林齡對馬尾松人工林水源涵養(yǎng)能力的影響研究

孫 艷，李四高，張 楠

(廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，廣西 南寧 530023)

馬尾松生長快，造林更新容易，能適應(yīng)干燥瘠薄的土壤，是廣西荒山造林和水土保持造林的重要先鋒樹種，也是廣西主要用材林樹種之一。廣西馬尾松人工林面積占到了人工林總面積的25%[1-2]。水源涵養(yǎng)能力是森林生態(tài)系統(tǒng)對降水進行再分配，進而有效涵蓄水分、調(diào)節(jié)徑流的功能，是森林生態(tài)系統(tǒng)的一項重要服務(wù)功能[3-5]，直接關(guān)系到馬尾松人工林的水土保持能力和林地的可持續(xù)經(jīng)營[6-7]。筆者通過對廣西紅水河流域典型地區(qū)不同林齡段馬尾松人工林的水源涵養(yǎng)能力進行研究，探討了該地區(qū)馬尾松人工林的水文效應(yīng)特征。

1 試驗地概況

試驗地位于廣西河池市大化縣東部的江南鄉(xiāng)帶林村，屬于紅水河流域典型地區(qū)，地理位置為107°32′～107°35′E、23°55′～23°57′N，海拔310～390 m。該區(qū)地處亞熱帶，多年平均氣溫21.7 ℃，多年平均降水量1 170 mm，多年平均蒸發(fā)量1 249.8 mm，年均日照時數(shù)1 395 h；地貌屬丘陵地貌，土壤類型主要為黃色石灰土和石灰?guī)r黃紅壤等。當(dāng)?shù)刂脖恢饕獮閬啛釒С＞G闊葉灌木林和針葉林，其次為草地和荊棘等，喬木樹種以松、桉為主。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在林地勘查的基礎(chǔ)上，按照林分結(jié)構(gòu)一致、生境特點一致、林內(nèi)環(huán)境與外界條件近似的原則，于2013年3月在坡中位置的林地中選取了處于幼齡林、中齡林、近熟林3個不同林齡階段的馬尾松純林樣地，樣地規(guī)格為20 m×20 m，基本情況詳見表1。

表1 馬尾松人工林樣地布設(shè)情況

2.2 調(diào)查方法

(1)凋落物層蓄積量、最大持水量和最大持水系數(shù)測定。凋落物樣品采集采用直接收獲法，在每個樣地的上、中、下部各選取1個具有代表性的凋落物小樣方，大小為50 cm×50 cm，分別測量凋落物層的厚度，并將每個樣地所有小樣方內(nèi)的凋落物混合取樣稱量，將樣品帶回實驗室內(nèi)采用浸水法測定其最大持水量、最大持水系數(shù)。

(2)土壤孔隙度的測定。土壤孔隙度采用環(huán)刀法測定，挖掘土壤剖面后，按照0～20、20～40、40～60 cm分層進行采樣測定。

(3)土壤養(yǎng)分含量測定。在每個樣地內(nèi)按梅花形選取5點，分別采集0～20、20～40 cm土層樣品，混合均勻后按四分法取樣帶回實驗室內(nèi)進行土壤養(yǎng)分含量測定。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法，全氮采用半微量凱氏定氮法，全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法，全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度計法，速效氮采用堿解擴散法，速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法。

3 結(jié)果與分析

3.1 馬尾松人工林凋落物層水源涵養(yǎng)能力

3.1.1 林齡對馬尾松人工林凋落物層生物量的影響

與2015年相比，2017年各林齡段馬尾松純林的凋落物層厚度、凋落物層蓄積量都明顯增加(見表2)，凋落物層厚度年增長率達(dá)到3.28%以上，凋落物層蓄積量年增長率達(dá)到8.72%以上。

表2 不同林齡段馬尾松人工林凋落物層生物量情況

2015—2017年，不同林齡段馬尾松純林的凋落物層厚度、蓄積量的年增長率按大小排序均為中齡林>幼齡林>近熟林，其中中齡林的凋落物層厚度、蓄積量的年增長率分別達(dá)到23.83%和41.14%，表明中齡林階段是馬尾松純林凋落物層生物量大幅增加的關(guān)鍵階段。

從各年度不同林齡段馬尾松純林凋落物層生物量來看，凋落物層厚度基本滿足幼齡林>中齡林>近熟林的規(guī)律，而各樣地凋落物層蓄積量的變化則與之不盡相同，近熟林的凋落物層蓄積量最大，2015、2017年分別達(dá)到3.90、4.61 t/hm2。

3.1.2 林齡對馬尾松人工林凋落物層水源涵養(yǎng)能力的影響

與2015年相比，2017年各林齡段馬尾松純林的凋落物層最大持水系數(shù)、最大持水量都明顯增加(見表3)，凋落物層最大持水系數(shù)年增長率達(dá)到8.64%以上，凋落物層最大持水量年增長率達(dá)到18.22%以上。

2015—2017年，不同林齡段馬尾松純林的凋落物層最大持水系數(shù)年增長率按大小排序為幼齡林>中齡林>近熟林，凋落物層最大持水量年增長率按大小排序為中齡林>幼齡林>近熟林。結(jié)果表明，雖然幼齡林凋落物層最大持水系數(shù)年增長率較大，但是因為中齡林前期凋落物的積累，所以仍是中齡林的凋落物層最大持水量年增長率最高。

2015和2017年，凋落物層最大持水系數(shù)、最大持水量按大小排序均為近熟林>中齡林>幼齡林，表明隨著林齡的增加馬尾松人工林凋落物層水源涵養(yǎng)能力也明顯增加。

表3 不同林齡段馬尾松人工林凋落物層水源涵養(yǎng)能力情況

3.2 馬尾松人工林土壤層水源涵養(yǎng)能力

3.2.1 林齡對馬尾松人工林土壤養(yǎng)分含量的影響

由表4可知，幼齡林、中齡林的土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀含量均表現(xiàn)為2017年<2015年<2013年，說明對于馬尾松純林幼齡林和中齡林來說，林木處于快速生長階段，需要從土壤中吸收養(yǎng)分；近熟林的土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效磷含量也表現(xiàn)為2017年<2015年<2013年，但速效氮、速效鉀含量的變化趨勢有所不同，與2013年相比，2017年近熟林土壤的速效氮、速效鉀含量分別增加6.17%、4.49%，說明近熟林階段林木生長仍需要從土壤中吸取養(yǎng)分，但是可能近熟林具有反哺土壤的作用，因此提高了土壤速效氮、速效鉀的含量。

表4 不同林齡段馬尾松純林土壤養(yǎng)分含量情況

從不同林齡段馬尾松純林土壤養(yǎng)分含量變化趨勢(圖1)看，各林齡段馬尾松純林樣地土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀含量變化表現(xiàn)為：幼齡林階段下降幅度較小、中齡林階段下降幅度最大、近熟林階段下降幅度又變小，其中近熟林階段土壤速效氮、速效鉀的含量甚至呈現(xiàn)增加的趨勢。

圖1 不同林齡段馬尾松純林土壤養(yǎng)分含量變化情況

3.2.2 林齡對馬尾松人工林土壤孔隙度的影響

由表5可知，從土壤總孔隙度來看，2015、2017年各林齡段馬尾松純林樣地不同深度土層土壤總孔隙度基本滿足幼齡林<中齡林<近熟林的規(guī)律，即隨著林齡的增加，馬尾松純林的總孔隙度也隨之增大；從土壤非毛管孔隙度來看，2015、2017年各林齡段馬尾松純林樣地不同深度土層土壤非毛管孔隙度基本滿足近熟林大于幼齡林和中齡林的規(guī)律，即近熟林的非毛管孔隙度最大。結(jié)果表明，隨著林齡的增加，馬尾松人工林的土壤涵養(yǎng)水源能力顯著增加，馬尾松人工林近熟林階段的土壤水源涵養(yǎng)能力明顯高于幼齡林和中齡林階段。

表5 不同林齡段馬尾松純林土壤孔隙度變化情況

注：同一年度同一土層深度同一指標(biāo)數(shù)據(jù)后的小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

4 結(jié) 論

(1)2015—2017年，各林齡段馬尾松純林的凋落物層厚度、蓄積量都明顯增加，中齡林凋落物層厚度、蓄積量的年增長率最大，說明中齡林階段是馬尾松純林凋落物層生物量大幅增加的關(guān)鍵階段；各年度均是幼齡林凋落物層厚度最大，但近熟林凋落物層蓄積量最大。

(2)2015—2017年，幼齡林凋落物層最大持水系數(shù)年增長率較大，但因為中齡林前期凋落物的積累，所以仍是中齡林的凋落物層最大持水量年增長率最高，到近熟林階段馬尾松人工林凋落物層最大持水系數(shù)、最大持水量均達(dá)到最大值。

(3)2013—2017年，各林齡段馬尾松純林樣地土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀含量變化情況表現(xiàn)為：幼齡林階段下降幅度較小、中齡林階段下降幅度最大、近熟林階段下降幅度又變小，其中近熟林階段土壤速效氮、速效鉀的含量甚至呈現(xiàn)增加的趨勢。

(4)2015、2017年各樣地不同深度土層土壤總孔隙度、非毛管孔隙度基本滿足近熟林大于幼齡林和中齡林的規(guī)律，即馬尾松人工林近熟林階段土壤水源涵養(yǎng)能力明顯高于幼齡林和中齡林階段。