馬尾松、紅錐純林及其混交林凋落物與土壤的水源涵養能力

陸衛勇, 葉家義, 李學團, 付 軍, 郭 飛, 何 斌

(1.廣西國有派陽山林場,廣西 寧明 532500;2.廣西大學林學院,廣西 南寧 530004)

森林水源涵養功能是森林生態系統的重要服務功能之一[1],通過林冠層、凋落物層及土壤層截持和貯存降水而發揮森林巨大的水源涵養能力[2-3]。凋落物層作為森林水文效應的第2作用層,其截留降雨能力顯著高于林冠層,并且能夠減少雨水對土壤層的沖刷、侵蝕以及地表徑流的形成,從而起到緩沖和蓄水保水的作用;土壤層作為森林水文效應第3作用層,是森林水分的主要儲存庫及調節器,直接影響生態系統的水文調節過程[4-6]。因此,開展凋落物層和土壤層水源涵養能力的研究對于探討森林生態系統的水文過程與循環具有重要意義。近年來,諸多學者對不同地域典型林分類型的凋落物和土壤持水能力進行了調查和測定[4-8],為森林生態系統水源涵養功能的研究奠定了基礎。王利等[7]和楊良辰等[8]比較了不同造林模式人工林水源涵養能力發現,針葉林、闊葉林及其混交林水源涵養功能,尤其是凋落物層和土壤層持水能力存在差異;白云星等[9]研究表明,馬尾松與深山含笑、伯樂或桂南木蓮混交均能提高凋落物層和土壤層持水能力,但與油茶混交的結果則相反;程唱等[10]研究顯示,青海省大通縣云杉—白樺和云杉—青楊混交林凋落物層持水能力均低于云杉純林,但高于青楊純林,而2種混交林的土壤持水能力均高于云杉純林和青楊純林?？梢?針闊混交林對凋落物層和土壤層持水能力的影響會因樹種組成的不同而存在差異。

馬尾松(Pinusmassoniana)是我國南方亞熱帶地區主要的速生用材樹種,在滿足國內木材需求和維持生態平衡中發揮著重要作用[11]。但長期以來采用的馬尾松純林經營和不合理管理措施,導致群落結構簡單、生態功能低下、地力衰退和水土嚴重流失等問題[12]。紅錐(Castanopsishystrix)是我國亞熱帶地區優良的鄉土闊葉樹種,因其適應廣、速生、材質優良和用途廣泛,并具有一定的涵養水源、保持水土和維護生物多樣性等生態功能,成為廣西2010—2020年重點發展的珍貴鄉土闊葉樹種之一。有研究表明,馬尾松與闊葉樹種混交可以提高其生態系統穩定性,緩解馬尾松人工林地力衰退[12-13]。其中,馬尾松與紅錐形成的針闊混交林可以提高馬尾松應對自然災害的能力,對林木生長和保持林地生產力具有良好的促進作用[14-15]。目前,有關馬尾松紅錐混交林的研究主要集中在生長效果[14]、生物量與生產力[14,16]、碳氮儲量[16-19]以及土壤性狀[14,20]等方面,有關水源涵養功能尤其是凋落物和土壤水源涵養能力的研究較為缺乏。為此,本文以廣西寧明縣馬尾松、紅錐純林及其混交林為研究對象,比較3種林分類型凋落物層和土壤層持水性能,以期為馬尾松人工林的可持續經營提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于廣西寧明縣(106°38′～ 107°36′E,21°51′～ 22°58′N)[11],屬南亞熱帶季風氣候區,年均氣溫21.9 ℃,年均日照時數1 700 h,≥10 ℃年積溫約7 730 ℃,年無霜期達362 d。該區雨量充沛,年均降水量1 500 mm,降雨多集中在5—8月,年均相對濕度82.5%,年均蒸發量1 423 mm。試驗地設在寧明縣廣西國有派陽山林場鴻鴣分場,屬丘陵地貌類型,海拔360～410 m,土壤類型為砂頁巖發育形成的山地紅壤,土層平均厚度80 cm以上。試驗林林下主要灌木樹種有鹽膚木(Rhuschinensis)、野牡丹(Melastomacandidum)、桃金娘(Rhodomyrtustomentosa)、毛桐(Mallotusbarbatus)和余甘子(Phyllanthusemblica)等,主要草本植物有鐵芒萁(Dicranopterislinearis)、五節芒(Miscanthusfloridulus)、淡竹葉(Lophatherumgracile)、黃茅草(Bulbostylisdensa)、野古草(Arundinellaanomala)和纖毛嘴草(Ischaemumindicum)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置和樣品采集 研究區前茬林分為馬尾松人工純林,于2009年秋季砍伐,經煉山和挖穴整地后于次年3月分別營造馬尾松純林、紅錐純林和馬尾松紅錐混交林(混交比例1∶1),種植密度均為1 660株·hm-2(株行距2 m×3 m)。3種林分造林后管護措施一致,前3年每年5月和10月各砍草撫育1次,其中5月結合砍草施復合肥200 g·株-1。2020 年5月,參照文獻[21]在鄰近分布、立地條件相對一致的3種林分中分別建立3個20 m×20 m標準樣地,調查各樣地內樹木胸徑和樹高等林分因子。在每個樣地內按上、中、下坡各設置1個2 m×2 m樣方(共計27個樣方)進行凋落物層調查[22]。根據凋落物分解情況將凋落物層分為未分解層和半分解層,分別收集并測量各樣方未分解層和半分解層凋落物鮮質量,并采集200～300 g樣品帶回實驗室于80 ℃下烘干,測定含水率,計算凋落物蓄積量。在每個樣地內沿對角線(上、中、下坡)設置3個樣點(與樹木相距1.0 m以上),共計27個樣點,挖掘各樣點土壤剖面后按0～20、20～40和40～80 cm采集各土層土壤混合樣品,并用100 cm3不銹鋼環刀采集各土層原狀土。各樣地基本狀況見表1。

表1 樣地基本狀況Table 1 Basic information of sampling plots

1.2.2 水源涵養能力相關指標的測定 (1)凋落物。凋落物層持水能力采用室內浸泡法測定。根據凋落物中未分解層和半分解層干質量比例,將烘干后凋落物混合成50 g樣品,裝入已知質量的100目尼龍網袋并放入盛有清水的容器中,分別浸泡0、0.5、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0和24.0 h后取出,靜置5 min至無滴水時迅速測量其濕質量[9]。參照文獻[5,23]計算凋落物持水率、吸水速率、最大持水量(飽和持水量)和有效持水量(有效攔蓄量)。(2)土壤。土壤水源涵養能力指標包括土壤最大持水量(飽和持水量)和有效持水量(非毛管持水量),參照《森林土壤水分—物理性質的測定》[24]進行測定和計算。

1.3 數據處理

采用Excel 2013進行數據的整理、計算和作圖,運用SPSS 22.0進行單因素方差分析和差異性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同林分類型凋落物層水源涵養能力分析

2.1.1 蓄積量 從表2可見,不同林分類型凋落物總蓄積量間存在顯著差異(P<0.05),表現為:馬尾松紅錐混交林(6.70 t·hm-2)>紅錐純林(5.48 t·hm-2)>馬尾松純林(4.52 t·hm-2),各林分類型凋落物現存量中未分解層和半分解層占比分別在57.12%～72.57%和27.43%～42.88%之間,其中半分解層占比最高為紅錐純林,最低為馬尾松純林。

表2 不同林分類型凋落物蓄積量1)Table 2 Litter accumulation in different stand types

2.1.2 持水率 從表3可見,隨浸泡時間延長,3種林分類型凋落物持水率均呈現先迅速增長后緩慢增加并逐漸達到飽和狀態的趨勢。不同浸泡時間下均以紅錐純林的持水率最大,其次是馬尾松紅錐混交林,馬尾松純林最小。浸泡過程中,3種林分類型凋落物持水率在0～0.5 h快速提高,浸泡2 h后各林分凋落物持水率達到最大持水率的75%以上;2～8 h持水率增速逐漸降低,8～10 h增速逐漸平緩,至24 h達到最大值,此時3種林分類型凋落物持水率表現為:紅錐純林(335.8%)>馬尾松紅錐混交林(310.5%)>馬尾松純林(252.3%)。

表3 不同林分類型凋落物持水率Table 3 Water-holding capacity of litter in different stand types

將3種林分類型凋落物持水率(WA)與浸泡時間(t)進行擬合,兩者關系符合WA=aln(t)+b方程式。式中,a為方程系數,b為方程常項數,各林分類型持水率關系式的相關系數均大于0.850(表4)。

表4 不同林分類型凋落物持水率(WA)與浸泡時間(t)的回歸擬合方程Table 4 Regression fitting equations of litter water-holding capacity (WA) and soaking time (t) of different stand types

2.1.3 吸水速率 從表5可見,3種林分類型凋落物的吸水速率均隨浸泡時間延長而下降,表現出與凋落物持水率相反的變化趨勢。浸水后0.5 h凋落物吸水速率較大,之后至10 h吸水速率隨浸泡時間的延長而逐漸下降,10 h后凋落物吸水速率緩慢下降,其原因可能是隨著浸泡時間的延長,凋落物持水量趨于飽和且達到最大持水量,凋落物的吸水速率也趨于穩定。

表5 不同林分類型凋落物吸水速率Table 5 Water absorption rate of litter from different stand types

2.1.4 持水性能 凋落物的水源涵養能力主要體現在最大持水量和有效持水量。從圖1可見,3種林分類型凋落物最大持水量在11.41～20.80 t·hm-2之間,表現為:馬尾松紅錐混交林(20.80 t·hm-2)>紅錐純林(18.37 t·hm-2)>馬尾松純林(11.41 t·hm-2),其中馬尾松紅錐混交林和紅錐純林凋落物最大持水量與馬尾松純林均存在顯著差異(P<0.05);不同林分類型凋落物有效持水量表現為:馬尾松紅錐混交林(15.60 t·hm-2)>紅錐純林(14.14 t·hm-2) >馬尾松純林(8.68 t·hm-2),其中馬尾松紅錐混交林和紅錐純林最大持水量與馬尾松純林均存在顯著差異。

圖1 不同林分類型凋落物持水性能比較Figure 1 Comparison of water-holding capacity of litter from different stand types

2.2 不同林分類型土壤層水源涵養能力分析

2.2.1 土壤物理性質 從表6可見,不同林分類型土壤容重均隨土層深度的增加逐漸增大,但各土層土壤容重間的差異逐漸減小。不同林分類型0～20 cm和20～40 cm土層土壤容重均表現為:馬尾松純林>紅錐純林>馬尾松紅錐混交林。不同林分類型土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度均隨土層深度增加呈現逐漸下降趨勢。在0～20 cm和20～40 cm土層,土壤非毛管孔隙度和總孔隙度均表現為:馬尾松紅錐混交林>紅錐純林>馬尾松純林,其中馬尾松紅錐混交林的非毛管孔隙度顯著高于紅錐純林和馬尾松純林。不同林分類型40～80 cm土層土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度均較小,但均以馬尾松紅錐混交林最大?？傮w上看,不同林分類型土壤容重與孔隙度的差異均呈現隨土層深度增加而逐漸減小的變化趨勢。

表6 不同林分類型土壤物理性質1)Table 6 Soil physical properties of different stand types

2.2.2 土壤持水能力 土壤最大持水量由毛管孔隙與非毛管孔隙的水分貯蓄量構成,反映了土壤的水分調蓄能力[25]。非毛管孔隙大小決定了土壤有效持水量的高低,是土壤持水能力強弱的重要表征。從表7可見,3種林分類型土壤層(0～80 cm)最大持水量和有效持水量分別為3 570.27～3 730.94和340.61～395.83 t·hm-2;不同林分類型各土層土壤最大持水量總體上以馬尾松紅錐混交林最大,其次是紅錐純林,馬尾松純林最小;各土層土壤有效持水量均表現為:馬尾松紅錐混交林>紅錐純林>馬尾松純林,其中馬尾松紅錐混交林和紅錐純林0～20 cm和20～40 cm土層的有效持水量均顯著高于馬尾松純林?？傮w來看,各林分類型土壤最大持水量和有效持水量均隨土層深度增加呈現減少趨勢,且各林分間的差異也隨之減小。

表7 不同林分類型凋落物和土壤蓄水能力比較1)Table 7 Comparison of water conservation capacity of litter and soil from different stand types t·hm-2

2.3 不同林分類型凋落物和土壤的總持水能力比較

林地的總持水能力由凋落物層和土壤層持水能力構成,其中凋落物層和土壤層的總最大持水量可用于評估林地的理論水源涵養能力。由于林地的實際水源涵養能力往往小于理論值,因此用林地的總有效持水量更能反映其實際水源涵養能力[6]。從表7可見,3種林分類型中以馬尾松紅錐混交林的總最大持水量(3 751.74 t·hm-2)最大,分別比紅錐純林(3 646.45 t·hm-2)和馬尾松純林(3 581.70 t·hm-2)提高105.29和170.34 t·hm-2;不同林分類型的土壤層最大持水量占比均在98.5%以上。林地總有效持水量大小依次為:馬尾松紅錐混交林(411.45 t·hm-2)>紅錐純林(387.98 t·hm-2)>馬尾松純林(349.24 t·hm-2),其中馬尾松紅錐混交林與馬尾松純林的總有效持水量之間存在顯著差異;不同林分類型土壤層有效持水量占比均超過96.0%。

3 討論與結論

凋落物層的水源涵養功能主要通過其蓄積量和持水能力體現,其中蓄積量是凋落物在凋落和分解之間動態平衡的結果,主要取決于凋落物的輸入量、分解速度和累積年限[4]。森林的樹種組成及林地所處的水熱條件均會對凋落物蓄積量產生較大影響[18]。凋落物層持水能力既與其現存量有關,同時也受到凋落物的分解程度即未分解層與半分解層組成比例的影響。由于針葉林凋落物中含有較多難分解的木質素、纖維素、單寧和酚類等物質,致使其分解緩慢,未分解占比較高,使得其持水性能低于較易分解且半分解占比較高的闊葉林凋落物[5]。本研究中,3個林分類型凋落物層現存量以馬尾松紅錐混交林最大,其次是紅錐純林,最小是馬尾松純林,呈現針闊混交林>闊葉林>針葉林的變化趨勢,與侯貴榮等[25]對山西吉縣蔡家川流域刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabuliformis)純林及其混交林的研究結果一致,但與程唱等[10]對青海省大通縣云杉(Populuscathayana)、青楊(Populuscathayana)純林及其混交林的研究結果(云杉林>云杉—青楊混交林>青楊林),以及李陽等[26]對黃浦江中游凋落物現存量的研究結果(針葉林>闊葉林)不同。從3種林分類型凋落物組成中半分解層占比看,紅錐闊葉林和馬尾松紅錐混交林的占比較大,馬尾松純林較小,其原因主要與馬尾松凋落物所具有針葉林凋落物難分解特性有關[11]。因此,在3種林分類型的凋落物持水性能中,由于馬尾松紅錐混交林的凋落物現存量最大且半分解層的占比較高,其最大持水量和有效持水量也最大;馬尾松純林的凋落物現存量和半分解層占比均較小,使得其最大持水量和有效持水量最小,這與侯貴榮等[25]對山西吉縣蔡家川流域的研究結果(油松—刺槐混交林>刺槐純林>油松純林)也一致?？傮w上看,馬尾松與紅錐混交不但可以促進2個樹種生長發育,增加地表凋落物現存量,而且由針、闊葉樹的枯枝、落葉等混合組成的凋落物層,會形成更復雜的空間結構[9],其分解和腐殖化速率也有所加快,從而在一定程度上提高了水分攔蓄能力。因此,馬尾松紅錐混交林比單一馬尾松純林或紅錐純林對水源涵養更為有利。

土壤是森林貯存水分的最主要場所,土壤容重和孔隙度直接影響其通氣和透水性能,是土壤貯存水分能力的重要因素[3]。受地表凋落物腐殖化作用和林木活根的分泌及死根系腐解作用形成有機物質的影響,本研究中3種林分類型的土壤容重均表現出隨土層深度增加而下降的變化趨勢。在0～20 cm和20～40 cm土層,均以馬尾松紅錐混交林土壤容重最小,土壤總孔隙度和非毛管孔隙度最大,說明其土壤通氣透水性良好,主要原因是馬尾松與紅錐形成針闊混交林的凋落物層現存量大且分解程度高,加上林木生長量大、根系比較發達,促進了土壤有機質的形成,從而改善表層土壤的容重和孔隙狀況。而馬尾松人工林土壤容重較大、孔隙度較小,使得其土壤較緊實、通氣透水性能較差,這與馬尾松純林中的林木及其根系生長較差,凋落物少且分解程度低有關。從林地土壤水源涵養性能來看,土壤孔隙狀況是決定其貯存水分能力的重要因素,毛管孔隙使土壤具有貯水性能,非毛管孔隙使土壤具有透水性能,能快速容納降雨并及時下滲,減少地表徑流產生[9]。毛管孔隙與非毛管孔隙的水分貯蓄量之和構成最大持水量,是土壤水分調蓄能力大小的體現;非毛管孔隙的水分貯蓄量大小反映了土壤有效持水量的多少[4]。研究區3種林分類型(0～20 cm和20～40 cm土層)土壤最大持水量和有效持水量均以馬尾松紅錐混交林最大,其次是紅錐純林,馬尾松純林最小,即針闊混交林>闊葉樹純林>針葉樹純林,與侯貴榮等[25]對山西吉縣蔡家川流域研究的結果一致。說明與馬尾松和紅錐純林相比,馬尾松紅錐混交林通過較豐富的凋落物及其易分解性形成腐殖質進而增加土壤有機質,同時也改善了土壤結構和孔隙性狀[27],提高土壤水源涵養能力。

以凋落物及土壤總最大持水量和總有效持水量作為林地水源涵養能力的評價指標,本研究3種林分類型林地總最大持水量在3 581.70～3 751.74 t·hm-2之間,且各林分類型間差異不顯著;不同林分類型土壤層最大持水量占比均在98.5%以上。3種林分類型總有效持水量大小依次為:馬尾松紅錐混交林(411.45 t·hm-2)>紅錐純林(387.98 t·hm-2)>馬尾松純林(349.24 t·hm-2),其中馬尾松紅錐混交林與馬尾松純林的總有效持水量之間存在顯著差異;不同林分類型土壤層有效持水量在林地總有效持水量占比均超過96.0%?？梢?凋落物層和土壤層總最大持水量和總有效持水量均以馬尾松紅錐混交林最大,紅錐純林次之,馬尾松純林最小。比較凋落物和土壤兩個層次持水能力發現,凋落物最大持水量和有效持水量的占比均不高。因此,從總體上看,土壤層仍然是林地水源涵養的主體,在林地保持水土和涵養水源中發揮著主導作用。