贵州脆弱生态区3种森林恢复模式土壤层水源涵养能力研究

曾晨阳 武燕 丁波 符裕红 张宏程 徐艳梅 宋雪红

摘要 本研究在贵州省扎佐林场选取3种不同森林恢复模式（针叶林、阔叶林、针阔混交林）样地作为研究对象，通过坐标综合评定、野外调查、环刀等方法，并结合土壤持水量、土壤拦蓄量等指标，评价3种不同森林恢复模式的土壤层（0～20、20～40、40～60 cm）持水能力变化特征，探究贵州脆弱生态区不同森林恢复模式下土壤层水源涵养能力，为森林植被恢复与建设及其水源涵养能力改善提供一定科学依据。结果表明，土壤最大持水量、土壤饱和蓄水量、非毛管孔隙度和总孔隙度在0～20 cm土层表现为针叶林>阔叶林>针阔混交林（p<0.05）；针叶林恢复模式下，土壤最大持水量、毛管持水量、土壤饱和蓄水量、土壤有效蓄水量、毛管孔隙度均表现为0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm（p<0.05）；坐標综合评定法分析得出土壤层综合水源涵养能力大小为阔叶林>针阔混交林>针叶林。贵州扎佐林场阔叶林下土壤较针叶林和针阔混交林下土壤水源涵养能力更优，建议该地区进行森林恢复建设时，首选阔叶树种，对整个森林的水土保持及预防水土流失有积极作用。

关键词 森林恢复模式；土壤层；水源涵养能力；坐标综合评定法

中图分类号 S714   文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2023）09-0095-05

森林水源涵养是指森林生态系统在一定时间和空间范围内保持水分的过程和能力，是森林生态系统服务功能的重要体现[1]，主要体现在森林植被层、枯落物层及土壤层等对水分的拦蓄、吸持与再分配等[2-3]。土壤层是森林生态系统水源涵养的主体。土壤中具有大量丰富的毛管孔隙，可贮存部分降水，以供植物生长发育，同时土壤层水源涵养能力占森林生态系统综合水源涵养能力的90%以上[4]。研究表明，森林恢复可以减少土壤的侵蚀和水土流失，改善当地水文生态服务功能[5-6]，且植被恢复类型及森林管理模式等因素能显著影响森林水源涵养能力[7-8]，森林生态系统自身的复杂性和不同的林分结构导致森林水源涵养能力研究结果的巨大差异[9]。因此，对于不同森林恢复模式的水源涵养能力，有必要开展针对性研究和评价。

喀斯特地貌类型约占全球陆地总面积的12%[10]，西南喀斯特区是中国非常重要的脆弱生态功能区，贵州省位于该区域的中心，喀斯特面积占全省土地面积的62%[11]。由于喀斯特地貌的制约，研究区域水土流失严重、石漠化比例较高、地表土层浅薄、土壤总量少，严重限制该地区森林水源涵养能力[12]。在过去的几十年，贫困人口相对集中，人与用地矛盾日益加剧，过渡的砍伐和不合理利用更加剧了石漠化和水土流失程度，造成该地区生态系统严重退化[13]。环境急剧恶化，国家在“十一五”规划中提出重点保护贵州石漠化地区综合治理生态工程，在贵州各地区开展森林恢复生态工程[14]。为检验贵州生态脆弱区不同森林恢复模式水源涵养能力大小，阐明不同森林恢复模式水源涵养的生态效应和生态过程，本研究以贵州省国有扎佐林场为研究区，选择针叶林、阔叶林及针阔混交林3种恢复模式样地为研究对象，通过对土壤层水源涵养能力进行测定，探讨不同森林恢复模式的土壤层水源涵养能力，为该地区的后继保护管理及相关水源涵养能力的研究提供数据支撑，指出扎佐林场森林水源涵养能力在脆弱生态区进行植被恢复建设的重要意义，同时在促进森林生态系统水分有效利用及减少水分对森林水土流失和生态环境负面影响等方面做出贡献。

1 研究区概况

研究区位于贵州省扎佐国有林场（26°50′56.12″N、106°42′59.25″E），该地区属亚热带季风气候，年均温为15.3 ℃，年均降水量为1 129.5 mm，海拔高度为1 200～1 430 m。林场地跨贵阳市修文县、开阳县、息烽县、乌当区、白云区以及黔南州惠水县。经营面积1万hm2，土壤类型以黄壤为主，植被较为丰富，乔木主要包括柳杉（Cryptomeria japonica var. sinensis Miq.）、马尾松（pinus massoniana Lamb.）、枫香（Liquidambar formosana Hance）等，灌木主要包括白马骨（Serissa serissoides （DC.） Druce）、荚蒾（Viburnum dilatatum Thunb.）、榛（Corylus heterophylla Fisch.ex Trautv.）等，草本主要包括姬蕨［Hypolepis punctata（Thunb.）Mett.］、双盖蕨［Diplazium donianum （Mett.） Tardieu］、沿阶草（Ophiopogon bodinieri H. Lév.）等，森林恢复模式以针叶林、阔叶林和针阔混交林3种类型为主。

2 材料与方法

2.1 样地设置

试验于2021年11月至2022年4月在贵州省修文县扎佐林场开展，在该地区设置针叶林、阔叶林及针阔混交林3种森林恢复模式的样地，树木林龄均为20～30 a，长势良好，立地条件一致。样地面积为20 m×20 m，内设5个2 m×2 m的灌木样方和5个1 m×1 m的枯落物及草本样方。每种森林恢复模式设置3个重复，样地总数为3种森林恢复模式×3个重复，共计9个样地。记录每块样地的地理位置、海拔、坡位、坡度、树种类型等信息，对样地内的乔木树种进行每木检尺，测量胸径、树高，并计算郁闭度及密度等基本信息（表1）。

2.2 土壤层样品的采集及其水源涵养能力测定

土壤水源涵养能力的测定采用环刀法。在样地内选择有代表性的地段挖土壤剖面，在垂直的土壤剖面上依次划分0～20、20～40、40～60 cm土层，在每层用环刀取3个土壤样品，称量鲜重，按其原状装入铝盒，并带回实验室自然风干并测定水源涵养能力。计算公式如下：

式中：m1为环刀内干土质量（g）；m2为浸润12 h后环刀内湿土的质量（g）；m3为在干砂上搁置2 h后环刀内湿土质量（g）；Wt为土壤饱和蓄水量（t/hm2）；Hm为土壤最大持水量（mm）；W0 为土壤有效蓄水量（t/hm2）；H0为土壤非毛管持水量（mm）。

2.3 水源涵养能力的量化

参照陈引珍等[15]的坐标综合评定法，对不同恢复模式枯落物层和土壤层进行水源涵养功能综合评价。计算出每种恢复模式类型的∑[P2i]值，并由小到大进行排序，综合值越小，水源涵养功能越优。

2.4 数据分析处理

采用Microsoft Excel 2007对试验数据进行初步整理，使用SPSS 26.0软件进行方差分析，利用Origin 2017软件制图。

3 结果与分析

3.1 土壤蓄积能力

本文采用饱和蓄水量、有效蓄水量、最大持水量、毛管持水量4个指标变化表示土壤层的蓄积能力。由图1可知，相同森林恢复模式下，不同土层主要影响最大持水量、土壤饱蓄水量、毛管持水量和土壤有效蓄水量4个指标的变化，主要表现为最大持水量与土壤饱和蓄水量在针叶林均表现为0～20 cm（2.81 mm、28.11 t/hm2）显著高于20～40 cm（2.42 mm、24.20 t/hm2）和40～60 cm（2.28 mm、22.82 t/hm2）（p<0.05），而20～40 cm和40～60 cm 之间最大持水量与土壤饱和蓄水量并无显著差别；毛管持水量和土壤有效蓄水量在针阔混交林和针叶林下均表现为0～20 cm显著高于40～60 cm，而20～40 cm的毛管持水量和土壤有效蓄水量与其他2个土层并无显著差别。

图1还表明，相同土层不同森林恢复模式主要影响最大持水量和土壤饱和蓄水量2个指标的变化，主要表现为最大持水量和土壤饱和蓄水量在0～20 cm土层均表现为针叶林（2.81 mm、28.11 t/hm2）显著高于针阔混交林（2.41 mm、24.07 t/hm2）和阔叶林（2.47 mm、24.65 t/hm2）（p<0.05）；土壤饱和蓄水量在40～60 cm土层表现为阔叶林（24.01 t/hm2）显著高于针阔混交林（22.35 t/hm2）（p<0.05），针叶林（22.82 t/hm2）与二者并无显著差异（p>0.05）。

3.2 土壤层孔隙度

图2显示，相同森林恢复模式下，不同土层主要影响毛管孔隙度这个指标的变化，主要表现为毛管孔隙度在针阔混交林和针叶林下均表现为0～20 cm（39.77%、44.17%）显著高于40～60 cm（36.28%、37.04%）（p<0.05），20～40 cm（37.46%、39.52%）的毛管孔隙度则与0～20 cm和40～60 cm土层无显著差异（p>0.05）。

图2还表明，相同土层不同森林恢复模式主要影响非毛管孔隙度和总孔隙度2个指标的变化，主要表现为非毛管孔隙度在0～20 cm土层下表现为针叶林（12.05%）显著高于针阔混交林（8.36%）（p<0.05）；总孔隙度在0～20 cm土层表现为针叶林（56.22%）显著高于针阔混交林（48.13%）和阔叶林（49.30%）（p<0.05），在40～60 cm土层表现为阔叶林（48.02%）显著高于针阔混交林（44.71%）（p<0.05），其余均无显著差别（p>0.05）。

3.3 不同森林恢复模式土壤的水源涵养能力综合分析

本文采用坐标综合评定法，将土壤不同水源涵养指标量纲归一化，进而得出综合评价的结果，根据[∑2p]数值的大小判断水源涵养功能的强弱。表2显示，不同森林恢复模式土壤层[∑2p]的大小顺序为阔叶林（0.45）<针阔混交林（0.59）<针叶林（0.68），说明土壤层水源涵养功能大小顺序为阔叶林>针阔混交林>针叶林。

4 讨论

土壤最大持水量、土壤毛管持水量、土壤饱和蓄水量、土壤有效蓄水量和土壤孔隙度等指标常被用来判断森林土壤层水源涵养能力的大小[15]。研究表明，土壤层蓄水能力与毛管孔隙度相关指标在不同土层均表现为0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm（p<0.05）。究其原因，0～20 cm土层上覆盖有腐烂的枯枝落叶，与外界环境物质的交换频繁，其在结构、质地以及有机质含量上远高于深层土壤，土壤容重更小、孔隙度也就更大[16-17]。聂小飞等[18]通过研究发现，通常情况下，孔隙度越大，土壤容重越小，土壤的疏松程度和通气透水性越好，土壤发育就越好，土壤对水分蓄积保持的能力越强。

不同树种以及不同的林分结构会改变土壤的理化性质，从而改变土壤的水源涵养能力[18]，且非毛管孔隙越大，土壤对降雨吸收越快，下渗能力更强[19]。不同森林恢复模式下土壤层水源涵养规律的研究发现：非毛管孔隙度、总孔隙度、最大持水量、土壤饱和蓄水量在0～20 cm土层都表现为针叶林>阔叶林>针阔混交林（p<0.05）。孔隙度决定土壤持水能力，因此最大持水量与孔隙度变化一致[20]，与本文结论针叶林土壤表层持水能力最强，其次为阔叶林，针阔混交林最小一致。有研究同样发现不同的林型可通过影响土壤的结构从而影响林分水源涵养能力，例如赵阳等[21]在白龙河、洮河林区研究发现土壤最大持水量表现为冷杉林最强，其次是桦木林，栎类混交林最弱；陈琦等[22]研究发现，当针叶林（杉木）成熟后，其林下土壤的水源涵养能力大于阔叶林、针阔混交林。

5 结论

本研究表明，树种组成差异会影响到土壤层的水文特性，结合前人的研究结论和本文的研究结果，在今后的森林经营中，特别是在植被恢复过程中，为了使其发挥最优的水源涵养效益，获得较好的经济效益，应慎重选择树种。因此结合恢复建设地区的实际情况，建议该地区进行森林恢复建设时，首选阔叶树种，对整个森林的水源涵养、水土保持及预防水土流失有较好的積极作用。森林水源涵养能力不仅体现在土壤层，还主要体现在森林林冠层、枯落物层上[23]。关于本研究区森林的水源涵养能力，仍需在今后研究工作中持续开展。

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基金项目 黔科合基础-ZK[2023]一般282；贵州省教育厅科研平台项目（黔教技[2022]051号）；贵州省自然科学基金项目（黔科合基础[2019]1251号）（S202114223011）；贵州师范学院校级大学生科研项目（2021DXS097）。

作者简介 曾晨阳（2000—），男，贵州遵义人。研究方向：森林生态研究。