杜姣姣, 周運(yùn)超, 白云星, 張薰元

(貴州大學(xué) 貴州省森林資源與環(huán)境研究中心/林學(xué)院 貴州省高原山地林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴陽 550025)

森林土壤作為森林涵養(yǎng)水源的主體，其持水量可占總體涵養(yǎng)水量的85%以上，在調(diào)節(jié)水分循環(huán)方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。森林土壤的水文物理性質(zhì)是森林水源涵養(yǎng)功能的重要評價(jià)指標(biāo)，其主要體現(xiàn)在涵蓄降雨、阻延徑流和防洪減災(zāi)等方面[3]。森林土壤的水文物理性質(zhì)普遍存在時(shí)空異質(zhì)性和環(huán)境異質(zhì)性[4]，其影響因素主要包括地形地貌、土壤特征、降雨差異和植被類型。對于人工林生態(tài)系統(tǒng)而言，營林措施會改變林分空間結(jié)構(gòu)和環(huán)境因子，造成土壤涵養(yǎng)水源能力發(fā)生改變[5]。因此，探究人工林土壤的水文物理效應(yīng)對于森林涵養(yǎng)水源功能的提升與調(diào)控手段具有重要意義。

土壤容重與孔隙度是土壤物理特性的重要指標(biāo)，容重大小是土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和孔隙等物理性狀的綜合表現(xiàn)，而孔隙度能夠反映土壤通透程度，其中毛管孔隙和非毛管孔隙分別使土壤具有儲水性能和透水性能[6]。植被是土壤物理—水文效應(yīng)的主要調(diào)節(jié)者[7]，通?；旖涣直葐我粯浞N林分具有更高的土壤生態(tài)功能[8]。闊葉林地表枯落物含量分解速率通常大于針葉林，針闊混交林有利于凋落物的分解和養(yǎng)分釋放，能夠改善針葉林地力衰退并提高土壤水源涵養(yǎng)能力[9-10]。例如，針闊混交林能降低土壤容重并提高土壤孔隙度，從而直接影響土壤最大持水量，有效持水量和土壤滲透速率，其土壤拒水性顯著低于純林[11-13]。然而，不同樹種間存在生物特性和林分結(jié)構(gòu)差異[14-15]，物質(zhì)周轉(zhuǎn)和養(yǎng)分歸還能力對不同植被響應(yīng)也有所不同，導(dǎo)致營造針—闊混交林對于土壤水文物理性質(zhì)可能存在正效應(yīng)或負(fù)效應(yīng)[16]。因此，充分認(rèn)知和定量評價(jià)不同類型針—闊林分的水文物理性質(zhì)，對針葉林闊葉化經(jīng)營和水資源的科學(xué)管理與應(yīng)用具有重要意義。

馬尾松(Pinusmassoniana)是中國特有鄉(xiāng)土樹種，其適應(yīng)能力強(qiáng)，耐干旱，是南方荒山綠化造林的主要樹種，面積高達(dá)1.13×107hm2[17]。經(jīng)過十多年的退耕還林治理，我國南方已形成以馬尾松人工林為主的水土流失初步治理區(qū)，但馬尾松純林林分結(jié)構(gòu)單一且生物多樣性較差，其林下水土流失仍較為嚴(yán)重[18]。馬尾松人工純林所引起的土壤退化已成為中國南方最嚴(yán)重的退化生態(tài)問題之一[19-20]。如何通過林分改造提高馬尾松人工林水源涵養(yǎng)功能成為當(dāng)前亟需解決的問題。據(jù)報(bào)道，針葉人工林補(bǔ)植闊葉樹種能顯著改善土壤衰退現(xiàn)象[21]，但其機(jī)理尚未得到充分認(rèn)知，且不同闊葉樹種間所帶來的土壤水文物理效應(yīng)差異尚未得到評估，因此，篩選適宜林分補(bǔ)植的闊葉樹種顯得尤為重要?；诖耍狙芯繑M解決以下科學(xué)問題：(1) 馬尾松人工林土壤物理及水文效應(yīng)如何響應(yīng)不同闊葉樹種的引入；(2) 在馬尾松人工林闊葉化改造中，如何選擇樹種以達(dá)到提升土壤蓄水保墑的目的。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省龍里林場，地理位置為北緯26°22′—26°45′，東經(jīng)106°45′—107°11′，處于苗嶺山脈中段，長江流域?yàn)踅蹬c珠江流域紅水河水系的分水嶺，烏江三級支流三元河從林區(qū)流過，地勢西北高、東南低，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年均氣溫14.8℃，極端最高氣溫33.2℃，最低氣溫-8.5℃，降水量1 089.3 mm，相對濕度77%。龍里林場成土母巖主要為砂頁巖。土壤以黃壤為主，另有少量黃棕壤。pH值為5.5～6.5，呈微酸性。

供試馬尾松林分為1957年造林，于2004年對馬尾林進(jìn)行帶狀采伐后采用隨機(jī)套種模式引入伯樂(Bretschneiderasinensis)、桂南木蓮(Manglietiachingii)、連香(Cercidiphyllumjaponicum)、深山含笑(Micheliamaudiae)和油茶(Camelliaoleifera)5種樹種形成針闊混交林，同時(shí)以未改造的馬尾松純林為對照，在所有林分生長期間均未進(jìn)行施肥和撫育措施。2019年11月在上述5種混交林和馬尾松純林樣地內(nèi)各設(shè)置3個(gè)20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)樣地，樣地基本情況見表1。

表1 研究區(qū)基本特征

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置與樣品采集

于2019年11月在各林分的標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)采集凋落物和土壤樣品。在每個(gè)樣地順坡上、中、下各設(shè)置1個(gè)0.5 m×0.5 m小樣方，先收集地表凋落物，再選取代表性樣點(diǎn)，采用剖面法在每個(gè)樣地挖取3個(gè)土壤剖面，剖面點(diǎn)位于馬尾松與補(bǔ)植樹種1.2 m的相交處，用環(huán)刀法采集0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm，80—100 cm土壤樣品。另在各采樣點(diǎn)分層采集土壤樣品，同一樣方的同一土層充分混勻后取1 000 g作混合樣，帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定土壤理化性質(zhì)，凋落物帶回實(shí)驗(yàn)室65℃烘干至恒重并稱重，計(jì)算凋落物儲量。

2.2 土壤理化性質(zhì)和持水性能測定

土壤有機(jī)碳測定采用重鉻酸鉀消解—硫酸亞鐵銨滴定法；土壤容重、土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量和田間持水量采用環(huán)刀法(環(huán)刀體積為100 cm3)和浸水法測定；先通過浸水法測定出土壤持水量，再利用持水量值通過相關(guān)公式計(jì)算求出土壤孔隙度值[22]。水文物理公式如下:

(1)

(2)

(3)

P2=0.1×(Wt-Wc)×ρ2/ρ1×100%

(4)

P3=0.1×Wc×ρ2/ρ1×100%

(5)

P1=P2+P3

(6)

ρ2=m/V

(7)

式中:Wt為最大持水量(g/kg);Wc為毛管持水量(g/kg);Wo為田間持水量(g/kg)；P1為總孔隙度(%)；P2為非毛管孔隙度(%)；P3為毛管孔隙度(%)；m為環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量(g)；m1為浸潤12 h后環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量(g)；m2為在干砂上擱置2 h后環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量(g)；m3為在干砂上放置3天后環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量(g);V為環(huán)刀體積(cm3)；ρ1為水的密度(1.0 g/cm3)；ρ2為土壤密度(g/cm3)。

2.3 土壤水文物理能力綜合評價(jià)

本文采用坐標(biāo)綜合評定法基于多維空間理論，將評定對象看作由多向量所決定的空間點(diǎn)，以各點(diǎn)與最佳點(diǎn)的距離對各點(diǎn)進(jìn)行比較，對多個(gè)不同量綱指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)[23]。采用此方法評價(jià)土壤水文物理性質(zhì)基本步驟為：(1) 列出原始數(shù)據(jù)表，以sij表示，其中i表示不同植被類型，j表示不同指標(biāo)；(2) 采用公式(8)將其與每一指標(biāo)中的最優(yōu)者mj作比較，組成相對值dij矩陣坐標(biāo)；(3) 采用公式(9)計(jì)算第i個(gè)處理到標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的距離；(4) 采用公式(10)求各處理到標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)距離之和M；最后按M值由小到大進(jìn)行排序，以綜合值小者為最優(yōu)。

dij=sij/mij

(8)

(9)

(10)

式中:dij為原始數(shù)據(jù)的相對值；sij為原始數(shù)據(jù)；mij為每個(gè)指標(biāo)中的最優(yōu)值;Pi為第i個(gè)處理到標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的距離。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差(One-way ANOVA)分析其土壤容重、孔隙度、持水性能的變化，并進(jìn)行LSD多重差異性檢驗(yàn)，土壤物理及持水指標(biāo)的相關(guān)分析采用相關(guān)性分析法。圖表制作采用Excel 2019和SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同闊葉樹種引入后土壤物理性質(zhì)變化

3.1.1 土壤容重的變化 土壤容重大小是土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙等物理性狀的綜合反映。從圖1可以看出，6種林分類型下土壤容重均隨土層深度的加深呈增加趨勢，從表層土壤容重來看，土壤容重大小為馬尾松+連香(1.40 g/cm3)>馬尾松純林(1.36 g/cm3)>馬尾松+木蓮(1.27 g/cm3)>馬尾松+伯樂(1.23 g/cm3)>馬尾松+油茶(1.21 g/cm3)=馬尾松+深山含笑(1.21 g/cm3)。各林分表層土壤容重均小于其余土層，以連香林分下土壤容重最大，土壤較為緊實(shí)。0—100 cm土層容重依次為馬尾松+連香(1.54/g/cm3)>馬尾松純林(1.52 g/cm3)>馬尾松+木蓮(1.51 g/cm3)>馬尾松+伯樂(1.50 g/cm3)>馬尾松+油茶(1.38 g/cm3)>馬尾松+深山含笑(1.29 g/cm3)，以深山含笑林分下土壤容重最小，土壤較為松散。

圖1 不同林分下土壤容重的變化

3.1.2 土壤孔隙特征 林地土壤的孔隙狀況是評價(jià)土壤通透性的重要指標(biāo)，土壤孔隙的大小直接影響到土壤中的水分狀況。由表2可知，在0—100 cm土層中，各林型土壤總孔隙度均值為41.57%～54.09%，依次為馬尾松+深山含笑>馬尾松+油茶>馬尾松純林>馬尾松+木蓮>馬尾松+伯樂>馬尾松+連香。平均土壤毛管孔隙度隨土層深度變化趨勢及各林型大小狀況與總孔隙度表現(xiàn)一致，總均值大小為38.56%～49.05%。與純林相比較，馬尾松+深山含笑林分類型表現(xiàn)最為突出。平均土壤毛管孔隙度隨土層深度變化趨勢及各林型大小狀況與總孔隙度表現(xiàn)一致，總均值大小為38.56%～49.05%。非毛管孔隙主要是通氣孔隙，可反映土壤通氣狀況。不同林分類型非毛管孔隙表現(xiàn)出隨土層深度的增加而減小的規(guī)律，其大小表現(xiàn)為馬尾松+深山含笑>馬尾松純林>馬尾松+油茶>馬尾松+木蓮>馬尾松+伯樂>馬尾松+連香，說明深山含笑引入后土壤較其他幾種林地土壤具有較高的通氣性能，有利于植被的生長和土壤內(nèi)氣體的交換。

3.2 不同闊葉樹種引入后土壤持水量變化

土壤持水性能是評價(jià)不同植被土壤涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)水循環(huán)的重要指標(biāo)，它反映了土壤持水、供水與調(diào)蓄能力，可用來評價(jià)土壤層的水文功能，包括最大持水量、毛管持水量和田間持水量。由表3可見，闊葉樹種引入后對最大持水量存在顯著差異(p<0.05)，各林型最大持水量表現(xiàn)為隨土層加深呈大致遞減趨勢，0—100 cm最大持水量大小依次為馬尾松+深山含笑>馬尾松+油茶>馬尾松+木蓮>馬尾松+伯樂>馬尾松純林>馬尾松+連香。除連香樹種外，其余林分表層最大持水量均大于純林，深山含笑樹種下各個(gè)土層最大持水量均大于其余林分各土層。土壤毛管持水量均值在26.44%～42.33%，其變化趨勢與最大持水量一致。田間持水量均值在25.54%～40.59%，大小依次為馬尾松+深山含笑>馬尾松+油茶>馬尾松+伯樂>馬尾松+木蓮>馬尾松純林>馬尾松+連香。

表3 不同闊葉樹種引入后土壤持水量的變化

3.3 不同闊葉樹種引入后土壤水文物理指標(biāo)相關(guān)性分析

從表4可以看出，不同林分下土壤持水量、孔隙度均與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，土壤最大持水量、毛管持水量和田間持水量與土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的相關(guān)關(guān)系達(dá)到極顯著水平(p<0.01)。

表4 闊葉樹種引入后土壤水文物理指標(biāo)相關(guān)性

3.4 不同闊葉樹種引入后土壤水文物理能力綜合評價(jià)

由表5可知，根據(jù)坐標(biāo)綜合評定法(p值表示綜合評定值)，p值越小，說明土壤物理性質(zhì)和持水性能越好，選擇土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤持水量等，總計(jì)7項(xiàng)指標(biāo)，對土壤水文物理性質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)。土壤物理性質(zhì)大小排序?yàn)轳R尾松+深山含笑>馬尾松+油茶>馬尾松純林>馬尾松+木蓮>馬尾松+伯樂>馬尾松+連香；不同林型土壤持水能力表現(xiàn)為馬尾松+深山含笑>馬尾松+油茶>馬尾松+木蓮>馬尾松+伯樂>馬尾松純林>馬尾松+連香。綜合評價(jià)大小排序?yàn)轳R尾松+深山含笑>馬尾松+油茶>馬尾松純林>馬尾松+木蓮>馬尾松+伯樂>馬尾松+連香。

表5 不同闊葉樹種引入后土壤水文物理性質(zhì)綜合評價(jià)

4 討 論

4.1 不同闊葉樹種的引入后對馬尾松人工林土壤水文物理性質(zhì)的響應(yīng)

不同造林樹種間生物學(xué)特性差異影響著林木根系生長與凋落物分解，造成不同林分間土壤有機(jī)質(zhì)輸入的差異，最終影響土壤水文物理性質(zhì)[24]。土壤毛管孔隙中的水分是土壤水分的主要貯存場所，可近似認(rèn)為土壤在枯水季節(jié)的貯水量，田間持水量則反映土壤保水能力，其大小與土壤孔隙數(shù)量和組成有密切關(guān)系[25]。

本研究表明，不同樹種引入后0—100 cm深度的土壤容重隨土層加深而增大，孔隙度則隨土壤加深而減小，這與孫艷紅等[26]對森林土壤物理性質(zhì)的研究一致，其中土壤總孔隙度變化范圍與魯紹偉等[27]對森林生態(tài)系統(tǒng)土壤總孔隙度范圍為40%～60%的研究結(jié)果相一致。引入深山含笑、油茶、木蓮和伯樂樹種后土壤毛管持水量和田間持水量分別為29.12%～42.33%和28.15%～40.28%，其持水能力均大于純林，說明林分改造后土壤的透氣透水性能有所改善，利于土壤蓄水保墑和植被良好發(fā)育，有效發(fā)揮植被的水文生態(tài)效益。一方面這可能是由于凋落物的硬度和形態(tài)等屬性通過影響土壤微生物活動、淋溶作用等制約著凋落物分解形成有機(jī)碳[28]，有機(jī)碳又結(jié)合土壤顆粒促進(jìn)了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成[29-30]，影響土壤孔隙狀況(表1)。由于革質(zhì)葉分解速率大于針葉[31]，凋落物混合后促進(jìn)其分解，使得凋落物周轉(zhuǎn)速度快，促進(jìn)養(yǎng)分釋放，適宜更多土壤動物或微生物生活，促進(jìn)了土壤孔隙的產(chǎn)生，加上根系分布的表聚性，使得表層土壤水文調(diào)節(jié)能力強(qiáng)[32-34]；另一方面由于深山含笑和油茶屬于深根性樹種[35]，根系通過穿插、擠壓改善深層土壤結(jié)構(gòu)，深層根系分泌物及根系周轉(zhuǎn)產(chǎn)生的碎屑為土壤提供了豐富的有機(jī)質(zhì)來源，有利于土壤孔隙的形成[36]。而連香屬于淺根性樹種[37]，其粗根大量位于土壤表層，而能夠改善土壤理化性質(zhì)并提高抵抗水分侵入和降水擊濺能力的主要為細(xì)根[38-39]，粗根對土壤的固持作用不及細(xì)根，因此，導(dǎo)致表層土壤結(jié)構(gòu)改善反而不及其余樹種，其次由于凋落物儲量低，在降雨時(shí)表層土壤缺乏地被物保護(hù)，造成其凋落物層未能有效地減低雨水濺蝕土壤[40]，造成土壤結(jié)構(gòu)破壞使得土壤水文調(diào)節(jié)性能大大降低。

4.2 馬尾松人工林闊葉化改造中樹種的選擇

馬尾松人工林是我國南方地區(qū)分布最廣的森林類型，在20世紀(jì)80年代初馬尾松分布面積就已占全國森林面積的14.9%[41]。然而，隨著馬尾松造林面積的迅速擴(kuò)大，單一純林經(jīng)營模式的弊端逐漸顯露，有近1/4馬尾松群落存在嚴(yán)重的林下水土流失和不同程度的退化[42]，而闊葉樹種的引入被逐漸用于改善人工林土壤水文的生產(chǎn)實(shí)踐中[21]。不同樹種由于凋落物儲量及其構(gòu)成、樹木根系生長發(fā)育和凋落物分解速率等差異，造成土壤持水能力等物理性質(zhì)會有所變化[24]，本研究針對馬尾松人工林引入了5種闊葉樹種進(jìn)行改造，其研究結(jié)果表明了樹種差異會影響土壤水文物理性質(zhì)，但并非所有闊葉樹種都適合引入改造。從土壤物理及水文效應(yīng)而言，連香凋落物松軟易分解導(dǎo)致表層有機(jī)碳含量高，但由于其淺根性導(dǎo)致土壤表層物理性質(zhì)改善并不明顯，而深山含笑樹種由于其深根性能夠從整體改善土壤物理性質(zhì)，更適合作為馬尾松人工林的引種對象，油茶次之。本文通過坐標(biāo)評價(jià)法(表5)對不同闊葉樹種下的土壤水文物理性質(zhì)進(jìn)行分析，也更好地印證了引入此樹種后更利于改善土壤物理性質(zhì)及持水能力，同時(shí)說明了并不是所有針闊混交都能較好地改善土壤水文物理性質(zhì)。因此，對于南方地區(qū)以馬尾松人工林為主的水源涵養(yǎng)林來說，引入深根性且凋落物松軟易分解的樹種能夠更好地改善林地土壤的物理結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度，提高土壤的持水能力，在造林時(shí)可作為優(yōu)選配置，促進(jìn)馬尾松林水土保持效益的發(fā)揮。

5 結(jié) 論

(1) 馬尾松人工林不同闊葉樹種引入后0—100 cm土層土壤物理性質(zhì)表現(xiàn)為深山含笑樹種下最好，連香樹種下最差；土壤容重隨著土層加深逐漸減小，其規(guī)律與土壤孔隙及有機(jī)碳規(guī)律相反。

(2) 在持水能力方面，土壤最大持水量、毛管持水量和田間持水量均隨土層的增大而呈逐漸降低趨勢，這與土壤孔隙度呈顯著正相關(guān)表現(xiàn)一致。就表層土壤而言，土壤各持水量表現(xiàn)為馬尾松+深山含笑>馬尾松+油茶>馬尾松+伯樂>馬尾松+木蓮>馬尾松純林>馬尾松+連香；0—100 cm土層最大持水量表現(xiàn)為馬尾松+深山含笑>馬尾松+油茶>馬尾松+木蓮>馬尾松+伯樂>馬尾松純林>馬尾松+連香，土壤毛管持水量與田間持水量與表層土壤持水量表現(xiàn)一致。

(3) 馬尾松人工林不同闊葉樹改造后經(jīng)坐標(biāo)綜合評定結(jié)果排序?yàn)椋厚R尾松+深山含笑(0)>馬尾松+油茶(1.034)>馬尾松純林(1.746)>馬尾松+木蓮(1.798)>馬尾松+伯樂(1.849)>馬尾松+連香(2.185)，由此可見不同闊葉引入對馬尾松人工林對土壤水文物理性質(zhì)影響有所不同，在今后以蓄水保墑為目的的馬尾松人工林闊葉化改造樹種建議選擇凋落物周轉(zhuǎn)速度快且深根性的樹種。