秃杉林和连栽杉木林水源涵养功能的差异

南雅薇，戴军，李元强，梁新戚，何斌，张日施

（1.广西大学林学院，广西南宁 530004；2.广西壮族自治区国有维都林场，广西来宾546000)

森林水源涵养功能是森林生态系统最重要的功能之一[1-2]，其研究贯穿森林水文研究的全过程，也是生态学研究的热点。近年来，对森林水源涵养功能的主要表现形式（涵蓄土壤水分、调节径流和净化水质等）进行了较全面的研究[3]；对不同地域典型植被或不同结构森林类型贮蓄水分的能力进行了比较分析，结果显示森林水源涵养功能受物种组成、群落结构、土壤类型和管理措施等因素的影响[4-7]。分析和比较不同森林类型，尤其是不同人工林类型的水源涵养功能及其差异，可正确评价森林的水文生态功能，对合理经营森林资源、实现其可持续经营与发展有重要意义。

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我国南方重要的商品用材林树种之一[8]。广西是我国杉木的主产区之一,杉木蓄积量在全区人工林中位列第一,杉木在广西林业生产和木材战略储备基地建设中有重要地位[9]。由于连栽，杉木林地力衰退和生态功能下降等问题日趋严重[10-12]。寻求解决杉木采伐迹地更新问题的方法，维持林地生产力，已成为当前杉木栽培区亟需解决的问题。秃杉（Taiwania flousiana）为杉科（Taxodiaceae）台湾杉属珍稀树种，具有生长快、病虫害少、生物生产力及出材量高和材质好等优点，已成为南方部分山区杉木采伐迹地更新的优良替代树种[13]和退耕还林地的重要栽培树种.。目前，与秃杉人工林栽培的相关研究已有较多报道[14-18]，但水源涵养方面的研究较少[17-18]。本研究对广西南丹县23年生秃杉林和连栽杉木林（即二代杉木林）不同结构层次的持水性能进行比较与分析，探索两种林分水源涵养功能的差异，以期为秃杉林的经营管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于广西西北部的南丹县（107°1´～107°55´E，24°42´～25°37´N），地处云贵高原边缘，以中低山为主，海拔多为600～1 000 m，具有高原山区的气候特点和变化规律，年均气温16.9℃，年均降水量1 498 mm。试验地设在南丹县山口林场山口分场，海拔960～975 m，坡度27°～34°，东北坡向，土壤母质（母岩）为砂页岩，风化程度较高，土壤类型为山地黄壤，土层厚度80 cm以上[16]。

秃杉林和连栽杉木林均栽植于原杉木一代林采伐迹地，定植时间为1993年3月，造林密度均为2 500株/hm2（株行距2 m×2 m）。造林后前3年的春季和秋季各进行1次铲草抚育，生长期间没有进行人工施肥[16]。2016年5月，调查秃杉林和连栽杉木林的林分特征（表1）。

表1 秃杉林和连栽杉木林林分特征Tab.1 Stand features of T.flousiana plantation and successive rotation plantation of C.lanceolata

1.2 试验方法

1.2.1 林分生物量调查

2016年5月，在立地条件（坡向、坡度、坡位和海拔等）基本一致且相互毗邻的23年生秃杉林和连栽杉木林中分别设置3块标准样地，面积均为20 m×20 m。开展林分生长调查，调查指标包括林分郁闭度、密度以及林木胸径、树高、冠幅和枝下高。在每块样地外，选择3株平均木伐倒，采用Monsic分层切割法分别测定树叶、树枝、地上部分干皮和干材鲜质量[16]。在每块样地内，沿对角线设置3个2 m×2 m的小样方，调查林下植被（灌木和草本）的种类、个体数、高度和覆盖度等，采用样方收获法测定林下植被层和凋落物层鲜重[16]；采集林冠层、林下植被层和凋落物层样品各500～1 000 g，将部分样品烘干，测定其干质量和含水率，估算各结构层次的生物量或现存量。

1.2.2 植物和土壤样品的采集与分析

将采集的林冠层、林下植被层和凋落物层部分样品分别置于水中浸泡24 h，测定其持水量和持水率[19]。按S形在每块样地内设置5个土壤剖面，将土壤剖面分为0～20、20～40和40～80 cm 3个层次。每层次分别采集土壤约1 000 g，将同一样地内不同土壤剖面同层次的土壤样品混合装袋，带回实验室，用环刀采集原状。采用环刀法测定土壤水分-物理性质[19-20]，采用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机质[20]。

1.2.3 林分持水量估算

林分持水量包括地上部分持水量和土壤层持水量，地上部分包括林冠层、林下植被层和凋落物层。持水量计算公式为：

式中，Wl为持水率（%）；WL为持水量（t/hm2）；M为水分质量（t）；Wm为干质量（t）；W为生物量或现存量（t）。

土壤水分贮蓄性能指标包括土壤总持水量（饱和持水量）和土壤有效持水量（非毛管蓄水量）[19]，分别采用以下公式计算：

式中，Wt为土壤总持水量（t/hm2）；Wf为土壤有效持水量（t/hm2）；Pt为土壤总孔隙度（%）；Pf为土壤非毛管孔隙度（%）；H为土层厚度（cm）。

1.3 数据处理

采用Excel 2013软件进行处理，采用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 秃杉林和连栽杉木林地上部分的持水性能

秃杉林的林冠层生物量和持水量分别为44.51和31.66 t/hm2，分别是连栽杉木林（16.60和12.25 t/hm2）的2.68和2.58倍，均差异显著（P＜0.05）（表2）。

表2 地上部分的持水性能Tab.2 Water-holding properties of aboveground part(t/hm2)

与连栽杉木林相比，秃杉林郁闭度较大，林下植被发育较差，林下植被层的生物量和持水量分别为4.57和3.84 t/hm2，略低于连栽杉木林（5.14和4.13 t/hm2），差异均不显著。

秃杉林凋落物层的生物量和持水量分别为6.84和20.82 t/hm2，分别是连栽杉木林（4.67和15.72 t/hm2）的1.46和1.32倍，均差异显著（P＜0.05）。

秃杉林地上部分持水量（56.32 t/hm2）是连栽杉木林（32.10 t/hm2）的1.75倍。与连栽杉木林相比，秃杉林除林下植被层的生物量和持水量稍低外，林冠层和凋落物层持水量均较大，对降雨的截留能力更强。

2.2 秃杉林和连栽杉木林土壤持水性能

2.2.1 土壤渗透性能

土壤渗透性能是反映林地土壤对降雨的调节能力的重要指标。秃杉林和连栽杉木林土壤渗透速度的初渗值和稳渗值均随土层加深而下降，与总孔隙度和有机质含量的变化趋势相同。除40～80 cm土层外，秃杉林土壤渗透速度的初渗值和稳渗值均高于连栽杉木林，在0～20 cm土层差异显著（P＜0.05）（表3）。说明秃杉林可提高土壤渗透性能，减少因超渗而导致的地表径流。

表3 土壤渗透性能Tab.3 Soil permeation capacity

2.2.2 土壤持水性能

土壤是森林涵养水源最重要的场所，其蓄水能力是反映森林水源涵养功能的重要指标之一。秃杉林0～80 cm土层总持水量为4 320.80 t/hm2，比杉木林（4 214.00 t/hm2）高出106.80 t/hm2；其中0～20 cm土层最大持水量的增加量最大（96.80 t/hm2），占总增加量的90.64%（表4）。与土壤总持水量的变化趋势相似，秃杉林0～80 cm土层总有效持水量（604.40 t/hm2）比连栽杉木林（555.10 t/hm2）高出49.30 t/hm2；其中0～20 cm土层的增加量最大（48.00 t/hm2），占总增加量的97.36%，且两种林分间差异显著（P＜0.05）。

表4 土壤持水性能Tab.4 Soil water-holding capacity

2.3 秃杉林和连栽杉木林水源涵养功能

林分的总持水量由林分地上部分和土壤涵养水分的能力决定。秃杉林和连栽杉木林的林分总持水量分别为4 377.12和4 246.11 t/hm2，均以土壤层持水量所占比例较高，分别为98.71%和99.24%，地上部分持水量所占比例分别为1.29%和0.76%（表5）。秃杉林的林分总持水量比连栽杉木林高出3.09%，有较强的水源涵养能力。

表5 林分持水量Tab.5 Water-holding capacity of stands

续表5 Continued

3 讨论与结论

林冠层对降雨的截留作用是森林水源涵养功能的最先表现，林冠层通过对降雨进行重新分配，既可避免雨水对地面的直接溅击，缓解降雨对地表的侵蚀，又能截留部分降水量，减少地表土壤流失[21]。林冠层截留降雨的作用主要取决于树种组成、郁闭度、生物量以及降水量、降雨强度和蒸发速率等[19]。秃杉的树冠呈塔形，枝叶较茂盛，成层性明显，林分郁闭度较大，林冠层的生物量和持水量均显著高于连栽杉木林，对降雨有较强的截留作用，可使透过林冠层的雨量减少。

林下植被层是森林发挥水源涵养作用的第二层次，可对穿过林冠层的降雨进行再次截留，进一步减弱雨水对土壤的溅打。林下植被层的持水性能主要取决于林下植被的生物量和持水率。受林分结构特征影响，秃杉林林下植被层的发育稍差于连栽杉木林，其生物量和持水量均略低于连栽杉木林，但差异均不显著。

凋落物层是植物-土壤养分循环的联结库，也是森林植被对降雨进行再分配的重要作用层，具有涵养水源、保持水土、提高土壤渗透能力和改善土壤结构等作用[18，22]。凋落物层覆盖林地表面，可增加地表粗糙度，起到减弱雨水对地表土壤的溅打、提高水分入渗能力、降低径流速度和延长径流时间等作用。秃杉林中，凋落物较丰富，以树叶和柔软细枝为主，持水率较高[18]，而连载杉木林有明显的凋落物宿存现象，因此秃杉林的凋落物层生物量和持水量均显著高于连栽杉木林，表现出比连栽杉木林更高的水源涵养功能。

森林土壤是森林贮存水分的最主要场所，其储蓄水分的能力与土壤种类、容重及孔隙度等密切相关[19]。土壤容重和孔隙状况是对土壤构造状况的反映，影响土壤的通气性、透水性及贮存水分的能力。本研究中，秃杉林和连栽杉木林0～40 cm土层土壤容重分别为0.884～0.990 g/cm3和0.915～1.017 g/cm3，土壤总孔隙度分别为55.14%～63.88%和54.30%～59.04%，两种林分的土壤容重均明显小于广西南宁市马占相思（Acacia mangium）人工林[19]、广西玉林市福建柏（Fokienia hodginsii）纯林和混交林[23]、江西省都昌县杉木林和常绿落叶阔叶混交林[24]和四川省高县马尾松（Pinus massoniana）人工林[25]，土壤总孔隙度则相反，表明研究区林地土壤较疏松，通气透水和水源涵养性能较强，这也是该区域能作为广西重要杉木栽培区之一，而且引种的秃杉人工林生长良好和生产力较高的重要原因之一[26]。秃杉林0～20和20～40 cm土层的容重均低于连栽杉木林，土壤总孔隙度则较高，其原因一方面是秃杉林凋落物较丰富，以较易分解的树叶和柔软小枝为主，通过分解和腐殖化促进了土壤有机质的生物积累[14]；另一方面，秃杉是浅根性树种，根系发达且疏散，根系间相互连生[26-27]，通过根系的穿插和伸展，可产生各种孔隙，活根的分泌和死根的腐解也能增加土壤有机质含量和孔隙。秃杉林土壤（0～80 cm）的总有效持水量和总持水量均高于连载杉木林。

秃杉林的总持水量比连栽杉木林高，表明秃杉林有较强的水源涵养功能。在杉木采伐迹地上营造秃杉林，有利于改善土壤结构和孔隙状况，提高土壤主要养分含量和酶活性[28]，可增强森林水源涵养功能。