福建柏不同混交模式林分水源涵养能力比较

李肇锋 黄碧华 郑郁善,3

(1.福建林业职业技术学院，福建 南平 353000；2.福建省林业科技试验中心，福建 南靖 363600；3.福建农林大学林学院，福建 福州 350002)



福建柏不同混交模式林分水源涵养能力比较

李肇锋1黄碧华2郑郁善1,3

(1.福建林业职业技术学院，福建 南平 353000；2.福建省林业科技试验中心，福建 南靖 363600；3.福建农林大学林学院，福建 福州 350002)

在福建省国有南靖林场对7种混交模式的福建柏混交林进行水源涵养能力的观测，分析比较不同混交模式地上部分与土壤持水量的差异。结果表明：福建柏混交林林分地上部分持水量与其生物量呈正相关关系，福建柏×火炬松混交林最大，为42.49 t/hm2；土壤层持水量均占林分总持水量的96%以上，福建柏×火炬松混交林最高；各林分不同层次的持水量排序为土壤层>林冠层>凋落物层>活地被物层，土壤层是森林水源涵养的主要场所；通过对福建柏混交林林分涵养水源的综合评价可知，采用福建柏×火炬松混交模式建立的林分水源涵养能力最大。

福建柏；混交林；水源涵养;土壤；综合评级

近年来，水资源紧缺已成为全球性问题[1]，森林的水源涵养功能以及水土保持能力越来越受到人们的重视。森林水源涵养效益，是指森林对降雨的截留、吸收、贮存和通过将地表水转化为地下水从而达到调节河川径流丰枯平衡的作用[2]，其作用机制是个十分复杂的过程[3]，但主要功能表现在削减洪峰和增加水资源量2个方面[4-5]。涵养水源功能的大小取决于森林的树种组成和结构，森林由林冠层、灌木层、草本层和凋落物层形成的多层次结构，具有陆地生态系统中最大的水源涵养功能。森林通过林冠层和林下植被层的截留、枯枝落叶层的拦蓄和土壤层的蓄贮实现其涵养水源的功能[6-7]，因此，有学者提出用林冠截留量、凋落物蓄水量和林地土壤的最大贮水量之和来表征森林涵养水源的能力。

福建柏(Fokieniahodginsii)是我国特有的单种属植物，因其生长快，树形优美且具有较强的抗风能力，在我国南方作为抗击台风、保持水土的重要用材树种。本研究在2003年营造的不同模式福建柏混交林内，建立定位观察点，对比传统的杉木(Cunninghamialanceolata)纯林，对福建柏混交林涵养水源功能进行研究。关于森林生态系统水源涵养功能的研究，很多学者采用了水量平衡法或通过降水量、蒸发量、径流量与水源涵养量间的关系来推算森林生态系统水源涵养效益[8-13]，而本研究通过采用混交林分不同层次水源涵养量之和来表征不同福建柏混交林水源涵养的能力，以期为揭示福建柏混交林涵养水源功能提供基础数据和实践指导。

1 研究地概况

研究地设在福建省国有南靖林场小山城工区，地处北纬24′26″～24′59″、东经117′00″～117′36″。地势由西北向东南倾斜，依次分为中低山、丘陵、台地和河谷平原4个地貌类型区，以丘陵为主。气候温和，光照充足，雨量充沛，四季常青，雨热同季；年平均日照时数试验 426.6 h，年平均太阳辐射量 486.18 kJ/cm2；年平均气温17.0～21.4 ℃，1月平均气温4～8 ℃，极端低温-2.0 ℃，7月平均气温29～34.4 ℃，极端高温40.5 ℃；无霜期321 d；年平均降水量1 580～1 880 mm，年平均蒸发量1 500 mm，年平均相对湿度为79%；为典型的南亚热带海洋性季风气候。土壤以河岩母质上发育的山地酸性粗骨性红壤为主，土层中厚至深厚，肥力较低。林下植被以芒萁骨(Dicranopterislinecaris)和桃金娘(Rhodomyrtustamentosa)为主，其次有东方乌毛蕨(Blechnumcrientale)、鹅掌柴(Scheffleraoctoplylla)、野牡丹(Melastomacandidum)等。

2 研究方法

2.1 调查对象及方法

不同模式混交林营造于2003年，造林立地条件一致，随机区组排列，行间混交。混交模式有福建柏×木荷(Schimasuperba)(h-1)、福建柏×火炬松(Pinustaeda)×杉木(h-2)、福建柏×火炬松(h-3)、福建柏×火力楠(Micheliamaudiae)×杉木(h-4)、福建柏×湿地松(Pinuselliottii)(h-5)、福建柏×火力楠×杉木×湿地松(h-6)、福建柏×杉木(h-7)，以及杉木纯林(h-8)。每个混交模式调查标准地面积为25.82 m×25.82 m，设置3块标准地。2015年1月，对样地内不同模式混交林树木进行每木检尺，测定胸径、树高、枝下高、冠幅，计算密度。根据调查材料计算平均胸径和平均树高，用标准木求算林分地上部分生物量。不同混交模式各样地概况见表1。

2.2 指标测定

在标准地内随机设3个1 m×1 m的样方，收集林冠、活地被物和枯枝落叶的样品，带回实验室内称量，取部分样品烘干(95 ℃，24 h)后再称量，推算单位面积生物量。

持水量和持水率的测定采用室内浸水法，将样品带回室内称取浸水(2 h)前后质量，求算出持水量和持水率。将烘干后的样品采用浸水24 h后，取出称量，求算枯枝落叶层的最大持水率[14-16]。

R持水=(mt-m干)/m干×100%

R最大=(m24-m干)/m干×100%

最大持水量=样品累积质量×R最大。

式中：mt为浸泡t时间的样品质量；m干为样品干质量；m24为浸泡24 h后样品质量。R持水为持水率;R最大为最大持续率。

土壤渗透能力采用土壤渗透速度和系数表示，土壤排水能力和土壤贮水量采用环刀法分层取样带回室内测定，求算出土壤渗透速度和系数，以及0～40 cm的土壤排水能力和最大贮水量。

2.3 统计分析

采用Excel 2007和SPSS 19.0软件对数据进行处理及统计分析。

3 结果与分析

3.1 森林地上部分涵养水源作用

福建柏混交林各样地地上部分持水量统计结果见表2。

由表2可知：单位面积福建柏混交林平均截留雨水能力为23.93 t/hm2，是杉木纯林的1.83倍，表明福建柏混交林地上部分对水源的涵养能力高于杉木纯林。不同福建柏混交模式，地上部分持水量从高到低依次为：福建柏×火炬松混交林>福建柏×火力楠×杉木混交林>福建柏×湿地松混交林>福建柏×木荷混交林>福建柏×火炬松×杉木混交林>福建柏×火力楠×杉木×湿地松混交林>福建柏×杉木混交林，即福建柏×火炬松的混交林对水源具有较好的涵养能力。

表1 福建柏不同混交模式样地概况Tab.1 Situation of the different mixed forest stands plots

表2 福建柏混交林林分地上部分持水量Tab.2 Water-holding capacity of aboveground part of different mixed forest stands (t·hm-2)

注：相同列小写字母表示P<0.05水平差异显著，大写字母表示P<0.01水平极显著。

从林分地上部分总生物量看(表1)，福建柏×火炬松混交林的生物量最大，为339.57 t/hm2；其次是福建柏×火力楠×杉木混交林，为286.41 t/hm2；第三是福建柏×火炬松×杉木混交林，为256.53 t/hm2。林木生物量直接影响林木的改良土壤、减少地表径流和土壤侵蚀的作用，以及凋落物吸水能力等。本研究结果表明：林分地上部分持水量与其生物量呈正相关关系(r=0.87**)，不同福建柏混交林林冠层均有较好的持水能力，林冠截留量为10.46～34.94 t/hm2，其中福建柏×火炬松混交林林冠层截留能最大，为34.94 t/hm2。多重比较结果表明：福建柏×火炬松混交林与其他混交林差异性达到极显著，其林冠截留量是杉木纯林的3.61倍。福建柏混交林林分林下活地被物也具有一定的持水能力，对林分实现水源涵养有一定贡献(表2)，但贡献量较其他地上部分低。不同模式的福建柏混交林凋落物拦蓄量均高于杉木纯林，具有较好的持水能力，其中福建柏×火炬松×杉木混交林最大，其次为福建柏×火炬松混交林，分别为杉木纯林的2.56倍和2.19倍，这对于减少水土流失有着重要作用。从不同福建柏混交林林分地上部分总持水量来看，福建柏×火炬松混交林最大，为42.49 t/hm2；其次为福建柏×火力楠×杉木混交林，为30.65 t/hm2，且与其他林分差异均到达极显著水平。

3.2 土壤层涵养水源作用

3.2.1 土壤的蓄水能力 林地土壤对降雨的调节能力，主要表现在对降雨的动态调蓄能力和静态调蓄能力(贮水能力)。土壤对降雨的蓄贮能力，主要取决于土壤非毛管孔隙的数量和质量。土壤非毛管孔隙的数量愈多、质量愈好，则蓄贮降雨的能力就愈大，各福建柏混交林林分土壤的物理性质及蓄水能力见表3。

表3 福建柏混交林林分土壤物理性质及蓄水能力Tab.3 Soil water-holding capacity and physical properties of different mixed forest stands

森林表层土壤是福建柏混交林林木根吸收养分的主要场所，其水分状况对福建柏混交林林木的生长具有显著影响。从表3可知，0～40 cm土层中福建柏×火炬松混交林最大持水量最大，为90.02 t/hm2，比杉木纯林高25.03%；福建柏×火炬松混交林0～40 cm的土壤排水能力较强，为51.34 mm；该林分土壤通气度较好，贮水量最高，达130.25 mm，比杉木纯林高44.85%。在不同的混交模式中，福建柏混交林林分土壤0～40 cm总孔隙度为40%～60%，通气状况良好，其中福建柏×火炬松混交林林分土壤0～40 cm总孔隙度最大，为59.03%；0～40 cm非毛管孔隙度也是该林分最大，为17.43%。非毛管孔隙度大小决定了土壤有效持水量大小，有效持水量大，其持水能力强。福建柏×火炬松混交林林分0～20 cm土层土壤容重最小，0～40 cm的平均土壤容重为1.15。总体来看，与杉木纯林相比，福建柏混交林均有较强的土壤蓄水能力。

3.2.2 土壤的渗透能力 土壤的渗透能力主要取决于土壤物理性质，与土壤容重、非毛管孔隙度和排水能力的关系最密切。渗透性能良好的土壤，在一定的降雨强度条件下，水分可充分渗入土壤，变成地下径流。土壤渗透能力的大小，一般用10 ℃时的土壤稳渗系数(K10)来表示。福建柏混交林林分土壤渗透性能见表4。

表4 福建柏混交林林分土壤渗透性能Tab.4 Soil infiltration capacity of different mixed forest stands

由表4可知，福建柏混交林各林分土壤的稳渗速度和稳渗系数均大于杉木纯林，其中福建柏×火炬松混交林土壤的稳渗速度和稳渗系数最大，分别为7.92 mm/min和3.80 mm/min，高出杉木纯林228.63%和645.10%，因而降水能快速渗透到土层中，减少地表径流。杉木纯林土壤渗透性差，是由于其土壤结构较差，杉木人工纯林在营造过程中，由于植被单一，林下物种较少，易导致水土流失，削弱了生物对土壤的改良作用，土壤结构劣化，影响杉木纯林土壤涵养水源能力。

3.3 各混交林林分综合评价

福建柏混交林林分总持水量见表5。由表5可知，不同的混交模式其林分的地上部分持水量也变化较大，平均为23.92 t/hm2，其中福建柏×火炬松混交林持水量最大，为42.49 t/hm2。土壤是森林涵养水源的主体，福建柏混交林林地土壤0～40 cm贮水量均占林分总持水量的96%以上，福建柏×火力楠×杉木混交林土壤持水量最好，为1 310.6 t/hm2;其次是福建柏×火炬松混交林，为1 302.5 t/hm2。但总持水量最大的是福建柏×火炬松混交林，达1 344.99 t/hm2。

林分总持水量可由地上部分持水量与土壤层持水量之和表征，7种不同混交模式林分总持水量间存在一定差异。福建柏×火炬松混交林最高，其次为福建柏×火力楠×杉木混交林>福建柏×湿地松混交林>福建柏×木荷混交林>福建柏×火力楠×杉木×湿地松混交林>福建柏×杉木混交林>福建柏×火炬松×杉木混交林>杉木纯林。

综合表2、5可知，各林分不同层次的持水量排序为：土壤层>林冠层>凋落物层>活地被物层。其中土壤层持水量均占林分总持水量的96%以上，可见土壤层是森林水源涵养的主要场所，这与许多学者[17-19]关于混交林水源涵养的研究结果相一致。因此，森林水源涵养功能大小取决于林分结构、土壤结构及树种组成特征等众多因素，但土壤层持水量影响最大。

表5 福建柏混交林林分总持水量Tab.5 The total water-holding capacity of different mixed forest stands

4 结论与讨论

1) 福建柏混交林林分地上部分持水量与其生物量呈正相关关系，为10.46～34.94 t/hm2。其中福建柏×火炬松混交林最大，为42.49 t/hm2，比杉木纯林高224.84%;其次为福建柏×火炬松>福建柏×火力楠×杉木>福建柏×湿地松>福建柏×木荷>福建柏×火炬松×杉木>福建柏×火力楠×杉木×湿地松>福建柏×杉木>杉木纯林。地上部分持水量中林冠的截留作用所占比例相对较高，其次为凋落物拦截，这与蔡丽萍等[20]和林惠琏等[21]的研究一致。

2) 森林土壤是森林涵养水源的关键一环，其持水量通常占林分水源涵养量的85%以上，成为森林涵养水源功能的重要评价指标[22]。在福建柏混交林林分中，降雨量被林冠层、林下植被层和枯枝落叶层截留，同时由于混交林具有较高的培肥土壤能力和改善渗透性能，使林地涵养水源增强，较单一纯林地表径流减少。不同混交模式福建柏混交林的水源涵养作用有所差异，福建柏×火炬松混交林的土壤通透性好，其土壤排水能力较强，林分土壤通气度较好、贮水量高、总孔隙度大，土壤容重小。福建柏×火炬松混交林土壤的稳渗速度和稳渗系数最大，较杉木纯林高228.63%和645.10%。吴迪等[18]对林地土壤入渗速率和入渗时间进行拟合，得出二者存在较好的幂函数关系，也充分说明其土壤渗透能力能较好地表征涵养水源功能。

3) 从福建柏不同混交模式林分地上部分和林地土壤层持水量对比得知，各林分不同层次的持水量排序为：土壤层>林冠层>凋落物层>活地被物层。其中土壤层持水量均占林分总持水量的96%以上，土壤层持水量对林分水源涵养功能影响最大，与齐清等[23]对沙质海岸不同植被类型土壤水源涵养功能的研究的结果一致，其土壤层贮水量占总蓄水量的97%以上。

4) 通过对福建柏混交林林分涵养水源的综合评价可知，采用福建柏×火炬松的混交模式建立的林分对水源涵养能力最大，为1 344.99 t/hm2，说明福建柏和火炬松的混交林对水源具有较好的涵养能力。福建柏与火炬松混交后，林分具有层次性，与杉木纯林相比较，林分地上部分的持水性能得到改善，降水经过林冠层、活地被物层、凋落物层的多次截留后，减弱了雨滴的击溅力，延缓了其到达地面的时间，加上混交后，能充分利用地力，林地土壤结构及土壤孔隙状况得到改善，土壤渗透性加强，土壤水分蓄积能力的提高有利于雨水下渗，从而减弱了地表径流，使得混交林表现出比杉木纯林更好的涵养水源功能，达到较佳的水土保持和涵养水源等目的。

5) 从不同模式的福建柏混交林和杉木纯林对水源的涵养能力比较分析可知，在福建省闽南山区，福建柏与不同树种的混交林对水源的涵养能力均超过杉木纯林。与杉木纯林相比，福建柏混交林地的地表覆盖度增大，具有林冠截留、减缓降水强度、避免雨滴直接打击土壤的作用，同时也改善了土壤结构和土壤渗透性能，减少地表径流，起到保持水土的巨大作用。

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(责任编辑 曹 龙)

Research on Forestland Water Conservation Function of Mixed Forests ofFokieniahodginsiiPlantation

Li Zhaofeng1，Huang Bihua2，Zheng Yushan1,3

(1.Fujian Forestry Vocational and Technical College, Nanping Fujian, 353000，China；2. Fujian Provincial Forestry Research Center，Nanjing Fujian 363600，China；3.College of Forestry, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou Fujian 350002, China)

Based on the research on the mixed forest water conservation function differences among 7 models ofFokieniahodginsii, in Nanjing national forest farm in Fujian province, analyzed the difference of aboveground part and water-holding capacity of mixed models. The result showed that,Fokieniahodginsiimixed forest had a positive correlation between the water conservation of aboveground part and biomass. Among these models， having the highest ability were the mixed forest ofFokieniahodginsiiandPinustaeda，with 42.49 t/hm2. Soil layer conservation accounted for upwards of 96 percent of total stand water-holding content. Among of them,Fokieniahodginsii×Pinustaedawas highest. The order of the different levels was soil layer, canopy class, litter layer and living ground cover layer, and soil layer was the primary sites for water conservation. Through comprehensive assessment of water conservation capacity of mixed forests ofFokieniahodginsiiplantation could make sure that the mixed model ofFokieniahodginsii×Pinustaedawas the best for stand water conservation .

Fokieniahodginsii;mixed forest;water conservation;soil;comprehensive evaluation

2015-05-25

福建省林木种苗科技攻关四期项目(闽林科[2013]1号)资助。

郑郁善(1960—)，男，教授，博士生导师。研究方向：森林培育。Email：zys1960@163.com。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.05.003

S715.7

A

2095-1914(2015)05-0014-07

第1作者：李肇锋(1966—)，男，硕士，副教授。研究方向：森林培育与森林生态。Email：544713197@qq.com。