植被水源调节的作用、限制因素和改进途径

1 植被的水源调节作用

植被对水资源的调节作用主要是由土壤蓄水和渗透能力决定的取决于土壤孔隙结构和土层厚度，和无林地相比，林地土壤容重减轻，有机胶体数量增加，因此，具有团粒结构，土壤孔隙特别是通气性大孔隙增加。地表枯落物的直接持水能力有限，但对增加森林土壤中有机质含量、改良土壤孔隙结构具有较大的意义。

森林土壤中大孔隙的形成主要取决于地表枯落物和枯死的根系腐烂形成有机质、根系穿插作用和死亡后形成根孔、土壤中动物活动形成的孔洞。不同土壤中存在土壤水分存在形态不同，被土壤胶体表面和非活性孔隙吸附的水分，低于凋萎含水量，不能为植被根系吸收利用，相当于水库中的“死库容”，凋萎含水量是水库库容能调节的水分的下限，与粘重的红壤相比，森林土壤中的有机胶体能降低凋萎系数，但是由于南方地区降水频繁、降雨日数多、雨量大，因此实际土壤含水量很少能下降到凋萎系数，因此森林改良土壤作用中降低水源调节能力下限的实际意义有限。毛管孔隙中的毛管水仅在原地或小范围内作垂直方向的运动，是供植被吸水、蒸腾作用消耗的水。毛管孔隙的储水容积，决定了土壤的抗旱供水能力，在有机胶体作用下，形成土壤团粒结构，可以增加土壤毛管孔隙的数量。暂时储存在土壤大孔隙（通气孔隙）中的水能在重力作用下缓慢向地下含水层，或沿不透水层向坡下方向移动，是森林涵养水源作用中最重要、最有意义的组成部分。森林土壤中的大孔隙主要受根系穿插、死亡和土壤动物掘土活动的影响，沿大孔隙形成的优先流，也是森林土壤饱和入渗速率高于一般土壤的重要原因，可以使更多的降水入渗形成土壤孔隙中的重力水和壤中流，地表枯落物覆盖也是森林土壤入渗速度高于非森林土壤的一个重要原因。因此，森林涵养水源作用研究中应该重视大孔隙和优先流的研究。

由于植物枯落物的归还作用和根系分布，浅层土壤有机碳含量更高、孔隙更多，因此具有更高的蓄水和渗透性能，底层土壤也可以作为相对隔水层，促进壤中流由坡上向坡下流动。不同渗透性的土层，使降雨后形成的径流到达河流和流域出口断面的时间不同，延长了产汇流时间，土壤分层越多，产汇流过程越复杂，涵养水源效果也越好。

对赣江上游潋水和章水流域半个世纪以来水文、气象数据进行统计分析，表明降水、径流、输沙量均有较大的年内和年际不均匀性，降雨是形成径流和侵蚀的基础，径流量和输沙量变化和降雨量变化具有较高的一致性，“水多沙多、水少沙少”，径流变化的不均匀性和集中程度与降水相仿，而输沙量不均匀性和集中程度则更高，降水的年内分布多为双峰型，第一高峰在5~6月份，第二高峰在8月份，春、夏两季（3~8月）集中了全年降水的70%以上，汛期输沙量更高则占全年80%以上。秋、冬季（9月~2月）降水少，但变率大。

多年来降雨量、径流量无显著变化，围绕多年平均值做周期性波动，但秋冬季降水有逐年降低的趋势，其中秋季降水显著减少，冬季降水增加，秋冬季降雨量的突变点主要分布河流上游的高海拔山区。输沙量在1990年代中期发生突变，突变后输沙量显著低于突变前，下降了60%以上。输沙量的第二个突变点是1980年代前期，即由增加转为平稳并趋于下降。径流集中度和降雨集中度、集中期多年来无趋势性变化，而是带有一定周期和随机性波动，但径流集中其趋于后移，推迟约半个月。即在雨季开始的四五月份相同降雨产生的洪水有所减少

输沙量变化的第一（1980年代前期）和第二突变点（1990年代）中期分别代表开始进行水土保持小流域综合治理和初见成效的时期。说明赣江流域植被恢复和水土保持措施对减少河流泥沙已经取得了重要的成效。但植被和水土保持措施对径流量年际变化和年内分布尚无显著的影响，虽然雨季前期降水形成的径流和洪水有所减少。但由于降雨时间长、雨量大、连续降水天数多，进入6月份后森林土壤处于饱和状态，蓄水能力基本丧失，加之前期降水形成的地下径流增加，森林减少径流和洪水的作用弱化，当然森林土壤孔隙增加的河道基流，对于缓解“伏旱”具有一定作用，对秋冬季枯水期补水的作用也有限。由于秋冬季降水趋于减少，特别秋季降水下降趋势明显。枯水季节提前、秋冬季旱情加剧的问题可能会更突出。从1990年代中期特别是开始退耕还林以来，江西省森林覆盖率进一步增加，但对径流影响趋于弱化，江西省森林水源涵养能力已处于“瓶颈”阶段，亟待加强和提高。

当然，江西省秋冬季农业用水少，干旱对农业生产影响小，主要是影响流域水文过程，突出表现为鄱阳湖枯水期提前，枯水期水面迅速缩小。研究表明鄱阳湖水文情势变化的主要原因是长江输沙量减少、河床下切，造成同流量水位下降，和上游来水量减少。这主要是三峡蓄水拦沙造成的，当然也受到鄱阳湖流域（特别是赣江）来水来沙的影响。

2 制约植被水源功能调节的主要因素

相对而言，天然次生林（如大岗山林区）森林土壤调节、涵养水源能力好于人工次生林（梅林）和经济林，制约赣江流域森林调节水源工程的最主要因素是新增加的森林面积中很多是经济林和侵蚀劣地上的人工林。

天然林区受到人为活动扰动较少，仍然保留有较厚的土层，且结构层次分明。而在栽种人为扰动较为严重的山坡地上的人工次生林（特别是马尾松等针叶林）和经济林虽然可在较短时间内提高植被覆盖度，但由于侵蚀强度本底值较高对原始的土壤剖面已经收到了一定的破坏，土层变薄，相对疏松的表土层流失，心土出露，甚至还有一定量的的石块。森林植被的调节、涵养水源能力主要取决于土层厚度和土壤孔隙结构，植被覆盖度和地表枯落物数量仅起到间接作用。植被恢复后，虽然土壤流失有所缓解，但被破坏的土壤孔隙结构在短时间内难以恢复，土层厚度难以迅速增加、土壤容重难以降低、土壤孔隙结构改善缓慢，都制约着植被生态水文功能的发挥，涵养水源能力的增强。甚至在部分人工针叶林和经济林还存在林下水土流失，土壤孔隙结构还在进一步恶化。特别是某些地区新造经济林往往采用全垦炼山整地，原有的草灌植被被付之一炬，表土裸露，表层土壤结构受到了很大破坏，调节径流、涵养水源能力大位降低。

发育在花岗岩风化物上的马尾松纯林是赣江流域又一种水源涵养能力低下的林种。由于林下地表缺乏灌草覆盖，花岗岩母质风化一层，水流剥蚀一层，处于风化-剥蚀连续过程中，从而使表层土壤颗粒主要以粗砂、中砂为最多。马尾松林下浅沟侵蚀存在两个过程：浅沟沟坡侵蚀或浅沟间侵蚀，近似垂直于浅沟方向的坡面水流带走土壤母质风化形成的细粒物质，使坡面土壤粗化；浅沟侵蚀，浅沟不仅汇集坡面水沙，同时沟道径流带走沟底细粒物质，并使得够深进一步下降。由于受到基岩风化、坡度与水流携沙能力等的影响，林下浅沟下切侵蚀受到抑制，沟底细粒损失较少，浅沟侵蚀以侧向扩展（沟坡侵蚀）为主，最终形成瓦楞状地貌。这是研究区不同于其他地方的侵蚀特征，并不断对表层土壤构成破坏，土层浅薄，土粒粗化，大部分属于花岗岩风化形成的母质层，容重较高，孔隙度较低，一般不足50%，田间持水量在30%左右，通气孔隙度在10%~15%，明显低于当地地带性的森林土壤，基本没有水源涵养能力。特别是受到水流冲刷的影响的沟道沟头部分、沟缘坡面下部，侵蚀严重，土壤粗化、容重较大，孔隙度较小，渗水保水能力差，反而又促进降水产流，加剧冲刷和侵蚀，形成恶性循环。同时，土壤难以吸持大量的有效水，供植物生长，特别是“伏旱”季节的需要，土壤水分不足可能是造成马尾松林下浅沟植被恢复困难的一个限制性因素。

3  提高植被水源调节功能的主要途径

（1）营造乔灌草混交、深浅根系交错的混交林

森林涵养水源能力主要取决于土层厚度与孔隙结构，相对而言，土壤孔隙结构是更容易改良的因素，影响土壤孔隙结构的主要因素是土壤有机质含量和根系作用，进而影响土壤水分入渗速率、田间持水量、土壤吸持降水能力。马尾松等针叶林是红壤丘陵区绿化重要的先锋树种，但几十年来的实践表明，马尾松增加土壤有机质、改良土壤水分性状的作用并不显著。首先，乔木生物量主要集中在多年生的树干、树枝中，每年可以归还土壤的有机物仅仅是生物量的一部分，而很多草本，特别是C4植物生长旺盛、生命周期短，每年有大量枯落物归还土壤，形成土壤有机质，改土作用可能更好，当地侵蚀劣地上的乡土草种主要有铁芒萁、巴茅等，引入草种有香根草等。其次，马尾松等针叶林并没有密集的须根，从而在表层土壤形成大量根孔，吸收降水和坡面径流。竹和一些禾草类具有大量须根，但是缺乏直、深的主根，不利于土壤水分向深层入渗。需要将单纯林改造为混交林，如竹与杉木等针叶树混交，可以形成深浅交错的根系空间结构，增加土壤孔隙和增强土壤入渗能力的效果更好。

（2）保护好现有有水源区的天然林和天然次生林

天然林的涵养水源能力远远超过人工林，一旦天然林破坏，坡面水土流失加剧，水源涵养能力会迅速降低，而且，几十年内难以恢复。因此保护好天然林及天然次生林比植树造林可能更为重要，赣江流域的天然林和天然次生林主要分布在江河源头与支流分水岭地带的中高海拔山区，山高坡陡，不宜作为其他土地利用类型，只适合作为用材林或水源林地，水源区的用材林应该限制其采伐年限与规模，尽量少采，避免从山上到山下“剃光头”式的皆伐，以避免森林土壤涵养水源能力的下降。重要江河沿岸、湖库库周到第一道分水岭之间划定为水源涵养林的森林应严格禁伐。江河源头与支流分水岭地带的水源涵养、用材林往往涉及国家级和省、市县级自然保护区、风景名胜区、地质公园，应按照相关政策进行森林经营管理，如自然保护区核心区、缓冲区和实验区应有相关的禁止、限制和准入规定，严格执行这些管理措施，很大程度上也可以保护森林土壤的水源涵养能力。

山丘岗地区梯田和经果林的上方一般应保留有水源林，梯田和经济林应避免一直修到（栽到）山丘顶部。红壤丘陵区限制植被恢复的主要微地貌因素是光照和土层厚度，向马尾松等强阳性树一般适合种在山顶和阳坡，阴坡沟谷适合杉竹混交林等。山脊部位由于流水冲刷，一般上坡位土层较厚，发展水源涵养林可以形成较大的“土壤水库”调节库容。沟谷一般汇集地表径流和地下水，同时土层较厚，容易发挥森林土壤的调节功能，当然在沟谷中也可以修建塘坝，或者可以在较宽阔的部位修梯田（水田），沟谷绿化带可以起到隔离带的作用，避免大面积单一种植果树造成的病虫害爆发的风险

（3）加强造林整地工程，活化土壤、增强有效土层厚度

经济林造林整地中，应避免全垦炼山整地，尽可能保护现有坡面植。造林整地应尽量活化土壤、增加有效土层厚度。增加土壤厚度，一要通过加速母质的风化使成土速度超过侵蚀速度，二是通过地表枯落物的积累，增加腐殖质层的厚度。

沿等高线布设水平竹节沟，垄沟相间，沟间垒土成垄；垄上植树，特别是经济林，不仅增加了有效土层厚度，便于植物根系伸展，吸收养分水分和提高抗寒能力，同时也增加了拦蓄将会和径流的能力，沟内设土档，截断横坡方向的径流汇集，使坡地成为一个保持水土的网格状体系。对降水、径流、泥沙起到分散拦截，分区贮存，综合防止侵蚀的作用。同时在沟内深耕，并间种矮秆农作物或绿肥、牧草，也可以起到促进母质风化形成土壤，活化土层，增加有效土层厚度，进一步提高蓄水抗旱能力的作用，并改善土壤肥力。

由于6月份以后的汛期，森林土壤蓄水能力基本饱和，难以再拦蓄地表径流，所以为了充分利用水资源，除了植被措施外，在南方红壤区坡面水系与沟坡蓄水措施也很重要，汛期拦蓄的坡面和地下径流，可以满足秋冬季的抗旱用水需求并为下游补水。

（4）工程措施与植被措施相结合，治理林下浅沟侵蚀

在花岗岩红壤丘陵区侵蚀劣地上形成的林下浅沟具有特殊的侵蚀形态及从而制约了土壤恢复和水土保持能力提升。由于风化壳（母质层）较薄，切穿母质层后下切侵蚀受阻，导致了浅沟侧向侵蚀的不断发展，而阻碍了浅沟向切沟的进一步发展，因此浅沟间没有明显的沟间地，边风化、边剥蚀，使坡面发育成瓦背状的槽型地，并在地形、土壤颗粒和持水能力方面具有复杂的空间分异特征，在治理上必须考虑这些特征。浅沟发生的临界条件主要取决于坡面长度（汇水面积）与坡度的组合。坡面越长，浅沟数量越多，浅沟长度、宽度和汇水面积也越大，但浅沟的坡度则越小；坡面坡度越大，浅沟数量越少，浅沟长度，宽度和汇水面积也越小，但浅沟的坡度越大。根据临界条件可以指导林下浅沟侵蚀区水土保持措施（截排水工程）的布设。

纵坡方向上，随着坡顶距的增加，浅沟的宽度、深度和断面面积均呈先增大后减小的趋势，在中部或中下部达到最大值；而宽深比则在上部和下部大于中部，浅沟形态表现为由“宽浅型”到“窄深型”再到“宽浅型”的变化规律；由于边风化边剥蚀，细颗粒物被坡面径流冲刷的侵蚀过程和微地貌规律，林下浅沟土壤物质组成与空间分布具有一定的规律，突浅沟坡降呈一直减小的趋势，浅沟沟底的在上部发生侵蚀作用，而在下部发生沉积作用。两条沟道之间的瓦背状部分，突出表现为径流冲刷，因此与沟底底部（沟头除外）相比，土壤更加粗化，容重高，孔隙度低，更难保持水分；瓦背状部分坡面径流有两个汇流方向，一是向两侧浅沟沟道，二是根据大地形走势自上而下，由分水岭向坡脚线，所以坡面下部的冲刷更严重，从坡上到坡下，土壤容重呈增加趋势，总孔隙度呈减小趋势。因此，可根据坡面水流方向和土壤持水能力的空间差异可以在沟道上部和沟间地下部布设水平竹节沟分散、拦截坡面径流，增加土壤水分，促进植被恢复。沟道中下部细颗粒沉积物较多，土壤持水量较高，具有植被恢复的有利条件，可以采取编织袋填土修建小型谷坊（特别是在沟道中部的窄深段），控制下切侵蚀，并蓄水拦沙，形成有利于植被恢复的立地条件。