段文軍，王金葉，李海防

（桂林理工大學(xué) a. 旅游學(xué)院；b.生態(tài)規(guī)劃與工程研究所，廣西桂林541004）

華南3種典型生態(tài)恢復(fù)模式的生態(tài)水文效應(yīng)

段文軍a,b，王金葉a,b，李海防a,b

（桂林理工大學(xué) a. 旅游學(xué)院；b.生態(tài)規(guī)劃與工程研究所，廣西桂林541004）

退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)一直是廣泛關(guān)注的熱點問題，如何科學(xué)評價不同生態(tài)恢復(fù)模式的綜合效益也是生態(tài)恢復(fù)研究的重點方向。對華南地區(qū)3種典型生態(tài)恢復(fù)模式，即自然恢復(fù)草坡、馬尾松Pinus massoniana人工林、馬占相思Acacia mangium人工林，進(jìn)行了對比研究，以評價自然恢復(fù)與人工林恢復(fù)、針葉人工林與闊葉人工林、外來樹種人工林與鄉(xiāng)土樹種人工林恢復(fù)模式的生態(tài)水文化效益。結(jié)果表明：人工林的保水、保濕效果好于自然恢復(fù)草坡；馬尾松人工林的生態(tài)水文效益略好于馬占相思人工林；馬占相思人工林的土壤結(jié)構(gòu)和保水潛力略好于馬尾松人工林。在生態(tài)恢復(fù)過程中，利用人工林可加快生態(tài)恢復(fù)的速度，改善生境條件，恢復(fù)生態(tài)功能，從而為后續(xù)物種的定居和繁殖提供條件，但同時也必須通過各種措施，加快人工林向天然林的轉(zhuǎn)變，提高生物多樣性。

生態(tài)恢復(fù)模式；生態(tài)水文效應(yīng)；自然恢復(fù)草坡；人工林；華南

水是森林生態(tài)系統(tǒng)能量流動和養(yǎng)分循環(huán)等生態(tài)功能過程的重要載體，水文功能(水源涵養(yǎng)、水土保持)是森林生態(tài)系統(tǒng)作用中人們最為關(guān)注的一個重要服務(wù)功能[1-3]。退化生態(tài)系統(tǒng)的不同恢復(fù)模式具有不同的生態(tài)水文效應(yīng)，能影響退化生態(tài)系統(tǒng)土壤理化性質(zhì)的改善和鄉(xiāng)土植物的定居與繁殖，是衡量其生態(tài)恢復(fù)效果的重要指標(biāo)[4-5]。長期以來，眾多學(xué)者對人工林生態(tài)水文效益進(jìn)行了不同角度的研究，主要集中在林冠截留效應(yīng)[6]、人工林枯落物水文效應(yīng)[7]、人工林土壤層水文效應(yīng)[8]等方面。近年來，相關(guān)研究的熱點趨向不同人工林水文效應(yīng)的綜合對比研究、人工林水分分配機理研究、以及借助相關(guān)模型對人工林模擬研究[9-11]。本文中選擇華南地區(qū)生態(tài)恢復(fù)的3種典型模式，即自然恢復(fù)模式、針葉人工林恢復(fù)模式、闊葉人工林恢復(fù)模式，對其生態(tài)水文效應(yīng)進(jìn)行對照研究，以期評價生態(tài)恢復(fù)的綜合效應(yīng)，為華南退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和人工林管理提供參照。

1 試驗區(qū)概況

中國科學(xué)院鶴山丘陵綜合開放實驗站（文中簡稱鶴山站）位于廣東省鶴山市中部，東經(jīng) 112°54′，北緯 22°41′，是中國科學(xué)院華南植物園的野外定位站，也是中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（Chinese Ecosystem Researc Network， 簡 稱CERN）的重點臺站之一。鶴山站是華南植物所和鶴山市于1984年共同創(chuàng)建，占地面積約230hm2，建站前為退化草坡地。實驗區(qū)按集水區(qū)的形式劃分為自然恢復(fù)草坡（對照，目前已發(fā)展到灌木占主要優(yōu)勢，也有少量喬木的階段）、針葉人工林、針闊混交人工林、豆科混交人工林、鄉(xiāng)土人工林、桉樹人工林、馬占相思人工林以及林果草魚復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)和林果苗復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)試驗區(qū)。試驗區(qū)為低丘地勢。試驗區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖多雨，年平均氣溫21.7 ℃，其中最高月平均溫度29.2 ℃，最低月平均溫度12.6 ℃，年輻射量為460kJ/cm2。試驗區(qū)雨量充沛，全年降水量1 801 mm，但分布不均，主要集中在5～9月份的雨季。試驗區(qū)地帶性土壤為赤紅壤，土壤有機質(zhì)含量為5.6～16.4 g·kg-1，地帶性植被為南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林[12]。樣地概況見表1。

表1 研究樣地基本概況Table 1Introduction of researched plots

2 材料與方法

2.1 試驗樣地

本試驗選擇中國科學(xué)院鶴山丘陵綜合開放實驗站的自然恢復(fù)草坡、針葉人工林、闊葉人工林3種典型生態(tài)恢復(fù)模式作為研究對象，分析自然恢復(fù)和人工林恢復(fù)、針葉人工林和闊葉人工林恢復(fù)模式的森林小氣候調(diào)節(jié)效益。

2.2 小氣候的觀測

各恢復(fù)模式的穿透雨、土壤濕度、空氣濕度以及其它小氣候指標(biāo)使用美國HOBO小氣候儀進(jìn)行自動觀測，設(shè)定每15 min取樣1次，30min數(shù)據(jù)采集器記錄1次數(shù)據(jù)。記錄項目包括太陽輻射、風(fēng)速風(fēng)向、氣溫、降水、土壤溫度、土壤含水量。其中，測定太陽輻射、降水、風(fēng)速風(fēng)向等指標(biāo)的傳感器安裝在2 m左右，低于草坡（約2.5 m）主要冠層。土壤溫度傳感器安裝在地表（凋落物下）、10、20cm土壤層，土壤含水量傳感器安裝在10、20、30cm土壤層。觀測數(shù)據(jù)運用excel2010和spss17.0進(jìn)行整理和分析。

2.3 土壤物理性質(zhì)的測定

在樣地中隨機選擇5個點，用環(huán)刀在0～20cm土壤取樣，每個點取樣3次，分別測定土壤容重、土壤毛管持水量和飽和含水量。其中土壤容重采用環(huán)刀烘干法測定，土壤毛管持水量和飽和含水量用環(huán)刀浸水法測定[13]。

2.4 凋落物質(zhì)量及含水量

在樣地中隨機選擇5個1 m×1 m樣方，下雨一周后，收集凋落物，分別測定凋落物層的厚度、鮮質(zhì)量，并在烘箱中以105 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱量并計算含水量。因凋落物層的厚度變化較大，每個樣地隨機測定10次，取厚度的平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 林冠降水截留

森林群落的穿透雨是指大氣降雨被森林群落的冠層截留后能夠到達(dá)地表的降水。一般來說森林的郁閉度越高，冠層截留的雨量越多，穿透雨越少。因樹干莖流較少，一般占總降雨量的1%左右，本研究計算冠層截留時忽略不計[14-16]。

圖1 3種生態(tài)恢復(fù)模式的穿透雨比較Fig. 1Through-fall of three restoration models in a year

從圖1中可以看出，自然恢復(fù)草坡的穿透雨比馬占相思林和針葉林要多，而且這種趨勢在降水較為集中的5、6月份更為明顯。從全年來看，人工闊葉林和人工針葉林分別比草坡多截留20.2%和33.5%的降水，針葉人工林比闊葉人工林多截留10%左右的降水。

華南地區(qū)屬季風(fēng)性氣候，降水較為集中，且一般為陣雨，雨量大，歷時短。如果地表缺少植被覆蓋，很容易在短時間內(nèi)形成較強的地表徑流，從而造成較為嚴(yán)重的水土流失[5,17]。從降水的截留效益來看，人工林比草坡、針葉人工林比闊葉人工林有更好的冠層截留效果，減少了雨水對林下種子及樹苗的沖刷，能增加生物多樣性。

3.2 林間空氣濕度

森林的空氣相對濕度能影響植物的光合作用和呼吸作用，對林下植物幼苗的成活也十分關(guān)鍵，是森林的重要生態(tài)功能[14-16]。觀測表明，草坡、針葉人工林、闊葉人工林全年空氣平均相對濕度分別為66.52%、81.37%和72.09%，針葉人工林比自然草坡濕度增加22%，闊葉人工林比自然草坡增加8%，針葉林比闊葉林增加13%，針葉林的保濕效果最好。這說明，相對自然恢復(fù)草坡而言，人工林恢復(fù)模式能顯著地提高相對濕度。

從全年來看，在降水較多的四月份，三者之間的差距較小，而在降水偏少的七月和十月，這種差距十分明顯（見表2）。同時，從日較差和變異系數(shù)來看，草坡的濕度波動非常大，這可能與草坡冠層不完整，林內(nèi)空氣擾動更為頻繁、劇烈有關(guān)。而針葉林的保濕效果好于闊葉人工林，這主要與用于恢復(fù)的闊葉樹種有關(guān)。本研究選作的是外來固氮樹種馬占相思，這種樹種在恢復(fù)的早期階段生長快、抗逆性強，能較快地改善退化草坡的物理環(huán)境，改善土壤營養(yǎng)條件。但這種速生樹種容易早衰，且樹冠容易受臺風(fēng)的影響而折斷。馬占相思林樣地中已有大約10%的立枯木，還有大量樹木的樹冠不完整，這在一定程度上減弱了森林的保溫保濕效果。

表2 3種典型恢復(fù)模式的相對濕度Table 2Microclimate of three restoration modes

3.3 枯落物層水分狀況

森林枯落物層能提高土壤的保溫保濕效果，減少水土流失，并為林下種子留存、萌發(fā)和幼苗存活提供更為穩(wěn)定的環(huán)境，對森林生態(tài)恢復(fù)和生物多樣性的保護(hù)具有重要意義[5,18-19]。

表3 3種典型恢復(fù)模式的凋落物特征Table 3Litter characteristics of three restoration modes

從表3可知，相思林的凋落物層的厚度顯著高于針葉林和自然恢復(fù)草坡（P＜0.001），針葉林凋落物的厚度顯著大于自然恢復(fù)草坡（P＜0.05）。從凋落物的干質(zhì)量來看，人工林單位面積的凋落物干質(zhì)量顯著大于自然恢復(fù)草坡（P＜0.001），而相思林和針葉林之間的差別未達(dá)到顯著水平，相思林的平均值略高于針葉林。這說明人工林的生產(chǎn)量較草坡大，產(chǎn)生的凋落物多，這有利于增加土壤的有機質(zhì)含量，并增強土壤的保溫保濕效果，從而改善地表小生境條件。此外，人工林凋落物的自然含水量顯著高于自然草坡（P＜0.001），針葉林顯著高于相思林（P＜0.05）。自然草坡的凋落物量少、層薄，且冠層透光率較高，凋落物保水性能不佳。而就2種人工林而言，相思林的凋落物主要以葉片為主，較為蓬松，凋落物的量略大于針葉林，但冠層不完整，森林透光率高，凋落物較為干燥。針葉林的凋落物油脂含量多，且森林透光率低，其保水性能好于相思林。

3.4 土壤結(jié)構(gòu)及水分狀況

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)蓄積水分的重要場所，土壤水分的多少影響林下動植物及微生物的種類及數(shù)量，特別是對林下植物種子的萌發(fā)及幼苗建立有非常重要的影響[5,18-19]。

表4 3種典型恢復(fù)模式的土壤容重及含水量Table 4Soil bulk density and water retention of three restoration modes

表4為3種典型恢復(fù)模式的土壤容重及保水性能分析。從表4中可以看出，自然恢復(fù)草坡的容重顯著大于2種人工林恢復(fù)模式（P＜0.001），針葉林顯著大于相思林（P＜0.001），這說明土壤結(jié)構(gòu)方面人工林恢復(fù)模式好于自然恢復(fù)模式，闊葉林好于針葉林。而人工林的飽和含水量、毛管含水量則顯著大于自然恢復(fù)草坡（P＜0.001），相思林顯著大于針葉林（P＜0.001），這說明人工林的保水性能好于自然恢復(fù)草坡，相思林相對好于針葉林。主要原因在于相思林凋落物較多，且容易分解，土壤有機質(zhì)含量相對較高，土壤受侵蝕相對較少，土壤結(jié)構(gòu)得到了較好的改善。自然恢復(fù)草坡因凋落物較少，土壤有機質(zhì)補充少，且表土經(jīng)常受地表徑流沖刷，水土流失嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)相對較差，保水性能較弱。

從表5可以看出，從全年來看，2種人工林恢復(fù)模式3個土壤層次的土壤含水量均顯著大于自然恢復(fù)草坡，針葉林略大于相思林。自然恢復(fù)草坡、相思林和針葉林三者年平均10cm土壤含水量分別為8.82%、14.18%和15.14%，20cm土壤含水量分別為8.66%、16.24%和16.82%，30cm土壤含水量分別為12.35%、19.29%和20.21%。在10cm和20cm土層中，2種人工林的土壤含水量約為草坡的2倍，在30cm土層約為1.5倍，說明人工林土壤含水量較草坡有了顯著的增加。這主要是因為人工林在降雨時能延長徑流時間，讓土壤有充分的時間吸收水分，而且人工林林下輻射少，濕度大，風(fēng)速小，水分蒸發(fā)慢。此外，人工林的土壤結(jié)構(gòu)較草坡好，其保水能力較強。

表5 3種典型生態(tài)恢復(fù)模式的土壤含水量比較Table 5Soil water contents of three restoration modes

從全年變化來看，在降水較為豐富的季節(jié)，2種人工林各土層含水量差別不大，有些月份（如8月份）相思林的土壤含水量甚至還超過了針葉林。而在大部分月份，特別是降水較少的月份，針葉林的土壤含水量高于相思林，這主要與2種人工林的特點有關(guān)。針葉林的林下輻射少，風(fēng)速低，而馬占相思林的林下凋落物多，土壤有機質(zhì)含量高，土壤結(jié)構(gòu)較好，因而2種人工林的土壤保水能力基本相當(dāng)，但水份蒸散方面針葉林略少于馬占相思林。隨著土壤深度的增加，土壤含水量的變化幅度逐步減少，說明深層土壤含水量受外界環(huán)境因素的干擾較表層少。從全年的變化來看，人工林土壤含水量的月變幅也明顯少于草坡。

4 結(jié)論與討論

退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)問題一直是全球生態(tài)學(xué)研究的熱點課題，尋求快速高效的生態(tài)恢復(fù)模式也是各國生態(tài)學(xué)者不懈努力的目標(biāo)[4-5]。生態(tài)恢復(fù)一般可采取自然恢復(fù)和人工恢復(fù)2種模式。自然恢復(fù)適合退化程度低的地段，其恢復(fù)速度較慢，但可最大限度地恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的原始狀。而人工恢復(fù)可大大加快生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的速度，但也存在生物多樣性不高、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的問題[4-5,20-22]。

本研究從生態(tài)水文的角度，對比分析了華南地區(qū)3種不同恢復(fù)模式，即自然恢復(fù)與人工林恢復(fù)、針葉人工林與闊葉人工林、外來樹種人工林與鄉(xiāng)土樹種人工林恢復(fù)模式的生態(tài)效益。結(jié)果表明，種植人工林可以顯著改善退化生態(tài)系統(tǒng)的小氣候狀況，改善林間和林下土壤的水分狀態(tài)，避免水土流失，從而為后繼物種的定居和繁殖提供更為有利的環(huán)境和條件。而就2種人工林而言，針葉林的總體水文效益要好于闊葉林，這與前人的一些研究有所差異[2,14-16,20-22]。主要原因在于相思林是一種外來速生樹種，其存在嚴(yán)重的早衰現(xiàn)象，且易受臺風(fēng)影響，冠層折損較多，影響了冠層結(jié)構(gòu)和森林生態(tài)系統(tǒng)功能。此外，從生態(tài)恢復(fù)的最終目標(biāo)來看，采用人工林恢復(fù)模式還需考慮人工林向天然林轉(zhuǎn)變的過程。因此，相思林的早衰也為后續(xù)鄉(xiāng)土樹種的定居提供了便利的條件，有利于向頂級群落演替，提高生物多樣性。

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Hydrological effects of three typical ecological restoration models on degraded ecosystem in South China

DUAN Wen-juna,b, WANG Jin-yea,b, LI Hai-fanga,b
(a. School of Tourism; b. Institute of Ecological Planning and Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, Guangxi, China)

The restoration of degraded ecosystems is a hot issue and how to scientif i cally assess the comprehensive effects of different restoration models is also an important research direction. Three restoration models (natural restoration models, restoration model of Pinus massoniana plantation, restoration model of Acacia mangium plantation) were comparatively analyzed to assess the hydrological effects of natural restoration model and plantation restoration model, coniferous plantation and broad leaf plantation, exotic plantation and native plantation. The results show that the water and moisturize retention effects of plantation was better than the natural restoration model; the hydrological effects of P. massoniana plantation was better than A. mangium plantation; the soil structure and water holding capacity of A. mangium plantation was better than P. massoniana plantation. In the ecological restoration of degraded forest ecosystem,planting plantation can accelerate the restoration process, and meliorate the physical environment, recover the ecological function,and provide the favorable conditions for the settlement of tree spices. However, it is also very important to speed up the plantation’s transition to a natural forest, thus improving the biodiversity of forest.

ecological restoration modes; hydrological effect; natural restoration model; plantation restoration model; South China

S715.7

A

1673-923X(2014)05-0051-05

2013-12-10

國家自然科學(xué)基金“喀斯特石漠化地區(qū)典型人工林林下生物多樣性形成機制研究”（31100406）；國家科技支撐計劃項目“漓江流域生態(tài)旅游資源可持續(xù)利用技術(shù)模式及示范”（2012BAC16B04）；廣西自然科學(xué)基金“巖溶地區(qū)桉樹人工林植物多樣性形成及調(diào)控機制研究”（2012GXNSFBA053066）

段文軍（1977-），男, 湖南常寧人，副教授，博士，主要從事生態(tài)恢復(fù)和生態(tài)旅游研究；E-mail：duanwenjunagr@163.com

[本文編校：謝榮秀]