蘇州太湖流域2種水源涵養林空間結構特征與枯落物持水特性研究

肖文婭，周 琦，董務闖，2，關慶偉

（1.南京林業大學 森林資源與環境學院，南京210037；2.吳中區農業局，江蘇 蘇州215104）

近年來，森林的水源涵養功能愈發受到重視，林分功能取決于林分結構［1］，只有保持森林結構的優良才能保證森林功能的良好發揮［2］。李建軍［3］等最新研究表明：水源涵養林整體林分空間結構的提高，能有效促進生態系統的健康與穩定，提高生態系統功能。此外，為了充分發揮水源涵養林的功能，研究林分結構和功能耦合關系是最重要的領域［4］。

孫立達等［5］認為林分結構對水源涵養的影響主要體現在林冠截留、枯落物截留和土壤層的攔蓄截留三方面。枯落物層涵養水源能力的差異主要取決于枯枝落葉層厚度及貯量、枯落物的分解程度、組成類型以及分解層與半分解層持水量等的差異性［6］。另外，部分研究表明：枯落物層涵養水源能力具有顯著的時空差異性，受到如林分結構［7］、林分類型［8］、枯落物組成［9］、降雨特點［10］影響。目前，水源林結構對生態功能影響上的研究大多集中于林分的樹種組成、林冠層等非空間結構 或林下層、土壤層垂直層次等結構［12］，而將水源涵養林空間結構與其枯落物層持水功能結合起來的研究還甚少。

本文以蘇州吳中區太湖流域2種代表性的冬青濕地松針闊混交林和櫟樹濕地松針闊混交林為對象，應用傳統林分結構因子，配合描述林分空間結構的角尺度、混交度、大小比數和開敞度4個林分空間結構參數，分析森林群落的結構特征，并測定林分下枯落物持水能力，旨在明晰其空間結構特征與枯落物持水特性的差異，以期為今后城市水源涵養林的結構調整和森林水文循環機制的研究提供一定的科學依據。

1 研究區概況

研究地位于蘇州市吳中區，江蘇省南部。地理坐標為東經 119°55′—120°54′，北緯 30°56′—31°21′。地處中亞熱帶北緣，屬季風氣候過渡類型。四季分明，平均氣溫17.1℃，年降水量1 114.6mm［13］。區內成土母質大部分為第四紀堆積物，土層深厚，土質肥沃。境內土質主要有水稻土、黃棕土、沼澤土和石灰巖土等4種類型［14］。現有植被以青岡櫟（Cyclobalanopsis glauca（Thunb.）Oerst）、木荷（Schima superba Gardn et Champ）、麻櫟（Quercus acutissima Carruth.）、香樟（Cinnamomum camphora （L.）Presl.）、冬青（Ilex purpurea Hassk.）、濕地松（Pinus elliottii Engelmann）、火炬松（Pinus taeda L.）等為主。在具有代表性的的冬青濕地松針闊混交林和櫟樹濕地松混交林中各設3塊樣地進行林分概況調查，結果見表1。

表1 林分基本情況

2 研究方法

2.1 樣地調查方法及結構單元的確定

蘇州市二類森林資源清查數據表明，冬青濕地松混交林和櫟樹濕地松混交林，是蘇州太湖流域的典型水源涵養林。在踏查的基礎上，選擇位于吳中區七子山中坡北向的2個立地條件相近的典型冬青濕地松混交林和櫟樹濕地松混交林作為標準樣地。

群落學調查采用樣地法，每個林分設立3塊標準地，樣地面積為25m×25m，記錄標準地群落類型、海拔、坡向、坡度、土壤等立地條件因子。調查樣地內所有徑階大于5cm的林木特征，即樹木的相對XY坐標、胸徑、樹高、冠幅等。在每個喬木樣地的4個角各設置1個2m×2m的灌木樣方和1個1m×1m的草本樣方，記錄灌木和幼苗的種類、數量、平均高度、蓋度及草本植物的種類、數量、平均高度和蓋度。

樣地邊界木的處理方法，以樣地內每1棵調查木為目的樹、選取其周圍4株最近相鄰木共同組成一個林分空間結構單元，采用8鄰域平移式法對樣地邊緣木進行校正［15］。

2.2 林分空間結構分析方法

選擇用混交度（Mi）衡量對象木與最近鄰木之間、最近鄰木相互之間的樹種空間隔離程度，用角尺度（Wi）描述n株最近相鄰木（本研究n＝4）圍繞參照樹i的均勻性，用大小比數（Ui）描述n株最近相鄰木與參照樹i的大小關系，開敞度（Bi）來描述林木個體生長空間大小，4個描述林分空間結構的參數［16－18］，并計算各個參數，進行林分空間結構的分析，參數計算見表2。

表2 林分空間結構參數

2.3 枯落物層的蓄水能力及入滲特點研究

在每個標準樣地內，選出3個具有代表性的0.3 m×0.3m的樣方。每個樣方內根據枯落物分解程度測量枯落物層總厚度、未分解層厚度和半分解層厚度，用鋼尺測量3次取其平均值作為樣地內枯落物的厚度。將枯落物按照未分解層和半分解層分別收集，分層稱重，待風干后，以干物質重計算自然含水率及蓄積量。取15g風干樣品，每個樣地3次重復，用“室內浸泡法”測定枯落物層的最大持水率（量），并計算枯落物最大持水量、最大持水率、有效攔蓄率和有效攔蓄量。

3 結果與分析

3.1 林分組成結構特征分析

所調查的冬青針闊混交林和櫟樹針闊混交林2種林分內，林分密度分別為875株／hm 和1 210株／hm2，物種豐富度較高，喬木層樹種分別有9個和8個，其中，冬青混交林中，按株數或斷面積排列前三的樹種，均是濕地松（Pinus elliottii Engelmann）、冬青（Ilex purpurea Hassk.）和香樟（Cinnamomum camphora L.Presl.），櫟樹混交林中為濕地松、麻櫟（Quercus acutissima Carruth.）和栓皮櫟（Quercus variabilis Blume）。從表3可知，2種林分中的優勢種均有濕地松，而優勢闊葉樹種不相同，冬青混交林中，優勢闊葉樹種為冬青和香樟等常綠闊葉樹種；麻櫟混交林中，優勢闊葉樹種為麻櫟和栓皮櫟等落葉闊葉樹種。

表3 混交林林分概況

3.2 林木樹種空間隔離程度分析

根據混交度定義，Mi值越大，樹種組成的結構多樣性越好。太湖流域混交林分類型的混交度見圖1。經計算櫟樹針闊混交林混交度和冬青針葉闊葉混交林混交度分別為0.551和0.660，均屬于強度混交。這表明2種林分中各樹種之間隔離程度均很小，林分穩定性較強，且冬青針闊混交林混交度略大于櫟樹針闊混交林混交度。由圖1可知，櫟樹針闊混交林和冬青針闊混交林兩種林分下5種混交強度均有出現，并均以零度混交林木最少，分別為6.1%和4.5%。其中，櫟樹混交林分下中度混交的林木最多，占總數的41.8%，其次為強度混交，占25.5%，該林分中弱度、中度和強度混交的林木總株數達82.7%。冬青混交林中強度混交的林木所占比例最大，為38.2%，極強度混交次之，為23.6%，并且中度混交、強度混交和極強度混交，占總數的83.1%。

圖1 不同林分類型混交度比較

3.3 林分空間分布格局分析

對于每個空間結構單元而言，取4株最近相鄰木時，最優標準角為72［16］。太湖流域混交林分類型的角尺度如圖2所示，經計算所得，櫟樹針闊混交林和冬青針闊混交林的角尺度分別為0.495和0.438，均屬于均勻分布。據研究，一個發育成熟的頂級森林群落，其優勢樹種的總體分布呈隨機分布［19］，而冬青針闊混交林比櫟樹針闊混交林更接近于隨機分布。2種群落中，均出現了絕對均勻、均勻、隨機和不均勻，只有櫟樹混交林內出現了絕對不均勻的單元，占4.1%。櫟樹混交林和冬青混交林的群落中都是隨機分布的單元所占比例最大，分別為59.2%和41.6%，均勻分布次之，分別占20.4%和31.5%。在櫟樹混交林中均勻分布與隨機分布的單元已達到近80%的比例，并且隨機分布的單元所占比例遠高于其余4種單元分布。

圖2 不同林分角尺度比較

3.4 林木大小分化程度與生長空間分析

大小比數（Ui）用以反映參照樹與相鄰木的大小關系的量化指標，考慮到測定樹高和冠幅的精確性較低，本文采用胸徑大小比數。2種不同林分類型的大小比數如圖3所示，而大小比數是比較參照木與相鄰木的大小關系，但相鄰木對參照木的干擾也會因距離的不同而發生變化，故將開敞度代入考慮，見表4，兩種指標能進行相互補充。通過計算，櫟樹混交林和冬青混交林2種林分的大小比數分別為0.518和0.492。從圖上可以看出，2種林分的大小比數分布頻度均很均勻，表明2種林分的林木分化差異不大。櫟樹混交林分下，處于亞優勢（Ui＝0.25）、中庸（Ui＝0.5）、劣勢（Ui＝0.75）或極劣勢（Ui＝1）條件下的林木所占比例差異不大，而處于優勢（Ui＝0）條件下的林木相對較少，僅占15.3%。在冬青混交林分中，處于優勢、亞優勢、劣勢或極劣勢條件下的林木所占比例相差不大，在17%～19%之間，中庸條件下的林木最高，所占比例為28.1%，明顯高于其他條件下的林木。相對于冬青混交林，櫟樹混交林的分布更為均勻。

圖3 不同林分大小數比較

表4 不同林分開敞度統計

為了彌補大小比數的不足，而引入2種不同類型林分的平均開敞度，用來描述參照樹個體生長空間大小。櫟樹混交林平均開敞度為0.169，冬青混交林平均開敞度為0.204。2種類型林分分別屬于生長空間充裕度嚴重不足，和生長空間嚴重不足與基本不足之間的臨界狀態。冬青混交林分下，生長空間充裕度均屬于不足以下程度，嚴重不足或不足程度約各占一半。櫟樹混交林分中，生長空間充裕度嚴重不足的林木比例最大，占76.5%，同時也有極少的林木生長空間屬基本充足狀態，僅占3.1%。說明了2種不同類型林分下的林木生長空間嚴重不足。

3.5 2種混交林下的枯落物持水特性

從表5可看出，該地區復雜林分枯落物儲量分別為：冬青濕地松混交林28.15t／hm2、櫟樹濕地松混交林22.94t／hm2。結合對林分蓄積量的分析可看出林分的枯落物儲量與林分的蓄積量并不相對應，因為枯落物的儲量與林分結構、林分發育、凋落物的分解狀況等有關。

表5 不同林分的枯落物厚度和現存量

從表6可看出，最大持水量從總體上來看為半分解層大于未分解層，2種林分最大持水量相差不大，而櫟樹濕地松混交林的最大持水率顯著大于冬青濕地松混交林分，可能是由于葉面積的差異以及枯落物自然含水率的差異，櫟樹林下枯落物的自然含水率顯著高于冬青濕地松混交林。

從枯落物儲量與有效攔蓄量來看，儲量越大對應有效攔蓄量也越大。而冬青濕地松混交林分的總有效攔截率是大于櫟樹濕地松混交林的。這說明枯落物的持水能力不僅與其儲量有關，還與其分解速率有關［9］；同時也說明了枯落物的持水能力與林分結構尤其是樹種組成有密切關系，因為樹種組成的不同會影響到枯落物的數量、組成、質地和持水特性［8］。

4 結論

從以上結果可以看出，水源涵養林的樹種組成及林分空間結構對枯落物層的持水特性有一定影響，空間結構較優的林分，其枯落物層理水功能較強。

本研究中的2種林分，均屬于林齡30年以上，是經封山育林形成的針闊混交林，但由于其闊葉優勢樹種的不同，導致2種針闊混交林在林分空間結構及枯落物理水功能上差異較大。樹種組成上，以冬青為闊葉優勢種的混交林，喬木層中分布有9個樹種，而以櫟樹為闊葉優勢樹的混交林的喬木層有8個樹種，冬青混交林樹種包含8個科屬，麻櫟混交林包含5個科屬，冬青混交林的物種豐富度明顯較高。從空間各參數來看，2種林分平均混交度、角尺度、林木胸徑大小比數以及林分平均開敞度的比較均表明，冬青濕地松混交林林分空間結構優于櫟樹濕地松混交林。2種林分下的枯落物特性表明，枯落物層的蓄積量以及分解程度主要影響了枯落物層的持水能力。

2種林分結構上的差異導致了林分枯落物層差異：不同的植被特性以及樹種組成造成了枯落物層組成類型及性質的差異；林分混交度是對樹種多樣性的表達［16］，影響枯落物層多樣性組成比例的差異；角尺度分布特征反映了林分的整體分布情況，表明枯落物層積累量的分布；林木大小比數量化了林木個體的生長狀況，開敞度體現了林木個體可生長空間的大小，這兩者的結合可表現整個林分總體的生長情況，而林分的生長情況影響了枯落物層的分解程度。比較2種林分下枯落物持水的特性可知，枯落物層不同種類組成影響著枯落物層的自然含水率；枯落物層蓄積量影響枯落物有效攔蓄量；枯落物層分解階段的快慢也影響其持水特性。結合林分空間結構4個因子而言，冬青濕地松混交林空間結構總體優于櫟樹濕地松混交林，林分結構更為合理，植被多樣性更高，枯落物層蓄積量更大，枯落物層的有效攔蓄量和有效攔蓄率也更高，更合理穩定的水源涵養林結構，具有更好的水源涵養功能。

一般來說，林分空間結構越優，林分的功能越強，林分穩定性越大［20］，即樹種混交程度高，角尺度分布均勻，林木大小比數頻率分布呈現均勻分布，開敞度大，林木成長空間充足，林分抗干擾能力或受擾動后恢復能力強，植被物種多樣性越大，其截留降雨的能力也越大［11］。由于考慮到造林成活率，太湖流域人工林初期均會產生林分密度過大的現象，從而導致林分林木生長狀況不好，生長空間不足，競爭壓力過大。建議對林分密度過大的林分采取適當的單株間伐等措施，調整林木生長空間，保證林木的正常發育，提高群落生物多樣性，從而使整個林分空間結構趨于合理，充分發揮水源涵養林的理水功能。

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