不同林分类型林下植被及土壤层水源涵养功能比较研究

不同林分类型林下植被及土壤层水源涵养功能比较研究

作者：胡永颜

来源：《安徽农学通报》2013年第11期

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

摘 要：水源涵养能力是森林生态系统重要功能之一。该文分析了杉木纯林、马尾松纯林及杉木马尾松混交林林下植被层、凋落物层和土壤层水源涵养能力的差异。研究结果表明，林下植被层最大持水量表现为杉木马尾松混交林>马尾松纯林>杉木纯林，凋落物层最大持水量、0～60cm土层总蓄水量以及林分总持水量均表现为杉木马尾松混交林>杉木纯林>马尾松纯林。杉木马尾松混交林水源涵养功能整体上优于杉木纯林和马尾松纯林两种林分类型。 关键词：林分类型；水源涵养能力；最大持水量

中图分类号 F307.2 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2013）11-88-04

森林水源涵养功能是以植被层、林地凋落物层以及土壤层来阻滞降水、涵蓄水源，从而起到调节地表径流，保持水土的功能[1]。不同林分类型因植被种类存在较大差异，植被层水源涵养功能存在较大差异。凋落物层的水源涵养能力主要体现在凋落物的吸水方面，吸水能力的大小取决于其本身的厚度与性质；不同林分类型，其树种不同，其凋落物的吸水能力存在较大的差异。土壤层是森林水源涵养功能的主体，决定森林生态水文功能的因素是来自于森林土壤水文物理性质，其反映了森林植被水源涵养和保持水土功能的重要指标[2-4]；不同林分类型的树种生物学特性和林分结构存在差异，造成了土壤容重、孔隙度等性质也存在差异，因而不同林分类型的土壤水源涵养能力也存在较大的差异[5-11]。因此，研究不同林分类型的水源涵养能力，对改善水环境，合理经营森林资源，实现水资源的管理与利用具有重要的意义。本文以杉木马尾松混交林、杉木纯林、马尾松纯林3种林分为研究对象，比较分析不同林分类型林下植被层、凋落物层以及土壤层的水源涵养能力差异，研究结果为合理调整森林结构布局，发挥森林水源涵养功能提供参考。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

1 材料与方法

1.1 试验地概况 实验地位于尤溪县国有林场山兜分场林班2大班3小班，

E118°30'01\"，N26°09'33\"，地处戴云山脉北段西坡，属中亚热带季风性湿润气候；年平均气温为12.5～14℃，最高气温达39℃，最低气温为-4.5℃；年平均降雨量为1 580mm，年相对湿度为83%，年蒸发量为1 380mm；无霜期299～310d。试验地海拔850～900m，坡度25°，土壤为山地红壤。杉木马尾松混交林、杉木纯林及马尾松纯林为互相毗邻的林分；1991年炼山后，杉木树种挖暗穴造林，穴规格为60cm×40cm×40cm；马尾松树种挖暗穴造林，穴规格为50cm×30cm×30cm；杉木苗木为尤溪县国有林场初级种子园繁育的1a生实生苗，马尾松苗木为福建省林业厅种苗种站调拨的种子繁育的1a生实生苗；3种林分类型初植密度均为220株/667m2，杉木马尾松混交林混交方式为株间混交，混交比例为2∶1；造林当年6月份扩穴培土、全锄，9月份全锄；造林第2年6月份及9月份各全锄1次，造林第3年9月份全锄1次。

1.2 样地调查及测定方法

1.2.1 样地调查 2013年3月，在全面踏查的基础上，选择有代表性地段，分别不同林分类型设置3个20cm×20cm样地共9个。样地内每木调查，分别调查杉木及马尾松胸径及树高（表1）。在每块样地内设置4个2m×2m小样方及8个1m×1m小样方，2m×2m小样方内收集灌木，1m×1m小样方收集草本层植物样品及凋落物样品；分别称每一样方内样品鲜重后，取部分样品带回室内测定持水量及干重。在每一样地中部挖取一土壤剖面，用土壤环刀分别取土层为0～20cm、20～40cm及40～60cm土壤，带回实验室测定土壤物理性质及持水量。 1.2.2 水源涵养功能测定 将灌木层、草本层及枯枝落叶层鲜样样品放于纱袋中置水中浸泡24h后，取出静置并待无水滴滴下后称重W1，然后将样品放置于烘箱中以80℃烘干至恒重计为W2，则样品最大持水量=W1-W2，样品最大持水率（%）=（W1-W2）/W2×100。 将环刀置于水中吸水12h后称重，接着去盖后放置于干燥过的沙中2h后称重，48h后称重，然后将土样放于烘箱中在105℃下烘干至恒重并称重，计算土壤容重、非毛管孔隙、毛管孔隙、土壤最大蓄水量及土壤有效蓄水量[12-13]。 2 结果与分析

2.1 不同林分类型林下植被层水源涵养能力差异分析 不同林分类型人工林林下植被生物量及最大持水量均存在一定的差异（表2）。3种林分林下植被生物量中，杉木马尾松混交林生物量最大，与杉木纯林和马尾松纯林相比分别提高了81.14%和71.35%；杉木纯林生物量与马尾松纯林相比提高了5.71%。就林分最大持水率差异而言，杉木马尾松混交林林下植被层最大持水率最大，马尾松纯林次之，杉木纯林最低，其中杉木马尾松混交林林下植被层最大持水率与杉木纯林及马尾松纯林相比分别提高了14.94%和1.14%。各林分林下植被层最大持水量中，杉木马尾松混交林最大，马尾松纯林次之，杉木纯林最低，其中杉木马尾松混交林与杉木

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

纯林和马尾松纯林相比分别提高了117.96%和112.86%。方差分析结果表明，杉木马尾松混交林林下植被层生物量与杉木纯林及马尾松纯林相比差异达显著水平，杉木马尾松混交林林下植被层最大持水量与杉木纯林及马尾松纯林相比差异达显著水平。 注：同列不同小写字母表示差异显著（P

2.2 不同林分类型凋落物层水源涵养能力差异分析 在杉木纯林、马尾松纯林及杉木马尾松混交林这3种林分类型中，因主要造林树种和林下植被的种类不同，凋落物的种类、现存量和最大持水量均存在一定的差异（表3）。就3个林分的凋落物的总现存量而言，杉木马尾松混交林的凋落物总现存量最大，马尾松纯林次之，杉木纯林最少，其中杉木马尾松混交林的凋落物总现存量与杉木纯林及马尾松纯林相比分别提高了28.04%和26.33%，马尾松纯林凋落物总现存量与杉木纯林相比提高了1.35%；分析3个林分的凋落物最大持水总量显示，杉木马尾松混交林凋落物最大持水总量最高，与杉木纯林及马尾松纯林相比分别提高了7.03%和31.37%，其次为杉木纯林，与马尾松纯林相比提高了22.74%。不同林分类型林下凋落物的种类和数量也有较大的差异，马尾松纯林的马尾松凋落物量及其最大持水量均最大，与杉木马尾松混交林相比提高了73.05%；杉木纯林的杉木凋落物量及其最大持水量均最大，与杉木马尾松混交林相比提高了60.82%；而林下阔叶凋落物量及其最大持水量则以杉木马尾松混交林最大，马尾松纯林次之，杉木纯林最小，杉木马尾松纯林的阔叶凋落物量与杉木纯林及马尾松纯林相比分别提高了61.19%和157.14%，杉木马尾松混交林阔叶凋落物最大持水量与杉木纯林及马尾松纯林相比分贝提高了36.26%和65.33%。

方差分析表明，不同林分类型的凋落物数量及凋落物持水量间的差异有所不同。杉木马尾松混交林的凋落物总现存量、阔叶凋落物现存量及其最大持水量与杉木纯林及马尾松纯林相比差异均显著，两种纯林相比差异均不显著；就林下凋落物的最大持水总量而言，马尾松纯林的凋落物最大持水总量与杉木马尾松混交林及杉木纯林相比差异均显著，而混交林的凋落物最大持水总量和杉木纯林相比差异不显著；杉木马尾松混交林的马尾松凋落物现存量及其最大持水量与马尾松纯林相比差异显著；杉木马尾松混交林的杉木凋落物现存量及其最大持水量与杉木纯林相比差异显著。

2.3 不同林分类型土壤层水源涵养能力差异分析 森林土壤层是森林水源涵养系统的第三活动层，是巨大的水文调节器和水分贮蓄库。土壤的性质不仅与其成土母质有密切的关系，而且也与当地气候和植被类型有关。因此，不同林分类型的林分土壤的水分物理性质存在差异。由表4可以看出，不同林分类型，随着土层深度的增加，各个指标的变化趋势存在一定的差异。就同一林分类型不同土层深度而言，杉木马尾松混交林的土壤容重、毛管孔隙度、总孔隙度随着土层深度的增加呈现先减后增的变化趋势，其中土壤容重与毛管孔隙度在40～60cm土层达到最大值，土壤容重与0～20cm土层及20～40cm土层相比分别提高了29.35%和48.75%，毛管孔隙度与0～20cm土层及20～40cm土层相比分别提高了9.76%和21.62%，而土壤总孔隙度则在0～20cm土层达到最大值，与20～40cm土层及40～60cm土层相比分别提高了23.40%和7.41%；非毛管孔隙度和非毛管孔隙/毛管孔隙随着土层深度增加逐渐减小，均在0～20cm时达到最大，非毛管孔隙度与20～40cm土层及40～60cm土层相比分别提高了80.00%和

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

100.00%，非毛管孔隙/毛管孔隙与20～40cm土层及40～60cm土层相比分别提高了59.26%和115.00%；土壤最大蓄水量和有效蓄水量随着土层深度的增加先增后减，均于20～40cm时达到最大值，土壤最大蓄水量与0～20cm土层及40～60cm土层相比分别提高了3.60%和12.06%，土壤有效蓄水量与0～20cm土层及40～60cm土层相比分别提高了30.68%和158.43%。而就杉木纯林而言，土壤容重随着土层深度的增加逐渐升高，40～60cm与20～40cm及0～20cm土层相比分别提高了13.04%和27.45%；非毛管孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙/毛管孔隙、总孔隙度、土壤最大蓄水量和土壤有效蓄水量均为先降低后升高，其中0～20cm及40～60cm土层非毛管孔隙度与20～40cm土层相比差异最大，分别比20～40cm土层提高了266.67%和100.00%，0～20cm及40～60cm土壤有效蓄水量与20～40cm土层相比分别提高了270.69%和86.76%。分析马尾松纯林的土壤物理性质可知，马尾松纯林土壤容重、毛管孔隙度、总孔隙度、土壤最大蓄水量随着土层深度的增加逐渐增加，40～60cm土层的土壤最大蓄水量与0～20cm及20～40cm相比分别提高了14.41%和4.45%，非毛管孔隙度、非毛管孔隙/毛管孔隙、土壤有效蓄水量随着涂层深度的增加逐渐降低，其中0～20cm土层的非毛管孔隙/毛管孔隙与20～40cm和40～60cm相比差异最大，与20～40cm及40～60cm相比分别提高了38.%和157.14%，0～20cm土层的土壤有效蓄水量与20～40cm和40～60cm土层相比分别提高了43.75%和109.75%。

同一土层深度不同林分类型之间的各测试指标也存在着较大的差异。就0～20cm土层而言，杉木马尾松混交林土壤的非毛管孔隙、非毛管孔隙/毛管孔隙、土壤有效蓄水量与杉木纯林相比分别提高了63.63%、104.76%和53.48%；与马尾松纯林相比则分别提高了157.14%、138.88%和135.47%。就20～40cm土层而言，杉木马尾松混交林土壤的非毛管孔隙度、土壤最大持水量和土壤有效持水量均高于杉木纯林和马尾松纯林，其中非毛管孔隙度与杉木纯林和马尾松纯林相比分别提高了233.33%和100.00%，土壤最大持水量与杉木纯林和马尾松纯林相比分别提高了21.22%和12.82%，土壤有效持水量与杉木纯林和马尾松纯林相比分别提高了3.49%和342.35%。而就40～60cm土层而言，杉木马尾松混交林土壤的非毛管孔隙度、非毛管孔隙/毛管孔隙和土壤有效持水量均大于杉木纯林和马尾松纯林，其中非毛管孔隙度与杉木纯林和马尾松纯林相比分别提高50.00%和125.00%，土壤有效持水量与杉木纯林和马尾松纯林相比分别提高54.04%和149.75%；马尾松纯林的毛管孔隙度、总孔隙度和土壤最大蓄水量均高于杉木马尾松混交林和杉木纯林，其中毛管孔隙度与混交林和杉木纯林相比分别提高了15.56%和8.33%，土壤最大蓄水量与混交林和杉木纯林相比分别提高了3.75%和4.45%。0～60cm土层总蓄水量表现为杉木马尾松混交林>杉木纯林>马尾松纯林，其中杉木马尾松混交林的土层总蓄水量与杉木纯林和马尾松纯林相比分别提高了2.37%和9.01%。

2.4 不同林分类型水源涵养能力综合分析 森林水源涵养层中的林冠层的水源涵养能力在总森林水源涵养中占有15%以下，而林下植被层、凋落物层和土壤层的涵养能力占有森林总涵养的80%以上，其中土壤是水源涵养的主体。林分的地面覆盖物及0～60cm土壤层的水源涵养能力因林分类型的不同而具有不同程度的差异（表5）。3种林分类型的地表覆盖物水源涵养能力、0～60cm土壤层持水量和总持水量整体均体现为杉木马尾松混交林>杉木纯林>马尾松纯林，其中杉木马尾松混交林的地表覆盖物水源涵养能力与杉木纯林和马尾松纯林相比分别提高了24.46%（下转122页）（上接90页）和46.84%，杉木纯林的地表覆盖物水源涵养能力与马

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

尾松纯林相比提高了17.98%；杉木马尾松混交林的0～60cm土壤层持水量与杉木纯林和马尾松纯林相比分别提高了2.37%和9.01%，杉木纯林的0～60cm土壤层持水量与马尾松纯林相比提高了6.48%；杉木马尾松混交林的林分总持水量与杉木纯林和马尾松纯林相比分别提高了2.38%和9.15%，杉木纯林的0～60cm土壤层持水量与马尾松纯林相比提高了6.52%。 方差分析表明，3种林分类型之间的地表覆盖物持水量两两之间差异均显著；马尾松纯林0～60cm土壤层持水量和林分总持水量与杉木马尾松混交林及杉木纯林相比差异均显著，而杉木马尾松混交林和杉木纯林相比0～60cm土壤层持水量和林分总持水量差异不显著。 3 结论与讨论

森林生态系统具有强大的水源涵养功能，林冠层、林下植被层、凋落物层和土壤层都具有一定的水源涵养能力，其中土壤层是水源涵养的主要层次，森林地上部分持水量在森林总持水量中占的比例较小，但在降雨的截留、降低雨水冲击地面等方面具有重要作用[14]。不同林分类型会导致林下植被层和凋落物的生物量或总现存量间存在不同程度的差异，凋落物种类、现存量及分解程度的差异，影响到有机质向土壤中的输入，进而造成土壤结构、类型和保水能力间的差异，多因素综合起来，会对林分的总持水量造成不同程度的影响。本文研究发现，林下植被层最大持水量表现为杉木马尾松混交林>马尾松纯林>杉木纯林，凋落物层最大持水量、0～60cm土层总蓄水量以及林分总持水量均表现为杉木马尾松混交林>杉木纯林>马尾松纯林，其中杉木马尾松混交林的林下植被层最大持水量与杉木纯林和马尾松纯林相比分别提高了117.96%和112.86%；杉木马尾松混交林的凋落物层最大持水量与杉木纯林和马尾松纯林相比分别提高了36.26%和65.33%；杉木马尾松混交林的0～60cm土层总蓄水量与杉木纯林和马尾松纯林相比分别提高了2.37%和9.01%；杉木马尾松混交林的林分总持水量与杉木纯林和马尾松纯林相比分别提高了2.38%和9.15%。综上可以看出，在所调查的3种林分中，杉木马尾松混交林在水源涵养方面具有更加优异的林下植被层和土壤层结构，水源涵养能力优于其它两种林分类型。 参考文献

[1]陈光升，胡庭兴，黄立华，等.华西雨屏区人工竹林凋落物及表层土壤的水源涵养功能研究[J].水土保持学报，2008，22（1）：159-162.

[2]LAHTI T.Understory vegetation as an indicator of forest site. Potential in southern Finland [J].Acta Forestalia Fennica，1995，246：2-69.

[3]Wang G. Use of understory vegetation in classifying soil moisture and nutrient regimes[J].Forest Ecology and Management，2000，129（1-3）：93-100.

[4]林业部科技司.森林生态系统定位研究方法[M].北京：中国科学技术出版社，1994.

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

[5]彭明俊，郎南军，温绍龙，等.金沙江流域不同林分类型土壤特性及其水源涵养功能研究[J].水土保持学报，2005，19（6）：107-109.

[6]张雷燕，刘常富，王彦辉，等.宁夏六盘山地区不同森林类型土壤的蓄水和渗透能力比较[J].水土保持学报，2007，21（1）：95-98.

[7]刘敏，王玉杰，赵洋毅，等.重庆缙云山水源涵养林地土壤水文效应[J].中国水土保持，2010（5）：41-44.

[8]邱治军，曾震军，周光益，等.流溪河小流域3种林分的土壤水分物理性质[J].南京林业大学学报：自然科学版，2010，34（3）：62-66.

[9]邹碧，，杨富权，等.华南热带区不同恢复阶段人工林土壤持水能力研究[J].热带亚热带植物学报，2010，18（4）：343-349.

[10]张志永，张卓文，陈玉生，等.5种主要森林类型涵养水源能力比较研究[J]，福建林学院学报，2005，25（2）：17l-175.

[11]骆土寿，李意德，陈德祥，等.广东白盆珠水库水源林土壤水源涵养能力研究[J].生态科学，2007，26（2）：159-1.

[12]中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海：上海科学技术出版社，1978. [13]马雪华.森林水文学[M].北京：中国林业出版社，1993.

[14]蔡丽平，李芳辉，侯晓龙，等. 木荷杉木混交林水源涵养功能研究[J].西南林业大学学报，2012，32（6）：13-18. （责编：张宏民）