王忠誠 ，華 華 ，王淮永 ，張 展

（1. 中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長沙 410004；2. 株洲市林業(yè)科學(xué)研究所，湖南 株洲 412002）

八大公山國家級自然保護(hù)區(qū)林地水源涵養(yǎng)功能研究

王忠誠1，華 華2，王淮永1，張 展2

（1. 中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長沙 410004；2. 株洲市林業(yè)科學(xué)研究所，湖南 株洲 412002）

為了研究林地水源涵養(yǎng)功能，選擇湘西北的八大公山自然保護(hù)區(qū)為研究區(qū)域，采用野外觀察與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，分別對該區(qū)域具有代表性的闊葉林地，從灌草、枯落物、土壤3個層次水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了定量分析。結(jié)果表明：（1）林地灌草持水量與其生物量呈正相關(guān)關(guān)系，與林地郁閉度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；（2）林地枯落物持水量與枯落物生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；（3）林地土壤容重隨土層加深而增大，且表層變化幅度較大，隨時間推移，容重呈減小趨勢；林地土壤非毛管孔隙度隨土壤深度變化與土壤容重基本相反，且各層明顯高于撂荒地。以上研究結(jié)果表明，森林對土壤具有強(qiáng)大的保護(hù)及改良作用，此研究結(jié)論對于森林在改良土壤、美化環(huán)境等方面，尤其是在提升土壤涵養(yǎng)水源功能方面具有建設(shè)性意義。

林地；水源涵養(yǎng)；持水量；八大公山自然保護(hù)區(qū)

森林的水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能的重要組成部分，主要體現(xiàn)在森林喬木層、灌草層、枯落物層和土壤層對降水再分配過程中。鑒于實(shí)際狀況，從林地灌草、枯落物、土壤3個層次對八大公山自然保護(hù)區(qū)典型闊葉混交林林地持水性能進(jìn)行研究，綜合分析森林生態(tài)系統(tǒng)的水文過程及其效應(yīng)，以期為該地區(qū)水源涵養(yǎng)林科學(xué)經(jīng)營提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。人們對森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的研究，多集中于不同森林類型土壤水源涵養(yǎng)功能的研究，而對林冠層、枯落物層、灌草層水源涵養(yǎng)功能的研究相對較少。因此，本研究試驗(yàn)地選在江河源頭區(qū)域八大公山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，對該區(qū)域內(nèi)水源涵養(yǎng)林水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行研究，并監(jiān)測其涵水功能動態(tài)過程，旨在定量分析該區(qū)域森林水源涵養(yǎng)功能大小，明確森林水源涵養(yǎng)效益變化趨勢，以期為該區(qū)域水源涵養(yǎng)林可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時間、地點(diǎn)

研究試驗(yàn)地設(shè)置在張家界市八大公山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，田間試驗(yàn)時間為2007～2010年，室內(nèi)試驗(yàn)按基本采樣時間同步進(jìn)行。

湖南省八大公山國家級自然保護(hù)區(qū)地處澧水源頭區(qū)域，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 109°41′～ 110°15′，北緯 29°34′～ 29°47′，保護(hù)區(qū)總面積 2×104hm2。保護(hù)區(qū)位于云貴高原古陸塊的東北邊緣武陵山脈腹地，地形復(fù)雜，地貌多樣，海拔359～1 890.4 m，孕育和保存了亞熱帶最完整、面積最大的原生性常綠闊葉林區(qū)。該區(qū)屬于亞熱帶山地濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫11.5℃，年均降水量2 105.4 mm，雨日176 d，是湖南三大暴雨中心之一，相對濕度在90%以上，基巖主要為石灰?guī)r、板巖和頁巖，土壤類型主要是山地黃棕壤、石灰土和山地沼澤土，其中山地黃棕壤是自然保護(hù)區(qū)分布面積最廣泛的土壤類型[1]。

保護(hù)區(qū)林業(yè)用地19 001 hm2，其中有林地11 399.6 hm2。植被垂直分布明顯，從山腳到山頂一次呈現(xiàn)出常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、落葉闊葉林、山地灌叢4個植被帶譜[1]。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣地選擇與設(shè)置

根據(jù)保護(hù)區(qū)內(nèi)森林資源狀況，采用線路調(diào)查和典型調(diào)查相結(jié)合的方法，選擇3塊闊葉樹種組合類型不同的典型闊葉林地進(jìn)行試驗(yàn)，并取1塊撂荒地（2010年）作對照，分別建立面積為667 m2的樣地，連續(xù)4年對林地進(jìn)行監(jiān)測。對林木進(jìn)行每木檢尺，測定樹高、胸徑等因子，并記錄坡度、坡向、坡位、郁閉度、林分密度、土壤類型等指標(biāo)。各樣地基本情況，見表1。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)樣地基本情況Table 1 Basic statistics of standard plots

1.2.2 林下灌草層植被持水特征的測定

在每個標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)沿對角線方向分別設(shè)置5個2 m×2 m的小樣方，采用“全體收獲法”收集樣方內(nèi)全部灌草，稱其鮮重，并取樣帶回實(shí)驗(yàn)室烘干(95℃，24 h)后再稱重，以干物質(zhì)重來推算1 hm2林地范圍內(nèi)的灌草貯量。將所采部分樣品稱重后裝入稱重后的濕布袋，再將其完全浸沒于盛有清水的容器中，浸泡3 h后靜置，直至灌草不滴水為止，稱量測定最大持水率，與單位面積灌草鮮重相乘得到最大持水量，并推算1 hm2林地內(nèi)灌草的最大持水量。

1.2.3 林地枯落物生物量、持水量和持水過程的測定

在每個標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)設(shè)置小樣方收集灌草的同時，設(shè)置5個1 m×1 m的小樣方，測量并記錄枯落物層的厚度、未分解層厚度、半分解層厚度，將枯落物按層分別取樣收集，帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)稱重，取部分樣品烘干(95℃, 24 h)后再稱重，推算單位面積生物量。枯落物持水性能的測定采用室內(nèi)浸泡法，將枯落物樣品分別裝入網(wǎng)袋，在清水中浸泡24 h后稱重，計算其最大持水率及最大持水量[2]。根據(jù)最大持水率及枯落物現(xiàn)存量來算有效持水量[3]。

1.2.4 林地土壤持水性能的測定

在每塊標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)隨機(jī)布設(shè)3個點(diǎn)，挖掘土壤剖面，運(yùn)用機(jī)械分層取土法，用環(huán)刀（容積為200 cm3）按照0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm分層取樣，每個組合重復(fù)3次。用烘干法測定土壤持水性能，用環(huán)刀法測定土壤容重、孔隙度等土壤物理指標(biāo)[4]。

1.2.5 統(tǒng)計分析

采用Excel和SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 林下灌草層植被持水特征分析

由表2可知，林地灌草生物量依次為：“小花木荷×利川潤楠×紅楠”混交林＞“刺楸×黃連木×栓皮櫟”混交林＞“木荷×利川潤楠×響葉楊”混交林，且闊葉混交林灌草生物量均低于撂荒地。主要是由于受到林冠郁閉度的影響，林冠郁閉度越高，林下灌木草本層相對稀少[5]。林地最大持水量范圍為：2.26～4.94 t/hm2，平均3.28 t/hm2。對灌草層生物量與最大持水量進(jìn)行相關(guān)性分析，得到相關(guān)系數(shù)R=0.942(P＜0.05)，說明灌草最大持水量與其生物量成顯著正相關(guān)關(guān)系。

最大持水率反映了灌草的持水能力，撂荒地最大持水率略高于林地，主要在于撂荒地光熱條件較好，有利于灌草的成長，灌草多樣性也較豐富。闊葉林地灌草持水率也存在一定差異，主要由灌草種類、高度、蓋度等因子差異引起。

表2 林地灌草層持水性能Table 2 Water-holding capacity of woodland shrub-grass layer

2.2 枯落物持水特征分析

研究枯落物持水特征，必須先收集枯落物的生物量（現(xiàn)存量），其生物量情況見表3。

通過對樣地枯落物生物量的測定，林地枯落物每年平均生物量在7.21～13.82 t/hm2，是撂荒地的1.97～3.78倍，說明喬木層是林地枯落物的主要來源。從林地來看，枯落物貯量有所差異，“木荷×利川潤楠×杉木”混交林＞“刺楸×黃連木×栓皮櫟”混交林＞“小花木荷×利川潤楠×紅楠”混交林，與林冠郁閉度一致?？萋湮镄罘e量主要取決于其輸入量、分解速度、樹種組成及林分所處水熱條件[6]。除了“小花木荷×利川潤楠×紅楠”混交林，枯落物半分解層生物量均高于未分解層，說明枯落物所處環(huán)境有利于其分解；“木荷×利川潤楠×杉木”混交林的樹種有26種，其多樣性豐富，枯落物生物量相比之下也明顯提高。

表3 林地枯落物生物量Table 3 Litters biomass in forestland t/hm2

枯落物最大持水量與其現(xiàn)存量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系[5]。由表4可知，闊葉混交林枯落物最大持水量16.93～31.80 t/hm2，是撂荒地的3.3～5.9倍，林地枯落物水源涵養(yǎng)功能明顯；通過相關(guān)性分析，林地枯落物半分解層最大持水量與生物量的相關(guān)系數(shù)為R1=0.993(P＜0.05)；林地枯落物未分解層最大持水量與生物量的相關(guān)系數(shù)為R2=0.888(P＜0.05)。說明八大公山自然保護(hù)區(qū)闊葉混交林地的枯落物，無論是半分解層還是未分解層，其最大持水量與其生物量（現(xiàn)存量）都呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

表4 林地枯落物持水性能Table 4 Litters water-holding capacity of forestland

最大持水率反映了枯落物持水能力的大小，由表4可知，闊葉混交林枯落物最大持水率在189.96%～268.01%。其中，“木荷×利川潤楠×杉木”混交林Ⅰ(234.19%)＞“小花木荷×利川潤楠×紅楠”混交林Ⅲ(232.78%)＞“刺楸×黃連木×栓皮櫟”混交林Ⅱ(219.49%)，這種差異主要由樹種類型、枯落物分解速率等因素引起。枯落物持水率是其自身干重的1.90～2.68倍，其平均值為228.82%，明顯高于撂荒地。與湖南省常綠闊葉林枯落物最大持水量(210%)[7]相比，該地區(qū)枯落物持水性能更強(qiáng)，且未分解層持水率大于半分解層，這與高人等[8]的研究結(jié)果一致。

最大持水量并不能代表枯落物對降雨的截留量，有效攔蓄量才是反映枯落物對一次降水?dāng)r蓄的真實(shí)指標(biāo)，其與枯落物數(shù)量、水分狀況、降雨特性等有關(guān)[9]。由表4可知，有效持水量表現(xiàn)為：“木荷×利川潤楠×杉木”混交林(Ⅰ)＞“刺楸×黃連木×栓皮櫟”混交林(Ⅱ)＞“小花木荷×利川潤楠×紅楠”混交林(Ⅲ)＞撂荒地Ⅳ，與其枯落物生物量一致。林地平均有效持水量變化范圍為：1.40～2.75 mm，是撂荒地的2.92～5.73倍。

2.3 土壤持水特征分析

2.3.1 土壤容重分析

土壤容重是土壤松緊程度的一個敏感性指標(biāo)，反映了土壤的孔隙狀況、透水性、通氣性、持水能力、入滲速率、溶質(zhì)遷移特征、根系生長的阻力狀況和土壤的抗侵蝕能力等[10]。闊葉混交林地土壤容重情況，見表5。

表5 林地土壤的密度Table 5 Soil bulk density of forestland

由表5可知，土壤容重的變化特點(diǎn)為：隨土壤深度增加，土壤容重增大，且深層增加幅度小于表層，主要在于土壤受植被影響較大，因?yàn)樯滞寥朗艿缴值蚵湮?、樹根以及植被下特殊生物群的影響，有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)主要集中在土壤表層，隨著土層的加深，其含量逐漸減少，因此，隨著土層度的增加土壤容重逐漸增加[11]；土壤同一層次上，林地土壤容重小于撂荒地，林地對改善土壤環(huán)境起重要建設(shè)性作用。林地4年土壤容重值的平均變化范圍為1.19～1.35 g/cm3。容重平均值：“木荷×利川潤楠×杉木”混交林1.25 g/cm3、“刺楸×黃連木×栓皮櫟”混交林1.27 g/cm3、“小花木荷×利川潤楠×紅楠”混交林1.29g/cm3。闊葉混交林平均土壤容重(1.27 g/cm3)比2009年湖南省二類資源清查中張家界市森林土壤平均值(1.36 g/cm3)低，同樣也低于武陵山區(qū)潤楠次生林地土壤密度(1.51 g/cm3)[12]。

由表5可知，土壤容重隨時間呈減小的趨勢?，F(xiàn)就林地土壤容重平均值隨時間變化進(jìn)行分析，見圖1。由圖1可知，闊葉混交林地土壤容重隨時間呈下降趨勢，說明闊葉林對于改良土壤環(huán)境起著重要作用。森林植被的枯枝落葉、根等在改良土壤結(jié)構(gòu)，尤其是提高土壤通氣性方面有著明顯的作用。在林地中，“刺楸×黃連木×栓皮櫟”混交林土壤容重在2009年有上升的趨勢，原因在于該林地是非公益林，受到人類活動影響較大。

圖1 林地土壤容重隨時間變化Fig.1 Changes of soil bulk density with time

2.3.2 林地土壤孔隙狀況分析

土壤孔隙是土壤養(yǎng)分、水分和空氣以及微生物、植物根系等的通道或貯存庫[13]，土壤孔隙組成直接影響土壤通氣透水性和根系穿插的難易程度[14]。土壤孔隙狀況一般用總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度來表現(xiàn)。通過試驗(yàn)，八大公山自然保護(hù)區(qū)闊葉混交林土壤孔隙狀況，見表6。

2.3.3 林地土壤持水能力分析

土壤最大蓄水量是毛管水和非毛管水均達(dá)到飽和時土壤的蓄水量。毛管孔隙中的水分可以長時間保持在土壤中，非毛管孔隙能較快吸收降水并及時下滲, 有利于水源涵養(yǎng)[15]。林地土壤持水情況，見表7。

表6 林地土壤孔隙度Table 6 Soil porosity of forestland

表7 林地土壤持水量Table 7 Moisture-holding capacity of forestland

由表7可知，土壤0～45 cm范圍內(nèi)，土壤最大蓄水量及有效蓄水量均隨土壤深度增加而減小，與土壤容重變化相反；土壤最大蓄水量為：“木荷×利川潤楠×杉木”混交林1 760.04～2 518.12 t/hm2、“刺楸×黃連木×栓皮櫟”混交林1 756.87～2 069.82 t/hm2、“小花木荷×利川潤楠×紅楠”混交林2 125.23～2 517.67 t/hm2，從最大蓄水量看，“小花木荷×利川潤楠×紅楠”混交林蓄水能力較強(qiáng)?，F(xiàn)就各林地土壤非毛管孔隙持水量，即土壤有效蓄水量進(jìn)行比較，見圖2。由圖2可知，3種闊葉混交林有效蓄水量均高于撂荒地，即“木荷×利川潤楠×杉木”混交林＞“小花木荷×利川潤楠×紅楠”混交林＞“刺楸×黃連木×栓皮櫟”混交林＞撂荒地。

3 結(jié) 論

圖2 土壤有效蓄水量隨時間變化Fig.2 Changes of effective water storage capacity in forest soil with time

通過對八大公山自然保護(hù)區(qū)不同闊葉樹種組合的典型闊葉混交林進(jìn)行監(jiān)測及試驗(yàn)分析，從林地灌草、枯落物、土壤3個層次研究了闊葉林地生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能，并以撂荒地作對照。結(jié)論如下：

（1）林地灌草層持水率與其生物量呈正相關(guān)關(guān)系，與林地郁閉度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。林地灌草層持水率在61.19%～88.05%之間，最大持水量大小依次為：撂荒地＞“小花木荷×利川潤楠×紅楠”混交林＞“刺楸×黃連木×栓皮櫟”混交林＞“木荷×利川潤楠×杉木”混交林，與其生物量呈正相關(guān)關(guān)系，與林地郁閉度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。闊葉混交林中“小花木荷×利川潤楠×紅楠”混交林灌草層最大持水量相當(dāng)于截持0.49 mm降水，而撂荒地灌草層截持0.56 mm降水，說明林下灌草層能夠截留一定量的雨水，而且對于分散降雨強(qiáng)度和減緩降水對林地，尤其是撂荒地地表的直接沖擊有重要的作用。

（2）枯落物層最大持水量與有效持水量與枯落物生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系?？萋湮飳幼畲蟪炙颗c有效持水量大小均表現(xiàn)為：“木荷×利川潤楠×杉木”混交林＞“刺楸×黃連木×栓皮櫟”混交林＞“小花木荷×利川潤楠×紅楠”混交林＞撂荒地，與枯落物生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；林地枯落物最大持水率是其自身干重的1.90～2.68倍，其平均值為228.82%，明顯高于撂荒地，表現(xiàn)為：“木荷×利川潤楠×杉木”混交林＞“小花木荷×利川潤楠×紅楠”混交林＞“刺楸×黃連木×栓皮櫟”混交林＞撂荒地，說明枯落物持水效果受到植被類型的影響較明顯。“木荷×利川潤楠×杉木”混交林土壤最大持水量相當(dāng)于攔截3.18 mm大氣降水，是撂荒地的5.9倍。林地土壤最大持水量中最小的“小花木荷×利川潤楠×紅楠”混交林，其持水量是撂荒地的3.3倍。

（3）森林對土壤容重、孔隙、持水性能等的影響非常明顯。土壤容重在0～45 cm范圍各層次中平均值為1.19～1.32 g/cm3，明顯低于撂荒地，且隨時間總體呈下降趨勢，說明森林植被對改善土壤，尤其是表層土壤發(fā)熱結(jié)構(gòu)具有建設(shè)性意義。森林植被通過枯枝落葉、根系等來增加土壤孔隙數(shù)量，從而增強(qiáng)土壤持水性能。從土壤總孔隙度、非毛管孔隙度來看，所研究闊葉混交林中“小花木荷×利川潤楠×紅楠”混交林對土壤改良作用最為明顯。土壤最大蓄水與有效蓄水并非一致。從最大蓄水量來看，“小花木荷×利川潤楠×紅楠”混交林蓄水能力較強(qiáng)；從有效蓄水來看，“木荷×利川潤楠×杉木”混交林蓄水能力較強(qiáng)。

4 討 論

（1）本研究從灌草、枯落物、土壤3個層次對八大公山自然保護(hù)區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行分析，對江河源頭區(qū)域水源涵養(yǎng)林的水文過程及特征研究具有一定的指導(dǎo)意義。結(jié)果顯示，林地涵水功能明顯高于撂荒地；林地3個層次涵水性能存在較大差異，表現(xiàn)出：土壤＞枯落物＞灌草，且土壤涵水量占94.69%。說明土壤層在森林對雨水調(diào)節(jié)能力中的特殊地位，土壤層的調(diào)節(jié)能力占90%以上[16]。因?yàn)榱止诮亓艚邓?、枯落物攔截降水、灌草截持降水，最終大部分降水都將滲入土壤。

（2）林冠截留數(shù)據(jù)的欠缺，使森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)總量數(shù)據(jù)偏小。由于試驗(yàn)操作的局限性，未對林冠層截持降水進(jìn)行分析，研究顯示，森林生態(tài)系統(tǒng)林冠截留水占大氣降水的10%～40%[17]。在條件允許的情況下，如果對林冠截留降水過程進(jìn)行定量研究，則能更準(zhǔn)確反映該地區(qū)森林涵養(yǎng)水源功能，也有利于全面分析森林植被的水文過程。

（3）關(guān)于森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的研究，很多學(xué)者[18-23]采用了水量平衡法或通過降水量、蒸發(fā)量、徑流量與水源涵養(yǎng)量間的關(guān)系來推算森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)效益。而本研究采用森林生態(tài)系統(tǒng)不同層次水源涵養(yǎng)量之和來體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)效益，主要考慮到研究區(qū)域所處江河源頭這一特殊生態(tài)區(qū)位，而且就自然保護(hù)區(qū)這一范圍層次，尤其具體到植被類型的水源涵養(yǎng)效益，此方法能比較清晰地反映出水源涵養(yǎng)功能大小及森林植被水文過程，如果在大尺度上來研究森林水源涵養(yǎng)效益，則水量平衡法顯得更易于操作，且比較精準(zhǔn)。

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Research on forestland water conservation function of Badagong Mountain Nature Reserve

WANG Zhong-cheng1, HUA Hua2, WANG Huai-yong1, ZHANG Zhan2
(1. School of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2. Zhuzhou Research Institute of Forestry Science, Zhuzhou 412002, Hunan, China)

In order to study water conservation function of forest in northwest Hunan, Badagong Mountain Nature Reserve was chosen as a research area and the method of combining fi eld observations with laboratory experiments were adopted. The water conservation functions of a representative broad-leaved forest in the area on the three levels (shrub and grass level, litter level and soil level)respectively were quantitatively analyzed. The results show that (1) the forestland shrub grass layer’s water holding capacity was positively correlated with the biomass in the layer and negatively correlated with the forest canopy density in the level; (2) the forest litters layer’s water holding capacity litter biomass had a signif i cant positive correlation with litter biomass; (3) Soil bulk density increased with the increase of soil depth, and the surface layer changed greatly, the bulk density decreased with the time passing; with the soil thickness change, woodland soil non-capillary porosity was basically opposite to soil bulk density, and each layers were apparently higher than the abandoned land. The above results indicate that the forest played a powerful role in the protection and improvement of the soil, the conclusion of this research has a constructive meaning for improving forest soil quality, beautifying environment and other aspects, especially for improving soil water conservation functions.

forest land; water resources conservation; water-retaining capacity; Badagong Mountain Nature Reserve

S759.93

A

1673-923X(2014)02-0095-07

2013-03-27

2012年度湖南省高校創(chuàng)新平臺開放基金項(xiàng)目“湖南省典型農(nóng)業(yè)干旱區(qū)基本農(nóng)田保護(hù)模式研究”(12K072)

王忠誠（1970-），男，湖南新寧人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：森林生態(tài)與水土保持、農(nóng)村與區(qū)域發(fā)展；

E-mail：wzc366@163.com

[本文編校：吳 彬]