短輪伐期桉樹人工林土壤入滲過程模擬與變化特征

潘天森, 趙明全, 郭天雷, 黃 幼, 鄧羽松, 黃鈺涵?

(1.廣西大學(xué)林學(xué)院,廣西森林生態(tài)與保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西高校亞熱帶人工林培育與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,530004,南寧;2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院,430014,武漢)

土壤水分入滲是森林水文循環(huán)的重要過程[1]。人工林作為森林的重要組成,不僅可以防風(fēng)固土,還可以在短期內(nèi)產(chǎn)出大量木材,創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2-3],但其營(yíng)林過程中人為管理措施頻繁,強(qiáng)烈干擾林下土壤,影響土壤入滲,進(jìn)而影響水文循環(huán)過程與水土流失;因此,研究人工林土壤入滲及其影響因素,可為評(píng)價(jià)人工林水土保持效益及發(fā)展人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)基礎(chǔ)。

隨著林齡增加,森林植被根系不斷發(fā)育,地表枯落物不斷累積,改變土壤密度、孔隙度、團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)含量[4-6]。郭夢(mèng)嬌等[7]研究遼河源地區(qū)不同林齡油松林的水源涵養(yǎng)能力,發(fā)現(xiàn)隨著林齡的增加,土壤密度減小、土壤入滲率增加。崔艷紅等[8]研究晉西黃土高原刺槐林土壤入滲特征發(fā)現(xiàn),隨著林齡的增加,土壤孔隙度、水穩(wěn)性大團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)含量均呈升高趨勢(shì),土壤入滲能力逐漸增強(qiáng)。劉凱等[9]研究毛烏素沙地人工檸條林發(fā)現(xiàn)隨著林齡的增加,土壤密度逐漸減少,滲透性逐漸下降。李海軍等[10]研究天山中部不同林齡云杉林發(fā)現(xiàn),隨著林齡的增加,土壤密度呈“升高—降低—升高”,孔隙度呈“降低—升高—降低”,土壤入滲能力呈“降低—升高—降低”的規(guī)律變化。上述研究表明,隨著林齡的增加,不同人工林土壤理化性質(zhì)變化不同,導(dǎo)致土壤入滲能力變化差異顯著。桉樹根系發(fā)育迅速,因此短輪伐期內(nèi),桉樹林下土壤的理化性質(zhì)發(fā)生顯著變化進(jìn)而改變土壤入滲能力。

目前,我國(guó)桉樹人工林種植面積位居世界前列,其中廣西種植面積在全國(guó)范圍內(nèi)最大[11]。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì),2018年廣西桉樹種植面積達(dá)256.05萬hm2[12]。桉樹人工林輪伐期主要分為短周期(5～7 a),中周期(13 a)和長(zhǎng)周期(23 a)。中長(zhǎng)輪伐期桉樹人工林受人為干擾較小,有利于林地有機(jī)質(zhì)積累,并保持森林可持續(xù)性[13],而實(shí)行短輪伐期經(jīng)營(yíng)可以快速獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。廣西地區(qū)普遍實(shí)行短輪伐期,由于長(zhǎng)期實(shí)行短周期連栽經(jīng)營(yíng)制度會(huì)造成土壤肥力、生物多樣性下降,水土流失問題嚴(yán)重[14]。目前,桉樹人工林土壤入滲的相關(guān)研究多聚焦于對(duì)比不同林分與代次的土壤理化性質(zhì)以及入滲特征[15-16],對(duì)尾巨桉第一代植苗林完整經(jīng)營(yíng)周期內(nèi)土壤入滲特征的變化規(guī)律研究不足。本研究通過測(cè)定短輪伐期內(nèi)4種林齡尾巨桉人工林0～20、20～40、40～60 cm土壤入滲過程和土壤理化性質(zhì),分析不同林齡尾巨桉人工林分層土壤入滲能力的影響因素,同時(shí)探究林齡變化對(duì)土壤入滲能力的影響以及桉樹人工林土壤入滲過程的適用模型,研究結(jié)果對(duì)評(píng)價(jià)桉樹人工林的水土保持效益和發(fā)展桉樹人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

如圖1所示,研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)崇左市扶綏縣國(guó)有東門林場(chǎng)(E 107°15′～108°00′,N 22°17′～22°30′),屬于北熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫21.8 ℃,最高氣溫39.5 ℃,年均降雨量1 212.70 mm,雨季集中在6—8月,年蒸發(fā)量 1 192～1 724 mm。土壤以赤紅壤為主,pH在4.0～6.0之間,尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)是該區(qū)域的主要人工林樹種。研究區(qū)內(nèi)的尾巨桉人工林分別于2020、2019、2018和2016年的2月進(jìn)行全墾翻土,5月植苗,株行距為2 m×3 m,植苗后每年進(jìn)行1次除草施肥等撫育措施。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)桉樹輪伐期選取4個(gè)不同林齡(1、2、3和 5 a)尾巨桉第一代植苗林,林地的經(jīng)緯度、海拔、坡度、枯落物厚度及郁閉度、桉樹樹高和胸徑等基本情況如表1所示。在各林地內(nèi)選取20 m×20 m樣地,沿樣地對(duì)角線隨機(jī)建立3個(gè)2 m×2 m的樣方,相鄰4棵桉樹位于樣方4個(gè)頂點(diǎn),在各樣方中心點(diǎn)分層采集土壤樣品(圖1b)。

表1 林地基本情況

2.2 土壤樣品采集與理化性質(zhì)測(cè)定

土壤樣品于2021年5月采集,采樣前清理土壤表層凋落物,開挖土壤剖面,土層分為0～20、20～40 和40～60 cm,用100 cm3環(huán)刀采集各土層原狀土樣,重復(fù)樣品3份,共計(jì)108份。另在各土層收集3份擾動(dòng)土樣,清理石塊、根系和動(dòng)物遺體,自然風(fēng)干后備用,共計(jì)108份。運(yùn)用干篩法和濕篩法分別測(cè)定土壤團(tuán)聚體、水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例。用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量,并用環(huán)刀法測(cè)定土壤密度,計(jì)算土壤孔隙度[17]。運(yùn)用馬爾文(MS3000)激光粒度分析儀測(cè)定,4個(gè)林齡桉樹人工林砂粒、粗粉粒和黏粒的分布范圍分別為10.02%～28.98%、22.34%～29.15%和7.69%～29.16%。根據(jù)中國(guó)土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn),4個(gè)樣地土壤均屬于壤土。

2.3 土壤入滲速率測(cè)定

原狀土樣用水浸泡24 h,充分飽和后,用雙環(huán)刀法測(cè)量土壤入滲速率,測(cè)量水溫后,加水使水層厚度到達(dá)5 cm,以環(huán)刀下方出水時(shí)刻開始計(jì)時(shí),每0.5 min(入滲速率較小時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)接樣時(shí)間)測(cè)量接出水樣1次,總時(shí)長(zhǎng)60 min,最后計(jì)算土壤的入滲速率[18]。

筆者采用初始入滲率(initial infiltration rate,IIR)、穩(wěn)定入滲率(stable infiltration rate,SIR)和累積入滲量(cumulative infiltration,CI)3個(gè)指標(biāo)來分析土壤入滲能力,其中IIR指入滲前3 min的平均入滲率,由前3 min的CI除以時(shí)間得到。連續(xù)3個(gè)讀數(shù)不變,則認(rèn)為入滲達(dá)到穩(wěn)定,停止試驗(yàn),并將最后3個(gè)入滲率的平均值計(jì)為SIR。CI為60 min內(nèi)的總?cè)霛B量[5]。

2.4 土壤入滲模型

采用Kostiakov模型[9]、Philip模型[10]、Horton模型[18]和通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚5]擬合土壤入滲過程,根據(jù)模擬效果確定研究區(qū)土壤入滲的適用模型。

土壤理化性質(zhì)、入滲速率測(cè)定結(jié)果均由3個(gè)采樣點(diǎn)的9組重復(fù)樣品數(shù)據(jù)平均獲得。用軟件SPSS 26.0進(jìn)行單因素方差和相關(guān)性分析。土壤入滲曲線與模型擬合用軟件Origin 2018作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林齡桉樹人工林的土壤理化性質(zhì)

如表2所示,各林齡桉樹人工林的土壤密度、大團(tuán)聚體總體隨土層深度的增大而增大,土壤有機(jī)質(zhì)、水穩(wěn)性大團(tuán)聚體總體隨土層深度的增大而降低。同時(shí)4種林齡桉樹人工林各土層土壤密度隨林齡增加呈波動(dòng)升高的趨勢(shì),總孔隙度和土壤大團(tuán)聚體呈波動(dòng)降低的趨勢(shì),土壤有機(jī)質(zhì)、水穩(wěn)性大團(tuán)聚體總體呈先降低后升高的趨勢(shì)。2 a桉樹林各土層土壤密度最高(1.26～1.37 g/cm3),3 a桉樹林各土層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低(8.94～21.64 g/kg),5 a桉樹人工林各土層水穩(wěn)性大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高(77.40%～83.92%)。

表2 不同林齡桉樹人工林土壤基本理化性質(zhì)

3.2 不同林齡桉樹人工林土壤入滲過程與模擬

采用4種土壤入滲模型擬合桉樹人工林入滲過程,結(jié)果表明大部分?jǐn)M合效果良好(圖2和表3),其中,5 a桉樹人工林在0～20 cm土層中土壤入滲用Kostiakov模型的擬合效果較差;1 a桉樹人工林在40～60 cm土層中土壤入滲用通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合效果最好,其他模型擬合效果較差。此外,對(duì)比不同林齡桉樹人工林入滲速率發(fā)現(xiàn):3 a桉樹人工林在0～20、20～40 cm土層的入滲速率最大,2 a桉樹人工林在40～60 cm土層的入滲速率最大。即土層越深,入滲變化速率越小;各土層的入滲速率差異大。

表3 不同土壤入滲模型擬合參數(shù)

圖2 不同林齡桉樹人工林分層土壤入滲過程

根據(jù)各林齡的入滲過程計(jì)算出各土層的IIR、SIR和CI(表4)。IIR、SIR和CI均隨土層加深而減小,其中,1 a桉樹人工林的降低幅度最大,分別為62.29%、60.09%和61.11%。隨林齡增加,IIR、SIR和CI在0～20 cm土層呈“降低—升高—降低”、40～60 cm土層呈“升高—降低—升高”的規(guī)律變化;在20～40 cm土層,隨林齡的增加IIR、SIR呈“升高—升高—降低”的規(guī)律變化、CI呈“降低—升高—降低”的規(guī)律變化。在0～20、20～40 cm土層中,3 a桉樹人工林的IIR、SIR和CI最大,土壤入滲能力最好;40～60 cm土層中,2 a桉樹人工林的IIR、SIR和CI最大,土壤入滲能力最好。

表4 不同林齡桉樹人工林分層土壤的入滲特征

4 討論

比較4個(gè)入滲模型擬合的R2可得出,Horton模型和通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合效果較好,Kostiakov模型和Philip模型擬合效果較差。鞏煒[19]研究臨澤縣荒漠—綠洲過渡帶固沙植物土壤入滲也發(fā)現(xiàn)Kostiakov模型的擬合效果較差,原因是Kostiakov模型為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?沒有表征土壤穩(wěn)定入滲率的擬合項(xiàng),隨著時(shí)間遞增,穩(wěn)定入滲率趨于零,與實(shí)際入滲不符。席彩云等[20]研究北京密云山區(qū)4種典型林地入滲特征后也發(fā)現(xiàn)Philip模型的擬合效果較差,原因是Philip模型中t的指數(shù)為-0.5,限制入滲的衰減速率。Horton模型和通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谌霛B時(shí)長(zhǎng)較大時(shí)正好與SIR相吻合,更能準(zhǔn)確反映土壤的入滲過程[5]。所以,Horton模型和通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ兔枋鲨駱淙斯ち滞寥廊霛B過程效果較好。

土壤理化性質(zhì)與入滲特征參數(shù)的相關(guān)性分析如表5所示,結(jié)果表明:土壤入滲特性與土層深度、土壤密度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與有機(jī)質(zhì)、孔隙度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),這與鞏煒[19]、王金悅等[15]對(duì)影響土壤入滲能力的相關(guān)性分析結(jié)果類似。對(duì)比1、2、3和5 a桉樹人工林不同土層的入滲特性發(fā)現(xiàn):1)0～20 cm土層,IIR、SIR和CI隨林齡增加呈“降低—升高—降低”的規(guī)律。桉樹人工林經(jīng)營(yíng)前期進(jìn)行帶狀除草,導(dǎo)致地表灌木、草本減少,降低土壤孔隙度,從而降低入滲能力[21]。第2年至第3年,人工撫育強(qiáng)度下降,為林下灌木與草本層擴(kuò)張?zhí)峁┛臻g,所以林下生物量開始上升[6],土壤孔隙度增大,使表層土壤的IIR、SIR和CI顯著升高。營(yíng)林后期因枯落物厚度迅速增加,產(chǎn)生大量揮發(fā)性油及其化合物,直接抑制林下草本植物生長(zhǎng)[22],降低入滲能力。2)20～40 cm土層中,IIR與SIR隨著林齡增加呈“升高—升高—降低”的規(guī)律變化,CI呈“降低—升高—降低”的規(guī)律變化。第1年至第2年CI略有降低,原因可能是降雨淋溶作用下,林下土壤密度增加、孔隙度和水穩(wěn)性大團(tuán)聚體下降[23],導(dǎo)致入滲能力降低。第2年至第3年IIR、SIR和CI升高,由于桉樹種植后2～3年,根系快速發(fā)育,增加土壤孔隙度[24-25],提高入滲能力。第3年至第5年IIR、SIR和CI降低,是因在降雨條件下,雨滴對(duì)土壤大團(tuán)聚體的拆分作用導(dǎo)致較大的團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化為微團(tuán)聚體,微團(tuán)聚體在水的作用下運(yùn)移,堵塞下層土壤孔隙,導(dǎo)致土壤的滲透性降低[6,26]。3)40～60 cm土層中,IIR、SIR和CI隨著林齡增加呈“升高—降低—升高”的規(guī)律變化。第1年至第2年土壤有機(jī)質(zhì)在降水作用下從淺層土運(yùn)移到深層土[27],導(dǎo)致土壤入滲能力變大[5];而20～40 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量減少,降低對(duì)更深土層有機(jī)質(zhì)的運(yùn)移,間接導(dǎo)致第2至第3年IIR、SIR和CI出現(xiàn)降低。第3年至第5年由于表層大量枯枝落葉覆蓋,補(bǔ)充有機(jī)質(zhì)來源,從而增加土壤有機(jī)質(zhì)的下移[28],有機(jī)質(zhì)的增加促進(jìn)了團(tuán)聚體的形成[29],使5 a桉樹人工林的入滲能力更強(qiáng)?？傮w上,桉樹人工林種植后,隨著林齡的增加,0～20、20～40和40～60 cm土層的土壤密度、孔隙度、有機(jī)質(zhì)、大團(tuán)聚體和水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的含量發(fā)生變化,使淺層土壤(0～20 cm)的入滲能力隨林齡增加整體呈降低趨勢(shì),深層土壤(20～40、40～60 cm)的入滲能力隨林齡增加整體呈增強(qiáng)趨勢(shì)。這與王紀(jì)杰等[30]、于婧睿等[1]研究桉樹人工林隨著林齡增加土壤滲透性增大的結(jié)果不一致,原因可能是土壤類型、造林方式和撫育措施不同,所以針對(duì)不同區(qū)域桉樹人工林開展土壤入滲研究是極有必要的。

表5 土壤入滲特征的相關(guān)性分析

5 結(jié)論

本研究測(cè)量短輪伐期尾巨桉人工林第一代植苗林不同土層(0～20、20～40和40～60 cm)的土壤理化性質(zhì)與土壤入滲能力,分析林齡變化影響下不同土層的土壤理化性質(zhì)與土壤入滲能力的關(guān)系,探討4種經(jīng)典入滲模型模擬尾巨桉人工林土壤入滲過程的適用性。結(jié)果表明:1)隨著林齡增大,土壤密度(1.03～1.38 g/cm3)呈波動(dòng)升高的趨勢(shì),孔隙度(47.84%～60.96%)和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(8.94～29.06 g/kg)分別呈波動(dòng)降低、波動(dòng)增加的趨勢(shì)。2)土層深度與土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤入滲能力有較大的影響,其中土壤入滲能力(IIR、SIR和CI)與土層深度、土壤密度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與孔隙度和有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土層越深,土壤密度越大、孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量越低,土壤的入滲能力越差;土壤入滲能力隨林齡的增加在0～20 cm、 20～40 cm 土層呈“降低—升高—降低”、40～60 cm土層呈“升高—降低—升高”的規(guī)律變化。3)入滲模型的擬合結(jié)果表明,Horton模型和通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透m用于描述研究區(qū)內(nèi)不同林齡桉樹人工林土壤入滲速率隨時(shí)間變化情況。本文研究結(jié)果可為科學(xué)經(jīng)營(yíng)桉樹人工林、評(píng)估桉樹人工林水土保持效益及防治水土流失提供科學(xué)依據(jù)。