潘天森, 趙明全, 郭天雷, 黃 幼, 鄧羽松, 黃鈺涵?

(1.廣西大學(xué)林學(xué)院,廣西森林生態(tài)與保育重點實驗室,廣西高校亞熱帶人工林培育與利用重點實驗室,530004,南寧;2.長江水利委員會長江科學(xué)院,430014,武漢)

土壤水分入滲是森林水文循環(huán)的重要過程[1]。人工林作為森林的重要組成,不僅可以防風(fēng)固土,還可以在短期內(nèi)產(chǎn)出大量木材,創(chuàng)造較大的經(jīng)濟價值[2-3],但其營林過程中人為管理措施頻繁,強烈干擾林下土壤,影響土壤入滲,進而影響水文循環(huán)過程與水土流失;因此,研究人工林土壤入滲及其影響因素,可為評價人工林水土保持效益及發(fā)展人工林可持續(xù)經(jīng)營提供科學(xué)基礎(chǔ)。

隨著林齡增加,森林植被根系不斷發(fā)育,地表枯落物不斷累積,改變土壤密度、孔隙度、團聚體和有機質(zhì)含量[4-6]。郭夢嬌等[7]研究遼河源地區(qū)不同林齡油松林的水源涵養(yǎng)能力,發(fā)現(xiàn)隨著林齡的增加,土壤密度減小、土壤入滲率增加。崔艷紅等[8]研究晉西黃土高原刺槐林土壤入滲特征發(fā)現(xiàn),隨著林齡的增加,土壤孔隙度、水穩(wěn)性大團聚體和有機質(zhì)含量均呈升高趨勢,土壤入滲能力逐漸增強。劉凱等[9]研究毛烏素沙地人工檸條林發(fā)現(xiàn)隨著林齡的增加,土壤密度逐漸減少,滲透性逐漸下降。李海軍等[10]研究天山中部不同林齡云杉林發(fā)現(xiàn),隨著林齡的增加,土壤密度呈“升高—降低—升高”,孔隙度呈“降低—升高—降低”,土壤入滲能力呈“降低—升高—降低”的規(guī)律變化。上述研究表明,隨著林齡的增加,不同人工林土壤理化性質(zhì)變化不同,導(dǎo)致土壤入滲能力變化差異顯著。桉樹根系發(fā)育迅速,因此短輪伐期內(nèi),桉樹林下土壤的理化性質(zhì)發(fā)生顯著變化進而改變土壤入滲能力。

目前,我國桉樹人工林種植面積位居世界前列,其中廣西種植面積在全國范圍內(nèi)最大[11]。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計,2018年廣西桉樹種植面積達256.05萬hm2[12]。桉樹人工林輪伐期主要分為短周期(5～7 a),中周期(13 a)和長周期(23 a)。中長輪伐期桉樹人工林受人為干擾較小,有利于林地有機質(zhì)積累,并保持森林可持續(xù)性[13],而實行短輪伐期經(jīng)營可以快速獲得更多的經(jīng)濟效益。廣西地區(qū)普遍實行短輪伐期,由于長期實行短周期連栽經(jīng)營制度會造成土壤肥力、生物多樣性下降,水土流失問題嚴重[14]。目前,桉樹人工林土壤入滲的相關(guān)研究多聚焦于對比不同林分與代次的土壤理化性質(zhì)以及入滲特征[15-16],對尾巨桉第一代植苗林完整經(jīng)營周期內(nèi)土壤入滲特征的變化規(guī)律研究不足。本研究通過測定短輪伐期內(nèi)4種林齡尾巨桉人工林0～20、20～40、40～60 cm土壤入滲過程和土壤理化性質(zhì),分析不同林齡尾巨桉人工林分層土壤入滲能力的影響因素,同時探究林齡變化對土壤入滲能力的影響以及桉樹人工林土壤入滲過程的適用模型,研究結(jié)果對評價桉樹人工林的水土保持效益和發(fā)展桉樹人工林可持續(xù)經(jīng)營具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

如圖1所示,研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)崇左市扶綏縣國有東門林場(E 107°15′～108°00′,N 22°17′～22°30′),屬于北熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫21.8 ℃,最高氣溫39.5 ℃,年均降雨量1 212.70 mm,雨季集中在6—8月,年蒸發(fā)量 1 192～1 724 mm。土壤以赤紅壤為主,pH在4.0～6.0之間,尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)是該區(qū)域的主要人工林樹種。研究區(qū)內(nèi)的尾巨桉人工林分別于2020、2019、2018和2016年的2月進行全墾翻土,5月植苗,株行距為2 m×3 m,植苗后每年進行1次除草施肥等撫育措施。

2 材料與方法

2.1 試驗設(shè)計

根據(jù)桉樹輪伐期選取4個不同林齡(1、2、3和 5 a)尾巨桉第一代植苗林,林地的經(jīng)緯度、海拔、坡度、枯落物厚度及郁閉度、桉樹樹高和胸徑等基本情況如表1所示。在各林地內(nèi)選取20 m×20 m樣地,沿樣地對角線隨機建立3個2 m×2 m的樣方,相鄰4棵桉樹位于樣方4個頂點,在各樣方中心點分層采集土壤樣品(圖1b)。

表1 林地基本情況

2.2 土壤樣品采集與理化性質(zhì)測定

土壤樣品于2021年5月采集,采樣前清理土壤表層凋落物,開挖土壤剖面,土層分為0～20、20～40 和40～60 cm,用100 cm3環(huán)刀采集各土層原狀土樣,重復(fù)樣品3份,共計108份。另在各土層收集3份擾動土樣,清理石塊、根系和動物遺體,自然風(fēng)干后備用,共計108份。運用干篩法和濕篩法分別測定土壤團聚體、水穩(wěn)性團聚體比例。用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定土壤有機質(zhì)含量,并用環(huán)刀法測定土壤密度,計算土壤孔隙度[17]。運用馬爾文(MS3000)激光粒度分析儀測定,4個林齡桉樹人工林砂粒、粗粉粒和黏粒的分布范圍分別為10.02%～28.98%、22.34%～29.15%和7.69%～29.16%。根據(jù)中國土壤質(zhì)地分類標準,4個樣地土壤均屬于壤土。

2.3 土壤入滲速率測定

原狀土樣用水浸泡24 h,充分飽和后,用雙環(huán)刀法測量土壤入滲速率,測量水溫后,加水使水層厚度到達5 cm,以環(huán)刀下方出水時刻開始計時,每0.5 min(入滲速率較小時適當延長接樣時間)測量接出水樣1次,總時長60 min,最后計算土壤的入滲速率[18]。

筆者采用初始入滲率(initial infiltration rate,IIR)、穩(wěn)定入滲率(stable infiltration rate,SIR)和累積入滲量(cumulative infiltration,CI)3個指標來分析土壤入滲能力,其中IIR指入滲前3 min的平均入滲率,由前3 min的CI除以時間得到。連續(xù)3個讀數(shù)不變,則認為入滲達到穩(wěn)定,停止試驗,并將最后3個入滲率的平均值計為SIR。CI為60 min內(nèi)的總?cè)霛B量[5]。

2.4 土壤入滲模型

采用Kostiakov模型[9]、Philip模型[10]、Horton模型[18]和通用經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚5]擬合土壤入滲過程,根據(jù)模擬效果確定研究區(qū)土壤入滲的適用模型。

土壤理化性質(zhì)、入滲速率測定結(jié)果均由3個采樣點的9組重復(fù)樣品數(shù)據(jù)平均獲得。用軟件SPSS 26.0進行單因素方差和相關(guān)性分析。土壤入滲曲線與模型擬合用軟件Origin 2018作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林齡桉樹人工林的土壤理化性質(zhì)

如表2所示,各林齡桉樹人工林的土壤密度、大團聚體總體隨土層深度的增大而增大,土壤有機質(zhì)、水穩(wěn)性大團聚體總體隨土層深度的增大而降低。同時4種林齡桉樹人工林各土層土壤密度隨林齡增加呈波動升高的趨勢,總孔隙度和土壤大團聚體呈波動降低的趨勢,土壤有機質(zhì)、水穩(wěn)性大團聚體總體呈先降低后升高的趨勢。2 a桉樹林各土層土壤密度最高(1.26～1.37 g/cm3),3 a桉樹林各土層有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)最低(8.94～21.64 g/kg),5 a桉樹人工林各土層水穩(wěn)性大團聚體質(zhì)量分數(shù)最高(77.40%～83.92%)。

表2 不同林齡桉樹人工林土壤基本理化性質(zhì)

3.2 不同林齡桉樹人工林土壤入滲過程與模擬

采用4種土壤入滲模型擬合桉樹人工林入滲過程,結(jié)果表明大部分擬合效果良好(圖2和表3),其中,5 a桉樹人工林在0～20 cm土層中土壤入滲用Kostiakov模型的擬合效果較差;1 a桉樹人工林在40～60 cm土層中土壤入滲用通用經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛿M合效果最好,其他模型擬合效果較差。此外,對比不同林齡桉樹人工林入滲速率發(fā)現(xiàn):3 a桉樹人工林在0～20、20～40 cm土層的入滲速率最大,2 a桉樹人工林在40～60 cm土層的入滲速率最大。即土層越深,入滲變化速率越小;各土層的入滲速率差異大。

表3 不同土壤入滲模型擬合參數(shù)

圖2 不同林齡桉樹人工林分層土壤入滲過程

根據(jù)各林齡的入滲過程計算出各土層的IIR、SIR和CI(表4)。IIR、SIR和CI均隨土層加深而減小,其中,1 a桉樹人工林的降低幅度最大,分別為62.29%、60.09%和61.11%。隨林齡增加,IIR、SIR和CI在0～20 cm土層呈“降低—升高—降低”、40～60 cm土層呈“升高—降低—升高”的規(guī)律變化;在20～40 cm土層,隨林齡的增加IIR、SIR呈“升高—升高—降低”的規(guī)律變化、CI呈“降低—升高—降低”的規(guī)律變化。在0～20、20～40 cm土層中,3 a桉樹人工林的IIR、SIR和CI最大,土壤入滲能力最好;40～60 cm土層中,2 a桉樹人工林的IIR、SIR和CI最大,土壤入滲能力最好。

表4 不同林齡桉樹人工林分層土壤的入滲特征

4 討論

比較4個入滲模型擬合的R2可得出,Horton模型和通用經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛿M合效果較好,Kostiakov模型和Philip模型擬合效果較差。鞏煒[19]研究臨澤縣荒漠—綠洲過渡帶固沙植物土壤入滲也發(fā)現(xiàn)Kostiakov模型的擬合效果較差,原因是Kostiakov模型為經(jīng)驗?zāi)Ｐ?沒有表征土壤穩(wěn)定入滲率的擬合項,隨著時間遞增,穩(wěn)定入滲率趨于零,與實際入滲不符。席彩云等[20]研究北京密云山區(qū)4種典型林地入滲特征后也發(fā)現(xiàn)Philip模型的擬合效果較差,原因是Philip模型中t的指數(shù)為-0.5,限制入滲的衰減速率。Horton模型和通用經(jīng)驗?zāi)Ｐ驮谌霛B時長較大時正好與SIR相吻合,更能準確反映土壤的入滲過程[5]。所以,Horton模型和通用經(jīng)驗?zāi)Ｐ兔枋鲨駱淙斯ち滞寥廊霛B過程效果較好。

土壤理化性質(zhì)與入滲特征參數(shù)的相關(guān)性分析如表5所示,結(jié)果表明:土壤入滲特性與土層深度、土壤密度呈極顯著負相關(guān)(P<0.01),與有機質(zhì)、孔隙度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),這與鞏煒[19]、王金悅等[15]對影響土壤入滲能力的相關(guān)性分析結(jié)果類似。對比1、2、3和5 a桉樹人工林不同土層的入滲特性發(fā)現(xiàn):1)0～20 cm土層,IIR、SIR和CI隨林齡增加呈“降低—升高—降低”的規(guī)律。桉樹人工林經(jīng)營前期進行帶狀除草,導(dǎo)致地表灌木、草本減少,降低土壤孔隙度,從而降低入滲能力[21]。第2年至第3年,人工撫育強度下降,為林下灌木與草本層擴張?zhí)峁┛臻g,所以林下生物量開始上升[6],土壤孔隙度增大,使表層土壤的IIR、SIR和CI顯著升高。營林后期因枯落物厚度迅速增加,產(chǎn)生大量揮發(fā)性油及其化合物,直接抑制林下草本植物生長[22],降低入滲能力。2)20～40 cm土層中,IIR與SIR隨著林齡增加呈“升高—升高—降低”的規(guī)律變化,CI呈“降低—升高—降低”的規(guī)律變化。第1年至第2年CI略有降低,原因可能是降雨淋溶作用下,林下土壤密度增加、孔隙度和水穩(wěn)性大團聚體下降[23],導(dǎo)致入滲能力降低。第2年至第3年IIR、SIR和CI升高,由于桉樹種植后2～3年,根系快速發(fā)育,增加土壤孔隙度[24-25],提高入滲能力。第3年至第5年IIR、SIR和CI降低,是因在降雨條件下,雨滴對土壤大團聚體的拆分作用導(dǎo)致較大的團聚體轉(zhuǎn)化為微團聚體,微團聚體在水的作用下運移,堵塞下層土壤孔隙,導(dǎo)致土壤的滲透性降低[6,26]。3)40～60 cm土層中,IIR、SIR和CI隨著林齡增加呈“升高—降低—升高”的規(guī)律變化。第1年至第2年土壤有機質(zhì)在降水作用下從淺層土運移到深層土[27],導(dǎo)致土壤入滲能力變大[5];而20～40 cm土層的有機質(zhì)含量減少,降低對更深土層有機質(zhì)的運移,間接導(dǎo)致第2至第3年IIR、SIR和CI出現(xiàn)降低。第3年至第5年由于表層大量枯枝落葉覆蓋,補充有機質(zhì)來源,從而增加土壤有機質(zhì)的下移[28],有機質(zhì)的增加促進了團聚體的形成[29],使5 a桉樹人工林的入滲能力更強?？傮w上,桉樹人工林種植后,隨著林齡的增加,0～20、20～40和40～60 cm土層的土壤密度、孔隙度、有機質(zhì)、大團聚體和水穩(wěn)性大團聚體的含量發(fā)生變化,使淺層土壤(0～20 cm)的入滲能力隨林齡增加整體呈降低趨勢,深層土壤(20～40、40～60 cm)的入滲能力隨林齡增加整體呈增強趨勢。這與王紀杰等[30]、于婧睿等[1]研究桉樹人工林隨著林齡增加土壤滲透性增大的結(jié)果不一致,原因可能是土壤類型、造林方式和撫育措施不同,所以針對不同區(qū)域桉樹人工林開展土壤入滲研究是極有必要的。

表5 土壤入滲特征的相關(guān)性分析

5 結(jié)論

本研究測量短輪伐期尾巨桉人工林第一代植苗林不同土層(0～20、20～40和40～60 cm)的土壤理化性質(zhì)與土壤入滲能力,分析林齡變化影響下不同土層的土壤理化性質(zhì)與土壤入滲能力的關(guān)系,探討4種經(jīng)典入滲模型模擬尾巨桉人工林土壤入滲過程的適用性。結(jié)果表明:1)隨著林齡增大,土壤密度(1.03～1.38 g/cm3)呈波動升高的趨勢,孔隙度(47.84%～60.96%)和有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)(8.94～29.06 g/kg)分別呈波動降低、波動增加的趨勢。2)土層深度與土壤理化性質(zhì)對土壤入滲能力有較大的影響,其中土壤入滲能力(IIR、SIR和CI)與土層深度、土壤密度呈極顯著負相關(guān)(P<0.01),與孔隙度和有機質(zhì)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土層越深,土壤密度越大、孔隙度和有機質(zhì)含量越低,土壤的入滲能力越差;土壤入滲能力隨林齡的增加在0～20 cm、 20～40 cm 土層呈“降低—升高—降低”、40～60 cm土層呈“升高—降低—升高”的規(guī)律變化。3)入滲模型的擬合結(jié)果表明,Horton模型和通用經(jīng)驗?zāi)Ｐ透m用于描述研究區(qū)內(nèi)不同林齡桉樹人工林土壤入滲速率隨時間變化情況。本文研究結(jié)果可為科學(xué)經(jīng)營桉樹人工林、評估桉樹人工林水土保持效益及防治水土流失提供科學(xué)依據(jù)。