贛南丘陵區典型林分水源涵養功能評價

艾 彪, 黃 云, 朱元皓, 謝澤陽, 黃瓊瑤, 鄭博福, 朱錦奇

(1.南昌大學 資源環境與化工學院, 鄱陽湖環境與資源利用教育部重點實驗室, 江西 南昌 330031; 2.江西生態文明研究院, 江西 南昌 330031)

森林作為地球上最大的陸地生態系統，它不僅具有物種多樣性豐富、結構復雜的特點，而且擁有凈化環境、水源涵養、固土保肥和調節氣候等生態功能[1]。其中水源涵養功能是森林水文生態系統功能的重要組成部分以及生態服務功能價值評估的重要指標[2]。森林的水源涵養功能主要由林冠層、枯落物層和土壤層來完成，其中又以枯落物層和土壤層作為水源涵養能力的主要表現層，森林通過枯落物層和土壤層對降水進行截留、吸收、蓄積作用，實現對降雨的再分配，從而達到調節徑流、減少水土流失、凈化水質的作用[3-6]。森林水源涵養能力主要受林分類型、枯落物特性、土壤結構因素的影響，其中林分類型是影響水源涵養能力的關鍵因素[7]。近年來，許多學者對于森林水源涵養功能的研究多集中在不同尺度的天然林。其中，在南方丘陵地區大尺度上，羅佳等[8]以湖南省岳陽市平江縣為例，對不同混交林模式下森林水源涵養能力進行了研究，得出林分樹種組成，林下灌草層蓋度以及枯落物生物量對森林水源涵養能力有較大影響；在土壤類型、物理性質等小尺度方面，潘春翔等[9]對湖南烏云界自然保護區4種典型植被土壤層水源涵養能力進行了研究，得出土壤蓄水容量是評價森林生態系統水源涵養能力的核心指標。但是對于人工經濟果林與天然林在水源涵養方面差異性的研究較少。由于人工經濟果林其枯落物厚度、本身性質普遍與天然林不同，其地表枯落物覆蓋度、分解狀況不同，進而導致枯落物對水分的截留、攔蓄能力不同，且人工經濟果林受人為干擾活動較大，例如施肥、剪枝、摘果等活動，導致林下土壤結構發生改變，進而引起土壤持水性能和下滲能力變化[10]。因此探究不同天然林和人工經濟果林枯落物層和土壤層持水性能對于森林水源涵養能力的研究具有重要意義。

贛南丘陵區作為中國東南部生態安全屏障的重要組成部分，對于維護地區森林水源、減少水土流失和加強森林植被修復方面發揮著重要作用[11]。楠木林和毛竹林作為贛南丘陵地區主要的森林類型，具有重要的水源涵養功能，可以有效的調節、改善當地的水源流量和水質。但是，由于該地區生態環境脆弱，地形復雜，生態多樣性易遭到破壞，造成該區域不同地段水源涵養功能差異性的特點[12]。崇義縣作為贛南丘陵地區的一個重要地段，由于該區域長期不當的森林管理模式，大量天然林被人工種植的單一經濟林種所代替，嚴重破壞了當地的生態平衡，使得該區域水土流失嚴重[13]。因此，本文選取江西省贛州市崇義縣兩種主要天然林：楠木林和毛竹林，以及兩種典型人工經濟果林：臍橙林和茶林，分析不同天然林和人工經濟果林枯落物層和土壤層水源涵養功能，進一步明確不同林分類型水源涵養功能的差異性，為贛南丘陵地區水源涵養功能和生態系統服務的恢復提供理論依據。

1 研究區概況

研究區位于崇義縣境內，介于116°15′—116°48′E，25°24′—25°55′N，境內山脈交錯縱橫，地勢呈西南高，東北低，屬于南方丘陵山地地貌類型。該區域屬中亞熱帶季風濕潤區，四季分明，雨量充沛，年日照時間為1 322 h，年平均氣溫為19 ℃，極端最低溫度為-3.4 ℃，極端最高溫度為39.6 ℃，無霜期為291～320 d，年平均降水量為1 800～2 000 mm，年降雨量多集中在4—8月，占年總降雨量的65%。該區域巖性以含粘性土碎石礫為主，主要土壤類型為紅壤土，大部分土層較薄，抗蝕能力差，自然肥力較低。研究區栽植的果木經濟林主要有臍橙(Citrussinensis)、茶(Camelliasinensis)、柑橘(Citrusreticulata)等，均為水平梯田種植，且林下植被稀少。自然植被類型以喬木和灌木為主，主要喬木有楠木(Phoebezhennan)、毛竹(Phyllostachysheterocycla)、馬尾松(Pinusmassoniana)等，大多為坡面生長，林下草本植被較為豐富，其中楠木林下草本植被有狗尾草(Setariaviridis)、雀稗(Paspalumthunbergii)、五節芒(Miscanthusfloridulus)等，毛竹林下草本植被有粉蕨(Onychiumsiliculosum)、油草(Leptochloachinensis)、雀稗(Paspalumthunbergii)等。主要灌木有杜鵑(Rhododendronsimsii)、吊鐘花(Fuchsiahybrida)、木芙蓉(Hibiscusmutabilis)等。

2 研究方法

2.1 樣地設置與調查

于2019年6月對江西省崇義縣境內森林植被進行實地調查，選取兩種經濟果林(臍橙林和茶林)，以及兩種天然林(楠木林和毛竹林)作為研究對象。其中臍橙林、楠木林、毛竹林樣地位于龍勾鄉，茶林樣地位于上堡鄉。4種林地母質、海拔、坡度、坡向等立地因子基本保持一致。經濟果林整地方式均為水平梯田，其施肥、除草周期為每年2次。楠木林和毛竹林均為純林，樣地中無其他喬木和灌木樹種。在每種林地各設置2個20 m×20 m標準樣地，并對其每木檢尺，記錄海拔、坡度、坡向、林齡、郁閉度、林分密度、樹高、胸徑、冠幅、土壤類型、林下植被和樹種組成。各標準地基本概況見表1。

表1 贛南丘陵區不同林分類型標準地概況

2.2 枯落物蓄積量與持水能力測定

在上述每個樣地中按照坡上、坡中、坡下設置3個面積50 cm×50 cm枯落物樣方，根據枯枝落葉的分解程度，將枯落物層分成未分解層和半分解層，分別對其厚度進行測量，然后將枯落物裝入塑料袋中密封，并迅速稱重記錄。此后帶回實驗室用烘箱烘干至恒重，并再次稱重記錄，計算出枯落物層自然含水率。采用水浸法測定4種林分枯落物的持水量和持水速率，各林分枯落物取25 g放入水中浸泡，分別在0.5，1，2，4，6，8，10，12，24 h對枯落物的重量進行測定，從而計算出各林分類型枯落物持水量、持水速率、最大持水量、最大持水速率以及枯落物吸水速率[14-15]。計算公式如下：

Smax=(Ms-M0)×100

Qmax=(Ms-M0)/A×100

V=(Ms-M0)/t×1 000 000

(1)

式中：Smax為枯落物最大持水率(%);Qmax為枯落物最大持水量(t/hm2);V為枯落物吸水速率〔g/(hm2·h)〕;Ms為枯落物浸水24 h后質量(g);M0為枯落物烘干質量(g);A為枯落物樣方面積(m2);t為浸水時間(h)。

2.3 枯落物攔蓄量測定

枯落物對降雨的最大攔蓄量可以通過蓄積量、最大持水率、自然持水率計算出來，但由于最大攔蓄量并不能體現枯落物對降雨的真實攔蓄情況，因此還需計算枯落物的有效攔蓄量[16]，計算公式如下：

Wmax=(Smax-S0)×C

W=(0.85Smax-S0)×C

(2)

式中：Wmax,W為枯落物最大攔蓄量和有效攔蓄量(t/hm2);S0為自然含水率(%);C為枯落物蓄積量(t/hm2)。

2.4 土壤層物理性質測定

土壤容重和孔隙度是反映土壤水文物理特征的兩個重要指標。土壤孔隙度決定著土壤透氣性能的強弱，土壤毛管孔隙中所儲存的水分主要用于維持森林植被自身生長發育，而林地水源涵養能力的大小主要取決于非毛管孔隙度[17]。通常認為，土壤容重越小，則土質越為疏松，其對于水分的吸收、降水的截留以及減緩地表徑流的能力越為明顯[18]。為此，本研究在每種林分標準地上、中、下坡的中心位置選取3個具有代表性的采樣點挖取土壤剖面，用100 cm3環刀在每個剖面按0—10，10—20，20—30 cm土層深度分層取樣(每個土層重復取3次樣)，帶回實驗室用烘干至恒重，從而計算出土壤容重，用環刀浸泡法測定土壤飽和持水量、毛管孔隙度、總孔隙度[19]。土壤層持水能力計算公式：

Wa=10 000PaH
Wb=10 000PbH

(3)

式中：Wa,Wb分別為土壤有效持水量和土壤最大持水量(t/hm2);Pa,Pb分別為土壤非毛管孔隙度和總孔隙度(%);H為土層深度(m)。

2.5 土壤入滲測定

土壤層是森林生態系統水源涵養的重要組成部分，其持水能力的強弱對地表徑流、壤中流以及地下水補給有著直接的影響[20-21]。本研究采用雙環法[22]對土壤下滲速率進行測定，在每個標準地上、中、下坡選取3個樣點進行入滲試驗。根據各樣地實際情況，選用的內環和外環直徑分別為20 cm和35 cm，環高均為25 cm，將雙環打入土壤5 cm深，保持同一圓心，向內外環同時注水，并使水層保持同一高度，為10 cm，避免側向滲流，利用量筒均勻供水，且必須隨時保持內外環水層高度為10 cm，記錄單位時間內內環所消耗的水量。每個樣點作3次重復的入滲試驗，所得結果取平均值。土壤初滲速率、穩滲速率計算公式如下：

Va=Qa/ta
Vb=Qb/tb

(4)

式中：Va,Vb分別為土壤初滲速率和土壤穩滲速率(mm/min);Qa,Qb分別為最初時間段內入滲量和穩滲時間段內入滲量(mm);ta,tb分別為初滲時間和穩滲時間(min)。

2.6 水源涵養功能評價

采用熵權法[23]對不同林分類型各個因子進行量化，在一個標準系統下對4種林分類型水源涵養功能進行綜合評價。

(1) 依據以下公式計算不同林分各指標的信息熵。第i指標的熵值為：

(5)

K=1/lnm

式中：Hi為熵值,如果pij=0,則定義PijlnPij=0,Rij為標準化后指標值；m為林分類型；n為評價指標數。

(2) 根據以下公式計算各指標的權重Wi

(6)

(3) 各林分水源涵養能力綜合評價值Kj

(7)

3 結果與分析

3.1 枯落物厚度及蓄積量

研究區4種林分類型枯落物厚度介于2.6～5.3 cm，最大為楠木林，其次為臍橙林，最小為毛竹林。4種林分類型枯落物蓄積量范圍為9.19～16.70 t/hm2，以楠木林最大，茶林最小(表2)。從各林分不同層次來看，4種林分半分解層枯落物蓄積量均大于未分解層枯落物蓄積量，其中楠木林半分解層占比最大(67.60%)，其次依次為茶林(63.76%)>毛竹林(53.05%)>臍橙林(52.86%)，由此可見，半分解層枯落物為整個林分枯落物蓄積量的主要來源。

表2 不同林分類型枯落物蓄積量

3.2 枯落物水文效應

3.2.1 枯落物最大持水量 如圖1所示，研究區4種林分枯落物最大持水量總和范圍為13.43～31.02 t/hm2，其最大持水量大小排序為：楠木林(31.02 t/hm2)>毛竹林(18.36 t/hm2)>臍橙林(17.52 t/hm2)>茶林(13.43 t/hm2)，楠木林的最大持水量與其他3種林分存在明顯差異。各林分最大持水率，以楠木林最大(184.50%)，臍橙林最小(129.94%)。各林分自然含水率均值介于44.29%～68.90%，最大為楠木林，最小為茶林。

注：圖中不同小寫字母表示同一分解層不同林分間差異顯著(p<0.05)。下同。

從各林分不同層次來看，未分解層和半分解層枯落物最大持水量范圍分別為4.48～9.62 t/hm2,8.95～21.40 t/hm2，且均以楠木林最大，茶林最小。此外，可以看出，無論是未分解層還是半分解層枯落物最大持水量，都與林分整體枯落物最大持水量總體趨勢保持一致。

3.2.2 枯落物持水過程 枯落物的持水過程存在一定的規律，枯落物持水量隨著浸水時間的增加而逐漸增大，在0—2 h內是枯落物吸水最快的階段，隨后在2—12 h之間枯落物持水量持續增加，但其增加幅度不斷減小，最后持水量趨于穩定，吸水過程基本停止，枯落物持水量達到飽和狀態。從林分不同層次來看，4種林分未分解層與半分解層枯落物持水量變化過程有所差異，未分解層持水量大小排序為：楠木林>毛竹林>臍橙林>茶林；半分解層持水量大小排序為：楠木林>毛竹林>茶林>臍橙林(圖2)。

圖2 不同林分枯落物持水量、吸水速率與浸水時間關系

對0—24 h之間4種林分枯落物各層持水量與浸泡時間的關系進行回歸分析，得出該時間段內持水量與浸泡時間之間存在如下關系(表3)：Q=alnt+b。式中：Q為枯落物持水量(g/kg)；t為浸泡時間(h)；a為方程系數；b為方程常數項。

3.2.3 枯落物吸水速率 4種林分枯落物吸水速率與浸水時間之間的變化規律基本保持一致，二者之間呈負相關關系。在枯落物室內浸泡試驗開始時，枯落物的吸水速率處于最快的階段，之后隨著時間的推移，其吸水速率開始呈現下降趨勢，尤其是在0—2 h之間，吸水速率急劇下降，隨后在2—12 h內，枯落物吸水速率下降幅度明顯減緩，到24 h時枯落物持水量呈飽和狀態而不再吸水，吸水速率趨近于0(圖2)。從各林分不同層次來看，4種林分未分解層和半分解層吸水速率動態變化稍有差異，未分解層吸水速率大小排序為：楠木林>毛竹林>臍橙林>茶林；半分解層吸水速率大小排序為：楠木林>毛竹林>茶林>臍橙林。對4種林分枯落物吸水速率與浸水時間進行回歸分析，二者之間的擬合模型為：V=Ktn，式中V為枯落物吸水速率〔g/(kg·h)〕，K為方程系數，t為浸水時間(h)，n為指數。各林分擬合方程如表3所示。

表3 不同林分枯落物持水量、吸水速率與浸水時間的關系

3.2.4 枯落物攔蓄能力 如圖3所示，4種林分未分解層和半分解層最大攔蓄量分別為3.46～6.67 t/hm2,5.54～12.00 t/hm2，均以楠木林最大，茶林最小；4種林分未分解層和半分解層有效攔蓄量分別為2.78～5.32 t/hm2,4.21～8.76 t/hm2，均為楠木林最大，茶林最小。

圖3 不同林分枯落物的最大攔蓄量、有效攔蓄量

3.3 土壤層水文效應

3.3.1 土壤物理性質及持水性研究 由表4可知，4種林地土壤容重動態變化趨勢均是隨著土層深度的增加而增大，從土壤容重均值來看，臍橙林地土壤容重最大(1.22 g/cm3)，毛竹林地最小(1.03 g/cm3)；土壤總孔隙度均值范圍為44.78～58.02%，以楠木林最大，茶林最小；而非毛管孔隙度與土壤有效持水量緊密相關，其大小排序為：楠木林>毛竹林>臍橙林>茶林，4種林分有效持水量大小排序與非毛管孔隙度相同，表現為楠木林最大(100.50 t/hm2)，茶林最小(57.98 t/hm2)。4種林地土壤最大持水量范圍為447.76～580.17 t/hm2，以楠木林最大，茶林最小。

表4 不同林分土壤物理性質及持水量

3.3.2 土壤滲透性能 由表5可知，4種林分土壤初滲速率大小范圍為7.18 ～18.76 mm/min，以毛竹林最大，臍橙林最小。土壤入滲試驗開始后，隨著入滲時間的延長，土壤入滲速率呈不斷減小趨勢，最后速率趨近于穩定，各林地土壤穩滲速率大小范圍為0.86～5.27 mm/min，以毛竹林最大，臍橙林最小。從達到穩滲的時間來看，4種林分土壤達到穩滲所需時間是有所不同的，楠木林達到穩滲所需時間最長為25 min，臍橙林所需時間最短12 min。通對林地土壤入滲時間和入滲速率進行擬合分析，得出二者之間存在較好的冪函數關系：f=at-b(R2>0.91)。式中：f為入滲速率(mm/min)；a,b為常數；t為入滲時間(min)。

表5 不同林分類型土壤滲透速率及擬合方程

3.4 水源涵養能力綜合評價

3.4.1 不同森林類型水源涵養能力評價指標 為了能夠更加直觀的對不同水源涵養林和人工經濟果林的水源涵養能力進行綜合評價，本文利用熵權法選擇枯落物層和土壤層的指標進行比較評價。其中枯落物層水文效應指標選擇3個：枯落物蓄積量、最大持水量、有效攔蓄量(3個指標均取總量)；土壤層水文效應指標選擇5個：土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、最大持水量、穩滲速率(5個指標均取3個土壤層的平均值)。

3.4.2 構造標準化指標矩陣并計算權重值 將4種林分水源涵養能力8個指標數據標準化處理，得到新的標準矩陣，再根據公式(5)計算得到各指標的信息熵，最后通過公式(6)計算得到各指標的權重值(表6)。從各評價指標權重占比來看，對水源涵養能力影響比較大的指標有土壤穩滲速率(32.1%)、枯落物最大持水量(23.2%)、枯落物有效攔蓄量(19.2%)以及枯落物蓄積量(11.7%)，權重值排序依次為：土壤穩滲速率>枯落物最大持水量>枯落物有效攔蓄量>枯落物蓄積量>土壤非毛管孔隙度>土壤毛管孔隙度>土壤容重>土壤最大持水量。故當我們對林分水源涵養能力進行綜合評價時，應更多考慮土壤穩滲速率、枯落物蓄積量、枯落物最大持水量以及枯落物有效攔蓄量。各林分水源涵養能力綜合評價值(表6)，大小排序為：楠木林(36.256)>毛竹林(28.314)>茶林(17.732)>臍橙林(17.616)。

表6 不同林分水源涵養綜合評價權重值

4 討論與結論

4.1 討 論

(1) 森林枯落物厚度以及蓄積量是決定森林水源涵養能力高低的重要因素，不同林分枯落物的厚度及蓄積量有所差別，其蓄積量多少與植被生長情況、人為活動、枯落物特性和分解狀況等因素密切相關[24-25]。本研究表明，楠木林枯落物層蓄積量遠大于兩種人工經濟果林，產生這種結果的原因，可能是由于不同林分根系的生長狀況不同，楠木林相比于其他兩種經濟果林繁殖能力更強，發達的根系上能形成密集的莖葉層，枯落物的歸還量大[26]。加之臍橙林和茶林受人為干擾活動較大，容易遭受破壞，造成林下枯落物體積相對較低。而毛竹林枯落物層蓄積量小于臍橙林，僅比茶林略大，這與不同林分枯落物特性有關，竹葉質薄柔軟且較易分解，而臍橙葉較之竹葉寬厚狹長，且質地堅韌[27]。在枯落物層持水性能方面，各林分半分解層枯落物最大持水量和吸水速率均是大于未分解層，可能是由于半分解層枯落物蓄積量明顯高于未分解層[28]。從各林分整體來看，兩種天然林楠木林、毛竹林與兩種人工經濟果林臍橙林、茶林相比，具有最大持水量、最大攔蓄量和有效攔蓄率高等特點。造成這種情況的主要原因可能是楠木林和毛竹林自然含水率較高，在枯落物處于風干狀態下，其最大持水能力以及吸水性能相比于兩種人工經濟果林較強，另外這與不同林分林齡、枯落物特性以及蓄積量也有關[29]。

(2) 不同林分類型其土壤水文物理特征存在差異，這與不同林分枯落物蓄積量、枯落物分解狀態以及林分地下根系生長狀態有很大關系。研究結果表明，在0—30 cm土層之內，4種林分類型土壤容重均隨土層深度的增加而增大，非毛管孔隙度隨土層深度的增加而減小，這與趙磊等[30]眾多學者的研究結果相一致。此外，由于兩種人工經濟果林受人為活動干擾較大，如剪枝、摘果等活動，土壤表層被頻繁踐踏，從而導致林地土壤板結緊實，土壤容重變大。土壤最大持水量和有效持水量取決于土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度[31]。研究證實，楠木林和毛竹林的土壤層持水能力較強，其土壤最大持水量、有效持水量以及滲透速率均大于兩種人工經濟果林表現為最差。出現這種情況的主要原因可能是兩種天然林具有較為發達的根系結構，能夠顯著的改善土壤的孔隙狀況。另外，由于兩種人工經濟果林林下植被和枯落物稀少，對地表土壤缺乏保護，不能有效減緩降水和地表徑流對表層土壤的侵蝕，造成土壤結構破壞，土壤板結，導致土壤滲透速率降低。

4.2 結 論

本文主要研究了贛南丘陵區4種不同林分的枯落物層和土壤層的水源涵養能力，分別分析了枯落物最大持水量，枯落物有效攔蓄量，土壤容重，毛管孔隙度、穩滲速率等指標與土壤水源涵養能力的相互關系，結果表明：

(1) 贛南丘陵區臍橙林和茶林的種植同時降低了枯落物層和土壤層的水源涵養能力，造成了整體區域水源涵養能力的大幅度降低。

(2) 土壤穩滲速率，枯落物最大持水量，枯落物有效攔蓄量3個指標對區域的水源涵養能力的貢獻最顯著。因此，為充分提升贛南丘陵區森林水源涵養能力，應合理規劃人工經濟果林種植，加強對經濟果林林下植被、枯落物層和土壤層的保護，減少對天然林的破壞，為該區域構建結構合理的森林生態系統。