鄭崇龍，劉遠(yuǎn)生，歐陽勛志，潘 萍★，歐陽林霞，章 敏

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)·林學(xué)院，江西 南昌330045；2.安?？h明月山林場，江西 吉安343200）

森林水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要組成部分[1]，其內(nèi)涵可以概括為森林生態(tài)系統(tǒng)在一定的時空尺度下通過土壤層、枯枝落葉層和林冠層等對森林降水進(jìn)行攔截、蓄持和時空調(diào)配，并對徑流、水質(zhì)和侵蝕等進(jìn)行調(diào)節(jié)的綜合作用[2]。森林水源涵養(yǎng)功能受多種因素的影響，如張引等[3]對冀北山地的油松（Pinus tabuliformis）人工林的研究表明，隨著海拔的增加，油松人工林的土壤層有效持水量逐漸降低；丁程鋒等[4]對天山中部的雪嶺云杉（Picea schrenkiana）天然林的研究表明，單位面積水源涵養(yǎng)量隨著海拔的增加而呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，陰坡水源涵養(yǎng)能力比陽坡強(qiáng)；李奕等[5]研究得出樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolica）天然林林地蓄水能力表現(xiàn)為：下坡＞上坡＞中坡，受坡位影響較大；徐學(xué)華等[6]研究表明華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）人工林林分枯落物有效攔蓄量、非毛管蓄水量和總蓄水量隨林分郁閉度的降低有下降的趨勢；陳莉莉等[7]通過研究不同密度油松人工林的水源涵養(yǎng)能力表明，油松人工林在

2 617 株·hm-2時水源涵養(yǎng)能力最好?？梢?，不同區(qū)域或不同森林類型影響其水源涵養(yǎng)能力的主要因素存在一定的差異。

在對森林水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行量化評估時，由于學(xué)者們對其涵義的認(rèn)識不盡相同，因而在估算方法上也有很大差別。目前，國內(nèi)外主要使用的估算方法有林冠截留剩余量法[8]、多因子回歸法[9]、降水儲存法[10]、水量平衡法[11]、土壤蓄水能力法[12]與綜合蓄水能力法[13]等。然而，這些方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性，在實(shí)際應(yīng)用中一般根據(jù)數(shù)據(jù)來源等綜合確定采用何種方法。其中，綜合蓄水能力法是一種將森林水源涵養(yǎng)能力看作是森林對降水?dāng)r蓄截留的土壤層、枯枝落葉層和林冠層3 個主要作用層蓄水能力之和再進(jìn)行估算的方法[14]。這種方法相較于林冠截留剩余量法和土壤蓄水能力法等方法能更加全面地分析森林3 個不同作用層涵養(yǎng)的水量，與水源涵養(yǎng)的概念較為接近，并且可以對不同作用層水源涵養(yǎng)量的貢獻(xiàn)進(jìn)行比較[15]。

馬尾松（Pinus massoniana）是我國南方主要的用材樹種和造林先鋒樹種，其對地力的要求低、耐受干旱的能力強(qiáng)。在20 世紀(jì)60 年代，贛南是我國水土流失現(xiàn)象發(fā)生比較普遍的地區(qū)之一，特別在該區(qū)的興國縣水土流失現(xiàn)象尤為普遍，在1980 年代曾被稱為“中國江南沙漠”；在1970 年代至1990 年代，興國縣先后進(jìn)行了大規(guī)模飛播馬尾松種子的造林工作，以恢復(fù)森林植被減少水土流失。受多種因素的影響，目前保存下來的飛播馬尾松林齡大多為30 a 左右。近些年來，對于飛播馬尾松林的研究主要集中在林分的提質(zhì)增效經(jīng)營方面，而在其水源涵養(yǎng)方面主要探討了不同密度[16]、不同樹種組成的土壤持水性能[17]，但對整個林分的水源涵養(yǎng)能力大小目前尚不清晰。因此，本研究以興國縣為研究區(qū)，通過分析不同立地及林分不同層次水源涵養(yǎng)能力，以期較全面地了解和認(rèn)識飛播馬尾松林的水源涵養(yǎng)功能，為制定飛播馬尾松林增強(qiáng)水源涵養(yǎng)能力的經(jīng)營措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

興國縣（26°03′-26°41′N、115°01′-115°51′E）位于江西省中南部，總面積3 214 km2，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年均氣溫18.8℃，年均日照時數(shù)1 926.5 h，無霜期284 d，年均降水量1 539 mm，降水多集中在4-6 月。地貌以低山和丘陵為主，海拔300～500 m，屬于江西的山區(qū)縣，土壤類型以紅壤、黃壤和紫色土為主。森林資源十分豐富，全縣森林覆蓋率達(dá)74.6%，植被類型主要有常綠闊葉林、針闊混交林、馬尾松林、毛竹（Phyllostachys edulis）林、杉木（Cunninghamia lanceolata）林等。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究的數(shù)據(jù)以2019 年興國縣森林資源二類調(diào)查小班數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，從中篩選出林地起源為飛播的馬尾松純林小班共2 129 個，并獲取各小班的密度、土壤厚度、面積、坡位、海拔等數(shù)據(jù)。根據(jù)飛播馬尾松林小班狀況及參考相關(guān)文獻(xiàn)，按其密度大小劃分為低密度（＜1 500 株·hm-2）、中密度（1 500～2 100 株·hm-2）、高密度（≥2 100 株·hm-2）等3 種密度組。參考相關(guān)文獻(xiàn)收集整理出不同密度飛播馬尾松林的林冠截留率、枯枝落葉層最大持水量以及不同土層深度的土壤非毛管孔隙度，見表1。

表1 飛播馬尾松林水源涵養(yǎng)功能評估參數(shù)值Tab. 1 Evaluation parameter value of water conservation function of aerially seeded P. massoniana plantation

1.2.2 評價方法

采用綜合蓄水能力法對飛播馬尾松林的水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行估算。在計算水源涵養(yǎng)量時所采用的相關(guān)參數(shù)考慮了不同密度或土壤深度的差異。綜合蓄水能力法主要從土壤層蓄水量、枯枝落葉層持水量和林冠層截留降水量3 個層次進(jìn)行綜合考慮[19]，計算公式如下：

式（1）中：WR為飛播馬尾松林的總涵養(yǎng)水源量（t）；C為林冠層截留降水量（t）；L為枯枝落葉層持水量（t）；S為土壤層蓄水量（t）。

1.2.2.1 林冠層截留降水量（C）。在森林與降水的關(guān)系中，林冠層是森林對降水進(jìn)行攔截的第一個作用層，也是對降水的首次再分配[20]。林冠層截留降水量不但受到降水特征、降水持續(xù)時間和降水量的大小等外部因素的影響，還和林冠郁閉度、樹木特征和林分結(jié)構(gòu)等自身特性有關(guān)[21]。

式（2）中：αi為第i個小班的林冠截留率（%）；R為單日最大降水量（mm）；Ai為第i個小班面積（hm2）。

1.2.2.2 枯枝落葉層持水量（L）。位于林冠層和土壤層之間的枯枝落葉層是森林對降水進(jìn)行攔截的第二個作用層，它可以減輕降水對表層土壤的濺蝕，保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)，也能很大程度地減少地表徑流，并對森林的部分降水進(jìn)行攔截和蓄持[22]。在枯枝落葉層攔截和蓄持水分的過程中，枯枝落葉層最大持水量是影響和決定其能力大小的重要參數(shù)，它和枯落物的蓄積量、組成和類型等有很大關(guān)系[22]。

式（3）中：βi為第i個小班枯枝落葉層最大持水量（t·hm-2）；Ai為第i個小班面積（hm2）。

1.2.2.3 土壤層蓄水量（S）。土壤層蓄水量是水源涵養(yǎng)量的主體部分，土壤層的蓄水能力直接影響地表徑流的產(chǎn)生和地下水的補(bǔ)給[23]，土壤層對于水的儲存和釋放具有重要作用[24]。土壤的非毛管孔隙度和土壤厚度是影響土壤層蓄水量的主要因素。

式（4）中：γij為第i個小班第j層土壤的非毛管孔隙度（%）；Dij為第i個小班第j層土層厚度（cm）；Ai為第i個小班面積（hm2）。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和圖表制作均在Excel 2016 中完成。采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析及多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 水源涵養(yǎng)功能總體特征

由表2 可知，2019 年興國縣飛播馬尾松林總涵養(yǎng)水源量為1.43×107t，單位面積涵養(yǎng)水源量為719.53 t·hm-2。其中，土壤層蓄水量為7.67×106t，枯枝落葉層持水量為0.14×106t，林冠層截留降水量為6.44×106t，分別占總涵養(yǎng)水源量的53.84%、0.98%和45.18%；其單位面積蓄水量分別為387.40 t·hm-2、7.06 t·hm-2和325.07 t·hm-2，以土壤層的蓄水能力最強(qiáng)。

經(jīng)統(tǒng)計，興國縣飛播馬尾松林小班面積為19 808.66 hm2，低、中、高密度飛播馬尾松林面積及占比分別為10 749.21 hm2（54.26%）、8 670.11 hm2（43.77%）和389.33 hm2（1.97%），而低、中、高密度林分的蓄水量分別占總水源涵養(yǎng)量的43.91%、53.70%和2.39%，可見，低密度林分蓄水量占總水源涵養(yǎng)量的比例遠(yuǎn)小于其面積占比。從表2 可知，低、中、高密度飛播馬尾松林水源涵養(yǎng)量分別為582.32 t·hm-2、858.65 t·hm-2和835.87 t·hm-2。從不同層次來看，隨著林分密度的增大，林冠層水源涵養(yǎng)量逐漸增加，而土壤層和枯枝落葉層水源涵養(yǎng)量均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，中密度的最大?？梢?，中密度飛播馬尾松林的水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)，低密度的最弱。

表2 不同密度的飛播馬尾松林水源涵養(yǎng)評估結(jié)果Tab. 2 Evaluation results of water conservation of aerially seeded P. massoniana plantation with different stand densities

2.2 不同坡位的林分水源涵養(yǎng)功能

根據(jù)小班坡位的分布狀況將坡位劃分為：上坡、中坡、下坡、全坡和平地5 種類型，其中上坡包括山脊和上部，下坡包括下部和山谷。對小班數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分類統(tǒng)計得出，上坡、中坡、下坡、全坡和平地飛播馬尾松林的面積分別為2 155.60 hm2、4 631.90 hm2、2 861.72 hm2、9 102.79 hm2和1 056.65 hm2，分別占飛播馬尾松林總面積的10.88%、23.38%、14.45%、45.95%和5.34%。由圖1 可知，中坡、下坡、平地的蓄水量占比均大于其面積占比，而上坡、全坡的則小于其面積占比。

圖1 不同坡位的林分水源涵養(yǎng)特征Fig. 1 Characteristics of stand water conservation at different slope positions

從表3 可知，上坡、中坡、下坡、全坡和平地單位面積水源涵養(yǎng)量分別為641.08 t·hm-2、747.69 t·hm-2、730.10 t·hm-2、653.12 t·hm-2和709.18 t·hm-2，中坡的水源涵養(yǎng)能力顯著高于上坡（P＜0.05）。各坡位林分的單位面積林冠層截留降水量在307.21～327.93 t·hm-2之間，中坡的最大，上坡的最小，不同坡位林分的單位面積林冠截留降水量存在顯著差異（P＜0.05），而其占比以全坡的最大（48.59 %）；各坡位單位面積枯枝落葉層持水量在5.07～7.45 t·hm-2間，不同坡位單位面積枯枝落葉層持水量存在顯著差異（P＜0.05），占比以下坡的最大（1.90%）、上坡的最?。?.79%）；各坡位單位面積土壤層蓄水量范圍為328.80～412.31 t·hm-2，中坡的單位面積土壤層蓄水量要顯著大于上坡（P＜0.05）。同一坡位下林分的單位面積林冠層截留降水量、枯枝落葉層持水量及土壤層蓄水量之間均存在顯著差異（P＜0.05）。從表3 可以看出，各層單位面積蓄水量及其占比隨坡位沒有表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，但林分單位面積土壤層蓄水量、枯枝落葉層持水量和林冠層截留降水量均為中坡的最大而上坡的最小。

表3 不同立地條件下飛播馬尾松林水源涵養(yǎng)評估結(jié)果Tab. 3 Evaluation results of water conservation of aerially seeded P. massoniana plantation under different site conditions

2.3 不同坡向的林分水源涵養(yǎng)功能

將坡向劃分為陽坡、半陽坡、半陰坡、陰坡和無坡向5 種類型。經(jīng)統(tǒng)計，陽坡、半陽坡、半陰坡、陰坡和無坡向的飛播馬尾松林的面積分別為3 856.49 hm2、5 817.27 hm2、4 832.60 hm2、4 120.23 hm2和1 182.07 hm2，分別占飛播馬尾松林總面積的19.47%、29.37%、24.39%、20.80%和5.97%。由圖2 可知，陽坡、半陽坡和無坡向的蓄水量占比均大于其面積占比，而半陰坡和陰坡的則小于其面積占比。

圖2 不同坡向的林分水源涵養(yǎng)特征Fig. 2 Characteristics of stand water conservation at different slope aspects

從表3 可知，各坡向單位面積林分的水源涵養(yǎng)量在640.28～717.03 t·hm-2之間，半陽坡水源涵養(yǎng)功能最大，陰坡的最小，不同坡向單位面積水源涵養(yǎng)量存在顯著差異（P＜0.05）。各坡向單位面積林冠層截留降水量在305.09～323.70 t·hm-2之間，截留降水量大小排序?yàn)榘腙幤拢景腙柶拢娟柶拢娟幤拢緹o坡向，不同坡向林分的單位面積林冠截留降水量存在顯著差異（P＜0.05），其占比以陰坡的最大（49.53%）、無坡向的最?。?3.59%）；單位面積枯枝落葉層持水量范圍為5.24～6.88 t·hm-2，無坡向與陽坡、半陽坡、半陰坡、陰坡之間在單位面積枯枝落葉層持水量方面差異顯著（P＜0.05）；各坡向單位面積土壤層蓄水量在316.82～

389.64 t·hm-2之間，不同坡向間單位面積土壤層蓄水量無顯著差異（P＞0.05）。對同一坡向不同作用層的單位面積蓄水量方差分析表明，除陰坡外，4 種坡向林分單位面積林冠層截留降水量、枯枝落葉層持水量及土壤層蓄水量之間差異顯著（P＜0.05）?？梢钥闯?，不同坡向林分在各層的蓄水能力有所差異，單位面積林冠層截留降水量、枯枝落葉層持水量均為半陰坡最大，無坡向最小，而單位面積土壤層蓄水量則為無坡向的最大，陰坡的最小。

2.4 不同海拔的林分水源涵養(yǎng)功能

根據(jù)小班數(shù)據(jù)庫，研究區(qū)飛播馬尾松林小班最高海拔為750 m，按海拔高將其劃分為≤200 m、200～300 m、300～400 m 和＞400 m 等4 個類型，其面積分別為4 677.02 hm2、7 663.31 hm2、3 924.49 hm2和3 543.85 hm2，分別占飛播馬尾松林總面積的23.61%、38.69%、19.81%和17.89%。由圖3 可知，海拔200～300 m 林分單位面積蓄水量占總水源涵養(yǎng)量的比例明顯高于其面積所占比例，而≤200 m 的則反之。

圖3 不同海拔的林分水源涵養(yǎng)特征Fig. 3 Characteristics of stand water conservation at different altitudes

由表3 可知，海拔為200～300 m 的林分水源涵養(yǎng)功能最大（733.56 t·hm-2），≤200 m 的最?。?19.01 t·hm-2）；各海拔高度單位面積林冠層、枯枝落葉層的持水量及其所占比例在不同海拔間均差異不大；土壤層單位面積蓄水量以≤200 m 的最?。?98.06 t·hm-2），200～300 m 的最大（406.51 t·hm-2），各作用層的單位面積蓄水量隨著海拔的增加未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，其總體上數(shù)值之間的差異并不大?！?00 m 林分單位面積涵養(yǎng)水源量、土壤層蓄水量、枯枝落葉層持水量、林冠層截留降水量與200～300 m、300～400 m和＞400 m 林分之間差異顯著（P＜0.05），說明≤200 m林分的蓄水能力弱；4 種海拔類型林分單位面積林冠截留降水量、枯枝落葉層持水量、土壤層蓄水量之間均存在顯著差異（P＜0.05）。

3 結(jié)論與討論

本研究表明，興國縣飛播馬尾松林的單位面積總水源涵養(yǎng)量為719.53 t·hm-2，其中，單位面積土壤層蓄水量、枯枝落葉層持水量和林冠層截留降水量分別為387.40 t·hm-2、7.06 t·hm-2和325.07 t·hm-2。單位面積總水源涵養(yǎng)量低于李佳等[19]采用綜合蓄水能力法對興國縣估算得出的全縣森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源量852.45 t·hm-2以及針葉林（馬尾松林、濕地松（Pinus elliottii）林和杉木林）涵養(yǎng)水源量838.08 t·hm-2的結(jié)果，其主要原因是由于飛播馬尾松林是在原來植被大面積破壞、水土流失嚴(yán)重的區(qū)域上飛播造林恢復(fù)起來的林分，其土壤等立地條件相比闊葉林、杉木林以及天然馬尾松林的都要差，林木生長也相對較差而導(dǎo)致其涵養(yǎng)水源能力較低。在飛播馬尾松林水源涵養(yǎng)總量中不同作用層蓄水總量的占比表現(xiàn)為：土壤層＞林冠層＞枯枝落葉層，這與唐玉芝等[25]、劉璐璐等[26]的研究結(jié)果一致，森林生態(tài)系統(tǒng)主要通過土壤層發(fā)揮其水源涵養(yǎng)功能[27]，雖然枯枝落葉層持水量及其占總水源涵養(yǎng)量的比例都較小，但枯枝落葉層在減少水土流失中還是具有重要作用，此外，枯枝落葉層持水量與枯枝落葉的儲存量及質(zhì)量密切相關(guān)，如本研究得出的單位面積枯枝落葉層持水量（7.06 t·hm-2）小于白云星等[28]得出的馬尾松闊葉混交人工林的凋落物最大持水量（15.69～36.00 t·hm-2）。一般來說，闊葉林林下枯落物量和枯落物的持水量要遠(yuǎn)大于馬尾松林[29]，這可能是因?yàn)獒橀熁旖涣至窒碌蚵湮飪α枯^多且對水的吸附能力比單純針葉落葉林強(qiáng)等所導(dǎo)致。

對于相同森林類型，其水源涵養(yǎng)能力的大小也受多種因素的影響。由于林分密度會直接影響林木的生長以及林下植被等狀況，通常在合理密度范圍內(nèi)將有利于林木的生長及生態(tài)功能的提升。本研究表明飛播馬尾松林綜合水源涵養(yǎng)能力隨林分密度的增加呈先升高后降低的趨勢，即中密度＞高密度＞低密度，這與丁霞等[18]的研究結(jié)果一致；王庭雄[30]通過研究不同密度福建柏（Fokienia hodginsii）的水源涵養(yǎng)能力表明，密度在1 665～2 505 株·hm-2范圍內(nèi)水源涵養(yǎng)能力最佳，這與本研究結(jié)果相近。飛播馬尾松林不同坡位林分水源涵養(yǎng)量從大到小表現(xiàn)為中坡＞下坡＞平地＞全坡＞上坡，這與李佳等[19]的研究結(jié)果基本一致，這可能是由于上坡徑流較大、土層較薄，不利于土壤及枯落物層的儲水。從坡向來看，本研究得出半陽坡的水源涵養(yǎng)能力最大，陰坡的最小。丁程鋒等[4]對天山中部區(qū)域云杉天然林水源涵養(yǎng)能力的研究結(jié)果表明陰坡比陽坡強(qiáng)，這與本研究結(jié)果不一致，究其原因，可能是不同樹種之間生物學(xué)特征的差異產(chǎn)生的影響，馬尾松是一種在陰坡上生長比較差的強(qiáng)陽性樹種，而云杉則是一種典型的陰性樹種，在陰坡上的生長情況要優(yōu)于陽坡。飛播馬尾松林水源涵養(yǎng)能力隨著海拔的增加呈先上升后下降的趨勢，這與張宏鋒等[31]多數(shù)研究結(jié)果一致。

綜合蓄水能力法是眾多森林水源涵養(yǎng)功能計量方法中比較常用的一種，同時，該方法還有利于比較分析土壤層、枯枝落葉層和林冠層蓄水能力的強(qiáng)弱。由于在計算過程中并未考慮森林蒸散發(fā)和地表徑流對森林蓄水量的消耗，其計算結(jié)果本質(zhì)上是理論層面最大的蓄水量，而不是實(shí)際狀態(tài)下的蓄水量。本研究在計算時所使用的土壤非毛管孔隙度、枯枝落葉層最大持水量和林冠截留率等參數(shù)只考慮了不同密度或土壤深度的差異，而沒有考慮林齡、林下植被覆蓋等因子的影響以及不同小班降水量等的差異性，因此部分參數(shù)可能與小班的真實(shí)狀況存在一定的偏差。由于研究方法和數(shù)據(jù)的局限性，本結(jié)果雖然僅是對水源涵養(yǎng)量的粗略估算，但也將有助于認(rèn)識和了解飛播馬尾松林分水源涵養(yǎng)功能的整體情況以及不同密度、立地條件下林分間不同作用層蓄水的差異性，可為提高其水源涵養(yǎng)功能經(jīng)營措施的制定等提供參考。今后可通過加強(qiáng)對飛播馬尾松林水源涵養(yǎng)功能的長期監(jiān)測以獲取更全面的數(shù)據(jù)，在時間尺度上探究其水源涵養(yǎng)能力的變化趨勢，并通過建立相關(guān)預(yù)測模型對未來水源涵養(yǎng)功能變化趨勢進(jìn)行預(yù)測。