禿杉林和連栽杉木林水源涵養功能的差異

南雅薇，戴軍，李元強，梁新戚，何斌，張日施

（1.廣西大學林學院，廣西南寧 530004；2.廣西壯族自治區國有維都林場，廣西來賓546000)

森林水源涵養功能是森林生態系統最重要的功能之一[1-2]，其研究貫穿森林水文研究的全過程，也是生態學研究的熱點。近年來，對森林水源涵養功能的主要表現形式（涵蓄土壤水分、調節徑流和凈化水質等）進行了較全面的研究[3]；對不同地域典型植被或不同結構森林類型貯蓄水分的能力進行了比較分析，結果顯示森林水源涵養功能受物種組成、群落結構、土壤類型和管理措施等因素的影響[4-7]。分析和比較不同森林類型，尤其是不同人工林類型的水源涵養功能及其差異，可正確評價森林的水文生態功能，對合理經營森林資源、實現其可持續經營與發展有重要意義。

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我國南方重要的商品用材林樹種之一[8]。廣西是我國杉木的主產區之一,杉木蓄積量在全區人工林中位列第一,杉木在廣西林業生產和木材戰略儲備基地建設中有重要地位[9]。由于連栽，杉木林地力衰退和生態功能下降等問題日趨嚴重[10-12]。尋求解決杉木采伐跡地更新問題的方法，維持林地生產力，已成為當前杉木栽培區亟需解決的問題。禿杉（Taiwania flousiana）為杉科（Taxodiaceae）臺灣杉屬珍稀樹種，具有生長快、病蟲害少、生物生產力及出材量高和材質好等優點，已成為南方部分山區杉木采伐跡地更新的優良替代樹種[13]和退耕還林地的重要栽培樹種.。目前，與禿杉人工林栽培的相關研究已有較多報道[14-18]，但水源涵養方面的研究較少[17-18]。本研究對廣西南丹縣23年生禿杉林和連栽杉木林（即二代杉木林）不同結構層次的持水性能進行比較與分析，探索兩種林分水源涵養功能的差異，以期為禿杉林的經營管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣西西北部的南丹縣（107°1′～107°55′E，24°42′～25°37′N），地處云貴高原邊緣，以中低山為主，海拔多為600～1 000 m，具有高原山區的氣候特點和變化規律，年均氣溫16.9℃，年均降水量1 498 mm。試驗地設在南丹縣山口林場山口分場，海拔960～975 m，坡度27°～34°，東北坡向，土壤母質（母巖）為砂頁巖，風化程度較高，土壤類型為山地黃壤，土層厚度80 cm以上[16]。

禿杉林和連栽杉木林均栽植于原杉木一代林采伐跡地，定植時間為1993年3月，造林密度均為2 500株/hm2（株行距2 m×2 m）。造林后前3年的春季和秋季各進行1次鏟草撫育，生長期間沒有進行人工施肥[16]。2016年5月，調查禿杉林和連栽杉木林的林分特征（表1）。

表1 禿杉林和連栽杉木林林分特征Tab.1 Stand features of T.flousiana plantation and successive rotation plantation of C.lanceolata

1.2 試驗方法

1.2.1 林分生物量調查

2016年5月，在立地條件（坡向、坡度、坡位和海拔等）基本一致且相互毗鄰的23年生禿杉林和連栽杉木林中分別設置3塊標準樣地，面積均為20 m×20 m。開展林分生長調查，調查指標包括林分郁閉度、密度以及林木胸徑、樹高、冠幅和枝下高。在每塊樣地外，選擇3株平均木伐倒，采用Monsic分層切割法分別測定樹葉、樹枝、地上部分干皮和干材鮮質量[16]。在每塊樣地內，沿對角線設置3個2 m×2 m的小樣方，調查林下植被（灌木和草本）的種類、個體數、高度和覆蓋度等，采用樣方收獲法測定林下植被層和凋落物層鮮重[16]；采集林冠層、林下植被層和凋落物層樣品各500～1 000 g，將部分樣品烘干，測定其干質量和含水率，估算各結構層次的生物量或現存量。

1.2.2 植物和土壤樣品的采集與分析

將采集的林冠層、林下植被層和凋落物層部分樣品分別置于水中浸泡24 h，測定其持水量和持水率[19]。按S形在每塊樣地內設置5個土壤剖面，將土壤剖面分為0～20、20～40和40～80 cm 3個層次。每層次分別采集土壤約1 000 g，將同一樣地內不同土壤剖面同層次的土壤樣品混合裝袋，帶回實驗室，用環刀采集原狀。采用環刀法測定土壤水分-物理性質[19-20]，采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機質[20]。

1.2.3 林分持水量估算

林分持水量包括地上部分持水量和土壤層持水量，地上部分包括林冠層、林下植被層和凋落物層。持水量計算公式為：

式中，Wl為持水率（%）；WL為持水量（t/hm2）；M為水分質量（t）；Wm為干質量（t）；W為生物量或現存量（t）。

土壤水分貯蓄性能指標包括土壤總持水量（飽和持水量）和土壤有效持水量（非毛管蓄水量）[19]，分別采用以下公式計算：

式中，Wt為土壤總持水量（t/hm2）；Wf為土壤有效持水量（t/hm2）；Pt為土壤總孔隙度（%）；Pf為土壤非毛管孔隙度（%）；H為土層厚度（cm）。

1.3 數據處理

采用Excel 2013軟件進行處理，采用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 禿杉林和連栽杉木林地上部分的持水性能

禿杉林的林冠層生物量和持水量分別為44.51和31.66 t/hm2，分別是連栽杉木林（16.60和12.25 t/hm2）的2.68和2.58倍，均差異顯著（P＜0.05）（表2）。

表2 地上部分的持水性能Tab.2 Water-holding properties of aboveground part(t/hm2)

與連栽杉木林相比，禿杉林郁閉度較大，林下植被發育較差，林下植被層的生物量和持水量分別為4.57和3.84 t/hm2，略低于連栽杉木林（5.14和4.13 t/hm2），差異均不顯著。

禿杉林凋落物層的生物量和持水量分別為6.84和20.82 t/hm2，分別是連栽杉木林（4.67和15.72 t/hm2）的1.46和1.32倍，均差異顯著（P＜0.05）。

禿杉林地上部分持水量（56.32 t/hm2）是連栽杉木林（32.10 t/hm2）的1.75倍。與連栽杉木林相比，禿杉林除林下植被層的生物量和持水量稍低外，林冠層和凋落物層持水量均較大，對降雨的截留能力更強。

2.2 禿杉林和連栽杉木林土壤持水性能

2.2.1 土壤滲透性能

土壤滲透性能是反映林地土壤對降雨的調節能力的重要指標。禿杉林和連栽杉木林土壤滲透速度的初滲值和穩滲值均隨土層加深而下降，與總孔隙度和有機質含量的變化趨勢相同。除40～80 cm土層外，禿杉林土壤滲透速度的初滲值和穩滲值均高于連栽杉木林，在0～20 cm土層差異顯著（P＜0.05）（表3）。說明禿杉林可提高土壤滲透性能，減少因超滲而導致的地表徑流。

表3 土壤滲透性能Tab.3 Soil permeation capacity

2.2.2 土壤持水性能

土壤是森林涵養水源最重要的場所，其蓄水能力是反映森林水源涵養功能的重要指標之一。禿杉林0～80 cm土層總持水量為4 320.80 t/hm2，比杉木林（4 214.00 t/hm2）高出106.80 t/hm2；其中0～20 cm土層最大持水量的增加量最大（96.80 t/hm2），占總增加量的90.64%（表4）。與土壤總持水量的變化趨勢相似，禿杉林0～80 cm土層總有效持水量（604.40 t/hm2）比連栽杉木林（555.10 t/hm2）高出49.30 t/hm2；其中0～20 cm土層的增加量最大（48.00 t/hm2），占總增加量的97.36%，且兩種林分間差異顯著（P＜0.05）。

表4 土壤持水性能Tab.4 Soil water-holding capacity

2.3 禿杉林和連栽杉木林水源涵養功能

林分的總持水量由林分地上部分和土壤涵養水分的能力決定。禿杉林和連栽杉木林的林分總持水量分別為4 377.12和4 246.11 t/hm2，均以土壤層持水量所占比例較高，分別為98.71%和99.24%，地上部分持水量所占比例分別為1.29%和0.76%（表5）。禿杉林的林分總持水量比連栽杉木林高出3.09%，有較強的水源涵養能力。

表5 林分持水量Tab.5 Water-holding capacity of stands

續表5 Continued

3 討論與結論

林冠層對降雨的截留作用是森林水源涵養功能的最先表現，林冠層通過對降雨進行重新分配，既可避免雨水對地面的直接濺擊，緩解降雨對地表的侵蝕，又能截留部分降水量，減少地表土壤流失[21]。林冠層截留降雨的作用主要取決于樹種組成、郁閉度、生物量以及降水量、降雨強度和蒸發速率等[19]。禿杉的樹冠呈塔形，枝葉較茂盛，成層性明顯，林分郁閉度較大，林冠層的生物量和持水量均顯著高于連栽杉木林，對降雨有較強的截留作用，可使透過林冠層的雨量減少。

林下植被層是森林發揮水源涵養作用的第二層次，可對穿過林冠層的降雨進行再次截留，進一步減弱雨水對土壤的濺打。林下植被層的持水性能主要取決于林下植被的生物量和持水率。受林分結構特征影響，禿杉林林下植被層的發育稍差于連栽杉木林，其生物量和持水量均略低于連栽杉木林，但差異均不顯著。

凋落物層是植物-土壤養分循環的聯結庫，也是森林植被對降雨進行再分配的重要作用層，具有涵養水源、保持水土、提高土壤滲透能力和改善土壤結構等作用[18，22]。凋落物層覆蓋林地表面，可增加地表粗糙度，起到減弱雨水對地表土壤的濺打、提高水分入滲能力、降低徑流速度和延長徑流時間等作用。禿杉林中，凋落物較豐富，以樹葉和柔軟細枝為主，持水率較高[18]，而連載杉木林有明顯的凋落物宿存現象，因此禿杉林的凋落物層生物量和持水量均顯著高于連栽杉木林，表現出比連栽杉木林更高的水源涵養功能。

森林土壤是森林貯存水分的最主要場所，其儲蓄水分的能力與土壤種類、容重及孔隙度等密切相關[19]。土壤容重和孔隙狀況是對土壤構造狀況的反映，影響土壤的通氣性、透水性及貯存水分的能力。本研究中，禿杉林和連栽杉木林0～40 cm土層土壤容重分別為0.884～0.990 g/cm3和0.915～1.017 g/cm3，土壤總孔隙度分別為55.14%～63.88%和54.30%～59.04%，兩種林分的土壤容重均明顯小于廣西南寧市馬占相思（Acacia mangium）人工林[19]、廣西玉林市福建柏（Fokienia hodginsii）純林和混交林[23]、江西省都昌縣杉木林和常綠落葉闊葉混交林[24]和四川省高縣馬尾松（Pinus massoniana）人工林[25]，土壤總孔隙度則相反，表明研究區林地土壤較疏松，通氣透水和水源涵養性能較強，這也是該區域能作為廣西重要杉木栽培區之一，而且引種的禿杉人工林生長良好和生產力較高的重要原因之一[26]。禿杉林0～20和20～40 cm土層的容重均低于連栽杉木林，土壤總孔隙度則較高，其原因一方面是禿杉林凋落物較豐富，以較易分解的樹葉和柔軟小枝為主，通過分解和腐殖化促進了土壤有機質的生物積累[14]；另一方面，禿杉是淺根性樹種，根系發達且疏散，根系間相互連生[26-27]，通過根系的穿插和伸展，可產生各種孔隙，活根的分泌和死根的腐解也能增加土壤有機質含量和孔隙。禿杉林土壤（0～80 cm）的總有效持水量和總持水量均高于連載杉木林。

禿杉林的總持水量比連栽杉木林高，表明禿杉林有較強的水源涵養功能。在杉木采伐跡地上營造禿杉林，有利于改善土壤結構和孔隙狀況，提高土壤主要養分含量和酶活性[28]，可增強森林水源涵養功能。