陳日升，康文星，2，3，何介南，黃志宏，2，3

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004；2.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室，湖南 長沙 410004；3.湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，湖南 會同 418307）

全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展和人口的急劇增加極大地增加了人類對水資源的需求量。對水資源不合理的開發(fā)和利用、不節(jié)約用水的傳統(tǒng)生產(chǎn)和生活方式以及水質(zhì)污染問題日趨嚴重，使得優(yōu)質(zhì)的可利用的水資源大幅減少。水資源供需矛盾日益尖銳，已成為全球性的迫切需要解決的問題。

森林通過喬木層、灌草層、枯落物層和土壤層對降水再分配，在樹木根系作用下增大了土壤調(diào)節(jié)水量和蓄水功能。森林涵養(yǎng)水源功能是森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能的重要組成部分[1-3]。目前，對森林水源涵養(yǎng)功能的研究主要集中在不同類型森林水源涵養(yǎng)功能評價[4-5]和不同造林模式或林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置的水源涵養(yǎng)功能比較[6-7]。還有許多學(xué)者依據(jù)樹木對土壤理化性質(zhì)的改善，探討不同林分土壤的持水特性和涵養(yǎng)水源能力[8-13]。森林枯枝落葉層本身具有很大的持水能力，能阻滯地表徑流，防止水土流失，因此森林地表枯枝落葉層涵養(yǎng)水源作用也引起了學(xué)者們的關(guān)注[14-18]。此外，也有學(xué)者對森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力的計量方法進行了探討[19-21]。然而，以往的研究大都從森林生態(tài)系統(tǒng)本身的植被結(jié)構(gòu)與土壤特征研究森林的水源涵養(yǎng)能力，卻很少與大氣降水及森林水文學(xué)過程聯(lián)系起來探討。只有充分了解森林對降水的截留、分配和調(diào)蓄能力以及水分運動過程中與森林內(nèi)部各結(jié)構(gòu)層次之間的內(nèi)在聯(lián)系才能全面評估森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源的功能。本文基于2017年廣西龍喬林區(qū)3 種人工林和天然灌木叢定位測定數(shù)據(jù)，探討這4 種植被生態(tài)系統(tǒng)對水分的調(diào)蓄功能，旨在為水源涵養(yǎng)林的營造和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地槪況

試驗在廣西宜山縣龍喬林區(qū)進行，地貌屬山地丘陵區(qū)，地理位置24°25′N，104°42′E。研究林地坡向東南，坡度16°～21°，海拔190～210 m，土壤為沙頁巖發(fā)育的厚層紅壤。研究林區(qū)屬于南亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年均溫度19.2℃，年均降水量1 277.9 mm，年均相對濕度82%。植被以杉木Cunninghamia lanceolata和馬尾松Pinus massoniana人工純林為主，還有一些馬尾松與檸檬桉Eucalyptus citriodora組成的針闊混交林及一些天然的矮小灌木群落。

2 研究方法

2.1 生物量測定

試驗選取坡向、坡度、海拔高度大致相近的12年生杉木人工純林、馬尾松人工純林、馬尾松與檸檬桉混交人工林共3 種不同類型林分及天然的矮小灌木叢作為研究對象，林分的基本特征見表1。每種林分各設(shè)置1 個觀測樣地，樣地面積為666.67 m2。3 種林分生物量測定采用克拉夫特林木生長狀況分級法[22]。稱取各樹種各器官的鮮質(zhì)量后將樣品在溫度80℃的烘箱內(nèi)烘干至恒質(zhì)量。通過樣品含水率換算求出各樹種的各器官單位鮮質(zhì)量的干質(zhì)量。在3 種林分樣地內(nèi)及天然灌木叢各設(shè)2個面積為1 m×1 m 的小樣方，將小樣方內(nèi)凋落物全部收集稱質(zhì)量，再用全部收獲法把小樣方內(nèi)所有灌木和草本植物連根系全部挖出稱質(zhì)量。抽取灌木、草本和凋落物樣品置于恒溫箱中烘干至恒質(zhì)量，通過樣品含水率換算求出灌木和草本和凋落物單位鮮質(zhì)量的干質(zhì)量。建立回歸方程，通過檢驗后估算樣地喬木層、灌草本和凋落物的干物質(zhì)質(zhì)量。

表1 林分的基本特征?Table 1 Basic characteristics of stands

2.2 森林水文學(xué)過程測定

每種林分的林外空地上各安置1 個標準雨量筒測定大氣降水量（將此作為林冠上降水量）。在每個樣地林內(nèi)隨機安置10 個自制的雨量筒，上面為錫片制的圓形漏斗，其下端插入一個特制的瓷罐中（圓口形面積與標準雨量筒圓口形面積相同）用于測定穿過林冠的降水量。將林冠上的降水量減去穿過林冠的降水量得出林冠截留水量。每種林分的林下植被下和天然灌木叢下也隨機安置10 個自制的雨量筒測定穿過林下植被或天然灌木冠層的降水量。用穿過林冠的降水量（林內(nèi)降水量）減去穿過林下植被的降水量得出林下植被層截留水量。在每個樣地內(nèi)選取一個10 m×20 m小樣地，小樣地四周用紅磚與水泥建10 cm 高的土墻，將小樣地內(nèi)外的地表水隔離，再在小樣地下方建一個3 m3的集水池，測定小樣地每次降水的地表徑流量。

2.3 植被含水量和最大持水量測定

植物各器官組織的含水量用烘干恒質(zhì)量法，采用泡水（24 h）法測定植物各器官組織的飽和吸水量。

2.4 土壤含水量和持水能力測定

將土壤分成0～20、20～40、40～60、60～80 和80～100 cm 共5 個土層，通過挖掘土壤剖面用土壤環(huán)刀由上至下逐一采集各土層樣品并測定土壤持水力[23]。將各層環(huán)刀中的土壤放入烘箱內(nèi)在105℃下烘干至恒質(zhì)量，計算岀各層土壤的含水量。將裝有原狀土壤的環(huán)刀在水中連續(xù)浸泡24 h 后，在密集網(wǎng)口的鐵絲網(wǎng)上放置到不滴水時立即稱質(zhì)量計算最大持水量。將稱完質(zhì)量的環(huán)刀在干砂上放置2 h，此時環(huán)刀中土壤的非毛管水已全部流出，將其稱質(zhì)量得岀毛管持水量。然后將帶土的環(huán)刀再在干砂上放置24 h，此時環(huán)刀中土壤的水分只有毛管懸著水，將其稱質(zhì)量求算最小持水量。

2.5 土壤物理性能測定

土壤容重和土壤毛管孔隙度用環(huán)刀法[23]測定。采用滲透筒法[23]測定0～20 cm 土層土壤的入滲速率。

2.6 數(shù)據(jù)計算與數(shù)據(jù)分析

1）植物組織最大持水量

2）1 hm2林分的植物組織儲水量

式中：G為1 hm2林分的植物組織儲水量（t/hm2）；Ei為1 hm2林分植物i組織的干物質(zhì)質(zhì)量（t/hm2）；Fi為植物i組織的含水量（g/g）。i= 1，2，3，4，5，6，7（枝，葉，干，皮，根，下層植被，凋落物）。

3）土壤容重

式中：Pd為土壤容重 （g/cm3）；W土表示環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量（g）；V表示環(huán)刀容積（cm3）。

4）1 m 深土層含水量

式中：P表示1 hm2的1 m 深土層含水量（t/hm2）；Ki表示1 m 深i層的土壤容重（g/cm3）；Li表示1 m 深i層土壤的含水量（g/g）；i=1，2，3，4，5（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm）。

5）土壤總孔隙度

式中：Pt表示土壤總孔隙度（%）；W環(huán)、W泡水24h、分別表示環(huán)刀質(zhì)量（g）和帶土壤的環(huán)刀泡水24 h后放置至不滴水時的質(zhì)量（g）。

6）土壤毛管孔隙度

式中：Pc表示土壤毛管孔隙度（%）；W干砂上放置24h表示將計算毛管持水量后帶土壤的環(huán)刀在干砂上放置24 h 后質(zhì)量（g）。

7）非毛管孔隙度

式中：Pn表示非毛管孔隙度（%）。

8）土壤貯水力

式中：S表示土壤貯水力（t/hm2）；h為土層厚度（cm）；Pn為非毛管孔隙度（%）；ρ為水的密度（g/cm3）。

9）土壤的入滲速率

式中：K10為實測水溫10℃下的滲透系數(shù)；KT為實測水溫下的滲透系數(shù)；h為滲透鋒面深度（cm）；T為測定所用水的溫度（℃）；t為滲透所用總時間（min）。

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0 軟件進行統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）檢測數(shù)據(jù)的標準誤差。釆用最小顯著差異法 （LSD）進行顯著性檢驗，顯著水平為P= 0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被系統(tǒng)儲存水量和水量結(jié)構(gòu)

12年生的杉木純林、馬尾松純林、馬尾松與檸檬桉混交林及天然矮小灌木叢的植物組織中的水量各自為45.4、48.1、55.4、8.8 t·hm-2；1 m深土層中的水量分別為3 267、3 079、3 578 和2 588 t·hm-2；系統(tǒng)總的儲存水量依次是3 212.4、3 127.1、3 633.4 和2 796.8 t·hm-2（表2）。不同植被系統(tǒng)相互比較，喬木林植被系統(tǒng)儲存的水量比灌木叢系統(tǒng)多11.81%～29.91%；人工純林系統(tǒng)儲存的水量比針闊混交林系統(tǒng)少8.84%～13.94%。

表2 不同植被類型生態(tài)系統(tǒng)的水量結(jié)構(gòu)特征?Table 2 Water structure characteristics of ecosystems with different vegetation types t·hm-2

不同植被生態(tài)系統(tǒng)土壤層中水量占儲存總水量的98.47%～99.69%，植被層只占0.31 %～1.53%，絕大部分水量儲存在土壤層。喬木林系統(tǒng)土層儲存水量比灌木叢系統(tǒng)多10.43%～28.34%；針闊混交林系統(tǒng)土層儲存的水量比人工純林系統(tǒng)多8.70%～13.95%。喬木林植被層儲存水量是灌木叢的5.15～6.23 倍；針闊混交林比人工純林多15.18%～22.02%。系統(tǒng)的儲水量都是喬木林優(yōu)于灌木叢，混交林優(yōu)于純林。

3.2 植被層持水能力

3種喬木林植被層的持水能力（植物組織和凋落物水浸泡后的飽和吸水量）在103.11～123.23 t·hm-2之間（表3）?；旖涣种脖粚映炙芰Ρ壬寄炯兞?、馬尾松純林分別高16.79%和19.51%。杉木純林、馬尾松純林、馬尾松和檸檬桉混交林植被層的持水能力，分別是灌木叢（24.52 t·hm-2）的4.30、4.21 和5.02 倍。

表3 不同植物組織的持水能力?Table 3 The water holding capacity of different plant tissues t·hm-2

3.3 土壤持水力和貯水力

3.3.1 不同植被系統(tǒng)1 m 深土壤層的平均孔隙度

從表4可以看出，馬尾松與檸檬桉混交林1 m深土壤層平均毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度分別比杉木林大17.64%、17.51%和17.61%；也分別比馬尾松林大8.68%、5.59%和7.97%。與喬木林地相比，灌木林地的土壤毛管孔隙度只有喬木林的68.52%～80.60%，非毛管孔隙度只有喬木林的64.98%～76.36%，總孔隙度也只有喬木林的67.72%～79.65%。對此土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度可知，混交林大于純林，馬尾松純林大于杉木純林，喬木林大于灌木叢。

表4 不同植被系統(tǒng)的1 m 深土壤層的平均孔隙度?Table 4 Average porosity of 1 m deep soil layers in different vegetation systems %

3.3.2 不同植被系統(tǒng)1 m 深土壤層的持水力和貯水力

混交林1 m 深土壤層的最大持水力比馬尾松純林大5.92%，比杉木純林大12.33%；最小持水力分別比馬尾松純林和杉木純林大6.36%和13.86%（表5）。馬尾松純林和杉木純林毛管持水力分別只有混交林的93.93%和89.18%；馬尾松純林和杉木純林1 m 深土壤層貯水力也分別只有混交林純林的94.70%和85.10%?？梢?，無論是土壤最大持水力、最小持水力、毛管持水力還是貯水力，都是混交林大于純林，馬尾松純林大于杉木純林。

表5 不同植被系統(tǒng)1 m 深土壤層的持水和貯水力?Table 5 Water holding and water storage capacity in the 1 m deep soil layer in different vegetation systems t·hm-2

從表4還可以看出，灌木地土壤最大持水力、最小持水力和毛管持水力分別比喬木林少16.12%～24.44%、15.59 %～25.85%、15.12%～24.31%； 貯水力也只有喬木林的64.98%～76.36%。

3.4 0～20 cm 深土層的滲透性能

從表6可以看出，0～20 cm 土層的初滲速率大小依次是混交林（5.12 mm·min-1）＞杉木純林（4.83 mm·min-1）＞馬尾松純林（4.56 mm·min-1），相互之間差異顯著（P＜0.05）；0～20 cm 土層的穩(wěn)滲速率大小依次也是混交林（3.92 mm·min-1）＞杉木純林（3.63 mm·min-1）＞馬尾松純林（3.39 mm·min-1），相互之間也差異顯著（P＜0.05）。灌木0～20 cm 土層的初滲速率和穩(wěn)滲速率分別為3.75 和2.33 mm·min-1，只有喬木林初滲速率的61.52%～69.07%和穩(wěn)滲速率的59.44%～68.73%。

表6 0～20 cm 深土層的滲透性能?Table 6 Permeability of the 0-20 cm deep soil layer

3.5 不同類型植被層對降水的截留量

植物冠層對大氣降水的一種反應(yīng)是對降水的截留，這是植被調(diào)節(jié)大氣降水效應(yīng)的重要組成部分。對不同類型植被層的降水截留定量分析，有助于加深了解各類型植被調(diào)蓄水分的功能。2017年全年降水量1 262.6 mm·a-1，喬木林植被層年截留量多少依次為混交林（150.06 mm·a-1，截留系數(shù)11.88%），杉木純林（126.57 mm·a-1，截留系數(shù)10.02%），馬尾松純林（截留量113.45 mm·a-1，截留系數(shù)8.99%）。灌木植被層全年截留量僅16.36 mm·a-1（截留系數(shù)1.30%），分別只有混交林、杉木純林、馬尾松純林的10.90%、12.92%和14.42%。作為對降水截留的作用層，喬木林比灌木叢多了一個將近5 m 厚的林冠層，冠層內(nèi)密集的枝葉對降水截留起著非常重要的作用。從表7可以看出，喬木林林冠層截留的雨量占喬木林植被層（林冠層、灌木草層、凋落物層）截留總量的97.42%～97.84%?？梢?，喬木林植被層截留量大大超過灌木叢。

表7 不同類型林分植被層截留的降水量?Table 7 The amount of rainfall intercepted by the vegetation layers of different stand types

3.6 不同植被類型的地表徑流量

從表8可以看出，混交林地表年徑流量（7.23 mm，地表徑流系數(shù)0.57）比杉木純林（9.76 mm，地表徑流系數(shù)0.77）少25.92%，也比馬尾松純林（11.28 mm，地表徑流系數(shù)0.89%）少35.90%。灌木叢地表年徑流量（32.74 mm，地表徑流系數(shù)2.59%），分別是混交林、杉木純林、馬尾松純林的4.53、3.35 和2.90 倍。研究結(jié)果表明，喬木林減少地表徑流的能力比矮小灌木叢強，層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜的植被類型減少地表徑流的能力比層次簡單的植被類型強。

表8 不同植被類型的地表徑流量?Table 8 Surface runoff of different vegetation types

4 結(jié)論與討論

4.1 討 論

植被層的水量是植物組織所含的水量。植物種類不同，其組織含水量有所差別但不至于相差太大，而喬木林植物層中的水量顯著高于灌木叢，主要是因為12年生喬木林生物量是矮小灌木生物量的5.8～6.6 倍（表3）。

灌木植被層持水能力只有喬木林的19.88%～31.18%，因為植被層的持水能力主要依靠植物組織持水才能體現(xiàn)，而植物組織的多少與其生物量有關(guān)，矮小灌木叢生物量只有喬木林生物量的15.50%～17.24%，導(dǎo)致灌木植被層持水能力比喬木林差。然而，植被層持水能力并不全由其生物量決定，植物組織的有機組成也決定其持水能力的大小。如馬尾松純林生物量比杉木純林多14.98%，但馬尾松林植物組織的持水能力卻比杉木林低2.33%；又如馬尾松與檸檬桉混交林生物量比馬尾松林的少2.52%，但是其植物組織的持水能力反比馬尾松林高19.51%。因為馬尾松植物組織的酯類物質(zhì)高于檸檬桉和杉木，由此導(dǎo)致馬尾松植物組織吸水性能低于杉木和檸檬桉。

灌木叢土壤中水量比喬木林少。因為喬木林冠層的重疊枝葉層層阻攔和吸收輻射能流，極大地減少到達林內(nèi)地面的輻射量。與喬木林相比，到達灌木叢地表的輻射量則多許多，強大的輻射能吸引灌木叢土壤水分向地表面運動蒸發(fā)掉，造成土壤中水分減少。

土壤孔隙度是土壤物理性質(zhì)的一項重要指標，直接影響著土壤的透水、蓄水和通氣性能。土壤中孔隙度的形成與凋落物腐爛后形成腐殖質(zhì)和樹木根系在土壤穿插活動有關(guān)。喬木林土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度大于灌木。這是兩種原因造成的，首先喬木林地表凋落物量，凋落物分解后腐殖質(zhì)比灌木多，其次，灌木在土壤中根系密集程度、分布深度及根系在土壤中生長過程中的穿插作用遠不及喬木林?；旖涣滞寥揽紫抖却笥谏寄竞婉R尾松純林，因為純林地表枯死物成分較為單一而混交林地的較為豐富，枯死物腐殖質(zhì)有機質(zhì)含量越豐富對土壤改良作用越大，從而導(dǎo)致混交林土壤孔隙度大于純林。馬尾松純林土壤孔隙度比杉木純林大，究其原因除了枯死物中有機成分不同外，還可能是杉木是淺根系樹種而馬尾松是深根系樹種，杉木根系在土壤中活動的橫向與縱向范圍不及馬尾松。

喬木林的土壤持水力大于灌木地。土壤持水力的大小取決于毛管孔隙度，喬木林土壤孔隙度比灌木大，導(dǎo)致土壤持水力比灌木大。此外，土壤持水力的大小還取決于毛管孔徑大小，毛管孔徑越小，毛管力越大，其持水力越強。馬尾松和混交林都是深根系樹種，這些樹種根系在土壤中的生長過程中對接觸其土壁的擠壓作用比淺根系樹種杉木大。根系對接觸其土壁的擠壓使原來土壤一些毛管孔徑也因擠壓作用而縮小，其毛管力增大，持水力增強，這是馬尾松及混交林土壤的持水力比杉木林大的一個重要原因。

喬木林0～20 cm 土層滲透性能高于灌木，這是因為：1）喬木根系在土壤中伸展、穿插和疏松土壤的作用比灌木大，這種疏松作用使土壤內(nèi)形成了縱向和橫向的水分傳輸網(wǎng)絡(luò)，增強了土壤的滲透性能；2）喬木林地枯死物量比灌木地多，枯死物分解后給土壤表層補充的腐殖質(zhì)也比灌木多，改善了喬木林表土層的土壤結(jié)構(gòu)，提高了土壤的入滲性能；3）喬木林根系比灌木發(fā)達，根系分泌物也比灌木多。根系分泌物可作為有機膠結(jié)劑，有利于土壤團?；男纬?，可降低變濕速率提高土壤滲透性能[24-25]；4）喬木林表土層枯死腐爛的根系多于灌木，根系枯死腐爛后在土壤中形成連續(xù)的大孔隙，這些大孔隙容易讓水分和溶質(zhì)順利通過，提高了土壤的滲透性能。

杉木林冠截留量比馬尾松林多。林冠截留與樹木冠形有關(guān)，杉木枝條較為緊密且向上伸展的塔形，而馬尾松枝條伸展較為平坦，枝條的緊密性不如杉木，導(dǎo)致馬尾松林截留能力弱于杉木林。混交林冠層的截留量大于純林。混交林中大氣降水首先被桉樹冠層截取，透過桉樹冠的雨水遇到下面的馬尾松樹冠時再一次被截留，這種層層截留提高了混交林復(fù)合冠層的截留效應(yīng)。

雖然有學(xué)者認為對地表年徑流量影響最顯著的是灌木層和草本層的現(xiàn)存量以及地表枯死物量[26]。本研究結(jié)果并非完全如此，如馬尾松純林灌木層和草本層的現(xiàn)存量稍大于杉木純林，枯死物量比杉木純林多15.55%，但地表年徑流量卻比杉木純林大15.57%。因為與杉木純林相比，馬尾松純林枯死物大多屬于含酯類物質(zhì)較多及吸水性能較差的物質(zhì)?？梢?，死地被物對地表徑流的調(diào)節(jié)作用不僅取決于死地被物的數(shù)量或厚度，還取決于其吸水性能。此外，本研究中灌木叢的灌木層和草本生物量是喬木林林下灌木和草本的9.11%～10.57%，但地表徑流是喬木林的190.00%～353.00%，獨立的灌木草本群落降低地表徑流的作用遠不及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的森林群落。植被對地表徑流的調(diào)節(jié)作用是植物內(nèi)部各因子綜合作用的結(jié)果，只有在完整的喬木層和良好的土壤條件等因素的配合下，灌木草本層降低地表徑流的作用才能充分顯示出來。

本研究將植被系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)與土壤特征與森林水文學(xué)過程聯(lián)系起來探討不同類型植被系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)能力，由于研究涉及面廣，本文仍存在不足的地方。如不同植被系統(tǒng)持水能力不同的深層原因，不同類型土壤調(diào)蓄水分功能差異的根本原因等需要進一步深入探討。單一的植被覆蓋度指標不能完全反映植被水土保持功能的差異，植被系統(tǒng)的水土保持功能受諸多因子制約，對于水土保持功能綜合性評價指標的研究也應(yīng)是未來的重點之一。今后更應(yīng)針對不同水土流失區(qū)的自然條件研究當(dāng)?shù)刈罴训乃帘３种脖活愋图昂侠淼娜郝浣Y(jié)構(gòu)、配置模式和營造方式，這樣才能為水土流失地生態(tài)環(huán)境重建和植被恢復(fù)提供決策依據(jù)。

4.2 結(jié) 論

1）植被系統(tǒng)土層儲存水量喬木林顯著高于灌木叢，混交林多于純林。

2）植被層持水能力混交林優(yōu)于純林，喬木林大于灌木叢。植被層持水能力不僅取決于植物生物量，植物組織的有機組成也決定著其持水能力的大小。

3）從土壤最大持水力、最小持水力、毛管持水力和貯水力方面來看，灌木叢遠不如喬木林，混交林大于純林，馬尾松純林大于杉木純林。0～20 cm 土層的初滲和穩(wěn)滲速率，混交林大于純林，杉木純林大于馬尾松純林，喬木林大于灌木叢。在促進土壤發(fā)育和改善土壤物理性能方面喬木林的作用遠遠超過灌木叢。

4）從截留降水的能力來看，灌木叢弱于喬木林，純林弱于混交林，馬尾松純林弱于杉木純林。林冠截留能力與樹木冠形和林冠層空間結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，混交林的復(fù)合冠層優(yōu)于結(jié)構(gòu)單一的純林冠層。

5）喬木林減少地表徑流的能力比矮小灌木叢強，層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜的植被類型比層次簡單的植被類型強。