山美水庫(kù)庫(kù)周尾巨桉林分改造模式水土養(yǎng)分保持效能*

尤龍輝 ，聶森 ，陳金章 ，梁國(guó)清 ，陳世軍 ，黃金林

（1.福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建福州，350012；2.泉州市林業(yè)科技推廣中心，福建泉州，362000；3.南安五臺(tái)山國(guó)有林場(chǎng)，福建南安，362322）

庫(kù)周水源涵養(yǎng)林對(duì)調(diào)節(jié)區(qū)域水文循環(huán)，改善水文狀況及保護(hù)飲用水水源等具有重要作用[1]。但長(zhǎng)期以來，水源涵養(yǎng)林的樹種組成較單一，林齡老化，林下灌草稀少，生物多樣性較低等問題導(dǎo)致水源涵養(yǎng)林生態(tài)功能低下。近年來，許多研究者通過對(duì)原有低效能水源林疏伐套種闊葉樹種，構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定的異齡復(fù)層林分結(jié)構(gòu)，對(duì)提升水源林截持降雨徑流及阻沙、保肥效能，效果較好[2-4]。

目前，福建省飲用水源水庫(kù)庫(kù)周水源涵養(yǎng)林仍以組成樹種單一的針葉林、桉樹林、相思林分為主，不能滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)森林生態(tài)功能及清潔水源的需求。2014年，福建省南安五臺(tái)山國(guó)有林場(chǎng)啟動(dòng)實(shí)施福建省泉州市山美水庫(kù)流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)試點(diǎn)項(xiàng)目——庫(kù)周水源涵養(yǎng)林建設(shè)工程，本文以庫(kù)周典型桉樹林分改造模式為研究對(duì)象，分析不同模式林地凋落物及土壤持水性能、林地產(chǎn)流產(chǎn)沙及土壤營(yíng)養(yǎng)元素流失狀況的差異，為南方飲用水源水庫(kù)庫(kù)周低質(zhì)低效水源涵養(yǎng)林分改造提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于南安山美水庫(kù)五臺(tái)山林場(chǎng)，地理位置為東經(jīng)118°24′20″，北緯25°16′45″，與永春交界，海拔80～1000m。屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為19.5～21.0℃，最熱月平均氣溫達(dá)26～29℃；年降雨量為1000～1800mm，3—9月降水量占全年的80%，無霜期350d。土壤為沙頁(yè)巖發(fā)育的赤紅壤，pH 值4.65，0～20cm土層有機(jī)質(zhì)含量 16.71g·kg-1，全氮 1.01g·kg-1，全磷 0.41g·kg-1，全鉀 14.25g·kg-1，水解性氮 100.14mg·kg-1，有效磷6.08mg·kg-1，速效鉀 80.45mg·kg-1。林場(chǎng)工區(qū)內(nèi)水源涵養(yǎng)林以濕地松（Pinus elliottii）、尾巨桉（Eucalyptus urophylla× E.grandis）和木荷（Schima superba）人工林為主，林下灌木主要有毛冬青（Ilex pubescens）、石斑木（Rhaphiolepis indica）、輪葉蒲桃（Syzygium grijsii）、桃金娘（Rhodomyrtus tomentosa）等為主，草本主要有鐵芒萁（Dicranopteris linearis）、玉葉金花（Mussaenda pubescens）等。

1.2 研究方法

1.2.1 林分改造模式

本研究所選尾巨桉人工林植于2006年，前茬是馬尾松（Pinus massoniana）林，現(xiàn)有密度為450株·hm-2。2014年進(jìn)行林分改造試驗(yàn)。選取5 種典型林分改造模式進(jìn)行監(jiān)測(cè)跟蹤試驗(yàn)，包括：尾巨桉純林皆伐后按5:5 套種馬占相思（Acacia mangium）+火力楠（Michelia macclurei）（A），桉樹純林皆伐后按5:5 套種馬占相思+楓香（Liquidambar formosana），（B）尾巨桉純林皆伐后按5:5 套種馬占相思+臺(tái)灣相思（Acacia confusa）（C），尾巨桉純林擇伐30%后按4:4:2 套種馬占相思+楓香+火力楠（D），不進(jìn)行擇伐處理保留原有桉樹林，作為試驗(yàn)對(duì)照（CK）。種植當(dāng)年對(duì)補(bǔ)種樹木進(jìn)行追肥和撫育管理，并在整個(gè)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)期內(nèi)，及時(shí)補(bǔ)植枯、病死樹木。試驗(yàn)樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況

1.2.2 產(chǎn)流產(chǎn)沙量監(jiān)測(cè)

改造3年后，通過布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)（水平投影面積為100m2），監(jiān)測(cè)不同尾巨桉林分改造模式的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征。其中徑流量是由每次降雨發(fā)生產(chǎn)流后，通過鋼卷尺測(cè)量集流池和分流池匯水深度后，換算為匯水體積得出；產(chǎn)沙量是在測(cè)完匯水體積后排去徑流水，將池底泥沙烘干稱重得出。

1.2.3 凋落物凋落現(xiàn)存量及其持水率的測(cè)定

在2018年8月份，在每個(gè)徑流小區(qū)四個(gè)角2m 范圍外布設(shè)4個(gè)1m×1m 的小樣方，用鋼卷尺測(cè)量凋落物層厚度后，采用全收獲法將樣方內(nèi)的凋落物全部采集稱鮮重后帶回實(shí)驗(yàn)室，并在鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)65℃烘干至恒重，測(cè)單位林地面積凋落物的現(xiàn)存量（干重）及其含水率。然后將烘干的凋落物樣品裝入50 目的尼龍網(wǎng)袋內(nèi)，置于盛放清水的玻璃水箱內(nèi)（以水面略高于凋落袋為準(zhǔn)）浸泡24h 后取出瀝水，至不滴水后稱重，計(jì)算凋落物最大持水量和最大持水率。其中，凋落物最大持水率=（浸泡24h 后凋落物濕重－凋落物烘干重）/凋落物烘干重×100%；凋落物最大持水量=凋落物現(xiàn)存量×凋落物最大持水量/100。

1.2.4 土壤孔隙度及其貯水量的測(cè)定

在2018年8月，采用環(huán)刀在每個(gè)徑流小區(qū)的東北、東南和西北四個(gè)角2m 范圍外，分別挖掘土壤剖面，分0～20cm、20～40cm 土層采集土樣，依據(jù)中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1215-1999 測(cè)定土壤孔隙度及其貯水量。

1.2.5 徑流水樣養(yǎng)分元素流失量的測(cè)定

監(jiān)測(cè)時(shí)間從2018年3—10月。在每次有效徑流事件中，用100ml 尿杯取集流池上、中、下三層，每層選對(duì)角線兩端及中點(diǎn)三處取樣混勻，帶回實(shí)驗(yàn)室用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測(cè)定徑流水樣總氮濃度，用過硫酸鉀氧化-鉬銻抗分光光度法測(cè)定徑流水樣總磷濃度[5]。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003 繪制圖表，采用SPSS17.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Duncan多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同改造模式的林下凋落物凋落量與最大持水量

尾巨桉林皆伐與擇伐后，套種鄉(xiāng)土闊葉樹種對(duì)林下凋落物凋落量及其最大持水量的影響也存在差異（圖1）。改造模式 D 的凋落物凋落量最大，為 4.54t·hm-2，模式 A、B、C 較小，分別為 2.06t·hm-2、2.26t·hm-2和 2.33t·hm-2，模式CK 最小，為1.8t·hm-2，各模式的凋落物層最大持水量從大到小依次為模式D>模式C>模式B>模式A>模式CK。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示：模式D 的林下凋落物凋落量及其最大持水量與模式A、B、C、CK 均存在顯著差異，模式C 與模式CK 存在顯著差異，其他模式間差異不顯著。各模式間的最大持水率差異不顯著，模式A～CK 依次為251.17%、256.13%、260.65%、262.46%和243.83%。

圖1 桉樹林分改造模式土壤孔隙度和貯水

2.2 不同改造模式的土壤孔隙度及貯水量

由表2可知，尾巨桉林只有改造模式D 顯著降低林地土壤容重。改造模式B 和D 在0～20cm 土層毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度及其所對(duì)應(yīng)的貯水量均較高，且只有模式D 的孔隙度與模式CK 沒有達(dá)到顯著差異；模式A 和C 較小，與模式CK 相比較沒有明顯的變化規(guī)律。各模式20～40cm 土層的土壤孔隙度及其所對(duì)應(yīng)的貯水量均沒有明顯的變化規(guī)律。0～20cm 土層的容重均小于20～40cm 土層，而土壤孔隙度及其所對(duì)應(yīng)的貯水量則呈相反的趨勢(shì)。

表2 不同林分改造模式土壤孔隙度及其貯水量

2.3 不同改造模式的產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量

監(jiān)測(cè)期從3月份開始至10月份結(jié)束，共計(jì)205d，由于2018年上半年雨水較少，因此，各模式發(fā)生的降雨徑流主要集中于6—10月份，其中有效徑流事件為13 次。由圖2～5可以看出，各桉樹林分改造模式，在統(tǒng)計(jì)的有效徑流事件中的產(chǎn)流、產(chǎn)沙量變化趨勢(shì)總體上趨于一致。

尾巨桉林擇伐、皆伐套種闊葉樹種模式A、B、C、D 和參照模式CK 的產(chǎn)流量變化幅度分別為11.70～36.01m3·hm-2、7.20～ 32.80m3·hm-2、10.03～ 34.80m3·hm-2、5.20～ 37.70m3·hm-2和 6.20～ 28.10m3·hm-2，平均產(chǎn)流量和累積產(chǎn)流量從大到小依次為模式 A（20.18m3·hm-2、262.30m3·hm-2）> 模式 C（18.82m3·hm-2、244.70m3·hm-2）> 模式 D（16.84m3·hm-2、218.90m3·hm-2）> 模式 B（16.64m3·hm-2、216.30m3·hm-2）> 模式 CK（12.41m3·hm-2、161.30m3·hm-2）。模式 A、B、C、D 和參照模式 CK 的徑流泥沙濃度變化幅度分別為 0.283～ 2.450g·L-1、0.820～ 2.840g·L-1、0.830～ 3.390g·L-1、1.190～ 2.580g·L-1和 1.150～ 3.070g·L-1，平均徑流泥沙濃度從大到小依次為模式 CK= 模式 D（1.70g·L-1）> 模式 C（1.65g·L-1）> 模式 B（1.29g·L-1）> 模式 A（1.16g·L-1），累積泥沙流失量則變現(xiàn)為模式 C（429.96kg·hm-2）> 模式 D（395.51kg·hm-2）> 模式 A（327.10kg·hm-2）> 模式 B（290.91kg·hm-2）> 模式 CK（282.03kg·hm-2）。尾巨桉林皆伐或擇伐套種闊葉樹種初期，地表產(chǎn)流量和泥沙流失量反而有所增加。

圖2 桉樹林分改造模式產(chǎn)流量

圖3 桉樹林分改造模式產(chǎn)沙量

2.4 不同改造模式的養(yǎng)分流失量

尾巨桉林擇伐套種闊葉樹種模式A、B、C、D 和參照模式CK 徑流氮素濃度變化幅度分別為1.15～4.40mg·L-1、1.58～ 4.83mg·L-1、2.17～ 5.90mg·L-1、3.31～ 6.56mg·L-1和 2.92～ 5.71mg·L-1，平均徑流氮素濃度從大到小依次為模式 D（4.26mg·L-1）> 模式 CK（4.01mg·L-1）> 模式 C（3.61mg·L-1）> 模式 B（3.27mg·L-1）> 模式 A（2.87mg·L-1），累積氮素流失量則表現(xiàn)為模式 D（878.44g·hm-2）> 模式 C（868.29g·hm-2）> 模式 A（770.68g·hm-2）> 模式 B（735.92g·hm-2）> 模式 CK（642.79g·hm-2）。模式 A、B、C、D 和參照模式 CK 徑流磷素濃度變化幅度分別為 0.07～ 0.37mg·L-1、0.15～ 0.47mg·L-1、0.22～ 0.55mg·L-1、0.27～ 0.58mg·L-1和 0.25～ 0.58mg·L-1，平均徑流磷素濃度與平均徑流氮素濃度變化趨勢(shì)一致，為模式 D（0.413mg·L-1）> 模式 CK（0.410mg·L-1）> 模式 C（0.328mg·L-1）> 模式 B（0.284mg·L-1）> 模式 A（0.266mg·L-1），累積磷素流失量表現(xiàn)為模式 D（87.71g·hm-2）> 模式 C（78.93g·hm-2）> 模式 CK（67.89g·hm-2）>模式A（67.33g·hm-2）>模式B（59.82g·hm-2）。桉樹林皆伐或擇伐套種闊葉樹種初期，地表氮素、磷素流失量亦有所增加。

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

與純林相比，皆伐尾巨桉林套種不同闊葉樹種，降雨徑流量不減反增，這可能由于監(jiān)測(cè)期距改造時(shí)間較短，套種的闊葉樹種仍處于未郁閉的幼齡林的狀態(tài)，林冠較小，凋落葉凋落量較少，截持降雨徑流能力有限，改造后林地土壤的貯水能力也未顯著提高，因此，降雨徑流量反而高于未經(jīng)改造的純桉樹林，但Bren 等[6]研究表明，經(jīng)過采伐的森林初期會(huì)增加林地地表徑流量，但封育后隨著森林的自我恢復(fù)，徑流量逐漸減小，但本研究仍需繼續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)以驗(yàn)證是否有同樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 桉樹林分改造模式氮素流失量

圖5 桉樹林分改造模式磷素流失量

降雨產(chǎn)生的林地地表徑流，會(huì)造成一定程度的土壤養(yǎng)分流失，因此，通過監(jiān)測(cè)林地地表徑流營(yíng)養(yǎng)元素流失狀況，可作為篩選改造低質(zhì)低效水源涵養(yǎng)林分樹種的重要指標(biāo)之一。本研究發(fā)現(xiàn)，桉樹林通過皆伐套種不同闊葉樹種，產(chǎn)生的地表氮素、磷素流失量卻高于未改造桉樹純林，這與Likens 等[7]對(duì)美國(guó)新罕布什爾州的流域森林采伐方式干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似，即強(qiáng)度采伐方式（包括皆伐）造成的地表土壤養(yǎng)分凈流失量顯著高于輕度采伐，本研究由于林分改造時(shí)間較短，對(duì)林地土壤蓄水保肥的能力有限，容易在強(qiáng)降雨的影響下造成土壤養(yǎng)分流失。不同林分改造模式徑流氮素流失量均高于磷素流失量，除了可能磷素本身易被土壤中的生物所固定，還可能因?yàn)橐着c土壤其他化學(xué)元素相作用而被吸附，形成不易被徑流水沖刷、淋溶的較穩(wěn)定的物質(zhì)[8]。

3.2 結(jié)論

（1）尾巨桉林不同改造模式凋落物層凋落量及其最大持水量差異不顯著；

（2）尾巨桉林擇伐套種落葉樹種顯著提高0～20cm 土層土壤孔隙度及其貯水量，20～40cm 變化不顯著；

（3）監(jiān)測(cè)期內(nèi)，尾巨桉林擇伐或皆伐套種闊葉樹種的累積徑流量、累積泥沙流失量、累積氮素流失量、累積磷素流失量反而高于桉樹純林；

（4）在短期內(nèi)，擇伐套種闊葉樹種對(duì)提升水源涵養(yǎng)林保持水土和養(yǎng)分元素效能優(yōu)于皆伐套種闊葉樹種。