貴州脆弱生態(tài)區(qū)3種森林恢復(fù)模式土壤層水源涵養(yǎng)能力研究

曾晨陽 武燕 丁波 符裕紅 張宏程 徐艷梅 宋雪紅

摘要 本研究在貴州省扎佐林場(chǎng)選取3種不同森林恢復(fù)模式（針葉林、闊葉林、針闊混交林）樣地作為研究對(duì)象，通過坐標(biāo)綜合評(píng)定、野外調(diào)查、環(huán)刀等方法，并結(jié)合土壤持水量、土壤攔蓄量等指標(biāo)，評(píng)價(jià)3種不同森林恢復(fù)模式的土壤層（0～20、20～40、40～60 cm）持水能力變化特征，探究貴州脆弱生態(tài)區(qū)不同森林恢復(fù)模式下土壤層水源涵養(yǎng)能力，為森林植被恢復(fù)與建設(shè)及其水源涵養(yǎng)能力改善提供一定科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明，土壤最大持水量、土壤飽和蓄水量、非毛管孔隙度和總孔隙度在0～20 cm土層表現(xiàn)為針葉林>闊葉林>針闊混交林（p<0.05）；針葉林恢復(fù)模式下，土壤最大持水量、毛管持水量、土壤飽和蓄水量、土壤有效蓄水量、毛管孔隙度均表現(xiàn)為0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm（p<0.05）；坐標(biāo)綜合評(píng)定法分析得出土壤層綜合水源涵養(yǎng)能力大小為闊葉林>針闊混交林>針葉林。貴州扎佐林場(chǎng)闊葉林下土壤較針葉林和針闊混交林下土壤水源涵養(yǎng)能力更優(yōu)，建議該地區(qū)進(jìn)行森林恢復(fù)建設(shè)時(shí)，首選闊葉樹種，對(duì)整個(gè)森林的水土保持及預(yù)防水土流失有積極作用。

關(guān)鍵詞 森林恢復(fù)模式；土壤層；水源涵養(yǎng)能力；坐標(biāo)綜合評(píng)定法

中圖分類號(hào) S714? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1007-7731（2023）09-0095-05

森林水源涵養(yǎng)是指森林生態(tài)系統(tǒng)在一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)保持水分的過程和能力，是森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要體現(xiàn)[1]，主要體現(xiàn)在森林植被層、枯落物層及土壤層等對(duì)水分的攔蓄、吸持與再分配等[2-3]。土壤層是森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的主體。土壤中具有大量豐富的毛管孔隙，可貯存部分降水，以供植物生長(zhǎng)發(fā)育，同時(shí)土壤層水源涵養(yǎng)能力占森林生態(tài)系統(tǒng)綜合水源涵養(yǎng)能力的90%以上[4]。研究表明，森林恢復(fù)可以減少土壤的侵蝕和水土流失，改善當(dāng)?shù)厮纳鷳B(tài)服務(wù)功能[5-6]，且植被恢復(fù)類型及森林管理模式等因素能顯著影響森林水源涵養(yǎng)能力[7-8]，森林生態(tài)系統(tǒng)自身的復(fù)雜性和不同的林分結(jié)構(gòu)導(dǎo)致森林水源涵養(yǎng)能力研究結(jié)果的巨大差異[9]。因此，對(duì)于不同森林恢復(fù)模式的水源涵養(yǎng)能力，有必要開展針對(duì)性研究和評(píng)價(jià)。

喀斯特地貌類型約占全球陸地總面積的12%[10]，西南喀斯特區(qū)是中國(guó)非常重要的脆弱生態(tài)功能區(qū)，貴州省位于該區(qū)域的中心，喀斯特面積占全省土地面積的62%[11]。由于喀斯特地貌的制約，研究區(qū)域水土流失嚴(yán)重、石漠化比例較高、地表土層淺薄、土壤總量少，嚴(yán)重限制該地區(qū)森林水源涵養(yǎng)能力[12]。在過去的幾十年，貧困人口相對(duì)集中，人與用地矛盾日益加劇，過渡的砍伐和不合理利用更加劇了石漠化和水土流失程度，造成該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化[13]。環(huán)境急劇惡化，國(guó)家在“十一五”規(guī)劃中提出重點(diǎn)保護(hù)貴州石漠化地區(qū)綜合治理生態(tài)工程，在貴州各地區(qū)開展森林恢復(fù)生態(tài)工程[14]。為檢驗(yàn)貴州生態(tài)脆弱區(qū)不同森林恢復(fù)模式水源涵養(yǎng)能力大小，闡明不同森林恢復(fù)模式水源涵養(yǎng)的生態(tài)效應(yīng)和生態(tài)過程，本研究以貴州省國(guó)有扎佐林場(chǎng)為研究區(qū)，選擇針葉林、闊葉林及針闊混交林3種恢復(fù)模式樣地為研究對(duì)象，通過對(duì)土壤層水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行測(cè)定，探討不同森林恢復(fù)模式的土壤層水源涵養(yǎng)能力，為該地區(qū)的后繼保護(hù)管理及相關(guān)水源涵養(yǎng)能力的研究提供數(shù)據(jù)支撐，指出扎佐林場(chǎng)森林水源涵養(yǎng)能力在脆弱生態(tài)區(qū)進(jìn)行植被恢復(fù)建設(shè)的重要意義，同時(shí)在促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)水分有效利用及減少水分對(duì)森林水土流失和生態(tài)環(huán)境負(fù)面影響等方面做出貢獻(xiàn)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省扎佐國(guó)有林場(chǎng)（26°50′56.12″N、106°42′59.25″E），該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫為15.3 ℃，年均降水量為1 129.5 mm，海拔高度為1 200～1 430 m。林場(chǎng)地跨貴陽市修文縣、開陽縣、息烽縣、烏當(dāng)區(qū)、白云區(qū)以及黔南州惠水縣。經(jīng)營(yíng)面積1萬hm2，土壤類型以黃壤為主，植被較為豐富，喬木主要包括柳杉（Cryptomeria japonica var. sinensis Miq.）、馬尾松（pinus massoniana Lamb.）、楓香（Liquidambar formosana Hance）等，灌木主要包括白馬骨（Serissa serissoides （DC.） Druce）、莢蒾（Viburnum dilatatum Thunb.）、榛（Corylus heterophylla Fisch.ex Trautv.）等，草本主要包括姬蕨［Hypolepis punctata（Thunb.）Mett.］、雙蓋蕨［Diplazium donianum （Mett.） Tardieu］、沿階草（Ophiopogon bodinieri H. Lév.）等，森林恢復(fù)模式以針葉林、闊葉林和針闊混交林3種類型為主。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置

試驗(yàn)于2021年11月至2022年4月在貴州省修文縣扎佐林場(chǎng)開展，在該地區(qū)設(shè)置針葉林、闊葉林及針闊混交林3種森林恢復(fù)模式的樣地，樹木林齡均為20～30 a，長(zhǎng)勢(shì)良好，立地條件一致。樣地面積為20 m×20 m，內(nèi)設(shè)5個(gè)2 m×2 m的灌木樣方和5個(gè)1 m×1 m的枯落物及草本樣方。每種森林恢復(fù)模式設(shè)置3個(gè)重復(fù)，樣地總數(shù)為3種森林恢復(fù)模式×3個(gè)重復(fù)，共計(jì)9個(gè)樣地。記錄每塊樣地的地理位置、海拔、坡位、坡度、樹種類型等信息，對(duì)樣地內(nèi)的喬木樹種進(jìn)行每木檢尺，測(cè)量胸徑、樹高，并計(jì)算郁閉度及密度等基本信息（表1）。

2.2 土壤層樣品的采集及其水源涵養(yǎng)能力測(cè)定

土壤水源涵養(yǎng)能力的測(cè)定采用環(huán)刀法。在樣地內(nèi)選擇有代表性的地段挖土壤剖面，在垂直的土壤剖面上依次劃分0～20、20～40、40～60 cm土層，在每層用環(huán)刀取3個(gè)土壤樣品，稱量鮮重，按其原狀裝入鋁盒，并帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干并測(cè)定水源涵養(yǎng)能力。計(jì)算公式如下：

式中：m1為環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量（g）；m2為浸潤(rùn)12 h后環(huán)刀內(nèi)濕土的質(zhì)量（g）；m3為在干砂上擱置2 h后環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量（g）；Wt為土壤飽和蓄水量（t/hm2）；Hm為土壤最大持水量（mm）；W0 為土壤有效蓄水量（t/hm2）；H0為土壤非毛管持水量（mm）。

2.3 水源涵養(yǎng)能力的量化

參照陳引珍等[15]的坐標(biāo)綜合評(píng)定法，對(duì)不同恢復(fù)模式枯落物層和土壤層進(jìn)行水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)。計(jì)算出每種恢復(fù)模式類型的∑[P2i]值，并由小到大進(jìn)行排序，綜合值越小，水源涵養(yǎng)功能越優(yōu)。

2.4 數(shù)據(jù)分析處理

采用Microsoft Excel 2007對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，使用SPSS 26.0軟件進(jìn)行方差分析，利用Origin 2017軟件制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤蓄積能力

本文采用飽和蓄水量、有效蓄水量、最大持水量、毛管持水量4個(gè)指標(biāo)變化表示土壤層的蓄積能力。由圖1可知，相同森林恢復(fù)模式下，不同土層主要影響最大持水量、土壤飽蓄水量、毛管持水量和土壤有效蓄水量4個(gè)指標(biāo)的變化，主要表現(xiàn)為最大持水量與土壤飽和蓄水量在針葉林均表現(xiàn)為0～20 cm（2.81 mm、28.11 t/hm2）顯著高于20～40 cm（2.42 mm、24.20 t/hm2）和40～60 cm（2.28 mm、22.82 t/hm2）（p<0.05），而20～40 cm和40～60 cm 之間最大持水量與土壤飽和蓄水量并無顯著差別；毛管持水量和土壤有效蓄水量在針闊混交林和針葉林下均表現(xiàn)為0～20 cm顯著高于40～60 cm，而20～40 cm的毛管持水量和土壤有效蓄水量與其他2個(gè)土層并無顯著差別。

圖1還表明，相同土層不同森林恢復(fù)模式主要影響最大持水量和土壤飽和蓄水量2個(gè)指標(biāo)的變化，主要表現(xiàn)為最大持水量和土壤飽和蓄水量在0～20 cm土層均表現(xiàn)為針葉林（2.81 mm、28.11 t/hm2）顯著高于針闊混交林（2.41 mm、24.07 t/hm2）和闊葉林（2.47 mm、24.65 t/hm2）（p<0.05）；土壤飽和蓄水量在40～60 cm土層表現(xiàn)為闊葉林（24.01 t/hm2）顯著高于針闊混交林（22.35 t/hm2）（p<0.05），針葉林（22.82 t/hm2）與二者并無顯著差異（p>0.05）。

3.2 土壤層孔隙度

圖2顯示，相同森林恢復(fù)模式下，不同土層主要影響毛管孔隙度這個(gè)指標(biāo)的變化，主要表現(xiàn)為毛管孔隙度在針闊混交林和針葉林下均表現(xiàn)為0～20 cm（39.77%、44.17%）顯著高于40～60 cm（36.28%、37.04%）（p<0.05），20～40 cm（37.46%、39.52%）的毛管孔隙度則與0～20 cm和40～60 cm土層無顯著差異（p>0.05）。

圖2還表明，相同土層不同森林恢復(fù)模式主要影響非毛管孔隙度和總孔隙度2個(gè)指標(biāo)的變化，主要表現(xiàn)為非毛管孔隙度在0～20 cm土層下表現(xiàn)為針葉林（12.05%）顯著高于針闊混交林（8.36%）（p<0.05）；總孔隙度在0～20 cm土層表現(xiàn)為針葉林（56.22%）顯著高于針闊混交林（48.13%）和闊葉林（49.30%）（p<0.05），在40～60 cm土層表現(xiàn)為闊葉林（48.02%）顯著高于針闊混交林（44.71%）（p<0.05），其余均無顯著差別（p>0.05）。

3.3 不同森林恢復(fù)模式土壤的水源涵養(yǎng)能力綜合分析

本文采用坐標(biāo)綜合評(píng)定法，將土壤不同水源涵養(yǎng)指標(biāo)量綱歸一化，進(jìn)而得出綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果，根據(jù)[∑2p]數(shù)值的大小判斷水源涵養(yǎng)功能的強(qiáng)弱。表2顯示，不同森林恢復(fù)模式土壤層[∑2p]的大小順序?yàn)殚熑~林（0.45）<針闊混交林（0.59）<針葉林（0.68），說明土壤層水源涵養(yǎng)功能大小順序?yàn)殚熑~林>針闊混交林>針葉林。

4 討論

土壤最大持水量、土壤毛管持水量、土壤飽和蓄水量、土壤有效蓄水量和土壤孔隙度等指標(biāo)常被用來判斷森林土壤層水源涵養(yǎng)能力的大小[15]。研究表明，土壤層蓄水能力與毛管孔隙度相關(guān)指標(biāo)在不同土層均表現(xiàn)為0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm（p<0.05）。究其原因，0～20 cm土層上覆蓋有腐爛的枯枝落葉，與外界環(huán)境物質(zhì)的交換頻繁，其在結(jié)構(gòu)、質(zhì)地以及有機(jī)質(zhì)含量上遠(yuǎn)高于深層土壤，土壤容重更小、孔隙度也就更大[16-17]。聶小飛等[18]通過研究發(fā)現(xiàn)，通常情況下，孔隙度越大，土壤容重越小，土壤的疏松程度和通氣透水性越好，土壤發(fā)育就越好，土壤對(duì)水分蓄積保持的能力越強(qiáng)。

不同樹種以及不同的林分結(jié)構(gòu)會(huì)改變土壤的理化性質(zhì)，從而改變土壤的水源涵養(yǎng)能力[18]，且非毛管孔隙越大，土壤對(duì)降雨吸收越快，下滲能力更強(qiáng)[19]。不同森林恢復(fù)模式下土壤層水源涵養(yǎng)規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)：非毛管孔隙度、總孔隙度、最大持水量、土壤飽和蓄水量在0～20 cm土層都表現(xiàn)為針葉林>闊葉林>針闊混交林（p<0.05）。孔隙度決定土壤持水能力，因此最大持水量與孔隙度變化一致[20]，與本文結(jié)論針葉林土壤表層持水能力最強(qiáng)，其次為闊葉林，針闊混交林最小一致。有研究同樣發(fā)現(xiàn)不同的林型可通過影響土壤的結(jié)構(gòu)從而影響林分水源涵養(yǎng)能力，例如趙陽等[21]在白龍河、洮河林區(qū)研究發(fā)現(xiàn)土壤最大持水量表現(xiàn)為冷杉林最強(qiáng)，其次是樺木林，櫟類混交林最弱；陳琦等[22]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)針葉林（杉木）成熟后，其林下土壤的水源涵養(yǎng)能力大于闊葉林、針闊混交林。

5 結(jié)論

本研究表明，樹種組成差異會(huì)影響到土壤層的水文特性，結(jié)合前人的研究結(jié)論和本文的研究結(jié)果，在今后的森林經(jīng)營(yíng)中，特別是在植被恢復(fù)過程中，為了使其發(fā)揮最優(yōu)的水源涵養(yǎng)效益，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)慎重選擇樹種。因此結(jié)合恢復(fù)建設(shè)地區(qū)的實(shí)際情況，建議該地區(qū)進(jìn)行森林恢復(fù)建設(shè)時(shí)，首選闊葉樹種，對(duì)整個(gè)森林的水源涵養(yǎng)、水土保持及預(yù)防水土流失有較好的積極作用。森林水源涵養(yǎng)能力不僅體現(xiàn)在土壤層，還主要體現(xiàn)在森林林冠層、枯落物層上[23]。關(guān)于本研究區(qū)森林的水源涵養(yǎng)能力，仍需在今后研究工作中持續(xù)開展。

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基金項(xiàng)目 黔科合基礎(chǔ)-ZK[2023]一般282；貴州省教育廳科研平臺(tái)項(xiàng)目（黔教技[2022]051號(hào)）；貴州省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（黔科合基礎(chǔ)[2019]1251號(hào)）（S202114223011）；貴州師范學(xué)院校級(jí)大學(xué)生科研項(xiàng)目（2021DXS097）。

作者簡(jiǎn)介 曾晨陽（2000—），男，貴州遵義人。研究方向：森林生態(tài)研究。