森林的主要功能之一是涵养水源，森林类型、林分密度的不同会导致水源涵养能力的不同^[1]。森林涵养水源主要是促进森林生态系统物质和能量交换循环，能够保护和持续利用森林资源^[2]。森林主要是通过林冠层、枯枝落叶层及土壤层截留降雨和储存雨水来发挥涵养水源的能力^[3]。森林涵养水源主要是通过各层次的水文效应来调节水分的分配与运动^[4]。枯落物层作为森林水文效应的第二活动层，可以有效地保持水分、截留雨水和抑制土壤水分蒸发^[5-6]。土壤层作为森林水文效应的第三活动层，雨水通过毛管孔隙下渗，为植被根系储存养分和水分^[7]。

米筛竹(Bambusa pachinensis Hayata)是竹亚科(Bambusoideae)簕竹属竹种，主要产地为江西、福建、台湾、广东、广西等地，该种秆的节间长而材质柔韧，是编制各种竹器的优良用材，有关于森林枯落物和土壤水文效应的研究多集中在林分类型^{[3-4, 8-9]}、林分结构^[10-12]、物种多样性^[13-14]等方面，而目前关于沿海沙地引种的竹林的水文效应研究还比较少。沿海沙地引种米筛竹不仅可以增强森林物种多样性，还可以带动当地的经济发展。为此，对福建省长乐大鹤国有防护林场沿海沙地引种的米筛竹林枯落物与土壤水文效应进行定量分析，旨在初步揭示米筛竹林枯落物层与土壤层的水源涵养功能，为沿海沙地竹林生态效益最大化提供依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于福建省长乐市大鹤国有防护林场，地理位置为东经119°40′~119°43′，北纬25°57′~25°59′，沙地多为坡状沙丘，坡度最大6°~8°。雨水充沛，典型的南亚热带海洋性季风气候。年降水时间160 d左右，雨量集中，年平均降水量1 200 mm，春夏为雨季，秋冬为旱季。平均海拔10 m，土壤为保水保肥能力较差的滨海风积沙土，天然植被稀少，主要是前期营造的木麻黄(Casuarina equisetifolia J.R. Forst. & G. Forst.)、湿地松(Pinus elliottii Engelm.)、尾巨桉(Eucalyptus grandis×E. urophylla)和纹荚相思(Acacia aulacocarpa Benth.)等林分，其枯落物最大持水量表现为木麻黄(30.85 t·hm^-2)>湿地松(26.54 t·hm^-2)>尾巨桉(22.46 t·hm^-2)>纹荚相思(20.75 t·hm^-2)^[15]，米筛竹于2011年引种，按照3 m×3 m挖坑种植，期间无人工干扰。

1.2 样地设置与调查

2018年8月，在福建省长乐大鹤国有防护林场调查不同密度米筛竹林，选择生长条件(海拔、坡向、坡位、坡度等)基本一致的竹林作为标准地，样地大小为10 m×10 m，每个密度3个重复，对每块样地进行每木检尺，各样地基本特征见表 1，样地为平坡沙地，无坡度、坡向、坡位，海拔20~40 m。

1.3 枯落物样品采集及储量测定

在每个标准样地中设置3个1 m×1 m枯落物样方。对样方内的枯落物进行称重，用尼龙袋收集带回实验室自然风干后进行二次称重。抽取风干样品30~40 g，在烘箱内烘干至恒重后称重，根据上述的质量计算样品自然含水率，由含水率计算样方内枯落物的干质量，从而计算林分的枯落物的量。

1.3.1 枯落物持水量和吸水速率的测算

运用室内浸泡法^[16]对枯落物持水量和吸水速率进行测定。分别测定枯落物在浸泡0.25、0.5、1、2、4、8、12、24 h的质量变化研究其吸水过程和吸水速率，重复3次。

1.3.2 枯落物有效拦蓄量测定

枯落物的拦蓄能力与自然含水量有很大的关系，随着降雨时间的延长，枯落物层的拦蓄能力逐渐降低^[39]。此外，拦蓄能力还受到枯落物储量和最大持水量的影响。一般来说，可以用枯落物层的有效拦蓄量来计算下雨时枯落物的实际拦蓄量，计算公式为^[17]：

$ W = M\left( {0.85{R_{\rm{m}}} - {R_0}} \right) $

(1)

式中：W为有效拦蓄量(t·hm^-2)；M为枯落物储量(t·hm^-2)；R_m为最大持水率(%)；R₀为平均自然含水率(%)。

1.4 土壤样品采集及性能测定

采用土壤剖面调查法，分别按0~20 cm和20~40 cm的土层采样，每层取1~2 kg的土样，把土壤样品带回实验室后进行风干，过筛后，用自封袋封装待用。同时，在挖好的土壤剖面中，在不破坏其土层架构的情况下，用环刀取0~20 cm和20~40 cm土层内的原状土，各重复3次，带回进行室内测定。实验所用环刀规格为直径50.46 cm、高50 cm。土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度等土壤物理性质采用环刀法^[18]测定。

利用室内双环刀法测定土壤渗透性能。保持环刀中土壤样品的原始状态并加入清水，每隔2 min记录一次入渗时间后，再加水，可以测定土壤初始渗透速率、平均渗透速率、稳定渗透速率和渗透系数等。为了更好地比较相同温度下的渗透系数，渗透系数统一为10 ℃时的渗透系数。

土壤持水能力是表征土壤涵养水源及水文调节功能的重要指标，它受到土壤孔隙大小和数量的影响，对土壤动态蓄水的有效空间起着决定性的作用。总孔隙度是表示最大持水能力的指标，毛管持水能力可表征土壤实际的持水能力，非毛管持水能力则是反映土壤渗透能力的一个指标，非毛管贮水亦称为有效贮水能力。土壤最大持水量、有效持水量和饱和持水量的计算公式为^[19]：

$ {{W_{\rm{c}}} = 10\;000{P_{\rm{c}}}hr} $

(2)

$ {{W_{\rm{n}}} = 10\;000{P_{\rm{n}}}hr} $

(3)

$ {{W_{\rm{t}}} = {W_{\rm{c}}} + {W_{\rm{n}}}} $

(4)

式中：W_c为土壤最大持水量(t·hm^-2)；W_n为土壤有效持水量(t·hm^-2)；W_t为土壤饱和持水量(t·hm^-2)；P_c为土壤总孔隙度(%)；P_n为土壤非毛管孔隙度(%)；h为土层深度(m)；r为水的比重(t·m^-3)。

1.5 数据处理

运用Excel 2013进行数据处理和制图，采用SPSS 19.0进行单因素方差分析(One-way ANOVA)。

2 结果与分析 2.1 枯落物储量

枯落物储量受多种因素的影响，如气候、林分起源、密度、郁闭度、树种组成^[20-21]等。不同密度的米筛竹林的枯落物量在7.99~12.92 t·hm^-2之间(图 1)，且呈随米筛竹林分密度的增大而增大的趋势。米筛竹林的枯落物量远大于毛竹林的3.98~6.00 t·hm^-2[22-23]，与马尾松的9.88 t·hm^-2[22-24]相当。米筛竹林枯落物随密度变化规律与杉木林下地表枯落物层储量随着林分密度增大呈不断增高趋势的研究结论基本相同^[22]。这是因为随着米筛竹林分密度的增大，空间竞争越来越激烈，处于冠层下部的枝叶得不到足够的阳光而逐渐枯死成为枯落物。虽然枯落物量的增加会提高枯落物层的水文效应，有利于沿海沙地水源涵养功能的提升，但是林分密度过大又会影响竹子的横向生长，甚至出现枯死竹^[40]。

2.2 枯落物水文效应 2.2.1 枯落物最大持水量

由表 2可知，密度为40 000株·hm^-2的米筛竹林枯落物的持水能力最大，为39.23 t·hm^-2，显著高于N1，可能原因是竹林密度越大，其枯落物积累得越多，土壤降解的速率越慢。枯落物的持水量范围在35.47~39.23 t·hm^-2，仅占林地总蓄水量的10%左右，但枯落物层在防止土壤溅蚀，增强土壤抗冲能力，防止土壤水分过度蒸发等方面发挥巨大的作用，这与前人研究结果相一致^[25-26]。同时，枯落物的分解有利于增加有机质的含量，改善土壤团聚结构，促进雨水下渗转变为地下水，减小地表径流^[27]。米筛竹林枯落物最大的持水率和持水量随着林分密度的增大而增大，持水量最大的是N4，达39.23 t·hm^-2，相当于3.92 mm的降雨量；N1的最小，为35.47 t·hm^-2，相当于3.55 mm的降雨量；N1与N4间的持水量和持水率差异显著(表 2)。

2.2.2 枯落物有效拦蓄量

由表 3可知，密度为40 000株·hm^-2的米筛竹林分有效拦蓄量最大，可以拦蓄2.6 mm的降雨，这与林分蓄积量较大有关。贺宇等^[28]、柳晓娜等^[29]研究表明，枯落物层对降雨的拦蓄能力随着林分密度的增加而增大。枯落物的最大持水率在一定程度上反映持水能力的大小，但对于没有把自然含水率算在内的情况下，其大小并不能反映真实的拦蓄情况，而是会高估其拦蓄能力，因此林分的拦蓄能力用有效拦蓄率表示。米筛竹各样地的有效拦蓄率大小排序为N1＞N2＞N3＞N4，有效拦蓄量大小排序为N4＞N3＞N2＞N1，有效拦蓄能力最强的是N4，为26.03 t·hm^-2，N1与N4、N3间有效拦蓄量差异显著。

2.3 土壤层的水文效应

土壤容重和孔隙度可以反映出土壤的松紧和结构状况。各密度的土壤容重和孔隙状况如表 4所示。各密度土壤容重相差不大，均随土层的加深而增加，可能原因是随土层深度的加深，土壤有机质减少，土壤团聚体的团聚性降低，紧实程度较大。

土壤孔隙由毛管孔隙和非毛管孔隙组成，其组成影响着土壤的通气性、透水性及植物根系的生长。毛管孔隙度反映了植物利用水分进行发育生长的能力，非毛管孔隙度则反映了土壤滞留水分、涵养水源、减洪的能力。从表 4可以看出, 土壤总孔隙度均值大小排序为N2＞N4＞N3＞N1，4个密度的米筛竹林土壤毛管孔隙度与总孔隙度一致，毛管孔隙度影响着土壤有效水的储存量，对植物的生长用水量产生影响。

土层厚度和土壤孔隙状况影响着土壤的蓄水能力，非毛管孔隙有利于雨水的吸收和下渗，不同密度米筛竹林分由于土壤的物理性质存在差异，导致土壤的持水性能也有一定的差异。从饱和持水量均值来看，其大小顺序为N2＞N4＞N3＞N1，有效持水量由非毛管孔隙度决定，有效持水量均值大小排序为N1＞N3＞N2＞N4，其中，N1最大，为137.6 t·hm^-2。

渗透性好的土壤可以减小土壤的流失，减小地表径流，从而达到涵养水源的目的。从表 5可以看出，各密度米筛竹林土壤的初始渗透速率相差不大，其均值大小排序为N2＞N3＞N4＞N1，随着时间的推移，逐渐趋于稳定，大小排序为N2＞N3＞N4＞N1，不同土层的初始、平均、稳定渗透速率均表现为0~20 cm＞20~40 cm。由图 2可以看出，4种密度米筛竹林土壤水分的入渗过程比较相似，N1在18 min内达到了稳渗，N2、N3与N4在24 min时达到了稳渗。

3 讨论与结论

森林枯落物层和土壤层作为涵养水源的主体，其水文效应是生态系统中森林和水相互作用的综合功能的体现^[30]。枯落物的持水能力与蓄积量有关，蓄积量的多少与林分类型、气候、密度极其土壤性质有关^[1]。枯落物蓄积量受林分类型、密度、气候等因素的影响^[31]。本研究表明密度为40 000株·hm^-2的米筛竹林枯落物蓄积量最大，为12.92 t·hm^-2，这与陈莉莉等^[32]、王甜等^[33]研究基本一致，可能原因是密度大、光照差、林内温度低，不利于林内水分蒸发及微生物的活动，竹叶在沙地分解速度慢。

米筛竹林枯落物最大持水量高于同一林场沙地上引种的木麻黄^[15]等植被，说明沿海沙地引种竹林具有比较大的优势，在沿海沙地的引种是成功的，具有推广价值。木麻黄枯落物的生物量高于米筛竹，可能原因是不同类型森林植被的分解特性不一致，但木麻黄属于针叶型植被，单宁含量较高，分解速度较慢，影响了土壤养分的循环^[34]。土壤层是森林发挥水源涵养能力主要场所，通常占林分水源涵养量的85%以上^[32]。土壤层主要通过截留雨水和持有水分来发挥作用，截留能力主要受土层厚度、土壤含水量、降雨强度及持续时间的影响，而持水能力则受非毛管孔隙的影响，孔隙越大，越有利于水分的下渗，其涵养水源的能力越好^[35]。而枯落物的分解有利于增大土壤的非毛管孔隙，使土壤层具有良好的蓄水功能^[36]。土壤水源涵养能力因土壤质地、孔隙、植物根系生长情况及地上植被覆盖情况而异^[37]。研究发现，在0~40 cm土层内，各密度土壤容重变化差异不大，密度为30 000株·hm^-2的米筛竹林分总孔隙度均值高于其他密度林分，这对于土壤质地的改善具有促进作用，使得该密度下的竹林土壤渗透性、毛管持水量和饱和持水量均大于其他密度林分，这与康冰^[38]等、冯宜明^[1]等的研究结果一致。

近年来，随着越来越多的竹种在沿海沙地成功引种，增加了森林的多样性，其交错盘结的地下茎根系统能够很好地起到固定沙子的效果，产生了巨大的生态效益。通过对在沿海沙地引种的米筛竹林的水文效应的分析，进一步了解到营林密度可不同程度的影响森林涵养水源的能力，进而保证其生态效益。在本研究中，综合枯落物拦蓄能力和土壤持水能力可以得出，不同密度的米筛竹林分水文效应有一定的差异，林分密度适度才能最大限度地发挥森林水源涵养的功能，密度为30 000株·hm^-2的米筛竹林分水文效应最好，该密度下的林分林内能够得到充分的光照，促进林下枯落物的分解，提高了土壤的团聚性，影响了林地的水源涵养功能，这与林下土壤容重、孔隙度、枯落物等有关。对米筛竹林分密度的水文效应的研究，由于自身实验操作的局限性，未对林冠层的持水性能进行分析，该层数据的缺少，使整个林分的水源涵养量偏小，在实验条件允许的条件下，如果对林分植冠层的截留降水进行监测，可以更准确、全面分析整个林分的水文状况。