湘南红壤区互叶白千层人工林枯落物层及土壤水源涵养能力研究

2021-06-01何介南康文星

中南林业科技大学学报 2021年5期

罗航，何介南，2，康文星，3，罗静，李翔

（1.中南林业科技大学林学院，湖南长沙 410004；2.水土保持与荒漠化防治实验室，湖南长沙 410004；3.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南长沙 410004）

水源涵养是指生态系统在一定时空范围内保持水分的过程和能力，是森林生态系统服务功能的重要体现[1-2]，森林生态系统通过林冠、枯落物和土壤完成对降水的分配、贮存和循环[3-4]。土壤是森林生态系统水源涵养的主体。研究表明，土壤水源涵养能力占森林综合调蓄能力的90%以上，土壤具有丰富的毛管孔隙可以贮存部分降水，供植物生长发育，过多的降水会通过非毛管孔隙形成地下径流[5]；其次，枯落物层可以防止土壤溅蚀，减小地表径流，改良土壤结构，对林地水源涵养起调节作用[6]。因此，研究土壤和枯落物层的持水能力对于探究森林生态系统的水文过程和水量平衡具有重要意义。影响森林生态系统水源涵养能力的因素很多，与林分结构、枯落物层、土壤、气候、地理位置等因子密切相关，但主要受林分结构和土壤持水能力控制[2,7-9]。目前，用于核算森林生态系统水源涵养能力的方法主要有土壤蓄水能力法、林冠截留剩余量法、综合蓄水能力法、水量平衡法等[1,10-13]，其中，综合蓄水能力法考虑到林冠、枯落物层和土壤3个层次对降水的拦蓄作用，比较全面，在一些研究中，往往忽略林冠的持水能力，而是通过泡水实验研究枯落物层和土壤2个层次对降水的拦蓄潜力。

互叶白千层Melaleuca alternifolia为桃金娘科Myrtaceae白千层属Melaleuca植物，原产于澳大利亚北部沿海及东南亚马来群岛等地区。目前，国内外诸多学者对互叶白千层及其枝叶提取物——茶树精油（Tea tree oil，TTO）进行了广泛而深入的研究，研究成果主要集中在育种栽培、精油成分、精油抗菌、产品开发等方面[14-20]。互叶白千层植物多为乔木，少数直立灌木，树高可达10 m，叶披针状，长10～32 mm，根系发达，喜湿热，对盐分和水分具有耐受性[21]，使其在保持土壤、涵养水源方面起着重要作用。本研究选择了湘南红壤区不同林龄的互叶白千层人工林为研究对象，研究其枯落物层和土壤层的水源涵养能力，为我国南方红壤区水土保持林的构建提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究地位于湖南省宁远县宁远兴泰生物科技有限公司的互叶白千层种植基地（112°12′17″～112°13′21″E，25°39′27″～25°40′09″N），种植面积400多hm2，海拔260～295 m，属于典型的亚热带季风气候，春夏多雨，四季分明，多年平均降水量1 399.4 mm，降水主要集中在3—7月，约占全年降水量的70%，年均气温18.4℃，无霜期长；地带性土壤以红壤为主，土层厚度0.6～1.0 m。种植基地有1～8年生互叶白千层人工林，林下植被简单、稀疏，少灌木，主要草本植物有铺地黍Panicum repens、狗尾草Setaria viridis、车前草Plantago asiatica等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地的设置

选择1年生（1 a）、3年生（3 a）、5年生（5 a）、7年生（7 a）互叶白千层人工林（第一代）及荒坡地（耕而未种）为研究对象，品种为松油醇-4型。2018年10月，在4种林龄互叶白千层人工林及荒坡地分别设置3块20 m×20 m的标准样地，调查样地及林分的基本概况见表1。

表1 不同林龄互叶白千层人工林样地基本概况Table 1 Basic survey of sample plots of Melaleuca alternifolia plantation with different stand ages

1.2.2 枯落物蓄积量及持水能力的测定

在每块标准样地四个角及中心设置0.5 m×0.5 m样方（即每块样地5个样方），共计75个样方，用直尺测定每个样方内枯落物层厚度，将每个样方内的枯落物全部收集，并标记、称质量和记录（由于枯落物层分解不明显，未细分为分解层、半分解层）。将收集的枯落物样本带回实验室，在75℃恒温烘箱中烘干至恒质量，称质量，计算自然含水量（率）和单位面积枯落物蓄积量。

将同一个标准样地内收集的枯落物（已烘干）均匀混合，取100 g样品装入纱网袋进行浸水测定。分别测定浸水0.25、0.5、1、2、4、8、12、24 h样品的湿质量（重复3次，当浸水样品不再向外滴水时称质量），计算不同浸泡时间下枯落物持水量、持水率、吸水速率。一般认为枯落物层浸泡24 h时，其含水量达到饱和，此时的持水量为最大持水量，并计算有效拦蓄量[22]。相关指标计算公式如下：

式中：M0表示烘干枯落物质量(g)；Mi表示不同泡水时间枯落物湿质量(g)；Wi表示不同泡水时间枯落物持水量(g)；i=1,2,3,…,8；Ri表示不同泡水时间枯落物持水率；Ti表示不同泡水时间枯落物吸水速率(t·hm-2h-1)；M′表示采集样品时枯落物湿质量(g)；W′表示自然持水量(g)；R′表示自然含水率(%)；Rm表示最大持水率(%)；W表示有效拦蓄量(t·hm-2)。

1.2.3 土壤物理性质及持水能力的测定

在每块标准样地上、中、下3个坡位各挖1个土壤剖面，按0～20、20～40、40～60 cm划分土层，用200 cm3环刀在每个土层取3个原状土样，密封，带回实验室处理。参照中华人民共和国林业行业标准《森林土壤水分—物理性质的测定(LY/T1215—1999)》的方法，计算土壤容重、孔隙度等物理性质以及土壤自然含水率、最大持水量等持水性能指标，并通过非毛管孔隙度、毛管孔隙度及土层厚度计算土壤有效蓄水量和饱和蓄水量[23]。计算公式如下：

式中：P0、Pc分别表示土壤非毛管孔隙度（%）和土壤毛管孔隙度（%）；W0、Wc分别表示土壤有效蓄水量（t·hm-2）和饱和蓄水量（t·hm-2）。

1.2.4 回归分析

用对数函数和幂函数分别对枯落物层持水量、吸水速率与浸水时间进行回归分析。

式中：y表示枯落物层持水量（t·hm-2）；t表示浸水时间（h）；a、b为待估参数；v表示枯落物吸水速率（t·hm-2h-1）；k为待估系数；n为待估指数。

1.2.5 数据处理

使用Excel 2019软件对原始数据进行统计汇总，计算均值、标准差，使用SPSS 22.0软件进行同一指标不同林龄间的单因素方差分析，显著水平P=0.05，使用Origin 2019b软件进行图像绘制。

2 结果与分析

2.1 枯落物层水源涵养特征

2.1.1 枯落物层厚度及蓄积量

由图1可知，不同林龄互叶白千层人工林枯落物层厚度为0.52～1.63 cm，依次为7 a(1.63 cm)＞5 a(1.47 cm)＞3 a(1.12 cm)＞CK(0.71 cm)＞1 a(0.52 cm)。不同林龄互叶白千层人工林枯落物层蓄积量为0.59～2.14 t·hm-2，依次为7 a(2.14 t·hm-2)＞5 a(2.07 t·hm-2)＞3 a(1.57 t·hm-2)＞1 a(0.68 t·hm-2)＞CK(0.59 t·hm-2)，其中7 a、5 a与3 a、1 a、CK间具有显著性差异。

图1 互叶白千层人工林枯落物层的厚度和蓄积量Fig.1 Thickness and accumulative volume of litter layer of Melaleuca alternifolia plantation

2.1.2 枯落物层持水过程

图2A展示了不同林龄互叶白千层人工林及荒坡地的枯落物层持水量随浸泡时间的变化特征。随着浸水时间的延长，枯落物持水量逐渐增加，在0～2 h内，枯落物层持水量增加迅速；2～12 h内，持水量增加趋近平缓；至24 h时，持水量基本达到饱和状态。通过回归分析，得到枯落物层持水量与浸水时间的对数型函数关系式（表2）。

图2B展示了不同林龄互叶白千层人工林及荒坡地的枯落物层吸水速率随浸泡时间的变化特征，大致呈现“L”型曲线。随着浸水时间的增加，枯落物层吸水速率逐渐减小，浸水1 h内吸水速率变化最快，下降趋势明显，在2～8 h内，吸水速率下降趋势变缓，而8～24 h内吸水速率逐渐趋近于0。通过回归分析，得到枯落物层吸水速率与浸水时间的幂型函数关系式（表2）。

图2 不同林龄互叶白千层人工林枯落物层持水量、吸水速率随时间的变化Fig.2 Changes of litter water holding capacity and water absorption rate of Melaleuca alternifolia plantation with time

表2 不同林龄互叶白千层人工林枯落物层持水量、吸水速率与浸水时间的关系Table 2 Relationship between water holding capacity or water absorption rate and soaking time of litter in Melaleuca alternifolia plantation with different stand ages

2.1.3 枯落物层持水能力

如表3所示，枯落物层的自然含水率为18.26%～28.31%，依次为7a(28.31%)＞5 a(27.49%)＞3 a(24.29%)＞1 a(20.17%)＞CK(18.26%)；最大持水率为279.0%～327.1%，依次为CK(327.1%)＞7 a(296.5%)＞5 a(285.7%)＞3 a(279.6%)＞1 a(279.0%)；最大持水量为1.897～6.345 t·hm-2，依次为7 a(6.345 t·hm-2)＞5 a(5.914 t·hm-2)＞3 a (4.390 t·hm-2)＞CK(1.930 t·hm-2)＞1 a(1.897 t·hm-2)；有效拦蓄量为1.475～4.787 t·hm-2，依次为7 a (4.787 t·hm-2)＞5 a(4.458 t·hm-2)＞3 a(3.350 t·hm-2)＞CK(1.533 t·hm-2)＞1 a(1.475 t·hm-2)。荒坡地枯落物层最大持水率显著高于各个龄组的互叶白千层人工林；7 a和5 a最大持水量显著高于3 a、1 a和荒坡地，而有效拦蓄量与最大持水量表现出相似的规律。

表3 不同林龄互叶白千层人工林枯落物层的持水能力Table 3 Water holding capacity of litter of Melaleuca alternifolia with different stand ages

2.2 土壤层水源涵养特征

2.2.1 土壤物理性质

由表4可知，4种不同林龄互叶白千层人工林及荒坡地土壤容重均值为1.18～1.35 g·cm-3，依次为7 a＞5 a＞3 a＞1 a=CK，总体上，随着林龄的增加，土壤容重有逐渐增加的趋势，7年生互叶白千层土壤容重相比1年生增加了14.4%。同时，随着土层厚度的增加，土壤容重有小幅增加的趋势，但同一林龄不同土层之间不存在显著性差异。土壤毛管孔隙度均值为32.2%～37.3%，依次为1 a=CK＞3 a＞5 a＞7 a，总体上，随着林龄的增加，土壤毛管孔隙度有逐渐减小的趋势，与土壤容重呈现相反的趋势。同时，随着土层厚度的增加，毛管孔隙度有逐渐减小的趋势，除7年生互叶白千层的0～20 cm土层与20～40、40～60 cm土层之间以及荒坡地0～20 cm土层与40～60 cm土层之间存在显著性差异外，其它同一林龄不同土层之间不存在显著性差异。土壤非毛管孔隙度均值为17.2%～23.3%，依次为CK＞1 a＞3 a＞5 a＞7 a；土壤总孔隙度均值为49.3%～60.6%，依次为CK＞1 a＞3 a＞5 a＞7 a，两者与土壤毛管孔隙度表现出较为相似的规律。

表4 不同林龄互叶白千层人工林及荒坡地土壤物理性质†Table 4 Soil physical properties of Melaleuca alternifolia plantations and barren slopes with different stand ages

2.2.2 土壤持水能力

由图3可知，4种不同林龄互叶白千层人工林及荒坡地0～60 cm土壤有效持水量为1 030～1 396 t·hm-2，依次为CK(1 396 t·hm-2)＞1 a(1 342 t·hm-2)＞3 a(1 192 t·hm-2)＞5 a(1 174 t·hm-2)＞7 a(1 030 t·hm-2)；土壤毛管持水量为1 930～2 238 t·hm-2，依次为CK(2 238 t·hm-2)=1 a(2 238 t·hm-2)＞3 a(2 208 t·hm-2)＞5 a(2 114 t·hm-2)＞7 a(1 930 t·hm-2)；土壤饱和持水量为2 960～3 634 t·hm-2，依次为CK(3 634 t·hm-2)＞1 a(3 580 t·hm-2)＞3 a(3 404 t·hm-2)＞5 a(3 288 t·hm-2)＞7 a(2 960 t·hm-2)。总体看，三者表现出相似的规律，荒坡地土壤持水能力大于互叶白千层人工林，此外随着林龄的增加，土壤蓄水能力有逐渐减小的趋势。

图3 不同林龄互叶白千层人工林和荒坡地土壤持水能力Fig.3 Soil water holding capacity of Melaleuca alternifolia plantation and barren slope with different forest ages

2.3 枯落物层与土壤水源涵养能力比较

林地蓄水能力为枯落物蓄水量与0～60 cm土层有效持水量之和，其均值分布在1 034.787～1 397.533 t·hm-2之间，依次为CK＞1 a＞3 a＞5 a＞7 a（表5）。此外，枯落物有效拦蓄量占综合蓄水量的比例极小，大致为0.11%～0.46%，其中7年生互叶白千层林下枯落物有效拦蓄量最大也仅为综合蓄水能力的0.46%。而0～60 cm土壤层有效持水量占综合蓄水量的比例极高，均超过99.5%。可见，土壤是人工林水源涵养的主体，对整个林地蓄水能力起着至关重要的作用。

表5 枯落物、土壤水源涵养能力比较Table 5 Comparison of water conservation capacity between litter and soil

3 讨论

枯落物层厚度及蓄积量主要受林分类型、林分密度、林龄、人为活动及枯落物自身分解速率、积累年限等因素影响[24]。本研究中，枯落物层厚度为0.52～1.63 cm，蓄积量为0.59～2.14 t·hm-2，且随着林龄的增加逐渐增大，但增加速率却在减缓，这与彭云等[25]、杨家慧等[26]的研究结论相似。此外，与其它成熟的天然林相比，其枯落物层厚度和蓄积量明显偏低，这与林分类型和管理模式存在一定关系[27]，互叶白千层为常绿树种，叶片小而生长周期长，致使枯落物层蓄积量偏低。枯落物层持水量与浸水时间存在良好的对数函数关系，R2为0.882～0.901（P＜0.05），而吸水速率与浸水时间也存在良好的幂函数关系，R2为0.980～0.988（P＜0.05），这与已有的研究结果相似[4,28]。

枯落物层最大持水量可以反映其最大持水潜力，最大持水率可以反映其持水能力，而有效拦蓄量能够体现枯落物层的真实拦蓄能力[29]。本研究中，枯落物层最大持水量为1.897～6.345 t·hm-2，有效拦蓄量为1.475～4.787 t·hm-2，且随林龄的增大而逐渐增大；荒坡地枯落物层相比互叶白千层人工林具有更高的最大持水率，这与枯落物层结构存在重要联系，荒坡地枯落物层组成更复杂，同时含有叶片更宽、持水能力更好的阔叶[30]。与成熟的天然林相比，互叶白千层人工林枯落物层持水量明显偏低，这与林分类型、枯落物层蓄积量存在一定联系，枯落物层蓄积量越大、持水率越高其持水能力越强[31]。

土壤有效持水量是评价森林土壤水源涵养能力的重要指标，一般将枯落物层有效拦蓄量与土壤有效持水量之和视为林地综合蓄水能力。本研究中，土壤有效持水量为1 030～1 396 t·hm-2，且随林龄的增加而逐渐减小。土壤持水能力与林分结构、土壤物理性质以及土层厚度密切相关。已有研究表明，土壤孔隙度越高，土层厚度越大，其持水能力越强[32]，互叶白千层人工林土壤结构良好，土层较深，具有良好的水源涵养能力。林地综合蓄水量为1 034.787～1 397.533 t·hm-2，随林龄的增加而逐渐减小。此外，土壤有效持水量占综合蓄水量的比例超过99.5%，与其它林地相比明显偏高[33]，这主要是由互叶白千层人工林土层深厚、土壤孔隙度高而枯落物层薄导致的。

本研究还存在一些不足。一是未考虑采样时间等因素，只能估算林地某一时点的水源涵养潜力，与现实情况存在一定出入。二是未考虑林冠截留对林地蓄水能力的影响，林冠作为林地水文过程的第一个发生层次，对森林水源涵养能力起着重要影响[34]。三是未考虑林冠、枯落物层和土壤水分蒸散的过程，水分蒸散是林地水文过程的重要组成部分[34-35]。因此，完善水文过程、详细核算林地水源涵养能力还需进一步研究。