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        補(bǔ)植闊葉樹(shù)種對(duì)紅壤侵蝕區(qū)馬尾松林水源涵養(yǎng)功能的影響

        2020-01-10 06:18:14黃智軍馬祥慶侯曉龍

        顏 耀, 張 輝, 黃智軍, 馬祥慶,2,3, 侯曉龍,2,3

        (1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院,福建 福州 350002;2.南方紅壤區(qū)水土保持國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建 福州 350002;3.長(zhǎng)汀紅壤丘陵生態(tài)系統(tǒng)定位觀(guān)測(cè)研究站,福建 長(zhǎng)汀 366300)

        長(zhǎng)汀為我國(guó)南方紅壤侵蝕區(qū)水土流失的典型代表,經(jīng)過(guò)幾十年的治理,形成了大面積的以馬尾松(Pinusmassoniana)純林為主的初步治理區(qū),水土流失得到了一定遏制.但由于初步治理形成的馬尾松林林分結(jié)構(gòu)單一、林內(nèi)生物多樣性低下、林下植被缺失,水土流失仍較嚴(yán)重,林分水源涵養(yǎng)功能低下.因此,如何通過(guò)林分改造提高馬尾松林水源涵養(yǎng)功能成為當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題.

        不同林分類(lèi)型的水源涵養(yǎng)能力存在一定差異[1-3],且不同植被類(lèi)型的土壤水源涵養(yǎng)功能也有顯著不同.研究表明,闊葉林的水源涵養(yǎng)功能普遍高于針葉林[4-5],如闊葉林土壤蓄水量高于針葉林,且闊葉林林冠水分截留量也高于針葉林[6].混交林通常比林分結(jié)構(gòu)單一的純林有更高水平的生態(tài)系統(tǒng)功能[7].研究表明,通過(guò)在針葉林內(nèi)營(yíng)造針闊混交林可提高林分水源涵養(yǎng)功能[8-10].但因不同闊葉樹(shù)生物學(xué)特性的差異,補(bǔ)植不同的闊葉樹(shù)對(duì)林分水源涵養(yǎng)功能的影響不同[11].因此,篩選適宜不同立地條件林分改造的闊葉樹(shù)種顯得尤為重要.

        目前,補(bǔ)植不同闊葉樹(shù)種對(duì)紅壤侵蝕區(qū)馬尾松林水源涵養(yǎng)功能的影響尚不清楚.鑒于此,以長(zhǎng)汀紅壤侵蝕初步治理區(qū)的馬尾松純林為研究對(duì)象,在參考當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土樹(shù)種的基礎(chǔ)上,選擇楓香(Liquidambarformosana)、馬褂木(Liriodendronchinense)和油桐(Verniciafordii)3種闊葉樹(shù)種對(duì)馬尾松純林進(jìn)行林分改造,研究闊葉樹(shù)補(bǔ)植對(duì)馬尾松林水源涵養(yǎng)功能的影響,以期為紅壤侵蝕區(qū)馬尾松林的林分改造提供依據(jù).

        1 試驗(yàn)地與方法

        1.1 試驗(yàn)地概況

        試驗(yàn)地位于福建省長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn),地理位置東經(jīng)116°00′45″—116°39′20″、北緯25°18′40″—26°02′05″,地處武夷山脈南麓,地形以丘陵、低山為主,土壤為花崗巖發(fā)育的砂質(zhì)紅壤,土層薄,保水保肥能力差,不利于植被生長(zhǎng).水熱資源豐富,降水多集中在3—9月,屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候.喬木層以20世紀(jì)80年代飛播形成的馬尾松林為主,林下草種以芒萁(Dicranopterisdichotoma)和寬葉雀稗(Paspalumwettsteinii)為主,灌木層分布少許胡枝子(Lespedezabicolor)和赤楠(Syzygiumbuxifolium).林分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,林下地表裸露,水源涵養(yǎng)功能低下.

        1.2 樣地設(shè)置

        2013年3月,在試驗(yàn)地內(nèi)選取立地條件(海拔高度322~367 m,坡度20°~25°)和植被類(lèi)型基本一致的坡面,根據(jù)隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)[12],在平均株高為3.5 m、密度為360株·hm-2的馬尾松林內(nèi)分別補(bǔ)植楓香、馬褂木、油桐3種闊葉樹(shù),同時(shí)以無(wú)補(bǔ)植闊葉樹(shù)的馬尾松純林為對(duì)照(圖1).布設(shè)的樣方面積為20 m×20 m,每塊樣方內(nèi)隨機(jī)補(bǔ)植20株闊葉樹(shù).油桐、馬褂木和楓香苗木的胸徑為3 cm,株高為2 m.補(bǔ)植造林采取塊狀整地,種植穴規(guī)格為100 cm×80 cm×80 cm,種植穴周?chē)? m2內(nèi)除草松土,挖明穴,施鈣鎂磷肥500 g·穴-1,回表土.2016年7月調(diào)查及取樣.

        1.3 測(cè)定方法

        1.3.1 林冠層水分截留量測(cè)定方法 采用每木檢尺法測(cè)定喬木層樹(shù)木的株高(H)和胸徑(D),根據(jù)亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域?qū)?yīng)樹(shù)種的相關(guān)回歸方程,分別計(jì)算馬尾松和闊葉樹(shù)枝、葉、干生物量(W),即喬木層地上部分生物量(除樹(shù)皮外).馬尾松生物量參照吳守蓉等[13]的回歸方程:W枝=0.101 8D1.636 4,W葉=0.244 3D0.992 9,W干=0.039 5D0.931 8.馬褂木生物量參照黃韜等[14]的回歸方程:W枝=0.001 653D3.229 674,W葉=0.001 489D2.676 738,W干=0.024 26(D2H)0.942 303.油桐生物量參照何方等[15]的回歸方程:W枝=0.003 981 56(D2H)1.280 46,W葉=0.021 086(D2H)0.748 89,W干=0.016 615(D2H)0.965 14.楓香生物量參照錢(qián)國(guó)欽[16]的回歸方程:W枝=0.082 5(D2H)0.649,W葉=1.083 6(D2H)0.216 6,W干=1.598 8e0.277 2D.

        選取馬褂木、楓香、油桐及馬尾松平均木各3株,在各平均木的中部靠下坡方向采集健康的枝條各2根,共取24根枝條.采用室內(nèi)浸泡法測(cè)定其持水率,計(jì)算公式[17]:Ro/%=(Go-Gd)/Gd×100;Rhmax/%=(G24-Gd)/Gd×100;Rsv=0.85Rhmax-Ro.式中:Ro、Rhmax、Rsv分別表示樣品的自然含水率、最大持水率、有效攔蓄率;Go、G24、Gd分別表示樣品自然狀態(tài)的質(zhì)量(g)、浸泡24 h后的質(zhì)量(g)、烘干后的質(zhì)量(g).

        1.3.2 灌草層和枯落物層水分?jǐn)r蓄量測(cè)定方法 采用“S”形取樣法在每個(gè)樣方內(nèi)設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的小樣方,收集小樣方內(nèi)全部草灌木(高度小于3 m),并按未分解層和半分解層收集小樣方內(nèi)全部枯落物,分別稱(chēng)取鮮重后,在85 ℃下烘干至恒重,根據(jù)含水量推算單位面積內(nèi)的草灌木及枯落物的現(xiàn)存量.用浸泡法測(cè)定草灌木和枯落物的持水能力,持水率計(jì)算公式同1.3.1.

        1.3.3 土壤層蓄水量測(cè)定方法 在每個(gè)樣方內(nèi)按上、中、下坡取3個(gè)剖面,分別按0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm土層深度,用200 cm3規(guī)格的環(huán)刀取土樣,測(cè)定土壤孔隙狀況,計(jì)算土壤蓄水量[17].計(jì)算公式:Wt/(t·hm-2)=10 000Pth;Wc/(t·hm-2)=10 000Pch;Wo/(t·hm-2)=10 000Poh.式中:Wt、Wc、Wo分別表示土壤的飽和蓄水量、毛管蓄水量、有效蓄水量;Pt、Pc、Po分別表示土壤的總孔隙度(%)、毛管孔隙度(%)、非毛管孔隙度(%);h為土層厚度(m).

        1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

        運(yùn)用Microsoft Excel 2007整理數(shù)據(jù),用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用單因素方差分析方法檢驗(yàn)顯著性(P<0.05),采用LSD分析方法進(jìn)行多重比較.采用origin軟件制圖.

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同補(bǔ)植處理的馬尾松林生物量比較

        補(bǔ)植油桐和馬褂木的馬尾松林平均株高和平均胸徑均顯著大于無(wú)補(bǔ)植的馬尾松林,而3種闊葉樹(shù)的平均株高和平均胸徑無(wú)顯著差異(除馬褂木平均株高外),說(shuō)明補(bǔ)植闊葉樹(shù)可以提高馬尾松林的樹(shù)高和胸徑.喬木層地上部分生物量(除樹(shù)皮外)排序?yàn)檠a(bǔ)植楓香>補(bǔ)植油桐>補(bǔ)植馬褂木>無(wú)補(bǔ)植.3種闊葉樹(shù)補(bǔ)植處理的灌草層生物量均高于無(wú)補(bǔ)植,但差異不顯著.補(bǔ)植油桐和補(bǔ)植馬褂木的枯落物層現(xiàn)存量顯著高于無(wú)補(bǔ)植,補(bǔ)植楓香的枯落物層現(xiàn)存量也高于無(wú)補(bǔ)植,但差異不顯著(表1).不同闊葉樹(shù)補(bǔ)植的林分地上部分總生物量(除樹(shù)皮外)與枯落物層現(xiàn)存量總和排序?yàn)檠a(bǔ)植油桐>補(bǔ)植楓香>補(bǔ)植馬褂木>無(wú)補(bǔ)植,說(shuō)明補(bǔ)植不同闊葉樹(shù)對(duì)馬尾松林生物量的影響存在差異.

        1)表中枝、葉、干生物量為馬尾松和闊葉樹(shù)對(duì)應(yīng)器官的生物量之和.數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,同列數(shù)據(jù)后附不同小寫(xiě)字母者表示差異顯著(P<0.05),附相同小寫(xiě)字母者表示差異不顯著(P>0.05).

        2.2 不同補(bǔ)植處理的馬尾松林持水能力分析

        2.2.1 林冠層水分截留量比較 不同樹(shù)種林冠層的持水能力差異顯著,馬褂木和楓香林冠層的自然含水率、最大持水率和有效攔蓄率均顯著高于油桐和馬尾松.其中,油桐、馬褂木、楓香林冠層的自然含水率分別為馬尾松的1.08、2.02、1.35倍,且最大持水率分別為馬尾松的1.09、2.28、1.45倍.油桐、馬褂木、楓香、馬尾松林冠層對(duì)水分的有效攔蓄率排序?yàn)轳R褂木>楓香>油桐>馬尾松(圖2A),這說(shuō)明闊葉樹(shù)林冠層對(duì)水分的截留能力高于馬尾松.

        補(bǔ)植楓香和油桐均顯著提高了馬尾松林冠層水分最大截留量和有效截留量,其中,補(bǔ)植楓香的林冠層最大截留量和有效截留量分別為無(wú)補(bǔ)植的2.09和2.28倍,補(bǔ)植油桐的林冠層最大截留量和有效截留量均為無(wú)補(bǔ)植的1.79倍.補(bǔ)植馬褂木也提高了馬尾松林冠層水分最大截留量和有效截留量,但效果不顯著,其林冠層最大截留量和有效截留量分別為無(wú)補(bǔ)植的1.23和1.25倍(圖2B).這說(shuō)明補(bǔ)植不同闊葉樹(shù)對(duì)馬尾松林冠層水分截留量的影響不同.

        2.2.2 灌草層水分?jǐn)r蓄量比較 不同補(bǔ)植處理對(duì)馬尾松林灌草層自然含水率和最大持水率無(wú)顯著影響,補(bǔ)植油桐、馬褂木和楓香的灌草層最大持水率分別為無(wú)補(bǔ)植的1.13、1.08和1.05倍.補(bǔ)植馬褂木的馬尾松林灌草層水分有效攔蓄率顯著高于無(wú)補(bǔ)植,補(bǔ)植其他2種闊葉樹(shù)的灌草層有效攔蓄率也高于無(wú)補(bǔ)植,但無(wú)顯著差異(圖3A).這說(shuō)明補(bǔ)植油桐和楓香可能對(duì)馬尾松林下灌草物種多樣性的影響不顯著.補(bǔ)植3種闊葉樹(shù)均提高了馬尾松林灌草層最大持水量和有效攔蓄量,但效果不顯著.補(bǔ)植油桐的灌草層最大持水量最高,為3.85 t·hm-2,補(bǔ)植馬褂木的灌草層有效攔蓄量最大,為1.58 t·hm-2(圖3B).

        2.2.3 枯落物層水分?jǐn)r蓄量比較 不同補(bǔ)植處理對(duì)枯落物層自然含水率、最大持水率和有效攔蓄率的影響均不顯著(圖4A),說(shuō)明闊葉樹(shù)枯落物現(xiàn)存量較低,未對(duì)枯落物層組成產(chǎn)生顯著影響.3種闊葉樹(shù)補(bǔ)植均提高了馬尾松林枯落物層最大持水量和有效攔蓄量.其中,補(bǔ)植油桐的效果最顯著,其枯落物層的最大持水量和有效攔蓄量分別為4.49和3.29 t·hm-2(圖4B).

        2.2.4 土壤層蓄水量比較 不同補(bǔ)植處理對(duì)土壤孔隙性狀的影響不顯著,但均提高了馬尾松林下土壤非毛管孔隙度和土壤總孔隙度.其中,補(bǔ)植馬褂木的土壤總孔隙度最高,為43.84%(圖5A).3種闊葉樹(shù)補(bǔ)植均提高了土壤飽和蓄水量和有效蓄水量,但效果不顯著,且土壤毛管蓄水量也無(wú)顯著差異(圖5B).

        2.3 不同補(bǔ)植處理的馬尾松林水源涵養(yǎng)功能比較

        3種闊葉樹(shù)補(bǔ)植均提高了馬尾松林地上部分的水源涵養(yǎng)能力.其中,補(bǔ)植油桐和楓香顯著提高了馬尾松林地上部分水分?jǐn)r蓄能力,其最大攔蓄量分別為24.24和24.12 t·hm-2,其有效攔蓄量分別為8.48和7.87 t·hm-2(表2).

        補(bǔ)植3種闊葉樹(shù)均提高了馬尾松林分最大攔蓄量和有效攔蓄量.按最大攔蓄量進(jìn)行排序,結(jié)果為補(bǔ)植馬褂木>補(bǔ)植楓香>補(bǔ)植油桐>無(wú)補(bǔ)植,按有效攔蓄量進(jìn)行排序,結(jié)果為補(bǔ)植馬褂木>補(bǔ)植油桐>補(bǔ)植楓香>無(wú)補(bǔ)植(表2).土壤層有效攔蓄量占林分有效攔蓄量的98.70%~99.28%,說(shuō)明土壤層在林分水源涵養(yǎng)方面起主要作用.

        表2 不同補(bǔ)植處理的馬尾松林地上部分及林分總水分?jǐn)r蓄量1)Table 2 Water retention for the aboveground part and total P.massoniana forest after replanting different types of broad-leaved trees

        1)數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,同列數(shù)據(jù)后附不同小寫(xiě)字母者表示差異顯著(P<0.05),附相同小寫(xiě)字母者表示差異不顯著(P>0.05).

        3 討論與結(jié)論

        補(bǔ)植闊葉樹(shù)可提高長(zhǎng)汀紅壤侵蝕初步治理區(qū)馬尾松純林水源涵養(yǎng)功能,且補(bǔ)植馬褂木和油桐效果最好.由于闊葉樹(shù)與馬尾松林構(gòu)成了不同的林冠結(jié)構(gòu),增加了林冠層的復(fù)雜性,提高了林冠截留雨水的能力,因此,補(bǔ)植闊葉樹(shù)的馬尾松林冠層水分截留量顯著提高(圖2B).補(bǔ)植闊葉樹(shù)也增加了馬尾松林內(nèi)枯落物現(xiàn)存量及其組成的復(fù)雜性,降低了雨滴濺蝕程度和減緩了地表徑流,防治水土流失,提高了枯落物層的水源涵養(yǎng)能力(圖4).王棣等[18]也認(rèn)為純闊葉林的枯落物持水性比針葉林差,針葉與闊葉的混合枯落物比單一的針葉或闊葉枯落物更有利于水源涵養(yǎng),這可能是因?yàn)獒樔~和闊葉組成了更為復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu),提高了水分?jǐn)r蓄能力.林內(nèi)水土流失得到一定程度的控制,促進(jìn)了馬尾松林下植被生長(zhǎng),提高了林下生物量,因此,補(bǔ)植闊葉樹(shù)的馬尾松林草灌層水分?jǐn)r蓄量高于馬尾松純林;但由于補(bǔ)植時(shí)間較短,可能未對(duì)林下植被生長(zhǎng)產(chǎn)生足夠的影響,故補(bǔ)植闊葉樹(shù)與無(wú)補(bǔ)植的草灌層水源涵養(yǎng)能力差異不顯著(圖3).結(jié)合林冠層、草灌層和枯落物層分析,補(bǔ)植油桐對(duì)提升馬尾松林地上部分水源涵養(yǎng)功能的效果最好.本研究還發(fā)現(xiàn),補(bǔ)植不同闊葉樹(shù)后,0~100 cm土層土壤水源涵養(yǎng)能力差異不顯著(圖5),這可能與補(bǔ)植時(shí)間較短有關(guān).秦嘉海等[19]研究發(fā)現(xiàn),針葉林的土壤孔隙狀況及蓄水量均優(yōu)于闊葉林;而孫浩等[20]研究發(fā)現(xiàn),闊葉林更有利于改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤水源涵養(yǎng)量.造成不同結(jié)論的主要原因可能是兩個(gè)研究中的闊葉林生長(zhǎng)差異大,闊葉樹(shù)根系對(duì)土壤的擠壓、擾動(dòng)程度不同.關(guān)于補(bǔ)植闊葉樹(shù)對(duì)馬尾松土壤水源涵養(yǎng)功能的影響還需要通過(guò)延長(zhǎng)補(bǔ)植時(shí)間進(jìn)行深入研究.

        本研究主要通過(guò)補(bǔ)植闊葉樹(shù)的林分改造模式對(duì)馬尾松林進(jìn)行改造,結(jié)果表明補(bǔ)植不同的闊葉樹(shù)對(duì)長(zhǎng)汀紅壤侵蝕初步治理區(qū)馬尾松林水源涵養(yǎng)功能的影響不同,這與秦嘉海等[19]的研究結(jié)果一致.這可能是因?yàn)椴煌熑~樹(shù)的生物學(xué)特性存在差異[11].不同樹(shù)種葉片的持水性能存在顯著差異,可能與不同樹(shù)種具有不同的葉片形態(tài)性狀有關(guān),該結(jié)論與喻陽(yáng)華等[21]的研究結(jié)論一致.本研究還發(fā)現(xiàn)更大的葉面積可能對(duì)應(yīng)更強(qiáng)的持水能力(圖2A),這有待進(jìn)一步研究.佘濟(jì)云等[22]研究了馬尾松林喬—灌—草結(jié)合的改造模式,發(fā)現(xiàn)馬尾松林地上部分水源攔蓄能力和土壤貯水能力也顯著提高.不同的林分改造模式具有不同的水源涵養(yǎng)功能:喻陽(yáng)華等[21]將柏木林、撐綠竹林和火棘+莢蒾林劃分為低持水,杉木林、馬尾松+杉木林劃分為中低持水,馬尾松+柏木林、馬尾松+白櫟林劃分為中持水,絲栗栲林、白櫟林和馬尾松林劃分為高持水;還有研究指出,相比于針闊混交林,闊葉林具有更高的持水能力、土壤孔隙度以及田間持水量[23].因此,在今后的研究中應(yīng)結(jié)合多種改造措施,篩選更高效的水源涵養(yǎng)改造模式,以加快長(zhǎng)汀紅壤侵蝕初步治理區(qū)馬尾松林向闊葉林生態(tài)系統(tǒng)的演替.

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