飞播马尾松林不同林下植被类型枯落物及土壤水文效应

赵芳，李雪云，赖国桢，欧阳勋志†，郭孝玉

(1.九江学院旅游与国土资源学院,332005,江西九江; 2.江西农业大学林学院,330045,南昌)



飞播马尾松林不同林下植被类型枯落物及土壤水文效应

赵芳1,2，李雪云2，赖国桢2，欧阳勋志2†，郭孝玉2

(1.九江学院旅游与国土资源学院,332005,江西九江; 2.江西农业大学林学院,330045,南昌)

为探明飞播马尾松林不同林下植被类型对枯落物及土壤水文效应的影响，按林下植被优势(分芒萁类、禾本类及灌木类3种类型)设置典型样地，对其枯落物持水性能及土壤蓄水能力进行比较分析。结果表明：3种类型的枯落物现存总蓄积量为0.65～3.57 t/hm2；其中，灌木类总蓄积量>芒萁类>禾本类。3种类型枯落物自然含水率、最大持水率、最大拦蓄率及有效拦蓄率范围分别为15.50%～29.74%、167.70%～218.25%、139.00%～199.66%和113.85%～167.39%；枯落物自然含水量、最大持水量、最大拦蓄量及有效拦蓄量均表现为灌木类>芒萁类>禾本类，除半分解层自然含水量以外，其他持水量指标均表现为灌木类显著高于其他2种类型。0～20 cm土层的饱和蓄水量、非毛管持水总量以及毛管持水总量均以芒萁类最高，分别为865.95、138.96和726.99 t/hm2；其中，芒萁类在0～20 cm土层，非毛管持水总量显著高于其他2种类型，而0～10 cm土层饱和蓄水量显著高于禾本类。综合分析表明：灌木类枯落物的水文效应显著高于禾本类和芒萁类，而芒萁类土壤层水文效应明显优于灌木类和禾本类，这是由于土壤层饱和蓄水量及有效蓄水量分别占林地表层(枯落物层和0～20 cm土壤层)的99%和94%以上，总体上芒萁类林地表层水文效应明显优于灌木类和禾本类。

林下植被； 枯落物； 土壤； 水文效应； 飞播马尾松林

水源涵养功能是森林生态系统的重要功能之一，森林通过林冠层、林下植被层、枯落物层及土壤层截持和贮存大气降水，对其进行重新分配和调节，发挥其特有的水文生态功能[1-2]。其中，枯落物层能够截持大气降水、抑制土壤水分蒸发、阻延地表径流、防止土壤溅蚀、增强土壤抗冲性能等，在截留蓄水等方面发挥重要作用[3]，而土壤层则被称为森林最大的贮水库和水分调节器，其可使大气降水沿土壤毛管孔隙和非毛管孔隙下渗，一部分供植物蒸腾和地表蒸发，一部分则贮存起来或通过渗透汇入溪流[4]。林下植被是森林生态系统重要组成部分，能显著影响林下枯落物层的物质组成、枯落物蓄积量及土壤理化性质，进而影响枯落物层及土壤层的蓄水能力；因此，其对森林生态系统水源涵养功能的影响不容忽视。目前，有关不同林分类型或树种的枯落物层及土壤层水文效应有较多研究。如田野宏等[5]对大兴安岭北部天然次生山杨林、白桦林，彭明俊等[4]对金沙江流域华山松林、云南松林和云南松华山松混交林，魏强等[6-7]对甘肃兴隆山青杄林、油松林，唐素贤等[8]对官司河流域柏木纯林、栎柏混交林，赵雨森等[9]对阿什河上游小流域水曲柳、兴安落叶松林，以及张峰等[10]对北京西山森林健康试验示范区内的刺槐、侧柏林等不同林分类型的枯落物及土壤层水文效应，进行比较分析。此外，卢振启等[11]还对河北雾灵山不同海拔的油松人工林，赵磊等[12]对江西大岗山不同密度的杉木林，分别进行了比较研究。但是，当前考虑同一乔木树种不同林下植被类型的枯落物层及土壤层水文效应的研究则极少。

赣南(江西省南部)由于自然和人为因素，曾是中国水土流失范围最广、程度较高的地区[13]，尤其是该区的兴国县，曾被称为“江南沙漠”。兴国县自20世纪70年代开始，就陆续开展了大面积的、以治理水土流失为目的的马尾松(Pinus massoniana)飞播造林活动，以恢复森林植被，取得了显著成效。据兴国县林业局相关统计资料，在1973—2001年期间，马尾松飞播造林多达20次，目前保存面积6.4万hm2，占现有全县有林地面积的29.5%[14]。由于飞播马尾松林是基于曾经强烈水土流失背景下恢复起来的，其立地条件、林分结构等与天然马尾松林相比存在一定的差异，如林下植被表现为物种组成更简单、盖度较低等特点，并且其主要是以涵养水源、减少水土流失为主要经营目标；因此，研究飞播马尾松林不同林下植被类型的枯落物层及土壤层水文效应，对合理经营森林资源，改善水环境，实现水资源的科学管理和利用，具有其重要意义。

1　研究区概况

兴国县地处我国中亚热带南部，江西省中南部，赣州市北部( E 115°01′～115°51′，N 26°03′～26°42′)。该区为中亚热带温暖湿润气候，年均温18.9 ℃，年积温6 029.9 ℃，年均降雨量为1 539 mm，雨量多集中在4—6月，无霜期280～300 d。母岩主要为花岗岩、第四纪红色黏土、砂页岩和千枚岩等，土壤类型主要为红壤。森林资源丰富，主要植被类型有马尾松林、杉木(Cunninghamia lanceolata)林和常绿阔叶林等；飞播马尾松林林下植被主要有铁芒萁(Dicranopteris linearis)、五节芒(Miscanthus floridulus)、圆果雀稗(Paspalum scrobiculatum)、檵木(Loropetalum chinense)、美丽胡枝子(Lespedeza formosa)和栀子(Gardenia jasminoides)等。

2　研究方法

2.1样地设置及取样

2014年7月，在对飞播马尾松林分布区踏查的基础上，得知其林下优势植被主要有铁芒萁、禾本科植物以及灌木等类型，且几乎都是飞播后恢复起来的林下植被；因此，在人为干扰程度低、且整个坡面为同一林下植被优势类型，分别按芒萁类、禾本类及灌木类3种类型设置典型样地。其中：芒萁类的优势种为铁芒萁，以团状分布为主，偶见油茶(Camellia oleifera)、五节芒等物种；禾本类的优势种为细毛鸭嘴草(Ischaemum ciliare)、圆果雀稗等植物，为均匀分布，也有零星少量的檵木、杜鹃(Rhododendron simsii)、碎米莎草(Cyperus iria)等物种；灌木类的优势种主要为美丽胡枝子和檵木，呈较均匀分布，此外，有算盘子(Glochidion puberum)、六月雪(Serissa japonica)、细毛鸭嘴草和圆果雀稗等物种零星分布。样地林分年龄均为中龄林(20～30 a)，土壤均为花岗岩发育的红壤，林下植被总盖度为60%～75%。每种类型样地面积为400 m2(20 m×20 m)，4个重复，共设置12个样地。各类型样地总体情况见表1。

表1　样地基本概况

在每个样地的中心及4个角(距边界2 m)，共设置5个有代表性的4 m×4 m的样方，调查灌木、草本的种类及盖度。在5个样方中心，各设置1个1 m×1 m的枯落物小样方，采用收获法按未分解层(枯枝落叶保持原状，叶形完整，外表没有分解痕迹的枯落物层)、半分解层(大部分枯枝落叶已经粉碎，叶形不完整，分解成碎屑的枯落物层)收集枯落物，并测定鲜质量，带回实验室，烘干后测定其干质量。

考虑到铁芒萁和禾本类植物根系在土层中分布较浅，而灌木的根系也较多的分布在20 cm内；因此，土壤样品的采集按0～10和10～20 cm分层取样。土壤调查采用剖面法，在样地的上、中、下挖取3个土壤剖面，用环刀采集0～10和10～20 cm原状土壤，带回实验室测定土壤密度、孔隙度等；同时，在打环刀旁用铝盒取约10 g土壤，及时测定土壤自然含水率。

2.2指标测定

采用室内浸泡法，测定枯落物的持水率[15]。枯落物持水性能指标的计算公式[1,10]为：

Ro=(Go-Gd)/Gd×100%；

Rhmax=(G24-Gd)/Gd×100%；

Rsmax=Rhmax-Ro；

Rsv=0.85Rhmax-Ro；

Wo=Ro×M；Whmax=Rhmax×M；

Wsmax=Rsmax×M；Wsv=Rsv×M。

式中：Ro为枯落物自然含水率，%；Go为枯落物样品自然状态的质量，g；Gd为烘干状态的质量，g；Rhmax为枯落物最大持水率，%；G24为浸水24 h后的质量，g；Rsmax为枯落物最大拦蓄率，%；Rsv为有效拦蓄率，%；Wo为枯落物自然含水量，t/hm2；M为枯落物现存蓄积量，t/hm2；Whmax为枯落物最大持水量，t/hm2；Wsmax为枯落物最大拦蓄量，t/hm2；Wsv为枯落物有效拦蓄量，t/hm2。

采用环刀法，测定土壤密度、孔隙度等物理性质指标，土壤蓄水量计算公式[16]为：

Wc=10 000×Pc×h；Wa=10 000×Pa×h；

Wt=10 000×Pt×h。

式中：Wc为土壤毛管持水量，t/hm2；Pc为土壤毛管孔隙度，%；h为土层厚度，m；Wa为土壤非毛管持水量，t/hm2；Pa为土壤非毛管孔隙度，%；Wt为土壤饱和蓄水量，t/hm2；Pt为土壤总孔隙度，%。

2.3数据分析处理

数据的分析处理及作图，采用软件Excel 2003及SPSS19.0完成。

3　结果与分析

3.1枯落物层水文效应

3.1.1枯落物现存蓄积量由表2可知，不同林下植被类型枯落物未分解层、半分解层蓄积量及总蓄积量范围，分别为0.30～1.79、0.35～1.78和0.65～3.57 t/hm2，均表现为灌木类>芒萁类>禾本类。对于未分解层蓄积量，灌木类显著高于芒萁类和禾本类，芒萁类与禾本类差异不显著；对于半分解层蓄积量和总蓄积量，3种类型间差异显著。从枯落物组成来看，不同分解层次蓄积量所占比例不同，除灌木类相差不大外，其他2种类型均表现为半分解层高于未分解层。

表2　不同类型枯落物现存蓄积量

注:平均值±标准误，不同小写字母表示不同类型间差异显著(P<0.05)。下同。Note:Mean ± standard error,different small letters showed significant difference among different types (P< 0.05).The same below.

3.1.2枯落物持水和拦蓄能力由表3可知，枯落物未分解层、半分解层自然含水率范围，分别为20.13%～28.76%、15.50%～29.74%，各分解层次不同类型间，差异均不显著。未分解层、半分解层自然含水量及整个枯落物层自然含水总量范围，分别为0.06～0.50、0.06～0.27和0.12～0.77 t/hm2，除半分解层灌木类与芒萁类差异不显著外，其他均表现为灌木类显著高于其他2种类型，而芒萁类半分解层及整个枯落物层均显著高于禾本类。枯落物未分解层、半分解层最大持水率范围，分别为167.70%～207.13%和189.89%～218.25%，表现为禾本类未分解层显著高于芒萁类，其他差异不显著。未分解层、半分解层最大持水量及最大持水总量范围，分别为0.63～3.05、0.74～3.89 和1.37～6.94 t/hm2，灌木类显著高于其他2种类型，芒萁类与禾本类差异不显著，灌木类的最大持水总量约为禾本类的5倍。枯落物不同分解层次最大持水率及持水量，均表现为半分解层高于未分解层，自然含水率及含水量无明显规律。

最大拦蓄量是扣除枯落物层本身含水量占据的持水容量以外的枯落物层持水能力的大小，代表最大可能的降雨截留量[17]。3种类型未分解层最大拦蓄率范围为139.00%～187.00%，表现为禾本类显著高于灌木类和芒萁类，灌木类与芒萁类差异不显著。半分解层最大拦蓄率范围为160.15%～199.66%，各类型间差异不显著。未分解层、半分解层最大拦蓄量及枯落物层最大拦蓄总量范围，分别为0.56～2.55、0.69～3.55和1.25～6.10 t/hm2，均表现为灌木类显著高于其他2种类型，芒萁类与禾本类差异不显著。枯落物不同分解层次最大拦蓄率及最大拦蓄量均表现为半分解层高于未分解层。

最大持水率和最大拦蓄率一般只能反映枯落物层的持水能力大小，但不能反映其对实际降雨的拦蓄效果。当降雨达到20～30 mm以后，不论枯落物层含水量高低，实际持水率约为最大持水率的85%；因此，在实际应用中，多以有效拦蓄量来估算枯落物对降雨的实际拦蓄效果和能力[10,18]。由表3可知，枯落物各分解层次有效拦蓄率在3种类型间的变化规律，与对应层次最大拦蓄率的变化规律相一致，各分解层次有效拦蓄量及整个枯落物层有效拦蓄总量的变化规律，与对应层次最大拦蓄量的变化规律相一致。总的来说，灌木类的枯落物层有效拦蓄总量最高(5.07 t/hm2)，禾本类最低(1.04 t/hm2)。

表3　不同类型枯落物持水与拦蓄能力

3.2土壤层水文效应

3.2.1土壤密度和孔隙度土壤密度和孔隙度对土壤层水文效应有直接影响，3种林下植被类型的土壤物理性质及蓄水能力见表4。在0～10 cm土层，土壤密度表现为灌木类最低(1.29 g/cm3)，禾本类最高(1.46 g/cm3)，各类型间差异不显著；非毛管孔隙度的范围为3.39%～8.47%，表现为芒萁类显著高于灌木类和禾本类，灌木类与禾本类差异不显著；毛管孔隙度的范围为31.37%～35.80%，各类型间差异不显著；对于总孔隙度，芒萁类显著高于禾本类，灌木类与禾本类差异不显著。在10～20 cm土层，3种类型的土壤密度表现为芒萁类最低(1.37 g/cm3)，禾本类最高(1.44 g/cm3)；非毛管孔隙度、毛管孔隙度的范围，分别为3.33%～5.43%和29.11%～36.90%，均表现为芒萁类最高。土壤密度及孔隙度在3种类型间，差异均不显著。总的来说，芒萁类对0～10 cm土层非毛管孔隙度及总孔隙度的改善作用好于禾本类。

表4　土壤物理性质及蓄水能力

3.2.2土壤蓄水能力由表4可知，0～10和10～20 cm土层非毛管持水量、毛管持水量及饱和蓄水量，在3种类型间的变化规律，分别与其对应土层的非毛管孔隙度、毛管孔隙度及总孔隙的变化规律相一致。对于0～20 cm土层的非毛管持水总量表现为芒萁类最高(138.96 t/hm2)，其次是灌木类(85.29 t/hm2)，禾本类最低(67.21 t/hm2)，芒萁类与其他2种类型的差异均显著；毛管持水总量的范围为622.08～726.99 t/hm2，表现为芒萁类最高，灌木类最低，各类型间差异不显著；饱和蓄水总量的范围为693.44～865.95 t/hm2，表现为芒萁类最高，禾本类最低，各类型间差异不显著。

3.3林地表层蓄水能力

林地蓄水能力包括枯落物层持水量和土壤层蓄水量，与枯落物层、土壤层水文功能有着密切的联系，枯落物层和0～20 cm土壤层总蓄水量主要反映了林地表层的蓄水能力。由图1可知，林地表层最大蓄水量(枯落物层最大持水量+土壤层饱和蓄水量)及其有效蓄水量(枯落物层有效拦蓄量+土壤层非毛管持水量)的范围分别为694.81～868.87和68.25～140.98 t/hm2，3种类型表现出的规律均与其0～20 cm土壤层饱和蓄水量及有效蓄水量的规律相一致，为芒萁类>灌木类>禾本类。芒萁类、禾本类和灌木类土壤层饱和蓄水量，分别为林地表层最大蓄水量的99.66%、99.80%和99.03%，土壤层有效蓄水量分别为林地表层有效蓄水量的98.57%、98.48%和94.39%。可以看出，土壤层是林地表层蓄存降水的主体。

图1　林地表层蓄水能力Fig.1　Water storage capacity of the forest land surface

4　结论与讨论

4.1枯落物层水文效应

枯落物现存蓄积量主要由往年枯落物总量和枯落物分解速率共同控制[5]。本研究得出，在飞播马尾松林不同林下植被类型中，灌木类未分解层、半分解层蓄积量及总蓄积量，均显著高于芒萁类和禾本类，芒萁类半分解层蓄积量和总蓄积量均显著高于禾本类。说明在飞播马尾松林中，灌木的发育比单纯的草本发育有利于枯落物的累积，而对于芒萁类高于禾本类，可能是由于芒萁类植物繁殖力强，发达的根状茎上能形成致密的茎叶层[19]，枯落物的归还量大，也可能是由于芒萁类植物枯落物分解速率低[20]，较禾本类植物难于分解，从而累积量较大。

枯落物的持水率与其自身特性有关[17]。本研究中，3种林下植被类型的自然含水率在15.50%～29.74%之间，各类型间无显著差异，而最大持水率的范围为167.70%～218.25%，禾本类未分解层最大持水率显著高于芒萁类，对于最大拦蓄率及有效拦蓄率，禾本类未分解层均显著高于其他2 种类型。说明在自然状态下，枯落物的持水能力受林下植被类型的影响并不明显，而当降雨较充分时，禾本类枯落物未分解层的持水潜力、扣除自身含水量占据的持水容量以外的持水潜力，以及对实际降雨的拦蓄能力均显著高于芒萁类或灌木类，林下植被类型对未分解层枯落物的持水潜力影响显著。半分解层枯落物由于部分已经开始腐烂变质，可能不同类型枯落物腐烂部分的性质较为相似；因此，半分解层枯落物持水潜力受林下植被类型的影响并不显著。

枯落物持水量受其持水特性和现存蓄积量的综合影响。本研究中，禾本类植物尽管有较高的最大持水率、最大拦蓄率和有效拦蓄率；但由于其现存蓄积量较低，其对应的持水量均低于其他2 种类型，而灌木类未分解层、半分解层和整个枯落物层最大持水量、最大拦蓄量及有效拦蓄量，均显著高于禾本类和芒萁类，自然含水量除半分解层以外，其他也均显著高于禾本类和芒萁类，因此，综合而言，灌木类枯落物的水文效应显著优于禾本类和芒萁类。

4.2土壤层及林地表层水文效应

本研究中，2土层毛管孔隙度、毛管持水量及0～20 cm土层毛管持水总量，在3种类型间差异均不显著。芒萁类0～10 cm土层非毛管孔隙度、非毛管持水量及0～20 cm土层非毛管持水总量，均显著高于其他2种类型，其0～10 cm土层总孔隙度及饱和蓄水量均显著高于禾本类。说明芒萁类植物相对禾本类或灌木类植物能显著改善土壤0～10 cm土层的非毛管孔隙度和总孔隙度，进而显著影响土壤层的水文效应。究其原因，可能是由于芒萁类植物能在土壤表层形成较厚的根状茎层及网状的根系结构[20]，该根状茎层及根系结构，能显著改善土壤的孔隙状况。林地表层最大蓄水量及其有效蓄水量均表现为芒萁类>灌木类>禾本类。可以看出，芒萁类土壤层及林地表层水文效应，均明显优于其他2种类型。

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Hydrological effects of forest litters and soil in different types of understory vegetation in aerially-seeded Pinus massoniana plantation

Zhao Fang1,2,Li Xueyun2,Lai Guozhen2,Ouyang Xunzhi2,Guo Xiaoyu2

(1.College of Tourism and Territorial Resources,Jiujiang University,332005,Jiujiang,Jiangxi,China;2.College of Forestry,Jiangxi Agricultural University,330045,Nanchang,China)

[Background] Understory vegetation is an important part of forest ecosystem.It can greatly affect the quality and amount of forest litter and the physical and chemical properties of soil,and further affect the water storage capacity of litter layer and soil layer.Thus,the influence of understory vegetation on the function of water conservation of forest ecosystem cannot be ignored.[Methods] We set 12 typical plots with area of 20 m ×20 m of each,in which the dominant types of understory vegetation were dicranopteris,graminoid,and shrub respectively in aerially-seeded Pinus massoniana plantation,and collected the data of field investigation and sample determination.Then we analyzed and compared the water-holding capacities of litter and storage capacities of soil in the 3 types.[Results] Total amount of existing litter in three types were about 0.65 t/hm2- 3.57 t/hm2,it in shrub type was significantly higher than that in the dicranopteris type and the graminoid type,and it in the dicranopteris type was significantly higher than that in the graminoid type.The natural water content rate,maximum water-holding rate,maximum interception rate,and effective interception rate of litters in three types ranged as 15.50% - 29.74%,167.70% - 218.25%,139.00% - 199.66% and 113.85% - 167.39%,respectively.The natural water-holding capacity,maximum water-holding capacity,maximum interception capacity,and effective interception capacity of litters in three types presented as shrub type > dicranopteris type > graminoid type.The indexes of litter water-holding capacity,excluding the natural wate capacity of semi-decomposed layer,in shrub type were significantly higher than those in the other two types.For the hydrological effects of soil,the soil maximum water storage,non-capillary water-holding capacity,and capillary water-holding capacity of 0 - 20 cm soil depth in the dicranopteris type were the highest among the three types with the capacity of 865.95 t/hm2,138.96 t/hm2,and 726.99 t/hm2,respectively.The results of variance analysis demonstrated that the total non-capillary water-holding capacity of 0 - 20 cm soil depth in dicranopteris type was significantly higher than those in the other two types,while the soil maximum water storage capacity of 0-10 cm soil depth in dicranopteris type was significantly higher than that in the graminoid type.And as to the rest of indicators,there was no significant difference among the three types.[Conclusions] Comprehensive analysis revealed that the hydrological effects of litter in the shrub type were significantly higher than that in dicranopteris type and the graminoid type,while the hydrological effects of soil in the dicranopteris type were better than those in the shrub type and the graminoid type,due to the soil maximum and effective water storage accounted for over 99% and 94% of the woodland surface (litter layer plus soil depth of 0-20 cm),respectively.Conclusively,the hydrological effects of woodland surface in the dicranopteris type,on the whole,was better than those in the shrub type and the graminoid type.

understory vegetation; litter; soil; hydrological effects; aerially-seeded Pinus massoniana plantation

2015-11-06

2016-05-17

项目名称：国家自然科学基金“基于多功能经营的赣南飞播马尾松林空间结构模式研究”(31360181)，“赣南飞播马尾松林林下植被恢复过程与林木生长、土壤动态变化耦合机理研究”(31160159)

赵芳(1985—)，女，博士。主要研究方向：森林资源管理与监测。E-mail：zhaofangci@163.com

简介：欧阳勋志(1966—)，男，博士，教授，博士生导师。主要研究方向：森林资源监测管理与森林生态。E-mail：oyxz_2003@hotmail.com

S718.5

A

1672-3007(2016)04-0026-08

10.16843/j.sswc.2016.04.004