江西省公益林枯落物层和土壤层水源涵养功能评价

2022-06-29温林生邓文平陈锡方卢妍洁刘苑秋

中国水土保持科学 2022年3期

温林生,邓文平,钟流,陈锡方,卢妍洁,全蕾,刘苑秋

(江西农业大学林学院鄱阳湖流域森林生态系统保护与修复实验室， 330045，南昌)

江西省位于我国南部，地处亚热带中部，水、热资源充沛，在中国林业中占据重要地位。2017年数据显示，江西森林覆盖率高达63.1%[1]；其中人工林面积338.6万hm2，蓄积1万1 121.9万m3[1]。其中，国家级公益林216.1万hm2、省级公益林达123.9万hm2，占江西省森林总面积的34%[2]，截至2018年底，江西省公益林的生态服务功能价值达到5 188.18亿元[3]。

森林的水源涵养功能是生态服务功能的重要组成部分[4]，森林通过林冠、枯落物及土壤共同完成拦蓄降水、调节径流、消减洪峰等水文功能[4]。森林枯落物通过对降雨的吸持与拦蓄来减少水土流失[5]；林地土壤自身的物理性质及有效滞留、蓄水能力等反映土壤对水文过程的调节，因此具有较高的水源涵养效应[5]。针对水源涵养能力的研究，高迪等[6]认为成熟林的枯落物水源涵养能力最强；胡小燕等[7]、吕圣吉[8]的结论结合推断杉木密度为1 667株/hm2时土壤的水源涵养功能较好，但对于何种林型能更好地发挥森林的水源涵养能力，目前存在一定的分歧[7,9-10]。

土壤的滞存水能力受质地类型的影响[9]，是土壤发挥其水文效应的重要因子。江西省土壤质地类型多样，先划分土壤质地类型区，再进行森林水源涵养功能的评价具有更高的可信度。因此，笔者以江西省公益林为研究对象，以土壤质地类型分区，评价不同林分类型水源涵养功能效应，以期对江西省公益林发挥水源涵养效益、减缓水土流失提供理论指导，对江西省公益林林分改造、树种选择提供数据支持。

1 研究区概况

江西省(E 113°34′36″～118°28′58″，N 24°29′14″～30°04′41″)地处亚热带中部，东、西、南三面环山，中部河谷与丘陵交错分布；北部平缓，为鄱阳湖湖积、冲积平原；拥中国第一大淡水湖——鄱阳湖，并含2 400余条河流，其中赣江、抚河、信江、修河和饶河为江西五大河流。江西位于北回归线附近，全省气候温暖，雨量充沛，属中亚热带季风气候，年均温16.3～19.5 ℃，年均降雨量1 341～1 940 mm，无霜期240～307 d。江西省土壤质地类型丰富，植被以常绿阔叶林为主，具典型亚热带森林植物群落。

2 研究方法

2.1 样地选择

选择粗砂质土、粉土、壤土等3种质地类型区，涉及毛竹(Phyllostachysheterocycla)林、阔叶混交林、杉木(CunninghamiaLanceolata)纯林、马尾松(Pinusmassoniana)纯林、湿地松(Pinuselliottii)纯林等类型的公益林(近熟、成熟林)，共18个试验地，样点分布及概况见表1。

2.2 枯落物层研究方法

于2016年对江西省公益林样地(20 m×20 m)进行枯落物的采集(个别样地采样时间为2019年，但都在7—9月采样)，采集方式为：在样地内设置西南角、西北角、东南角各1个(50 cm×50 cm)样方，进行枯落物厚度(H)调查后，取样装袋测其鲜质量(Mn)后，带回实验室利用烘干法、室内浸水法[10]测定蓄积量M、最大吸持水量Mmax及最大持水率Wmax。

在森林的理想状态下，所有枯落物完全发挥持水或拦蓄作用，最大持水率与枯落物干质量的乘积即为枯落物的最大拦蓄量。然而在自然状态下，当降雨>25 mm/d时，实际的持水率约为最大持水率的85%，因而在通常条件下常采用有效拦蓄量和有效拦蓄率来衡量枯落物层的水源涵养能力[11]。

2.3 土壤层研究方法

土壤的物理性质采用环刀法测定，在样地选对角线3点(坡上、坡中、坡下)，分0～10、10～30和30～50 cm共3个土层深度用环刀取其原状土，将其带回实验室通过浸水法和置砂法来测定土壤物理性质和持水能力；土壤水源涵养能力参照土壤的最大吸持贮水量、最大滞留贮水量和饱和贮水量(分别是毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度与深度的乘积)计算[12]。

表1 试验点概况Tab.1 Basic situation of test point

3 结果与分析

3.1 粗砂土质地区的枯落物层、土壤层水文效应

江西省粗砂土质地区中，毛竹林、阔叶混交林、杉木纯林以及马尾松纯林的枯落物厚度、蓄积量、含水率最大持水量(率)均无显著差异，但这些指标的最大、最小值都分别出现在针叶林、阔叶混交林(表2)。

由图1可见，有效拦蓄量表现为马尾松纯林(3.73 t/hm2)显著大于阔叶混交林(1.31 t/hm2)、竹林(1.14 t/hm2)(P<0.05)；有效拦蓄率呈现马尾松纯林显著高于毛竹林；但是，在粗质砂土类型中不同林分的最大拦蓄量、最大拦蓄率没有显著差异，但针叶林与阔叶混交林、毛竹林形成2个层次等级。

在粗砂质地区，毛竹林的平均土壤水分最大滞留贮存量最大(25.27 mm)，显著高于阔叶混交林与杉木纯林(17.97与17.51 mm)；土壤最大吸持贮水量在不同林分间无显著差异(P>0.05)；土壤饱和贮水量表现为毛竹林(43.75 mm)大于阔叶混交林、杉木纯林，马尾松纯林(40.06 mm)大于杉木林(P<0.05)(图2)。

由表3可见，粗砂质地区内的阔叶混交林最大持水量0～10、10～3 cm 2个土层显著大于30～50 cm土层；30～50、10～30 cm土层的最小持水量显著低于0～10 cm土层。土壤密度、毛管持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度以及孔隙度在相同林分不同土层深度、相同土层深度不同林分类型间均无明显差异(P>0.05)。

表2 粗砂土质地区不同林分类型的枯落物概况Tab.2 Litters of different forest types in coarse sandy soil area

图1 粗砂土质地区不同林分类型枯落物的拦蓄能力Fig.1 Litter retention capacity of different forest type in coarse sandy soil areas

图2 粗砂土质地区不同林分类型土壤平均贮水能力Fig.2 Average soil water storage capacity types of different forest type in coarse sandy soil areas

表3 粗砂土质地区不同林分类型土壤物理性质Tab.3 Soil physical properties of different forest types in coarse sandy soil area

3.2 粉土质地区的枯落物层、土壤层水文效应

江西省粉土质地区的枯落物层中，湿地松纯林的枯落物层厚度(6.46 cm)显著高于阔叶混交林(3.17 cm)；枯落物含水率、最大持水率呈现阔叶混交林与杉木纯林显著低于湿地松纯林(P<0.05)。但枯落物蓄积量、最大持水量等指标在不同林分间没有显著差异性(表4)。

由图3可得知，在江西粉土质地区，枯落物最大拦蓄量的是湿地松纯林(10.41 t/hm2)，最小是杉木纯林(5.60 t/hm2)；枯落物有效拦蓄量呈现一致规律，湿地松纯林(7.94 t/hm2)高于杉木林(4.39 t/hm2)(P<0.05)，阔叶混交林位于两者之间但无显著差异。枯落物的最大(有效)拦蓄率在不同林分类型间无显著差别。

表4 粉土质地区不同林分类型的枯落物概况Tab.4 Litters of different stand types in silty soil area

江西省粉土质地区内，不同林分间的土壤水分最大滞留贮存量、土壤最大吸持贮水量不存在显著性差别(图4)。但土壤水分饱和贮水量阔叶混交林(24.82 mm)极显著高于杉木纯林、湿地松纯林(P<0.01)。

图4 粉土质地区不同林分类型土壤平均贮水能力Fig.4 Average soil water storage capacity types of different forest type in silty soil areas

江西省粉土质地区内不同林分间土壤物理性质大致相当(表5)，除却在0～10 cm土层的阔叶混交林的毛管持水量显著高于杉木纯林、湿地松纯林(P<0.05)；30～50 cm的非毛管孔隙度与0～10 cm土层的毛管持水量规律一致；毛管孔隙度表现为阔叶混交林(22.51%)显著高于湿地松纯林(11.25%)，杉木纯林(12.31%)处于二者之间但无显著性差异(P>0.05)。

3.3 壤土质地区的枯落物层、土壤层水文效应

壤土区调查阔叶混交林与湿地松纯林2个林分类型。由表6可见阔叶混交林的枯落物厚度、蓄积量(3.43 cm、3.63 t/hm2)都极显著低于湿地松纯林(7.33 cm、7.07 t/hm2)(P<0.01)；然阔叶混交林的含水率极显著高于湿地松纯林。壤土质地区的2种枯落物最大持水量(率)无显著性差异。

在壤土区，湿地松纯林的枯落物最大拦蓄量、有效拦蓄量(7.25、5.78 t/hm2)都显著高于阔叶混交林(4.59、3.67 t/hm2)；湿地松纯林与阔叶混交林的最大/有效拦蓄率等指标无显著性差异(图5)。

表5 粉土质地区不同林分类型土壤物理性质Tab.5 Soil physical properties of different forest types in silty soil area

表6 壤土质地区不同林分类型的枯落物概况Tab.6 Litters of different forest types in loamy soil area

图5 壤土质地区不同林分类型枯落物的拦蓄能力Fig.5 Litter retention capacity of different forest type in loamy soil areas

图6表明，在壤土质地区，调查的阔叶混交林、湿地松纯林的土壤水分滞留贮存量、土壤最大吸持贮水量、土壤水分饱和贮水量不存在显著性差异。

图6 壤土质地区不同林分类型土壤平均贮水能力Fig.6 Average soil water storage capacity types of different forest type in loamy soil areas

江西省壤土质地区内，阔叶混交林的土壤密度随土层的深度加深而增大，0～10、10～30、30～50 cm分别为1.01、1.25、1.52 g/cm3(P<0.05)。其他土壤物理性质指标均无显著性差异(表7)。

3.4 天然次生林、人工林的枯落物层、土壤层水文效应

由图7可见，江西省人工林枯落物的最大拦蓄量(4.66 t/hm2)、有效拦蓄量(5.31 t/hm2)均极显著的高于天然次生林(P<0.01)，但最大(有效)拦蓄率不呈现显著性差异。与枯落物拦蓄能力相反，天然次生林的平均土壤水分最大滞留贮存量(14.51 mm)、土壤最大吸持贮水量(21.44 mm)、土壤水分饱和贮水量(38.95 mm)均极显著的高过人工林(P<0.01)(图8)。

表7 壤土质地区不同林分类型土壤物理性质Tab.7 Soil physical properties of different forest types in loamy soil area

图7 不同林分起源枯落物的拦蓄能力Fig.7 Interception capacity of litters in different forest origins

图8 不同林分起源的土壤平均贮水能力Fig.8 Average water storage capacity of soil in different forest origins

4 讨论

4.1 枯落物层水文效应

枯落物的拦蓄功能主要是由有效拦蓄量来体现。在实际过程中，枯落物的最大持水量(率)都是一种理想的状态，自然状态下几乎不可能达到，通常认为实际持水率约为最大持水率的85%[11]。从枯落物的有效拦蓄量的计算公式可以得知，枯落物的拦蓄能力取决于蓄积量、自然含水率以及最大持水率。自然含水率受较多因素共同影响，不确定性较高，所以本文仅对枯落物的蓄积量及最大持水率进行讨论。

枯落物的蓄积量主要取决于林木的凋落输入以及分解输出。本研究中，壤土质地区，阔叶混交林的蓄积量(3.63 t/hm2)极显著低于湿地松纯林(7.07 t/hm2)，表明针叶纯林的蓄积量大于阔叶混交林，这与贾剑波等[11]、温林生等[10]和吴晓光等[13]所得结果一致。枯落物的蓄积量与凋落产量呈正相关，与分解速率负相关。王鹏飞[14]进行动态观测发现刺槐人工林凋落量为5 372.34 kg/(hm2·a)，小于侧柏人工林年凋落量7 494.71 kg/(hm2·a)；孟玉珂等[15]发现针叶林的蓄积量高于阔叶纯林、混交林且研究对象华山松年分解速率(11.2%)仅相当于锐齿栎的1/3，表明针叶林的分解速率显著小于阔叶树种，是因为阔叶林具有更短的分解周期，是凋落物特质、环境接触面及环境因子共同决定。

4.2 土壤层的水源涵养能力

土壤的水分移动主要取决于以渗透为主的非毛管孔隙以及贮藏植物所用水的毛管孔隙[5,12]。研究土壤水源涵养效益的评判指标多选用贮存重力水的土壤最大滞留贮存量，代表土壤减少地表径流的能力，评价水源涵养效果[9,16]。陈琦等[9]发现，大径级土壤颗粒比例越大，土壤的平均土壤水分最大滞留贮存量越大。在按照A2ND分类(二级分类质地类型名称，依据土壤的砂粒、粗砂粒、黏粒含量的分类方式)的土壤质地区，所调查的江西省3个质地区：粗砂质地区、粉土质地区、壤土质地区的土壤最大滞留贮存量均值分别为20.43、8.04 和11.82 mm。并不遵循大径级土壤颗粒比例越大，土壤的平均土壤水分最大滞留贮存量越大的规律，这可能是由于局部根系改变环境、改善土壤导致。王伟平等[17]研究发现不同林分类型及林分结构等因素，会导致林下土壤的变化，不同林分下微生物、土壤动物的差异会引起土壤理化性质的改变，进而影响土壤的水文功能发挥。因而，在相同的质地区内，不同林分及林分结构等差异会影响局部的土壤水源涵养能力。