尾葉桉人工林枯落物及土壤持水性能的研究

趙知淵，舒清態(tài)，杜阿朋

（1.西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，云南 昆明650224；2.國家林業(yè)局 桉樹研究開發(fā)中心，廣東 湛江 524022）

尾葉桉人工林枯落物及土壤持水性能的研究

趙知淵1,2，舒清態(tài)1，杜阿朋2

（1.西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，云南 昆明650224；2.國家林業(yè)局 桉樹研究開發(fā)中心，廣東 湛江 524022）

通過對10年生尾葉桉Eucalyptus urophyla人工林林下枯落物的持水量、持水速率和土壤物理性質(zhì)的取樣分析，研究了林下枯落物和土壤的持水性能。結(jié)果表明：該林分的枯落物儲量為14.15 t·hm-2，最大持水量為3.07 mm，有效攔蓄水量為1.90 mm，半分解層的最大持水率、最大持水量、有效攔蓄率和有效攔蓄水量均大于未分解層；整個持水過程中，半分解層的持水量和持水速率一直大于未分解層；隨著林下土壤深度的增加，土壤容重逐漸增大，孔隙度減小，持水量也隨之減小，其土壤持水能力與土壤容重和土壤層深度基本呈反比；由于人工林內(nèi)撫育經(jīng)營活動較頻繁，使枯落物分解迅速，而同時生物圈的活動對土壤的物理性質(zhì)也產(chǎn)生著重要影響。

尾葉桉人工林；枯落物；土壤；持水性

桉樹Eucalyptus是我國華南地區(qū)最主要的紙漿用材林樹種之一,主要栽培于南方的廣東、廣西、海南、福建、云南、貴州、湖南、江西等省區(qū)，截止到2011年12月在中國種植面積已達(dá)380萬hm2，僅次于巴西和印度[1]，帶來了巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益，已成為我國南方重要的造林樹種。但由于桉樹人工林的發(fā)展和我國其他人工林一樣都存在樹種單一、短輪伐期、多代連作等特點(diǎn)[2-4]，桉樹林分被稱為“抽水機(jī)”[5]，桉樹人工林的經(jīng)營中也出現(xiàn)了土壤侵蝕加重[6]、河川徑流減少[7-11]等許多生態(tài)環(huán)境問題，這也已成為森林與環(huán)境、林業(yè)可持續(xù)發(fā)展中備受關(guān)注的重大問題。

枯落物層作為地上生態(tài)系統(tǒng)及地下生態(tài)系統(tǒng)的耦合部分，是森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要結(jié)構(gòu)，對林內(nèi)的水量分配和循環(huán)有著不可忽視的作用?？萋湮锝Y(jié)構(gòu)疏松，它不僅具有水源涵養(yǎng)能力、養(yǎng)分供應(yīng)能力、促進(jìn)土壤生物活動強(qiáng)度、改善森林土壤結(jié)構(gòu)等重要作用，而且還能起到減小雨滴功能、增強(qiáng)滲透能力、提高地表粗糙程度、降低地表徑流等，作為水分循環(huán)的一個環(huán)節(jié)維系著森林水文生態(tài)的平衡[12]。已有學(xué)者在不同區(qū)域?qū)Χ喾N森林類型枯落物的特性做了研究[13-20]，桉樹人工林內(nèi)有著豐富的枯枝落葉層，對林內(nèi)的水量平衡起著不可或缺的作用，周永文等[13]對尾葉桉Eucalyptus urophyla和馬占相思Acacia mangium等幾種林分內(nèi)的枯落物和土壤的持水能力進(jìn)行了對比研究。林內(nèi)土壤中的水分狀況對林木的生長發(fā)育[21]和森林的生態(tài)功能都有重要影響，而土壤結(jié)構(gòu)和持水能力直接關(guān)系著林木根系生長及水肥吸收[22]。而相關(guān)研究表明了在生產(chǎn)過程中桉樹人工林內(nèi)土壤物理性質(zhì)發(fā)生的變化[23]。

本研究以雷州半島10年生尾葉桉人工林為研究對象，旨在揭示其枯落物層和土壤持水性能，為桉樹人工林大面積發(fā)展區(qū)域水資源承載能力評價、林水調(diào)控提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)，以保障桉樹人工林及其產(chǎn)業(yè)的健康順利發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于廣東湛江南方國家級林木種苗示范基地內(nèi)。地理位置為 N21°16，E110°05，屬北熱帶濕潤大區(qū)雷瓊區(qū)北緣，海洋性季風(fēng)氣候，年均氣溫23.1℃，年降水量1 567 mm，多集中在5～9月(降水量約占全年85.5%)，年相對濕度達(dá)80.4%。該地區(qū)地勢平坦，屬臺地及低丘陵緩坡地形，螺崗嶺為最高峰，海拔220.8 m，山體呈扇狀，向東、南、西三面傾斜。土壤為玄武巖風(fēng)化發(fā)育的磚紅壤，pH值在5.4～5.7之間，肥力中等[24]。在基地內(nèi)所選尾葉桉人工林林分信息見表1。

表1 南方種苗基地內(nèi)10年生尾葉桉人工林林分信息Table 1 Information of 10-year-old E. urophylla plantation in south China experiment nursery

2 研究方法

2.1 枯落物采集及持水性能的測定

在南方種苗基地內(nèi)10年生尾葉桉人工林中設(shè)立20 m×20 m的樣地，在樣地內(nèi)分別取3個1 m×1 m的枯落物樣方，按未分解層和半分解層分別收集，記錄各層枯落物厚度并帶回室內(nèi)，80℃烘干稱質(zhì)量，推算枯落物儲量。然后分層取樣，稱質(zhì)量后置于尼龍袋內(nèi)，浸水，每隔0.25、0.25、0.5、0.5、1、1、2、2、2、2、11 h 取出靜置 5 ～10 min，直至不滴水后，稱質(zhì)量（用精度0.01的電子秤）。由此分別計算枯落物的持水速率、持水率和持水量。計算公式[25]如下：

式中：M為樣本的鮮質(zhì)量（g）；M0為烘干后用于試驗(yàn)的樣本質(zhì)量（g）；M0s為烘干后的樣本質(zhì)量（g）；t為樣本在水中浸泡的時間（t=0.25、0.5、1、1.5、2.5、3.5、5.5、7.5、9.5、11.5、22.5 h）；Mt為泡水t 后樣本的濕質(zhì)量（g）（減去尼龍網(wǎng)的濕質(zhì)量）；Ht為泡水t后樣本的持水量（mm）；Vt為泡水t 的平均持水速率（mm·h-1）；Rmax為樣本的最大持水率（%）；R0為枯落物新鮮樣本的持水率（%）。

2.2 土壤水文物理性質(zhì)的測定

在尾葉桉地內(nèi)挖掘土壤剖面3個，利用100 cm 3環(huán)刀按0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80 cm土層取樣。帶回室內(nèi)，采用環(huán)刀法[26]測定土壤容重、孔隙度和持水量。

3 結(jié)果與分析

3.1 尾葉桉人工林枯落物儲量

森林枯落物的儲量取決于林木的生長特性與環(huán)境，對森林的土壤發(fā)育及生態(tài)水文效應(yīng)有重要影響。研究 (見表2) 表明，10年生尾葉桉人工林內(nèi)枯落物未分解層平均厚度為2.2 cm，自然含水率為29.66%；半分解層平均厚度為2.3 cm，自然含水率為70.53%，未分解層的厚度要小于半分解層。這是因?yàn)榭萋湮锖穸扰c林分組成、經(jīng)營活動以及枯落物分解特性有關(guān)，試驗(yàn)林內(nèi)常有除雜、除草、間伐等撫育經(jīng)營措施，從而使枯落物分解較快，致使半分解層較未分解層厚。另外，林內(nèi)枯落物總儲量為14.16 t·hm-2，其中未分解層儲量為7.00 t·hm-2，所占比例為49.43%；半分解層儲量為7.16 t·hm-2，所占比例為50.57%。

表2 枯落物儲量及所占比例Table 2 Litter-fall reserves and proportion

3.2 尾葉桉人工林枯落物的持水性能

3.2.1 枯落物不同層次的持水能力與有效攔蓄能力

最大持水率與持水量反映的是枯落物處于飽和持水狀態(tài)時的狀況，而實(shí)際降水過程中, 降至凋落物層的雨水, 一部分被它攔蓄, 一部分很快滲入到土壤中。當(dāng)降雨量達(dá)到20～30 mm以后, 不論哪種植物群落的凋落物以及其自然含水率的高低,實(shí)際持水率約為最大持水率的85%左右，即有效持水率[27]，所以，在此用有效攔蓄率和有效攔蓄量來表征凋落物對降雨的實(shí)際滯納能力更為合適。由表3可知，尾葉桉人工林內(nèi)未分解層枯落物最大持水率為192.35%，最大持水量為1.32 mm，有效攔蓄率為133.84%，有效攔蓄水量為0.92 mm；林內(nèi)半解層枯落物的最大持水率為243.05%，最大持水量為1.75 mm，有效攔蓄率為136.06%，有效攔蓄水量為0.98 mm。可見，半分解層的最大持水率、最大持水量、有效攔蓄率和有效攔蓄水量均大于未分解層。這再次印證枯落物的持水能力和有效攔蓄降水的能力與其分解程度和儲量存在一定的相關(guān)性。

表3 枯落物持水能力Table 3 Water holding capacity of litters

對所研究的尾葉桉人工林內(nèi)枯落物未分解層和半分解層持水量與浸泡時間的關(guān)系數(shù)據(jù)利用spss軟件進(jìn)行分析擬合，發(fā)現(xiàn)林下枯落物持水量與浸泡時間之間存在如式(1)所示的關(guān)系。

式中：S為枯落物持水量（m）；t為浸泡時間（h）；k為方程系數(shù)；p為方程常數(shù)項(xiàng)。由分析擬合得到尾葉桉人工林下枯落物持水量S與浸泡時間t的關(guān)系（見表4）。

圖1為林下枯落物持水量實(shí)測值和浸泡時間之間的關(guān)系圖。由圖1可以看出，當(dāng)枯落物浸到水中開始的一段時間（未分解層1 h，半分解層1.5 h）內(nèi)有個迅速吸水的過程，隨后枯落物的持水量隨時間的延長增速減緩，到約20 h枯落物的持水量基本達(dá)到最大值，再增加浸泡時間其持水也基本不再發(fā)生變化。

表4 枯落物持水量與浸泡時間的關(guān)系Table 4 Relation between litter-fall water holding capacity and soaked time

圖1 尾葉桉人工林內(nèi)枯落物持水量與時間的關(guān)系Fig.1 Relation between litters water holding capacity in E. urophylla plantation and soaked time

枯落物不同層次的持水速率與浸泡時間的關(guān)系見圖2。由圖2可知，不管是未分解層還是半分解層的枯落物在前2 h內(nèi)持水速率最大，之后急劇下降，5 h后下降速度明顯減緩，15 h后枯落物持水量都趨于飽和，持水速率趨于恒定（趨于0）。持水過程中，半分解層的持水速率大于未分解層，但差異隨浸泡時間延長而逐漸縮小。在浸水0.5 h，半分解層持水速率為2.69 mm/h，未分解層為2.00 mm/h，相差0.69 mm/h；浸水2.5 h半分解層持水速率為0.65 mm/h，未分解層為0.41 mm/h，相差縮減為0.24 mm/h；5.5 h半分解層持水速率為0.31 mm/h，未分解層為0.21 mm/h，相差縮減為0.10 mm/h。可見，在吸水的開始階段枯落物的分解程

圖2 尾葉桉人工林內(nèi)枯落物持水速率與時間的關(guān)系Fig.2 Relation between litter water holding rate of E. urophylla plantation and soaked time

3.2.2 枯落物不同層次持水速率度對各層的吸水速率有較顯著影響，但當(dāng)枯落物吸水趨于飽和時各層枯落物的吸水速率也趨于相同，枯落物的分解程度對其持水速率的影響也逐漸失去。

對林下枯落物持水量與浸泡時間之間的關(guān)系式S=k l n t +p求導(dǎo) ， 即可得到林下枯落物吸水速率與浸泡時間之間的關(guān)系式，即：

式中：V為枯落物吸水速率（mm·h-1）；t為浸泡時間（h）；K為方程系數(shù)；b為方程常數(shù)項(xiàng)。利用spss軟件擬合枯落物各層持水速率與浸泡時間關(guān)系的數(shù)據(jù)，得到枯落物持水速率與浸泡時間的關(guān)系式（見表5）。

表5 持水速率與時間的關(guān)系Table 5 Relation between litter water holding rate and soaked time

3.3 尾葉桉人工林內(nèi)土壤持水特性

林地土壤層是林內(nèi)水分貯蓄的重要場所，土壤持水能力反映了林地的水源涵養(yǎng)能力，土壤中的水分狀況對林木的生長有重要作用[28]。由表6可以看出，尾葉桉人工林內(nèi)土壤容重雖大體都在1.1～1.3 g·cm-3區(qū)間內(nèi)，但基本上隨著深度的增加而增加；由于操作誤差和土壤中較大塊顆粒物的影響，總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度等孔隙度指標(biāo)出現(xiàn)了一些隨土層深度增加而增加的情況，但總體上這3個孔隙度指標(biāo)是隨著土層深度增加面減小的。這表明了隨著土層深度的增加，土壤越堅實(shí)、緊密，而土壤容重在第一層0～10 cm與第二層10～20 cm之間變化較其它相鄰深度之間的變化較大，這應(yīng)該是由于表層（0～10 cm）因整地等撫育措施而相對其它層次更加疏松。飽和持水量、毛管持水量以及田間持水量等反映土壤持水性能的指標(biāo)，也同樣存在隨深度的增加而減小的趨勢。

表6 土壤物理性質(zhì)及水分參數(shù)Table 6 Soil physical properties and water parameters

4 結(jié)論與討論

(1) 本研究中10年生尾葉桉人工林林內(nèi)枯落物儲量約為14.15 t·hm-2，由于人工林內(nèi)撫育經(jīng)營活動較頻繁，枯落物分解迅速，以致半分解層儲量較未分解層多。該儲量值遠(yuǎn)超過同在華南地區(qū)的廣東高明縣云勇林場的8年生尾葉桉林（4 t·hm-2）[29]及中科院鶴山丘陵綜合試驗(yàn)站的檸檬桉林（2.6 t·hm-2）[30]，而接近處于溫帶的京西百花山的刺槐林（15.1 t·hm-2）[31]和同屬華南地區(qū)的廣東省高明縣西南部的8年生尾葉桉林（14 t·hm-2）[32]。由此可見枯落物的儲量可能因?yàn)闃浞N、品種、氣候、林齡、立地條件及撫育措施等因素而存在巨大差異。

（2）本研究中尾葉桉人工林內(nèi)枯落物的最大持水量為3.07 mm，有效攔蓄水量為1.90 mm，半分解層的最大持水率、最大持水量、有效攔蓄率和有效攔蓄水量均大于未分解層。在整個持水過程中，半分解層的持水量和持水速率一直大于未分解層。林內(nèi)枯落物的持水性能與其自身的分解程度密切相關(guān)，持水量及持水速率均與其分解程度有一定的正相關(guān)關(guān)系，分解程度更高的半分解層，其持水量和持水速率也更大。從最大持水量來看，本研究中10年生尾葉桉人工林內(nèi)的枯落物持水性能是比較優(yōu)越的，林分內(nèi)枯落物的持水量要大于廣東鶴山丘陵的濕地松林（1.6 mm）和馬占相思林（2.8 mm）[16]，也大于西雙版納的橡膠林（1.60 mm）[17]。

（3）本研究中尾葉桉人工林林下土壤層的物理性質(zhì)基本符合此規(guī)律：隨著土層深度的增加，土壤容重逐漸增大，孔隙度減小，持水量也隨之減小。而表層土壤（0～10 cm）由于經(jīng)營活動、動植物作用等因素，表現(xiàn)出更加疏松且持水能力更強(qiáng)的特征?？梢娖渫寥莱炙芰εc土壤容重和土壤層深度基本呈反比，而生物圈的活動對其物理性質(zhì)也同時產(chǎn)生著重要影響。

不同地區(qū)和林分內(nèi)的土壤物理性質(zhì)可能存在差異。薛立等[32]對廣東高明縣尾葉桉、馬占相思、濕地松、杉木等華南樹種進(jìn)行測定，表明各樹種林分內(nèi)土壤容重并無顯著差異，尾葉桉林下土壤的總孔隙度小于其它幾個樹種，毛管持水量與其它幾個樹種無顯著差異。與本研究中的尾葉桉林比較，尾葉桉林下土壤容重、孔隙度較小，而毛管持水量與之相當(dāng)。

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Study on water holding capacity of litter and soil in Eucalyptus urophylla plantations

ZHAO Zhi-yuan1,2, SHU Qing-tai1, DU A-peng2
(1.College of Resources, Southwest Forestry University, Kunming 650224,Yunnan, China; 2. China Eucalypt Research Centre,Zhanjiang 524022, Guangdong, China)

Through sampling and determination of the litter’s water holding rate, water holding quantity and the physical properties of the soil, the water holding capacity of 10-year-old Eucalyptus urophylla plantation’s litter and soil was studied. The results show that the stands’ litter reserve was about 14.15 t · hm-2, maximum water holding quantity was 3.07 mm, effective impoundment of water was 1.90 mm, and semi-decomposed layer’s maximum water holding rate, maximum water holding quantity, effective impoundment rate and effective impoundment quantity of water were greater than un-decomposed layer’s; the semi-decomposed layer’s water holding quantity and water-holding rate has been being greater than the un-decomposed layer’s during the whole process of water holding; gradually, the stands’ soil bulk density increased, the soil’s porosity reduced, the soil’s water holding capacity also decreased as the depth increased,soil’s water holding capacity was inversely proportional with soil bulk density and soil layer’s depth basically; the tending operations of the plantation was frequent, so its litter decomposed rapidly, while the biosphere activities also had an important impact on soil’s physical properties.

Eucalyptus urophyla plantations; litterfall; soil; water holding capacity

S792.39

A

1673-923X(2013)03-0098-05

2012-12-10

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201104003)； 國家林業(yè)局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)( 200904045) ；國家自然科學(xué)基金（31060114）；云南省自然科學(xué)基金（2008ZC094M）

趙知淵（1987-），男，碩士研究生，主要從事森林生態(tài)等研究； E-mail： zzyuanbo@126.com

杜阿朋（1979-），男，博士，助理研究員，主要從事森林生態(tài)等研究；E-mail： dapzj@163.com

[本文編校：謝榮秀]