1、1鹰嘴界自然保护区不同植被类型土壤水源涵养功能研究 张展，王忠诚，周亮（中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004）摘 要：本文对鹰嘴界自然保护区阔叶林、杉木毛竹混交林和杉木林的土壤容重、孔隙度、蓄水性能以及渗透性能等进行了研究。结果表明，不同林分类型土壤容重和土壤孔隙度（0-45cm）差异较大，容重大小依次为：杉木毛竹混交林杉木林阔叶林；非 毛管孔隙度的大小为：杉木林杉木毛竹混交林阔叶林；毛管孔隙度的大小为：阔叶林杉木毛竹混交林杉木林；总孔隙度的大小为：杉木林阔叶林杉木毛竹混交林。土壤有效蓄水量大小顺序为：杉木林杉木毛竹混交林阔叶林；最大蓄水量为：阔叶林杉木林杉木毛竹混交林；稳渗速度
2、为：阔叶林杉木林杉木毛竹混交林。该研究结论对鹰嘴界自然保护区水源涵养林建设实践具有一定的参考价值。关键词：水源涵养；林分类型；孔隙度；鹰嘴界自然保护区 Study on water conservation function of soil of different forest types in Ying Jiezui nature reserveZHANG Zhang,WANG Zhong-cheng,ZHOU Liang（School of Forestry,Central South University of Forestry and Technology,Changsha41000
3、4,Hunan:China）Abstract：soil bulk density, soil porosity, water-holding capacity and permeability of the forest land for broad leaf forest, Chinese fir forest and the mixed forest of Chinese fir and Moso bamboo in Ying Jiezui nature reserve were studied. Results indicate that there exist obvious diff
4、erences in soil bulk density and soil porosity among different forest types. The soil bulk density of the mixed forest of Chinese fir and Moso bamboo is the biggest and that of broad leaf forest is the smallest; the non-capillary porosity of Chinese fir forest is the biggest and that of broad leaf f
5、orest is the smallest; the capillary porosity of broad leaf forest is the biggest and that of Chinese fir forest is the smallest; the total porosity of broad leaf forest is the biggest and that of Chinese fir forest is the smallest. The effective soil water storage of Chinese fir forest is the most
6、while that of broad leaf forest the least; the maximum water storage of broad leaf forest is the most while that of the mixed forest of Chinese fir and Moso bamboo the least; the stable permeability rate of broad leaf forest is the biggest while that of the mixed forest of Chinese fir and Moso bambo
7、o the smallest. These conclusions above are of certain reference value toward the construction of water conservation forest in Ying Jiezui nature reserve.Key words：soil and water conservation; forest types; soil porosity; Ying Jiezui nature reserve项目基金：湖南省森林生态公益林效益监测与评价（2130209）作者简介：张 展（1987-） ，男，湖南
8、长沙人，硕士研究生，方向：林业生态工程通讯作者：王忠诚（1970-） ，男，湖南新宁人，副教授 /硕导，E-mail:2森林的水源涵养功能是森林生态服务功能的重要功能之一，不同的森林类型由于其生态学特征性的差异，其林分整体水源涵养功能存在一定的差异 1-4。森林土壤是森林最大的贮水库和水分调节器 5，是降雨继林冠层、灌草层和枯落物层截留后的第四个主要作用层。从土壤层来研究会同鹰嘴界自然保护区阔叶林、杉木毛竹混交林和杉木林等 3 种林下土壤的水源涵养功能，并对其进行综合评价，以期为湖南省尤其是湘西自然保护区水源涵养林建设提供依据。1 试验地概况湖南省会同县鹰嘴界国家级自然保护区位于湖南雪峰山脉西
9、支南端，会同县中东部，距会同县城 25km。地理坐标为东经1094910958，北纬 26462659，保护区南北长 20.4km，东西宽 10.6km，总面积 159km2。保护区地貌属于中低山山区，峭壁悬崖较多，山不高而山坡陡峭，坡不长而坡度大，坡度一般在 30以上，多见 45以上急陡坡。海拔一般在 350700m 之间。该区属于亚热带湿润气候，平均气温 13.416.6，年均降水量 1453mm，无霜期 303d，有雾日55d，年日照数 1462.7h。本研究标准地林下植被以乌药Lindera aggregata（ Sims）Kosterm、芒萁(Dicranopteris linear
10、is)、淡竹叶(Lophatherum gracile Brongn)、鳞毛蕨(Dryopteridaceae)、栀子(Gardenia jasminoides)等为主。2 研究方法2.1 标准地选择与设置根据线路调查和典型调查相结合的方法，本文研究选择阔叶林、杉木毛竹混交林、杉木林这 3 种植被类型，并分别建立面积为 667标准样地，在各标准地内进行每木检尺，用测高器、测杆、围尺、皮尺等常规仪器分别测定树高、胸径、冠幅等因子，并记录其坡度、坡向、郁闭度等指标。各标准样地基本情况见表 1。表 1 各标准样地基本情况Tab.1 The basic information of standard
11、plot植被类型 坡度()坡向 平均树高 （m） 平均胸径 （ cm） 郁闭度 海拔（m）阔叶林 32 东南 9.4 10.7 0.9 360杉木毛竹混交林 30 南 15 27.6 0.7 279杉木林 30 西南 8.4 10.7 0.6 3292.2 土壤调查与测定在标准地内选择具有代表性的地点，挖掘土壤剖面进行观测记录，用环刀和铝盒分别采集 0-15cm，15-30cm，30-45cm 土层土样，根据常规分析方法 6，测定土壤容重、孔隙度、毛管持水量、最大持水量和土壤渗透性等指标。2.3 森林土壤蓄水量的测定森林土壤蓄水量的测定公式 6-8：土壤最大蓄水量（t/hm 2）=1.0g/c
12、m310000m2土壤总孔隙度（%）土壤深度（m） ；土壤有效蓄水量（t/hm 2）=1.0g/cm 310000m2土壤非毛管孔隙度（%）土壤深度（ m） 。3 结果与分析3.1 不同植被类型土壤物理性质特征土壤物理性质是森林土壤的基本特征，是林分土壤水源涵养功能的重要指标之一。土壤物理性质主要包括土壤容重、各种孔隙度（毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度）等。自然保护区内不同植被类型森林土壤的物理性质如表 2。3表 2 不同植被类型土壤的物理性质Tab.2 The physical properties of soil in different vegetation types植被类型 土壤
13、厚度 cm 有机质gKg-1土壤容重gcm-3毛管孔隙度%非毛管孔隙度% 总孔隙度%0-15 42.23 1.06 37.24 10.44 47.6815-30 37.11 1.31 42.79 5.45 48.2430-45 28.52 1.27 41.80 5.37 47.17阔叶林平均值 35.95 1.21 40.61 7.09 47.700-15 47.35 1.23 34.56 13.27 47.8315-30 41.59 1.47 36.03 5.46 41.4930-45 30.71 1.49 37.45 4.90 42.36杉木毛竹混交林平均值 39.88 1.40 36.0
14、1 7.88 43.890-15 40.95 1.25 40.35 14.89 55.2315-30 32.63 1.28 32.29 12.79 45.0830-45 17.92 1.33 33.33 8.95 42.28杉木林平均值 30.50 1.29 35.32 12.21 47.533.1.1 土壤容重变化分析土壤容重的数值大小，受土壤质地、结构、有机质含量以及松紧度的影响。土壤疏松多孔或者有大量孔隙的，容重值小，反之土壤紧实少孔的则容重大。测定结果表明，3 种植被类型林地土壤容重值的范围为 1.061.49g/cm3，平均值为 1.31 g/cm3。其中阔叶林（1.21g/cm 3
15、） 、杉木毛竹混交林（1.40 g/cm 3） 、杉木林（ 1.29g/cm3） 。00.20.40.60.811.21.41.60 15 30 45土 层 深 度 cm容重g/cm3阔 叶 林 杉 木 毛 竹 混 交 林 杉 木 林图 1 不同植被类型土壤容重变化Fig.1 Volume weight changes of soil in different vegetation types由表 2 及图 1 可以看出，各种林分植物根系活动和枯落物的分解等作用使林地各层土壤结构得到明显的改善，阔叶林和杉木毛竹混交林土壤结构的改善尤其明显。由于杉木和毛竹根系分布较浅使土壤容重随着深度的增加逐渐
16、变大。阔叶林土壤容重在底土层有所变小，这主要是由阔叶树的根系分布较深所致。3.1.2 土壤孔隙度特征分析土壤孔隙的数量、大小和分布是土壤物理性质的基础，也是评价土壤结构特征的重要指标。土壤毛管孔隙度越大,土壤蓄水能力越强。土壤非毛管孔隙是土壤重力水移动的主要通道，其数量的多少直接影响土壤蓄水能力和调节水分功能的强弱 9。研究发现,土壤总孔隙度在 50%左右,其中非毛管孔隙占 1/52/5 时,土壤的通气性、透水性和持水能力比较协调 10。0.002.004.006.008.0010.0012.0014.0016.000 15 30 45土 层 深 度 cm非毛管孔隙度%阔 叶 林 杉 木 毛
17、竹 混 交 林 杉 木 林图 2 不同植被类型土壤非毛管孔隙变化Fig.2 Noncapillary porosity changes of soil in different vegetation types从表 2 及图 2 可见，土壤各层的非毛管孔隙度变化趋势与土壤容重的变化恰恰相反。3 种不同植被类型土壤非毛管孔隙度的大小顺序表现为杉木林（12.21% ）杉木毛竹混交林（7.88%）阔叶林（ 7.09%） ；毛管孔隙度的大小顺序表现为阔叶林4（40.61%）杉木毛竹混交林（ 36.01%）杉木林（35.32%） ；总孔隙度的大小顺序表现为杉木林（47.53%）阔叶林（ 47.70%）杉
18、木毛竹混交林（43.89%） ，由此可知，3 种植被类型对土壤孔隙的改变效果都比较明显，增加了林地的通透性和各种孔隙数量，从而提高了水源涵养能力。总的来说，在所研究的 3 种植被类型中阔叶林和杉木毛竹混交林土壤容重和非毛管孔隙度的变化比杉木林明显，但杉木林非毛管孔隙度在土壤各层次都高于其他两种植被类型。3.2 不同植被类型土壤蓄水特征林地土壤对于水源涵养的功能方面基本可以表现在两个方面，即土壤层对水分的静态蓄水能力（持水性能）和动态调节水分能力（渗透性能） 11。3.2.1 土壤静态蓄水特征分析土壤是森林生态系统中的水分储藏场所和调节器，在土层厚度一致的条件下林地土壤的蓄水性能取决于土壤孔隙度
19、的大小和组成，评价林地土壤蓄水能力主要以最大蓄水量和有效蓄水量为指标。最大蓄水量是毛管水和非毛管水均达到饱和时土壤的蓄水量。毛管水供植物根系吸收和林地蒸发，只做垂直运动。非毛管水在重力的作用下不仅可以上下垂直运动，还可做横向渗透，通常把这部分非毛管水量作为有效蓄水量 12。鹰嘴界自然保护区内 3 种植被类型土壤蓄水量如表 3。表 3 不同植被类型土壤蓄水量Tab.3 The water-retaining capacity of soil in different vegetation types土壤有效蓄水量thm-2土壤最大蓄水量thm-2植被类型 土壤厚度 cm 毛管持水量 mm分层 合
20、计 分层 合计0-15 55.86 156.60 715.2215-30 64.19 81.75 723.65阔叶林30-45 66.41 80.55318.90707.552146.420-15 51.84 198.98 717.4015-30 54.04 81.90 622.31杉木毛竹混 交林30-45 56.18 73.57354.45635.341975.050-15 60.52 223.28 828.4615-30 48.43 191.85 676.14杉木林30-45 50.00 134.25549.38634.252138.85从表 3 可以看出，一方面 3 种植被类型土壤有效
21、蓄水量都存在垂直方向的差异，均随土层深度的增加而减小；另一方面 3种植被类型土壤的有效蓄水量也有一定的差异，杉木林（549.38 t/hm2）最好，其次为杉木毛竹混交林（354.45 t/hm2） ，阔叶林（318.90 t/hm2）最差，主要原因是由于杉木林非毛管孔隙度比较高。阔叶林最大蓄水量和杉木林相接近，大小相差 7.57 t/hm2，其大小顺序是：阔叶林（2146.42 t/hm2）杉木林（2138.85 t/hm2）杉木毛竹混交林（1975.05 t/hm 2） 。3.2.2 土壤动态调节水分特征分析土壤层的动态调节能力主要是指土壤的渗透性能，土壤入渗速率调节者进入土壤、保存于地表面
22、或产生地表径流的水量。渗透性能良好的林地土壤能够使降水在土壤内进行合理再分配，从而减少土壤侵蚀。土壤渗透性能取决于土壤的物理性质，主要表现在土壤质地、孔隙度和结构等方面13。渗透速率越大，说明降水后大部分雨水很快通过非毛管孔隙转为地下水，不易形成地表径流，使得林地内水土得到有效控制，土壤调洪蓄水能力得到增强。土壤渗透能力大小通常用换算为 10时的土壤稳渗系数 K10 来表示。不同植被类型林地土壤渗透性能如表 4。5表 4 不同植被类型土壤渗透性能Tab.4 Soil water infiltration properties in different vegetation types渗透速度m
23、mmin-1渗透系数mmmin-1植被类型 土壤厚度 cm初渗 稳渗 初渗 稳渗0-15 10.68 5.75 5.04 2.7115-30 8.15 4.32 3.84 2.04阔叶林30-45 7.28 3.74 3.43 1.770-15 6.11 1.12 2.76 0.5115-30 1.43 0.91 0.65 0.41杉木毛竹混交 林30-45 1.40 1.46 0.64 0.660-15 8.38 5.31 4.01 2.0915-30 5.26 3.05 2.52 1.39杉木林30-45 4.54 1.02 1.92 0.62从不同植被类型土壤表层水分入渗特征比较来看，阔
24、叶林得稳渗率最高为 5.75 mm/min，其次分别为杉木林、杉木混交林，依次为 5.31 mm/min、1.12 mm/min。不同植被类型初渗、稳渗阶段的渗透速度和渗透系数基本趋势为随着土层深度递减，杉木毛竹混交林土壤出现下层稳渗大于上层，其原因肯能是人为干扰和土壤含石量，某些样地土壤深层石砾含量较多使渗透率相对增大。4 结论（1）不同植被类型的土壤容重和土壤孔隙度差异比较明显，且土壤容重随土壤深度的增加而不断增加，土壤总孔隙度与土壤容重变化恰恰相反。3 种不同植被类型平均土壤容重差别不大，其中杉木毛竹混交林平均土壤容重最大（1.40g/cm 3） ；杉木林（12.21%）土壤平均非毛管孔
25、隙度是阔叶林（7.09%）和杉木毛竹混交林（7.88% ）的 1.6 倍；土壤平均总孔隙度为：阔叶林（47.70%）杉木林（ 47.53%）杉木毛竹混交林（43.89%） 。在立地相似条件下，综合来看 3 种植被类型中杉木林的土壤物理性质较好。（2）土壤水源涵养潜力占林地水源涵养潜力比重大，林地土壤水源涵养潜力与各林分土壤物理性质指标关系很大。从土壤的有效蓄水量和最大蓄水量两方面来看，3 种不同植被类型的有效蓄水量为：杉木林（549.38 t/hm2）杉木毛竹混交林（354.45 t/hm 2）阔叶林（318.90 t/hm 2） ；最大蓄水量为：阔叶林（2146.42 t/hm2）杉木林（2
26、138.85 t/hm2）杉木毛竹混交林（1975.05 t/hm 2） 。（3）由结论（1）和结论（2）显然可见，土壤的物理性质决定了土壤水源涵养能力。从土壤渗透速率来看，3 种林地的平均土壤稳渗速度为：阔叶林（4.60 mm/min）杉木林（3.13 mm/min）杉木毛竹混交林（1.16 mm/min） ，阔叶林分别是杉木林和杉木毛竹混交林的 1.47 倍和3.97 倍，这与林分植被的根系分布、土壤的物理性质和人为干扰有密切关系。总体来看，3 种植被类型土壤水源涵养功能排序为：阔叶林杉木林杉木毛竹混交林。参考文献：61 姜志林.森林生态系统蓄水保土的功能J.生态学杂志,1984(6):5
27、8-63.2 张国防,童美坤,曾建荣,等.闽江流域洪灾与森林生态环境的研究:I.闽江流域洪灾成因与森林的水文效应J.福建林业科技,2000,27(1):45-66.3 陈卓梅,郑郁善,黄先华,等.秃杉混交林水源涵养功能的研究J.福建林学院学报,2002,22(3):266-269.4 巍强,张秋良,代海燕,等.大青山不同林地类型土壤特性及其水源涵养功能J.水土保持学报,2008,22(2):111-115.5 高甲荣.长江上游亚高山暗针叶林林地水文作用初探J.北京林业大学学报,2002,24(4):75-79.6 中华人民共和国林业行业标准. LY/T 1210-1275 森林土壤分析方法S.
28、国家林业局发布,1999.7 彭明俊,郎南军,温绍龙,等.金沙江流域不同林分类型的土壤特性及其水源涵养功能研究J.水土保持学报,2005,19(6):106-109.8 任海.小良热带人工混交林的枯落物及其生态效益研究J.应用生态学报,1998,9(5):458-462.9 王燕,王兵,赵广东,等. 江西大岗山 3 种林型土壤水分物理性质研究J.水土保持学报,2008,20(1):151-153.10 魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术M.北京:气象出版社,1999:106-113.11 陈礼光,郑郁善,林金国等.突脉青冈林分水文效应研究J.福建林学院学报,1999,19(2):170-173.12 罗宁,孙桂英,刘桂华.不同人工林土壤水分含蓄量的初步研究J.安徽农业科学,1999,(4):353-355.13 吴长文,王礼先.林地土壤孔隙的贮水性能分析J.水土保持研究,1995,2(1):76-79.
