南亞熱帶杉木林改造對(duì)土壤及凋落物持水能力的影響

唐洪輝, 張衛(wèi)強(qiáng), 嚴(yán) 峻, 盤(pán)李軍, 陳偉光, 冼桿標(biāo)

(1.廣東省林業(yè)科學(xué)研究院, 廣州 510520; 2.佛山市云勇生態(tài)林養(yǎng)護(hù)中心, 廣東 佛山 528518)

南亞熱帶杉木林改造對(duì)土壤及凋落物持水能力的影響

唐洪輝1, 張衛(wèi)強(qiáng)1, 嚴(yán) 峻1, 盤(pán)李軍2, 陳偉光2, 冼桿標(biāo)2

(1.廣東省林業(yè)科學(xué)研究院, 廣州 510520; 2.佛山市云勇生態(tài)林養(yǎng)護(hù)中心, 廣東 佛山 528518)

對(duì)杉木林進(jìn)行改造，是提高林分質(zhì)量和生態(tài)效能的重要措施。該文研究了杉木林改造前期對(duì)土壤及凋落物持水能力的影響。結(jié)果表明，在杉木林改造前期，不同林齡段試驗(yàn)林間土壤容重、孔隙度和土壤持水量差異不顯著(P>0.05)，但隨林齡的增加呈上升趨勢(shì)，土壤涵養(yǎng)水源能力有所增加。凋落物量及其持水能力隨改造林齡的增加呈上升趨勢(shì)，9～11 a林齡試驗(yàn)林凋落物及持水能力顯著高于3～5 a林齡試驗(yàn)林(P<0.05)，而其凋落物持水能力與5～7 a林齡試驗(yàn)林差異不顯著(P>0.05)。浸水試驗(yàn)表明，凋落物持水率隨浸泡時(shí)間的增加呈對(duì)數(shù)曲線增長(zhǎng)，吸水速率與浸泡時(shí)間呈反函數(shù)關(guān)系。凋落物最大持水量遠(yuǎn)小于土壤最大持水量，僅為土壤的0.18%，0.11%和0.08%，土壤為森林涵養(yǎng)水源的主體。通過(guò)分析試驗(yàn)林土壤和凋落物持水能力發(fā)現(xiàn)，杉木+米老排+陰香+山杜英+楓香、杉木+火力楠+米老排+陰香+紅荷和杉木+木荷+山杜英+香椿+山黃麻改造模式對(duì)土壤和凋落物持水能力影響效果較好，其水文功能較高。

土壤及凋落物持水能力; 杉木林改造前期; 南亞熱帶

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國(guó)南方主要速生用材樹(shù)種，在中國(guó)亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中占有十分重要的地位[1]，大規(guī)模營(yíng)造杉木人工林的后果是樹(shù)種組成的單一化和針葉化現(xiàn)象嚴(yán)重，影響森林生態(tài)功能的正常發(fā)揮[2-3]。水源涵養(yǎng)是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要功能，也是生態(tài)公益林的核心功能之一[4]，主要包括森林生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)林冠層、凋落物層和土壤層攔截滯蓄降水[5]。研究表明，凋落物層與土壤層調(diào)節(jié)降水的能力達(dá)到降雨的90%以上[6]。因此，研究土壤層和凋落物層持水特性具有極其重要的意義，成為生態(tài)水文學(xué)研究的核心問(wèn)題之一[5]。目前，有關(guān)林分改造對(duì)土壤層和凋落物層持水能力影響研究主要集中在植物演替[7-8]和林分改造[4,9-10]等方面。而杉木林改造前期對(duì)土壤及凋落物持水特性的影響還缺少系統(tǒng)的、詳細(xì)的研究。本研究探討了杉木林改造前期不同林齡段試驗(yàn)林土壤及凋落物持水特性，旨在為杉木人工林營(yíng)建中的樹(shù)種選擇、近自然改造、生態(tài)林經(jīng)營(yíng)及森林生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省佛山市高明區(qū)云勇林場(chǎng)，東經(jīng)112°40′，北緯22°43′，屬南亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，水熱資源豐富。年平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫分別為22.0，34.5和3.5℃，雨量充沛，年降水量平均達(dá)2 000 mm，集中在4—8月[11]。地勢(shì)屬丘陵地帶，土壤為花崗巖發(fā)育的酸性赤紅壤，土層深厚。2002—2011年不同時(shí)段對(duì)杉木林進(jìn)行皆伐改造，引入生態(tài)景觀樹(shù)種造林，經(jīng)過(guò)多年改造，形成了針闊混交林，試驗(yàn)林概況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)林概況

注：杉木為二代萌芽，只保留1株。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤物理性質(zhì) 2013年8月，選擇地形地貌、海拔、母巖、土壤類型等相同或相近，且彼此相連的10～11 a，7～9 a和3～5 a林齡段試驗(yàn)林作為研究對(duì)象，在每個(gè)林齡段試驗(yàn)林內(nèi)分別設(shè)計(jì)4個(gè)土壤和凋落物研究樣地，在每個(gè)土壤研究樣地內(nèi)選擇有代表性的部位，分別挖取3個(gè)土壤剖面，按照0—25，25—50，50—75，75—100 cm土壤深度用100 cm3環(huán)刀取樣。參考LY/T1215—1999《森林土壤水分—物理性質(zhì)的測(cè)定》，由環(huán)刀法計(jì)算土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管空隙度、土壤通氣性、自然含水量、最大持水量、毛管持水量和田間持水量等指標(biāo)。

1.2.2 凋落物蓄積量 2013年8月，按“梅花五點(diǎn)法”在每個(gè)研究樣地布設(shè)5塊2 m×2 m小樣方，在樣地內(nèi)收集全部凋落物(不包括直徑>2 cm的粗木質(zhì)殘?bào)w)并現(xiàn)場(chǎng)稱重；對(duì)凋落物進(jìn)行取樣，帶回實(shí)驗(yàn)室在85℃的恒溫箱中烘干至恒重，由干/鮮重比計(jì)算含水率，從而推算出凋落物蓄積量。

1.2.3 凋落物持水能力與過(guò)程 采用室內(nèi)浸泡法測(cè)定凋落物持水特性。2013年8月，將烘干后凋落物樣品稱取100 g，原狀放入細(xì)網(wǎng)尼龍袋中，浸沒(méi)于清水中，在分別浸泡0.25，0.5，1，1.5，2，4，6，8，10，24 h后稱重，每次取出后靜置5 min左右，直至凋落物不滴水為止，迅速稱凋落物的濕重并進(jìn)行記錄，由此計(jì)算凋落物在不同浸水時(shí)間的持水率、吸水速率和持水量，每個(gè)研究樣地重復(fù)3次。

1.2.4 凋落物攔蓄能力 凋落物層的最大攔蓄率即為最大持水率，根據(jù)凋落物層的蓄積量、其雨前實(shí)測(cè)平均自然持水率及最大持水率可推算出其最大攔蓄量，而最大持水量及最大攔蓄量，只能反映凋落物層的持水能力大小，不能反映對(duì)實(shí)際降水的攔蓄情況。研究表明，當(dāng)降雨量達(dá)到20～30 mm以后，不論哪種植被類型的枯落物層及其含水量高低，實(shí)際持水率約為最大持水率的85%左右，所以取調(diào)整系數(shù)0.85來(lái)估算枯落物層的有效攔蓄量[12-13]。

Rm=(G24-Gd)/Gd×100%Ro=(Go-Gd)/Gd×100%

Wm=(Rm-Ro)MW=(0.85Rm-Ro)M

式中：Rm——凋落物最大持水率(%)；Go，Gd和G24——凋落物自然狀態(tài)下質(zhì)量、凋落物風(fēng)干質(zhì)量和浸水24 h后質(zhì)量；Wm——最大攔蓄量(t/hm2)；W——有效攔蓄量(t/hm2)；R0——平均雨前自然含水率(%)；M——凋落物蓄積量(t/hm2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理性質(zhì)與持水能力

從表2可知，杉木林改造前期，不同林齡段試驗(yàn)林間土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均值差異不顯著(P>0.05)，但隨林齡的增加呈上升趨勢(shì)，而非毛管孔隙度和土壤通氣性表現(xiàn)為先升高后降低。10～11 a林齡不同改造模式間總孔隙度、毛管孔隙度差異不顯著(P>0.05)，而非毛管孔隙度和土壤通氣性變化規(guī)律一致。7～9 a林齡不同改造模式間容重、非毛管孔隙度及土壤通氣性差異不顯著(P>0.05)，而總孔隙度和毛管孔隙度間差異性一致。3～5 a林齡不同改造模式間土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度差異不顯著(P>0.05)。

表2 土壤物理性質(zhì)分析

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，同列小寫(xiě)字母表示同一林齡各改造模式間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，同列大寫(xiě)字母表示不同林齡間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

從表3可知，不同林齡段試驗(yàn)林間土壤自然含水量、最大持水量、毛管持水量和田間持水量均值差異不顯著(P>0.05)，杉木林改造前期對(duì)土壤持水能力影響不大，但最大持水量、毛管持水量和田間持水量隨林齡的增加呈上升的趨勢(shì)，與3～5 a林齡試驗(yàn)林相比，10～11 a林齡試驗(yàn)林土壤自然含水量、最大持水量、毛管持水量及田間持水量均值增加了7.81%，3.77%，3.97%和5.25%，土壤涵養(yǎng)水源能力有所增加。3～5 a林齡不同改造模式間土壤自然含水量、最大持水量、毛管持水量和田間持水量差異不顯著(P>0.05)，這可能由于造林撫育剛剛結(jié)束，林分處于幼齡期，不同改造模式對(duì)土壤持水能力影響效果不明顯。7～9 a林齡不同改造模式間最大持水量和毛管持水量差異性規(guī)律一致。10～11 a林齡不同造林模式間最大持水量、毛管持水量和田間持水量顯著不差異(P>0.05)，不同改造模式下土壤涵養(yǎng)水源能力基本趨于一致。

表3 土壤持水能力分析

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，同列小寫(xiě)字母表示同一林齡各改造模式間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，同列大寫(xiě)字母表示不同林齡間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

2.2 土壤物理性質(zhì)與持水能力相關(guān)性分析

為了更深入了解土壤物理性質(zhì)與持水性的相互影響，對(duì)主要指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性分析(表4)。從表4可知，不同林齡段試驗(yàn)林土壤容重與最大持水量、毛管持水量、田間持水量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。土壤總孔隙度與毛管孔隙度、自然含水量、最大持水量、毛管持水量及田間持水量存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)，隨著林齡的增加，總孔隙度與最大持水量和毛管持水量相關(guān)性升高，而與土壤自然含水量相關(guān)性降低，土壤自然含水量受總孔隙度影響隨林齡的增加而降低。土壤自然含水量和田間持水量、毛管持水量、最大持水量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，其中，土壤含水量與田間持水量相關(guān)系數(shù)最高，說(shuō)明各林地自然含水量的大小主要取決于田間持水量，其次為毛管持水量和最大持水量。土壤通氣性與非毛管孔隙度、非毛管持水量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，兩者相關(guān)性隨林齡的增加呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)。土壤最大持水量與土壤毛管持水量和田間持水量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

2.3 凋落物持水特性分析

2.3.1 凋落物蓄積量和持水能力分析 從表5可知，不同林齡段試驗(yàn)林凋落物量、最大持水量、最大攔蓄量和有效攔蓄量隨林齡的增加呈上升趨勢(shì)，而凋落物自然含水率和最大持水率表現(xiàn)為先升高后降低。凋落物受動(dòng)物、微生物以及環(huán)境等作用，凋落物不斷凋落、分解，處于不斷的消長(zhǎng)動(dòng)態(tài)中，凋落物儲(chǔ)量狀況反映了凋落物與所處環(huán)境的交互作用和富集程度[14]，研究發(fā)現(xiàn)，10～11 a林齡不同改造模式凋落物蓄積量均值顯著高于7～9 a林齡、3～5 a林齡凋落物量(P<0.05)，分別為7～9 a林齡、3～5 a林齡凋落物量的2.15和2.53倍。受凋落物蓄積量、凋落物自然含水率和最大持水率的影響，10～11 a林齡不同改造模式凋落物最大持水量、最大攔蓄量和有效攔蓄量均值與7～9 a林齡間差異不顯著(P>0.05)，但顯著高于3～5 a林齡(P<0.05)，分別為3～5 a林齡的2.27，2.25和2.25倍。10～11 a林齡不同改造模式間凋落物最大持水量、最大攔蓄量和有效攔蓄量間差異性一致。3～5 a林齡不同改造模式間凋落物蓄積量、最大持水量、最大攔蓄量和有效攔蓄量間差異不顯著(P>0.05)。

表4 土壤物理性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)

注：*P<0.05，**P<0.01。

表5 凋落物量及凋落物持水能力分析

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，同列小寫(xiě)字母表示同一林齡各改造模式間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，同列大寫(xiě)字母表示不同林齡間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

2.3.2 凋落物持水和吸水過(guò)程分析 利用浸泡試驗(yàn)測(cè)定凋落物持水率變化過(guò)程，按不同改造模式分別計(jì)算其持水率隨浸泡時(shí)間的關(guān)系(圖1)。從圖1可知，凋落物持水量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相似，在0～2 h時(shí)段內(nèi)凋落物持水率隨浸泡時(shí)間的增加迅速提高，此后增長(zhǎng)趨勢(shì)各不相同，只是增速減少，浸泡24 h時(shí)，各改造模式凋落物持水率均達(dá)到平衡，基本趨于穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn)，不同林齡段試驗(yàn)林凋落物0.5 h內(nèi)持水率分別占其最大持水率的57.67%，68.39%和68.63%，說(shuō)明凋落物攔蓄地表徑流的功能在降雨開(kāi)始時(shí)較強(qiáng)，此后隨著凋落物濕潤(rùn)程度的增加，持水能力降低。凋落物持水速率與浸泡時(shí)間存在著明顯對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)均在0.887以上(表6)。

Q=aln(t)+b

式中：Q——凋落物持水率(g/g)，t——浸水時(shí)間(h)，a，b——方程系數(shù)。

凋落物吸水速率隨時(shí)間變化趨勢(shì)是一致的，吸水速率與浸泡時(shí)間存在明顯的相關(guān)性(圖2)。從圖2可知，在浸水開(kāi)始到浸水2 h，凋落物吸水速率急劇降低，之后緩慢下降，凋落物在浸水24 h時(shí)基本飽和，吸水速率基本上維持在0.06～0.08 g/(g·h)之間。不同林齡段試驗(yàn)林凋落物吸水速率表現(xiàn)為7～9 a林齡試驗(yàn)林>3～5 a林齡試驗(yàn)林>10～11 a林齡試驗(yàn)林。凋落物吸水速率與浸泡時(shí)間存在著明顯反函數(shù)關(guān)系(表6)，相關(guān)系數(shù)均在0.991以上。

V=b0+b1t-1

式中：V——凋落物吸水速率[g/(g·h)]；t——浸泡時(shí)間；b0，b1——方程系數(shù)。

表6 凋落物持水量、吸水率和浸泡時(shí)間的關(guān)系式

圖1 凋落物持水率與浸泡時(shí)間的關(guān)系

圖2 凋落物吸水速率與浸泡時(shí)間的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1) 杉木林改造前期，不同林齡試驗(yàn)林間土壤容重和孔隙度差異不顯著(P>0.05)。隨著試驗(yàn)林林齡的增加，土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、土壤最大持水量、毛管持水量和田間持水量呈上升的趨勢(shì)，土壤涵養(yǎng)水源能力有所增加，而非毛管孔隙度和土壤通氣性表現(xiàn)為先升高后降低。各林齡段試驗(yàn)林土壤容重與最大持水量、毛管持水量、田間持水量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，土壤總孔隙度與毛管孔隙度、自然含水量、最大持水量、毛管持水量及田間持水量存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)，隨著林齡的增加，總孔隙度與最大持水量和毛管持水量相關(guān)性升高，而總孔隙度與土壤自然含水量相關(guān)性降低，土壤自然含水量受總孔隙度影響降低。土壤自然含水量與田間持水量相關(guān)系數(shù)最高，說(shuō)明各林地自然含水量的大小主要取決于田間持水量，其次為毛管持水量和最大持水量。

(2) 凋落物量及凋落物持水能力隨隨改造林齡的增加呈上升趨勢(shì)，10～11 a林齡試驗(yàn)林凋落物蓄積量顯著高于與7～9 a林齡、3～5 a林齡凋落物量(P<0.05)，分別為7～9 a林齡、3～5 a林齡凋落物量的2.15倍和2.53倍。與其他類似研究相比，南亞熱帶杉木林改造前期凋落物蓄積量小于溫帶[15]和亞熱帶[16]主要森林植被凋落物蓄積量，這主要是由于南亞熱帶水熱環(huán)境明顯高于暖溫帶和中亞熱帶，加速了凋落物的分解，同時(shí)可能與試驗(yàn)林林齡較小有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，凋落物持水能力主要發(fā)生在2 h內(nèi)，在攔蓄地表徑流的功能在降雨開(kāi)始2 h內(nèi)較強(qiáng)，此后隨著凋落物濕潤(rùn)程度的增加，持水能力降低。

(3) 土壤持水能力均遠(yuǎn)大于凋落物層。凋落物最大持水量?jī)H為土壤最大持水量的0.18%，0.11%和0.08%，但這并不能說(shuō)明凋落物在森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)中的作用不大，由于凋落物層結(jié)構(gòu)疏松，吸水能力和透水性強(qiáng)，不僅能夠減緩林內(nèi)降水對(duì)地面的直接沖擊，阻滯和分散降水，吸收降落到地表的水分，而且能延緩及減少地表徑流，增加土壤水分下滲，對(duì)防止土壤侵蝕和水源涵養(yǎng)具有重要作用[7]。

(4) 通過(guò)分析試驗(yàn)林土壤和凋落物持水能力發(fā)現(xiàn)，杉木+米老排+陰香+山杜英+楓香、杉木+火力楠+米老排+陰香+紅荷和杉木+木荷+山杜英+香椿+山黃麻改造模式對(duì)土壤和凋落物持水能力影響效果較好，其土壤與凋落物的水文功能較高。

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EffectsofCunninghamialanceolataStandReconstructingontheWater-HoldingCapacitiesofSoilandLitterinSouthernSubtropicalRegion

TANG Hong-hui1, ZHANG Wei-qiang1, YAN Jun1, PAN Li-jun2, CHEN Wei-guang2, XIAN Gan-biao2

(1.GuangdongAcademyofForestry,Guangzhou510520,China; 2.MaintenanceCenterforYunyongEcologicalForestofFoshan,Foshan,Guangdong528518,China)

Transformation ofCunninghamialanceolataplantation was an important measure to improve forest stand quality and its ecological functions. In this paper, transformation methods ofCunninghamialanceolataplantation in Foshan, were taken as the example to study the water-holding capacities of soil and litter with different forest ages. The bulk density, porosity and water holding capacity of soil for experimental forest with different age segments were not significant (P<0.05), while those parameters of soil rose with the extension of forest ages, and water conservation of soil was improved. Litter biomass and water-holding capacity of litter increased with the increase of forest ages. Biomass and water-holding capacity of litter in experimental forest with the ages of 9～11 years were significantly higher than those of litter in experimental forest with 3～5 years (P<0.05), while water-holding capacity of litter was not significant with 3～5 years experimental forest. The litter soaking experiments showed that the water holding capacity increased with soaking time, following a logarithmic curve, while water absorption rate decreased with soaking time, following inverse function relationship. The maximum water-holding capacity of litter layer was much less than the soil layer, which accounted for 0.18%, 0.11% and 0.08% of the maximum water-holding capacities of soil. Forest soils become the subject of water conservation. The improvement methods ofCunninghamialanceolata,Mytilarialaosensis,Cinnamomumburmannii,Elaeocarpussylvestris,LiquidambarformosaandCunninghamialanceolata,Micheliamacclurei,Mytilarialaosensis,Cinnamomumburmannii,SchimawallichiiandCunninghamialanceolata,Schimasuperba,Elaeocarpussylvestris,Toonasinensis,Tremaorientalisshowed good water holding capacity of soil and litter by analyzing water holding capacity of soil and litter.This study results can provide scientific basis for planting tree selection, near natural transformation of stand, forest management and assessment of service function of forest ecosystem.

water-holding capacities of soil and litter; early stand transformation ofCunninghamialanceolataplantation; southern subtropical region

2014-04-04

：2014-04-23

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201404301);廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新專項(xiàng)項(xiàng)目(2010KJCX013-02);佛山市生態(tài)景觀林培育技術(shù)研究與推廣示范和國(guó)家林業(yè)局廣東東江源森林生態(tài)站聯(lián)合資助

唐洪輝(1962—),男,廣東興寧人,高級(jí)工程師,主要從事森林生態(tài)與風(fēng)景園林設(shè)計(jì)。E-mail:gztanghh@126.com

張衛(wèi)強(qiáng)(1976—),男,山西清徐人,博士,高級(jí)工程師,主要從事森林水文與植物生理生態(tài)。E-mail:happyzwq@sina.com

S715.7

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：1005-3409(2014)06-0047-07