竹林水土保持功能研究进展与展望

郑兰英 胡兴宜 王晓荣

（湖北省林业科学研究院 武汉 430075）

一直以来，中国是世界发生土壤侵蚀和水土流失最严重的国家之一，特别是在山地丘陵等区域[1]。同时，人们在认识和研究水土流失的过程中，很早就发现植被对水土流失的控制作用[2]，以植树种草作为其主要的生物治理手段，但在短时间内都很难郁闭成林或成活率低，很难满足我国快速进行水土流失治理的要求。竹类植物由于独特的生物学和生态学特性，具有比乔灌木树种更强的利用生境资源的能力和抗逆能力，在涵养水源、水土保持、减少径流泥沙、改善水质等生态功能方面存在显著优势而被许多水土流失严重区域而重视[1,3]。

我国竹子资源特别丰富，分属38属500余种，分别占世界总数的36%和39%[4]。根据第七次全国森林资源清查结果，我国现有竹林面积5.38万hm2，占全国森林面积的2.2%，且多分布于水系的源头及两岸[5]。随着社会经济的发展以及自然灾害的不断产生，如何充分发挥我国竹林的生态效益，已经逐渐成为竹业界关注的热点。虽然已有许多学者对竹林水土保持功能进行了研究和评价，但其仍旧处于起步阶段，许多竹林水土保持功能的理论和机制研究还不成熟[1,6]。已有的研究主要集中在竹林的根系优势、林冠截留、枯落物水文功能、改善土壤理化性状、增加土壤蓄水和入渗、减少土壤侵蚀等方面。本文综述了竹林生物学特征与水土保持功能的关系以及竹林水土保持作用方面的研究进展，希望为科学营造和管理竹林，充分发挥其水土保持的生态效益提供科学依据。

1 竹林生物学特性与水土保持功能的关系

竹类植物种类繁多，常年茂绿、成林早、鞭根系统发达、繁殖能力强、生长速度快、一次造林可不断采收、不断自我更新等生物学和生态学特性，特别是竹林地下系统发达，除了发达的地下茎之外，还有发达的根系，能改善土壤结构，增强土壤的渗透能力，增加土壤的蓄水容量，加上丰富的枯枝落叶层，有效地防止了土壤冲刷和流失[6]。已有研究发现，在1 m3上层土壤空间中，毛竹林秆基、竹根、竹鞭和鞭根的分布达70%以上的空间，形成一个上密下疏多孔隙的网络状结构[7]，使其具有良好的透水性和持水固土能力，月均地表径流量、径流深仅为杉木的77%，马尾松的35%；输沙量仅为杉木的42.8%，马尾松的23.6%；径流系数是杉木的80.6 %，马尾松的30.6%[8]。

另外，已有的研究结果也表明，不同竹林类型由不同竹种和树种组成，竹种和树种本身如叶片大小、叶量、叶的表面粗糙程度、林冠形态及群落的成层情况等生物学和生态学特性的差异，以及同一竹林类型，由于竹林的发育阶段、密度、个体大小及整齐度、林冠结构等方面的不同，都可以导致竹林的水文学特征上发生明显变化，从而导致竹林水土保持功能的差异[1,9]。例如，黄进等[10]选取林冠截留率、灌草层盖度、枯落物覆盖度、枯落物厚度、枯落物最大持水量、土壤稳渗透速率、土壤非毛管空隙度、土壤可蚀性k值为评价指标，对开化生态公益林主要森林类型水土保持功能进行综合评价，结果表明：水土保持功能为针阔混交林＞麻栎林＞毛竹林＞马尾松林＞杉木林。

这主要是因为，竹林具有生理整合功能强，其植物形态结构、生长发育及繁衍更新不同于一般的乔灌木树种，可充分利用环境的异质性来促进自身的生长更新，比一般乔灌木树种的立木具有更强的利用生境资源的能力和抗逆能力，从而使竹林群体能较好地得以自然延续和相对稳定，使其在水土保持功能方面具有很大优势[1,11]，但竹林水土保持功能的体现是众多因素协同作用的结果，不仅仅受某一个林分因子的影响。因此，只有综合调控竹林林分结构，合理的利用竹林特殊的生物学特性才能使其水土保持功能充分的发挥。

2 竹林水土保持功能作用

竹林水土保持功能主要是通过林冠层和林下植被层、枯枝落叶层、根系土壤层3个作用层次来对降水进行调节分配，具有截持降水、增加降水入渗、改善土壤性质、吸收和阻延地表径流、抑制土壤蒸发，固土护坡等功能，从而有效避免土壤溅蚀、增强土壤抗冲能力、减少土壤养分流失、增加水源涵养等效益[12]。

2.1 截留降水

竹林截留降水的功能发生在降水与林冠之间，是调节降水分配和水分输入林内的重要过程[6]，降水截留量分为林冠截留量、穿透降雨量以及树干茎流量，使林内的降雨量、降水强度和降雨历时发生变化，从而影响竹林的水文分配格局。国内许多学者对竹林的截留降水过程和特征进行研究，结论均表明，竹林冠层具有较大的截留容量和附加截留量，能够减少林地的有效降雨量和延长降雨，且其降水截留量随林冠层与降水特性的变化而不同[4,13]。随着降雨量增加，毛竹林冠截留率呈递减趋势[14]。当雨量级在5.0 mm，毛竹截留率达57.5%；雨量级在5～10 mm，林冠截留率为42.8%；雨量级10 mm以上，截留率急剧降低至20%左右，而后变化趋缓[8]。但是，不同的竹林类型其截留降水的功能存在着差异，如笪志祥等[15]对退耕还竹3年后的慈竹林，其穿透降水率为89.14%，径流率平均为1.57%，林冠截持降水率为9.29%。刘蔚漪等[6]对闽北不同类型毛竹林水文生态功能研究发现，不同林分对降水的截留能力不同，分别是常绿阔叶林＞竹杉混交林＞竹阔混交林＞毛竹纯林＞杉木纯林，而且5种林分林冠截留率、穿透雨率和树干径流率变化范围分别在22.29%～31.33%、67.72%～76.98%和0.73%～2.87%，各种竹林截留降水功能有很大差异。分析其原因，除了研究方法不同外，还与局域气候特征以及竹林自身群落发育特征等有很大的关系。

由以上分析可知，竹林截留降水功能受树种组成、林分郁闭度、覆盖层、降雨量及降雨强度等多种因素影响，不同竹林类型由于群落结构层次存在差异，树种组成和林分密度、发育程度不同均导致竹林冠层覆盖程度有别，致使不同竹林往往降雨截留能力存在一定差异，但仍旧可以看出，竹林截留降水作用明显高于一般树种，这主要与其林分密度大、郁闭快、层次复杂等特征有关。

2.2 涵养水源

竹林枯枝落叶层和土壤层是竹林对水分储存、涵养、转移等过程的主要层次，主要源于竹林林地表层的枯落物构成、地下根系的分布、土壤物理性状、土壤渗透功能等，从而引起竹林蓄水能力的不同。

2.2.1 枯枝落叶层

竹林枯枝落叶层具有较大的水分截持能力，从而影响到穿透降雨对土壤水分的补充和植物的水分供应[6]，其枯落物对降水的截留与枯落物的现存量和枯落物的持水量有关。据已有的研究发现，经营3～5年的竹林枯落物可超过1 cm，经营超过10年的竹林枯落物一般超过3～5cm，在相近的生长年限，竹林的枯落物量一般大于其他林分，凋落物分解速度同样大于其他林分[16]。

同时，也有研究发现，不同的竹林类型，由于树种组成、枯枝落叶物的特性、枯枝落叶量及受人为干扰程度的差异，其枯枝落叶层的持水量也不同[6]。如高志勤[3]研究毛竹林等不同森林类型枯落物水文特性，得出的结果是，某一时间段内枯落物对降水的拦蓄能力，取决于枯落物的现存量和平均自然含水率，竹阔混交林枯落物表现出比毛竹纯林更强的水文调节功能。所以，如果采用毛竹和杉木等其他合适的针叶或阔叶树种混交成林，其水源涵养能力将会大大提高[17]。

总体而言，竹林枯枝落叶层较其他树种有着更大的涵养水源的能力，枯枝落叶层直接覆盖地表，除了可以截留降水外，减少降雨侵蚀力，增加土壤渗入性能，而且其分解后可以改善土壤的物理性质，增加了土壤含蓄水源的能力。

2.2.2 土壤层

竹林土壤层是涵养水源最重要的、容量最大的层次，对竹林水源涵养功能起着决定性的作用[18]，土壤层蓄水能力主要决定于土壤的物理性质和土壤自身水分特征，特别是与土壤容重、孔隙状况、土壤入渗性能等密切相关。

廖军等[17]对竹阔混交林不同类型的土壤贮水性能进行了研究，结果表明，不同的竹阔混交类型，土壤贮水能力不同。各类型中以竹阔混交（阔叶林25%～35%）的土壤贮水能力最强，达392.2 mm，毛竹纯林的土壤贮水能力最弱，为348.4 mm。刘蔚漪等的研究[6]也认为阔叶林和竹阔混交林较其他林分具有更高的土壤总蓄水量，阔叶林和混交林地表有更多的枯落物，增加毛管孔隙和非毛管孔隙的数量，提高其蓄水保水的功能，这与丛日亮[19]的观点相一致。同时，这也是因为竹林地下系统发达，能改善土壤结构，增强土壤的渗透能力，从而增加了土壤的蓄水容量。如散生竹疏密多孔的网络状地下结构有很好的透水性和持水固土能力，固土能力为马尾松的1.5倍，吸收降水能力为杉木的1.3倍，涵养水量比杉木多30%～45%[7]。

可见，竹林发达的根系结构，使其土壤物理性质较为良好，加上丰富的枯枝落叶层，有效地防止了土壤冲刷和流失，使更多的水分被下渗到土壤中被储存起来，而且竹阔混交林土壤层土壤蓄水能力更强，成为未来水土保持竹林建设的最佳模式。

2.3 改善土壤理化性质

竹林根系紧密而多孔的网络状地下结构，对林地土壤具有较强的固定效果，使得土壤容重减小，孔隙度增加，团聚体含量提高，且枯枝落叶丰富、分解速度快，极大的改变了土壤的理化性质。比如，丛日亮等[19]研究了苏南丘陵区杉木、马尾松、栎林、毛竹等林分土壤层的水文效应，发现同层土壤厚度下，毛竹林土壤容重、土壤总孔隙度、非毛管孔隙度均好于其他林分，很好的说明了竹林改善土壤理化性质的巨大作用。

同时，过去也有人发现，竹林混交林较纯林对土壤具有更好的改善作用。竹阔混交林林分系统更加稳定，具有较高的枯落物量，且年养分归还量比纯林大，分解也较快，因而能保持土壤肥力[20]，而毛竹纯林土壤渗透能力很弱，尤其是中低产毛竹林地的土壤物理性质很差，表现为土壤容重大、土层薄、含石量高、土壤不能很好地协调水气热[21]。特别是，不同的经营模式对土壤的改良效果产生重大影响，毛竹林适当保留林下树木和减少松土措施，可减少土壤流失，保持土壤肥力，改善生态环境[22]，而竹林地过度垦复，尤其是陡坡地大面积片状垦复，致使竹林地表径流量显著增大，上层土壤大量流失，造成土壤理化性质劣变[6]。

目前，国内多数竹林通过速生丰产技术，实施高生物量的收获，大量竹林被改造为纯林，反而导致许多竹林土壤环境逐渐恶化，而建立竹阔混交林，减少人为干扰，通过自身自然更新发展才能保证竹林改善土壤理化性质功能的充分发挥。

2.4 减少土壤侵蚀

地表土壤侵蚀主要是由降雨过程产生的雨滴击溅、径流冲刷引起，防止土壤侵蚀及减少地表径流量是竹林重要的水土保持功能之一。竹林良好的降雨截留功能，丰富的枯落物，强大的根系网络，使得竹林土壤结构良好，土壤抗蚀性能增强，地表径流减小，流速减缓，侵蚀力减弱，地表径流量和泥沙含量一般均比同区域其它地类小[6]。

已有的研究表明，大型丛生竹能增加水流运动的阻力，减缓水流速度，防止地表结皮的形成，增加入渗，减弱水流对地表的冲刷作用，从而起到固土作用[23]。与未退耕地相比，梁山慈竹林的平均径流量比耕地减少24.6%，而耕地侵蚀量约是林地的4.7倍，林地降水的泥沙侵蚀平均减少量达到78.56%[15]，以上都很好证明竹林对减少土壤侵蚀的作用巨大。然而，竹林植物又因为其秆、枝、叶部表面光滑，且被有透水性很差的硅化蜡质层，秆径流量以及秆径流率较高，增加了地表径流量，这对减少土壤侵蚀不利[24]。但是，竹林强大根系结构的盘绕固结作用及高枯落物增加了水流运动的阻力，增加了土壤的抗侵蚀的能力，减缓了水流的流速，增加了入渗，减弱了水流对地表的冲刷作用[25]。一般认为，影响土壤侵蚀发生的因素主要包括降雨及其侵蚀力、土壤抗蚀抗冲性、地形或微地形特征、土地利用类型/植被类型等[26]，例如吴中能等[8]对各种类型毛竹林地研究也证实，竹林地表径流量与降雨量、降雨强度均成正相关，与蒸发量、间隔期成负相关。就土壤抗冲和抗蚀能力而言，0～40 cm的上层土壤抗冲指数和抗蚀指数，毛竹分别为0.998和1.051，矮小的菲白竹地下茎及根系特别发达，比大径级毛竹高40%和34%，分别达1.404和1.413[11]。对三峡库区的几种不同林分的研究表明，除灌木林外，楠竹林的水土保持效益高于其他乔木林，但是楠竹林的根系对于增强根系分布区土壤的抗蚀、抗冲性能的作用最明显[27]。归纳起来，竹林主要是依靠其强大的根系体系固定土壤，增加土壤的抗蚀性和渗透性，以及地表枯落物对地表径流的阻碍作用，减弱了土壤侵蚀的发生。

3 展望

目前，国内关于竹林水土保持功能的研究仍处于起步阶段，而且大部分研究多注重单一指标或单一过程的观测，以短期、单项的研究居多，缺乏长期、系统性的观测研究。同时，由于我国竹林种类丰富，分布范围跨度较大，各区域自然环境存在明显的差异性，以及不同研究者所观测的方法和时间也存在差异，导致所得成果可比性较差。再者，针对不同竹类形态学特征和生物学的特殊性，单单以现有资料和数据来分析各种竹林水土保持功能还存在一定的不足。所以，未来应该加强以下几方面的研究。

3.1 竹林水土保持作用机制的研究

竹林水土保持功能的有效发挥，是其各层次共同作用的结果，清楚认识不同竹类不同层次的水土保持作用机理，是保证竹林水土保持功能研究的关键内容。同时，我国竹子种类丰富，分布区域生境类型多样，而且自然状况也存在很大差异，已有的研究很多存在不够深入，缺乏丰富的资料和数据的支持，许多理论及研究手段多借鉴于其它树种。因此，未来应该针对不同竹林的形态特征和生物学特性，探索出适用竹林水土保持功能的研究方法，多尺度开展不同竹林生态系统水土保持功能的调节机制研究。

3.2 竹林水土保持功能的长期、系统观测研究

现有的竹林水土保持研究多基于短期、片面、单一的观测数据，还不能综合全面的竹林水土保持功能的组成要素、结构与功能、发展与演变以及人为影响与调控等动态过程，所以建议采用先进的科学仪器设备，对竹林水文生态功能的发挥和演变规律进行长期、定位、系统、定量的观测研究。

3.3 竹林优化经营模式及经营措施的研究

我国竹林经营多数追求经济利益，实施竹林丰产技术，比如通过清除混交树种、劈山、垦复、施肥等经营技术，这就形成了纯林多混交林少的局面。经营纯林日益出现了一系列问题，比如林内生物多样性降低、林地生产力呈现下降趋势，竹林病虫害发生的机率增高，陡坡和生境条件相对较差的生态敏感区竹林生态防护功能下降等[28]。因此，应该依据竹林生物学特殊性，促进竹林可持续经营，研究包括水土保持功能强的竹种筛选及优化栽培技术模式、合理的培育措施和混交模式、竹林竹阔混交林优化经营模式、竹林免耕技术、竹林林下植被恢复技术等。

3.4 竹林水土保持功能效益的定性和定量评价

根据我国目前竹林生长分布状况，以不同竹类形态学特征和生物学的特殊性，分析确定竹林水土保持功能状况监测周期，对竹林水土保持功能各生长要素、发展与演变的规律进行长期定位监测，结合遥感、地理信息系统等现代科技手段，从而提供必要的、连续的、系统的定位观测数据，总结出科学的监测评价指标或指标体系及评价方法，实施竹林水土保持功能效益的定性和定量化评价，建立评价模型和预警机制，为区域竹林资源的合理安全构建提供科学依据。

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