3種整地方式下尾巨桉林分生物量動(dòng)態(tài)及其與土壤水分的關(guān)系

石馭天，魏國余，王志超，劉國粹，杜阿朋

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3種整地方式下尾巨桉林分生物量動(dòng)態(tài)及其與土壤水分的關(guān)系

石馭天1，魏國余1，王志超2，劉國粹2，杜阿朋2＊

(1. 廣西國有高峰林場，廣西 南寧530001；2. 國家林業(yè)局桉樹研究開發(fā)中心，廣東 湛江 524022)

對(duì)3種整地方式下的尾巨桉林分生長和林地土壤水分進(jìn)行了監(jiān)測，通過分析各林地的林分單株平均生物量及林地土壤水分的變化，探討二者的相互關(guān)系，以期為合理評(píng)估整地對(duì)尾巨桉林分生長和水分利用效率的影響提供科學(xué)依據(jù)。研究結(jié)果表明：隨著林齡的增長，3種整地方式下尾巨桉林分單株總生物量和各器官生物量均呈增加趨勢，其樹干和樹根所占比例逐漸增加，而樹枝和樹葉所占比例呈減小趨勢。在幼齡期(16個(gè)月之前)，全墾條件下的尾巨桉林分生長量最大，18個(gè)月后帶墾的林分生長量最大；3種整地方式下的尾巨桉林地土壤水分的季節(jié)變化格局相似，與天然降水分布基本保持一致。3種整地方式中穴墾尾巨桉林地土壤有較高含水率且顯著大于全墾和帶墾的(<0.05)，全墾與帶墾之間差異不顯著；3種整地方式下尾巨桉林分單株平均生物量與耗水量之間均呈顯著正相關(guān)，利用3塊林分單株平均生長量及對(duì)應(yīng)時(shí)間的耗水量得到了尾巨桉林分單株生長量與林分耗水量的擬合方程。

尾巨桉；整地方式；生物量；土壤水分

桉樹()是世界三大速生人工林樹種之一，在我國南方種植面積已達(dá)450萬hm2 [1]。由于我國南方桉樹種植面積較大，加上近年南方因降水時(shí)空分配不均引起的季節(jié)性干旱，使得大面積種植桉樹對(duì)區(qū)域水文循環(huán)及地下水資源安全的影響成為公眾和業(yè)界廣泛爭論和關(guān)注的焦點(diǎn)問題[2]。土壤是桉樹林分的載體，是大氣降水的儲(chǔ)水庫和調(diào)節(jié)器，土壤水分對(duì)桉樹生長、存活等均有重要意義。為了有效地解決上述問題首先要深入了解桉樹生長與水的關(guān)系。

目前土壤水分研究多集中在植被與土壤水分的關(guān)系方面，在農(nóng)業(yè)應(yīng)用[3-5]和西北黃土干旱區(qū)的植被恢復(fù)[6-8]研究領(lǐng)域較為多見，但對(duì)于桉樹人工林生長與土壤水分關(guān)系研究不多。另外，我國的桉樹林均為人工林，這不同于天然林，受人為影響很大，各種經(jīng)營措施均直接影響其結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響著其林分生長和林地水分過程。整地是造林的基礎(chǔ)，是人工林培育技術(shù)措施的重要組成部分，是使林地適合于林木生長的一種手段[9-10]。生物量是指植物群落所積累的干物質(zhì)的量，可反映森林的經(jīng)營水平和開發(fā)利用價(jià)值，還可反映林分與環(huán)境之間的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)關(guān)系。

本研究通過定位監(jiān)測3種整地方式下尾巨桉林分的生長(生物量)和林地土壤體積含水量的變化，分析林分喬木層生物量動(dòng)態(tài)與土壤水分的關(guān)系，探討整地作用下尾巨桉生長與土壤水分的相互影響，以期為合理評(píng)估桉樹人工林的水分利用效率以及整地對(duì)桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)的影響、實(shí)現(xiàn)桉樹人工林可持續(xù)經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于國家林業(yè)局廣東湛江桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)定位監(jiān)測站，該站處于廣東湛江遂溪縣，地理位置為北緯21°30′，東經(jīng)111°38′，屬北熱帶濕潤大區(qū)雷瓊區(qū)北緣，為海洋性季風(fēng)氣候，年均溫23.1℃，年相對(duì)濕度達(dá)80.4%，年均降水量1 567 mm，5—9月(降水量占全年的85.5%)，年均蒸發(fā)量1 763 mm。該地區(qū)地勢平坦，屬臺(tái)地及低丘陵緩坡地形，最高海拔220.8 m，山體呈扇狀向東、南、西三面傾斜。試驗(yàn)林地地勢平坦，海拔97 m，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。

1.2 試驗(yàn)林概況

尾巨桉()試驗(yàn)林于2012年6月造林，造林前分別采用3種方式進(jìn)行整地：煉山+機(jī)械全墾(整地和開溝深度30 cm)、不煉山+機(jī)械帶墾(寬40 cm，深30 cm)、不煉山+人工穴墾(長寬各40 cm，深30 cm)。以下分別簡稱為全墾、帶墾和穴墾，造林密度為1 667株·hm-2(株行距為1.5 m × 4 m)。造林后3個(gè)月施桉樹專用肥300 g·株-1。

表1 整地前林地土壤理化性質(zhì)

1.3 研究方法

1.3.1 尾巨桉生長量及生物量的測定

(1) 于2014年6月在3種整地方式試驗(yàn)林中分別選取20 m × 20 m的樣地3個(gè)，進(jìn)行每木檢尺，調(diào)查胸徑/地徑、樹高，調(diào)查頻率為2個(gè)月1次。

(2) 在樣地選取1株平均木，共9株平均木，將其伐倒進(jìn)行樹干解析。生物量的測定采用“分層切割法”：稱取9株標(biāo)準(zhǔn)木各個(gè)器官的全部鮮重量，并取部分樣品測量其鮮重量，并帶回實(shí)驗(yàn)室在80℃下烘至絕干，測量干質(zhì)量，通過含水率計(jì)算出整株樹木各個(gè)器官的生物量。利用二元式=(2)作為相對(duì)生長方程，式中：、和分別為樹木各器官的生物量、地徑和樹高，其中、為參數(shù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)木的實(shí)際生物量、地徑及樹高，通過SPSS進(jìn)行回歸分析，建立各個(gè)器官的相對(duì)生長方程，最后通過生長方程計(jì)算林分的生物量。

表2 尾巨桉不同器官生物量相對(duì)生長方程W=a(D2H)b與參數(shù)

1.3.2林外降水及林地土壤水分測定

(1) 降水通過設(shè)在生態(tài)站內(nèi)的自動(dòng)氣象觀測系統(tǒng)(每10 min自動(dòng)記錄)及HOBO自計(jì)式雨量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)雨量筒測量。

(2) 造林6個(gè)月后，在3種整地方式的9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地中分別打下1根Trime管，通過Trime水分測定儀測定土壤水分(含水率)，每個(gè)月測定1次。

2　結(jié)果與分析

2.13種整地方式的尾巨桉林分生物量動(dòng)態(tài)變化

由表3可知，3種整地方式的尾巨桉林分單株總生物量和各器官生物量隨著林齡增加均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，但不同時(shí)期各器官大小排序存在差異：在林齡6月生時(shí)，為：樹干>樹枝>樹葉>樹根；在8月生至12月生時(shí)為：樹干>樹枝>樹根>樹葉；在14月生至22月生時(shí)為：樹干>樹根>樹枝>樹葉?？傮w來看，隨著林齡增加，地上部分與地下部分生物量的比值呈逐漸減小的趨勢。

各樣地樣木的單株平均生物量存在一定差異且同一林齡不同整地處理間各器官生物量大小排序相同。6月生時(shí)，穴墾的尾巨桉單株各器官生物量和總生物量均差異顯著(<0.05)，而全墾與帶墾兩種處理間的尾巨桉生物量差異不顯著；8月生時(shí)，全墾的尾巨桉單株各器官生物量和總生物量均差異顯著(<0.05)，而帶墾與穴墾兩種處理間的尾巨桉生物量差異不顯著；10、12和14月生時(shí)，3種整地方式的尾巨桉單株各器官生物量和總生物量均存在顯著差異(<0.05)，其大小排序均為：全墾>帶墾>穴墾；16和18月生時(shí)，全墾與帶墾之間無顯著差異，但二者均極顯著大于穴墾(<0.01)；20和22月生時(shí)，3種整地方式的尾巨桉單株各器官生物量和總生物量均存在極顯著差異(<0.01)：20月生時(shí)其大小排序均為：全墾>帶墾>穴墾，22月生時(shí)其大小排序均為：帶墾>全墾>穴墾。

表3 3種整地方式下尾巨桉單株生物量變化　　　　　　　　　　　　　kg

2.23種整地方式下尾巨桉林地土壤水分動(dòng)態(tài)

由圖1可知，3種整地方式的尾巨桉林地土壤水分的季節(jié)變化格局相似，與試驗(yàn)區(qū)的降雨分布基本保持一致，這是由于試驗(yàn)區(qū)的林地土壤水分均來源于天然降水，故受到該地區(qū)降雨的顯著影響[11]。3種整地方式中，穴墾的尾巨桉林地有較高的土壤體積含水率，其顯著大于全墾和帶墾的林地土壤體積含水率(<0.05)，而全墾與帶墾之間差異不顯著。這是因?yàn)?塊試驗(yàn)地地勢平坦，落入試驗(yàn)地的降水全部滲入林地，不以地表徑流形式流出，在此背景下，人為擾土程度較大的全墾和帶墾林地土壤表層相對(duì)疏松，林地蒸發(fā)散速率較大。

圖1 3種整地方式下林地土壤水分季節(jié)變化

整地方式不同也造成了林地土壤水分垂直分布的差異。由表4可知，在表層土壤(0~ 20 cm)，3種整地方式下尾巨桉林地試驗(yàn)期間的土壤平均體積含水率差異極顯著(<0.01)，其大小排序?yàn)椋喝珘?17.11%)>穴墾(15.13%)>帶墾(11.18%)；10~ 30 cm土層，全墾與穴墾差異不顯著，但二者均極顯著大于帶墾(<0.01)；20~ 40 cm土層，3種整地方式之間的土壤平均體積含水率差異極顯著(<0.01)，其大小排序?yàn)椋喝珘?16.59%)>穴墾(15.32%)>帶墾(13.21%)；30~ 50 cm和40~ 60 cm土層，3種整地方式之間的土壤平均體積含水率差異極顯著(<0.01)，其大小排序均為：穴墾>全墾>帶墾；50~ 70、60~ 80和70~ 90 cm土層，3種整地方式之間差異極顯著(<0.01)，其大小排序均為：穴墾>帶墾>全墾?？梢?，在林地上層的土壤(0~ 40 cm)的土壤體積含水率表現(xiàn)為：全墾>穴墾>帶墾，較下層土壤(50~ 90 cm)的土壤體積含水率表現(xiàn)為：穴墾>帶墾>全墾，人為整地在一定程度上促進(jìn)了上層與下層土壤水分的交換，干擾程度越大水分交換越頻繁，表4中各林地土層的土壤水分變異系數(shù)的變化就證明了這一點(diǎn)。而從0~ 90 cm土層來看，穴墾林地的的平均體積含水量最高，達(dá)27.57%，蓄水量可達(dá)248.13 mm；帶墾林地與全墾林地土壤水分含量差異不顯著，其林地土壤平均體積含水率分別為18.39%和19.11%，蓄水量分別為165.51 mm和171.99 mm。這表明在觀測期間帶墾最能促進(jìn)林分生長，其生物量最大，對(duì)土壤水分的消耗也最大，3個(gè)林地的土壤體積含水率大小排序正好與林分喬木層的生物量排序呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表4 3種整地方式下林地土壤水分垂直變化

2.3尾巨桉林分生物量與土壤水分相關(guān)性分析

將3種整地方式下的林分生物量與林地各層土壤的土壤體積含水率作相關(guān)分析，其結(jié)果可見表5，雖然3種整地方式下的林分單株平均生物量與各層土壤體積含水率的相關(guān)性基本上均呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)差異較大。對(duì)于全墾條件下的林分單株平均生物量，其與表層0~ 40 cm土壤含水率的相關(guān)系數(shù)較深層(40~ 90 cm)土壤含水量要小，其與60~ 80 cm土層的土壤體積含水率達(dá)到了顯著負(fù)相關(guān)(<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.679；對(duì)于帶墾條件下的林分單株平均生物量，其與林地各層土壤含水率的相關(guān)系數(shù)基本上隨土層加深而增大，但相關(guān)性均不顯著；對(duì)于帶墾條件下的林分單株平均生物量，其與10~ 30、30~ 50和40~ 60 cm土層土壤含水率相關(guān)系數(shù)較其他土層要大，其中與30~ 50 cm達(dá)到顯著負(fù)相關(guān)(<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.725。

表5 3種整地方式下林分生物量與各土層土壤體積含水率的相關(guān)關(guān)系

注：*<0.05。

由于林地地勢平坦、土壤粘重，在不考慮地表徑流和土壤滲透的情況下將林地蒸發(fā)散(包括截留蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)和植被蒸騰)均看作是尾巨桉生長耗水，利用水量平衡方程在已知觀測期間各月降水量和林地土壤含水量的前提下可計(jì)算出3種整地方式下尾巨桉生長耗水量，由此可得到各林分單株平均生物量與林分耗水量的相關(guān)關(guān)系：3種整地方式下尾巨桉林分單株平均生物量與耗水量之間均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為：全墾0.924、帶墾0.856、穴墾0.933。3種整地方式下尾巨桉生長水分利用效率(WUE=生長量/耗水量)觀測期間平均值分別為：全墾13.08 g·mm-1、帶墾13.54 g·mm-1、穴墾9.65 g·mm-1。可見，整地措施使林分的水分利用效率升高，但整地也會(huì)使林地土壤水分垂直傳輸和交換速率增大，增加了土壤水分散失幾率，整地強(qiáng)度最小的穴墾水分利用效率最低，但全墾的卻非最大就證明了這一點(diǎn)。

另外，利用3塊林分單株平均生長量及對(duì)應(yīng)時(shí)間的耗水量可得到尾巨桉林分單株生長量()與林分耗水量()的擬合方程(表6)。

表6 尾巨桉單株平均生長量與林分耗水量的擬合方程

注：邏輯斯蒂模型中U生長量(因變量)的最大值，本次取值為23.1。

3　結(jié)論與討論

隨著林齡增加，3種整地方式的尾巨桉林分單株總生物量和各器官生物量均呈增加趨勢，其樹干和樹根所占比例逐漸增加，樹枝和樹葉所占比例逐漸減小。在幼齡期(16個(gè)月之前)，全墾的尾巨桉林分生長量最大，這和整地強(qiáng)度有很大關(guān)系[12]，但此后帶墾的林分生長優(yōu)勢越來越明顯，這是因?yàn)閹ǖ牟煞ナＳ辔镂幢粺?，整地?qiáng)度也適中，能提供尾巨桉林分生長所需資源。

3種整地方式的尾巨桉林地土壤水分的季節(jié)變化格局相似，與天然降水分布基本保持一致。穴墾的尾巨桉林地土壤有較高含水率且顯著大于全墾和帶墾的(<0.05)，全墾與帶墾之間差異不顯著，結(jié)合林分生長情況表明整地在一定程度上改變了林地土壤物理特性，促進(jìn)了林分對(duì)土壤水分的吸收，林分生長越快，消耗水分相對(duì)就多[13-14]，這也是整地強(qiáng)度最小、林分生長最差的穴墾林地其土壤水分含量最高的原因。

3種整地方式的林分生物量與各層土壤體積含水率基本均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。3種整地方式下尾巨桉林分單株平均生物量與耗水量之間均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為：全墾0.924、帶墾0.856、穴墾0.933，其水分利用效率觀測期間平均值分別為：全墾13.08 g·mm-1、帶墾13.54 g·mm-1、穴墾9.65 g·mm-1。

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The Variation of Biomass of×Plantations on the Leizhou Peninsula under Three Land Preparation Methods and Relationships with Soil Moisture

SHI Yu-tian1, WEI Guo-yu1, WANG Zhi-chao2, LIU Guo-cui2, DU A-peng2

(1.,530001,,; 2.,524022,,)

Growth and soil moisture were examined for×plantations established using three land preparation methods. Traits evaluated included average biomass per tree, soil moisture content, and then the relationship between these two traits in orderto evaluate effect of site preparation method on stand growth and water use efficiency. Research results showed: although eucalypt forest plant total biomass of three species of soil preparation and biomass of different organs increased as age increased, the proportion of total biomass accounted for by branches and leaves gradually decreased whilst that accounted for by stems and roots increased. The growth amount of full cultivation was the largest in the young (to age 16 months) eucalypt plantation, and furrowing was the largest 18 months later. Seasonal variation in of soil moisture under the×plantations established under the three land preparation methods proved similar. To three land preparation methods, digging hole generally had the highest soil water content and was significantly higher than full cultivation (<0.05) but not significantly higher than furrowing. There was a positive correlation among the three land preparation methods in average biomass per plant and water consumption, and the fitted equation between individual tree growth and water consumption of stand was built.

×; land preparation methods; biomass; soil moisture

S758.5+2；S718.51+6

A

2015-08-13

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(31300383)；廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2014KJCX021-04);中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(CAFYBB2014QB024)；廣東湛江桉樹林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站運(yùn)行補(bǔ)助項(xiàng)目(2015-LYPT-DW-006)

石馭天(1974— )，男，工程師，主要從事營林生產(chǎn)與管理工作.E-mail:78650666@163.com

＊杜阿朋為通訊作者.E-mail: dapzj@163.com