尾叶桉人工林枯落物及土壤持水性能的研究

赵知渊，舒清态，杜阿朋

（1.西南林业大学 林学院，云南 昆明650224；2.国家林业局 桉树研究开发中心，广东 湛江 524022）

尾叶桉人工林枯落物及土壤持水性能的研究

赵知渊1,2，舒清态1，杜阿朋2

（1.西南林业大学 林学院，云南 昆明650224；2.国家林业局 桉树研究开发中心，广东 湛江 524022）

通过对10年生尾叶桉Eucalyptus urophyla人工林林下枯落物的持水量、持水速率和土壤物理性质的取样分析，研究了林下枯落物和土壤的持水性能。结果表明：该林分的枯落物储量为14.15 t·hm-2，最大持水量为3.07 mm，有效拦蓄水量为1.90 mm，半分解层的最大持水率、最大持水量、有效拦蓄率和有效拦蓄水量均大于未分解层；整个持水过程中，半分解层的持水量和持水速率一直大于未分解层；随着林下土壤深度的增加，土壤容重逐渐增大，孔隙度减小，持水量也随之减小，其土壤持水能力与土壤容重和土壤层深度基本呈反比；由于人工林内抚育经营活动较频繁，使枯落物分解迅速，而同时生物圈的活动对土壤的物理性质也产生着重要影响。

尾叶桉人工林；枯落物；土壤；持水性

桉树Eucalyptus是我国华南地区最主要的纸浆用材林树种之一,主要栽培于南方的广东、广西、海南、福建、云南、贵州、湖南、江西等省区，截止到2011年12月在中国种植面积已达380万hm2，仅次于巴西和印度[1]，带来了巨大的社会经济效益，已成为我国南方重要的造林树种。但由于桉树人工林的发展和我国其他人工林一样都存在树种单一、短轮伐期、多代连作等特点[2-4]，桉树林分被称为“抽水机”[5]，桉树人工林的经营中也出现了土壤侵蚀加重[6]、河川径流减少[7-11]等许多生态环境问题，这也已成为森林与环境、林业可持续发展中备受关注的重大问题。

枯落物层作为地上生态系统及地下生态系统的耦合部分，是森林生态系统中的重要结构，对林内的水量分配和循环有着不可忽视的作用。枯落物结构疏松，它不仅具有水源涵养能力、养分供应能力、促进土壤生物活动强度、改善森林土壤结构等重要作用，而且还能起到减小雨滴功能、增强渗透能力、提高地表粗糙程度、降低地表径流等，作为水分循环的一个环节维系着森林水文生态的平衡[12]。已有学者在不同区域对多种森林类型枯落物的特性做了研究[13-20]，桉树人工林内有着丰富的枯枝落叶层，对林内的水量平衡起着不可或缺的作用，周永文等[13]对尾叶桉Eucalyptus urophyla和马占相思Acacia mangium等几种林分内的枯落物和土壤的持水能力进行了对比研究。林内土壤中的水分状况对林木的生长发育[21]和森林的生态功能都有重要影响，而土壤结构和持水能力直接关系着林木根系生长及水肥吸收[22]。而相关研究表明了在生产过程中桉树人工林内土壤物理性质发生的变化[23]。

本研究以雷州半岛10年生尾叶桉人工林为研究对象，旨在揭示其枯落物层和土壤持水性能，为桉树人工林大面积发展区域水资源承载能力评价、林水调控提供理论指导和科学依据，以保障桉树人工林及其产业的健康顺利发展。

1 研究区概况

试验地位于广东湛江南方国家级林木种苗示范基地内。地理位置为 N21°16，E110°05，属北热带湿润大区雷琼区北缘，海洋性季风气候，年均气温23.1℃，年降水量1 567 mm，多集中在5～9月(降水量约占全年85.5%)，年相对湿度达80.4%。该地区地势平坦，属台地及低丘陵缓坡地形，螺岗岭为最高峰，海拔220.8 m，山体呈扇状，向东、南、西三面倾斜。土壤为玄武岩风化发育的砖红壤，pH值在5.4～5.7之间，肥力中等[24]。在基地内所选尾叶桉人工林林分信息见表1。

表1 南方种苗基地内10年生尾叶桉人工林林分信息Table 1 Information of 10-year-old E. urophylla plantation in south China experiment nursery

2 研究方法

2.1 枯落物采集及持水性能的测定

在南方种苗基地内10年生尾叶桉人工林中设立20 m×20 m的样地，在样地内分别取3个1 m×1 m的枯落物样方，按未分解层和半分解层分别收集，记录各层枯落物厚度并带回室内，80℃烘干称质量，推算枯落物储量。然后分层取样，称质量后置于尼龙袋内，浸水，每隔0.25、0.25、0.5、0.5、1、1、2、2、2、2、11 h 取出静置 5 ～10 min，直至不滴水后，称质量（用精度0.01的电子秤）。由此分别计算枯落物的持水速率、持水率和持水量。计算公式[25]如下：

式中：M为样本的鲜质量（g）；M0为烘干后用于试验的样本质量（g）；M0s为烘干后的样本质量（g）；t为样本在水中浸泡的时间（t=0.25、0.5、1、1.5、2.5、3.5、5.5、7.5、9.5、11.5、22.5 h）；Mt为泡水t 后样本的湿质量（g）（减去尼龙网的湿质量）；Ht为泡水t后样本的持水量（mm）；Vt为泡水t 的平均持水速率（mm·h-1）；Rmax为样本的最大持水率（%）；R0为枯落物新鲜样本的持水率（%）。

2.2 土壤水文物理性质的测定

在尾叶桉地内挖掘土壤剖面3个，利用100 cm 3环刀按0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80 cm土层取样。带回室内，采用环刀法[26]测定土壤容重、孔隙度和持水量。

3 结果与分析

3.1 尾叶桉人工林枯落物储量

森林枯落物的储量取决于林木的生长特性与环境，对森林的土壤发育及生态水文效应有重要影响。研究 (见表2) 表明，10年生尾叶桉人工林内枯落物未分解层平均厚度为2.2 cm，自然含水率为29.66%；半分解层平均厚度为2.3 cm，自然含水率为70.53%，未分解层的厚度要小于半分解层。这是因为枯落物厚度与林分组成、经营活动以及枯落物分解特性有关，试验林内常有除杂、除草、间伐等抚育经营措施，从而使枯落物分解较快，致使半分解层较未分解层厚。另外，林内枯落物总储量为14.16 t·hm-2，其中未分解层储量为7.00 t·hm-2，所占比例为49.43%；半分解层储量为7.16 t·hm-2，所占比例为50.57%。

表2 枯落物储量及所占比例Table 2 Litter-fall reserves and proportion

3.2 尾叶桉人工林枯落物的持水性能

3.2.1 枯落物不同层次的持水能力与有效拦蓄能力

最大持水率与持水量反映的是枯落物处于饱和持水状态时的状况，而实际降水过程中, 降至凋落物层的雨水, 一部分被它拦蓄, 一部分很快渗入到土壤中。当降雨量达到20～30 mm以后, 不论哪种植物群落的凋落物以及其自然含水率的高低,实际持水率约为最大持水率的85%左右，即有效持水率[27]，所以，在此用有效拦蓄率和有效拦蓄量来表征凋落物对降雨的实际滞纳能力更为合适。由表3可知，尾叶桉人工林内未分解层枯落物最大持水率为192.35%，最大持水量为1.32 mm，有效拦蓄率为133.84%，有效拦蓄水量为0.92 mm；林内半解层枯落物的最大持水率为243.05%，最大持水量为1.75 mm，有效拦蓄率为136.06%，有效拦蓄水量为0.98 mm。可见，半分解层的最大持水率、最大持水量、有效拦蓄率和有效拦蓄水量均大于未分解层。这再次印证枯落物的持水能力和有效拦蓄降水的能力与其分解程度和储量存在一定的相关性。

表3 枯落物持水能力Table 3 Water holding capacity of litters

对所研究的尾叶桉人工林内枯落物未分解层和半分解层持水量与浸泡时间的关系数据利用spss软件进行分析拟合，发现林下枯落物持水量与浸泡时间之间存在如式(1)所示的关系。

式中：S为枯落物持水量（m）；t为浸泡时间（h）；k为方程系数；p为方程常数项。由分析拟合得到尾叶桉人工林下枯落物持水量S与浸泡时间t的关系（见表4）。

图1为林下枯落物持水量实测值和浸泡时间之间的关系图。由图1可以看出，当枯落物浸到水中开始的一段时间（未分解层1 h，半分解层1.5 h）内有个迅速吸水的过程，随后枯落物的持水量随时间的延长增速减缓，到约20 h枯落物的持水量基本达到最大值，再增加浸泡时间其持水也基本不再发生变化。

表4 枯落物持水量与浸泡时间的关系Table 4 Relation between litter-fall water holding capacity and soaked time

图1 尾叶桉人工林内枯落物持水量与时间的关系Fig.1 Relation between litters water holding capacity in E. urophylla plantation and soaked time

枯落物不同层次的持水速率与浸泡时间的关系见图2。由图2可知，不管是未分解层还是半分解层的枯落物在前2 h内持水速率最大，之后急剧下降，5 h后下降速度明显减缓，15 h后枯落物持水量都趋于饱和，持水速率趋于恒定（趋于0）。持水过程中，半分解层的持水速率大于未分解层，但差异随浸泡时间延长而逐渐缩小。在浸水0.5 h，半分解层持水速率为2.69 mm/h，未分解层为2.00 mm/h，相差0.69 mm/h；浸水2.5 h半分解层持水速率为0.65 mm/h，未分解层为0.41 mm/h，相差缩减为0.24 mm/h；5.5 h半分解层持水速率为0.31 mm/h，未分解层为0.21 mm/h，相差缩减为0.10 mm/h。可见，在吸水的开始阶段枯落物的分解程

图2 尾叶桉人工林内枯落物持水速率与时间的关系Fig.2 Relation between litter water holding rate of E. urophylla plantation and soaked time

3.2.2 枯落物不同层次持水速率度对各层的吸水速率有较显著影响，但当枯落物吸水趋于饱和时各层枯落物的吸水速率也趋于相同，枯落物的分解程度对其持水速率的影响也逐渐失去。

对林下枯落物持水量与浸泡时间之间的关系式S=k l n t +p求导 ， 即可得到林下枯落物吸水速率与浸泡时间之间的关系式，即：

式中：V为枯落物吸水速率（mm·h-1）；t为浸泡时间（h）；K为方程系数；b为方程常数项。利用spss软件拟合枯落物各层持水速率与浸泡时间关系的数据，得到枯落物持水速率与浸泡时间的关系式（见表5）。

表5 持水速率与时间的关系Table 5 Relation between litter water holding rate and soaked time

3.3 尾叶桉人工林内土壤持水特性

林地土壤层是林内水分贮蓄的重要场所，土壤持水能力反映了林地的水源涵养能力，土壤中的水分状况对林木的生长有重要作用[28]。由表6可以看出，尾叶桉人工林内土壤容重虽大体都在1.1～1.3 g·cm-3区间内，但基本上随着深度的增加而增加；由于操作误差和土壤中较大块颗粒物的影响，总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度等孔隙度指标出现了一些随土层深度增加而增加的情况，但总体上这3个孔隙度指标是随着土层深度增加面减小的。这表明了随着土层深度的增加，土壤越坚实、紧密，而土壤容重在第一层0～10 cm与第二层10～20 cm之间变化较其它相邻深度之间的变化较大，这应该是由于表层（0～10 cm）因整地等抚育措施而相对其它层次更加疏松。饱和持水量、毛管持水量以及田间持水量等反映土壤持水性能的指标，也同样存在随深度的增加而减小的趋势。

表6 土壤物理性质及水分参数Table 6 Soil physical properties and water parameters

4 结论与讨论

(1) 本研究中10年生尾叶桉人工林林内枯落物储量约为14.15 t·hm-2，由于人工林内抚育经营活动较频繁，枯落物分解迅速，以致半分解层储量较未分解层多。该储量值远超过同在华南地区的广东高明县云勇林场的8年生尾叶桉林（4 t·hm-2）[29]及中科院鹤山丘陵综合试验站的柠檬桉林（2.6 t·hm-2）[30]，而接近处于温带的京西百花山的刺槐林（15.1 t·hm-2）[31]和同属华南地区的广东省高明县西南部的8年生尾叶桉林（14 t·hm-2）[32]。由此可见枯落物的储量可能因为树种、品种、气候、林龄、立地条件及抚育措施等因素而存在巨大差异。

（2）本研究中尾叶桉人工林内枯落物的最大持水量为3.07 mm，有效拦蓄水量为1.90 mm，半分解层的最大持水率、最大持水量、有效拦蓄率和有效拦蓄水量均大于未分解层。在整个持水过程中，半分解层的持水量和持水速率一直大于未分解层。林内枯落物的持水性能与其自身的分解程度密切相关，持水量及持水速率均与其分解程度有一定的正相关关系，分解程度更高的半分解层，其持水量和持水速率也更大。从最大持水量来看，本研究中10年生尾叶桉人工林内的枯落物持水性能是比较优越的，林分内枯落物的持水量要大于广东鹤山丘陵的湿地松林（1.6 mm）和马占相思林（2.8 mm）[16]，也大于西双版纳的橡胶林（1.60 mm）[17]。

（3）本研究中尾叶桉人工林林下土壤层的物理性质基本符合此规律：随着土层深度的增加，土壤容重逐渐增大，孔隙度减小，持水量也随之减小。而表层土壤（0～10 cm）由于经营活动、动植物作用等因素，表现出更加疏松且持水能力更强的特征。可见其土壤持水能力与土壤容重和土壤层深度基本呈反比，而生物圈的活动对其物理性质也同时产生着重要影响。

不同地区和林分内的土壤物理性质可能存在差异。薛立等[32]对广东高明县尾叶桉、马占相思、湿地松、杉木等华南树种进行测定，表明各树种林分内土壤容重并无显著差异，尾叶桉林下土壤的总孔隙度小于其它几个树种，毛管持水量与其它几个树种无显著差异。与本研究中的尾叶桉林比较，尾叶桉林下土壤容重、孔隙度较小，而毛管持水量与之相当。

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Study on water holding capacity of litter and soil in Eucalyptus urophylla plantations

ZHAO Zhi-yuan1,2, SHU Qing-tai1, DU A-peng2
(1.College of Resources, Southwest Forestry University, Kunming 650224,Yunnan, China; 2. China Eucalypt Research Centre,Zhanjiang 524022, Guangdong, China)

Through sampling and determination of the litter’s water holding rate, water holding quantity and the physical properties of the soil, the water holding capacity of 10-year-old Eucalyptus urophylla plantation’s litter and soil was studied. The results show that the stands’ litter reserve was about 14.15 t · hm-2, maximum water holding quantity was 3.07 mm, effective impoundment of water was 1.90 mm, and semi-decomposed layer’s maximum water holding rate, maximum water holding quantity, effective impoundment rate and effective impoundment quantity of water were greater than un-decomposed layer’s; the semi-decomposed layer’s water holding quantity and water-holding rate has been being greater than the un-decomposed layer’s during the whole process of water holding; gradually, the stands’ soil bulk density increased, the soil’s porosity reduced, the soil’s water holding capacity also decreased as the depth increased,soil’s water holding capacity was inversely proportional with soil bulk density and soil layer’s depth basically; the tending operations of the plantation was frequent, so its litter decomposed rapidly, while the biosphere activities also had an important impact on soil’s physical properties.

Eucalyptus urophyla plantations; litterfall; soil; water holding capacity

S792.39

A

1673-923X(2013)03-0098-05

2012-12-10

林业公益性行业科研专项(201104003)； 国家林业局公益性行业科研专项( 200904045) ；国家自然科学基金（31060114）；云南省自然科学基金（2008ZC094M）

赵知渊（1987-），男，硕士研究生，主要从事森林生态等研究； E-mail： zzyuanbo@126.com

杜阿朋（1979-），男，博士，助理研究员，主要从事森林生态等研究；E-mail： dapzj@163.com

[本文编校：谢荣秀]