田耀武，黃志霖，肖文發(fā)，王 聰，耿婉璐

林分結(jié)構主要用樹種組成、年齡、直徑、樹高、形數(shù)、林層、密度和蓄積等指標來描述［1］。郁閉度是樹冠投影面積與林地面積的比值，是衡量森林資源優(yōu)劣的一項指標，對林分生態(tài)因子有深刻的影響［2］。林分結(jié)構決定林分功能，林分功能反映林分結(jié)構［3-4］。三峽庫區(qū)部分天然次生林及人工防護林林分結(jié)構簡單，水源涵養(yǎng)和水土保持功能較低，已產(chǎn)生了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，后期三峽大壩生態(tài)屏障建設中亟需對現(xiàn)有林分功能進行評定。已有文獻報道了三峽庫區(qū)人工林結(jié)構［5-7］和防護林質(zhì)量及結(jié)構調(diào)整［8-13］等措施。本研究選取三峽庫區(qū)秭歸縣茅坪鎮(zhèn)中西部林區(qū)馬尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata)以及馬尾松×櫟類混交林等3類優(yōu)勢樹種(組)，以林分郁閉度為基礎劃分為15個林分結(jié)構類型，調(diào)查林分結(jié)構特征指標和徑流、泥沙輸出量。以揭示馬尾松、杉木和混交林林分郁閉度與灌木蓋度、草本蓋度的關系，評價不同林分類型的土壤飽和貯水量、徑流和泥沙的輸出量，并確定馬尾松、杉木和混交林最優(yōu)的林分郁閉度，以期為本地區(qū)防護林的科學管理和生態(tài)屏障建設提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省秭歸縣茅坪鎮(zhèn)中西部，面積約33 km2，三峽庫區(qū)南岸，主要包括蘭陵溪流域、杉木溪流域。屬亞熱帶大陸性季風區(qū)，年均氣溫18.0℃，多年平均降雨量1 439 mm，年際年內(nèi)差異較大。土壤以黃壤為主，基巖為花崗巖，農(nóng)地和林地呈鑲嵌分布。林區(qū)植被類型有馬尾松、杉木以及馬尾松×麻櫟(Quercus acutissima)、馬尾松×楓香(Liquidambar formosana)混交林等。2003年研究區(qū)流域推行退耕還林工程，多栽植榿木(Alnus cremastogyne)、楓香、紅椿(Toona ciliate)等。目前，研究林區(qū)內(nèi)天然次生林林分密度不均，灌草蓋度不一，水土保持功能有待評估。

1.2 樣地設置與指標調(diào)查

依林分郁閉度的高低［4，10］，把本區(qū)馬尾松、杉木和針闊混交林等劃分為低郁閉度(A)、較低郁閉度(B)、中郁閉度(C)、較高郁閉度(D)和高郁閉度(E)等5個林分類型(表1)，在各林分類型中分別確定3個坡度較為平緩的調(diào)查樣地。2014年12月在上述3×5×3個樣地中設置1個臨時10 m×10 m的徑流小區(qū)(場)，在各小區(qū)合適位置均設置簡易雨量裝置。為防止場外降水側(cè)滲影響，各徑流小區(qū)四周用硬質(zhì)塑料板圍埂，埂墻高出地面30 cm，埂底深達母巖層，并用速凝水泥灌注。每個徑流小區(qū)坡腳處設有匯流溝，連接場外長、寬、高分別為120 cm×70 cm×60 cm的帶刻度的徑流槽，按徑流場面積換算，以mm和kg·hm－2表示降雨過程產(chǎn)生的徑流量和泥沙量。

2015年8月調(diào)查各(徑流)小區(qū)林分郁閉度、林下灌木蓋度、草本蓋度、枯落物生物量等結(jié)構特征。隨機設置2 m×2 m灌木樣方，記錄灌木種類、高度和蓋度;灌木樣方內(nèi)隨機設置1 m×1 m草本樣方，調(diào)查并記錄草本樣方植物種類、蓋度和高度，記錄枯落物面積和厚度(包括半分解部分)，計算枯落物、蓋度體積和生物量，指標調(diào)查方法見有關文獻［3，5，10］。

1.3 土壤飽和貯水量

2015年8月，各小區(qū)按0～15 cm和15～30 cm層取土壤環(huán)刀樣，裝入鋁盒，帶回實驗室。測定土壤容重和土壤各孔隙度指標。土壤飽和貯水量為毛管孔隙的吸持貯存和非毛管孔隙的滯留貯存量之和［4］。所有樣地土層取30 cm厚度來計算飽和貯水量:

式中，Wt為土壤飽和貯水量(mm);Pc為毛管孔隙度(%);Pn為非毛管孔隙度(%);H為土層深度(m)。

表1 研究區(qū)主要森林植被的林分結(jié)構特征Table 1 Structural characteristics of different stand types in study area

2 結(jié)果與分析

2.1 林分郁閉度對灌木蓋度的影響

隨著林分郁閉度的增加，馬尾松、杉木、混交林灌木蓋度迅速下降，后期下降速度變緩，灌木蓋度與郁閉度呈負指數(shù)關系(圖1)。自變量x系數(shù)值的順序為:杉木林(－2.046)＜馬尾松林(－2.033)＜混交林(－1.749)，這說明杉木林灌木蓋度下降最為迅速，混交林下降最為緩慢;林分郁閉度相同時，混交林灌木林蓋度最大，杉木林灌木林蓋度最小，杉木林灌木蓋度對郁閉度的變化最為敏感，混交林最適合灌木的生長。防護林發(fā)揮良好的防護效益時，灌木蓋度不應低于30%［14］，據(jù)此推算出馬尾松、杉木、混交林發(fā)揮良好的防護效益，郁閉度應分別小于0.65、0.52和 0.77。

2.2 林分郁閉度對草本蓋度的影響

馬尾松、杉木、混交林草本蓋度與郁閉度呈拋物線關系(圖2)。隨著郁閉度的增加，草本蓋度迅速增加，郁閉度達到0.5左右時，草本蓋度開始下降。由二次函數(shù)性質(zhì)，馬尾松、杉木和混交林郁閉度為 0.54、0.49、0.51時，草本蓋度值最高，分別為54.8%、42.1%和65.3%。這說明郁閉度為 0.5(0.49～0.54)左右時，研究區(qū)防護林更適合草本植物的生長;圖2還說明在相同郁閉度時，混交林具有更高的草本蓋度。

圖1 林分郁閉度與灌木蓋度的關系Fig.1 Relationships between forest canopy density and shrub coverage

2.3 林分郁閉度對枯落物生物量的影響

馬尾松、杉木、混交林枯落物生物量與郁閉度也呈現(xiàn)拋物線關系(圖3)。初期隨著郁閉度的增加，枯落物生物量迅速增加;郁閉度增加到0.6左右時，枯落物生物量開始下降。馬尾松、杉木、混交林枯落物生物量平均為 1.57、1.45、1.73 t·hm－2，混交林與馬尾松和杉木差異均顯著。由二次函數(shù)性質(zhì)，馬尾松、杉木和混交林郁閉度為 0.65、0.60、0.61時，最大枯落物生物量為 1.94、1.81 t·hm－2和 2.04 t·hm－2。相同郁閉度時，混交林具有較大的枯落物生物量。郁閉度為0.6左右時，林分具有較高的枯落物生物量，更說明對現(xiàn)有郁閉度較高林分進行改造的必要性。

圖2 林分郁閉度與草本蓋度Fig.2 Relationship between forest canopy density and grass coverage

圖3 林分郁閉度與枯落物生物量Fig.3 Relationships between canopy density and litter＇s biomass

2.4 林分郁閉度對土壤飽和貯水量的影響

馬尾松、杉木和混交林飽和貯水量平均為173.8、171.8 mm 和 181.6 mm(表 2)，混交林土壤飽和貯水量最大，與馬尾松和杉木差異顯著(P＜0.05)。杉木與馬尾松差異不顯著(P＞0.05)。同一樹種內(nèi)，林分類型C和D土壤飽和貯水量值均較高，但差異不顯著(P＞0.05);C、D 與 A、E 差異均顯著(P＜0.05)。土壤飽和貯水量主要包含毛管孔隙的吸持貯存和非毛管孔隙的滯留貯存量兩部分，這說明不同樹種、不同林分郁閉度對土壤孔隙度的影響并不一致，混交林在0.6～0.8郁閉度時具有最高的土壤飽和貯水量。

2.5 林分郁閉度對徑流量的影響

本研究選取4次雨強、雨量差異不顯著的降雨事件(圖 4、圖 5)，22.7、38.3、55.9 mm 和64.3 mm，來測定徑流和泥沙的輸出。

馬尾松、杉木、混交林在4次降雨中產(chǎn)生的徑流總量分別為 29.9、30.4、32.8 mm，混交林產(chǎn)生的徑流總量最大，與馬尾松和杉木差異顯著(P＜0.05)，馬尾松和杉木徑流量差異并不顯著。但在22.7 mm和38.3 mm的降雨事件中，3種林分徑流量差異不顯著，在55.9 mm和64.3 mm降雨事件中，混交林徑流量與馬尾松和杉木差異顯著(圖4)，這說明防護林徑流量只對大暴雨事件反應敏感。

表2 林分類型土壤飽和持水量Table 2 Soil saturated water retaining capacity in different stand types mm

在22.7 mm降雨事件中，馬尾松、杉木和混交林徑流量均隨郁閉度的增加而減小，郁閉度對徑流影響顯著;在 38.3、55.9 mm 和 64.3 mm 降雨事件中，馬尾松、杉木、混交林交等3種林分在郁閉度小于0.7時徑流量均隨郁閉度的增加而減小，之后隨郁閉度的增加而增加。這說明郁閉度 0.6～0.7、灌木蓋度＞45%、草本蓋度＞60%的林分類型水源涵養(yǎng)功能較大，而郁閉度較小和過密的林分水源涵養(yǎng)功能較弱。

2.6 林分郁閉度對泥沙輸出量的影響

4次降雨產(chǎn)沙事件中，馬尾松、杉木和混交林泥沙輸出量為 289.0、299.6 kg·hm－2和 277.3 kg·hm－2，混交林輸出量最小，杉木林輸出量最大。馬尾松與杉木差異并不顯著，混交林與馬尾松和杉木差異均顯著，這說明防護林樹種類型對泥沙輸出有顯著的影響。泥沙輸出并不完全隨徑流量的增加而增加，如混交林徑流量最大，但泥沙輸出量卻比較小，說明影響泥沙輸出的因子更為復雜，可能與混交林具有較高的草本植物蓋度有關系。

林分郁閉度的變化對降雨強弱的響應并不完全是線性關系。22.7 mm和38.3 mm的中小降雨事件，馬尾松、杉木、混交林泥沙輸出均隨林分郁閉度的增加而減小。但對于55.9 mm和64.3 mm的大、暴雨事件，所有林分泥沙輸出量均隨著林分郁閉度的增加，先出現(xiàn)降低而后又增大的趨勢，林分類型C最小。如在55.9 mm降雨中，馬尾松林分類型C為80.4 kg·hm－2，林分類型 E 最大，為 94.8 kg·hm－2。杉木林分類型C為84.0 kg·hm－2，而林分類型E最大，為94.5 kg·hm－2;混交林表現(xiàn)為林分類型 C 為64.1 kg·hm－2，林分類型 A 最大，為82.6 kg·hm－2;特大型降雨事件(64.3 mm)中，馬尾松林分類型C為 93.9 kg·hm－2，林分類型 E 最大，為 122.9 kg·hm－2?；旖涣直憩F(xiàn)為林分類型 C 為 86.4 kg·hm－2，而類型 E 最大 108.4 kg·hm－2;這說明郁閉度 0.6～0.7、灌木蓋度40%、草本蓋度＞40%的林灌草類型土壤保持功能較強，而郁閉度較小和過密的林分土壤保持功能較弱。

圖4 不同林分類型徑流量Fig.4 Runoff of different stand types

圖5 不同林分類型的產(chǎn)沙量Fig.5 Sediment yields of different stand types

根據(jù)郁閉度與灌木蓋度、草本蓋度和生物量關系，結(jié)合徑流、泥沙的監(jiān)測分析，馬尾松在研究區(qū)最適宜的郁閉度為 0.55～0.65、杉木為 0.52～0.60、混交林為0.61～0.77時，水土保持等生態(tài)防護功能最強。

3 結(jié)論與討論

3.1 土壤飽和貯水量

森林生態(tài)系統(tǒng)通過生產(chǎn)者、消費者和分解者三個類群，進行能量流動、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞，同時影響和改造著大氣、水分和土壤環(huán)境等生物活動場所。土壤孔隙度調(diào)節(jié)著土壤水、肥、氣、熱，影響著微生物活性，決定著土壤通氣和透水性。毛管孔隙度決定著土壤貯水能力，土壤非毛管孔隙不但是重力水的通道，與土壤貯水和滲水能力相關。王燕［15］等、田大倫［16］等和顧宇書［10］等均認為毛管孔隙度與有機質(zhì)含量正相關性顯著，與土壤郁閉度負相關性顯著?？当?7］等認為14年生馬尾松人工林密度為1 800株·hm－2時，林下灌木層物種多樣性指數(shù)最高，土壤持水量和孔隙度均較高，土壤容重較低。孫書存［18］等認為人工油松 2 500～3 500株·hm－2的密度較為合理。而本研究調(diào)查的馬尾松天然次生林郁閉度在 0.6～0.7，密度為 1 100～1 500 株·hm－2時，土壤飽和持水量最大，與上述結(jié)論并不一致，說明了天然林與人工林土壤物理性質(zhì)的差異性。生境相似時，混交林具有較高的土壤飽和貯水量，這是林分改造和生態(tài)建設的一個方向。

3.2 林分結(jié)構與其水源涵養(yǎng)和土壤保持功能

龔固堂［4］等提出三峽庫區(qū)人工針闊混交林最佳郁閉度為0.6～0.7，蔣桂娟［19］等認為植被總蓋度＞75%、郁閉度為 0.5～0.8 的天然林、中齡林、闊葉復層林或者混交復層林的水源涵養(yǎng)功能較好，霍小鵬［12］等認為森林植被對土壤貯水量和土壤入滲性能影響極顯著、土壤入滲與林分密度負相關。表3為不同區(qū)域防護林最佳的林分結(jié)構。從郁閉度上看，不同區(qū)域最佳林分郁閉度并不完全一致，波動在0.5～0.8。

郁閉度與林分的水源涵養(yǎng)和土壤保持功能密切相關，單層純林生態(tài)防護功能較低［10］。喬灌林中灌木蓋度＞30%［14］時，防護林才具有良好的防護功能。本研究得出本流域馬尾松、杉木、混交林郁閉度應分別小于 0.65、0.52 和 0.77。小降雨事件對林分郁閉度并不敏感，0.6～0.7林分郁閉度僅在大暴雨條件下，其水土保持功能最強，這說明對一個特定的區(qū)域，不僅要考慮林分郁閉度等林分結(jié)構，還要考慮一個地區(qū)的防護林樹種因素和降雨特征等氣候因素。秭歸縣防護林郁閉度多位于 0.4～0.6，＞0.7 的林分較少，所以已有的次生林區(qū)仍然要加強封山育林措施，以提高林分質(zhì)量為主要目標;人工造林時，要注意造林密度，大力營造混交林。

表3 相關文獻中報道的林分結(jié)構與水土保持效應Table 3 Stand structure and soil and water conservation effect as reported in related literature

龔固堂［4］認為灌木蓋度與郁閉度呈負相關關系，研究區(qū)灌木蓋度與郁閉度即呈明顯的指數(shù)關系，這可能與試驗手段以及研究樹種有關。3種林分灌木蓋度隨著郁閉度的增加均迅速下降，這說明在長江三峽庫區(qū)生態(tài)建設中，要充分注意樹種密度，防止成林后林分郁閉度過大、灌木蓋度過低而影響林分生態(tài)功能的發(fā)揮。

林分郁閉度和密度是林分結(jié)構最為客觀的描述因子，適宜的郁閉度和植株密度是林分發(fā)揮水源涵養(yǎng)和水土保持的基礎。鑒于三峽庫區(qū)已有的防護林密度和郁閉度不均的實際，庫區(qū)后續(xù)生態(tài)建設時要考慮林分的初植密度，培育合理的灌木和草本蓋度。本研究采用徑流小區(qū)的方法所測林分徑流和泥沙輸出量，其數(shù)據(jù)均小于流域尺度徑流和泥沙的監(jiān)測數(shù)據(jù)［24］，這說明徑流小區(qū)方法有一定的局限性。但在外界條件一致時，監(jiān)測出的徑流、泥沙輸出量與林分結(jié)構變化規(guī)律，對于區(qū)域生態(tài)建設仍具有一定的意義。