柳思勉, 田大倫, 項(xiàng)文化, 閆文德, 劉云國(guó),*, 胡新將

1 湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410082 2 環(huán)境生物與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖南大學(xué)), 長(zhǎng)沙 410082 3 中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410004

間伐強(qiáng)度對(duì)人工杉木林地表徑流的影響

柳思勉1,2, 田大倫3, 項(xiàng)文化3, 閆文德3, 劉云國(guó)1,2,*, 胡新將1,2

1 湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410082 2 環(huán)境生物與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖南大學(xué)), 長(zhǎng)沙 410082 3 中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410004

在湖南會(huì)同生態(tài)站的人工杉木林集水區(qū)，對(duì)比研究了不同間伐強(qiáng)度對(duì)地表徑流影響。結(jié)果表明：降雨量大小是形成地表徑流的主要原因，即地表徑流隨降雨量上升而增大。在不出現(xiàn)大暴雨及特大暴雨的情形下，間伐樣地產(chǎn)生的地表徑流比對(duì)照樣地小，其中，30%的間伐強(qiáng)度更利于減小地表徑流。通過(guò)對(duì)不同月份的降雨量與地表徑流的關(guān)系研究，證明了單次降雨量，而非降雨總量，才是導(dǎo)致地表徑流形成的主要原因。通過(guò)地表徑流與林下植被、土壤特性的多元相關(guān)分析可知，地表徑流與枯落物量、灌木草本層蓋度、土壤非毛管孔隙、水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體粒徑呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤容重呈顯著正相關(guān)。間伐正是通過(guò)改變上述因子而增強(qiáng)了水土保持能力，減小了地表徑流的形成。在人工杉木林條件下和間伐強(qiáng)度范圍內(nèi)，30%的間伐強(qiáng)度下的影響更顯著，更有助于減小地表徑流。

間伐強(qiáng)度; 地表徑流; 杉木林; 降雨量; 林下植被; 土壤

湖南會(huì)同林區(qū)是我國(guó)著名的杉木中心產(chǎn)區(qū)，屬中亞熱帶氣候，為云貴高原向長(zhǎng)江中下游過(guò)渡地帶。森林在保護(hù)區(qū)域生物多樣性、維持土壤肥力、碳吸存、水源涵養(yǎng)等生態(tài)服務(wù)功能方面起著十分重要的作用。特別是其水源涵養(yǎng)功能一直是社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)[1- 2]。地表徑流行為是衡量森林保持水土、涵養(yǎng)水源的重要指標(biāo)[3]，其影響因素很多，可概括為降雨和環(huán)境因素兩類。降雨因素包括降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)和降雨量；環(huán)境因素包括地質(zhì)、土壤、地形和植被等，它們的綜合作用影響著徑流形成[4]。間伐作為主要營(yíng)林措施，對(duì)森林土壤和林下植被生長(zhǎng)有著顯著影響[5- 6]，Gundale[5]等研究發(fā)現(xiàn)，間伐能顯著增加土壤中有機(jī)和無(wú)機(jī)N的含量，促進(jìn)林下植被的生長(zhǎng)；冉然等[6]亦發(fā)現(xiàn)，間伐加快了土壤中有機(jī)質(zhì)的分解，使土壤速效養(yǎng)分增加，從而提高了林地土壤肥力。成向榮等[7]認(rèn)為，林分間伐后郁閉度降低，林下光照增強(qiáng)，地表植物覆蓋度增加。因此，間伐可以通過(guò)改變上述因素，進(jìn)而影響地表徑流形成。對(duì)此已有較多研究[8- 10]，但只是分析了單一間伐強(qiáng)度的情況，很少研究不同間伐強(qiáng)度的影響。因此，本文以湖南會(huì)同縣人工杉木林為對(duì)象，從降水因素和間伐強(qiáng)度對(duì)林下植被及土壤影響的兩個(gè)方面，分析不同間伐強(qiáng)度下的地表徑流形成和發(fā)展過(guò)程，旨在揭示間伐強(qiáng)度對(duì)人工杉木林水土保持能力的影響。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)設(shè)在中南林學(xué)院的國(guó)家林業(yè)局會(huì)同杉木林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，該站為國(guó)家重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，地理位置為東經(jīng)109°45′，北緯26°50′。海拔270—400 m，相對(duì)高度在150 m以下。屬典型的亞熱帶濕潤(rùn)性氣候，年均氣溫16.8 ℃，年均相對(duì)濕度80%以上，年降水量1100—1400 mm。土壤系震旦紀(jì)板溪系灰綠色板巖發(fā)育的山地黃壤，非常適合杉木生長(zhǎng)。生態(tài)站的8個(gè)試驗(yàn)集水區(qū)的自然地理狀況基本相似，彼此相距不超過(guò)100 m。本次試驗(yàn)在生態(tài)站I，IV，V號(hào)集水區(qū)進(jìn)行，其中I號(hào)集水區(qū)為長(zhǎng)期定位觀測(cè)的對(duì)照試驗(yàn)；IV號(hào)和V號(hào)集水區(qū)為間伐強(qiáng)度分別為15%和30%的試驗(yàn)。三個(gè)集水區(qū)的面積均約為2 hm2，立地類型以山谷為主。間伐年為1996年，距本調(diào)查年(2006年)10年。2006年不同間伐強(qiáng)度下樣地的林分概況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)林分的基本狀況

2 材料與方法

2.1 降水量和徑流量的測(cè)定

在集水區(qū)山坡和山洼建立觀測(cè)鐵塔(高于林冠)，上置一臺(tái)SL-I型遙測(cè)雨量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)雨量筒測(cè)定降水。在集水區(qū)出口地表水測(cè)流堰安裝SW40型日記水位計(jì)，自動(dòng)記錄地表水并推算地表徑流量。

2.2 林下植被生物量和枯落物生物量的測(cè)定

采用全收獲法測(cè)定林下植被生物量。分別稱量和記錄樣方內(nèi)灌木和草本各部分的鮮質(zhì)量，并分別對(duì)灌木的葉、枝莖、根和草本的地上部分、地下部分取樣，然后盡快帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定含水率。最后推算出每塊樣地的林下植被平均生物量。將各組樣品先稱量，然后置于105 ℃烘箱中進(jìn)行30 min殺青處理，然后將烘箱溫度調(diào)至80 ℃烘干至恒量，計(jì)算含水率，換算成干質(zhì)量。

在集水區(qū)Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ號(hào)的樣地內(nèi)，選取3個(gè)1 m × 1 m 的樣方，并按未分解、半分解層收集枯落物，現(xiàn)場(chǎng)記錄厚度并稱鮮重，取樣后室內(nèi)常規(guī)(105 ℃)烘干，稱重后計(jì)算其干重和自然含水率，最后計(jì)算出單位面積枯落物量。

2.3 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定

在集水區(qū)Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ號(hào)的樣地內(nèi)，選取3個(gè)20 cm × 20 cm樣方，在0—20 cm均勻取樣1 kg 左右，裝入密封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行土壤理化性質(zhì)分析。采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重和毛管孔隙度，而土壤總孔隙度和非毛管孔隙度采用如下公式估算[11]：

Pt=93.947-32.995m1

P=Pt-Pc

式中,m1為土壤容重(g/cm3)；Pt為土壤總孔隙度(%)；P為土壤非毛管孔隙度(%)；Pc為土壤毛管孔隙度(%)。

水穩(wěn)性團(tuán)聚體用ZZY-II土壤團(tuán)粒分析儀測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀法測(cè)定；速效N、P、K含量分別用堿解擴(kuò)散法、鉬銻抗比色法、乙酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測(cè)定。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同間伐強(qiáng)度下降雨量等級(jí)對(duì)地表徑流的影響及地表徑流月變化

根據(jù)國(guó)家防辦《防汛手冊(cè)》，以24 h累積降水量，將會(huì)同生態(tài)站的2006年降雨分為6個(gè)等級(jí)：小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨。不同月份的降雨量特征如表2所示。2006年的年均降水量為1432.4 mm(表2)，其中小雨的降水次數(shù)達(dá)87次，主要分布在1—3月，11—12月；中雨則分布較均勻，基本每個(gè)月份均有；而大雨以上的等級(jí)則基本分布在5—8月。

各降雨等級(jí)和間伐強(qiáng)度下的地表徑流響應(yīng)見(jiàn)表3。由表3可知，降雨是影響地表徑流的重要因素，地表徑流量隨著降雨等級(jí)增大而增大。在小雨情況下，3種不同間伐強(qiáng)度集水區(qū)均沒(méi)地表徑流產(chǎn)生；中雨時(shí)，地表徑流在對(duì)照集水區(qū)為1.8 mm，間伐15%集水區(qū)為1.2 mm，間伐30%集水區(qū)僅產(chǎn)生了0.7 mm。在暴雨情況下，對(duì)照集水區(qū)產(chǎn)生地表徑流高達(dá)15.9 mm，間伐15%的集水區(qū)為10.5 mm，約為對(duì)照的60%；間伐30%的集水區(qū)為4.2 mm，僅為對(duì)照的30%。由此推斷，間伐利于減輕形成地表徑流，且在目前研究的間伐強(qiáng)度范圍內(nèi)以30%的效果更大。但隨著降雨等級(jí)繼續(xù)增大，特別是特大暴雨時(shí)，間伐和對(duì)照集水區(qū)均產(chǎn)生了較多地表徑流。相似的結(jié)果也可從地表徑流系數(shù)看出，隨著降雨等級(jí)增大，對(duì)照集水區(qū)的徑流系數(shù)逐漸增大；而間伐集水區(qū)的增長(zhǎng)緩慢，只有大暴雨及特大暴雨情況下才會(huì)較高，且間伐30%時(shí)增長(zhǎng)最緩慢。

表2 會(huì)同生態(tài)站2006年的降水強(qiáng)度分布特征

表3 不同降雨等級(jí)和間伐強(qiáng)度下的地表徑流響應(yīng)

進(jìn)一步擬合了次降雨量(X，mm)和杉木林地表徑流量(Y，mm)的關(guān)系，相關(guān)較好，關(guān)系式分別為：

對(duì)照

Y=0.0005X2+ 0.2018X-1.19163R2=0.9828

(1)

15%間伐

Y=0.0009X2+ 0.1017X-1.1393R2=0.9867

(2)

30%間伐

Y=0.0014X2-0.0435X+ 0.4817R2=0.9917

(3)

從次降雨量和地表徑流的擬合曲線(圖1)可清楚看到，地表徑流隨降雨量增大而增大。只要不出現(xiàn)大暴雨及特大暴雨，間伐處理的地表徑流比對(duì)照就明顯小很多。因此認(rèn)為，間伐可在一定程度上削弱地表徑流形成，利于水土保持。李素艷等[12]在江西大崗山人工杉木林得出了同樣結(jié)論。

圖1 次降雨量與地表徑流的相關(guān)關(guān)系Fig.1 Relation of rainfall and overland flow in rainfall event scale

圖2 降雨量與地表徑流量月變化曲線Fig.2 Monthly changes of rainfall and overland flow

為進(jìn)一步研究間伐強(qiáng)度的影響，分析了地表徑流的月動(dòng)態(tài)變化。在旱季(1—3月、11—12月)，主要以小強(qiáng)度降水(小雨，中雨)為主(表2)，相應(yīng)的幾乎沒(méi)有地表徑流產(chǎn)生(圖2)。小雨有利于水分下滲，加上林地凋落物阻截，因此不易形成地表徑流[13]。在雨季(4—10月)，降雨以大雨為主，產(chǎn)生的地表徑流量也較大(圖2)。隨著間伐強(qiáng)度的增大，地表徑流量減小。特別需注意的是，5月份降雨總量(291.3 mm)大于7月份(256.2 mm)，但5月份地表徑流卻小于7月份(圖2)，這可能是降雨等級(jí)不同導(dǎo)致的。5月份雖然降雨次數(shù)和降雨量都高于7月份，但7月份發(fā)生了一次特大暴雨，直接導(dǎo)致了較大地表徑流的形成。

由此進(jìn)一步證明，間伐可減小地表徑流量，利于水土保持，且間伐強(qiáng)度30%的效果更大。此外，引起地表徑流變化的關(guān)鍵是單次降雨量，即降雨等級(jí)，而不是月降雨總量。

3.2 不同間伐強(qiáng)度下的林下植被及土壤特性變化

不同間伐強(qiáng)度下的林下植被生長(zhǎng)狀況見(jiàn)表4。由表4可知，間伐處理的林下植被覆蓋率和生物量明顯增大，物種多樣性有所提高，枯落物量也明顯增多。

在比較間伐和對(duì)照處理的數(shù)據(jù)后可發(fā)現(xiàn)，15%間伐強(qiáng)度下，林下植被生物量增加了786.2 kg/hm2，枯落物量增加了786.2 kg/hm2，蓋度增加了7.7%，物種多樣性增加了0.56；而30%的間伐強(qiáng)度下，林下植被生物量增加了1658.9 kg/hm2，枯落物量增加了1796.4 kg/hm2，蓋度增加了14.9%，物種多樣性增加了0.94。隨著間伐強(qiáng)度提升，增長(zhǎng)幅度增大。這是由于間伐降低了林分郁閉度，使得林內(nèi)光照得到改善，促進(jìn)了林下植被生長(zhǎng)，豐富了林植物多樣性[14]。

不同間伐強(qiáng)度下的土壤理化特性見(jiàn)表5?？梢钥闯觯g伐后土壤物理性質(zhì)改善和元素含量顯著增加。在15%間伐強(qiáng)度下，土壤容重是不間伐的0.87倍，非毛管孔隙度、毛管孔隙度、水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均粒徑、有機(jī)碳含量、速效鉀含量、速效磷含量、速效氮含量分別是不間伐的1.22、1.04、1.28、1.33、1.10、1.46、1.35倍；在30%的間伐強(qiáng)度下，土壤容重是不間伐的0.80倍，其他特性依次是不間伐的1.33、1.10、1.81、1.90、1.24、1.92、2.24倍。

表4 杉木林不同間伐強(qiáng)度下的林下植被和枯落物狀況

表5 杉木林不同間伐強(qiáng)度下土壤理化特性(0—20 cm)

由于各集水區(qū)的地質(zhì)地形條件相似，因此土壤和林下植被生長(zhǎng)情況成為影響地表徑流的關(guān)鍵。為進(jìn)一步了解這些因子與地表徑流的關(guān)系，進(jìn)行了多元相關(guān)性分析，結(jié)果如表6所示。

多元分析表明，地表徑流與枯落物量，灌木草本植物蓋度，土壤非毛管孔隙度，水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體粒徑呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤容重呈顯著正相關(guān)。其中，枯落物量與林下植被生物量，灌木草本植物蓋度、草本植物物種多樣性呈顯著正相關(guān)，與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)。灌木草本植物蓋度則與枯落物量，土壤非毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)，與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤非毛管孔隙度與枯落物生物量、水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體粒徑呈顯著正相關(guān)，與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)。水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體粒徑與枯落物量、灌木草本植物蓋度、土壤非毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)。

表6 地表徑流與林下植被和土壤特性的多元相關(guān)性分析

枯落物層對(duì)土壤蓄水量有顯著影響。在降雨過(guò)程中，枯落物能有效地使土壤免受雨水直接沖擊，同時(shí)還能過(guò)濾出土壤顆粒，防止土壤大孔隙堵塞而減弱水分滲透性能[15]，因此能有效減緩地表徑流、保持水土。大量研究表明，隨著植被覆蓋度增加，土壤侵蝕量減少，地表徑流也隨之減小[16]。土壤非毛管孔隙度增加能減少地表徑流量[17]。團(tuán)聚體穩(wěn)定性在很大程度上影響降雨剝離土壤顆粒的能力，它還影響到土壤結(jié)皮形成，而土壤結(jié)皮能增大徑流[18]。隨著團(tuán)聚體的形成和增大，地表徑流減小。土壤最大持水率與土壤容重呈負(fù)相關(guān)[19]，本研究也發(fā)現(xiàn)，土壤容重越大，孔隙度越小，透水透氣性越差，入滲率越低。

由此可知，正是因?yàn)椴煌g伐強(qiáng)度導(dǎo)致了枯落物量、灌木草本植物蓋度、土壤非毛管孔隙度、水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體粒徑和土壤容重的不同，才形成了不同的徑流特性。由于30%的間伐比15%的間伐對(duì)枯落物量、灌木草本植物蓋度、土壤非毛管孔隙度、水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體粒徑有更大促進(jìn)作用，因此形成地表徑流更少。

4 結(jié)論

(1)單次降雨量大小，即降雨量等級(jí)，是控制形成地表徑流數(shù)量的主要原因。隨著降雨量等級(jí)增加，地表徑流增大。

(2)間伐過(guò)密的杉木人工林，可增加林下植被生物量、枯落物量、灌木草本植物蓋度、土壤非毛管孔隙度、水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體粒徑，并減小土壤容重，從而利于減小地表徑流形成，發(fā)揮保持水土、涵養(yǎng)水源的效益。

(3)在不發(fā)生大暴雨和特大暴雨的情形下，間伐能有效減小地表徑流。在本研究范圍內(nèi)，間伐強(qiáng)度30%時(shí)的減少地表徑流的效果最大。

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The impacts of thinning intensity on overland flow in a Chinese fir plantation

LIU Simian1,2, TIAN Dalun3, XIANG Wenhua3, YAN Wende3, LIU Yunguo1,2,*, HU Xinjiang1,2

1CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China2KeyLaboratoryofEnvironmentalBiologyandPollutionControl(HunanUniversity),MinistryofEducation,Changsha410082,China3FacultyofLifeScienceandTechnology,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China

Thinning can significantly change the biomass and soil properties of forest ecosystems, thus affecting the development of overland flow. To estimate the effects of thinning intensity, overland flow plots were established in a Chinese fir plantation in the Huitong State Ecosystem Research Station. The rainfall intensity results showed that, in the absence of downpours and super rainstorms, the overland flow after thinning was less than that in the control plots. Additionally, the overland flow increased with increasing rainfall intensity. However, during downpours and super rainstorms, there were no significant differences between the thinned and control states. Therefore, we suggest that thinning could significantly reduce overland flow only in the absence of downpours and super rainstorms. Subsequently, we investigated the monthly changes in rainfall and overland flow. During the dry season (from November to March), low precipitation (light and moderate rain) was prominent, and the corresponding overland flow was very low. However, during the rainy season (from April to October), heavy rain was dominant, resulting in a greater overland flow. Although the total rainfall in May was greater than that in July, the corresponding overland flow was lower; this may be explained by increased frequency of super rainstorms in July, directly leading to a greater overland flow. Consequently, it can be concluded that individual rainfall events rather than total rainfall, was the primary reason for the formation of overland flow in the forest ecological system. Moreover, the overland flow decreased with increasing the thinning intensity, and a thinning intensity of 30% was the most effective in reducing the overland flow. The results of an analysis of vegetation and soil properties under different thinning intensities indicated that thinning could significantly increase the growth of undergrowth vegetation as well as improve soil fertility. Thus, the undergrowth and litter biomass, coverage of the undergrowth plant layer, and plant species richness increased to 786.2 kg/hm2, 786.2 kg/hm2, 7.7%, and 0.56, respectively, with 15% thinning intensity, whereas the values increased to 1658.9 kg/hm2, 1796.4 kg/hm2, 14.9%, and 0.94, respectively, with 30% thinning. Thinning promotes faster growth of undergrowth plants by increasing light availability throughout the vegetation structure. Additionally, the noncapillary porosity, capillary porosity, average particle size of the water stability soil aggregate (APSWSSA), organic carbon, rapidly available potassium, rapidly available phosphorus, and rapidly available nitrogen under 15% thinning intensity were, respectively, 1.22, 1.04, 1.28, 1.33, 1.10, 1.46, and 1.35 times the control values, whereas they were 1.33, 1.10, 1.81, 1.90, 1.24, 1.92, and 2.24 times the control values under 30% thinning intensity. The soil bulk density decreased with increasing thinning intensity, from 1.27 to 1.11, and to 1.02 under the control, 15%, and 30% thinning conditions, respectively. The analysis of overland flow, vegetation, and soil factors indicated that leaf litter, coverage, noncapillary porosity, and particle size of water-stable aggregates were significantly negatively correlated with overland flow. In contrast, soil bulk density was significantly positively correlated. Thinning improved soil and water conservation by changing the abovementioned factors. Additionally, under the experimental conditions, 30% thinning intensity had a more significant effect on reducing overland flow.

thinning intensity; overland flow; Chinese fir plantation; rainfall; vegetation; soil

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271332); 湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11JJ2031); 湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012SK2021)

2013- 12- 10;

日期:2014- 11- 03

10.5846/stxb201312102927

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liuyunguo@hnu.edu.cn

柳思勉, 田大倫, 項(xiàng)文化, 閆文德, 劉云國(guó), 胡新將.間伐強(qiáng)度對(duì)人工杉木林地表徑流的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(17):5769- 5775.

Liu S M, Tian D L, Xiang W H, Yan W D, Liu Y G, Hu X J.The impacts of thinning intensity on overland flow in a Chinese fir plantation.Acta Ecologica Sinica,2015,35(17):5769- 5775.