百里杜鹃景区马缨杜鹃林凋落物对土壤蒸发的影响

陈明梅, 李苇洁, 杨 瑞, 张建利, 王加国

(1.贵州大学 林学院, 贵州 贵阳 550025; 2.贵州省山地资源研究所, 贵州 贵阳 550001)

森林凋落物是覆盖在林地土壤表面未分解、半分解和已分解的林木枝、茎、叶和果实等器官的残体[1-2]。它不仅作为森林涵养水源的第二个活动层，也是森林生态系统的重要组成部分[3-5]，其森林水文功能主要体现在保持土壤结构、拦蓄降水、防止溅蚀、减少表土水分蒸发等方面[6-9]。土壤水分蒸发不仅受气象因子、土壤组成与结构等的影响，还与土壤表层所覆盖的凋落物有着密切联系[10-11]。凋落物覆盖可以明显降低林地土壤的水分蒸发，对于保水、保土、改良土壤的效果显著[12-13]。近年来，国内外学者开展了大量森林凋落物层与土壤水分蒸发的关系的研究[14-20]。结果表明，凋落物覆盖对土壤水分蒸发的抑制作用十分明显。但是，大多数是基于不同凋落物覆盖量开展的研究，林茂森等[11]研究表明，不同分解程度的凋落物对土壤水分蒸发的抑制作用不同。在开展森林凋落物层与土壤水分蒸发的关系的研究中在考虑凋落物量的基础上，同时考虑不同分解程度的凋落物对土壤蒸发的影响。在气候变化背景下百里杜鹃景区由于特殊的地质构造，地表水不易保持，干旱越来越频繁和严重。马缨杜鹃林作为百里杜鹃景区的主要建群种和优势种，占地和分布面积较广[21-22]。经过多年的自然积累，马缨杜鹃林下凋落物已经达到一定的厚度，但对马缨杜鹃林下的凋落物在抑制林地土壤水分蒸发的作用目前未见报道。基于此，本研究选取百里杜鹃马缨杜鹃林下凋落物不同覆盖量及不同分解程度对土壤水分蒸发的影响开展研究，以期为百里杜鹃景区马缨杜鹃林发挥水源涵养功能提供一定的科学依据。

1 研究区概况

百里杜鹃景区位于贵州省西北部、毕节市中部(105°45′30″—106°04′45″E，27°08′30″—27°20′00″N)，为国家5A级旅游景区,被誉为“世界上最大的天然花园”。属于高原山地过渡地带，中山地貌类型，海拔大多在1 400～1 900 m[23-24]，地处低纬度高海拔地区，属亚热带湿润季风气候，年平均温度12.0 ℃，年降雨量为1 120.1 mm[25]。主要分布有马缨杜鹃(Rhododendrondelavayi)、露珠杜鹃(Rhododendromirroratum)、迷人杜鹃(Rhododendronagastum)等杜鹃属植物35个种(含亚种、变种)，分属6个亚属、4个组及9个亚组，花期3—4月(40～50 d)[26-28]。百里杜鹃景区为寒武系与二迭系的碳酸盐分布地区，其出露地表的龙潭组煤层中含有黄铁矿，氧化后生成硫酸，使地下水变成酸性，导致灰岩与龙潭组接触地带岩溶强烈发育。土壤母质为煤系酸性土壤，土壤类型为硅质黄壤和煤层土[27,29]。

2 研究方法

根据土壤蒸发理论[30]并参照前人相关试验方法[11,15,31]，本试验亦采用自制微型蒸散装置进行模拟试验。微型蒸法装置材料为白色PVC管材，直径为20 cm，高30 cm的PVC管，底部密封处理。于2018年6月在百里杜鹃景区的马缨杜鹃纯林(醉九牛)内按照Z字形选择3个10 m×10 m的样方，沿样方对角线在样地内取马缨杜鹃林下取原状土并收集凋落物带回室内开展人工模拟蒸散试验，试验期间使用电子温湿度传感设备观测室内温度与湿度每日平均值。将质量为1 000 g的马缨杜鹃林下原状土装入管内，并浸泡12 h使管内土壤达到最大饱和含水率，根据百里杜鹃景区凋落物总储量为13.49 t/hm2[29]，计算可得，在自然状态下PVC管横截面积0.031 4 m2的凋落物鲜重约为42.36 g，干重约为15 g(凋落物平均含水率为63.73%)。林下凋落物未分解、半分解、已分解的储量分别为2.89，3.20，7.40 t/hm2。将凋落物放在80 ℃条件下进行18 h的烘干处理，再按不同的处理覆盖在试验土壤表面。覆盖处理分为6组，每组重复3次，另设一组无覆盖对照。

(1) 设A，B，C 3组，分别取凋落物储量的4，2，1倍放入PVC管，即在0.031 4 m2面积下15 g凋落物的4，2，1倍(60，30，15 g)凋落物覆盖。每个处理按未分解、半分解和已分解自上而下3层覆盖，比例为1∶1∶1；设D，E，F共3组，取凋落物储量的4倍，即60 g的情况下，按不同比例覆盖不同分解程度凋落物进行3个不同处理。已分解(g)、半分解(g)、未分解层(g)的比例为2∶1∶1；1∶2∶1；1∶1∶2。

(2) 设G组重复3个处理，根据马缨杜鹃林3个层次凋落物的储量计算得出PVC管面积未分解、半分解和已分解的质量分别为18，20，42 g覆盖在土壤表面[32]。(本组设计根据林下3个层次凋落物原始储量覆盖)；设对照组H(无凋落物覆盖)。试验期间试验场所平均温度23 ℃，平均湿度79.4%，在此期间百里杜鹃景区平均温度22.1 ℃、平均湿度83.9%，趋近于百里杜鹃同时期的气候环境。

试验于2018年6月13日至7月31日在贵州大学花溪校区实验室内进行。试验每天重复称重7次，分别在每日6：00，8：00，10：00，12：00，14：00，16：00，18：00使用电子天平称重(精度为1 g)，根据重量差推算土壤日蒸发量和蒸发速率，称重直至其无明显变化为止。采用Excel进行数据的初步整理，再分别对每组处理的数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA)。

3 结果与分析

3.1 不同质量凋落物覆盖对土壤水分蒸发的影响

A，B，C处理组覆盖于土壤表面的凋落物分别是60，30和15 g，根据对A，B，C 3组蒸发量分析(图1)，研究发现每组土壤水分蒸发量存在明显的差异，A，B，C 组处理均值日蒸发量为：4.26±0.93 g，5.47±1.15 g，6.75±2.25 g(A

通过对土壤水分蒸发速率的分析发现(图1)：试验前期凋落物覆盖越多时土壤水分蒸发速率越缓慢，对土壤的遮挡作用越好。但随着时间的推移，各处理的土壤水分蒸发速率逐渐趋同。所以凋落物抑制土壤水分蒸发的作用不会随着凋落物质量增加而一直增强，到达一定数值时将不再是土壤水分蒸发的限制因子。这是由于在自然界中凋落物的不断分解，因此凋落物对土壤水分蒸发的抑制作用不会持续维持在同一个状态下。为对比布设不同质量凋落物所得结论与马缨杜鹃林下凋落物的原始状态储量及无凋落物覆盖的土壤水分蒸发的趋势存在什么差异，增设无凋落物覆盖组H(CK)和按未分解、半分解、已分解(18，20，42 g)覆盖组G与A，B，C 3组的对比。如图1中所示，发现H，G组的水分蒸发量的日变化虽有不同但与A，B，C 处理趋势相同，同样是随着时间的推移而减小，到达一定时间内趋于稳定(图中之所以有波动是受天气变化的影响)。这与Bond等[1]研究结论是一致的。

图1 不同质量凋落物覆盖下的土壤水分日蒸发量及速率变化

3.2 不同分解程度凋落物覆盖对土壤水分蒸发的影响

自然情况下，马缨杜鹃林地土壤被多年积累凋落物覆盖，自上而下有未分解层、半分解层、已分解层。因此试验设计将质量相同分解程度不同的凋落物按不同的比例覆盖土壤进行研究，其目的是为得到不同分解程度的凋落物对土壤水分蒸发抑制的差异。研究发现(图2)，相同质量不同比例的凋落物覆盖，土壤水分日蒸发量变化趋势相同但变化的幅度不同，3种处理存在差异(F=3.89，PDE=0.058；F=21.36，PDF=0.000；F=20.54，PEF=0.00。在不同比例覆盖的D，E，F的日蒸发量均值为：4.78±0.93 g，4.26±0.40 g，3.53±0.49 g(D>E>F)，即未分解层对土壤蒸发的抑制作用效果最好，半分解层其次，已分解层最差)。由于不同分解程度凋落物的外形、质地有所差异，覆盖在土壤表面时，不同分解程度的凋落物对孔隙的覆盖能力，阻隔辐射、保温能力都有所不同。从形态上来看，未分解、半分解、已分解的凋落物形态的完整性是依次减弱的，加上马缨杜鹃是常绿阔叶树，叶片革质，叶面积较大，叶背被有较厚的绒毛，容易锁住至下而上蒸发的水分，可见未分解比重多的F组对土壤蒸发的抑制能力最强。但随时间推移，试验后期发现(表1)已分解程度比重多的D组处理蒸发速率小于半分解比重多的E组，原因是已分解层的凋落物较半分解层凋落物更贴近土壤表层，随着时间的推移已分解层凋落物吸收较多的水分，持水能力加强，对土壤的保湿作用加大。

图2 不同分解程度凋落物覆盖下土壤水分日蒸发量及速率变化

表1 D，E，F处理蒸发速率对比g/(m·h)

组别实验前期实验后期D36.95±7.8930.37±1.43E29.46±3.7330.59±1.19F24.01±4.0725.68±2.32

注：数据为：实验期间土壤水分的平均蒸发速率均值±标准差。

3.3 6种不同模式凋落物覆盖下土壤水分蒸发与土壤含水率的关系

如图3所示，A，B，C处理组土壤水分蒸发量随着土壤含水率的降低而减少。3组处理的趋势线方程分别为：A:y=-0.112 9x+13.354； B:y=-0.493 5x+20.604； C:y=-1.228 8x+30.698。根据图3趋势线方程可得出：含水率每降低0.5%，A，B，C 3组的蒸发量分别依次减少0.11，0.49和1.23 g(A

图3 各组土壤水分日蒸发量与土壤含水率的关系

分析(图4)发现，D，E，F三组土壤的水分蒸发量随土壤含水率的降低而减少(D>E>F)，与上述A，B，C组结果一致。在凋落物覆盖量相同，布设比例不同下土壤含水率下降的过程中三组的变化存在差异是由于凋落物的不同分解程度所影响，与凋落物覆盖量无关。根据趋势线kD(0.405 0)>kE(0.010 5)>kF(0.005 6)，发现随土壤含水率的降低，未分解程度比重多的处理土壤水分蒸发速率减小相对较慢，半分解层的次之，已分解层的最快。这种趋势与对(图2)D，E，F分析的结论一致。

图4 各组土壤水分日蒸发量与土壤含水率的变化趋势

3.4 凋落物覆盖对土壤保水作用的影响

6种不同凋落物覆盖模式与对照组(H)存在很大差异，无凋落物覆盖的土壤水分蒸发量远大于有凋落物覆盖的土壤(表2)，这是因为没有覆盖的土壤直接与空气接触，受温度、湿度、太阳辐射等的影响非常大。分析发现:凋落物的6种不同覆盖模式对土壤的保水能力各不相同，在1 hm2的马缨杜鹃林的保水作用为A=18.87 t/hm2，B=12.68 t/hm2，C=6.16 t/hm2(A>B>C)，由此可知凋落物越多对土壤的保水作用越大。D=16.31 t/hm2，E=18.77 t/hm2，F=22.48 t/hm2(F>E>D)，G=19.87 t/hm2，H=0.00 t/hm2，由此可知未分解程度凋落物对土壤保水作用效果最好。按照试验设计F组处理凋落物覆盖量60 g，G组处理凋落物覆盖量为80 g，对比两组的保水作用表现出F>G(F1=4.62，F2=4.17)，说明凋落物对土壤的保水作用不会随凋落物覆盖量的增加而持续加大，这是因为当凋落物质量增加到一定水平，随着质量的增加，蒸发抑制能力增加的幅度逐渐降低，并且保持在一定水平。

表2 不同处理组的土壤水分蒸发量及土壤保水量对比 g

注：土壤保水量/(t·hm-2)=40.56/(t·hm-2)-总蒸发量/(t·hm-2)。

4 讨论与结论

(1) 凋落物覆盖量不同分解程度比例相同时，凋落物覆盖量越大，土壤水分蒸发量就越小(A

(2) 在凋落物覆盖量相同分解程度比例不同的情况下，土壤水分日平均蒸发量表现为：D>E>F，即未分解层对土壤蒸发抑制的作用最强，半分解次之，已分解最强。根据趋势线kD>kE>kF，可知对土壤的保湿作用：未分解>半分解>已分解。这与林茂森等[11]对阔叶红松林凋落物土壤蒸发的研究结果一致。本研究中发现于试验后期，随着时间的递增，已分解程度凋落物最贴近土壤通过对土壤蒸散出的水分吸收，本身持水能力加强，在覆盖量较多时蒸发速率呈减小的趋势，对土壤的保湿效果增强，这也符合凋落物不同分解程度的持水的特性。

(3) 本文研究发现凋落物覆盖量越多土壤的保水性能越好，但凋落物覆盖量增加到达一定水平，对增加土壤蒸发抑制能力幅度减小。这一结论与周宏伟等研究结果一致[15]。对马缨杜鹃林凋落物的6种不同覆盖模式对抑制土壤水分蒸发情况的比较，在1 hm2马缨杜鹃林F，G组处理下的凋落物对土壤的保水作用最大。而F>G(F=22.48 t/hm2，G=19.87 t/hm2)，由此可见凋落物覆盖量到达一定数值时对百里杜鹃景区马缨杜鹃林分发挥水源涵养功能作用逐渐减小。

(4) 随着全球气温的升高，百里杜鹃景区干旱日益严重、加上特殊的地质条件导致地表水分不易保存，要想提高马缨杜鹃林水源涵养功能，保证和维持马缨杜鹃林凋落物的覆盖十分重要。经过长年年累积马缨杜鹃林下凋落物逐渐增多，林下覆盖物对土壤水分的无效蒸发已经起到一定的抑制作用。而此次研究结果显示，凋落物对土壤水分蒸发的抑制作用不会随凋落物量的无限增加而持续加大，不同的覆盖处理对土壤水分蒸发的抑制作用也不尽相同。林中自然覆盖物作为降低土壤水分蒸发的天然屏障，但观花景区为了增强观赏效果，采取林下杂灌和凋落物的清除措施是否会对林中水源涵养造成影响有待进一步的研究。同时，在不影响马缨杜鹃林分水源涵养功能的情况下科学管理林下凋落物以促进景观和森林安全值得进一步深入研究。