杉木闽粤栲异龄复层混交林涵养水源功能

黄健韬

(福建省南平市林业局，福建 南平 353000)

近年来，我国加大基础设施建设力度，新建了高速公路及快速铁路，为保护这些基础设施，将其周边划为重点生态区位，原先的商品用材林被划为生态林，这部分商品林大多为马尾松(PinusmassonianaLamb.)、杉木(CunninghamialanceolataLamb.)纯林，林分树种单一，结构简单，针叶化程度高，生物多样性简单，植被覆盖度低，土壤板结，地力衰退，保水固土能力下降，森林生态功能不强，森林质量整体情况欠佳，抵御有害生物的能力较差，从而造成自然灾害频发[1-2]。为践行绿水青山就是金山银山的绿色发展理念，国家加大力度对重点生态区位的林分进行改造提升，在这些针叶纯林的生境引入闽粤栲(CastanopsisfissaRehder E.H.Wilson)等阔叶树种，营建异龄复层混交林，补强林分结构，构建树种多样、结构合理、功能齐全、长期稳定的森林生态系统[3-4]。为揭示杉木闽粤栲异龄复层混交林涵养水源功能，2017年在福建沙县开展杉木闽粤栲异龄复层混交林涵养水源功能研究，以期从林分生态功能角度，为南方重点生态区位的针叶纯林定向改造精准提升，以及建立高效、经济的生态复合林重建技术的营林手段提供参考。

1 研究区概况

试验林分位于福建省三明市沙县(北纬26°15′—26°52′、东经117°50′—118°40′)高砂林场，海拔420～560 m，年均气温19.3 ℃，年无霜期268 d，年均降水量1663.9 mm。林分为重点生态区位的闽粤栲杉木异龄复层林，面积57.3 hm2，试验地坡度19°～30°，土壤为黄红壤，土层厚63～90 cm，Ⅱ类立地类型，林下植被为山胡椒(Linderaglauca)、毛冬青(Ilexpubescens)、地杨梅(Luzulacampestris)、芒萁(Dicanopterisdichotoma)、地菍(Melastomadodecandrum)、野桂花(Osmanthusyunnanensis)、铁丝草(Ophiopogonchingii)等[5]。

2 研究方法

2.1 试验设计

设4个水平，杉木保留密度：450株·hm-2(以CL1表示)、600株·hm-2(以CL2表示)、750株·hm-2(以CL3表示)、900株·hm-2(以CL4表示)。于2006年5月，在预定的杉木试验林建立试验区，各试验区分别设立20 m×20 m标准地各3个，共12个标准地。同年6月采用疏伐方法[6]按试验设计进行间伐，于间伐前、后分别开展标准地的每木调查。并于伐后及时清理林地，采集0～20、20～40、40～60 cm土层的原状土样，重复3次。对采回的土样进行土壤物理性质分析，分析调查的各项数值以CK1表示。同年11月，于林分空隙处挖穴，穴规格为50 cm×30 cm×40 cm，选用1年生Ⅱ级以上闽粤栲实生苗[7]，于翌年春栽植，栽植密度1200株·hm-2，前3 a及时做好抚育工作。选择与试验林相似的杉木林分，设立3块20 m×20 m标准地作为对照，无任何干预措施，以CK2表示。表1为试验林分现状。

表1 试验林分基本情况

*：表中数据均为3次重复的平均值，下同。

2.2 方法

于2017年9月下旬，对标准地进行每木调查，测出各树种的胸径、树高、枝下高、冠幅等数值，同时测定相应林分不同层次的持水量及土壤抗蚀性能。比对各闽粤栲杉木异龄复层林的保水固土性能参数与栽植前和杉木纯林的差异分析。

2.2.1 土壤分析 分别于2006年9月、2017年9月，在各处理林分及对照林分的样地上，以“S”型选择5个土壤取样点，用环刀和饭盒采集原状土，分别采集0～20、20～40、40～60 cm土层的土壤样本，每个土壤样本为1 kg，3次重复。于室内分析测定采回土样的物理性质。采用DS-100型土壤团聚体分析仪测定土壤团粒结构；采用土壤水分测定仪测定土壤含水量；采用STS-55土壤渗透仪测定土壤渗透速率。

土壤最大持水量(t·hm-2)=10000×土壤总孔隙度×土层厚度

(1)

非毛管持水量(t·hm-2)=10000×土壤非毛管孔隙度×土层厚度

(2)

(3)

2.2.2 树冠持水性能分析 选取3株树高、胸径值与标准地相应平均值相当(误差≤±5%)的样树，测定样树的胸径(地径)、树高与冠幅等数值，采用分层切割法，按1 m分段，分别测定其皮、干、枝、叶的鲜重，以基部、中部、顶端各截取1圆盘，测定含水量；随机取样品的30%烘干，测定干重，算出含水量[8-9]。另随机取样品的20%于水中浸渍24 h，测定持水率和持水量。3次重复。持水率(%)=水分含量/干质量×100%，持水量(t·hm-2)=持水率×生物量(t·hm-2)。

2.2.3 植被与凋落物持水性能 对样地的植被种类与数量进行详查，测定鲜重。调查凋落物现存量用“样方收获法”，即在标准地的对角线上设置5个1 m×1 m的小样方，收取凋落物，按腐殖质层(H)、半分解层(F)、未分解层(L)于室内分别称取重量。分别随机取凋落物和植被样本的20%，于水中浸渍24 h，测算出它们的持水率和持水量[10-12]。3次重复。

2.3 数据分析与处理

对上述各方法取得的数据，采用Excel 2007进行分析处理，采用SPSS 17.0软件分析各处理林分与对照林分间在持水性能、土壤的物理性质、土壤的渗透与抗蚀性能上的差异性。

3 结果分析

3.1 林分地上部分持水性能分析

由表2可得，各处理林分林冠持水量和持水率与对照纯林差异显著。各处理林分林冠的持水量分别为8.28、8.92、8.55、8.74 t·hm-2，与对照杉木林相比，其林冠的持水量提高13.58%以上，以CL2的持水量最好。

由表3可得，各处理林分凋落物层和植被层的持水性能与杉木纯林的差异显著。各处理林分凋落物层的持水量分别为22.185、26.976、25.873、26.127 t·hm-2，比对照(9.537 t·hm-2)提高了122.13%以上，其植被层的持水量分别为1.463、1.359、1.292、1.155 t·hm-2，比对照(0.828 t·hm-2)提高39.49%以上。

综上分析，各处理林分的凋落物、植被和林冠的持水性能与对照林分间有显著差异。表明各处理林分凋落物、植被和林冠等各层次蓄水持水性能强于杉木纯林，能有效截留降雨，减弱雨水对林地的冲击，提高林分蓄水持水功能。

表2 各处理林分林冠持水性能分析

*：表中数据为“平均值±标准差”，n=3；同列不同字母为差异显著(P<0.05)，CK2为对照的杉木林，下同。

3.2 主要土壤物理性质分析

林分涵养水源功能大小取决于土壤的主要物理性质，各林分土壤主要物理性质见表4、表5。从表4、表5可知，同一土层的土壤密度、土壤结构体破坏率、>0.25 mm水稳性团聚体含量与对照间有显著差异。与栽植前、对照的杉木纯林相比，各处理林分0～20 cm土层，土壤密度分别下降8.86%、7.78%以上，土壤结构体破坏率分别下降15.12%、11.30%以上，>0.25 mm水稳性团聚体含量分别提高12.55%、9.38%以上，20～40 cm土层也有相同趋势，只是变化幅度小些。

表3 各林分凋落物与植被的持水性能分析

通气状况和保水能力的重要指标是土壤孔隙状况，从表4、表5可知，各处理林分相同土层的非毛管孔隙度、毛管孔隙度与对照间差异显著。与栽植前、对照的杉木纯林相比，各处理土壤的各土层的非毛管孔隙度、毛管隙孔度、总孔隙度均得以提高。0～20 cm土层，非毛管孔隙度分别提高14.87%、10.76%以上，毛管孔隙度分别提高15.32%、11.68%以上，总孔隙度分别提高15.25%、11.53%以上，20～40 cm土层的孔隙状况各项指标均有提升，不过提升幅度相对小些。不同处理的林分土壤孔隙状况各项指标提升幅度不同，以CL2为最好。

综上分析表明，杉木林中引入闽粤栲后，土壤的垒结状况发生变化，土壤结构得到改善和提高，土壤物理性质的主要指标趋好，土壤密度与>0.25mm团聚体含量下降，非毛管孔隙度与毛管孔隙度提高，土壤结构趋于合理，土壤疏松透气，有利于水分的渗透。

表4 各林分0～20 cm土壤的主要物理性质分析

表5 各林分20～40 cm土壤的主要物理性质分析

*：CK1为栽植闽粤栲的杉木林，CK2为对照的杉木林，表中D值为干筛数值，括号内为湿筛数值，下同。

3.3 土壤持水量分析

林分持水量大小取决于土壤的持水量大小。从表6可知，杉木林分引入闽粤栲后，改善了土壤孔隙状况，提升了持水性能。与引入闽粤栲前土壤相比，0～20 cm土层，各处理林分的田间持水量、自然含水量、最大持水量分别提高19.56%、21.70%、23.04%以上，与对照的杉木纯林土壤相比则分别提高9.52%、10.27%、14.47%以上，20～40 cm土层亦表现出相同趋势，只不过是提升幅度小些。显著性分析表明，各复层林土壤的田间持水量、自然含水量和最大持水量分别与引入闽粤栲前的林分、对照林分间有显著差异，以CL2最好。表明杉木林分引入闽粤栲可改变土壤的孔隙状况，改善和提升了持水性能，异龄复层混交林表现出良好的持水蓄水性能，地表径流减少，林分涵养水源功能提升。

表6 各林分土壤持水参数

3.4 林分的持水性能分析

从表7可知，各处理林分土壤持水量、林分总持水量高于杉木纯林(CK2)。显著性分析结果表明，在土壤持水量、地上部分持水量(植被层、林冠层和凋落物层)、林分总持水量上，各处理林分与对照间均存在显著差异。各处理林分总持水量分别为1705.221、1869.230、1838.062、1809.262 t·hm-2，与对照杉木纯林相比，增加218.312 t·hm-2以上，提高了14.68%以上，其中CL2总持水量增加382.321 t·hm-2，提高25.71%。表明在杉木纯林中引入闽粤栲，使得林分结构趋于合理，土壤结构产生变化，土壤孔隙状况等持水性能得到提升，从而提高林分地上部分和土壤的水源涵养量，进而提升林分涵养水源功能。作为对照的杉木纯林由于其林分结构简单、土壤结构不合理，使得林分贮水性能弱，水源涵养功能差。

表7 不同林分各层的持水量与总持水量 t·hm-2

3.5 土壤渗透能力分析

从表8可知，各处理林分地表径流系数与对照的杉木林相比均有大幅下降，降幅达10.34%以上，初渗速度、稳渗速度均大于对照的杉木林，初渗速度增加13.29%以上，稳渗速度增加14.16%以上，其中CL2初渗速度、稳渗速度增加了23.02%、38.19%。经显著性分析，各处理林分的稳渗速度、初渗速度和地表径流系数与杉木纯林间均存在显著差异。表明异龄复层混交林林分结构复杂、层次多，枯枝落叶量大，形成良好的土壤结构，地表径流小，土壤渗透性能强。

3.6 土壤抗蚀能力分析

林分抗蚀能力的大小主要取决于土壤的结构体破坏率和D>0.25 mm团聚体含量。从表4、表5可知，与对照相比，各处理林分对应土层的结构体破坏率大幅减小，而D>0.25 mm水稳性团聚体含量则大幅提高。从表8可知，与杉木纯林相比，同一降水条件对各处理林分土壤侵蚀量大幅减小，显著性分析表明，同一降水量，降水对各异龄复层混交林林地的侵蚀量与对照杉木纯林的侵蚀量之间差异显著，以CL2为最好。表明在杉木林分引入闽粤栲，可大幅提升林分土壤抗蚀性能。

表8 不同林分土壤渗透参数与抗蚀参数分析

4 结论与讨论

试验结果表明，杉木纯林间伐后，在林分间隙栽植闽粤栲，形成异龄复层混交林，可显著改善土壤的物理性质，提高林分的涵养水源功能，尤其以杉木保留600株·hm-2，闽粤栲栽植1200株·hm-2的模式最佳。此异龄复层混交林与栽植前、杉木纯林相比，CL2林分土壤的0～20 cm土层，土壤密度分别下降13.45%、12.43%，土壤结构体破坏率分别下降20.04%、16.44%，>0.25 mm水稳性团聚体含量分别提高19.15%、15.80%，非毛管孔隙度分别提高24.97%、20.49%，毛管孔隙度分别提高18.25%、14.51%，总孔隙度分别提高19.28%、15.43%。20～40 cm土层土壤的上述各项指标均表现出相同变化规律。与对照杉木纯林相比，林分总持水量增加了，CL2总持水量增加了382.321 t·hm-2，提高25.71%；初渗速度增加23.02%，稳渗速度增加38.19%，地表径流系数降幅达27.59%，CL2林分表现较强的保水固土性能。因此，生产上推广建立杉木与闽粤栲异龄复层混交林时，可采用杉木保留600株·hm-2，闽粤栲栽植1200株·hm-2的模式。

通过疏伐杉木纯林降低林分密度，栽植闽粤栲，建立杉木闽粤栲异龄复层混交林，林分树种增加，形成层次多或冠层厚的林分结构，林分植被的种类和数量增加，改善了林内小气候[13-15]。凋落物量多且分解快，腐殖质增多，提高了土壤肥力，同时土壤的疏松度和通气性增强，形成良好的土壤结构，土壤密度变小、孔隙度增加，提高了渗透速度，地表径流量减小，土壤持水性能提升，林分持水量增大，另外，根系分布范围增大，产生有机胶结物增多，使得土壤抗蚀能力增强，混交林表现出稳定性较强，防护效能较好，提升了土壤保水、保肥能力[16]。因此，在杉木纯林中栽植闽粤栲等适宜的阔叶树种，建立针阔复层混交林可提升林分涵养水源性能。

林分结构是林分特征的重要内容，对现有杉木生境引入闽粤栲，树种搭配合理，形成层次多或冠层厚的林分结构，营建起异龄复层混交林，重建森林生态系统，混交林具有较高的生态功能，增强了林分的抗性，补强纯林地力衰退、水土流失严重等生态功能脆弱这些短板，提升林分涵养水源的功能[17-20]，践行了绿水青山就是金山银山的绿色发展理念，生态、经济和社会效益显著，条件适宜的地区可借鉴。