赣南丘陵区典型林分水源涵养功能评价

2021-04-16朱元皓谢泽阳黄琼瑶郑博福朱锦奇

水土保持通报 2021年1期

艾彪, 黄云, 朱元皓, 谢泽阳, 黄琼瑶, 郑博福, 朱锦奇

(1.南昌大学资源环境与化工学院, 鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室, 江西南昌 330031; 2.江西生态文明研究院, 江西南昌 330031)

森林作为地球上最大的陆地生态系统，它不仅具有物种多样性丰富、结构复杂的特点，而且拥有净化环境、水源涵养、固土保肥和调节气候等生态功能[1]。其中水源涵养功能是森林水文生态系统功能的重要组成部分以及生态服务功能价值评估的重要指标[2]。森林的水源涵养功能主要由林冠层、枯落物层和土壤层来完成，其中又以枯落物层和土壤层作为水源涵养能力的主要表现层，森林通过枯落物层和土壤层对降水进行截留、吸收、蓄积作用，实现对降雨的再分配，从而达到调节径流、减少水土流失、净化水质的作用[3-6]。森林水源涵养能力主要受林分类型、枯落物特性、土壤结构因素的影响，其中林分类型是影响水源涵养能力的关键因素[7]。近年来，许多学者对于森林水源涵养功能的研究多集中在不同尺度的天然林。其中，在南方丘陵地区大尺度上，罗佳等[8]以湖南省岳阳市平江县为例，对不同混交林模式下森林水源涵养能力进行了研究，得出林分树种组成，林下灌草层盖度以及枯落物生物量对森林水源涵养能力有较大影响；在土壤类型、物理性质等小尺度方面，潘春翔等[9]对湖南乌云界自然保护区4种典型植被土壤层水源涵养能力进行了研究，得出土壤蓄水容量是评价森林生态系统水源涵养能力的核心指标。但是对于人工经济果林与天然林在水源涵养方面差异性的研究较少。由于人工经济果林其枯落物厚度、本身性质普遍与天然林不同，其地表枯落物覆盖度、分解状况不同，进而导致枯落物对水分的截留、拦蓄能力不同，且人工经济果林受人为干扰活动较大，例如施肥、剪枝、摘果等活动，导致林下土壤结构发生改变，进而引起土壤持水性能和下渗能力变化[10]。因此探究不同天然林和人工经济果林枯落物层和土壤层持水性能对于森林水源涵养能力的研究具有重要意义。

赣南丘陵区作为中国东南部生态安全屏障的重要组成部分，对于维护地区森林水源、减少水土流失和加强森林植被修复方面发挥着重要作用[11]。楠木林和毛竹林作为赣南丘陵地区主要的森林类型，具有重要的水源涵养功能，可以有效的调节、改善当地的水源流量和水质。但是，由于该地区生态环境脆弱，地形复杂，生态多样性易遭到破坏，造成该区域不同地段水源涵养功能差异性的特点[12]。崇义县作为赣南丘陵地区的一个重要地段，由于该区域长期不当的森林管理模式，大量天然林被人工种植的单一经济林种所代替，严重破坏了当地的生态平衡，使得该区域水土流失严重[13]。因此，本文选取江西省赣州市崇义县两种主要天然林：楠木林和毛竹林，以及两种典型人工经济果林：脐橙林和茶林，分析不同天然林和人工经济果林枯落物层和土壤层水源涵养功能，进一步明确不同林分类型水源涵养功能的差异性，为赣南丘陵地区水源涵养功能和生态系统服务的恢复提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于崇义县境内，介于116°15′—116°48′E，25°24′—25°55′N，境内山脉交错纵横，地势呈西南高，东北低，属于南方丘陵山地地貌类型。该区域属中亚热带季风湿润区，四季分明，雨量充沛，年日照时间为1 322 h，年平均气温为19 ℃，极端最低温度为-3.4 ℃，极端最高温度为39.6 ℃，无霜期为291～320 d，年平均降水量为1 800～2 000 mm，年降雨量多集中在4—8月，占年总降雨量的65%。该区域岩性以含粘性土碎石砾为主，主要土壤类型为红壤土，大部分土层较薄，抗蚀能力差，自然肥力较低。研究区栽植的果木经济林主要有脐橙(Citrussinensis)、茶(Camelliasinensis)、柑橘(Citrusreticulata)等，均为水平梯田种植，且林下植被稀少。自然植被类型以乔木和灌木为主，主要乔木有楠木(Phoebezhennan)、毛竹(Phyllostachysheterocycla)、马尾松(Pinusmassoniana)等，大多为坡面生长，林下草本植被较为丰富，其中楠木林下草本植被有狗尾草(Setariaviridis)、雀稗(Paspalumthunbergii)、五节芒(Miscanthusfloridulus)等，毛竹林下草本植被有粉蕨(Onychiumsiliculosum)、油草(Leptochloachinensis)、雀稗(Paspalumthunbergii)等。主要灌木有杜鹃(Rhododendronsimsii)、吊钟花(Fuchsiahybrida)、木芙蓉(Hibiscusmutabilis)等。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

于2019年6月对江西省崇义县境内森林植被进行实地调查，选取两种经济果林(脐橙林和茶林)，以及两种天然林(楠木林和毛竹林)作为研究对象。其中脐橙林、楠木林、毛竹林样地位于龙勾乡，茶林样地位于上堡乡。4种林地母质、海拔、坡度、坡向等立地因子基本保持一致。经济果林整地方式均为水平梯田，其施肥、除草周期为每年2次。楠木林和毛竹林均为纯林，样地中无其他乔木和灌木树种。在每种林地各设置2个20 m×20 m标准样地，并对其每木检尺，记录海拔、坡度、坡向、林龄、郁闭度、林分密度、树高、胸径、冠幅、土壤类型、林下植被和树种组成。各标准地基本概况见表1。

表1 赣南丘陵区不同林分类型标准地概况

2.2 枯落物蓄积量与持水能力测定

在上述每个样地中按照坡上、坡中、坡下设置3个面积50 cm×50 cm枯落物样方，根据枯枝落叶的分解程度，将枯落物层分成未分解层和半分解层，分别对其厚度进行测量，然后将枯落物装入塑料袋中密封，并迅速称重记录。此后带回实验室用烘箱烘干至恒重，并再次称重记录，计算出枯落物层自然含水率。采用水浸法测定4种林分枯落物的持水量和持水速率，各林分枯落物取25 g放入水中浸泡，分别在0.5，1，2，4，6，8，10，12，24 h对枯落物的重量进行测定，从而计算出各林分类型枯落物持水量、持水速率、最大持水量、最大持水速率以及枯落物吸水速率[14-15]。计算公式如下：

Smax=(Ms-M0)×100

Qmax=(Ms-M0)/A×100

V=(Ms-M0)/t×1 000 000

(1)

式中：Smax为枯落物最大持水率(%);Qmax为枯落物最大持水量(t/hm2);V为枯落物吸水速率〔g/(hm2·h)〕;Ms为枯落物浸水24 h后质量(g);M0为枯落物烘干质量(g);A为枯落物样方面积(m2);t为浸水时间(h)。

2.3 枯落物拦蓄量测定

枯落物对降雨的最大拦蓄量可以通过蓄积量、最大持水率、自然持水率计算出来，但由于最大拦蓄量并不能体现枯落物对降雨的真实拦蓄情况，因此还需计算枯落物的有效拦蓄量[16]，计算公式如下：

Wmax=(Smax-S0)×C

W=(0.85Smax-S0)×C

(2)

式中：Wmax,W为枯落物最大拦蓄量和有效拦蓄量(t/hm2);S0为自然含水率(%);C为枯落物蓄积量(t/hm2)。

2.4 土壤层物理性质测定

土壤容重和孔隙度是反映土壤水文物理特征的两个重要指标。土壤孔隙度决定着土壤透气性能的强弱，土壤毛管孔隙中所储存的水分主要用于维持森林植被自身生长发育，而林地水源涵养能力的大小主要取决于非毛管孔隙度[17]。通常认为，土壤容重越小，则土质越为疏松，其对于水分的吸收、降水的截留以及减缓地表径流的能力越为明显[18]。为此，本研究在每种林分标准地上、中、下坡的中心位置选取3个具有代表性的采样点挖取土壤剖面，用100 cm3环刀在每个剖面按0—10，10—20，20—30 cm土层深度分层取样(每个土层重复取3次样)，带回实验室用烘干至恒重，从而计算出土壤容重，用环刀浸泡法测定土壤饱和持水量、毛管孔隙度、总孔隙度[19]。土壤层持水能力计算公式：

Wa=10 000PaH
Wb=10 000PbH

(3)

式中：Wa,Wb分别为土壤有效持水量和土壤最大持水量(t/hm2);Pa,Pb分别为土壤非毛管孔隙度和总孔隙度(%);H为土层深度(m)。

2.5 土壤入渗测定

土壤层是森林生态系统水源涵养的重要组成部分，其持水能力的强弱对地表径流、壤中流以及地下水补给有着直接的影响[20-21]。本研究采用双环法[22]对土壤下渗速率进行测定，在每个标准地上、中、下坡选取3个样点进行入渗试验。根据各样地实际情况，选用的内环和外环直径分别为20 cm和35 cm，环高均为25 cm，将双环打入土壤5 cm深，保持同一圆心，向内外环同时注水，并使水层保持同一高度，为10 cm，避免侧向渗流，利用量筒均匀供水，且必须随时保持内外环水层高度为10 cm，记录单位时间内内环所消耗的水量。每个样点作3次重复的入渗试验，所得结果取平均值。土壤初渗速率、稳渗速率计算公式如下：

Va=Qa/ta
Vb=Qb/tb

(4)

式中：Va,Vb分别为土壤初渗速率和土壤稳渗速率(mm/min);Qa,Qb分别为最初时间段内入渗量和稳渗时间段内入渗量(mm);ta,tb分别为初渗时间和稳渗时间(min)。

2.6 水源涵养功能评价

采用熵权法[23]对不同林分类型各个因子进行量化，在一个标准系统下对4种林分类型水源涵养功能进行综合评价。

(1) 依据以下公式计算不同林分各指标的信息熵。第i指标的熵值为：

(5)

K=1/lnm

式中：Hi为熵值,如果pij=0,则定义PijlnPij=0,Rij为标准化后指标值；m为林分类型；n为评价指标数。

(2) 根据以下公式计算各指标的权重Wi

(6)

(3) 各林分水源涵养能力综合评价值Kj

(7)

3 结果与分析

3.1 枯落物厚度及蓄积量

研究区4种林分类型枯落物厚度介于2.6～5.3 cm，最大为楠木林，其次为脐橙林，最小为毛竹林。4种林分类型枯落物蓄积量范围为9.19～16.70 t/hm2，以楠木林最大，茶林最小(表2)。从各林分不同层次来看，4种林分半分解层枯落物蓄积量均大于未分解层枯落物蓄积量，其中楠木林半分解层占比最大(67.60%)，其次依次为茶林(63.76%)>毛竹林(53.05%)>脐橙林(52.86%)，由此可见，半分解层枯落物为整个林分枯落物蓄积量的主要来源。

表2 不同林分类型枯落物蓄积量

3.2 枯落物水文效应

3.2.1 枯落物最大持水量如图1所示，研究区4种林分枯落物最大持水量总和范围为13.43～31.02 t/hm2，其最大持水量大小排序为：楠木林(31.02 t/hm2)>毛竹林(18.36 t/hm2)>脐橙林(17.52 t/hm2)>茶林(13.43 t/hm2)，楠木林的最大持水量与其他3种林分存在明显差异。各林分最大持水率，以楠木林最大(184.50%)，脐橙林最小(129.94%)。各林分自然含水率均值介于44.29%～68.90%，最大为楠木林，最小为茶林。

注：图中不同小写字母表示同一分解层不同林分间差异显著(p<0.05)。下同。

从各林分不同层次来看，未分解层和半分解层枯落物最大持水量范围分别为4.48～9.62 t/hm2,8.95～21.40 t/hm2，且均以楠木林最大，茶林最小。此外，可以看出，无论是未分解层还是半分解层枯落物最大持水量，都与林分整体枯落物最大持水量总体趋势保持一致。

3.2.2 枯落物持水过程枯落物的持水过程存在一定的规律，枯落物持水量随着浸水时间的增加而逐渐增大，在0—2 h内是枯落物吸水最快的阶段，随后在2—12 h之间枯落物持水量持续增加，但其增加幅度不断减小，最后持水量趋于稳定，吸水过程基本停止，枯落物持水量达到饱和状态。从林分不同层次来看，4种林分未分解层与半分解层枯落物持水量变化过程有所差异，未分解层持水量大小排序为：楠木林>毛竹林>脐橙林>茶林；半分解层持水量大小排序为：楠木林>毛竹林>茶林>脐橙林(图2)。

图2 不同林分枯落物持水量、吸水速率与浸水时间关系

对0—24 h之间4种林分枯落物各层持水量与浸泡时间的关系进行回归分析，得出该时间段内持水量与浸泡时间之间存在如下关系(表3)：Q=alnt+b。式中：Q为枯落物持水量(g/kg)；t为浸泡时间(h)；a为方程系数；b为方程常数项。

3.2.3 枯落物吸水速率 4种林分枯落物吸水速率与浸水时间之间的变化规律基本保持一致，二者之间呈负相关关系。在枯落物室内浸泡试验开始时，枯落物的吸水速率处于最快的阶段，之后随着时间的推移，其吸水速率开始呈现下降趋势，尤其是在0—2 h之间，吸水速率急剧下降，随后在2—12 h内，枯落物吸水速率下降幅度明显减缓，到24 h时枯落物持水量呈饱和状态而不再吸水，吸水速率趋近于0(图2)。从各林分不同层次来看，4种林分未分解层和半分解层吸水速率动态变化稍有差异，未分解层吸水速率大小排序为：楠木林>毛竹林>脐橙林>茶林；半分解层吸水速率大小排序为：楠木林>毛竹林>茶林>脐橙林。对4种林分枯落物吸水速率与浸水时间进行回归分析，二者之间的拟合模型为：V=Ktn，式中V为枯落物吸水速率〔g/(kg·h)〕，K为方程系数，t为浸水时间(h)，n为指数。各林分拟合方程如表3所示。

表3 不同林分枯落物持水量、吸水速率与浸水时间的关系

3.2.4 枯落物拦蓄能力如图3所示，4种林分未分解层和半分解层最大拦蓄量分别为3.46～6.67 t/hm2,5.54～12.00 t/hm2，均以楠木林最大，茶林最小；4种林分未分解层和半分解层有效拦蓄量分别为2.78～5.32 t/hm2,4.21～8.76 t/hm2，均为楠木林最大，茶林最小。

图3 不同林分枯落物的最大拦蓄量、有效拦蓄量

3.3 土壤层水文效应

3.3.1 土壤物理性质及持水性研究由表4可知，4种林地土壤容重动态变化趋势均是随着土层深度的增加而增大，从土壤容重均值来看，脐橙林地土壤容重最大(1.22 g/cm3)，毛竹林地最小(1.03 g/cm3)；土壤总孔隙度均值范围为44.78～58.02%，以楠木林最大，茶林最小；而非毛管孔隙度与土壤有效持水量紧密相关，其大小排序为：楠木林>毛竹林>脐橙林>茶林，4种林分有效持水量大小排序与非毛管孔隙度相同，表现为楠木林最大(100.50 t/hm2)，茶林最小(57.98 t/hm2)。4种林地土壤最大持水量范围为447.76～580.17 t/hm2，以楠木林最大，茶林最小。

表4 不同林分土壤物理性质及持水量

3.3.2 土壤渗透性能由表5可知，4种林分土壤初渗速率大小范围为7.18 ～18.76 mm/min，以毛竹林最大，脐橙林最小。土壤入渗试验开始后，随着入渗时间的延长，土壤入渗速率呈不断减小趋势，最后速率趋近于稳定，各林地土壤稳渗速率大小范围为0.86～5.27 mm/min，以毛竹林最大，脐橙林最小。从达到稳渗的时间来看，4种林分土壤达到稳渗所需时间是有所不同的，楠木林达到稳渗所需时间最长为25 min，脐橙林所需时间最短12 min。通对林地土壤入渗时间和入渗速率进行拟合分析，得出二者之间存在较好的幂函数关系：f=at-b(R2>0.91)。式中：f为入渗速率(mm/min)；a,b为常数；t为入渗时间(min)。

表5 不同林分类型土壤渗透速率及拟合方程

3.4 水源涵养能力综合评价

3.4.1 不同森林类型水源涵养能力评价指标为了能够更加直观的对不同水源涵养林和人工经济果林的水源涵养能力进行综合评价，本文利用熵权法选择枯落物层和土壤层的指标进行比较评价。其中枯落物层水文效应指标选择3个：枯落物蓄积量、最大持水量、有效拦蓄量(3个指标均取总量)；土壤层水文效应指标选择5个：土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、最大持水量、稳渗速率(5个指标均取3个土壤层的平均值)。

3.4.2 构造标准化指标矩阵并计算权重值将4种林分水源涵养能力8个指标数据标准化处理，得到新的标准矩阵，再根据公式(5)计算得到各指标的信息熵，最后通过公式(6)计算得到各指标的权重值(表6)。从各评价指标权重占比来看，对水源涵养能力影响比较大的指标有土壤稳渗速率(32.1%)、枯落物最大持水量(23.2%)、枯落物有效拦蓄量(19.2%)以及枯落物蓄积量(11.7%)，权重值排序依次为：土壤稳渗速率>枯落物最大持水量>枯落物有效拦蓄量>枯落物蓄积量>土壤非毛管孔隙度>土壤毛管孔隙度>土壤容重>土壤最大持水量。故当我们对林分水源涵养能力进行综合评价时，应更多考虑土壤稳渗速率、枯落物蓄积量、枯落物最大持水量以及枯落物有效拦蓄量。各林分水源涵养能力综合评价值(表6)，大小排序为：楠木林(36.256)>毛竹林(28.314)>茶林(17.732)>脐橙林(17.616)。

表6 不同林分水源涵养综合评价权重值

4 讨论与结论

4.1 讨论

(1) 森林枯落物厚度以及蓄积量是决定森林水源涵养能力高低的重要因素，不同林分枯落物的厚度及蓄积量有所差别，其蓄积量多少与植被生长情况、人为活动、枯落物特性和分解状况等因素密切相关[24-25]。本研究表明，楠木林枯落物层蓄积量远大于两种人工经济果林，产生这种结果的原因，可能是由于不同林分根系的生长状况不同，楠木林相比于其他两种经济果林繁殖能力更强，发达的根系上能形成密集的茎叶层，枯落物的归还量大[26]。加之脐橙林和茶林受人为干扰活动较大，容易遭受破坏，造成林下枯落物体积相对较低。而毛竹林枯落物层蓄积量小于脐橙林，仅比茶林略大，这与不同林分枯落物特性有关，竹叶质薄柔软且较易分解，而脐橙叶较之竹叶宽厚狭长，且质地坚韧[27]。在枯落物层持水性能方面，各林分半分解层枯落物最大持水量和吸水速率均是大于未分解层，可能是由于半分解层枯落物蓄积量明显高于未分解层[28]。从各林分整体来看，两种天然林楠木林、毛竹林与两种人工经济果林脐橙林、茶林相比，具有最大持水量、最大拦蓄量和有效拦蓄率高等特点。造成这种情况的主要原因可能是楠木林和毛竹林自然含水率较高，在枯落物处于风干状态下，其最大持水能力以及吸水性能相比于两种人工经济果林较强，另外这与不同林分林龄、枯落物特性以及蓄积量也有关[29]。

(2) 不同林分类型其土壤水文物理特征存在差异，这与不同林分枯落物蓄积量、枯落物分解状态以及林分地下根系生长状态有很大关系。研究结果表明，在0—30 cm土层之内，4种林分类型土壤容重均随土层深度的增加而增大，非毛管孔隙度随土层深度的增加而减小，这与赵磊等[30]众多学者的研究结果相一致。此外，由于两种人工经济果林受人为活动干扰较大，如剪枝、摘果等活动，土壤表层被频繁践踏，从而导致林地土壤板结紧实，土壤容重变大。土壤最大持水量和有效持水量取决于土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度[31]。研究证实，楠木林和毛竹林的土壤层持水能力较强，其土壤最大持水量、有效持水量以及渗透速率均大于两种人工经济果林表现为最差。出现这种情况的主要原因可能是两种天然林具有较为发达的根系结构，能够显著的改善土壤的孔隙状况。另外，由于两种人工经济果林林下植被和枯落物稀少，对地表土壤缺乏保护，不能有效减缓降水和地表径流对表层土壤的侵蚀，造成土壤结构破坏，土壤板结，导致土壤渗透速率降低。