粤北不同林龄杉木人工林下土壤层及枯落物层持水能力研究

邓厚银，晏 姝 ，王润辉，胡德活 ，郑会全，韦如萍，梁 机

（1.广西大学林学院，广西 南宁 530004；2.广东省森林培育与保护利用重点实验室/广东省林业科学研究院，广东 广州 510520）

【研究意义】涵养水源是森林生态系统的重要功能，其主要表现在调节径流量、净化水质和增加水资源等方面，在恢复生态中发挥着重要作用［1］，其发生层主要包括土壤层、枯枝落物层、林冠层［2-3］。首先，土壤层水源涵养能力的调节占综合调节能力的90%以上，可储藏大量雨水，一部分雨水储藏于土壤毛管孔隙中，供林木使用；另一部分雨水通过非毛管孔隙下渗，形成地下径流，利于涵养水源，对生态系统水分循环意义重大［4］。其次是枯枝落叶层的水源涵养调节作用［5］，枯落物层可防止土壤溅蚀、减少地表径流、增强土壤抗冲性［6-7］。因此，研究土壤层与枯枝落物层持水特性对森林生态系统中水分循环和水量平衡具有重要的意义。【前人研究进展】诸多学者在不同区域、不同尺度对多种森林类型的土壤层与枯枝落物层的持水性能做了研究［8-12］。例如，刘璐璐等［13］研究表明，不同林龄比较，幼龄林对水源涵养贡献率最高、达45.95%。蒋丽伟［14］认为枯落物层蓄水拦截主要发生在降水初期，对于调控降水再分配、减轻土壤侵蚀和流失有重要的作用。胡静霞等［15］认为阔叶林涵养水源功能优于针叶林，土壤层的持水能力强于枯落物层。由于我国森林类型多种多样、地形地貌复杂、气候条件差异明显，使得国内不同地区森林水源涵养功能存在较大差异。【本研究切入点】杉木（Cunninghamia lanceolata）是我国南方主要的造林用材与生态树种之一［16-17］，其人工林面积约占全国人工林面积的21.4%［18-19］，广东境内现有杉木栽培面积83.28万hm2、占乔木林总量的9.52%，可见杉木在广东林业生产中占有举足轻重的地位。韶关是广东省重点林区以及广东用材林、水源林和重点毛竹基地，被誉为华南生物基因库和珠江三角洲的生态屏障。韶关也是广东省杉木中心产区，该地区属中亚热带湿润性季风气候，杉木生长迅速，一般15～20年可成材，且材质好，驰名省内外。因此，研究韶关地区杉木林涵养水源具有十分重要的生态意义。【拟解决的关键问题】本文以粤北不同龄林杉木人工林为研究对象，采用环刀浸泡法和室内浸泡法分析该区杉木人工林土壤层及枯落物层的水源涵养能力，可反映研究区不同龄林阶段杉木人工林涵养水源功能的差异，以期揭示该区不同林龄杉木人工林土壤层及枯落物层的持水特性及其变化规律，为制定合理有效的经营管理措施和抚育措施提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广东省韶关市（112°53′～114°45′E、23°53′～25°31′N）韶关林场、乐昌林场和龙山林场，海拔100～200 m，地处南岭山脉南部；试验地地貌以山地丘陵为主，土层深厚，年平均气温18.8～21.6℃，多年平均雨量1 400～2 400 mm，无霜冻期310 d，年平均日照时数1 468～1 892 h，年积温平均为6 862.0～7 884.0℃，光、热、水资源丰富。

1.2 研究方法

1.2.1 标准地设置 在研究区中选择立地条件相似的杉木人工林幼龄林（7～8年）、中龄林（16～18年）、近熟林（23～25年），标准地大小为20 m×20 m，3次重复。供试杉木林基本情况见表1。

表1 供试杉木林基本情况Table 1 The basic situation of the tested Chinese fir plantations

1.2.2 土壤物理性质与水分含量测定 2017年9月，在标准样地中，按上、中、下坡部位（远离树根）分别挖取3个土壤剖面，在0～30 cm层中间位置各用环刀取样。采用环刀浸泡法计算土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、自然含水量、最大持水量、毛管持水量和有效持水量等指标［20］，各指标计算公式如下：

土壤容重（g/cm3）=环刀内干土质量/环刀容积

毛管孔隙度（%）=毛管持水量×土壤容重/水的密度×100

非毛管孔隙度（%）=（最大持水量-毛管持水量）×土壤容重/水的密度×100

总孔隙度（%）=毛管孔隙度+非毛管孔隙度

自然含水量（%）=（铝盒内湿土重-铝盒内干土重）/铝盒内干土重×100

式中，Pt为土壤中孔隙度（%），Pr为毛管孔隙度（%），Pe为土壤非毛管孔隙度（%），h为土层厚度（m）。

1.2.3 枯落物蓄积量测定 按五点法在每个标准地内布设1 m×1 m小样方，在小样地内收集全部枯落物并现场称重；分别对枯落物进行取样，带回实验室在85℃恒温箱中烘干至恒重，由干质量/鲜质量计算含水率，由此推算枯落物蓄积量。

1.2.4 枯落物持水性测定 采用室内浸泡法测定枯落物持水特性，将烘干后枯落物取样装入细网尼龙袋中，完全浸没于盛有清水的容器中；将枯落物浸入水中后（网袋之间尽量不要碰在一起），浸泡0.5 h后，将枯落物连同网袋一并取出，静置5 min，直至枯落物不滴水为止，迅速称枯落物的湿重；之后，分别浸泡1、2、4、6、12、24 h，将枯落物连同网袋一并取出静置后称重，方法同上。由此计算枯落物在不同浸水时间的持水率、吸水速率和持水量，每个标准地重复3次。一般情况下，枯落物浸水24 h的持水量为最大持水量，此时的持水率为最大持水率［21］。根据枯落物蓄积量、自然持水率、最大持水率可推算其有效拦蓄量，参照庞梦丽等［22］方法计算枯落物持水量、枯落物持水率和有效拦蓄量：

枯落物持水量（t/hm2）=枯落物湿质量-枯落物干质量

枯落物持水率（%）=（枯落物持水量/枯落物干质量×100

枯落物有效拦蓄量（t/hm2）=（0.85×最大持水率-自然持水率）×枯落物蓄积量［7，23］

枯落物吸水速率=即时持水量/浸泡时间

1.3 数据处理

采用Excel 2010和SAS 9.4对数据进行方差分析、相关性分析和回归方程的显著性检验。

2 结果与分析

2.1 粤北不同林龄杉木林土壤物理性质分析

由表2可知，不同林龄段杉木林间土壤容重、总孔隙度和毛管孔隙度差异均不显著，土壤容重表现为近熟林＞中林龄＞幼龄林，变化范围在1.14～1.22 g/cm3；总孔隙度表现为幼龄林＞中龄林＞近熟林，毛管孔隙度表现为幼龄林＞中龄林＞近熟林。幼龄林非毛管孔隙度显著大于中龄林，表现为幼龄林＞近熟林＞中龄林。

表2 粤北不同林龄杉木林土壤物理性质比较Table 2 Comparison of soil physical properties of Chinese fir plantations with different stand ages in northern Guangdong

2.2 粤北不同林龄杉木林土壤持水能力分析

从表3可以看出，不同林龄杉木林间土壤自然含水量、最大持水量、毛管持水量和有效持水量差异均不显著。土壤自然含水量表现为中龄林＞幼龄林＞近熟林，变化范围为19.94%～23.68%，中龄林土壤自然含水量比幼龄林高出6.46%，幼龄林自然含水量比近熟林高出15.79%。幼龄林土壤最大持水量最大、为1 714.20 t/hm2，其次是中龄林1 671.90 t/hm2，近熟林最小为1 615.50 t/hm2。毛管持水量表现为幼龄林＞中龄林＞近熟林，变化范围为987.90～1 063.52 t/hm2。幼龄林有效持水量最大、为650.70 t/hm2，中龄林最小、为619.78 t/hm2，其大小排序表现为幼龄林＞近熟林＞中龄林，中龄林土壤有效持水量比幼龄林低4.75%，近熟林土壤有效持水量比幼龄林低3.55%。

表3 粤北不同林龄杉木林土壤持水能力比较Table 3 Comparison of soil water-holding capacity of Chinese fir plantations with different stand ages in northern Guangdong

2.3 粤北不同林龄杉木林枯落物持水能力分析

2.3.1 枯落物持水能力分析 对不同林龄杉木林的枯落物蓄积量及枯落物持水能力进行分析，结果（表4）表明，幼龄林的枯落物蓄积量与中龄林、近熟林差异显著，表现为近熟林＞中龄林＞幼龄林；最大持水量与枯落物蓄积量有相似的规律，均随着林龄增加而增加，变化范围为6.13～18.78 t/hm2，且幼龄林枯落物最大持水量与中龄林、近熟林差异显著；幼龄林自然持水率与中龄林、近熟林差异显著，其大小表现为中龄林＞近熟林＞幼龄林；近熟林枯落物的最大持水率与幼龄林差异显著，表现为幼龄林＞中龄林＞近熟林。幼龄林枯落物有效拦蓄量与中龄林、近熟林差异显著，幼龄林有效拦蓄量最小、为4.01 t/hm2，中龄林有效拦蓄量最大（11.01 t/hm2）、比幼龄林增加172.52%。

2.3.2 枯落物持水和吸水过程分析 对不同林龄杉木人工林枯落物持水量、吸水速率与浸泡时间（0.5～24 h）的关系进行回归分析，结果见表5，由表5可知，枯落物持水量与浸泡时间存在明显的对数关系，R2均大于0.92。枯落物吸水速率与浸泡时间存在明显的幂函数关系，R2均大于0.97。

表4 粤北不同林龄杉木林枯落物蓄积量及枯落物持水能力比较Table 4 Analysis on litter storages and litter water-holding capacity of Chinese fir plantations with different stand ages in northern Guangdong

表5 枯落物持水量、吸水速率和浸泡时间的关系式Table 5 The relationship between water holding capacity, water absorption rate and soaking time of litters

从图1可以看出，在浸泡时间0～0.5 h内，不同林龄杉木人工林枯落物持水量迅速增加；在浸泡时间0.5～6 h内，枯落物持水量随着时间的增加呈现不断增加的趋势，且增长速度逐渐变缓；在浸泡时间6～12 h内，枯落物持水量也随浸泡时间的增加而增加，但增加幅度不大；浸泡12 h后，枯落物持水量基本趋于饱和。在整个吸水过程中，不同林龄杉木人工林枯落物持水量有显著差异，在每个时间点的枯落物即时持水量均呈现出近熟林＞中龄林＞幼龄林的大小顺序，与枯落物储量排序一致。

图1 枯落物持水量与浸泡时间的对数关系Fig. 1 Logarithmic relation of water-holding capacity and soaking time of litters

从图2可以看出，不同林龄杉木人工林枯落物吸水速率在浸泡0.5 h内最大，在浸泡0.5～6 h内枯落物吸水速率急剧下降，浸泡6～12 h内枯落物吸水速率变得缓慢，12 h后基本不再吸水，此时枯落物吸水基本趋于饱和。可见，不同林龄杉木人工林枯落物吸水速率整体变化趋势基本保持一致，但吸水速率大小不一致，整体上都表现为近熟林＞中龄林＞幼龄林。

图2 枯落物吸水速率与浸泡时间的幂函数关系Fig. 2 Power function relation of waterholding rate and soaking time of litters

3 讨论

容重是土壤紧实度的一个重要指标，也是衡量土壤质量的一个重要参数，反映土壤通气性、透水性等性状［22］。本研究中，杉木人工林土壤容重随林龄增加而增大，可能受杉木生长发育的影响，土壤中水分被根系吸取以维持自身发育，导致土壤变紧实、容重变大。毛管孔隙度是表征森林植被吸收水分并维持自身生长发育的一个关键性指标，毛管孔隙度表现为幼龄林＞中龄林＞近熟林，可能是由于杉木幼龄林初期受整地、松土等抚育措施影响，林下土壤疏松利于生长发育，到近熟林阶段，林下植被丰富，共同竞争资源，杉木吸水量变少，所以毛管孔隙度会减少。非毛管孔隙度对降水吸收快、渗透也快，对涵养水源有促进作用，不同发育阶段人工林林下土壤因其非毛管孔隙度不同，蓄水能力也会产生差异［23-25］。有效持水量中幼龄林最大、中龄林最小，原因可能是一方面幼龄林初期受整地影响，土壤疏松，降雨时容易下渗，有利于涵养水源；另一方面可能是由于近熟林枯落物较多，枯落物的分解影响土壤结构，因此出现近熟林土壤有效持水量比中林龄高。

枯落物蓄积量受林分类型、树龄、密度、抚育强度、气候条件等的影响，其分解速度也存在差异［26］。杉木近熟林枯落物储量显著高于幼龄林，可能原因是受林龄影响，杉木近熟林枝叶茂盛，便于针叶获得更多太阳能促进生长，同时林冠下枝条更新快，所以近熟林的枯落物蓄积量最大，这与杨俊玲［27］研究结果一致。枯落物的持水能力受蓄积量、枯落物组成、林龄、树种和分解速率的影响［20］。最大持水量表现为近熟林＞中龄林＞幼龄林，有效拦蓄量表现为中林龄＞近熟林＞幼龄林，这与赵亮生等［28］对不同林龄阶段杉木人工林枯落物层水文特征一致，但本研究中枯落物最大持水量均显著低于赵亮生等的研究结果，可能与采集样本的季节有关。相较于杉木幼龄林，中龄林、近熟林的枯落物有效拦蓄量显著高于幼龄林，枯落物持水能力有所提升。

本研究只选取杉木幼龄林、中龄林和近熟林，而没有对其成熟林、过熟林进行调查分析，因此所得结论仅能反映杉木幼龄林到近熟林阶段内土壤层和枯落物层的持水能力。杉木作为重要的经济林树种，为研究区带来巨大经济效益的同时也不能够忽略其生态效益。在今后的营林管理中，应注重提升土壤持水能力和枯落物持水能力，可通过混交、套种、密度控制、林分结构调整等多种经营管理措施，使得在不降低经济效益的同时增强林分涵养水源的能力，这将是我们今后森林生态水文研究的重点方向。

4 结论

本研究以杉木幼龄林、中龄林、近熟林为对象，利用环刀浸泡法和室内浸泡法估算了粤北不同林龄杉木人工林土壤层及枯落物层的水源涵养能力。结果表明：（1）不同林龄杉木人工林土壤层持水能力表现为幼龄林＞近熟林＞中龄林。土壤容重和孔隙度差异不显著，随着林龄增加，土壤容重逐渐增大，表现为近熟林（1.22 g/cm3）＞中龄林（1.17 g/cm3）＞幼龄林（1.14 g/cm3），毛管孔隙度表现为幼龄林（35.45%）＞中龄林（35.07%）＞近熟林（32.93%），非毛管孔隙度表现为幼龄林（21.69%）＞近熟林（20.92%）＞中龄林（60.66%），幼龄林土壤非毛管孔隙度显著高于中龄林，非毛管/毛管孔隙度大小排序为近熟林＞幼龄林＞中龄林，土壤最大持水量表现为幼龄林（1 714.20 t/hm2）＞中龄林（1 671.9 t/hm2）＞近熟林（1 615.50 t/hm2），土壤有效持水量表现为幼龄林（650.70 t/hm2）＞近熟林（627.60）＞中龄林（619.78 t/hm2）。（2）不同林龄杉木人工林枯落物持水能力表现为近熟林＞中龄林＞幼龄林。不同林龄杉木人工林枯落物蓄积量有显著差异，表现为近熟林（10.62 t/hm2）＞中龄林（9.06 t/hm2）＞幼龄林（2.91 t/hm2），近熟林的枯落物储量是幼龄林的3倍多。最大持水量表现为近熟林（18.78 t/hm2）＞中龄林（17.94 t/hm2）＞幼龄林（6.13 t/hm2）。（3）枯落物吸水速率随着浸泡时间的增加以幂函数形式减小，浸泡0.5 h内吸水率最大，浸泡0.5 h后吸水速率迅速减小，浸泡12 h后持水量基本稳定。