白云星 周運超 張薰元 杜姣姣

(貴州大學林學院 貴州省森林資源與環(huán)境研究中心 貴州省高原山地林木培育重點實驗室 貴陽 550025)

全球水文通量研究發(fā)現(xiàn)，超過60%的陸地降水會以蒸發(fā)形式返回到大氣中(Rodelletal.,2015)，而在森林地區(qū)，林冠和凋落物截留水量占總降水量的15%～50%(Gerritsetal.,2010)。凋落物和土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是林地有機質(zhì)的主要物質(zhì)庫，不僅直接參與生物地球化學循環(huán)，而且在維持生物多樣性和涵養(yǎng)水源功能上也發(fā)揮著重要作用(Molinaetal.,2018;Zhuetal.,2019)，其中凋落物層截留水量可能比林冠層高出2倍(Gerritsetal.,2007)，整個土壤層能夠調(diào)配約90%的大氣降水(潘春翔等，2012)。凋落物的產(chǎn)生和分解受樹種組成影響，并通過調(diào)節(jié)物質(zhì)周轉(zhuǎn)和養(yǎng)分歸還使土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化(Seitzetal.,2015;Bahnmannetal.,2018)，進而影響土壤的蓄/持水能力(聶澤旭等，2020)和森林水文循環(huán)過程及土壤抵抗水蝕的能力。因此，研究具體區(qū)域樹種生物學特性導(dǎo)致的凋落物和土壤涵養(yǎng)水源能力差異，對人工林涵養(yǎng)水源能力提質(zhì)增效具有重要意義。

1990年以來，全球天然林和半天然林每年約減少650萬hm2，而人工林約增加1.1億hm2(Keenanetal.,2015)。我國人工林面積約0.69億hm2，占全國林地面積的36%左右，穩(wěn)居全球第一，對提高水源涵養(yǎng)能力、改善生態(tài)環(huán)境起到了積極作用。但相比干旱、半干旱地區(qū)，亞熱帶地區(qū)增加的人工林對水資源的影響尚未被充分認知(Gomyoetal.,2016)。馬尾松(Pinusmassoniana)是亞熱帶地區(qū)的主要用材和造林樹種，耐干旱貧瘠和適應(yīng)能力強，面積達1 001萬hm2，但長期經(jīng)營中發(fā)現(xiàn)，馬尾松純林的樹種層次單一、結(jié)構(gòu)簡單、針葉化明顯，在亞熱帶季風氣候影響下會發(fā)生強烈土壤侵蝕(Guetal.,2013;Xieetal.,2013;何圣嘉等，2011)。有研究認為，將闊葉樹種引入針葉人工林可顯著改善森林穩(wěn)定性，這為亞熱帶人工林可持續(xù)經(jīng)營提供了一個新視角而且(Stone,2009)。大規(guī)模針葉林向針闊混交林轉(zhuǎn)變可能會產(chǎn)生重大水文后果，對此還缺乏研究。鑒于此，本研究探討在亞熱帶地區(qū)不同闊葉樹種引入對馬尾松人工林凋落物和土壤水源涵養(yǎng)能力的影響，以期為針闊混交林的營造和改造及其水文作用改善提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省國有龍里林場哨上工區(qū)(106°45′—107°15′E，26°10′—26°49′N)，屬中亞熱帶溫和濕潤氣候，年均氣溫15 ℃，≥10 ℃年積溫4 467.11 ℃，全年無霜期283天，年降水量1 184.17 mm，年均空氣相對濕度77%。試驗地平均海拔1 150 m，氣候溫和，冬無嚴寒，夏無酷暑，適宜很多亞熱帶和溫帶樹種生長。研究區(qū)土壤具有明顯的黃化特點，是典型的中國亞熱帶黃壤。主要喬木樹種有馬尾松、伯樂(Bretschneiderasinensis)、桂南木蓮(Manglietiachingi)、連香樹(Cercidiphyllumjaponicum)、油茶(Camelliaoleifera)和深山含笑(Micheliamaudiae)等，主要灌木樹種有火棘(Pyracanthafortuneana)、馬桑(Coriarianepalensis)、石櫟(Lithocarpusglaber)和胡枝子(Lespedezabicolor)等。主要草本植物有白茅(Imperatacylindrica)、淡竹葉(Lophatherumgracile)、鳳尾草(Pterismultifida)和鐵芒萁(Dicranopterislinearis)。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與樣品采集

研究區(qū)于1957年開展大面積馬尾松人工林營造，2004年第3、4季度對立地條件基本一致的中齡(47年)馬尾松人工純林實施相同強度間伐，并進行林下混交闊葉樹種試驗(闊葉樹種株行距為4 m×5 m，栽植1年生苗)，保留部分間伐后的人工純林。2019年11月，選擇立地條件相對一致且長期未經(jīng)人類干擾的馬尾松純林(Ⅰ)、馬尾松×伯樂(Ⅱ)、馬尾松×桂南木蓮(Ⅲ)、馬尾松×連香樹(Ⅳ)、馬尾松×油茶(Ⅴ)和馬尾松×深山含笑(Ⅵ)6種林分類型(表1)，各設(shè)置3塊20 m×20 m樣地，進行每木檢尺，實測樹高和胸徑等林分因子，并記錄樣地位置信息，盡量保證每塊樣地內(nèi)各樹種數(shù)量基本一致。

表1 樣地概況Tab.1 Survey of sample plots

在每塊樣地的上、中、下坡，各設(shè)置3個0.5 m×0.5 m樣方收集凋落物，將未分解層和半分解層分別裝入塑料袋(共324袋)，并記錄凋落物厚度和鮮質(zhì)量(Wf)，帶回實驗室測定凋落物水源涵養(yǎng)指標。在每塊樣地沿對角線選擇3個樣點(混交林選擇距針闊林木120 cm的樣點，純林選擇兩林木間120 cm的樣點)，挖掘1 m深土壤剖面(1 m以下為基巖層)，采用環(huán)刀法在0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm各土層采集原狀土壤1份，帶回實驗室測定土壤密度和孔隙度。此外，在每一層采集原狀土壤裝入硬質(zhì)塑料盒，以確保運輸過程中土壤結(jié)構(gòu)不受破壞，實驗室測定土壤團聚體含量和有機碳含量。

2.2 凋落物水源涵養(yǎng)能力相關(guān)指標測定

采用室內(nèi)浸泡法測定凋落物持水能力(Lietal.,2015;Chenetal.,2018)，即將凋落物置于85°烘箱中干燥12 h，測定干質(zhì)量；每袋凋落物的葉、枝、果和碎屑分別稱干質(zhì)量后，裝入已知質(zhì)量的多孔尼龍網(wǎng)袋并置于盛有清水的容器中浸泡，0.08、0.33、0.50、1、2、4、6、8、10、12和24 h后依次全部取出，靜置5 min，直至不滴水為止，迅速稱其濕質(zhì)量。

凋落物持水率(Ri)指凋落物儲水量與凋落物干質(zhì)量之比，計算公式為：

(1)

式中：Ri為凋落物在浸泡時間i時的持水率；W0為凋落物干質(zhì)量(t·hm-2)；Wi為凋落物在浸泡時間i后的濕質(zhì)量。

凋落物持水能力(Wm)指凋落物濕質(zhì)量隨浸泡時間增加達到飽和時的最大持水量，本研究選擇浸泡24 h后的凋落物濕質(zhì)量計算。Lee(1980)認為森林凋落物有效持水能力(有效攔蓄量)約為最大持水量的85%，計算公式為：

(2)

P=0.85×Rm-R0；

(3)

(4)

Mp=(0.85×Rm-R0)×W；

(5)

Mm=Rm×W。

(6)

式中：Rm為最大持水率(%)；P為有效攔蓄率(%)；R0為自然含水率(%)；Wf為凋落物鮮質(zhì)量(t·hm-2)；Mp為有效攔蓄量(t·hm-2)；Mm為最大持水量(t·hm-2)；W為凋落物儲量(t·hm-2)。

2.3 土壤水源涵養(yǎng)能力相關(guān)指標測定

根據(jù)《森林土壤水分-物理性質(zhì)的測定》(LY/T 1215—1999)，采用環(huán)刀法測定土壤密度和孔隙度等。土壤飽和蓄水量(Wt)(t·hm-2)、毛管蓄水量(Wa)(t·hm-2)和非毛管持水量(Wb)(t·hm-2)作為土壤水源涵養(yǎng)能力指標(孫艷紅等，2006；王利等，2015)，計算公式為：

Wt=10 000×Pt×h；

(7)

Wa=10 000×Pa×h；

(8)

Wb=10 000×Pb×h。

(9)

式中：Pt為土壤總孔隙度(%)；Pa為土壤毛管孔隙度(%)；Pb為土壤非毛管孔隙度(%)；h為土層厚度(m)。

土壤有機碳含量測定采用重鉻酸鉀氧化法。土壤團聚體分離采用干篩法，即各土樣取1 kg(精度為0.01 g)原狀土，篩分為>5、5～2、2～1、1～0.25和<0.25 mm 這5個粒徑組。采用平均質(zhì)量直徑(mean weight diameter,MWD)、幾何平均直徑(geometric mean diameter,GMD)和分形維數(shù)(fractal dimension,D)評價土壤團聚體穩(wěn)定性，計算公式為：

(10)

(11)

(12)

2.4 凋落物和土壤水源涵養(yǎng)能力評價

基于多維空間理論，采用坐標綜合評定法，將評定對象看作由多向量決定的空間點，比較各點與最佳點的距離，對多個不同量綱指標進行綜合評價(Mosley,1982)。首先對評價指標進行無量綱化處理(列出原始數(shù)據(jù)表，以sij表示，其中i表示不同處理，j表示不同指標)；其次通過式(13)將sij與每一指標中的最優(yōu)者mj作比較，形成原始數(shù)據(jù)相對值dij的矩陣坐標；然后通過式(14)計算第i種處理到標準點的距離(Pij)；最后采用式(15)求各處理到標準點距離和M，按M由小到大排序，以綜合值小者為最優(yōu)。

dij=sij/mj；

(13)

(14)

(15)

2.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 23.0軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，最小顯著法(LSD)檢驗其差異顯著性，對擬合的多元回歸關(guān)系通過統(tǒng)計學檢驗得到擬合度參數(shù)(R2),并在P<0.05水平上檢驗相關(guān)系數(shù)的顯著性。采用Canoco5.0軟件進行持水能力的冗余分析，Origin 9.0和Photoshop CS6軟件制作圖表。

3 結(jié)果與分析

3.1 凋落物特征及水源涵養(yǎng)能力

3.1.1 凋落物厚度與儲量 表2表明：不同林分類型的凋落物未分解層厚度、未分解層儲量、凋落物總厚度和凋落物總儲量存在顯著差異(P<0.05)；凋落物總厚度表現(xiàn)為馬尾松×深山含笑(Ⅵ)>馬尾松×伯樂(Ⅱ)>馬尾松×油茶(Ⅴ)>馬尾松×桂南木蓮(Ⅲ)>馬尾松純林(Ⅰ)>馬尾松×連香樹(Ⅳ)，最大為4.72 cm，最小為2.84 cm；凋落物總儲量表現(xiàn)為馬尾松純林(Ⅰ)>馬尾松×桂南木蓮(Ⅲ)>馬尾松×伯樂(Ⅱ)>馬尾松×連香樹(Ⅳ)>馬尾松×深山含笑(Ⅵ)>馬尾松×油茶(Ⅴ)，最大值為14.73 t·hm-2，最小值為9.83 t·hm-2；凋落物未分解層和半分解層儲量占總儲量的比例不同，未分解層儲量占總儲量的60.94%～78.62%，半分解層儲量占總儲量的21.38%～41.25%，各林分類型凋落物儲量均表現(xiàn)出未分解層>半分解層。

表2 不同林分類型凋落物厚度與儲量①Tab.2 Litter thickness and stock of different stands types

3.1.2 凋落物持水過程 圖1表明：浸水1 h后，馬尾松純林(Ⅰ)、馬尾松×伯樂(Ⅱ)、馬尾松×桂南木蓮(Ⅲ)、馬尾松×連香樹(Ⅳ)、馬尾松×油茶(Ⅴ)和馬尾松×深山含笑(Ⅵ)的凋落物半分解層持水率分別達131.82%、134.57%、111.10%、114.64%、84.74%和132.56%，未分解層持水率分別達148.26%、146.61%、141.90%、143.00%、94.87%和172.66%。不同林分類型，馬尾松×油茶(Ⅴ)的凋落物半分解層和未分解層持水率均為最低。

圖1 不同林分類型凋落物持水率比較Fig.1 Comparison of water holding ratio of litter of different stand types

對6種林分類型的持水率(y)與浸水時間(x)進行擬合，最佳擬合關(guān)系式為y=alnx+b，a為方程系數(shù)，b為方程常數(shù)項(表3)。

表3 不同林分類型凋落物持水率(x)與浸水時間(y)的關(guān)系Tab.3 Relationship between water holding rate (x)and immersion time (y)of litter of different stand types

3.1.3 凋落物持水能力 圖2表明：不同林分類型凋落物最大持水量和有效攔蓄量均存在差異；最大持水量表現(xiàn)為馬尾松×深山含笑(Ⅵ)(36.00 t·hm-2)>馬尾松×伯樂(Ⅱ)(35.25 t·hm-2)>馬尾松×桂南木蓮(Ⅲ)(32.38 t·hm-2)>馬尾松純林(Ⅰ)(31.67 t·hm-2)>馬尾松×連香樹(Ⅳ)(30.73 t·hm-2)>馬尾松×油茶(Ⅴ)(15.69 t·hm-2)，其中未分解層均顯著大于半分解層；有效攔蓄量表現(xiàn)為馬尾松×深山含笑(Ⅵ)(23.11 t·hm-2)>馬尾松×連香樹(Ⅳ)(18.77 t·hm-2)>馬尾松×伯樂(Ⅱ)(18.28 t·hm-2)>馬尾松×桂南木蓮(Ⅲ)(16.01 t·hm-2)>馬尾松純林(Ⅰ)(13.39 t·hm-2)>馬尾松×油茶(Ⅴ)(8.85 t·hm-2)，其中未分解層均顯著大于半分解層；馬尾松×油茶(Ⅴ)的凋落物最大持水量和有效攔蓄量均顯著(P<0.05)小于其他林分類型。

圖2 不同林分類型凋落物持水性能比較Fig.2 Comparison of water holding capacity of litter of different stand types相同凋落物層間不同小寫字母表示差異顯著(P <0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences in the mean value between the same litter layer (P <0.05).

3.2 土壤特征及水源涵養(yǎng)能力

3.2.1 土壤理化性質(zhì) 隨土層加深，不同林分類型土壤團聚體MWD和GMD增加，D減小(表4)；MWD和GMD的林分差異在0～20 cm土層更明顯，隨土層加深差異減小；在0～100 cm土層，馬尾松×深山含笑(Ⅵ)土壤團聚體穩(wěn)定性最佳，其MWD(3.96 mm)和GMD(3.11 mm)最大，D(2.28)最小。

不同林分類型土壤密度均隨土層加深而增大(表4)。0～20 cm土層土壤密度的林分差異顯著，馬尾松×連香樹(Ⅳ)最高(1.40 g·cm-3)，其次為馬尾松純林(Ⅰ)、馬尾松×桂南木蓮(Ⅲ)、馬尾松×油茶(Ⅴ)、馬尾松×伯樂(Ⅱ)、馬尾松×深山含笑(Ⅵ)，其土壤密度分別為1.36、1.27、1.26、1.23和1.15 g·cm-3；在20～40、40～60、60～80和80～100 cm土層，不同林分類型土壤密度均差異明顯，馬尾松×深山含笑(Ⅵ)的密度顯著(P<0.05)低于其他林分類型，分別為1.29、1.27、1.37和1.35 g·cm-3。在0～100 cm土層，馬尾松×深山含笑(Ⅵ)土壤密度顯著(P<0.05)小于其他林分，為1.29 g·cm-3,馬尾松純林(Ⅰ)、馬尾松×伯樂(Ⅱ)、馬尾松×桂南木蓮(Ⅲ)、馬尾松×連香樹(Ⅳ)土壤密度無明顯差異。

不同林分類型毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度均隨土層加深而逐漸減小(表4)。在0～20 cm土層，馬尾松純林(Ⅰ)和馬尾松×連香(Ⅳ)的毛管孔隙度顯著(P<0.05)低于其他4種林分(分別為44.98%和42.70%)，各林分類型間非毛管孔隙度差異較??；總孔隙度以馬尾松×深山含笑(Ⅵ)最高(55.19%)。在20～40 cm土層，馬尾松純林(Ⅰ)和馬尾松×連香樹(Ⅳ)的毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度均顯著(P<0.05)低于其他4種林分。在40～60、60～80和80～100 cm土層，不同林分類型土壤孔隙指標差異較小，但均以馬尾松×深山含笑(Ⅵ)的毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度最高。

不同林分類型土壤有機碳含量均隨土層加深逐漸減小(表4)。在0～20 cm土層，馬尾松×深山含笑(Ⅵ)和馬尾松×油茶(Ⅴ)的土壤有機碳含量顯著高于其他4種林分，分別為40.89和36.46 g·kg-1；馬尾松純林(Ⅰ)的有機碳含量最低，為18.80 g·kg-1。在20～40、40～60和60～80 cm土層，馬尾松×深山含笑(Ⅵ)的有機碳含量顯著高于其他4種林分，分別為30.82、28.76和20.43 g·kg-1。在80～100 cm土層，不同林分類型有機碳含量無顯著差異。在0～100 cm土層，土壤有機碳含量表現(xiàn)為馬尾松×深山含笑(Ⅵ)(27.38 g·kg-1)>馬尾松×油茶(Ⅴ)(17.58 g·kg-1)>馬尾松×伯樂(Ⅱ)(14.08 g·kg-1)>馬尾松純林(Ⅰ)(13.73 g·kg-1)>馬尾松×連香樹(Ⅳ)(13.42 g·kg-1)>馬尾松×桂南木蓮(Ⅲ)(11.00 g·kg-1)。

表4 不同林分類型土壤理化性質(zhì)①Tab.4 Physical and chemical properties of soil of different stand types

3.2.2 土壤蓄水性能 在0～20、20～40和40～60 cm土層，馬尾松×深山含笑(Ⅵ)和馬尾松×油茶(Ⅴ)的土壤飽和蓄水量和毛管蓄水量均顯著(P<0.05)高于其他4種林分(表5)，馬尾松×深山含笑(Ⅵ)的土壤非毛管持水量最大，分別為148.47、113.76和96.27 t·hm-2。在60～80和80～100 cm土層，馬尾松×伯樂(Ⅱ)的飽和蓄水量(732.78、785.71 t·hm-2)和毛管蓄水量(685.16、734.27 t·hm-2)顯著(P<0.05)低于其他5種林分，馬尾松×桂南木蓮(Ⅲ)的非毛管持水量最低，分別為40.20和45.09 t·hm-2。在0～100 cm土層，平均飽和蓄水量表現(xiàn)為馬尾松×深山含笑(Ⅵ)(1 081.75 t·hm-2)>馬尾松×油茶(Ⅴ)(978.59 t·hm-2)>馬尾松純林(Ⅰ)(905.45 t·hm-2)>馬尾松×桂南木蓮(Ⅲ)(886.56 t·hm-2)>馬尾松×伯樂(Ⅱ)(869.87 t·hm-2)>馬尾松×連香樹(Ⅳ)(831.31 t·hm-2)。

表5 不同林分類型土壤蓄水能力Tab.5 Soil water storage capacity of different stand types

相關(guān)性分析(表6)表明，土壤毛管蓄水量、非毛管持水量、飽和蓄水量均與土壤有機碳含量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與土壤密度和團聚體分形維數(shù)(D)顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)負相關(guān)；土壤飽和蓄水量、毛管蓄水量與團聚體幾何平均直徑(GMD)顯著正相關(guān)(P<0.05)；土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度和土壤有機碳含量極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與土壤密度極顯著負相關(guān)(P<0.01)；土壤毛管孔隙度和總孔隙度與團聚體幾何平均直徑(GMD)顯著正相關(guān)(P<0.05)，與團聚體分開(D)維數(shù)極顯著負相關(guān)(P<0.01)。

表6 土壤性質(zhì)與蓄水能力的相關(guān)性分析①Tab.6 Correlation analysis of soil properties and water storage capacity

3.3 凋落物和土壤水源涵養(yǎng)能力分析與評價

3.3.1 不同林分類型凋落物、土壤水源涵養(yǎng)能力 制約各林分類型凋落物和土壤水源涵養(yǎng)能力的主要因素可分為2類(圖3)：1)蓄水性能，包括土壤飽和蓄水量、毛管蓄水量、非毛管持水量、凋落物最大持水量和凋落物有效攔蓄量；2)土壤特性，包括土壤密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤有機碳含量和團聚體分形維數(shù)(D)。

圖3 不同林分類型凋落物和土壤持水能力的影響因素Fig.3 Factors influencing water holding capacity of litter and soil of different stand typesSD：土壤密度 Soil density；D：分形維數(shù) Fractal dimension；MWD：平均質(zhì)量直徑 Mean weight diameter；GMD：幾何平均直徑 Geometric mean diameter；SS：土壤飽和蓄水量 Soil saturated water storage；TP：總孔隙度 Total porosity；SC：土壤毛管蓄水量 Soil capillary water storage；CP：毛管孔隙度 Capillary porosity；NSH：土壤非毛管持水量 Soil non-capillary water holding capacity；NCP：非毛管孔隙度 Non-capillary porosity；SOC：土壤有機碳 Soil organic carbon；LEW：凋落物有效攔蓄量Effective water conservation capacity of litter；LMW:凋落物最大持水量Maximum water holding capacity of litter.

圖4所示為基于凋落物最大持水量和有效攔蓄量及土壤飽和蓄水量、毛管蓄水量、非毛管持水量、密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑、分形維數(shù)和有機碳含量13個指標的RDA排序。從排序軸來看，橫軸基本反映了不同林分類型凋落物、土壤水源涵養(yǎng)能力。據(jù)此，6種林分類型可劃分為3組水源涵養(yǎng)類型：1)低持水類型Ⅴ(馬尾松×油茶)，主要特征為凋落物最大持水量和有效攔蓄量較低；2)中等持水類型Ⅰ(馬尾松純林)、Ⅱ(馬尾松×伯樂)、Ⅲ(馬尾松×桂南木蓮)和Ⅳ(馬尾松×連香樹)，主要特征為土壤團聚體穩(wěn)定性及蓄水能力較差；3)高持水類型Ⅵ(馬尾松×深山含笑)，主要特征為凋落物最大持水量和有效攔蓄量較高，土壤團聚體穩(wěn)定性和物理性質(zhì)較好，土壤蓄水能力較高。

圖4 森林凋落物和土壤持水能力類型劃分Fig.4 Classification of water holding capacity of forest litter and soil

3.3.2 不同林分類型凋落物和土壤水源涵養(yǎng)能力評價 選取土壤蓄水性能(飽和蓄水量、毛管蓄水量和非毛管持水量)和凋落物攔蓄能力(未分解層和分解層的最大持水量和有效攔蓄量)作為凋落物和土壤水源涵養(yǎng)能力的評價指標。采用坐標綜合評定法，得出不同林分類型凋落物和土壤水源涵養(yǎng)能力的綜合指數(shù)，其值越小，表示水源涵養(yǎng)能力越強。由表7可知，不同林分類型凋落物和土壤水源涵養(yǎng)能力差異明顯，表現(xiàn)為馬尾松×深山含笑(Ⅵ)(0.07)>馬尾松×伯樂(Ⅱ)(1.33)>馬尾松×連香樹(Ⅳ)(1.42)>馬尾松×桂南木蓮(Ⅲ)(1.44)>馬尾松純林(Ⅰ)(1.59)>馬尾松×油茶(Ⅴ)(2.74)。

表7 不同林分類型凋落物和土壤水源涵養(yǎng)能力綜合評價Tab.7 Comprehensive evaluation of water conservation capacity of litter and soil of different stand types

4 討論

4.1 闊葉樹種混交對凋落物和土壤水源涵養(yǎng)能力的影響

本研究中，無論是凋落物未分解層還是半分解層，就其最大持水量和有效攔蓄量來說，馬尾松×深山含笑的凋落物具有最好水源涵養(yǎng)能力，其次為馬尾松×伯樂，最差的是馬尾松×油茶。整體來看，半分解層的水源涵養(yǎng)效果低于未分解層，與凋落物的質(zhì)量、厚度和分布關(guān)系有關(guān)。馬尾松純林凋落物總儲量最大(14.73 t·hm-2)，但其有效攔蓄量僅為13.39 t·hm-2，馬尾松×連香樹和馬尾松×深山含笑凋落物總儲量分別為10.86和10.00 t·hm-2，但有效攔蓄量分別達18.77和23.11 t·hm-2。單位質(zhì)量的針闊混交林凋落物有效攔蓄量與馬尾松純林有效攔蓄量比值表現(xiàn)為馬尾松×深山含笑(2.54)>馬尾松×連香樹(1.90)>馬尾松×伯樂(1.55)>馬尾松×桂南木蓮(1.21)>馬尾松×油茶(0.99)。針葉林地土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育程度較低，拒水性較強；以闊葉樹為優(yōu)勢種的森林凋落物分解程度較高，有利于減少地表徑流以及N和P流失(Nerisetal.,2013)；針闊混交林凋落物可能比單一針葉林或闊葉林更有利于水源涵養(yǎng)，這可能是由于針闊混交林凋落物能形成更復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，可提高水分攔蓄能力(王棣等,2001)，但在針葉人工林中，闊葉樹種引入可能并不完全遵循該規(guī)律，這可能與補植時間和補植樹種有關(guān)(顏耀等,2020)。凋落物厚度、林木密度和葉面積指數(shù)的差異可能是影響針葉樹和闊葉樹凋落物截留能力的重要因素，葉的形狀、表面紋理和凋落葉的結(jié)構(gòu)也可能對截留產(chǎn)生影響，有待進一步研究和驗證。

土壤密度是土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙等物理性狀的綜合反映(朱萬澤等，2019)。從土壤水源涵養(yǎng)性能來看，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，能較快容納降雨并促進徑流下滲，減少徑流產(chǎn)生；土壤飽和蓄水量可反映土壤水源涵養(yǎng)能力(Pérez-Bejaranoetal.,2010)。本研究表明，除連香樹外，闊葉樹種引入對表層土壤蓄水能力的改善效果是顯著的(P<0.05)，表層土壤飽和蓄水量和毛管蓄水量均大于馬尾松純林。針闊混交林凋落物的易分解性一方面可改善表層土壤的孔隙結(jié)構(gòu)(Horodeckietal.,2018)，另一方面凋落物分解形成的腐殖質(zhì)可增加有機碳、改善土壤團聚體穩(wěn)定性(Wangetal.,2019)。土壤團聚體穩(wěn)定性增加，一方面可提高土壤抵抗降雨擊濺的能力，另一方面會對土壤孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有利影響，能夠提高土壤通氣性和保水能力，本研究土壤物理特性與蓄水能力的相關(guān)分析很好地佐證了這一點(表6)。此外，較好的土壤孔隙特征和團聚體結(jié)構(gòu)為土壤水運移提供主要通道，可增加對地下水的補給并減少土壤水分蒸發(fā)(Gaoetal.,2018)。本研究表明，混交油茶和深山含笑均可顯著提高0～100 cm土層的飽和蓄水量和毛管持水量，這可能與其深根特性有關(guān)(丁怡飛等，2018；朱少木，2012)。根系在土壤中穿插、擠壓和釋放分泌物，利于土壤顆粒的膠結(jié)和毛管孔隙的形成，也為深層土壤提供了豐富的有機碳來源(Zhuetal.,2017)，有利于提升土壤水源涵養(yǎng)能力。

4.2 建議

我國政府計劃到2030年將森林面積擴大約22萬km2(Jiaetal.,2017)，但由于人為或自然因素，人工林普遍存在林分結(jié)構(gòu)不合理、生產(chǎn)力低、生態(tài)功能差等問題，通過補植闊葉樹種將針葉人工純林逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楫慅g、復(fù)層混交林，是下一步的經(jīng)營方向(Stone,2009;Liuetal.,2018)。本研究表明，樹種組成差異會改變森林凋落物和土壤的水文特性，因此需從馬尾松林改造角度去選擇用于混交的闊葉樹種。深山含笑可能最適合作為馬尾松人工純林的闊葉混交樹種，混交油茶會降低凋落物和土壤的水源涵養(yǎng)能力，即混交不同闊葉樹種后會對水源涵養(yǎng)能力產(chǎn)生協(xié)同或拮抗作用，這與凋落物特性(葉形態(tài)、葉面積、質(zhì)地、粗糙程度和分解速率)有關(guān)(Lietal.,2017;Baptistaetal.,2018)。

5 結(jié)論

1)在馬尾松人工純林內(nèi)補植闊葉樹種能顯著改變凋落物結(jié)構(gòu)及其持水能力。不同林分類型凋落物有效攔蓄量表現(xiàn)為馬尾松×深山含笑(23.11 t·hm-2)>馬尾松×連香樹(18.77 t·hm-2)>馬尾松×伯樂(18.28 t·hm-2)>馬尾松×桂南木蓮(16.01 t·hm-2)>馬尾松純林(13.39 t·hm-2)>馬尾松×油茶(8.85 t·hm-2)，其中未分解層均顯著大于半分解層。

2)在馬尾松人工純林內(nèi)補植闊葉樹種能顯著改變土壤密度、孔隙特征、團聚體分布及其穩(wěn)定性和有機碳含量，提高土壤水源涵養(yǎng)能力。對表層(0～20 cm)土壤而言，引入伯樂、桂南木蓮、油茶和深山含笑后土壤飽和蓄水量分別提高6.94%、9.00%、15.10%和23.90%，引入油茶和深山含笑后0～100 cm土層飽和蓄水量分別提高8.08%和19.47%。

3)坐標綜合評定法結(jié)果表明，馬尾松×深山含笑的凋落物和土壤水源涵養(yǎng)能力最佳(0.07)，其次為馬尾松×伯樂(1.33)、馬尾松×連香樹(1.42)和馬尾松×桂南木蓮(1.44)；引入油茶會降低凋落物和土壤水源涵養(yǎng)能力，不適合作為補植樹種。

4)建議未來人工林生態(tài)水文研究應(yīng)關(guān)注不同樹種及其混交林的凋落物和土壤水文功能差異，對人工針葉純林進行闊葉樹混交改造時應(yīng)注意選擇合適的混交樹種和混交比例。