补植阔叶树种对红壤侵蚀区马尾松林水源涵养功能的影响

颜 耀, 张 辉, 黄智军, 马祥庆,2,3, 侯晓龙,2,3

(1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2.南方红壤区水土保持国家林业局重点实验室， 福建 福州 350002；3.长汀红壤丘陵生态系统定位观测研究站，福建 长汀 366300)

长汀为我国南方红壤侵蚀区水土流失的典型代表，经过几十年的治理，形成了大面积的以马尾松(Pinusmassoniana)纯林为主的初步治理区，水土流失得到了一定遏制.但由于初步治理形成的马尾松林林分结构单一、林内生物多样性低下、林下植被缺失，水土流失仍较严重，林分水源涵养功能低下.因此，如何通过林分改造提高马尾松林水源涵养功能成为当前亟需解决的问题.

不同林分类型的水源涵养能力存在一定差异[1-3]，且不同植被类型的土壤水源涵养功能也有显著不同.研究表明，阔叶林的水源涵养功能普遍高于针叶林[4-5]，如阔叶林土壤蓄水量高于针叶林，且阔叶林林冠水分截留量也高于针叶林[6].混交林通常比林分结构单一的纯林有更高水平的生态系统功能[7].研究表明，通过在针叶林内营造针阔混交林可提高林分水源涵养功能[8-10].但因不同阔叶树生物学特性的差异，补植不同的阔叶树对林分水源涵养功能的影响不同[11].因此，筛选适宜不同立地条件林分改造的阔叶树种显得尤为重要.

目前，补植不同阔叶树种对红壤侵蚀区马尾松林水源涵养功能的影响尚不清楚.鉴于此，以长汀红壤侵蚀初步治理区的马尾松纯林为研究对象，在参考当地乡土树种的基础上，选择枫香(Liquidambarformosana)、马褂木(Liriodendronchinense)和油桐(Verniciafordii)3种阔叶树种对马尾松纯林进行林分改造，研究阔叶树补植对马尾松林水源涵养功能的影响，以期为红壤侵蚀区马尾松林的林分改造提供依据.

1 试验地与方法

1.1 试验地概况

试验地位于福建省长汀县河田镇，地理位置东经116°00′45″—116°39′20″、北纬25°18′40″—26°02′05″，地处武夷山脉南麓，地形以丘陵、低山为主，土壤为花岗岩发育的砂质红壤，土层薄，保水保肥能力差，不利于植被生长.水热资源丰富，降水多集中在3—9月，属于亚热带季风性湿润气候.乔木层以20世纪80年代飞播形成的马尾松林为主，林下草种以芒萁(Dicranopterisdichotoma)和宽叶雀稗(Paspalumwettsteinii)为主，灌木层分布少许胡枝子(Lespedezabicolor)和赤楠(Syzygiumbuxifolium).林分结构简单，林下地表裸露，水源涵养功能低下.

1.2 样地设置

2013年3月，在试验地内选取立地条件(海拔高度322～367 m，坡度20°～25°)和植被类型基本一致的坡面，根据随机区组设计[12]，在平均株高为3.5 m、密度为360株·hm-2的马尾松林内分别补植枫香、马褂木、油桐3种阔叶树，同时以无补植阔叶树的马尾松纯林为对照(图1).布设的样方面积为20 m×20 m，每块样方内随机补植20株阔叶树.油桐、马褂木和枫香苗木的胸径为3 cm，株高为2 m.补植造林采取块状整地，种植穴规格为100 cm×80 cm×80 cm，种植穴周围2 m2内除草松土，挖明穴，施钙镁磷肥500 g·穴-1，回表土.2016年7月调查及取样.

1.3 测定方法

1.3.1 林冠层水分截留量测定方法 采用每木检尺法测定乔木层树木的株高(H)和胸径(D)，根据亚热带季风气候区域对应树种的相关回归方程，分别计算马尾松和阔叶树枝、叶、干生物量(W)，即乔木层地上部分生物量(除树皮外).马尾松生物量参照吴守蓉等[13]的回归方程：W枝=0.101 8D1.636 4，W叶=0.244 3D0.992 9，W干=0.039 5D0.931 8.马褂木生物量参照黄韬等[14]的回归方程：W枝=0.001 653D3.229 674，W叶=0.001 489D2.676 738，W干=0.024 26(D2H)0.942 303.油桐生物量参照何方等[15]的回归方程：W枝=0.003 981 56(D2H)1.280 46，W叶=0.021 086(D2H)0.748 89，W干=0.016 615(D2H)0.965 14.枫香生物量参照钱国钦[16]的回归方程：W枝=0.082 5(D2H)0.649，W叶=1.083 6(D2H)0.216 6，W干=1.598 8e0.277 2D.

选取马褂木、枫香、油桐及马尾松平均木各3株，在各平均木的中部靠下坡方向采集健康的枝条各2根，共取24根枝条.采用室内浸泡法测定其持水率，计算公式[17]：Ro/%=(Go-Gd)/Gd×100；Rhmax/%=(G24-Gd)/Gd×100；Rsv=0.85Rhmax-Ro.式中：Ro、Rhmax、Rsv分别表示样品的自然含水率、最大持水率、有效拦蓄率；Go、G24、Gd分别表示样品自然状态的质量(g)、浸泡24 h后的质量(g)、烘干后的质量(g).

1.3.2 灌草层和枯落物层水分拦蓄量测定方法 采用“S”形取样法在每个样方内设置5个1 m×1 m的小样方，收集小样方内全部草灌木(高度小于3 m)，并按未分解层和半分解层收集小样方内全部枯落物，分别称取鲜重后，在85 ℃下烘干至恒重，根据含水量推算单位面积内的草灌木及枯落物的现存量.用浸泡法测定草灌木和枯落物的持水能力，持水率计算公式同1.3.1.

1.3.3 土壤层蓄水量测定方法 在每个样方内按上、中、下坡取3个剖面，分别按0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土层深度，用200 cm3规格的环刀取土样，测定土壤孔隙状况，计算土壤蓄水量[17].计算公式：Wt/(t·hm-2)=10 000Pth；Wc/(t·hm-2)=10 000Pch；Wo/(t·hm-2)=10 000Poh.式中：Wt、Wc、Wo分别表示土壤的饱和蓄水量、毛管蓄水量、有效蓄水量；Pt、Pc、Po分别表示土壤的总孔隙度(%)、毛管孔隙度(%)、非毛管孔隙度(%)；h为土层厚度(m).

1.4 数据处理与分析

运用Microsoft Excel 2007整理数据，用SPSS 19.0软件进行统计分析，采用单因素方差分析方法检验显著性(P<0.05)，采用LSD分析方法进行多重比较.采用origin软件制图.

2 结果与分析

2.1 不同补植处理的马尾松林生物量比较

补植油桐和马褂木的马尾松林平均株高和平均胸径均显著大于无补植的马尾松林，而3种阔叶树的平均株高和平均胸径无显著差异(除马褂木平均株高外)，说明补植阔叶树可以提高马尾松林的树高和胸径.乔木层地上部分生物量(除树皮外)排序为补植枫香>补植油桐>补植马褂木>无补植.3种阔叶树补植处理的灌草层生物量均高于无补植，但差异不显著.补植油桐和补植马褂木的枯落物层现存量显著高于无补植，补植枫香的枯落物层现存量也高于无补植，但差异不显著(表1).不同阔叶树补植的林分地上部分总生物量(除树皮外)与枯落物层现存量总和排序为补植油桐>补植枫香>补植马褂木>无补植，说明补植不同阔叶树对马尾松林生物量的影响存在差异.

1)表中枝、叶、干生物量为马尾松和阔叶树对应器官的生物量之和.数据为平均值±标准差，同列数据后附不同小写字母者表示差异显著(P<0.05)，附相同小写字母者表示差异不显著(P>0.05).

2.2 不同补植处理的马尾松林持水能力分析

2.2.1 林冠层水分截留量比较 不同树种林冠层的持水能力差异显著，马褂木和枫香林冠层的自然含水率、最大持水率和有效拦蓄率均显著高于油桐和马尾松.其中，油桐、马褂木、枫香林冠层的自然含水率分别为马尾松的1.08、2.02、1.35倍，且最大持水率分别为马尾松的1.09、2.28、1.45倍.油桐、马褂木、枫香、马尾松林冠层对水分的有效拦蓄率排序为马褂木>枫香>油桐>马尾松(图2A)，这说明阔叶树林冠层对水分的截留能力高于马尾松.

补植枫香和油桐均显著提高了马尾松林冠层水分最大截留量和有效截留量，其中，补植枫香的林冠层最大截留量和有效截留量分别为无补植的2.09和2.28倍，补植油桐的林冠层最大截留量和有效截留量均为无补植的1.79倍.补植马褂木也提高了马尾松林冠层水分最大截留量和有效截留量，但效果不显著，其林冠层最大截留量和有效截留量分别为无补植的1.23和1.25倍(图2B).这说明补植不同阔叶树对马尾松林冠层水分截留量的影响不同.

2.2.2 灌草层水分拦蓄量比较 不同补植处理对马尾松林灌草层自然含水率和最大持水率无显著影响，补植油桐、马褂木和枫香的灌草层最大持水率分别为无补植的1.13、1.08和1.05倍.补植马褂木的马尾松林灌草层水分有效拦蓄率显著高于无补植，补植其他2种阔叶树的灌草层有效拦蓄率也高于无补植，但无显著差异(图3A).这说明补植油桐和枫香可能对马尾松林下灌草物种多样性的影响不显著.补植3种阔叶树均提高了马尾松林灌草层最大持水量和有效拦蓄量，但效果不显著.补植油桐的灌草层最大持水量最高，为3.85 t·hm-2，补植马褂木的灌草层有效拦蓄量最大，为1.58 t·hm-2(图3B).

2.2.3 枯落物层水分拦蓄量比较 不同补植处理对枯落物层自然含水率、最大持水率和有效拦蓄率的影响均不显著(图4A)，说明阔叶树枯落物现存量较低，未对枯落物层组成产生显著影响.3种阔叶树补植均提高了马尾松林枯落物层最大持水量和有效拦蓄量.其中，补植油桐的效果最显著，其枯落物层的最大持水量和有效拦蓄量分别为4.49和3.29 t·hm-2(图4B).

2.2.4 土壤层蓄水量比较 不同补植处理对土壤孔隙性状的影响不显著，但均提高了马尾松林下土壤非毛管孔隙度和土壤总孔隙度.其中，补植马褂木的土壤总孔隙度最高，为43.84%(图5A).3种阔叶树补植均提高了土壤饱和蓄水量和有效蓄水量，但效果不显著，且土壤毛管蓄水量也无显著差异(图5B).

2.3 不同补植处理的马尾松林水源涵养功能比较

3种阔叶树补植均提高了马尾松林地上部分的水源涵养能力.其中，补植油桐和枫香显著提高了马尾松林地上部分水分拦蓄能力，其最大拦蓄量分别为24.24和24.12 t·hm-2，其有效拦蓄量分别为8.48和7.87 t·hm-2(表2).

补植3种阔叶树均提高了马尾松林分最大拦蓄量和有效拦蓄量.按最大拦蓄量进行排序，结果为补植马褂木>补植枫香>补植油桐>无补植，按有效拦蓄量进行排序，结果为补植马褂木>补植油桐>补植枫香>无补植(表2).土壤层有效拦蓄量占林分有效拦蓄量的98.70%～99.28%，说明土壤层在林分水源涵养方面起主要作用.

表2 不同补植处理的马尾松林地上部分及林分总水分拦蓄量1)Table 2 Water retention for the aboveground part and total P.massoniana forest after replanting different types of broad-leaved trees

1)数据为平均值±标准差，同列数据后附不同小写字母者表示差异显著(P<0.05)，附相同小写字母者表示差异不显著(P>0.05).

3 讨论与结论

补植阔叶树可提高长汀红壤侵蚀初步治理区马尾松纯林水源涵养功能，且补植马褂木和油桐效果最好.由于阔叶树与马尾松林构成了不同的林冠结构，增加了林冠层的复杂性，提高了林冠截留雨水的能力，因此，补植阔叶树的马尾松林冠层水分截留量显著提高(图2B).补植阔叶树也增加了马尾松林内枯落物现存量及其组成的复杂性，降低了雨滴溅蚀程度和减缓了地表径流，防治水土流失，提高了枯落物层的水源涵养能力(图4).王棣等[18]也认为纯阔叶林的枯落物持水性比针叶林差，针叶与阔叶的混合枯落物比单一的针叶或阔叶枯落物更有利于水源涵养，这可能是因为针叶和阔叶组成了更为复杂的空间结构，提高了水分拦蓄能力.林内水土流失得到一定程度的控制，促进了马尾松林下植被生长，提高了林下生物量，因此，补植阔叶树的马尾松林草灌层水分拦蓄量高于马尾松纯林；但由于补植时间较短，可能未对林下植被生长产生足够的影响，故补植阔叶树与无补植的草灌层水源涵养能力差异不显著(图3).结合林冠层、草灌层和枯落物层分析，补植油桐对提升马尾松林地上部分水源涵养功能的效果最好.本研究还发现，补植不同阔叶树后，0～100 cm土层土壤水源涵养能力差异不显著(图5)，这可能与补植时间较短有关.秦嘉海等[19]研究发现，针叶林的土壤孔隙状况及蓄水量均优于阔叶林；而孙浩等[20]研究发现，阔叶林更有利于改善土壤结构，提高土壤水源涵养量.造成不同结论的主要原因可能是两个研究中的阔叶林生长差异大，阔叶树根系对土壤的挤压、扰动程度不同.关于补植阔叶树对马尾松土壤水源涵养功能的影响还需要通过延长补植时间进行深入研究.

本研究主要通过补植阔叶树的林分改造模式对马尾松林进行改造，结果表明补植不同的阔叶树对长汀红壤侵蚀初步治理区马尾松林水源涵养功能的影响不同，这与秦嘉海等[19]的研究结果一致.这可能是因为不同阔叶树的生物学特性存在差异[11].不同树种叶片的持水性能存在显著差异，可能与不同树种具有不同的叶片形态性状有关，该结论与喻阳华等[21]的研究结论一致.本研究还发现更大的叶面积可能对应更强的持水能力(图2A)，这有待进一步研究.佘济云等[22]研究了马尾松林乔—灌—草结合的改造模式，发现马尾松林地上部分水源拦蓄能力和土壤贮水能力也显著提高.不同的林分改造模式具有不同的水源涵养功能：喻阳华等[21]将柏木林、撑绿竹林和火棘+荚蒾林划分为低持水，杉木林、马尾松+杉木林划分为中低持水，马尾松+柏木林、马尾松+白栎林划分为中持水，丝栗栲林、白栎林和马尾松林划分为高持水；还有研究指出，相比于针阔混交林，阔叶林具有更高的持水能力、土壤孔隙度以及田间持水量[23].因此，在今后的研究中应结合多种改造措施，筛选更高效的水源涵养改造模式，以加快长汀红壤侵蚀初步治理区马尾松林向阔叶林生态系统的演替.