南亚热带杉木林改造对土壤及凋落物持水能力的影响

唐洪辉, 张卫强, 严 峻, 盘李军, 陈伟光, 冼杆标

(1.广东省林业科学研究院, 广州 510520; 2.佛山市云勇生态林养护中心, 广东 佛山 528518)

南亚热带杉木林改造对土壤及凋落物持水能力的影响

唐洪辉1, 张卫强1, 严 峻1, 盘李军2, 陈伟光2, 冼杆标2

(1.广东省林业科学研究院, 广州 510520; 2.佛山市云勇生态林养护中心, 广东 佛山 528518)

对杉木林进行改造，是提高林分质量和生态效能的重要措施。该文研究了杉木林改造前期对土壤及凋落物持水能力的影响。结果表明，在杉木林改造前期，不同林龄段试验林间土壤容重、孔隙度和土壤持水量差异不显著(P>0.05)，但随林龄的增加呈上升趋势，土壤涵养水源能力有所增加。凋落物量及其持水能力随改造林龄的增加呈上升趋势，9～11 a林龄试验林凋落物及持水能力显著高于3～5 a林龄试验林(P<0.05)，而其凋落物持水能力与5～7 a林龄试验林差异不显著(P>0.05)。浸水试验表明，凋落物持水率随浸泡时间的增加呈对数曲线增长，吸水速率与浸泡时间呈反函数关系。凋落物最大持水量远小于土壤最大持水量，仅为土壤的0.18%，0.11%和0.08%，土壤为森林涵养水源的主体。通过分析试验林土壤和凋落物持水能力发现，杉木+米老排+阴香+山杜英+枫香、杉木+火力楠+米老排+阴香+红荷和杉木+木荷+山杜英+香椿+山黄麻改造模式对土壤和凋落物持水能力影响效果较好，其水文功能较高。

土壤及凋落物持水能力; 杉木林改造前期; 南亚热带

杉木(Cunninghamialanceolata)是我国南方主要速生用材树种，在中国亚热带森林生态系统中占有十分重要的地位[1]，大规模营造杉木人工林的后果是树种组成的单一化和针叶化现象严重，影响森林生态功能的正常发挥[2-3]。水源涵养是森林生态系统的重要功能，也是生态公益林的核心功能之一[4]，主要包括森林生态系统通过林冠层、凋落物层和土壤层拦截滞蓄降水[5]。研究表明，凋落物层与土壤层调节降水的能力达到降雨的90%以上[6]。因此，研究土壤层和凋落物层持水特性具有极其重要的意义，成为生态水文学研究的核心问题之一[5]。目前，有关林分改造对土壤层和凋落物层持水能力影响研究主要集中在植物演替[7-8]和林分改造[4,9-10]等方面。而杉木林改造前期对土壤及凋落物持水特性的影响还缺少系统的、详细的研究。本研究探讨了杉木林改造前期不同林龄段试验林土壤及凋落物持水特性，旨在为杉木人工林营建中的树种选择、近自然改造、生态林经营及森林生态服务功能评估提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广东省佛山市高明区云勇林场，东经112°40′，北纬22°43′，属南亚热带湿润季风气候，水热资源丰富。年平均气温、最高气温和最低气温分别为22.0，34.5和3.5℃，雨量充沛，年降水量平均达2 000 mm，集中在4—8月[11]。地势属丘陵地带，土壤为花岗岩发育的酸性赤红壤，土层深厚。2002—2011年不同时段对杉木林进行皆伐改造，引入生态景观树种造林，经过多年改造，形成了针阔混交林，试验林概况见表1。

表1 试验林概况

注：杉木为二代萌芽，只保留1株。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤物理性质 2013年8月，选择地形地貌、海拔、母岩、土壤类型等相同或相近，且彼此相连的10～11 a，7～9 a和3～5 a林龄段试验林作为研究对象，在每个林龄段试验林内分别设计4个土壤和凋落物研究样地，在每个土壤研究样地内选择有代表性的部位，分别挖取3个土壤剖面，按照0—25，25—50，50—75，75—100 cm土壤深度用100 cm3环刀取样。参考LY/T1215—1999《森林土壤水分—物理性质的测定》，由环刀法计算土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管空隙度、土壤通气性、自然含水量、最大持水量、毛管持水量和田间持水量等指标。

1.2.2 凋落物蓄积量 2013年8月，按“梅花五点法”在每个研究样地布设5块2 m×2 m小样方，在样地内收集全部凋落物(不包括直径>2 cm的粗木质残体)并现场称重；对凋落物进行取样，带回实验室在85℃的恒温箱中烘干至恒重，由干/鲜重比计算含水率，从而推算出凋落物蓄积量。

1.2.3 凋落物持水能力与过程 采用室内浸泡法测定凋落物持水特性。2013年8月，将烘干后凋落物样品称取100 g，原状放入细网尼龙袋中，浸没于清水中，在分别浸泡0.25，0.5，1，1.5，2，4，6，8，10，24 h后称重，每次取出后静置5 min左右，直至凋落物不滴水为止，迅速称凋落物的湿重并进行记录，由此计算凋落物在不同浸水时间的持水率、吸水速率和持水量，每个研究样地重复3次。

1.2.4 凋落物拦蓄能力 凋落物层的最大拦蓄率即为最大持水率，根据凋落物层的蓄积量、其雨前实测平均自然持水率及最大持水率可推算出其最大拦蓄量，而最大持水量及最大拦蓄量，只能反映凋落物层的持水能力大小，不能反映对实际降水的拦蓄情况。研究表明，当降雨量达到20～30 mm以后，不论哪种植被类型的枯落物层及其含水量高低，实际持水率约为最大持水率的85%左右，所以取调整系数0.85来估算枯落物层的有效拦蓄量[12-13]。

Rm=(G24-Gd)/Gd×100%Ro=(Go-Gd)/Gd×100%

Wm=(Rm-Ro)MW=(0.85Rm-Ro)M

式中：Rm——凋落物最大持水率(%)；Go，Gd和G24——凋落物自然状态下质量、凋落物风干质量和浸水24 h后质量；Wm——最大拦蓄量(t/hm2)；W——有效拦蓄量(t/hm2)；R0——平均雨前自然含水率(%)；M——凋落物蓄积量(t/hm2)。

2 结果与分析

2.1 土壤物理性质与持水能力

从表2可知，杉木林改造前期，不同林龄段试验林间土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均值差异不显著(P>0.05)，但随林龄的增加呈上升趋势，而非毛管孔隙度和土壤通气性表现为先升高后降低。10～11 a林龄不同改造模式间总孔隙度、毛管孔隙度差异不显著(P>0.05)，而非毛管孔隙度和土壤通气性变化规律一致。7～9 a林龄不同改造模式间容重、非毛管孔隙度及土壤通气性差异不显著(P>0.05)，而总孔隙度和毛管孔隙度间差异性一致。3～5 a林龄不同改造模式间土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度差异不显著(P>0.05)。

表2 土壤物理性质分析

注：表中数据为平均值±标准误，同列小写字母表示同一林龄各改造模式间差异达显著水平(P<0.05)，同列大写字母表示不同林龄间差异达显著水平(P<0.05)。

从表3可知，不同林龄段试验林间土壤自然含水量、最大持水量、毛管持水量和田间持水量均值差异不显著(P>0.05)，杉木林改造前期对土壤持水能力影响不大，但最大持水量、毛管持水量和田间持水量随林龄的增加呈上升的趋势，与3～5 a林龄试验林相比，10～11 a林龄试验林土壤自然含水量、最大持水量、毛管持水量及田间持水量均值增加了7.81%，3.77%，3.97%和5.25%，土壤涵养水源能力有所增加。3～5 a林龄不同改造模式间土壤自然含水量、最大持水量、毛管持水量和田间持水量差异不显著(P>0.05)，这可能由于造林抚育刚刚结束，林分处于幼龄期，不同改造模式对土壤持水能力影响效果不明显。7～9 a林龄不同改造模式间最大持水量和毛管持水量差异性规律一致。10～11 a林龄不同造林模式间最大持水量、毛管持水量和田间持水量显著不差异(P>0.05)，不同改造模式下土壤涵养水源能力基本趋于一致。

表3 土壤持水能力分析

注：表中数据为平均值±标准误，同列小写字母表示同一林龄各改造模式间差异达显著水平(P<0.05)，同列大写字母表示不同林龄间差异达显著水平(P<0.05)。

2.2 土壤物理性质与持水能力相关性分析

为了更深入了解土壤物理性质与持水性的相互影响，对主要指标进行了相关性分析(表4)。从表4可知，不同林龄段试验林土壤容重与最大持水量、毛管持水量、田间持水量呈极显著负相关(P<0.01)。土壤总孔隙度与毛管孔隙度、自然含水量、最大持水量、毛管持水量及田间持水量存在极显著正相关(P<0.01)，随着林龄的增加，总孔隙度与最大持水量和毛管持水量相关性升高，而与土壤自然含水量相关性降低，土壤自然含水量受总孔隙度影响随林龄的增加而降低。土壤自然含水量和田间持水量、毛管持水量、最大持水量呈极显著正相关(P<0.01)，其中，土壤含水量与田间持水量相关系数最高，说明各林地自然含水量的大小主要取决于田间持水量，其次为毛管持水量和最大持水量。土壤通气性与非毛管孔隙度、非毛管持水量呈极显著正相关(P<0.01)，两者相关性随林龄的增加呈现出先降低后升高的趋势。土壤最大持水量与土壤毛管持水量和田间持水量呈极显著正相关(P<0.01)。

2.3 凋落物持水特性分析

2.3.1 凋落物蓄积量和持水能力分析 从表5可知，不同林龄段试验林凋落物量、最大持水量、最大拦蓄量和有效拦蓄量随林龄的增加呈上升趋势，而凋落物自然含水率和最大持水率表现为先升高后降低。凋落物受动物、微生物以及环境等作用，凋落物不断凋落、分解，处于不断的消长动态中，凋落物储量状况反映了凋落物与所处环境的交互作用和富集程度[14]，研究发现，10～11 a林龄不同改造模式凋落物蓄积量均值显著高于7～9 a林龄、3～5 a林龄凋落物量(P<0.05)，分别为7～9 a林龄、3～5 a林龄凋落物量的2.15和2.53倍。受凋落物蓄积量、凋落物自然含水率和最大持水率的影响，10～11 a林龄不同改造模式凋落物最大持水量、最大拦蓄量和有效拦蓄量均值与7～9 a林龄间差异不显著(P>0.05)，但显著高于3～5 a林龄(P<0.05)，分别为3～5 a林龄的2.27，2.25和2.25倍。10～11 a林龄不同改造模式间凋落物最大持水量、最大拦蓄量和有效拦蓄量间差异性一致。3～5 a林龄不同改造模式间凋落物蓄积量、最大持水量、最大拦蓄量和有效拦蓄量间差异不显著(P>0.05)。

表4 土壤物理性质的相关系数

注：*P<0.05，**P<0.01。

表5 凋落物量及凋落物持水能力分析

注：表中数据为平均值±标准误，同列小写字母表示同一林龄各改造模式间差异达显著水平(P<0.05)，同列大写字母表示不同林龄间差异达显著水平(P<0.05)。

2.3.2 凋落物持水和吸水过程分析 利用浸泡试验测定凋落物持水率变化过程，按不同改造模式分别计算其持水率随浸泡时间的关系(图1)。从图1可知，凋落物持水量随时间的变化趋势基本相似，在0～2 h时段内凋落物持水率随浸泡时间的增加迅速提高，此后增长趋势各不相同，只是增速减少，浸泡24 h时，各改造模式凋落物持水率均达到平衡，基本趋于稳定。研究发现，不同林龄段试验林凋落物0.5 h内持水率分别占其最大持水率的57.67%，68.39%和68.63%，说明凋落物拦蓄地表径流的功能在降雨开始时较强，此后随着凋落物湿润程度的增加，持水能力降低。凋落物持水速率与浸泡时间存在着明显对数函数关系，其相关系数均在0.887以上(表6)。

Q=aln(t)+b

式中：Q——凋落物持水率(g/g)，t——浸水时间(h)，a，b——方程系数。

凋落物吸水速率随时间变化趋势是一致的，吸水速率与浸泡时间存在明显的相关性(图2)。从图2可知，在浸水开始到浸水2 h，凋落物吸水速率急剧降低，之后缓慢下降，凋落物在浸水24 h时基本饱和，吸水速率基本上维持在0.06～0.08 g/(g·h)之间。不同林龄段试验林凋落物吸水速率表现为7～9 a林龄试验林>3～5 a林龄试验林>10～11 a林龄试验林。凋落物吸水速率与浸泡时间存在着明显反函数关系(表6)，相关系数均在0.991以上。

V=b0+b1t-1

式中：V——凋落物吸水速率[g/(g·h)]；t——浸泡时间；b0，b1——方程系数。

表6 凋落物持水量、吸水率和浸泡时间的关系式

图1 凋落物持水率与浸泡时间的关系

图2 凋落物吸水速率与浸泡时间的关系

3 结 论

(1) 杉木林改造前期，不同林龄试验林间土壤容重和孔隙度差异不显著(P>0.05)。随着试验林林龄的增加，土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、土壤最大持水量、毛管持水量和田间持水量呈上升的趋势，土壤涵养水源能力有所增加，而非毛管孔隙度和土壤通气性表现为先升高后降低。各林龄段试验林土壤容重与最大持水量、毛管持水量、田间持水量呈极显著负相关(P<0.01)，土壤总孔隙度与毛管孔隙度、自然含水量、最大持水量、毛管持水量及田间持水量存在极显著正相关(P<0.01)，随着林龄的增加，总孔隙度与最大持水量和毛管持水量相关性升高，而总孔隙度与土壤自然含水量相关性降低，土壤自然含水量受总孔隙度影响降低。土壤自然含水量与田间持水量相关系数最高，说明各林地自然含水量的大小主要取决于田间持水量，其次为毛管持水量和最大持水量。

(2) 凋落物量及凋落物持水能力随随改造林龄的增加呈上升趋势，10～11 a林龄试验林凋落物蓄积量显著高于与7～9 a林龄、3～5 a林龄凋落物量(P<0.05)，分别为7～9 a林龄、3～5 a林龄凋落物量的2.15倍和2.53倍。与其他类似研究相比，南亚热带杉木林改造前期凋落物蓄积量小于温带[15]和亚热带[16]主要森林植被凋落物蓄积量，这主要是由于南亚热带水热环境明显高于暖温带和中亚热带，加速了凋落物的分解，同时可能与试验林林龄较小有关。研究发现，凋落物持水能力主要发生在2 h内，在拦蓄地表径流的功能在降雨开始2 h内较强，此后随着凋落物湿润程度的增加，持水能力降低。

(3) 土壤持水能力均远大于凋落物层。凋落物最大持水量仅为土壤最大持水量的0.18%，0.11%和0.08%，但这并不能说明凋落物在森林生态系统水源涵养中的作用不大，由于凋落物层结构疏松，吸水能力和透水性强，不仅能够减缓林内降水对地面的直接冲击，阻滞和分散降水，吸收降落到地表的水分，而且能延缓及减少地表径流，增加土壤水分下渗，对防止土壤侵蚀和水源涵养具有重要作用[7]。

(4) 通过分析试验林土壤和凋落物持水能力发现，杉木+米老排+阴香+山杜英+枫香、杉木+火力楠+米老排+阴香+红荷和杉木+木荷+山杜英+香椿+山黄麻改造模式对土壤和凋落物持水能力影响效果较好，其土壤与凋落物的水文功能较高。

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EffectsofCunninghamialanceolataStandReconstructingontheWater-HoldingCapacitiesofSoilandLitterinSouthernSubtropicalRegion

TANG Hong-hui1, ZHANG Wei-qiang1, YAN Jun1, PAN Li-jun2, CHEN Wei-guang2, XIAN Gan-biao2

(1.GuangdongAcademyofForestry,Guangzhou510520,China; 2.MaintenanceCenterforYunyongEcologicalForestofFoshan,Foshan,Guangdong528518,China)

Transformation ofCunninghamialanceolataplantation was an important measure to improve forest stand quality and its ecological functions. In this paper, transformation methods ofCunninghamialanceolataplantation in Foshan, were taken as the example to study the water-holding capacities of soil and litter with different forest ages. The bulk density, porosity and water holding capacity of soil for experimental forest with different age segments were not significant (P<0.05), while those parameters of soil rose with the extension of forest ages, and water conservation of soil was improved. Litter biomass and water-holding capacity of litter increased with the increase of forest ages. Biomass and water-holding capacity of litter in experimental forest with the ages of 9～11 years were significantly higher than those of litter in experimental forest with 3～5 years (P<0.05), while water-holding capacity of litter was not significant with 3～5 years experimental forest. The litter soaking experiments showed that the water holding capacity increased with soaking time, following a logarithmic curve, while water absorption rate decreased with soaking time, following inverse function relationship. The maximum water-holding capacity of litter layer was much less than the soil layer, which accounted for 0.18%, 0.11% and 0.08% of the maximum water-holding capacities of soil. Forest soils become the subject of water conservation. The improvement methods ofCunninghamialanceolata,Mytilarialaosensis,Cinnamomumburmannii,Elaeocarpussylvestris,LiquidambarformosaandCunninghamialanceolata,Micheliamacclurei,Mytilarialaosensis,Cinnamomumburmannii,SchimawallichiiandCunninghamialanceolata,Schimasuperba,Elaeocarpussylvestris,Toonasinensis,Tremaorientalisshowed good water holding capacity of soil and litter by analyzing water holding capacity of soil and litter.This study results can provide scientific basis for planting tree selection, near natural transformation of stand, forest management and assessment of service function of forest ecosystem.

water-holding capacities of soil and litter; early stand transformation ofCunninghamialanceolataplantation; southern subtropical region

2014-04-04

：2014-04-23

国家林业公益性行业科研专项(201404301);广东省林业科技创新专项项目(2010KJCX013-02);佛山市生态景观林培育技术研究与推广示范和国家林业局广东东江源森林生态站联合资助

唐洪辉(1962—),男,广东兴宁人,高级工程师,主要从事森林生态与风景园林设计。E-mail:gztanghh@126.com

张卫强(1976—),男,山西清徐人,博士,高级工程师,主要从事森林水文与植物生理生态。E-mail:happyzwq@sina.com

S715.7

：A

：1005-3409(2014)06-0047-07