滇石栎、滇青冈为优势种组成的亚热带半湿润常绿阔叶林。但是在长期的历史过程中由于人为干扰，地带性原生植被受到了严重破坏，出现了针叶林、针阔混交林、次生灌丛等次生植被，森林覆盖率一度下降至27% （1985年）［4］。通过人工造林、封山育林、退耕还林和水土流失治理等措施，目前水源区森林覆盖率已提高到61.46%，主要植被类型为常绿阔叶林和针叶林。

2 研究方法

2.1 样地选择和设置

通过对松华坝水源区的详细调查，综合考虑研究区的土壤状况，植被分布和地形条件等立地因子，选取水源区四种典型的植被类型：针叶林、阔叶林、针阔混交林和灌木林作为研究对象，最终选定了8块20m×30m的研究样地。分别是：针叶林（云南松林、华山松林、云南松 －油杉林）；针阔混交林（旱冬瓜－云南松林、旱冬瓜－华山松林）；阔叶林 （旱冬瓜林、圣诞树林）和灌木林地。样地基本信息见表1。

2.2 林冠截留水量测定

在样地外空旷地上设置林外雨量站，用标准雨量器测定林外雨量；通过在样地内标准木林冠下和林冠空隙放置的标准雨量计，通过公式计算林内雨量（透过雨量）；在样地内选择不同胸径的标准木，用聚乙烯或剖开的胶皮管做槽，螺旋环绕树干，用黄油或沥青填充缝隙并粘牢，下方设置集水器，用以测算树干径流量。树冠截留量＝林外雨量－透过雨量 －树干径流量。

表1 研究样地基本情况

2.3 林地调查

在每块样地内根据地形、母质、植被等特点选择具有代表性的典型地段，挖掘 2～3个土壤剖面进行观测记录。用环刀和铝盒分别采集0 ～20cm，20～50cm土层土样，运用常规分析方法，测定土壤含水量、毛管持水量、最大持水量、土壤孔隙度和森林土壤蓄水量等指标。在样地内间隔布设 3个 1m×1m的枯落物层样方，每个小样方内测定枯落物层的厚度，并用铝盒采样3～5个，烘干称重用以计算枯落物层质量和含水量。

3 结果与分析

3.1 林冠层截留功能分析

林冠截留是森林对降雨到达地面的第一道阻截，也是对降雨进行重新分配的第一层次［5］。它一方面降低了到达地表的实际雨量，从而减轻侵蚀；另一方面减弱了雨滴对土壤的溅蚀和雨滴对坡面薄层水流的扰动［6］。不同林分结构和植被盖度导致不同森林类型的林冠截留量相差很大［7］。本研究将林冠层的截留划分为乔冠层、灌木层和草被层三个亚层，以监测期内一次最大截留量，对各森林类型的林冠截留能力进行分析，详见表2。

表2 不同森林类型林冠结构与截留功能对比

从整体上看，四类样地中乔、灌、草三个层次的盖度和截留能力均呈现显著的正相关关系，乔冠层在林冠截留中占主导作用，约占截留总量的2／3，灌木层和草被层合计占1／3左右。

四类样地中，针阔混交林截留量最大，原因是混交林具有多层次的林分结构，林下物种丰富，郁闭度大，林冠层持水能力强。四类样地林冠截留量大小依次为针阔混交林 （0.65mm）＞针叶林（0.37mm）＞阔叶林 （0.28mm）＞灌木林地（0.24mm）。由此可见，相比另外三种森林类型，针阔混交林能够更好地降低雨水对林下土壤的侵蚀，减少地表径流和水土流失量，截留效果最好。

3.2 枯落物层持水和截留功能分析

林地枯落物层由林冠层植物地上部分枯死脱落的新鲜的和半分解的凋落物组成，包括叶、枝、树皮、花、果实和种子等［8］。枯落物层是森林对林地降雨影响的第二个作用层，对降雨具有重要的调节和拦蓄作用［9］。枯落物层的持水性能与林分结构及枯落物的分解状况有关，不同森林类型枯落物层的质和量不同，其持水性也存在差异［10～13］。研究区四种森林类型枯落物层持水能力和截留能力分异情况详见表3和图1。

表3 不同森林类型枯落物层持水能力和截留能力分异情况

通过表3可以发现，不同森林类型枯落物层蓄积量大小顺序为针叶林 （9.94 t／hm2）＞针阔混交林 （5.45 t／hm2）＞阔叶林 （5.30 t／hm2）＞灌木林地 （1.64 t／hm2）。分析原因认为主要是针叶林郁闭度 （平均为0.93）较大，另外针叶林落叶相对其他三种森林落叶较难分解，因此枯落物蓄积量最大。枯落物最大持水率浮动范围为 72.10%～275.15%，最大持水率大小依次为针阔混交林（275.15%） ＞针叶林 （265.45%） ＞阔叶林（259.90%）＞灌木林地 （72.19%）。四种森林类型枯落物层的最大持水量浮动范围为8.34～25.71 t／hm2，最大持水量从大到小顺序为针叶林 （25.71 t／hm2）＞针阔混交林 （18.43 t／hm2）＞阔叶林（15.78 t／hm2）＞灌木林地 （8.34 t／hm2）。

不同森林类型枯落物层最大持水量与枯落物蓄积量变化趋势一致，伴随枯落物蓄积量的增加，枯落物层最大持水量也会相应提高。但是最大持水量与最大持水率的变化存在差异，分析原因可能是针阔混交林的枯落物组成、分解速度和叶片大小等因素更有利于提高枯落物层吸水能力，因此针阔混交林的最大持水率较高。

枯落 物 层的 截流 量 变化 范 围 为0.07～0.68mm，截留量与枯落物的最大持水率成正比。四种森林类型的截留量大小顺序为针阔混交林（0.68mm）＞针 叶 林 （0.58mm）＞阔 叶 林（0.57mm）＞灌木林地 （0.07mm）。

在四种森林类型中，针阔混交林由于林分结构合理、林下物种丰富，其枯落物层持水率和截留量都排名第一，持水量排名第二，说明针阔混交林枯落物层具有更好的持水、截留效果。

3.3 土壤的水源涵养功能分析

森林土壤是森林对林地降雨影响的第三个作用层［14］。所谓森林土壤的水源涵养功能，实际就是指林地土壤对降雨的拦蓄功能，这一功能主要与林地土壤的渗透性能、孔隙度及土壤层持水量、蓄水能力等指标有关［15］。由于森林土壤伴随着森林发育过程，在不同森林类型的影响下与成土母质相互作用而产生不同变化，因此土壤的水源涵养功能与其所在的森林类型和发育情况有着直接联系。

3.3.1 不同森林类型土壤孔隙度特征分析

土壤孔隙度分为毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度。土壤孔隙是土壤养分、水分和空气的转运通道，也为土壤中微生物提供活动空间，对调节土壤中水、肥、气、热具有重要意义［16］。土壤毛管孔隙度与土壤蓄水能力成正比，土壤毛管孔隙越多，土壤持水性越强［17］；土壤非毛管孔隙不具有持水能力，但能使土壤通气、透水，是土壤中重力水转运的重要通道，其数量的多少直接影响土壤调节水分的能力［18］。

通过表 4和图2可以看出，四种森林类型的土壤孔隙度和容重均随土层加深呈现出反比关系：土层越深，土壤容重越大，表明土壤越紧实、孔隙越少，结构性越差。四种森林类型的土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度均存在较大差异，证明不同植被类型对土壤结构改善的效果不同。四种森林类型的土壤毛管孔隙度大小依次为阔叶林 （44.38%）＞针阔混交林 （41.92%）＞灌木林地 （41.95%）＞针叶林 （39.3%）；土壤非毛管孔隙度大小依次为针阔混交林 （8.65%）＞阔叶林 （8.06%）＞针叶林 （7.23%）＞灌木林地 （6.18%）；土壤总孔隙度大小依次为阔叶林（52.44%）＞针阔混交林（50.57%）＞灌木林地 （48.13%）＞针叶林（46.52%）。由此可知，四种森林类型都能有效改善土壤结构、增加土壤通透性、提高土壤水源涵养能力，作用效果依次为阔叶林＞针阔混交林＞灌木林地 ＞针叶林。

表4 不同森林类型土壤的物理性质

3.3.2 不同森林类型土壤蓄水特征分析

土壤是森林生态系统中水分储存的重要场所，土壤的持水能力主要取决于土壤孔隙的大小和组成，通常用土壤最大蓄水量和有效蓄水量来衡量［19］。土壤最大蓄水量是指土壤毛管水和非毛管水均达到饱和时土壤的蓄水量。土壤有效蓄水量是指土壤中的非毛管水量［20～21］。四种不同森林类型土壤蓄水量如表5，蓄水能力比较见图3。

表5 四种不同森林类型土壤蓄水量

从表5可以看出，一方面不同森林类型土壤的自然含水量存在较大差异：针阔混交林最高（15.57%），针叶林位居第二 （12.49%），阔叶林（8.05%）和灌木林地 （6.55%）较差。相同森林类型的浅层土壤 （0～20cm）和深层土壤（20～50cm）自然含水量的垂直差异不明显，但总体趋势是浅层土壤自然含水量大于深层土壤。另一方面，四种森林类型的土壤有效蓄水量也存在明显差异，针阔混交林最好 （416.45t／hm2），阔叶林较好 （387.17t／hm2），针叶林稍差 （346.63t／hm2），灌木林地最差 （299.18t／hm2），其主要原因是针阔混交林的非毛管孔隙度多于另外三类土壤。四种森林类型中，阔叶林的土壤最大蓄水量排名第一（2609.36 t／hm2），比 第 二名 针 阔混 交 林（2452.33t／hm2）多 6.40%，比排名第三的灌木林地 （2376.33t／hm2）多9.81%，比排名最末的针叶林 （2284.63t／hm2）多14.21%。总体来看，针阔混交林、阔叶林的土壤蓄水能力比针叶林、灌木林地优秀。

4 结论与建议

（1）整体来看，松华坝水源林乔、灌、草三个层次的盖度和截留能力均呈现显著的正相关关系，乔冠层在林冠截留中占主导作用，约占截留总量的 2／3，灌木层和草被层合计占1／3左右。

（2）针阔混交林的林冠截留量最大，比针叶林多75.68%，比阔叶林多132.14%，比灌木林地多170.83%。针阔混交林拦蓄降雨的效果远远好于另外三种森林类型。

（3）针阔混交林枯落物层具有更好的持水、截留效果。针叶林、针阔混交林、阔叶林和灌木林地枯 落 物层 最 大 持水 率 依 次 为 265.45%、275.15%、259.90%和 72.19%；最大持水量依次为25.71t／hm2、18.43t／hm2、15.78t／hm2和8.34t／hm2；截留量依次为0.58mm、0.68mm、0.57mm和0.07mm。

（4）四种森林类型中改善土壤孔隙效果最好的是阔叶林。土壤总孔隙度大小依次为阔叶林 ＞针阔混交林＞灌木林地 ＞针叶林，不同森林类型土壤总孔隙度范围是46.52%～52.44%。

（5）针阔混交林、阔叶林的土壤蓄水能力比针叶林、灌木林地优秀。结合土壤有效蓄水量和最大蓄水量两方面来看，土壤有效蓄水量为：针阔混交林 ＞阔叶林 ＞针叶林＞灌木林地；土壤最大蓄水量为：阔叶林 ＞针阔混交林 ＞灌木林地 ＞针叶林。

（6）通过上述分析得出：松华坝水源保护区涵养水源效果最好的是针阔混交林，最差的是灌木林地。建议松华坝水源区在林分经营管理过程中注意优化林分系统结构，努力改变目前林分单一、层次结构简单、生物多样性低的现状，加大混交林的营造力度，以便更好地发挥松华坝水源保护区水源涵养林的生态效益。

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Research on Water Conservation in Different Forest Types in Kunming Songhuaba Water Resource Protection Area

YANG Guang1，2，DAI Li2，LI Xiao－ying1
（1.College of Environmental Science and Engineering，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224，China）

Four types of forests including coniferous forest，mixed broadleaf－conifer forest，broadleaf forest，and shrub land were selected in Kunming Songhuaba Water Resource Protection Area to compare their water conservation capabilities.The capacity of canopy interception，the capacity of litters water－holding，and the capacity of soil water conservation of these four forest types were analyzed.The results showed that mixed broadleaf－conifer forest has the highest water conservation capability.However，shrub land indicates the least capability.

water conservation forest；forest type；water source conservation；function；research；Songhuaba；Kunming

X173

A

1673－9655（2014）02－0025－06

2014－01－21

杨光 （1989－），男，在读研究生，主要从事水土保持与生态恢复研究。

李小英 （1967－），女，博士，副教授，主要从事水土保持与生态恢复方面的研究。