三峡库区防护林林分结构特征与径流、泥沙输出的关系

田耀武，黄志霖，肖文发，王 聪，耿婉璐

林分结构主要用树种组成、年龄、直径、树高、形数、林层、密度和蓄积等指标来描述［1］。郁闭度是树冠投影面积与林地面积的比值，是衡量森林资源优劣的一项指标，对林分生态因子有深刻的影响［2］。林分结构决定林分功能，林分功能反映林分结构［3-4］。三峡库区部分天然次生林及人工防护林林分结构简单，水源涵养和水土保持功能较低，已产生了一系列的生态环境问题，后期三峡大坝生态屏障建设中亟需对现有林分功能进行评定。已有文献报道了三峡库区人工林结构［5-7］和防护林质量及结构调整［8-13］等措施。本研究选取三峡库区秭归县茅坪镇中西部林区马尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata)以及马尾松×栎类混交林等3类优势树种(组)，以林分郁闭度为基础划分为15个林分结构类型，调查林分结构特征指标和径流、泥沙输出量。以揭示马尾松、杉木和混交林林分郁闭度与灌木盖度、草本盖度的关系，评价不同林分类型的土壤饱和贮水量、径流和泥沙的输出量，并确定马尾松、杉木和混交林最优的林分郁闭度，以期为本地区防护林的科学管理和生态屏障建设提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖北省秭归县茅坪镇中西部，面积约33 km2，三峡库区南岸，主要包括兰陵溪流域、杉木溪流域。属亚热带大陆性季风区，年均气温18.0℃，多年平均降雨量1 439 mm，年际年内差异较大。土壤以黄壤为主，基岩为花岗岩，农地和林地呈镶嵌分布。林区植被类型有马尾松、杉木以及马尾松×麻栎(Quercus acutissima)、马尾松×枫香(Liquidambar formosana)混交林等。2003年研究区流域推行退耕还林工程，多栽植桤木(Alnus cremastogyne)、枫香、红椿(Toona ciliate)等。目前，研究林区内天然次生林林分密度不均，灌草盖度不一，水土保持功能有待评估。

1.2 样地设置与指标调查

依林分郁闭度的高低［4，10］，把本区马尾松、杉木和针阔混交林等划分为低郁闭度(A)、较低郁闭度(B)、中郁闭度(C)、较高郁闭度(D)和高郁闭度(E)等5个林分类型(表1)，在各林分类型中分别确定3个坡度较为平缓的调查样地。2014年12月在上述3×5×3个样地中设置1个临时10 m×10 m的径流小区(场)，在各小区合适位置均设置简易雨量装置。为防止场外降水侧渗影响，各径流小区四周用硬质塑料板围埂，埂墙高出地面30 cm，埂底深达母岩层，并用速凝水泥灌注。每个径流小区坡脚处设有汇流沟，连接场外长、宽、高分别为120 cm×70 cm×60 cm的带刻度的径流槽，按径流场面积换算，以mm和kg·hm－2表示降雨过程产生的径流量和泥沙量。

2015年8月调查各(径流)小区林分郁闭度、林下灌木盖度、草本盖度、枯落物生物量等结构特征。随机设置2 m×2 m灌木样方，记录灌木种类、高度和盖度;灌木样方内随机设置1 m×1 m草本样方，调查并记录草本样方植物种类、盖度和高度，记录枯落物面积和厚度(包括半分解部分)，计算枯落物、盖度体积和生物量，指标调查方法见有关文献［3，5，10］。

1.3 土壤饱和贮水量

2015年8月，各小区按0～15 cm和15～30 cm层取土壤环刀样，装入铝盒，带回实验室。测定土壤容重和土壤各孔隙度指标。土壤饱和贮水量为毛管孔隙的吸持贮存和非毛管孔隙的滞留贮存量之和［4］。所有样地土层取30 cm厚度来计算饱和贮水量:

式中，Wt为土壤饱和贮水量(mm);Pc为毛管孔隙度(%);Pn为非毛管孔隙度(%);H为土层深度(m)。

表1 研究区主要森林植被的林分结构特征Table 1 Structural characteristics of different stand types in study area

2 结果与分析

2.1 林分郁闭度对灌木盖度的影响

随着林分郁闭度的增加，马尾松、杉木、混交林灌木盖度迅速下降，后期下降速度变缓，灌木盖度与郁闭度呈负指数关系(图1)。自变量x系数值的顺序为:杉木林(－2.046)＜马尾松林(－2.033)＜混交林(－1.749)，这说明杉木林灌木盖度下降最为迅速，混交林下降最为缓慢;林分郁闭度相同时，混交林灌木林盖度最大，杉木林灌木林盖度最小，杉木林灌木盖度对郁闭度的变化最为敏感，混交林最适合灌木的生长。防护林发挥良好的防护效益时，灌木盖度不应低于30%［14］，据此推算出马尾松、杉木、混交林发挥良好的防护效益，郁闭度应分别小于0.65、0.52和 0.77。

2.2 林分郁闭度对草本盖度的影响

马尾松、杉木、混交林草本盖度与郁闭度呈抛物线关系(图2)。随着郁闭度的增加，草本盖度迅速增加，郁闭度达到0.5左右时，草本盖度开始下降。由二次函数性质，马尾松、杉木和混交林郁闭度为 0.54、0.49、0.51时，草本盖度值最高，分别为54.8%、42.1%和65.3%。这说明郁闭度为 0.5(0.49～0.54)左右时，研究区防护林更适合草本植物的生长;图2还说明在相同郁闭度时，混交林具有更高的草本盖度。

图1 林分郁闭度与灌木盖度的关系Fig.1 Relationships between forest canopy density and shrub coverage

2.3 林分郁闭度对枯落物生物量的影响

马尾松、杉木、混交林枯落物生物量与郁闭度也呈现抛物线关系(图3)。初期随着郁闭度的增加，枯落物生物量迅速增加;郁闭度增加到0.6左右时，枯落物生物量开始下降。马尾松、杉木、混交林枯落物生物量平均为 1.57、1.45、1.73 t·hm－2，混交林与马尾松和杉木差异均显著。由二次函数性质，马尾松、杉木和混交林郁闭度为 0.65、0.60、0.61时，最大枯落物生物量为 1.94、1.81 t·hm－2和 2.04 t·hm－2。相同郁闭度时，混交林具有较大的枯落物生物量。郁闭度为0.6左右时，林分具有较高的枯落物生物量，更说明对现有郁闭度较高林分进行改造的必要性。

图2 林分郁闭度与草本盖度Fig.2 Relationship between forest canopy density and grass coverage

图3 林分郁闭度与枯落物生物量Fig.3 Relationships between canopy density and litter＇s biomass

2.4 林分郁闭度对土壤饱和贮水量的影响

马尾松、杉木和混交林饱和贮水量平均为173.8、171.8 mm 和 181.6 mm(表 2)，混交林土壤饱和贮水量最大，与马尾松和杉木差异显著(P＜0.05)。杉木与马尾松差异不显著(P＞0.05)。同一树种内，林分类型C和D土壤饱和贮水量值均较高，但差异不显著(P＞0.05);C、D 与 A、E 差异均显著(P＜0.05)。土壤饱和贮水量主要包含毛管孔隙的吸持贮存和非毛管孔隙的滞留贮存量两部分，这说明不同树种、不同林分郁闭度对土壤孔隙度的影响并不一致，混交林在0.6～0.8郁闭度时具有最高的土壤饱和贮水量。

2.5 林分郁闭度对径流量的影响

本研究选取4次雨强、雨量差异不显著的降雨事件(图 4、图 5)，22.7、38.3、55.9 mm 和64.3 mm，来测定径流和泥沙的输出。

马尾松、杉木、混交林在4次降雨中产生的径流总量分别为 29.9、30.4、32.8 mm，混交林产生的径流总量最大，与马尾松和杉木差异显著(P＜0.05)，马尾松和杉木径流量差异并不显著。但在22.7 mm和38.3 mm的降雨事件中，3种林分径流量差异不显著，在55.9 mm和64.3 mm降雨事件中，混交林径流量与马尾松和杉木差异显著(图4)，这说明防护林径流量只对大暴雨事件反应敏感。

表2 林分类型土壤饱和持水量Table 2 Soil saturated water retaining capacity in different stand types mm

在22.7 mm降雨事件中，马尾松、杉木和混交林径流量均随郁闭度的增加而减小，郁闭度对径流影响显著;在 38.3、55.9 mm 和 64.3 mm 降雨事件中，马尾松、杉木、混交林交等3种林分在郁闭度小于0.7时径流量均随郁闭度的增加而减小，之后随郁闭度的增加而增加。这说明郁闭度 0.6～0.7、灌木盖度＞45%、草本盖度＞60%的林分类型水源涵养功能较大，而郁闭度较小和过密的林分水源涵养功能较弱。

2.6 林分郁闭度对泥沙输出量的影响

4次降雨产沙事件中，马尾松、杉木和混交林泥沙输出量为 289.0、299.6 kg·hm－2和 277.3 kg·hm－2，混交林输出量最小，杉木林输出量最大。马尾松与杉木差异并不显著，混交林与马尾松和杉木差异均显著，这说明防护林树种类型对泥沙输出有显著的影响。泥沙输出并不完全随径流量的增加而增加，如混交林径流量最大，但泥沙输出量却比较小，说明影响泥沙输出的因子更为复杂，可能与混交林具有较高的草本植物盖度有关系。

林分郁闭度的变化对降雨强弱的响应并不完全是线性关系。22.7 mm和38.3 mm的中小降雨事件，马尾松、杉木、混交林泥沙输出均随林分郁闭度的增加而减小。但对于55.9 mm和64.3 mm的大、暴雨事件，所有林分泥沙输出量均随着林分郁闭度的增加，先出现降低而后又增大的趋势，林分类型C最小。如在55.9 mm降雨中，马尾松林分类型C为80.4 kg·hm－2，林分类型 E 最大，为 94.8 kg·hm－2。杉木林分类型C为84.0 kg·hm－2，而林分类型E最大，为94.5 kg·hm－2;混交林表现为林分类型 C 为64.1 kg·hm－2，林分类型 A 最大，为82.6 kg·hm－2;特大型降雨事件(64.3 mm)中，马尾松林分类型C为 93.9 kg·hm－2，林分类型 E 最大，为 122.9 kg·hm－2。混交林表现为林分类型 C 为 86.4 kg·hm－2，而类型 E 最大 108.4 kg·hm－2;这说明郁闭度 0.6～0.7、灌木盖度40%、草本盖度＞40%的林灌草类型土壤保持功能较强，而郁闭度较小和过密的林分土壤保持功能较弱。

图4 不同林分类型径流量Fig.4 Runoff of different stand types

图5 不同林分类型的产沙量Fig.5 Sediment yields of different stand types

根据郁闭度与灌木盖度、草本盖度和生物量关系，结合径流、泥沙的监测分析，马尾松在研究区最适宜的郁闭度为 0.55～0.65、杉木为 0.52～0.60、混交林为0.61～0.77时，水土保持等生态防护功能最强。

3 结论与讨论

3.1 土壤饱和贮水量

森林生态系统通过生产者、消费者和分解者三个类群，进行能量流动、物质循环和信息传递，同时影响和改造着大气、水分和土壤环境等生物活动场所。土壤孔隙度调节着土壤水、肥、气、热，影响着微生物活性，决定着土壤通气和透水性。毛管孔隙度决定着土壤贮水能力，土壤非毛管孔隙不但是重力水的通道，与土壤贮水和渗水能力相关。王燕［15］等、田大伦［16］等和顾宇书［10］等均认为毛管孔隙度与有机质含量正相关性显著，与土壤郁闭度负相关性显著。康冰［17］等认为14年生马尾松人工林密度为1 800株·hm－2时，林下灌木层物种多样性指数最高，土壤持水量和孔隙度均较高，土壤容重较低。孙书存［18］等认为人工油松 2 500～3 500株·hm－2的密度较为合理。而本研究调查的马尾松天然次生林郁闭度在 0.6～0.7，密度为 1 100～1 500 株·hm－2时，土壤饱和持水量最大，与上述结论并不一致，说明了天然林与人工林土壤物理性质的差异性。生境相似时，混交林具有较高的土壤饱和贮水量，这是林分改造和生态建设的一个方向。

3.2 林分结构与其水源涵养和土壤保持功能

龚固堂［4］等提出三峡库区人工针阔混交林最佳郁闭度为0.6～0.7，蒋桂娟［19］等认为植被总盖度＞75%、郁闭度为 0.5～0.8 的天然林、中龄林、阔叶复层林或者混交复层林的水源涵养功能较好，霍小鹏［12］等认为森林植被对土壤贮水量和土壤入渗性能影响极显著、土壤入渗与林分密度负相关。表3为不同区域防护林最佳的林分结构。从郁闭度上看，不同区域最佳林分郁闭度并不完全一致，波动在0.5～0.8。

郁闭度与林分的水源涵养和土壤保持功能密切相关，单层纯林生态防护功能较低［10］。乔灌林中灌木盖度＞30%［14］时，防护林才具有良好的防护功能。本研究得出本流域马尾松、杉木、混交林郁闭度应分别小于 0.65、0.52 和 0.77。小降雨事件对林分郁闭度并不敏感，0.6～0.7林分郁闭度仅在大暴雨条件下，其水土保持功能最强，这说明对一个特定的区域，不仅要考虑林分郁闭度等林分结构，还要考虑一个地区的防护林树种因素和降雨特征等气候因素。秭归县防护林郁闭度多位于 0.4～0.6，＞0.7 的林分较少，所以已有的次生林区仍然要加强封山育林措施，以提高林分质量为主要目标;人工造林时，要注意造林密度，大力营造混交林。

表3 相关文献中报道的林分结构与水土保持效应Table 3 Stand structure and soil and water conservation effect as reported in related literature

龚固堂［4］认为灌木盖度与郁闭度呈负相关关系，研究区灌木盖度与郁闭度即呈明显的指数关系，这可能与试验手段以及研究树种有关。3种林分灌木盖度随着郁闭度的增加均迅速下降，这说明在长江三峡库区生态建设中，要充分注意树种密度，防止成林后林分郁闭度过大、灌木盖度过低而影响林分生态功能的发挥。

林分郁闭度和密度是林分结构最为客观的描述因子，适宜的郁闭度和植株密度是林分发挥水源涵养和水土保持的基础。鉴于三峡库区已有的防护林密度和郁闭度不均的实际，库区后续生态建设时要考虑林分的初植密度，培育合理的灌木和草本盖度。本研究采用径流小区的方法所测林分径流和泥沙输出量，其数据均小于流域尺度径流和泥沙的监测数据［24］，这说明径流小区方法有一定的局限性。但在外界条件一致时，监测出的径流、泥沙输出量与林分结构变化规律，对于区域生态建设仍具有一定的意义。