和玉丹，胡慧蓉，郭 勇，王秋玲，楊淦霖，唐春艷

(1.西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650224； 2.云南森林自然中心，云南 昆明 650225)

1 引言

枯落物是森林生態(tài)系統(tǒng)中的一層特殊結(jié)構(gòu)層，松散地覆蓋于林下地表。在林地降雨過程中，截留雨水，削減地表徑流，增加土壤入滲，具有良好的涵養(yǎng)水源、保持水土功能。在其積累與分解過程中，形成土壤腐殖質(zhì)，并與土壤礦物質(zhì)結(jié)合形成有機無機復(fù)合體，對土壤理化性質(zhì)也有明顯影響。但不同的林分類型，其枯落物組分、形態(tài)、歸還量等均有不同，因而在發(fā)揮以上生態(tài)功能的程度上也有不同?？萋湮锶コ龑ν寥浪治锢硇再|(zhì)的影響研究[8，11～13]，國內(nèi)外的很多學(xué)者對其進行了探究，樹種主要有紅櫟林[8]、楓香和樟樹[11]、加勒比松[12]、杉木林[13]等?？萋湮锾砑雍腿コ龑ν寥浪值挠绊憰蛏诸愋蚚14]、氣候條件、枯落物性質(zhì)等的不同而異。研究結(jié)果顯示，土壤水分對枯落物去除的響應(yīng)存在很大的不確定性，上述研究對象多為溫帶森林系統(tǒng)，對亞熱帶與熱帶森林系統(tǒng)的研究較為匱乏，亞熱森林系統(tǒng)與溫帶森林系統(tǒng)在氣候、樹種、林分結(jié)構(gòu)上存在諸多的差異，土壤有機質(zhì)與養(yǎng)分對枯落物輸入變化的響應(yīng)也會有所不同。且目前枯落物去除對云南柏木林地土壤水分影響的研究還相對較少。因此，本文以滇中高原昆明麥沖林地柏木林作為研究對象，對不同枯落物去除強度條件下土壤水分物理性質(zhì)的變化進行了研究。

圓柏(Sabinachinensis(L.) Ant.)是常綠喬木，喜光樹種，但耐寒、耐熱，對土壤要求不嚴，因此在我國大部分地區(qū)均有種植。1980年以來，圓柏作為荒山造林的主要樹種在滇中地區(qū)廣泛種植。但造林地多分布與城市周邊低山丘陵，人口密集區(qū)域，加之圓柏林枯落物枝干葉細，因而長期受到收取枯枝落葉收集等人為影響。使局部地表土壤層不同程度的裸露，從而影響土壤理化與生物學(xué)性質(zhì)，改變土壤水分狀況與生態(tài)功能。弄清人為干擾下圓柏林土壤性質(zhì)與功能的變化趨勢，以更好地理解圓柏林土壤的在人為干擾下的退化過程及其機理，為圓柏林可持續(xù)經(jīng)營管理提供理論依據(jù)。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省昆明市東郊的云南森林自然中心麥沖林區(qū)，北緯25°04′～25°11′，東經(jīng)102°43′～102°53′，區(qū)域總面積為1883.8 hm2。海拔為1948～2458 m，年均氣溫為12 ℃，年均降水量為1068 mm，雨熱同期且干濕季分明，屬亞熱帶西南季風(fēng)氣候[16]。土壤為石英粉砂巖山地紅壤。土層較深厚(平均厚度40 cm)，土壤較緊實板結(jié)，弱酸性反應(yīng)。1980年前植被大面積采伐，1985～1995年間經(jīng)人工植被恢復(fù)，現(xiàn)森林覆蓋率達90%以上。本研究所選圓柏林系1992年人工種植，林齡30年，林相整齊，林下零星灌木草本，主要為小葉枸子(Cotoneastermicrophyllus)、楊梅(Myricarubra)；求米草(Oplismenusundulatifolius)、鬼針草(Bidenspilosa)等；并有少量何首烏(Fallopiamultiflora)、介蕨(Dryoathyriumboryanum)等。受附近村民活動干擾，每年開春進入林內(nèi)收取地表枯落物葉用于蓋壓苗床，導(dǎo)致林下地表斑塊狀裸露。

2.2 研究方法

2.2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

按典型性和代表性原則，設(shè)置面積為20 m×20 m的標準地，進行基本調(diào)查并做每木檢尺，并重復(fù)三次。樣地基本情況見表1。

表1 金殿林區(qū)柏木樣地基本情況

樣地內(nèi)分別設(shè)置3個不同程度去除枯落物的處理樣方，即：全去除(A，地表裸露，無枯落物)、半去除(H，地表半裸露，枯落物去除1/2)、未去除(N，保留地表枯落物)3種去除強度。每個處理面積2 m×2 m，并重復(fù)6次。

2.2.2 枯落物及土壤樣品采集

20世紀80年代，斯特里克蘭和穆魯解決了激光器的啁啾脈沖放大問題。這個過程始于短脈沖，該脈沖通過一對光柵反射使其變長。光柵的作用類似于棱鏡，致使不同顏色的光通過不同長度的路徑。由于功率只是隨著時間而傳遞的能量，因此把光拉長會降低其功率，這樣就能夠在不損壞激光介質(zhì)的情況下實現(xiàn)放大。最終，放大的脈沖通過一臺壓縮器，將其擠壓成較短的脈沖——這是一種更具威力的脈沖。該方法使研究人員能夠獲得可以放在桌面的強大激光脈沖，并且能夠使像BELLA這樣的高功率激光脈沖工具更具可行性。

分別在3種不同程度去除枯落物的處理樣方內(nèi)布置一個枯落物調(diào)查點與一個土壤剖面觀測點?？萋湮镎{(diào)查點面積0.5 m×0.5 m，以完全收獲法收取枯落物，現(xiàn)場測鮮重，并取樣裝袋帶回實驗室備用。之后，現(xiàn)場挖掘土壤剖面，分別對0～10 cm表層土壤(以下通稱表層)和10～20 cm亞表層土壤(以下通稱亞表層)進行土壤基本性態(tài)觀察，并分層測定土壤自然含水率與土壤密度，以環(huán)刀和布袋分別采集土壤樣品帶回實驗室，以備后續(xù)研究使用。每個處理共設(shè)枯落物調(diào)查點18個，土壤剖面觀測點9個。

2.2.3 分析測定方法

枯落物存量及含水量測定：恒溫鼓風(fēng)烘干法。土壤水分物理性質(zhì)采用環(huán)刀法。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理，SPSS 23.0、Origin2017軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，均值分析、單因素方差分析(One-way ANOVA)和差異顯著性檢驗分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同強度去除枯落物后地表枯落物存量

林分枯落物積存量主要受到林分本身的特性，諸如樹種組成、植被配置模式、林分的生長狀況[1]，以及外部的環(huán)境因素，包括光、熱、水等立地條件2方面因素的影響。在人類活動頻繁的區(qū)域，則受人為擾動的影響可能會成為影響枯落物存量的最主要因素。通過對柏木林下枯落物3種不同去除強度下枯落物現(xiàn)存量進行調(diào)查與測定，結(jié)果見表2。

表2 不同去除強度下柏木林地枯落物存量及含水率

柏木林地林下枯落物存量大小依次為未去除(6.29 t/hm2)>半去除(5.33 t/hm2)>全去除(0.44 t/hm2)，其中未去除枯落物存量為全去除枯落物存量的14.29倍，而半去除與未去除間的差異不是非常明顯，其原因可能是林分密度較大時，林木的枝條脫落相對較早，地表枝條也會相對較多，從而會影響存量。柏木林地林下枯落物自然含水率大小為未去除(114.54%)>半去除(91.47%)>全去除(66.95%)，其中未去除枯落物自然含水率為全去除枯落物含水率的1.71倍，持水能力差距較大。半去除強度去除枯落物組間離散程度較小，枯落物存量和含水率都較穩(wěn)定。

3.2 不同強度去除枯落物對土壤密度的影響

土壤密度是評價土壤質(zhì)量的重要指標，體現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)、松緊程度和土壤水分涵蓄能力。在表層土壤內(nèi)，土壤密度在1.11～1.15 g/cm3的范圍內(nèi)變化，亞表層土壤內(nèi)，土壤密度的變化范圍為1.18～1.27 g/cm3，亞表層土壤密度稍高于表層土壤密度。總體上，兩層土壤的土壤密度均有由高到低(全去除>半去除>未去除)的表現(xiàn)，且全去除枯落物條件下的土壤密度均顯著高于半去除和未去除(a<0.05，表3)。土壤密度小，表明土壤疏松多孔，結(jié)構(gòu)性良好；反之，則表明土壤緊實板結(jié)而缺少團粒結(jié)構(gòu)[17]。相較而言，柏木林地林下表層土壤結(jié)構(gòu)性較好。土壤密度在1.0～1.3 g/cm3時，表明毛管孔隙和非毛管孔隙搭配合理、土壤密度適當(dāng)，此時的土壤透水性、通氣性和持水能力比較協(xié)調(diào)，可以滿足植物對空氣和水分條件的需要[18]。

表3 不同強度去除枯落物后林地土壤水分物理性質(zhì)

3.3 不同強度去除枯落物對土壤孔隙度的影響

土壤孔隙度是評價土壤儲水性和肥力特性的基本特性之一，毛管孔隙度是土壤毛管水所占據(jù)的孔隙，非毛管孔隙度是土壤空氣流動的通道[19]。由表3可知，在表層土壤內(nèi)，不同強度去除枯落物條件下土壤總孔隙度均值在65.80%～71.18% ，全去除和半去除與未去除之間的差異不顯著；而土壤毛管孔隙度均值為31.74%～49.09% ，全去除和半去除均顯著高于未去除；非毛管孔隙度趨勢也一致。在亞表層土壤內(nèi)，土壤各孔隙度較低于表層土壤。總孔隙度均值為60.35%～64.78% ，毛管孔隙度均值為27.99%～29.07% ，非毛管孔隙度均值為31.28%～36.79% 。未去除總孔隙度和非毛管孔隙度均顯著高于全去除，而毛管孔隙度則差異不顯著。

總體上，表層和亞表層土壤總孔隙度和毛管孔隙度呈現(xiàn)出隨枯落物去除強度的減弱逐漸減小的趨勢，這與其林下土壤的砂粒含量較高(顯著高于其他土壤)有關(guān)。該趨勢與楊玥[20]、劉爽等[21]的研究結(jié)論相一致。相較而言，表層全去除枯落物強度下土壤比較疏松，未去除枯落物強度下土壤比較緊實。毛管孔隙度越大，貯存的土壤有效水越多，對維持林木自身的生長發(fā)育就越有利，而非毛管孔隙度越大，越有利于土壤滲透和降水下滲?？萋湮锏念愋?、厚度、組成成分差異以及部分動物、微生物殘體的不同可能會導(dǎo)致土壤孔隙度的差異。

3.4 不同強度去除枯落物對土壤水分的影響

土壤的持水性能是反映林地持水能力的一個重要指標[22]。不同強度去除枯落物對土壤水分有顯著的交互作用(表3)。受土壤密度的影響，土壤各水分類型也相應(yīng)變化，表土層仍然變化較明顯。在表層土壤內(nèi)，土壤飽和持水量均值在353.07～458.96 g/kg，大小順序為未去除>半去除>全去除，且隨枯落物去除強度的加強土壤飽和持水量逐漸減小，土壤毛管持水量均值在233.27～357.17 g/kg，土壤田間持水量均值在218.80～343.96 g/kg，兩者的持水量也隨枯落物去除強度的加強而減小，與土壤飽和持水量的變化趨勢保持一致，大小順序均為未去除>半去除>全去除。半去除和未去除枯落物條件下表層土壤各持水量顯著高于全去除。說明未去除枯落物下土壤層持水能力最強，即枯落物存量越大，土壤層持水能力越強。

在亞表層土壤內(nèi)，土壤飽和持水量均值在301.58～336.73 g/kg，大小為未去除>半去除>全去除，且隨枯落物去除強度的加強土壤飽和持水量逐漸減??；土壤毛管持水量均值在174.58～240.18g/kg，隨枯落物去除強度的加強而減?。煌寥捞镩g持水量均值在144.34～227.09g/kg，隨枯落物去除強度的加強也減小，兩者大小順序均為未去除>半去除>全去除。同表層土壤，未去除枯落物條件下亞表層土壤各持水量顯著高于半去除和全去除(p<0.05，表3)，說明亞表層土壤未去除枯落物條件下土壤層持水能力最強，即枯落物存量越大，土壤層持水能力越強。總體上，在不同強度去除枯落物條件下，未去除枯落物條件下土壤各持水量顯著高于半去除和全去除。因此枯落物覆蓋對柏木林下土壤持水能力具有明顯作用。

圖1 不同強度去除枯落物后其存量與林地土壤各持水量的關(guān)系

圖1顯示，表層和亞表層土壤飽和持水量、毛管持水量、田間持水量與枯落物存量間均存在良好的線性關(guān)系，各土層持水量與枯落物存量間回歸方程的R2值分別為：0.9591、0.5553、0.5679、0.7444、0.9979、0.9966。其中，表層毛管持水量和田間持水量顯著性不佳，而飽和持水量的回歸擬合仍較好，R2為0.9591。亞表層各持水量與枯落物存量相關(guān)性都較為顯著。

4 討論

4.1 不同強度去除枯落物后地表枯落物的儲水能力變化

研究發(fā)現(xiàn)柏木林地枯落物積存量和自然含水率隨去除強度的加強都隨之減小，這與劉玉國[19]、聶小飛[23]、高強[24]等研究結(jié)論一致?？萋湮锎媪看螅欣谖?，則枯落物自然含水率將高，于是對其下覆蓋的土壤也會有提高其含水率的功能，更有利于分析去除枯落物多少對土壤保水能力的影響程度[12]。半去除與未去除間的枯落物存量差異不是非常明顯，可能是人為擾動越大，地表枝條越多，也在一定程度上增加了存量。

4.2 不同強度去除枯落物對土壤水分物理性質(zhì)的影響

由圖2可知，全去除枯落物條件下表層土壤密度均顯著高于半去除和未去除，亞表層土壤密度隨枯落物去除強度的加強呈不斷增大的趨勢，這與侯寧寧等[25]的研究結(jié)果基本一致。

注：BD為土壤密度、TP為土壤總孔隙度、CP為毛管孔隙度、NCP為非毛管孔隙度、SWHC為土壤飽和持水量、CWHC為毛管持水量、FWHC為田間持水量

與土壤密度相反，土壤總孔隙度、毛管孔隙度總體呈現(xiàn)出隨枯落物去除強度的加強而逐漸減小的趨勢，而非毛管孔隙度則與之相反，這與郭倩汝等[26]的研究規(guī)律類似。在表層和亞表層土壤內(nèi)，土壤飽和持水量、毛管持水量、田間持水量大小均為未去除>半去除>全去除，該研究結(jié)果與王磊[27]、施重陽等[28]的研究結(jié)果趨勢一致?？赡芤驗榘啬驹炝謺r間久，林下積累了較多的枯落物，即表現(xiàn)出柏木林地未去除枯落物條件下土壤持水能力明顯很強。而半去除和未去除條件下土壤持水能力明顯較差，可能是由于當(dāng)?shù)鼐用袢藶閿_動強度較大。而去除地表枯落物從柏木林地以枯落物的形式直接取走大量養(yǎng)分，使林地土壤密度增大，導(dǎo)致土壤孔隙減少，保持水分功能減弱，可能也會引發(fā)養(yǎng)分狀況的惡化[29]，微生物數(shù)量減少和酶活性下降[29]，最終引起林木生長下降[12]。

枯落物層是森林土壤區(qū)別于一般土壤的特有層次，它對土壤的水分物理性質(zhì)產(chǎn)生有利的影響[31]。枯落物及土壤持水性均處于較低水平，因此應(yīng)加強進行林分改造，提高林分質(zhì)量，對現(xiàn)有針闊混交林的保護及撫育、充分發(fā)揮森林的水源涵養(yǎng)功能，為林地土壤的科學(xué)管理、資源保護提供科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)論

本文通過以滇中地區(qū)柏木林地作為研究對象，分析枯落物去除對土壤水分物理性質(zhì)的影響，主要研究結(jié)論如下。

(1)柏木林地林下枯落物存量大小為0.44～6.29 t/hm2，自然含水率為66.95%～114.54%，柏木林地枯落物積存量與自然含水率均隨去除強度的加強減小，去除枯落物降低了其持水保水能力。

(2)表層土壤內(nèi)，土壤密度為1.11～1.15 g/cm3，亞表層土壤密度為1.18～1.27 g/cm3，亞表層土壤密度高于表層。全去除枯落物條件下表層土壤密度均顯著高于半去除和未去除，亞表層土壤密度隨枯落物去除強度的加強呈不斷增大的趨勢。

(3)隨枯落物去除強度的加強，總孔隙度和毛管孔隙度均顯著降低，非毛管孔隙度增大。土壤總孔隙度與毛管孔隙度總體呈現(xiàn)出隨枯落物去除強度加強而逐漸減小的趨勢，而毛管孔隙度則與之相反。

(4)表層土壤飽和持水量均值在353.07～458.96 g/kg，毛管持水量均值在233.27～357.17 g/kg，田間持水量均值在218.80～343.96 g/kg，大小順序均為未去除>半去除>全去除，亞表層也一致。隨枯落物去除強度的減小，林下土壤各持水量顯著增大，與枯落物去除強度減弱呈顯著正相關(guān)。