永嘉县四海山林场森林枯落物及土壤持水能力研究

2021-02-05蒋仲龙郑得利吴家森刘海英

中国水土保持 2021年2期

林松，张崑，蒋仲龙，郑得利，吴家森，刘海英

(1.浙江省公益林和国有林场管理总站，浙江杭州 310020；2.浙江农林大学环境与资源学院，浙江杭州 311300； 3.国营浙江省永嘉县四海山林场，浙江永嘉 325000)

随着全球水资源短缺形势的日趋严峻，森林生态系统的水源涵养功能日益被人们所关注[1]，而森林枯落物层与土壤层涵养水源能力可占森林涵养水源能力的90%[2]，已成为森林水文学研究的热点。目前，以省、市和县域尺度对不同森林类型枯落物和土壤水源涵养功能进行的研究较多[3-7]，但对于森林经营单位水平的研究较少[8]。

国营浙江省永嘉县四海山林场(以下简称“四海山林场”)是典型的“帽子山林场”，即林场所辖林地大部分位于山头顶端，是浙江省楠溪江的源头区域，森林的水源涵养、水土保持功能对该区域的可持续发展具有重要作用。本研究以该林场2018年森林资源二类调查数据为基础，选择典型森林样地深入开展枯落物层、土壤层蓄水能力研究，将面上数据和样地实测结果相结合，对其森林枯落物层和土壤层的蓄水能力和水源涵养价值量进行估算，旨在为林场绩效评价和森林植被管理提供依据，同时为相似区域森林水源涵养功能评估提供基础数据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

四海山林场位于浙江省永嘉县境内，中心位置地理坐标为120°45′36″E、28°30′35″N，属于中亚热带季风气候区，年平均气温18.5 ℃，年平均降水量1 743.9 mm，年无霜期281 d，年平均日照时数1 775.7 h。林场总面积2 567.3 hm2，森林面积2 449.4 hm2，森林覆盖率95.4%。森林树种有马尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、柳杉(Cryptomeriajaponicavar.sinensis)、木荷(Schimasuperba)、青冈(Cyclobalanopsisglauca)、苦槠(Castanopsissclerophylla)、毛竹(Phyllostachysedulis)、茶(Camelliasinensis)、杨梅(Myricarubra)等。

1.2 样地选择

根据四海山林场2018年的森林资源二类调查数据，于2019年8月分别选择柳杉林、马尾松林、针叶混交林、针阔混交林等4种森林类型中海拔、坡向、林分特征相似的典型小班作为标准样地。其基本情况见表1。

1.3 样品采集与分析

在样地的4个角和中心位置共布设5块1 m×1 m小样方，将枯落物分为未分解层、半分解层，分别全部收集并准确称量后，各取部分样品带回实验室，在85 ℃烘箱中烘干至恒定质量，计算自然含水率、枯落物储量，并采用室内浸泡法测定枯落物持水特性[9]。

在收集枯落物的小样方内，分别挖取土壤剖面，采集0～10、10～30、30～60 cm土层的容重圈原状样品，带回实验室测定土壤容重、非毛管孔隙度，并计算总孔隙度、毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量[10]。

1.4 数据分析

用Microsoft Excel 2013对数据进行整理；采用单因素方差分析，利用Duncan法进行多重比较和差异显著性分析(α=0.05)。林地水源涵养能力=枯落物最大拦蓄量+土壤最大蓄水量[11]；森林涵养水源价值按陆珠琴等[12]的方法进行计算。

表1 主要森林类型样地基本特征

2 结果与分析

2.1 主要森林类型枯落物储量

不同森林的树种组成、林龄和凋落物的输入、分解速度不同，因此林地枯落物累积量与组成存在较大的差异。由表2可知，四海山林场4种森林枯落物总储量大小为马尾松林>柳杉林>针叶混交林>针阔混交林，其中马尾松林枯落物总储量显著高于其他森林类型(P<0.05)；不同分解层枯落物储量大小为半分解层>未分解层。

表2 四海山林场主要森林类型枯落物储量

2.2 主要森林类型枯落物吸水过程

由图1可看出，随着浸水时间的延长，不同森林类型枯落物未分解层、半分解层持水量的增加趋势均表现为“快—缓慢—稳定”。在浸水1 h内，枯落物持水量急剧增加，而后缓慢增加，至4 h后持水量保持相对稳定。24 h时，4种森林枯落物未分解层和半分解层枯落物持水量大小均表现为柳杉林>针阔混交林>针叶混交林>马尾松林，不同分解层持水量均表现为半分解层>未分解层。

图1 主要森林类型枯落物持水量

由图2可知，4种森林类型枯落物未分解层、半分解层吸水速率的变化规律均表现为：浸水1 h内枯落物吸水速率显著降低，浸水2 h后持水已基本饱和，吸水速率趋于0；浸水初期半分解层枯落物吸水速率高于未分解层。

图2 主要森林类型枯落物吸水速率

2.3 主要森林类型枯落物持水能力

森林枯落物不仅能够吸收降水，使地表免受雨滴的直接冲击，阻滞径流和地表冲刷，而且枯落物分解后形成土壤腐殖质，可以改善土壤结构，增强土壤的渗透性能。由表3可知，4种森林枯落物自然含水率与最大持水率均表现为半分解层>未分解层。其中：枯落物未分解层和半分解层自然含水率分别介于11.2%～14.2%和17.4%～20.8%之间，不同森林间的差异均不显著；未分解层最大持水率介于156.1%～178.0%之间，不同森林间的差异不显著，半分解层最大持水率介于172.7%～232.9%之间，柳杉林显著高于马尾松林(P<0.05)，其他森林间差异不显著。

由表3可知，4种森林枯落物最大拦蓄量大小也表现为半分解层(12.6～19.3 t/hm2)>未分解层(8.6～11.6 t/hm2)。不同森林类型枯落物有效拦蓄量大小表现为柳杉林>马尾松林>针叶混交林>针阔混交林，其中柳杉林显著高于针叶混交林和针阔混交林。

表3 四海山林场主要森林类型枯落物的持水能力

2.4 主要森林类型土壤物理性质

土壤容重表征土壤的松紧程度，反映土壤的透水性、通气性。土壤孔隙影响土壤通气性、透水性，对土壤水、肥、气、热发挥着重要的调节功能，土壤孔隙度越大，土壤持蓄水能力越强。土壤的渗透性能取决于非毛管孔隙，非毛管孔隙中滞留的重力水在调蓄水方面的作用更为重要，更加有利于涵养水源。由表4可知，随着土层深度的增加，土壤容重呈现增大趋势，而土壤总孔隙度和非毛管孔隙度则表现为降低的趋势。在相同土层中，土壤容重和总孔隙度在不同森林间没有显著性差异(P>0.05)；0～10 cm土层土壤非毛管孔隙度柳杉林和针阔混交林显著高于马尾松林和针叶混交林(P<0.05)，而10～30、30～60 cm土层非毛管孔隙度在不同森林间的差异并不显著(P>0.05)。

表4 四海山林场主要森林类型土壤物理性质与持水量

2.5 主要森林类型土壤持水性能

林地土壤是森林涵养水源的主体，林木根系腐朽后会形成大量的孔隙，动物活动过程中也会形成孔穴及其他非毛管孔隙。土壤非毛管孔隙能较快容纳降水并及时下渗，更加有利于涵养水源。从表4可知，同一土层土壤最大持水量在不同森林间均无显著性差异(P>0.05)；10～30、30～60 cm土层非毛管持水量在不同森林间没有显著性差异(P>0.05)，0～10 cm土层土壤非毛管持水量柳杉林和针阔混交林显著高于马尾松林和针叶混交林(P<0.05)。

将不同土层土壤持水量相加，得到0～60 cm土壤蓄水量，结果见图3。由图3可知，土壤最大蓄水量(2 782.2～3 354. 9 t/hm2)和有效蓄水量(599.2～691.9 t/hm2)在不同森林间均没有显著性差异(P>0.05)。