粵北不同林齡杉木人工林下土壤層及枯落物層持水能力研究

鄧厚銀，晏 姝 ，王潤輝，胡德活 ，鄭會全，韋如萍，梁 機

（1.廣西大學林學院，廣西 南寧 530004；2.廣東省森林培育與保護利用重點實驗室/廣東省林業(yè)科學研究院，廣東 廣州 510520）

【研究意義】涵養(yǎng)水源是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要功能，其主要表現(xiàn)在調節(jié)徑流量、凈化水質和增加水資源等方面，在恢復生態(tài)中發(fā)揮著重要作用［1］，其發(fā)生層主要包括土壤層、枯枝落物層、林冠層［2-3］。首先，土壤層水源涵養(yǎng)能力的調節(jié)占綜合調節(jié)能力的90%以上，可儲藏大量雨水，一部分雨水儲藏于土壤毛管孔隙中，供林木使用；另一部分雨水通過非毛管孔隙下滲，形成地下徑流，利于涵養(yǎng)水源，對生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)意義重大［4］。其次是枯枝落葉層的水源涵養(yǎng)調節(jié)作用［5］，枯落物層可防止土壤濺蝕、減少地表徑流、增強土壤抗沖性［6-7］。因此，研究土壤層與枯枝落物層持水特性對森林生態(tài)系統(tǒng)中水分循環(huán)和水量平衡具有重要的意義。【前人研究進展】諸多學者在不同區(qū)域、不同尺度對多種森林類型的土壤層與枯枝落物層的持水性能做了研究［8-12］。例如，劉璐璐等［13］研究表明，不同林齡比較，幼齡林對水源涵養(yǎng)貢獻率最高、達45.95%。蔣麗偉［14］認為枯落物層蓄水攔截主要發(fā)生在降水初期，對于調控降水再分配、減輕土壤侵蝕和流失有重要的作用。胡靜霞等［15］認為闊葉林涵養(yǎng)水源功能優(yōu)于針葉林，土壤層的持水能力強于枯落物層。由于我國森林類型多種多樣、地形地貌復雜、氣候條件差異明顯，使得國內不同地區(qū)森林水源涵養(yǎng)功能存在較大差異?！颈狙芯壳腥朦c】杉木（Cunninghamia lanceolata）是我國南方主要的造林用材與生態(tài)樹種之一［16-17］，其人工林面積約占全國人工林面積的21.4%［18-19］，廣東境內現(xiàn)有杉木栽培面積83.28萬hm2、占喬木林總量的9.52%，可見杉木在廣東林業(yè)生產中占有舉足輕重的地位。韶關是廣東省重點林區(qū)以及廣東用材林、水源林和重點毛竹基地，被譽為華南生物基因庫和珠江三角洲的生態(tài)屏障。韶關也是廣東省杉木中心產區(qū)，該地區(qū)屬中亞熱帶濕潤性季風氣候，杉木生長迅速，一般15～20年可成材，且材質好，馳名省內外。因此，研究韶關地區(qū)杉木林涵養(yǎng)水源具有十分重要的生態(tài)意義?！緮M解決的關鍵問題】本文以粵北不同齡林杉木人工林為研究對象，采用環(huán)刀浸泡法和室內浸泡法分析該區(qū)杉木人工林土壤層及枯落物層的水源涵養(yǎng)能力，可反映研究區(qū)不同齡林階段杉木人工林涵養(yǎng)水源功能的差異，以期揭示該區(qū)不同林齡杉木人工林土壤層及枯落物層的持水特性及其變化規(guī)律，為制定合理有效的經(jīng)營管理措施和撫育措施提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省韶關市（112°53′～114°45′E、23°53′～25°31′N）韶關林場、樂昌林場和龍山林場，海拔100～200 m，地處南嶺山脈南部；試驗地地貌以山地丘陵為主，土層深厚，年平均氣溫18.8～21.6℃，多年平均雨量1 400～2 400 mm，無霜凍期310 d，年平均日照時數(shù)1 468～1 892 h，年積溫平均為6 862.0～7 884.0℃，光、熱、水資源豐富。

1.2 研究方法

1.2.1 標準地設置 在研究區(qū)中選擇立地條件相似的杉木人工林幼齡林（7～8年）、中齡林（16～18年）、近熟林（23～25年），標準地大小為20 m×20 m，3次重復。供試杉木林基本情況見表1。

表1 供試杉木林基本情況Table 1 The basic situation of the tested Chinese fir plantations

1.2.2 土壤物理性質與水分含量測定 2017年9月，在標準樣地中，按上、中、下坡部位（遠離樹根）分別挖取3個土壤剖面，在0～30 cm層中間位置各用環(huán)刀取樣。采用環(huán)刀浸泡法計算土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、自然含水量、最大持水量、毛管持水量和有效持水量等指標［20］，各指標計算公式如下：

土壤容重（g/cm3）=環(huán)刀內干土質量/環(huán)刀容積

毛管孔隙度（%）=毛管持水量×土壤容重/水的密度×100

非毛管孔隙度（%）=（最大持水量-毛管持水量）×土壤容重/水的密度×100

總孔隙度（%）=毛管孔隙度+非毛管孔隙度

自然含水量（%）=（鋁盒內濕土重-鋁盒內干土重）/鋁盒內干土重×100

式中，Pt為土壤中孔隙度（%），Pr為毛管孔隙度（%），Pe為土壤非毛管孔隙度（%），h為土層厚度（m）。

1.2.3 枯落物蓄積量測定 按五點法在每個標準地內布設1 m×1 m小樣方，在小樣地內收集全部枯落物并現(xiàn)場稱重；分別對枯落物進行取樣，帶回實驗室在85℃恒溫箱中烘干至恒重，由干質量/鮮質量計算含水率，由此推算枯落物蓄積量。

1.2.4 枯落物持水性測定 采用室內浸泡法測定枯落物持水特性，將烘干后枯落物取樣裝入細網(wǎng)尼龍袋中，完全浸沒于盛有清水的容器中；將枯落物浸入水中后（網(wǎng)袋之間盡量不要碰在一起），浸泡0.5 h后，將枯落物連同網(wǎng)袋一并取出，靜置5 min，直至枯落物不滴水為止，迅速稱枯落物的濕重；之后，分別浸泡1、2、4、6、12、24 h，將枯落物連同網(wǎng)袋一并取出靜置后稱重，方法同上。由此計算枯落物在不同浸水時間的持水率、吸水速率和持水量，每個標準地重復3次。一般情況下，枯落物浸水24 h的持水量為最大持水量，此時的持水率為最大持水率［21］。根據(jù)枯落物蓄積量、自然持水率、最大持水率可推算其有效攔蓄量，參照龐夢麗等［22］方法計算枯落物持水量、枯落物持水率和有效攔蓄量：

枯落物持水量（t/hm2）=枯落物濕質量-枯落物干質量

枯落物持水率（%）=（枯落物持水量/枯落物干質量×100

枯落物有效攔蓄量（t/hm2）=（0.85×最大持水率-自然持水率）×枯落物蓄積量［7，23］

枯落物吸水速率=即時持水量/浸泡時間

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SAS 9.4對數(shù)據(jù)進行方差分析、相關性分析和回歸方程的顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 粵北不同林齡杉木林土壤物理性質分析

由表2可知，不同林齡段杉木林間土壤容重、總孔隙度和毛管孔隙度差異均不顯著，土壤容重表現(xiàn)為近熟林＞中林齡＞幼齡林，變化范圍在1.14～1.22 g/cm3；總孔隙度表現(xiàn)為幼齡林＞中齡林＞近熟林，毛管孔隙度表現(xiàn)為幼齡林＞中齡林＞近熟林。幼齡林非毛管孔隙度顯著大于中齡林，表現(xiàn)為幼齡林＞近熟林＞中齡林。

表2 粵北不同林齡杉木林土壤物理性質比較Table 2 Comparison of soil physical properties of Chinese fir plantations with different stand ages in northern Guangdong

2.2 粵北不同林齡杉木林土壤持水能力分析

從表3可以看出，不同林齡杉木林間土壤自然含水量、最大持水量、毛管持水量和有效持水量差異均不顯著。土壤自然含水量表現(xiàn)為中齡林＞幼齡林＞近熟林，變化范圍為19.94%～23.68%，中齡林土壤自然含水量比幼齡林高出6.46%，幼齡林自然含水量比近熟林高出15.79%。幼齡林土壤最大持水量最大、為1 714.20 t/hm2，其次是中齡林1 671.90 t/hm2，近熟林最小為1 615.50 t/hm2。毛管持水量表現(xiàn)為幼齡林＞中齡林＞近熟林，變化范圍為987.90～1 063.52 t/hm2。幼齡林有效持水量最大、為650.70 t/hm2，中齡林最小、為619.78 t/hm2，其大小排序表現(xiàn)為幼齡林＞近熟林＞中齡林，中齡林土壤有效持水量比幼齡林低4.75%，近熟林土壤有效持水量比幼齡林低3.55%。

表3 粵北不同林齡杉木林土壤持水能力比較Table 3 Comparison of soil water-holding capacity of Chinese fir plantations with different stand ages in northern Guangdong

2.3 粵北不同林齡杉木林枯落物持水能力分析

2.3.1 枯落物持水能力分析 對不同林齡杉木林的枯落物蓄積量及枯落物持水能力進行分析，結果（表4）表明，幼齡林的枯落物蓄積量與中齡林、近熟林差異顯著，表現(xiàn)為近熟林＞中齡林＞幼齡林；最大持水量與枯落物蓄積量有相似的規(guī)律，均隨著林齡增加而增加，變化范圍為6.13～18.78 t/hm2，且幼齡林枯落物最大持水量與中齡林、近熟林差異顯著；幼齡林自然持水率與中齡林、近熟林差異顯著，其大小表現(xiàn)為中齡林＞近熟林＞幼齡林；近熟林枯落物的最大持水率與幼齡林差異顯著，表現(xiàn)為幼齡林＞中齡林＞近熟林。幼齡林枯落物有效攔蓄量與中齡林、近熟林差異顯著，幼齡林有效攔蓄量最小、為4.01 t/hm2，中齡林有效攔蓄量最大（11.01 t/hm2）、比幼齡林增加172.52%。

2.3.2 枯落物持水和吸水過程分析 對不同林齡杉木人工林枯落物持水量、吸水速率與浸泡時間（0.5～24 h）的關系進行回歸分析，結果見表5，由表5可知，枯落物持水量與浸泡時間存在明顯的對數(shù)關系，R2均大于0.92。枯落物吸水速率與浸泡時間存在明顯的冪函數(shù)關系，R2均大于0.97。

表4 粵北不同林齡杉木林枯落物蓄積量及枯落物持水能力比較Table 4 Analysis on litter storages and litter water-holding capacity of Chinese fir plantations with different stand ages in northern Guangdong

表5 枯落物持水量、吸水速率和浸泡時間的關系式Table 5 The relationship between water holding capacity, water absorption rate and soaking time of litters

從圖1可以看出，在浸泡時間0～0.5 h內，不同林齡杉木人工林枯落物持水量迅速增加；在浸泡時間0.5～6 h內，枯落物持水量隨著時間的增加呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，且增長速度逐漸變緩；在浸泡時間6～12 h內，枯落物持水量也隨浸泡時間的增加而增加，但增加幅度不大；浸泡12 h后，枯落物持水量基本趨于飽和。在整個吸水過程中，不同林齡杉木人工林枯落物持水量有顯著差異，在每個時間點的枯落物即時持水量均呈現(xiàn)出近熟林＞中齡林＞幼齡林的大小順序，與枯落物儲量排序一致。

圖1 枯落物持水量與浸泡時間的對數(shù)關系Fig. 1 Logarithmic relation of water-holding capacity and soaking time of litters

從圖2可以看出，不同林齡杉木人工林枯落物吸水速率在浸泡0.5 h內最大，在浸泡0.5～6 h內枯落物吸水速率急劇下降，浸泡6～12 h內枯落物吸水速率變得緩慢，12 h后基本不再吸水，此時枯落物吸水基本趨于飽和。可見，不同林齡杉木人工林枯落物吸水速率整體變化趨勢基本保持一致，但吸水速率大小不一致，整體上都表現(xiàn)為近熟林＞中齡林＞幼齡林。

圖2 枯落物吸水速率與浸泡時間的冪函數(shù)關系Fig. 2 Power function relation of waterholding rate and soaking time of litters

3 討論

容重是土壤緊實度的一個重要指標，也是衡量土壤質量的一個重要參數(shù)，反映土壤通氣性、透水性等性狀［22］。本研究中，杉木人工林土壤容重隨林齡增加而增大，可能受杉木生長發(fā)育的影響，土壤中水分被根系吸取以維持自身發(fā)育，導致土壤變緊實、容重變大。毛管孔隙度是表征森林植被吸收水分并維持自身生長發(fā)育的一個關鍵性指標，毛管孔隙度表現(xiàn)為幼齡林＞中齡林＞近熟林，可能是由于杉木幼齡林初期受整地、松土等撫育措施影響，林下土壤疏松利于生長發(fā)育，到近熟林階段，林下植被豐富，共同競爭資源，杉木吸水量變少，所以毛管孔隙度會減少。非毛管孔隙度對降水吸收快、滲透也快，對涵養(yǎng)水源有促進作用，不同發(fā)育階段人工林林下土壤因其非毛管孔隙度不同，蓄水能力也會產生差異［23-25］。有效持水量中幼齡林最大、中齡林最小，原因可能是一方面幼齡林初期受整地影響，土壤疏松，降雨時容易下滲，有利于涵養(yǎng)水源；另一方面可能是由于近熟林枯落物較多，枯落物的分解影響土壤結構，因此出現(xiàn)近熟林土壤有效持水量比中林齡高。

枯落物蓄積量受林分類型、樹齡、密度、撫育強度、氣候條件等的影響，其分解速度也存在差異［26］。杉木近熟林枯落物儲量顯著高于幼齡林，可能原因是受林齡影響，杉木近熟林枝葉茂盛，便于針葉獲得更多太陽能促進生長，同時林冠下枝條更新快，所以近熟林的枯落物蓄積量最大，這與楊俊玲［27］研究結果一致?？萋湮锏某炙芰κ苄罘e量、枯落物組成、林齡、樹種和分解速率的影響［20］。最大持水量表現(xiàn)為近熟林＞中齡林＞幼齡林，有效攔蓄量表現(xiàn)為中林齡＞近熟林＞幼齡林，這與趙亮生等［28］對不同林齡階段杉木人工林枯落物層水文特征一致，但本研究中枯落物最大持水量均顯著低于趙亮生等的研究結果，可能與采集樣本的季節(jié)有關。相較于杉木幼齡林，中齡林、近熟林的枯落物有效攔蓄量顯著高于幼齡林，枯落物持水能力有所提升。

本研究只選取杉木幼齡林、中齡林和近熟林，而沒有對其成熟林、過熟林進行調查分析，因此所得結論僅能反映杉木幼齡林到近熟林階段內土壤層和枯落物層的持水能力。杉木作為重要的經(jīng)濟林樹種，為研究區(qū)帶來巨大經(jīng)濟效益的同時也不能夠忽略其生態(tài)效益。在今后的營林管理中，應注重提升土壤持水能力和枯落物持水能力，可通過混交、套種、密度控制、林分結構調整等多種經(jīng)營管理措施，使得在不降低經(jīng)濟效益的同時增強林分涵養(yǎng)水源的能力，這將是我們今后森林生態(tài)水文研究的重點方向。

4 結論

本研究以杉木幼齡林、中齡林、近熟林為對象，利用環(huán)刀浸泡法和室內浸泡法估算了粵北不同林齡杉木人工林土壤層及枯落物層的水源涵養(yǎng)能力。結果表明：（1）不同林齡杉木人工林土壤層持水能力表現(xiàn)為幼齡林＞近熟林＞中齡林。土壤容重和孔隙度差異不顯著，隨著林齡增加，土壤容重逐漸增大，表現(xiàn)為近熟林（1.22 g/cm3）＞中齡林（1.17 g/cm3）＞幼齡林（1.14 g/cm3），毛管孔隙度表現(xiàn)為幼齡林（35.45%）＞中齡林（35.07%）＞近熟林（32.93%），非毛管孔隙度表現(xiàn)為幼齡林（21.69%）＞近熟林（20.92%）＞中齡林（60.66%），幼齡林土壤非毛管孔隙度顯著高于中齡林，非毛管/毛管孔隙度大小排序為近熟林＞幼齡林＞中齡林，土壤最大持水量表現(xiàn)為幼齡林（1 714.20 t/hm2）＞中齡林（1 671.9 t/hm2）＞近熟林（1 615.50 t/hm2），土壤有效持水量表現(xiàn)為幼齡林（650.70 t/hm2）＞近熟林（627.60）＞中齡林（619.78 t/hm2）。（2）不同林齡杉木人工林枯落物持水能力表現(xiàn)為近熟林＞中齡林＞幼齡林。不同林齡杉木人工林枯落物蓄積量有顯著差異，表現(xiàn)為近熟林（10.62 t/hm2）＞中齡林（9.06 t/hm2）＞幼齡林（2.91 t/hm2），近熟林的枯落物儲量是幼齡林的3倍多。最大持水量表現(xiàn)為近熟林（18.78 t/hm2）＞中齡林（17.94 t/hm2）＞幼齡林（6.13 t/hm2）。（3）枯落物吸水速率隨著浸泡時間的增加以冪函數(shù)形式減小，浸泡0.5 h內吸水率最大，浸泡0.5 h后吸水速率迅速減小，浸泡12 h后持水量基本穩(wěn)定。