林龄对马尾松人工林水源涵养能力的影响研究

孙 艳，李四高，张 楠

(广西壮族自治区水利科学研究院，广西 南宁 530023)

马尾松生长快，造林更新容易，能适应干燥瘠薄的土壤，是广西荒山造林和水土保持造林的重要先锋树种，也是广西主要用材林树种之一。广西马尾松人工林面积占到了人工林总面积的25%[1-2]。水源涵养能力是森林生态系统对降水进行再分配，进而有效涵蓄水分、调节径流的功能，是森林生态系统的一项重要服务功能[3-5]，直接关系到马尾松人工林的水土保持能力和林地的可持续经营[6-7]。笔者通过对广西红水河流域典型地区不同林龄段马尾松人工林的水源涵养能力进行研究，探讨了该地区马尾松人工林的水文效应特征。

1 试验地概况

试验地位于广西河池市大化县东部的江南乡带林村，属于红水河流域典型地区，地理位置为107°32′～107°35′E、23°55′～23°57′N，海拔310～390 m。该区地处亚热带，多年平均气温21.7 ℃，多年平均降水量1 170 mm，多年平均蒸发量1 249.8 mm，年均日照时数1 395 h；地貌属丘陵地貌，土壤类型主要为黄色石灰土和石灰岩黄红壤等。当地植被主要为亚热带常绿阔叶灌木林和针叶林，其次为草地和荆棘等，乔木树种以松、桉为主。

2 研究方法

2.1 样地设置

在林地勘查的基础上，按照林分结构一致、生境特点一致、林内环境与外界条件近似的原则，于2013年3月在坡中位置的林地中选取了处于幼龄林、中龄林、近熟林3个不同林龄阶段的马尾松纯林样地，样地规格为20 m×20 m，基本情况详见表1。

表1 马尾松人工林样地布设情况

2.2 调查方法

(1)凋落物层蓄积量、最大持水量和最大持水系数测定。凋落物样品采集采用直接收获法，在每个样地的上、中、下部各选取1个具有代表性的凋落物小样方，大小为50 cm×50 cm，分别测量凋落物层的厚度，并将每个样地所有小样方内的凋落物混合取样称量，将样品带回实验室内采用浸水法测定其最大持水量、最大持水系数。

(2)土壤孔隙度的测定。土壤孔隙度采用环刀法测定，挖掘土壤剖面后，按照0～20、20～40、40～60 cm分层进行采样测定。

(3)土壤养分含量测定。在每个样地内按梅花形选取5点，分别采集0～20、20～40 cm土层样品，混合均匀后按四分法取样带回实验室内进行土壤养分含量测定。土壤有机质采用重铬酸钾容量法，全氮采用半微量凯氏定氮法，全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法，全钾采用氢氧化钠熔融-火焰光度计法，速效氮采用碱解扩散法，速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法。

3 结果与分析

3.1 马尾松人工林凋落物层水源涵养能力

3.1.1 林龄对马尾松人工林凋落物层生物量的影响

与2015年相比，2017年各林龄段马尾松纯林的凋落物层厚度、凋落物层蓄积量都明显增加(见表2)，凋落物层厚度年增长率达到3.28%以上，凋落物层蓄积量年增长率达到8.72%以上。

表2 不同林龄段马尾松人工林凋落物层生物量情况

2015—2017年，不同林龄段马尾松纯林的凋落物层厚度、蓄积量的年增长率按大小排序均为中龄林>幼龄林>近熟林，其中中龄林的凋落物层厚度、蓄积量的年增长率分别达到23.83%和41.14%，表明中龄林阶段是马尾松纯林凋落物层生物量大幅增加的关键阶段。

从各年度不同林龄段马尾松纯林凋落物层生物量来看，凋落物层厚度基本满足幼龄林>中龄林>近熟林的规律，而各样地凋落物层蓄积量的变化则与之不尽相同，近熟林的凋落物层蓄积量最大，2015、2017年分别达到3.90、4.61 t/hm2。

3.1.2 林龄对马尾松人工林凋落物层水源涵养能力的影响

与2015年相比，2017年各林龄段马尾松纯林的凋落物层最大持水系数、最大持水量都明显增加(见表3)，凋落物层最大持水系数年增长率达到8.64%以上，凋落物层最大持水量年增长率达到18.22%以上。

2015—2017年，不同林龄段马尾松纯林的凋落物层最大持水系数年增长率按大小排序为幼龄林>中龄林>近熟林，凋落物层最大持水量年增长率按大小排序为中龄林>幼龄林>近熟林。结果表明，虽然幼龄林凋落物层最大持水系数年增长率较大，但是因为中龄林前期凋落物的积累，所以仍是中龄林的凋落物层最大持水量年增长率最高。

2015和2017年，凋落物层最大持水系数、最大持水量按大小排序均为近熟林>中龄林>幼龄林，表明随着林龄的增加马尾松人工林凋落物层水源涵养能力也明显增加。

表3 不同林龄段马尾松人工林凋落物层水源涵养能力情况

3.2 马尾松人工林土壤层水源涵养能力

3.2.1 林龄对马尾松人工林土壤养分含量的影响

由表4可知，幼龄林、中龄林的土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾含量均表现为2017年<2015年<2013年，说明对于马尾松纯林幼龄林和中龄林来说，林木处于快速生长阶段，需要从土壤中吸收养分；近熟林的土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效磷含量也表现为2017年<2015年<2013年，但速效氮、速效钾含量的变化趋势有所不同，与2013年相比，2017年近熟林土壤的速效氮、速效钾含量分别增加6.17%、4.49%，说明近熟林阶段林木生长仍需要从土壤中吸取养分，但是可能近熟林具有反哺土壤的作用，因此提高了土壤速效氮、速效钾的含量。

表4 不同林龄段马尾松纯林土壤养分含量情况

从不同林龄段马尾松纯林土壤养分含量变化趋势(图1)看，各林龄段马尾松纯林样地土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾含量变化表现为：幼龄林阶段下降幅度较小、中龄林阶段下降幅度最大、近熟林阶段下降幅度又变小，其中近熟林阶段土壤速效氮、速效钾的含量甚至呈现增加的趋势。

图1 不同林龄段马尾松纯林土壤养分含量变化情况

3.2.2 林龄对马尾松人工林土壤孔隙度的影响

由表5可知，从土壤总孔隙度来看，2015、2017年各林龄段马尾松纯林样地不同深度土层土壤总孔隙度基本满足幼龄林<中龄林<近熟林的规律，即随着林龄的增加，马尾松纯林的总孔隙度也随之增大；从土壤非毛管孔隙度来看，2015、2017年各林龄段马尾松纯林样地不同深度土层土壤非毛管孔隙度基本满足近熟林大于幼龄林和中龄林的规律，即近熟林的非毛管孔隙度最大。结果表明，随着林龄的增加，马尾松人工林的土壤涵养水源能力显著增加，马尾松人工林近熟林阶段的土壤水源涵养能力明显高于幼龄林和中龄林阶段。

表5 不同林龄段马尾松纯林土壤孔隙度变化情况

注：同一年度同一土层深度同一指标数据后的小写字母不同表示差异显著(P<0.05)。

4 结 论

(1)2015—2017年，各林龄段马尾松纯林的凋落物层厚度、蓄积量都明显增加，中龄林凋落物层厚度、蓄积量的年增长率最大，说明中龄林阶段是马尾松纯林凋落物层生物量大幅增加的关键阶段；各年度均是幼龄林凋落物层厚度最大，但近熟林凋落物层蓄积量最大。

(2)2015—2017年，幼龄林凋落物层最大持水系数年增长率较大，但因为中龄林前期凋落物的积累，所以仍是中龄林的凋落物层最大持水量年增长率最高，到近熟林阶段马尾松人工林凋落物层最大持水系数、最大持水量均达到最大值。

(3)2013—2017年，各林龄段马尾松纯林样地土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾含量变化情况表现为：幼龄林阶段下降幅度较小、中龄林阶段下降幅度最大、近熟林阶段下降幅度又变小，其中近熟林阶段土壤速效氮、速效钾的含量甚至呈现增加的趋势。

(4)2015、2017年各样地不同深度土层土壤总孔隙度、非毛管孔隙度基本满足近熟林大于幼龄林和中龄林的规律，即马尾松人工林近熟林阶段土壤水源涵养能力明显高于幼龄林和中龄林阶段。