Study on Correlation between Rocky Desertification Degree and Forest Water Conservation in Karst Area

毕节-撒拉溪喀斯特高原山地潜在-轻度石漠化综合防治研究区（B），位于贵州省毕节市，27°11′09″N—27°17′28″N，105°1′12″E—105°8′38″E。研究区总面积8 617 hm²，喀斯特面积占比为74.25%，石漠化面积达5 586 hm²，海拔在1 511~2 186 m，年均日照时数为1 360 h，年均温12.8℃，年降水量为984 mm。植被有草地、灌木林地、乔木林地，以亚热带针、阔叶林和落叶阔叶林等次生植被为主。经济林以刺梨、核桃为主。

关岭-贞丰花江喀斯特高原峡谷中-强度石漠化综合治理与生态产业研究区(H)，位于贵州省西南部北盘江花江河段南岸，25°37′07″N—25°42′25″N，105°35′11″E—105°43′18″E。总面积5165 hm²，石漠化面积3474 hm²，其中潜在、轻度、中度和强度石漠化分别占27.20%、43.12%、15.26%、14.42%。海拔在443~1358 m，相对高差超过900 m，年均温18.4℃，年降水量1100 mm。植被以灌丛、灌草群落为主，植被的演替速度慢，大多处于演替的初期或中期的次生林植物群落，群落结构不稳定，顶级群落少。森林覆盖率很低，目前次生林的管控措施主要以封山育林为主，缺少人工优化调控措施。林产业的发展处于初级阶段，经济林有枇杷、花椒、核桃、李子等，结构配置单一。

施秉喀斯特高原槽谷无-潜在石漠化世界自然遗产保护与山地旅游研究区(S)，位于贵州省黔东南州，27°2′45″N—27°15′21″N，108°1′5″E—108°12′54″E，为施秉喀斯特世界自然遗产地。研究区总面积28295 hm²，其中无、潜在、轻度、中度石漠化分别占48.91%、 30.54%、 8.81%、 0.84%。海拔在526~1576 m之间，年均温16℃，年均降水1220 mm。研究区植被类型有针叶林、针阔混交林、常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、竹林、灌丛等8种森林植被类型，森林覆盖率93.95%，多为高大乔木。植物物种较为丰富，林业资源条件优越。经济林有梨、桃、银杏等。

于2020年8月在对3个研究区植被调查的基础上，各选取2种次生林优势种和1种典型经济林，喀斯特高原山地潜在-轻度石漠化研究区选取核桃（Juglans regia、华山松（Pinus armandii）、光皮桦（Betula luminifera）；喀斯特高原峡谷中-强度石漠化研究区选取花椒（Zanthoxylum bungeanum）、柚木（Tectona grandis）、翅荚香槐（Cladrastis platycarpa）；施秉无-潜在石漠化研究区选取梨（Pyrus）、马尾松（Pinus massoniana）、南川椴（Tilia nanchuanensis）。每种林型设置3个20m×20m标准样地，在样地四角及中央再设置5个1m×1m的枯落物样方（见表1）。

于2020年降水量较大的夏季(8月)，收取1m×1 m样方内所有枯落物（包括分解层和未分解层），现场称量其自然重量m₁，带回实验室将其全部浸泡24 h至完全吸水，之后置于网袋中沥出多余水分，称量其最大持水重量m₂，将其置于90℃的烘箱中24h完全烘干并测量其干重m₃。枯落物最大拦蓄量为^[17]：

R'_max为最大持水率：

R’₀为自然含水率：

式中，W_max为最大拦蓄量，M为枯落物积蓄量(t·hm⁻²)。

喀斯特区土层薄，贵州大部分地区土层厚度多在30 cm以下^[10]，因此在每个样地内随机选择３株长势较好的树，沿树干周围1 m处各挖取1个20 cm的土壤剖面，并用体积为100 cm³的环刀自上而下按0-10 cm、10-20 cm深度分别取样，立即装入已消毒的自封袋，带回实验室，利用烘干法和浸泡法计算土壤容重、持水量、孔隙度等指标，并由公式计算一定土层深度内的蓄水量^[3]:

W_s为土壤最大蓄水量(t·hm⁻²)、P_s 为土壤总空隙度、W_c 为毛管蓄水量(t·hm⁻²)、P_c 为毛管孔隙度、W_n为非毛管蓄水量(t·hm⁻²)、P_n 为非毛管孔隙度、d为土层深度（m）。

原始数据在EXCEL中整理计算，运用SPSS22软件进行相关分析和单因素方差分析，Topsis优劣解距离法在SPSSAU-在线SPSS软件中计算，运用Origin 2017和Adobe Photoshop软件进行作图和图片处理。

Topsis优劣解距离法选取枯落物蓄积量、自然持水率（低优）、最大持水率、土壤容重（低优）、土壤总空隙度和非毛管蓄水量作为评价指标。评价对象与最优方案的接近程度C值越大综合效益越好，林分水源涵养功能则越强。

枯落物层既能拦截降水使地表免受雨滴的直接冲击，又能阻滞径流和地表冲刷^[18]。同时，枯落物的分解形成土壤腐殖质，能显著地改善土壤结构，提高土壤的渗透性能。从表2可知，中-强度石漠化研究区的柚木枯落物蓄积量最大，花椒最小；潜在-轻度石漠化研究区华山松枯落物蓄积量最大，核桃最小；无-潜在石漠化研究区梨的蓄积量最大，马尾松最小。中-强度石漠化研究区翅荚香槐的枯落物最大持水率最高（264.27%），柚木最低（174.61%）；潜在-轻度石漠化研究区核桃最大持水率最高（213.54%），华山松最低（141.94%）；无-潜在石漠化研究区梨的最大持水率最高（279.59%），马尾松最低（156.95%）。根据相关研究，当降雨量达到 20~30 mm 以后，不论哪种植被类型枯落物层含水量高低，实际持水率约为最大持水率的 85%左右。所以用最大持水率来估算枯落物层对降雨的拦蓄能力偏高，不符合它对降雨的实际拦蓄效果，而一般用有效拦蓄量估算枯落物层对降雨的实际拦蓄量^[19]。因此不同林型的有效拦蓄量排序为：中-强度石漠化研究区柚木（8.76 t·hm⁻²）>翅荚香槐（3.17 t·hm⁻²）>花椒（1.91 t·hm⁻²），潜在-轻度石漠化研究区光皮桦（1.96 t·hm⁻²）>华山松（1.85 t·hm⁻²）>核桃（1.47 t·hm⁻²），无-潜在石漠化研究区梨（3.44 t·hm⁻²）>南川椴（2.74 t·hm⁻²）>马尾松（1.34 t·hm⁻²）。

土壤容重总体呈随土层深度加深而增大的趋势，不同树种间差异显著（p < 0.05，见表3）。根据浙江林学院叶仲节教授研究提出的单项肥力指标^[20]，容重可分级为：<1.20 g·cm⁻³(I级)，1.30~1.21 g·cm⁻³ (II级)、l.40~1.31 g·cm⁻³ (III级)，1.50~1.41 g·cm⁻³(IV级)，>1.51 g·cm⁻³ (V级)。根据以上指标，中-强度石漠化研究区的花椒、翅荚香槐，潜在-轻度石漠化研究区的华山松、光皮桦，无-潜在石漠化研究区的梨和南川椴为I级；中-强度石漠化的柚木、潜-轻石漠化的核桃为II级；无-潜在石漠化的南川椴为III级。从不同土层深度来看，在0~10 cm土层中，除无-潜在石漠化的南川椴为III级，其余8个树种容重等级均为I级；在10~20 cm土层中，除中-强度石漠化的柚木和无-潜在石漠化南川椴为III级，其余树种为I级或II级。具体来看，中-强度石漠化研究区土壤容重翅荚香槐（1.03 g·cm⁻³）<花椒（1.07 g·cm⁻³）<柚木（1.30 g·cm⁻³）；潜在-轻度石漠化研究区华山松（0.85 g·cm⁻³）<光皮桦（1.13 g·cm⁻³）<核桃（1.22 g·cm⁻³）；无-潜在石漠化研究区梨（1.07 g·cm⁻³）<马尾松（1.13 g·cm⁻³）<南川椴（1.34 g·cm⁻³）。

土壤孔隙度反映土壤透气状况和松紧程度^[21] ，不同树种间土壤总空隙度亦存在显著差异（p<0.05），总空隙度平均值在65.69%~47.71%之间浮动，中-强度石漠化研究区翅荚香槐最大为64.47%，花椒次之58.07%，柚木最小为55.45%；潜在-轻度石漠化研究区华山松最大为65.69%，核桃次之为59.62，光皮桦最小为52.34%；无-潜在石漠化研究区马尾松最大为52.93%，南川椴次之48.45%，梨最小为47.71%。不同树种间的土壤毛管孔隙度差异性与总空隙度一致，而非毛管孔隙度的变动范围为5.15%~11.87%，中-强度石漠化研究区非毛管孔隙度翅荚香槐（11.87%）>柚木（8.86%）>花椒（7.96%）；潜在-轻度石漠化研究区光皮桦（10.03%）>华山松（9.11%）>核桃（8.86%）；无-潜在石漠化研究区马尾松（8.70%）>梨（7.31%）>南川椴（5.15%）。

森林土壤的贮水能力主要取决于土壤的非毛管孔隙度^[22] ，因此将非毛管蓄水量作为土壤贮水性能指标，由图1可知不同树种间土壤非毛管蓄水量差异显著。从不同土层来看，10~20 cm土层的非毛管蓄水量略高于0~10 cm土壤的非毛管蓄水量。中-强度石漠化研究区翅荚香槐非毛管蓄水量最大（2.37 t·hm⁻²），柚木次之（1.77 t·hm⁻²），花椒最小（1.59 t·hm⁻²）；潜在-轻度石漠化研究区光皮桦（2.01 t·hm⁻²）最大，华山松（1.82 t·hm⁻²）次之，核桃（1.77 t·hm⁻²）最小；无-潜在石漠化研究区马尾松最大（1.74 t·hm⁻²），梨（1.46 t·hm⁻²）次之，南川椴最小（1.03 t·hm⁻²）。

Figure 1.  Non-capillary water storage of different types of forest soils

土壤容重与土壤孔隙度、持水量和蓄水量均呈负相关关系（P < 0.05；见图2），这是因为土壤容重越大，土壤越紧密，孔隙度就会越小，而土壤含水量则与其呈正相关关系（P < 0.05）。

Figure 2.  Correlation of soil bulk and water content with soil porosity, water holding capacity and water storage

运用Topsis优劣解距离法计算的不同森林综合涵养水源能力表明（见表4），将3个研究区单独计算时（排序结果1），中-强度石漠化研究区不同森林综合涵养水源能力：柚木>翅荚香槐>花椒；潜在-轻度石漠化研究区森林综合涵养水源能力：华山松>光皮桦>核桃；无-潜在石漠化研究区排序为：马尾松>梨>南川椴。而将3个研究区看为一个整体计算时，排序结果（排序结果2）为H柚木>S马尾松>H翅荚香槐>B华山松>S梨>B光皮桦>H花椒>S南川椴>B核桃。

（1）不同林分枯落物水源涵养能力。不同林分类型由于其树种组成不同，年凋落物产量及其分解难易程度差异显著，从而导致不同林分的林地凋落物层蓄积量及其持水能力存在明显差异^[19]。本研究中不同林型的枯落物有效拦蓄量排序为：中-强度石漠化研究区柚木>翅荚香槐>花椒，潜在-轻度石漠化研究区光皮桦>华山松>核桃，无-潜在石漠化研究区梨>南川椴>马尾松。

（2）不同林分土壤水源涵养能力。土壤容重是表征土壤质量的重要参数，土壤容重越小，土壤的结构性就愈好^[23]。中-强度石漠化研究区土壤容重翅荚香槐优于花椒和柚木；潜在-轻度石漠化研究区华山松优于光皮桦和核桃；无-潜在石漠化研究区梨优于马尾松和南川椴。中-强度石漠化和高原山地潜在-轻度石漠化研究区都是次生林土壤容重小于经济林，这可能是由于次生林林下植被物种较丰富，多种植物根系的穿插生长及其在生长过程中促进微生物的活动有利于增加土壤孔隙度，使土壤容重减小^[24]。无-潜在石漠化研究区则是经济林容重最小，这可能是由于无-潜在石漠化研究区经济林人工管理较好，施用粪肥等人为活动使土壤较疏松。孔隙度变化趋势与容重变化趋势相反，这是由于土壤容重越大，土壤越紧实，孔隙就越小^[21]。非毛管孔隙在土壤中起到透气作用，便于水分下渗，有效缓解地表径流，促进水源涵养作用^[25]，不同植被土壤的非毛管孔隙度均值变动范围是5.15%~11.87%，具体排序为：中-强度石漠化研究区翅荚香槐>柚木>花椒；潜在-轻度石漠化研究区光皮桦>华山松>核桃；无-潜在石漠化研究区马尾松>梨>南川椴，可以看出3个研究区都是次生林的土壤非毛管孔隙度最大，具有良好的透气性，吸收降水能力也较好。

（3）不同林分综合涵养水源能力。运用Topsis优劣解距离法计算9种森林综合涵养水源能力，中-强度石漠化研究区：柚木>翅荚香槐>花椒；潜在-轻度石漠化研究区：华山松>光皮桦>核桃；无-潜在石漠化研究区：马尾松>梨>南川椴。在石漠化等级为潜在-轻度和中-强度的花江和撒拉溪研究区，均是次生林涵养水源能力优于经济林，而在无-潜在石漠化等级的施秉研究区，经济林的涵养水源能力并不是最差，这说明施秉研究区经济林的选择比较成功，既实现了经济效益又维护了生态效益。而在中-强度石漠化和潜在-轻度石漠化研究区，选出既能实现经济效益又能维护生态效益的经济林更有难度，这也是后续需要继续研究问题。