喀斯特地区石漠化程度与林分水源涵养的相关性研究

李廷铃, 熊康宁, 杨珊, 张仕豪, 刘海燕

贵州师范大学 喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心 , 贵州 贵阳 550001

森林生态系统水源涵养功能是森林生态系统服务的重要组成部分，是森林与水的相互作用在生态系统服务领域的集中体现[1]，科学评价森林涵养水源的价值与合理制定森林的管理策略是林业可持续发展的保障[2]。普遍认为，森林的林冠层、枯落物层和土壤层等通过拦截和吸收降水，使降水被充分蓄积和重新分配，这种调节降水的能力就是水源涵养功能[3]。而林冠层截留的降水不能被森林贮存，枯落物和土壤层蓄水可以贮存在森林中，并且蓄水量很大，占降水量的80%～90%，因此森林涵养水源能力主要取决于枯落物和土壤层持水[4-5]。不同森林类型由于其树种生物学以及生态学上特性以及森林群落结构的差异, 其林分整体水源涵养效应存在一定的差异[6]。探讨不同森林类型林地与蓄水功能的关系，对合理经营森林资源，改善水环境，实现水资源的科学管理和利用具有重要意义[7]。

石漠化是在喀斯特脆弱生态环境下，人类不合理的社会经济活动，造成人地矛盾突出、植被破坏、水土流失、岩石逐渐裸露、土地生产力衰退，地表在视觉上呈现类似于荒漠化景观的演变过程[8]。石漠化代表了世界上一种独特的荒漠类型[9]，其本质是生态系统功能的降低或丧失。森林-土壤层是维持喀斯特环境生态系统平衡和良性循环的基础因子[10]。研究喀斯特森林的水文学过程和养分动态，既可丰富喀斯特森林生态学的内容，又可为控制水土流失和治理石漠化提供理论依据[11]。由于喀斯特地貌所独有的地表-地下二元结构特点，导致该区水土流失规律有明显区别于非喀斯特地区的特殊性[12]，而植被恢复是水土流失减少的主要原因[13]。石漠化治理应兼顾生态效益和经济效益，在生态恢复的过程中因地制宜发展高效特色和可持续生态林产业，是石漠化地区植被修复重建的一个重要发展方向[14]。

中国南方以贵州高原为中心的喀斯特地区是世界上面积最大、最集中连片的喀斯特生态脆弱区，面积超过55×104km2，占全省面积的73%，石漠化面积占全省面积的21.34%，石漠化治理是当前生态修复的主要任务和难点[15-16]。根据中国南方喀斯特地区水土流失和植被恢复问题，在代表南方喀斯特环境类型总体结构的贵州高原山区选择具有代表性的毕节撒拉溪潜在-轻度石漠化、关岭-贞丰花江中-强度石漠化、施秉无-潜在石漠化三类喀斯特生态环境类型作为研究区，选取该区典型森林为研究对象，比较喀斯特石漠化地区不同类型森林涵养水源能力，应用Topsis优劣解距离法[4]，分析研究区域与最优方案的相对接近程度，以期为石漠化治理和后续研究提供科学依据。

1 研究区概况

毕节-撒拉溪喀斯特高原山地潜在-轻度石漠化综合防治研究区（B），位于贵州省毕节市，27°11′09″N—27°17′28″N，105°1′12″E—105°8′38″E。研究区总面积8 617 hm2，喀斯特面积占比为74.25%，石漠化面积达5 586 hm2，海拔在1 511～2 186 m，年均日照时数为1 360 h，年均温12.8℃，年降水量为984 mm。植被有草地、灌木林地、乔木林地，以亚热带针、阔叶林和落叶阔叶林等次生植被为主。经济林以刺梨、核桃为主。

关岭-贞丰花江喀斯特高原峡谷中-强度石漠化综合治理与生态产业研究区(H)，位于贵州省西南部北盘 江 花 江 河 段 南 岸，25°37′07″N—25°42′25″N，105°35′11″E—105°43′18″E。总面积5 165 hm2，石漠化面积3 474 hm2，其中潜在、轻度、中度和强度石漠化分别占27.20%、43.12%、15.26%、14.42%。海拔在443～1 358 m，相对高差超过900 m，年均温18.4℃，年降水量1 100 mm。植被以灌丛、灌草群落为主，植被的演替速度慢，大多处于演替的初期或中期的次生林植物群落，群落结构不稳定，顶级群落少。森林覆盖率很低，目前次生林的管控措施主要以封山育林为主，缺少人工优化调控措施。林产业的发展处于初级阶段，经济林有枇杷、花椒、核桃、李子等，结构配置单一。

施秉喀斯特高原槽谷无-潜在石漠化世界自然遗产保护与山地旅游研究区(S)，位于贵州省黔东南州，27°2′45″N—27°15′21″N，108°1′5″E—108°12′54″E，为施秉喀斯特世界自然遗产地。研究区总面积28 295 hm2，其中无、潜在、轻度、中度石漠化分别占48.91%、 30.54%、 8.81%、 0.84%。海拔在526～1 576 m之间，年均温16℃，年均降水1 220 mm。研究区植被类型有针叶林、针阔混交林、常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、竹林、灌丛等8种森林植被类型，森林覆盖率93.95%，多为高大乔木。植物物种较为丰富，林业资源条件优越。经济林有梨、桃、银杏等。

2 材料与方法

2.1 样地设置

于2020年8月在对3个研究区植被调查的基础上，各选取2种次生林优势种和1种典型经济林，喀斯特高原山地潜在-轻度石漠化研究区选取核桃（Juglans regia、华山松（Pinus armandii）、光皮桦（Betula luminifera）；喀斯特高原峡谷中-强度石漠化研究区选取花椒（Zanthoxylum bungeanum）、柚木（Tectona grandis）、翅荚香槐（Cladrastis platycarpa）；施秉无-潜在石漠化研究区选取梨（Pyrus）、马尾松（Pinus massoniana）、南川椴（Tilia nanchuanensis）。每种林型设置3个20m×20m标准样地，在样地四角及中央再设置5个1m×1m的枯落物样方（见表1）。

表 1 样地基本信息Tab. 1 Basic information of the sampled sites

2.2 枯落物层持水测定

于2020年降水量较大的夏季(8月)，收取1m×1 m样方内所有枯落物（包括分解层和未分解层），现场称量其自然重量m1，带回实验室将其全部浸泡24 h至完全吸水，之后置于网袋中沥出多余水分，称量其最大持水重量m2，将其置于90℃的烘箱中24h完全烘干并测量其干重m3。枯落物最大拦蓄量为[17]：

R′max为最大持水率：

R’0为自然含水率：

式中，Wmax为最大拦蓄量，M为枯落物积蓄量(t·hm-2)。

2.3 土壤层持水测定

喀斯特区土层薄，贵州大部分地区土层厚度多在30 cm以下[10]，因此在每个样地内随机选择3株长势较好的树，沿树干周围1 m处各挖取1个20 cm的土壤剖面，并用体积为100 cm3的环刀自上而下按0-10 cm、10-20 cm深度分别取样，立即装入已消毒的自封袋，带回实验室，利用烘干法和浸泡法计算土壤容重、持水量、孔隙度等指标，并由公式计算一定土层深度内的蓄水量[3]:

Ws为土壤最大蓄水量(t·hm-2)、Ps为土壤总空隙度、Wc为毛管蓄水量(t·hm-2)、Pc为毛管孔隙度、Wn为非毛管蓄水量(t·hm-2)、Pn为非毛管孔隙度、d为土层深度（m）。

2.4 数据处理与方法

原始数据在EXCEL中整理计算，运用SPSS22软件进行相关分析和单因素方差分析，Topsis优劣解距离法在SPSSAU-在线SPSS软件中计算，运用Origin 2017和Adobe Photoshop软件进行作图和图片处理。

Topsis优劣解距离法选取枯落物蓄积量、自然持水率（低优）、最大持水率、土壤容重（低优）、土壤总空隙度和非毛管蓄水量作为评价指标。评价对象与最优方案的接近程度C值越大综合效益越好，林分水源涵养功能则越强。

3 结果分析

3.1 枯落物持水能力比较

枯落物层既能拦截降水使地表免受雨滴的直接冲击，又能阻滞径流和地表冲刷[18]。同时，枯落物的分解形成土壤腐殖质，能显著地改善土壤结构，提高土壤的渗透性能。从表2可知，中-强度石漠化研究区的柚木枯落物蓄积量最大，花椒最小；潜在-轻度石漠化研究区华山松枯落物蓄积量最大，核桃最小；无-潜在石漠化研究区梨的蓄积量最大，马尾松最小。中-强度石漠化研究区翅荚香槐的枯落物最大持水率最高（264.27%），柚木最低（174.61%）；潜在-轻度石漠化研究区核桃最大持水率最高（213.54%），华山松最低（141.94%）；无-潜在石漠化研究区梨的最大持水率最高（279.59%），马尾松最低（156.95%）。根据相关研究，当降雨量达到20～30 mm 以后，不论哪种植被类型枯落物层含水量高低，实际持水率约为最大持水率的 85%左右。所以用最大持水率来估算枯落物层对降雨的拦蓄能力偏高，不符合它对降雨的实际拦蓄效果，而一般用有效拦蓄量估算枯落物层对降雨的实际拦蓄量[19]。因此不同林型的有效拦蓄量排序为：中-强度石漠化研究区柚木（8.76 t·hm-2）＞翅荚香槐（3.17 t·hm-2）＞花椒（1.91 t·hm-2），潜在-轻度石漠化研究区光皮桦（1.96 t·hm-2）＞华山松（1.85 t·hm-2）＞核桃（1.47 t·hm-2），无-潜在石漠化研究区梨（3.44 t·hm-2）＞南川椴（2.74 t·hm-2）＞马尾松（1.34 t·hm-2）。

表 2 不同类型森林枯落物持水能力Tab. 2 Water-holding capacity of different types of forest litter

3.2 不同林型土壤层持水能力

3.2.1 不同森林类型土壤物理性质比较

土壤容重总体呈随土层深度加深而增大的趋势，不同树种间差异显著（p ＜ 0.05，见表3）。根据浙江林学院叶仲节教授研究提出的单项肥力指标[20]，容重可分级为：＜1.20 g·cm-3(I级)，1.30～1.21 g·cm-3(II级)、l.40～1.31 g·cm-3(III级)，1.50～1.41 g·cm-3(IV级)，＞1.51 g·cm-3(V级)。根据以上指标，中-强度石漠化研究区的花椒、翅荚香槐，潜在-轻度石漠化研究区的华山松、光皮桦，无-潜在石漠化研究区的梨和南川椴为I级；中-强度石漠化的柚木、潜-轻石漠化的核桃为II级；无-潜在石漠化的南川椴为III级。从不同土层深度来看，在0～10 cm土层中，除无-潜在石漠化的南川椴为III级，其余8个树种容重等级均为I级；在10～20 cm土层中，除中-强度石漠化的柚木和无-潜在石漠化南川椴为III级，其余树种为I级或II级。具体来看，中-强度石漠化研究区土壤容重翅荚香槐（1.03 g·cm-3）＜花椒（1.07 g·cm-3）＜柚木（1.30 g·cm-3）；潜在-轻度石漠化研究区华山松（0.85 g·cm-3）＜光 皮 桦（1.13 g·cm-3）＜核 桃（1.22 g·cm-3）；无-潜在石漠化研究区梨（1.07 g·cm-3）＜马尾松（1.13 g·cm-3）＜南川椴（1.34 g·cm-3）。

土壤孔隙度反映土壤透气状况和松紧程度[21]，不同树种间土壤总空隙度亦存在显著差异（p＜0.05），总空隙度平均值在65.69%～47.71%之间浮动，中-强度石漠化研究区翅荚香槐最大为64.47%，花椒次之58.07%，柚木最小为55.45%；潜在-轻度石漠化研究区华山松最大为65.69%，核桃次之为59.62，光皮桦最小为52.34%；无-潜在石漠化研究区马尾松最大为52.93%，南川椴次之48.45%，梨最小为47.71%。不同树种间的土壤毛管孔隙度差异性与总空隙度一致，而非毛管孔隙度的变动范围为5.15%～11.87%，中-强度石漠化研究区非毛管孔隙度翅荚香槐（11.87%）＞柚木（8.86%）＞花椒（7.96%）；潜在-轻度石漠化研究区光皮桦（10.03%）＞华山松（9.11%）＞核桃（8.86%）；无-潜在石漠化研究区马尾松（8.70%）＞梨（7.31%）＞南川椴（5.15%）。

3.2.2 不同森林类型土壤贮水性能比较

森林土壤的贮水能力主要取决于土壤的非毛管孔隙度[22]，因此将非毛管蓄水量作为土壤贮水性能指标，由图1可知不同树种间土壤非毛管蓄水量差异显著。从不同土层来看，10～20 cm土层的非毛管蓄水量略高于0～10 cm土壤的非毛管蓄水量。中-强度石漠化研究区翅荚香槐非毛管蓄水量最大（2.37 t·hm-2），柚木次之（1.77 t·hm-2），花椒最小（1.59 t·hm-2）；潜在-轻度石漠化研究区光皮桦（2.01 t·hm-2）最大，华山松（1.82 t·hm-2）次之，核桃（1.77 t·hm-2）最小；无-潜在石漠化研究区马尾松最大（1.74 t·hm-2），梨（1.46 t·hm-2）次之，南川椴最小（1.03 t·hm-2）。

3.2.3 林下土壤容重和含水量与土壤孔隙度、持水量、蓄水量的关系

土壤容重与土壤孔隙度、持水量和蓄水量均呈负相关关系（P＜ 0.05；见图2），这是因为土壤容重越大，土壤越紧密，孔隙度就会越小，而土壤含水量则与其呈正相关关系（P＜ 0.05）。

图 1 不同类型森林土壤非毛管蓄水量Fig. 1 Non-capillary water storage of different types of forest soils

图 2 土壤容重和含水量与土壤孔隙度、持水量和蓄水量的相关关系Fig. 2 Correlation of soil bulk and water content with soil porosity, water holding capacity and water storage

3.3 不同类型森林涵养水源能力综合评价

运用Topsis优劣解距离法计算的不同森林综合涵养水源能力表明（见表4），将3个研究区单独计算时（排序结果1），中-强度石漠化研究区不同森林综合涵养水源能力：柚木＞翅荚香槐＞花椒；潜在-轻度石漠化研究区森林综合涵养水源能力：华山松＞光皮桦＞核桃；无-潜在石漠化研究区排序为：马尾松＞梨＞南川椴。而将3个研究区看为一个整体计算时，排序结果（排序结果2）为H柚木＞S马尾松＞H翅荚香槐＞B华山松＞S梨＞B光皮桦＞H花椒＞S南川椴＞B核桃。

表 3 不同类型森林土壤物理性质Tab. 3 Physical properties of different types of forest soils

表 4 不同森林综合涵养水源能力Topsis评价结果Tab. 4 Topsis evaluation results of different forests comprehensive water conservation capacity

4 结论与讨论

（1）不同林分枯落物水源涵养能力。不同林分类型由于其树种组成不同，年凋落物产量及其分解难易程度差异显著，从而导致不同林分的林地凋落物层蓄积量及其持水能力存在明显差异[19]。本研究中不同林型的枯落物有效拦蓄量排序为：中-强度石漠化研究区柚木＞翅荚香槐＞花椒，潜在-轻度石漠化研究区光皮桦＞华山松＞核桃，无-潜在石漠化研究区梨＞南川椴＞马尾松。

（2）不同林分土壤水源涵养能力。土壤容重是表征土壤质量的重要参数，土壤容重越小，土壤的结构性就愈好[23]。中-强度石漠化研究区土壤容重翅荚香槐优于花椒和柚木；潜在-轻度石漠化研究区华山松优于光皮桦和核桃；无-潜在石漠化研究区梨优于马尾松和南川椴。中-强度石漠化和高原山地潜在-轻度石漠化研究区都是次生林土壤容重小于经济林，这可能是由于次生林林下植被物种较丰富，多种植物根系的穿插生长及其在生长过程中促进微生物的活动有利于增加土壤孔隙度，使土壤容重减小[24]。无-潜在石漠化研究区则是经济林容重最小，这可能是由于无-潜在石漠化研究区经济林人工管理较好，施用粪肥等人为活动使土壤较疏松。孔隙度变化趋势与容重变化趋势相反，这是由于土壤容重越大，土壤越紧实，孔隙就越小[21]。非毛管孔隙在土壤中起到透气作用，便于水分下渗，有效缓解地表径流，促进水源涵养作用[25]，不同植被土壤的非毛管孔隙度均值变动范围是5.15%～11.87%，具体排序为：中-强度石漠化研究区翅荚香槐＞柚木＞花椒；潜在-轻度石漠化研究区光皮桦＞华山松＞核桃；无-潜在石漠化研究区马尾松＞梨＞南川椴，可以看出3个研究区都是次生林的土壤非毛管孔隙度最大，具有良好的透气性，吸收降水能力也较好。

（3）不同林分综合涵养水源能力。运用Topsis优劣解距离法计算9种森林综合涵养水源能力，中-强度石漠化研究区：柚木＞翅荚香槐＞花椒；潜在-轻度石漠化研究区：华山松＞光皮桦＞核桃；无-潜在石漠化研究区：马尾松＞梨＞南川椴。在石漠化等级为潜在-轻度和中-强度的花江和撒拉溪研究区，均是次生林涵养水源能力优于经济林，而在无-潜在石漠化等级的施秉研究区，经济林的涵养水源能力并不是最差，这说明施秉研究区经济林的选择比较成功，既实现了经济效益又维护了生态效益。而在中-强度石漠化和潜在-轻度石漠化研究区，选出既能实现经济效益又能维护生态效益的经济林更有难度，这也是后续需要继续研究问题。