不同植被恢复模式地表径流与土壤贮水能力研究

曾掌权， 田育新， 邓鹰鸿， 罗 佳， 牛艳东， 吴子剑， 杨 蕊， 罗 萍

(1.湖南省林业科学院， 湖南慈利森林生态系统国家定位观测研究站， 湖南 长沙 410004；2.湖南省林业厅， 湖南 长沙 410004； 3.湖南省桃江县板溪国有林场， 湖南 桃江 413402)

不同植被恢复模式地表径流与土壤贮水能力研究

曾掌权1， 田育新1， 邓鹰鸿2， 罗 佳1， 牛艳东1， 吴子剑1， 杨 蕊1， 罗 萍3

(1.湖南省林业科学院， 湖南慈利森林生态系统国家定位观测研究站， 湖南 长沙 410004；2.湖南省林业厅， 湖南 长沙 410004； 3.湖南省桃江县板溪国有林场， 湖南 桃江 413402)

于湖南省平江县选取针叶树种+一般阔叶树种混交林(M1)、针叶树种+珍贵阔叶树种混交林(M2)、珍贵阔叶树种(M3)等3种重建造林模式；于湖南省资兴市选取针叶树种+珍贵阔叶树种混交林(M6)、竹、乔混合经营(M7)、人工促进天然更新(M8)等3种恢复培育模式作为研究对象，定位观测研究不同模式径流产生特征与土壤持水能力。结果表明:造林模式M1、M2与M3的年地表径流量相差不大，其排序为CK1(73.07 mm)>M3(66.47 mm)>M2(62.51 mm)>M1(61.74 mm)。培育模式M7、M6、M8的年径流量相差不大，排序为为M7(22.76 mm)> M6(21.88 mm)>M8(20.16 mm)。造林模式在 30～40 mm和≥50 mm降雨区间产流量较多，占全年径流的25.89%～30.42%。造林模式20～30 mm和≥50 mm降雨区间产流量较多，占全年径流的27.83%～35.09%。森林植被重建和恢复模式下产生径流量较对照小，说明森林植被重建和恢复有利于降低林地地表径流。

造林模式； 培育模式； 地表径流； 森林经营

降雨是坡面产流的先决条件，降雨的过程中，林地表层土壤渗水能力好，容易形成壤中流[1]，在壤中流回流的基础上产生地表径流[2]。林地产流量的大小取决于降雨量、降雨强度及森林植被状况[3]。森林植被对坡面产流有着重要的调节作用[4-5]，通过林冠截持、灌草枯落物缓冲，可降低雨滴动能和减少水土流失[6]。不同地区、不同类型的森林植被具有不同的冠层结构和土壤环境，影响着降水在林冠层、凋落物层和土壤层的分配，进而影响地表径流的形成[7-8]。在世界银行贷款湖南森林恢复与发展项目区，通过增加树种与结构的多样性恢复和重建森林资源，改善地表径流状况，提高土壤贮水能力。因此，开展不同植被恢复与重建模式地表径流及土壤贮水能力研究十分必要。作者选取湖南省平江项目区不同植被重建模式和资兴项目区不同植被恢复模式的径流小区2014年定位观测数据，研究不同植被恢复与重建模式地表径流量，探讨不同植被恢复与重建模式对地表径流量的影响，为湖南植被恢复与重建选择持水保土能力强的造林树种，营建水土保持功能强大的林分提供技术支持。

1 研究区概况

平江不同植被重建模式项目区位于湖南省东北部、平江县献冲苗圃。该区属大陆性季风气候区、东亚热带向北亚带过渡气候带，年平均气温16.8 ℃，常年积温6 185.3 ℃，年平均降水量1450.8 mm，年日照1 731 h。资兴不同植被恢复模式项目区位于湖南省东南部、资兴市林业科学研究所。该区属亚热带季风湿润气候区，年均气温17.7 ℃，年均降雨量1 487.6 mm，年均日照1 700 h。

2 研究方法

2.1样地设置

在平江县献冲苗圃选取重建造林模式为M1(针叶树种+一般阔叶树种混交林)、M2(针叶树种+珍贵阔叶树种混交林模式)、M3(珍贵树种培育模式)的径流小区设置样地。在资兴市林业科学研究所选取恢复培育模式为M6(针叶树种+珍贵阔叶树种混交林模式)、M7(竹、乔混合经营模式)、M8(人工促进天然更新模式)的径流小区设置样地。各样地植被特征见表1，土壤特征见表2。

表1 样地植被特征Tab1 Patternsofvegetationrestorationandrestoration编号模式样地主要植被类型密度(株/667m2)平均树高(m)平均胸径(cm)CK1M1、M2、M3起点荒山1<5M1针叶树种+一般阔叶树种新造林杉木+枫香+樟树+桤木150<3<5M2针叶树种+珍贵阔叶树种新造林杉木+银杏+檫木+鹅掌楸150<3<5M3珍贵阔叶树种新造林银杏+香樟+檫木+楠木+鹅掌楸150<3<5M6针叶树种+珍贵阔叶树种培育模式马尾松+樟树+枫香+木荷1001210CK6受损森林马尾松 801210M7竹、乔混合经营模式毛竹+杜英+木荷2001512CK7受损森林竹林1501512M8人工促进天然更新模式柏+酸枣+含笑+红豆杉1001311CK8受损森林柏801311

2.2降雨观测

降雨观测场规格为5 m×5 m，场地平整，应用7852型自记雨量仪连续采集数据。按日降雨量<10 mm、10～20 mm、20～30 mm、30～40 mm、40～50 mm及≥50 mm等6个降雨区间进行统计。

2.3地表径流观测

地表径流采用坡面径流小区定位监测研究方法。每个项目区林分模式和每个非项目区林分模式(CK)各设置1个坡面径流小区进行定位监测，各重复3次。坡面径流小区采取5 m(平行等高线)×20 m(垂直等高线)进行设计。坡面径流小区由围埂、围埂围成的小区、集流槽、监测用房(含翻斗式地表径流仪、泥沙采样池)、进水管、排水管、保护带等组成。

表2 样地土壤基本理化性质Tab2 Basicphysicalandchemicalpropertiesofsoil编号坡向小区坡度(°)土壤容重(g/cm3)pH值有机碳(g/kg)总氮(g/kg)总磷(g/kg)CK1东南25311215425581250272M1东南2525122544543130257M2东南25191255486891210295M3东南25581235637241220291M6西南1055135055211290283CK6西南10571295015431310277M7西南25221325788471250274CK7西南25231315718121350275M8北20361375895321280242CK8北20321365905371340247

地表径流量监测采用QT-50 mL型翻斗式地表径流仪，连续采集数据。

2.4土壤持水量的测定及计算

在样地内挖掘土壤剖面，记录土壤层次及土层厚度，用环刀按 0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，40～60 cm的深度分层取样，带回室内测定土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、含水率及土壤持水能力，同时测定石砾体积含量。

2.5数据处理

采用Excel 2010对观测数据进行分析。

3 结果与分析

3.1降雨特征

表3结果表明：资兴恢复模式区2014年总降雨量为1 436.5 mm，不同日降雨量区间的年降雨量差异较大；日降雨量最大(≥50 mm)区间的年降雨量为392.5 mm，约占年总降雨量的27.3%；日降雨量最小(40～50 mm)区间的年降雨量为155.3 mm，约占年总降雨量的10.8%；日降雨量最大区间的年降雨量约为最小区间年降雨量的2.53倍。平江重建模式区2014年总降雨量为1 332.2 mm，不同日降雨量区间年降雨量差异亦较大；日降雨量最大(≥50 mm)区间的年降雨量为364.2 mm，约占年总降雨量的27.3%；日降雨量最小(40～50 mm)区间的年降雨量为142.5 mm，约占年总降雨量的10.7%；日降雨量最大区间的年降雨量约为最小区间年降雨量的2.56倍。

表3 2014年降雨特征Tab3 Characteristicsofrainfallin2014year日降雨量(mm)区间年降雨量(mm)资兴平江<101623159810～201654149320～302967267330～402643249140～5015531425≥5039253642模式区年总降雨量1436513322

3.2土壤贮水

3.2.1 土壤最大贮水能力 表4结果表明：培育模式林分M8的土壤贮水能力与M6、M7相差较大，M6与M7之间相差不大；各模式林分与各自对照间的相差不大，其大小排序为 M8> CK8> M7>CK7> M6>CK6。造林模式林分M3的土壤贮水能力与M1、M2的相差较大，M1与M2之间相差不大，M3与对照CK1之间相差较大；其它相差均不大，其大小排序为 M3> M2> M1。

表4 土壤最大贮水能力Tab4 Themaximumstoragecapacityofthesoil样地土层厚度(cm)总孔隙度(%)毛管孔隙度(%)非毛管孔隙度(%)最大贮水能力(t/hm2)M149397536453316170M254373634163217280M361386935293420740CK150382235123115500M657394935294223940CK654372333134122140M756392534854424640CK757374633164324510M848451139215928320CK845436538155524750

3.2.2 土壤贮水量 由表5可以看出：造林模式小区全年土壤贮水量为42.19～75.30 t/100 m2。6个日降雨量区间中，各林分都以40～50 mm区间的土壤贮水量最小，10～20 mm和30～40 mm区间的土壤贮水量较多。培育模式小区全年土壤贮水量达53.66～63.57 t/100 m2。6个日降雨区间中，各林分都以40～50 mm区间土壤贮水量最小，20～30 mm和30～40 mm区间土壤贮水量较多。培育模式林分M8的全年土壤贮水量与M6、M7的相差不大，各模式林分与各自的对照之间差异不大，其大小排序为M8(63.57 t/100 m2)>M7(60.23 t/100 m2)> M6(59.05 t/100 m2)> CK8

(59.00 t/100 m2)>CK7(58.37 t/100 m2)> CK6(53.66 t/100 m2)。造林模式林分M3的全年土壤贮水量与M1、M2、CK1的相差较大，M1、M2与CK1之间相差不大，其大小排序为M3(75.30 t/100 m2)>M2(65.96 t/100 m2)> M1(65.51 t/100 m2)> CK1(57.54 t/100 m2)。

表5 各林分全年土壤贮水量Tab5 Annualsoilwaterstorageofeachstand(t/100m2)日降雨(mm)区间M1M2M3CK1M6CK6M7CK7M8CK8<10106585269226621312209106100000010～20117111431292130181071479575475976520～30135514381751135015611459171916221669170230～40130813981677125416251502167216631922168040～50549586704526721667742738853745≥501103117914151057976902100499911541009总计6551659675305754590553666023583763575900

3.3年地表径流量

表6结果显示：造林模式M1、M2与M3的年径流量相差不大，与对照CK1的相差也不大，其排序为CK1(73.07 mm)>M3(66.47 mm)>M2(62.51 mm)>M1(61.74 mm)。培育模式M7、M6、M8之间年径流量相差不大，各林分与对照之间相差也不大，排序为M7(22.76 mm)> M6(21.88 mm)>M8(20.16 mm)。6个日降雨区间中，各林分的0～10 mm区间均不产流。造林模式30～40 mm和≥50 mm区间产流较多，占全年径流的25.89%～30.42%。造林模式20～30 mm和≥50 mm区间产流较多，占全年径流的27.83%～35.09%。

表6 各林分年径流区间分布Tab6 Annualrunoffintervaldistribution(mm)降雨(mm)区间M1M2M3CK1M6CK6M7CK7M8CK8<1000000000000000000000000000000010～2076181783685229430125827229330620～30123511241328144775176466068864670030～40181118851884222323124026226328529940～50767724821883258263297303218229≥501598170217781902654684798812573592总计6174625166477307218822512276233820162125

4 结论与讨论

土壤贮水量作为评价森林植被水土保持功能的重要指标，其大小与土壤厚度和土壤孔隙状况密切相关。土壤孔隙按当量直径的大小可分为毛管孔隙与非毛管孔隙，土壤水分贮存可分为吸持贮存和滞留贮存两种形式。有研究认为，在土壤结构方面，土壤结构是由土壤的板结程度、密实度和孔隙状况决定的[9]。土壤的孔隙度越大，土壤结构越疏松，土壤渗透性能越强。地表径流量与土壤渗透性能有关，土壤渗透性能越强，地表水下渗越多，径流量越小，反之，径流量越大[10]。徐小牛[11]等比较了常绿阔叶林65年生林分0～40 cm土壤层的最大持水量高于幼龄林的15.4%。这与本研究培育模式与造林模式之间土壤贮水能力相差较大的结果相似。这主要是因为培育模式是较成熟的林分，对土壤性质特别是对其毛管孔隙度有一定的促进作用。不同林分由于其模式和组成树种的不同，所形成的土壤结构不同，从而导致了土壤贮水能力的明显不同。培育模式具有较高的调节和涵养水源的功能，造林模式前期对土壤的扰动较大，影响其贮水能力，而荒山最小。

降雨是坡面产流的先决条件，地表径流量均随着降雨强度的增加而增大。这是因为降雨能够产生地表径流，对地表径流量的大小有着直接的影响[12]。同时，森林植被覆盖情况对其也有决定性的影响[3]，可以林冠截持、增加地面覆盖、涵养水源、降低雨滴动能，阻挡水土流失[6]。有研究表明，径流量受到林冠截留、林地枯枝落叶状况、土壤结构等多种因素的共同影响[I3]。林冠截留能够迟缓林内地表径流，不同的林地类型对降雨的截流能力存在差异。林冠层对降雨的截留作用，将会影响到地表径流量的大小[14]。在林地枯枝落叶方面，有研究表明，凋落物层会对径流产生较大的影响，不仅吸水持水能力强，而且还能够截留雨水，降低雨水的侵蚀作用，增强土壤渗透性，减缓减少地表径流量。

本研究造林模式各林分与培育模式各林分之间年径流量相差较大，主要原因可能是培育模式的林分较成熟，对土壤的改良较多。林分地表径流受降雨量的影响较大，尤其是大雨和暴雨过后，林分地表径流量呈明显增大的趋势，这与付林池[15]等研究米槠次生林和杉木人工林的地表径流量均随着降雨强度的增加而增大的结果相似。造林模式形成径流量远大于培育模式的原因可能是造林模式监测区为新造林分，前期砍伐、炼山、栽植等经营活动对土壤的扰动较大，植被破坏较严重，不利于保水保土，同时造林模式项目区坡度较大，同样也加剧了水土流失。培育模式有完整的林冠层、灌草层和枯落物层，改变了降雨的再分配，减少了地表径流的产生。因此，通过对森林资源的重建与恢复，将针叶林改造成针阔混交林，构建复层、异龄、多树种的植被群落，增加森林植被覆盖度，增强林地的林冠截留能力，增加林地凋落物的储量，能够降低雨水对地表的冲击，提高土壤渗透性，减少林地的地表径流。

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Therunoffandsoilwaterstorageofdifferentrestorationpatterns

ZENG Zhangquan1, TIAN Yuxin1, DENG Yinghong2, LUO Jia1, NIU Yandong1, WU Zijian1, YANG Rui1, LUO Ping3

(1.Hunan Academy of Forestry, Cili Research Station of Forest Ecosystem, Changsha 410004, China; 2.Forestry Department of Hunan Province, Changsha 410004, China； 3.Taojiang Banxi State-owned Forest Farm, Taojiang 413402, China)

This paper selects there afforestation modes of Pingjiang County as the research object about coniferous species+general broad-leaf species mixed forest (M1), coniferous species+ precious broad-leaved species mixed forest mode (M2) and precious broad-leaved species mixed forest mode (M3)，and there cultivation modes of Zixing City as the research object about coniferous species + precious broad-leaved species mixed forest mode (M6), bamboo and arbor mixed mode (M7) and manually promoted natural regeneration mode (M8), to research the runoff characteristics under different vegetation model. The results show that there is a little difference in the annual runoff volumes among the afforestation modes. The sequence is CK1 (73.07 mm) > M3 (66.47 mm) > M2 (62.51 mm) > M1 (61.74 mm). There is a little difference in the annual runoff volumes among the cultivation modes M7, M6 and M8. The sequence is M7 (22.76 mm) > M6 (21.88 mm) > M8 (20.16 mm). There is significant difference in the annual runoff volumes between afforestation mode forest stands and cultivation mode forest stands. The afforestation modes have more runoff generation at 30～40 mm and ≥50mm sections, amounting to 25.89%～30.42% of the annual runoff volume. The cultivation modes have more runoff generation at 20～30mm and ≥50 mm sections, amounting to 27.83～35.09% of the annual runoff volume. Under the mode of forest vegetation reconstruction and recovery, the runoff rate is smaller than that of the control, which indicates that the vegetation restoration and restoration is beneficial to reduce the surface runoff.

afforestation mode; cultivation mode; runoff; forest management

2016-04-08

世界银行贷款湖南森林恢复与发展项目(JC-3)；湖南省林业科技计划(XLGYLCJ-201501，XLK201417)；科技部国际科技合作专项(2015DFA90450)；湖南省自然科学基金项目(2015JJ6050)；国家林业局湖南慈利石漠化定位监测项目。

曾掌权(1976-)，男，湖南省益阳市人，助理研究员，博士，主要从事森林生态研究。

田育新，研究员；E-mail：1549751927@qq.com

S 718.55+7

A

1003 — 5710(2016)04 — 0081 — 05

10.3969/j. issn. 1003 — 5710.2016.04.016

(文字编校：唐效蓉)