9种景观植物枯落物层及其土壤层水文效应

周凌峰, 戴矜君, 黄艳萍, 张幸幸, 李紫叶, 韩琳, 章陈菲, 郭雅欣 , 涂志华,*

9种景观植物枯落物层及其土壤层水文效应

周凌峰1,2,3, 戴矜君4, 黄艳萍1, 张幸幸1, 李紫叶1, 韩琳1, 章陈菲1, 郭雅欣1, 涂志华1,2,3,*

1. 海南大学林学院热带特色林木花卉遗传与种质创新教育部重点实验室, 海南 570228 2. 海南省热带珍稀名贵树种工程研究中心, 海南 570228 3. 海南五指山森林生态系统国家定位观测研究站, 海南 570228 4. 海南省水文水资源勘测局, 海南 570203

为了研究海南大学儋州校区内景观植物枯落物层和土壤层水文效应, 以利于景观植物配置更加合理, 以9种常见景观植物作为研究对象, 采用室内浸泡法、环刀法对不同景观植物枯落物层和土壤层水文功能进行定量研究。结果表明: (1)不同种植物未分解层枯落物最大持水量变化范围为1.52—2.76 g·g-1, 表现为菠萝蜜>吊瓜树>黄葛树>小叶榕>大红风铃木>白兰>高山榕>南洋杉>印度榕。(2)枯落物未分解层持水量在浸水时间4 h内迅速增大, 在浸水12 h时基本达到饱和。枯落物持水量与浸水时间呈对数关系(2>0.93); 枯落物在浸水2 h内吸水速率变化最大, 6 h吸水速率明显减缓, 枯落物吸水速率与浸水时间呈明显幂函数关系(2>0.86)。(3)不同种景观植物表层土壤容重均值变化范围为1.45—1.67 g·cm-3, 总孔隙度变化范围为27.70%—42.54%, 土壤有效持水量变化范围为17.94—56.93 t·hm-2, 土壤层持水能力表现为吊瓜树>高山榕>小叶榕>印度榕>菠萝蜜>黄葛树>大红风铃木>南洋杉>白兰。(4)不同种景观植物土壤层初渗速率为0.4—3.25 mm·min-1, 稳渗速率为0.15—1.75 mm·min-1, 土壤入渗时间和入渗速率呈幂函数关系(2>0.90)。综合9种景观植物枯落物层和土壤层水文效应表明吊瓜树、菠萝蜜水源涵养能力较好, 建议校园景观植物可优先配置吊瓜树、菠萝蜜等植物。

景观植物; 枯落物层; 土壤层; 水文效应

0 前言

景观植物在校园绿化建设中具有美化作用, 校园景观植物的合理搭配及配置发挥着涵养水源、保持水土、改善小气候等方面的生态效益[1-5]。林冠层、枯落物层、土壤层是森林生态系统中垂直结构上的三个主要功能层, 枯落物层和土壤层作为森林涵养水源的主体在发挥水文生态功能中起到重要作用[3,6]。枯落物层作为水文效应的第二层, 具有截持降水、防止土壤溅蚀、拦截地表径流、抑制表层土壤水分蒸发、增强土壤抗蚀性的功能; 其分解层所产生的土壤腐殖质和有机质也能够起到改善土壤结构, 增强土壤入渗性能的作用[5,8], 提高土壤持水能力[7]。土壤层作为水文效应的主要作用层, 是水分贮存的主要场所, 降雨沿表层土壤孔隙入渗形成土壤贮水和地下径流, 通过对降雨的再分配从而实现涵养水源功能[9]。因此,开展枯落物持水、土壤蓄水能力的研究具有十分重要的理论与实践意义。目前, 对海南大学儋州校区内药用、香料、蝶形花科等植物以及种子、寄生、藤本类植物等方面已开展了相关研究[24-29], 而对于不同植物枯落物及土壤水源涵养功能的研究较为欠缺, 制约着深入认识景观植物发挥水土保持生态功能。因此, 本文以海南大学儋州校区内: 木兰科的白兰()、桑科的黄葛树()、小叶榕()、菠萝蜜()、印度榕()、高山榕()、紫葳科的大红风铃木()、吊瓜树()以及南洋杉科的南洋杉()共9种植物为研究对象, 通过对比分析其林下枯落物层和土壤层的水文效应, 意在揭示9种不同景观植被枯落物层和土壤层水文效应特征, 为校园内景观植物配置提供支撑。

1 研究区概况

研究区位于海南省儋州市那大镇宝岛新村(109°49′—109°50′E, 19 °50′—19°51′N), 海拔120—130 m。属于热带湿润季风气候, 年均降雨量1600—1800 mm, 年均气温23.5 ℃左右, 土壤类型主要为砖红壤, 质地粘重。校区历史悠久, 气候宜人, 校内景观植被丰富, 林下草本主要为狗牙根()、中华结缕草()、海雀稗()等。于2020年12月—2021年1月, 在海南大学儋州校区内选取白兰等9种植物作为研究对象, 对林木进行每木检尺, 测量胸径、树高、冠幅等, 并记录树种所处海拔(不同植物基本概况见表1)。

2 研究方法

2.1 枯落物持水性能测定

收集不同植物林下未分解层枯落物于密封袋中并做好标记带回实验室, 采用室内浸泡法测定9种植物枯落物的持水量和吸水速率。具体做法: 将林下收集的未分解层枯落物带回实验室75 ℃烘干至恒重, 对烘干后的各组样品进行定量, 定量为10 g, 称量后的样品装入尼龙网袋浸入水中, 分别在浸泡0.25, 0.5, 1, 2, 4, 6, 12, 24 h时取出控干, 至枯落物不滴水为止, 迅速称其质量并做好记录。将称重得到的湿质量, 去除烘干质量, 得到浸泡不同阶段的持水量。该值与浸水时间之比即为吸水速率, 研究枯落物的持水量、吸水速度及吸水过程。最大持水量通常用枯落物经过24 h吸水后的持水量表示, 最大持水率为最大持水量与干质量之比, 枯落物最大持水量, 最大持水率计算公式[20]为:

表1 9种植物基本概况

Wmax)=(24-1)/1(1)

Rmax)=(24-1)/1×100% (2)

式中:Rmax)为最大持水率(%);Wmax)为最大持水量(g·g-1);24为浸水24 h后的重量;1为烘干重量(10 g)。

2.2 土壤水分物理性质测定

在不同植物的林冠下, 用100 cm3环刀在表层土壤(0—20 cm)取原状土, 具体取样方法为: 以树干为圆心按照半径1 m、2 m分别取4个环刀, 在半径1 m处按照东南西北四个方向布置, 在半径2 m处按照东北、西北、东南、西南四个方向取样。采用环刀法测定土壤容重、总孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度等物理性质。采用烘干法测定土壤含水量。土壤涵养水源及水文调节功能的重要指标就是土壤持水能力, 受土壤孔隙大小和数量的影响。总孔隙度是表示最大持水能力的指标,毛管持水能力可表现土壤实际的持水能力,非毛管持水能力则是反映土壤渗透能力的指标,非毛管贮水代表有效贮水能力, 土壤蓄水性能计算公式[21]为:

=10000(3)

式中:为土壤持水力 (t·hm-2);为土壤层厚度 (m);为孔隙度 (%) 。

2.3 土壤入渗性能测定

采用环刀法进行土壤入渗实验, 将取回的环刀浸水至饱和后, 去顶盖后上方套一新环刀, 用防水胶布封好后用熔蜡粘合, 严防从接口处漏水, 将接合的环刀放到漏斗上, 漏斗下面承接有烧杯, 往上面的空环刀中加水,水层厚5 cm, 记录单位时间内所消耗的水量[23]。

2.4 数据处理和分析

利用SPSS25.0软件对数据进行统计分析, 采用单因素方差分析不同植物枯落物持水能力和土壤持水能力的差异显著性, 利用最小显著差异法进行多重比较分析(=0.05), 采用Origin8.0软件制图。

3 结果和分析

3.1 枯落物水文效应

3.1.1 枯落物最大持水量

如表2所示, 不同种植物未分解层枯落物最大持水量存在显著差异(<0.05), 在(1.52±0.02) g·g-1—(2.76±0.11)g·g-1之间变动, 菠萝蜜最大持水量最大, 为(2.76±0.11)g·g-1, 是同为桑科的印度榕1.8倍。不同种植物的最大持水率同样存在显著差异(<0.05), 其范围在(151.80±1.56)%—(276.33±10.72)%, 从大到小依次为菠萝蜜(276.33%)>吊瓜树(202.10%)>黄葛树(201.13%)>小叶榕(201.67%)>大红风铃木(198.47%)>白兰(181.27%)>高山榕(156.83%)>南洋杉(152.40%)>印度榕(151.80%)。

表2 9种植物未分解层枯落物最大持水量

注: 表中数据为平均值±标准误差; 不同小写字母表示不同植物差异显著(<0.05), 下同。

3.1.2 枯落物持水过程

由图1可以看出, 不同种植物未分解层枯落物持水量随时间增加变化趋势基本一致, 在最初浸水的4 h时内枯落物持水量增加迅速, 4—12 h内呈现缓慢增长, 12 h趋于平衡达到饱和, 菠萝蜜持水量高于其他树种, 高山榕、印度榕以及南洋杉差异不显著, 黄葛树、小叶榕、大红风铃木、吊瓜树持水量变化差异不显著, 白兰在2 h内持水量迅速增大, 4 h后趋于平衡达到饱和, 不同种植物的持水过程基本一致。

对9种不同植物枯落物未分解层持水量与浸水时间的关系进行拟合, 二者呈对数函数关系:

=ln+

式中:为枯落物持水量(g);为浸泡时间(h);为方程系数;为方程常数项。不同植物未分解层持水量与浸水时间关系式见表3

3.1.3 枯落物持水速率

枯落物的持水量与持水速率是反映枯落物持水过程的重要指标, 由图2可以看出, 不同植物枯落物持水速率与浸水时间关系呈“逆J”形曲线变化[22], 枯落物吸水速率在最初的2 h内最大, 2 h之后迅速下降, 2—6 h后下降趋势呈迅速减小态势,6—12h枯落物持水率增加的态势趋于平稳, 至24 h逐渐趋停。不同植物初始持水速率表现为吊瓜树(61.60 g·h-1)>白兰(58.60 g·h-1)>黄葛树(55.37 g·h-1)>小叶榕(47.69 g·h-1)>菠萝蜜(45.65 g·h-1)>大红风铃木(44.29 g·h-1)>印度榕(29.84 g·h-1)>高山榕(25.53 g·h-1)>南洋杉(21.81 g·h-1), 不同种植物枯落物在浸水初期持水速率相差显著, 这主要与不同植物枯落物叶片大小及其生物学特性差异有关, 而持水速率变化过程基本一致, 不同种植物枯落物随着浸泡时间增长持水速率趋于一致, 这表明随着浸泡时间的延长枯落物持水均达到饱和。

表3 9种植物未分解层枯落物持水量与浸泡时间的关系

注:为枯落物持水量(g);为浸泡时间(h)

图1 不同植物持水量变化

Figure 1 Changes of water holding capacity of different plants

图2 枯落物持水速率变化

Figure 2 Change in water retention rate of litter

对9种不同植物枯落物未分解层持水速度与浸水时间的关系进行拟合, 二者呈幂函数关系:

=kt

式中:为枯落物持水速率(g·h-1);为方程系数;为枯落物浸泡时间(h);为指数。不同种植物未分解层持水速度变化曲线进行拟合所得的关系式见表4。

3.2 土壤物理性质及水文效应

3.2.1 土壤物理性质

土壤容重和孔隙度是反映土壤物理性质的重要参数, 容重是土壤紧实度的指标, 反映土壤透水性、通气性, 土壤容重小, 表明土壤疏松多孔、结构性良好, 反之则表明土壤紧实板结而缺少团粒结构[10]。由表5可以看出, 不同种植物表层土容重存在显著差异(<0.05), 保持在(1.45±0.08) g·cm-3—(1.67±0.06) g·cm-3之间, 其中大红风铃木最大, 为1.67 g·cm-3, 黄葛树(1.62 g·cm-3)、菠萝蜜(1.60 g·cm-3)次之, 小叶榕最小为1.45 g·cm-3, 白兰和印度榕容重均为1.55 g·cm-3。孔隙度是土壤中养分、水分、空气和微生物等的迁移通道、贮存库和活动场所, 是决定土壤水源涵养功能的重要因素, 影响着土壤的通气透水性。由表4可知, 土壤总孔隙度从大到小依次为: 小叶榕(42.54%)>吊瓜树(38.83%)>高山榕(30.94%)>印度榕(31.85%)>菠萝蜜(34.61%)>黄葛树(34.57%)>大红风铃木(32.77%)>南洋杉(28.70%)>白兰(27.70%)。土壤非毛管孔隙度则影响土壤持水能力, 非毛管孔隙度介于1.79%—5.69%, 高山榕最大, 为5.69%, 南洋杉最小, 为1.79%。

表4 9种植物未分解层枯落物持水速度与浸水时间的关系

注:为枯落物持水速率(g·h-1);为枯落物浸泡时间(h)。

3.2.2 土壤持水能力

土壤持水能力与毛管孔隙度和非毛管孔隙度紧密关联, 其大小取决了田间持水量和有效持水量, 两者之和即为土壤最大持水量(饱和持水量)[11-12]。从表5可以看出, 小叶榕土壤最大持水量最大, 为(425.39±32.14) t·hm-2, 白兰最小, 为(276.96±22.76) t·hm-2。非毛管孔隙度大小反映土壤有效持水量高低, 其值越大, 持水能力越强, 土壤有效持水量最大为高山榕(58.92 t·hm-2), 最小为南洋杉(17.90 t·hm-2),白兰和印度榕土壤有效持水量均为34.72 t·hm-2, 综合有效持水量和最大持水量来看, 吊瓜树有较强的土壤持水能力, 最大持水量26.63 mm, 有效持水量21.82 mm。

3.2.3 土壤入渗能力

土壤入渗能力是森林涵养水源的重要指标。土壤渗透性好坏直接关系到地表径流的大小, 渗透性能越好, 其涵养水源能力越强, 地表径流越少, 土壤被侵蚀的程度大大减小[22]。从表6可以看出, 不同植物土壤初渗速率和稳渗速率相差较大, 小叶榕初渗速率最大为3.25 mm·min-1, 大红风铃木初渗速率最小为0.40 mm·min-1, 小叶榕初渗速率是大红风铃木初渗速率的8.13倍。随时间推移, 土壤入渗速率逐渐减慢, 态势趋于平稳, 直至稳渗。9种植物林下表层土壤的稳渗速率为0.15—1.75 mm·min-1, 其中小叶榕稳渗速率最大为1.75 mm·min-1, 南洋杉稳渗速率最小为0.30 mm·min-1。在入渗过程中, 黄葛树最先在20 min达到稳渗, 而吊瓜树在38 min达到稳渗。

表5 9种植物土壤水分物理性状及持水量特征

表6 9种植物土壤入渗模型

注:为土壤入渗速率(mm·min-1);为入渗时间(min)。

图3 土壤入渗特征

Figure 3 Soil infiltration characteristics

通过对不同种植物土壤入渗速率和入渗时间进行拟合, 发现两者之间存在较好的幂函数关系:

=at

式中:为入渗速率(mm·min-1);,为常数;为入渗时间(min)。

4 讨论

4.1 不同景观植物枯落物层水文效应

枯落物层的水源涵养、水土保持主要表现在蓄积量和持水量这两方面,枯落物层的持水能力受到枯落物层的组成、蓄积大小以及分解情况等因素[13]。本研究表明, 不同景观植物未分解层枯落物最大持水率介于151.80%—276.33%, 枯落物未分解层最大可吸收约为自身干重1.51—2.76倍水。菠萝蜜的未分解层枯落物最大持水率最大, 且浸水过程中持水量变化最为显著, 这是因为菠萝蜜枯落物分解程度高, 相对其他树种枯落物具有更好的吸水能力。高山榕和印度榕同为桑科榕属, 其持水量线性变化基本相同, 这与二者生理特性基本一致, 未分解枯落物层性状相似有关。南洋杉作为针叶树种, 未分解层枯落物持水能力低于其他树种, 这与胡淑萍等[14]发现阔叶林枯落物持水能力普遍高于针叶林的研究结果一致。不同种植物枯落物持水量表现出的差别, 主要是枯落物的现存蓄积量和本身的持水特性所决定的, 也受到植被类型、气候的影响。在研究中发现, 不同种植物未分解层枯落物的持水过程中前2 h吸水速率最大, 之后速率逐渐减缓, 最后趋于停止。通过对枯落物的持水量随时间变化过程、持水速率随时间变化过程进行拟合分析, 发现其持水量与浸水时间符合对数函数关系:=ln+, 持水速率与浸水时间的关系符合幂函数关系:=kt, 这与张宁等[15]和周志立等[16]的研究结果一致。

4.2 不同景观植物土壤层水文效应

土壤孔隙度是土壤水分物理性质中尤为重要的指标。土壤容重是表征土壤质量的重要参数, 也是反应土壤的密实性、透水性、通气性的直观指标[17]。容重越小, 土壤结构越疏松, 更有利于蓄水贮水, 反之土壤紧实板结, 无法有效地拦蓄降水。在本研究中, 不同景观植物林下表层土壤容重介于1.45—1.67 g·cm-3之间, 以小叶榕最小, 总孔隙度则以小叶榕最大, 表明小叶榕林下表层土壤通气透水性良好, 这可能与小叶榕根系发达、根系在土壤中生长穿插有关, 同时, 枯落物分解形成腐殖质和有机质改善了土壤结构。南洋杉容重大, 非毛管孔隙和总孔隙小, 土壤通气透水性差, 这可能与对南洋杉进行修枝和林下清理踩踏使得土壤夯实板结有关。印度榕和白兰的土壤容重、非毛管孔隙度、有效持水量基本一致, 而最大持水量则是印度榕更大, 这表明了土壤非毛管孔隙度与有效持水量紧密关联, 取决于印度榕的土壤的孔隙特性, 印度榕根系比白兰发达, 林下土壤更疏松多孔，其毛管孔隙度更大。土壤入渗能力是土壤水文调节功能和水源涵养的重要指标, 本研究表明不同景观植物中, 小叶榕的初渗速率最大、大红风铃木最小。小叶榕、高山榕、吊瓜树以及印度榕初渗速率均高出其他树种, 这主要是其土壤层的非毛管孔隙数量较多, 有利于吸收降雨并快速下渗, 土壤的渗透能力较强, 而其他树种的非毛管孔隙较少, 渗透性较差。对9种景观植物土壤入渗速率与入渗时间进行拟合, 发现二者呈幂函数关系:=at, 这与张引等[18]和胡静霞等[19]的研究结果一致。

在本研究中, 综合不同景观植物的枯落物层和土壤表层持水能力, 可以看出涵养水源能力存在一定差异, 桑科榕属树种相对于其他树种在水源涵养能力上具有一定的优势, 这与其形态生理特性有着密不可分的联系, 体现在该属树种林冠繁茂、根系发达, 其林下形成独特的小气候, 枯落物层蓄积量更丰富, 土壤疏松多孔入渗能力强。吊瓜树、菠萝蜜也具有水源涵养功能, 主要是林下灌草植物茂盛, 美化校园的同时也发挥了其水土保持生态功能, 其他树种则次之, 且吊瓜树和菠萝蜜树形优美, 枝叶翠绿, 果有芳香, 是具有较好观赏效果的景观植物, 因此从涵养水源, 保持水土以及景观美学的方向出发, 在校园的景观配置优化方面可增加其种植数量, 促进校园景观植物发挥保持水土功能。

5 结论

(1)不同景观植物未分解层枯落物最大持水量变化范围为1.52—2.76 g·g-1, 表现为菠萝蜜>吊瓜树>黄葛树>小叶榕>大红风铃木>白兰>高山榕>南洋杉>印度榕, 菠萝蜜最大持水量是印度榕的1.8倍。

(2)不同景观植物枯落物未分解层持水量在浸水时间4 h内迅速增大, 浸水12 h时基本达到饱和。枯落物持水量与浸水时间呈对数关系,2>0.93; 枯落物在浸水2 h内吸水速率变化最大, 2—6 h后下降趋势呈迅速减小态势, 6—12 h增加态势趋于平稳, 逐渐趋于稳定。枯落物吸水速率与浸水时间呈幂函数关系,2>0.86。

(3)不同景观植物表层土壤容重均值变化范围为1.45—1.67 g·cm-3, 总孔隙度为27.70%—42.54%, 土壤有效持水量为17.94—56.93 t·hm-2, 土壤层持水能力表现为吊瓜树>高山榕>小叶榕>印度榕>菠萝蜜>黄葛树>大红风铃木>南洋杉>白兰。

(4)不同景观植物土壤表层初渗速率为0.4—3.25 mm·min-1, 小叶榕的初渗速率最大, 是大红风铃木8.13倍, 不同种植物稳渗速率为0.15—1.75 mm·min-1, 土壤入渗时间和入渗速率呈幂函数关系,2>0.90。

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Hydrological effects of litters and soil of nine landscape plants

ZHOU Lingfeng1,2,3, DAI Jinjun4, HUANG Yanping1, ZHANG Xingxing1, LI Ziye1, HAN Lin1, ZHANG Chenfei1, GUO Yaxin1, TU zhihua1,2,3,*

1. Key Laboratory of Genetics and Germplasm Innovation of Tropical Special Forest Trees and Ornamental Plants, Ministry of Education, College of Forestry, Hainan University, Haikou,Hainan 570228, China 2. Engineering Research Center of Rare and Precious Tree Species in Hainan Province, Haikou 570228, China 3. Wuzhishan National Long Term Forest Ecosystem Research Station, Haikou,Hainan 570228, China 4. Hainan Hydrology and Water Resources Survey Bureau, Haikou,Hainan 570223, China

A pilot study of the hydrological effects of litters layer and soil layer of landscape plants in Danzhou campus of Hainan University was made. Nine common plants (,,,,,,,and) in the campus were selected as the research objects, and the water holding function of litter layer and soil layer of different landscape plants was determined with immersion method and cutting-ring method. The results showed that: (1) The maximum water holding capacity of litters in the undecomposed layer of different tree species was about 1.52-2.76 g·g-1, in the order of>>>>>>>>. (2) The water holding capacity of the undecomposed litters increased rapidly within 4 hours and reached saturation at 12 hours. There was a logarithmic relationship between litter water holding capacity and soaking time (2> 0.93); the water absorption rate of litter changed the most in 2 hours, which was obviously slowed down at 6 h. The water absorption rate of litter showed a power function relationship with soaking time (2> 0.86). (3) The mean soil bulk density of different landscape plants varied from 1.45 g·cm-3to 1.67 g·cm-3, and the total porosity varied from 27.76% to 42.83%. The effective soil water holding capacity was about 17.90-58.92 t·hm-2. The water holding capacity of the soil layer was in the order of>>>>>>>>. (4) The initial infiltration rate of different landscape plants was about 0.4-3.25 mm·min-1, and the steady infiltration rate of different landscape plants was about 0.15-1.75 mm·min-1. A power function relation between infiltration rate and infiltration fitting time was found (2> 0.90). Considering the hydrological effects of litters layer and soil layer of 9 landscape plants, the water conservation ability ofandwas better than other vegetation types, which suggested that plants such as,could be selected priority in campus landscape plants.

landscape plants; litter layer; soil layer; hydrological effects

周凌峰, 戴矜君, 黄艳萍, 等. 9种景观植物枯落物层及其土壤层水文效应[J]. 生态科学, 2022, 41(3): 90–97.

ZHOU Lingfeng, DAI Jinjun, HUANG Yanping, et al. Hydrological effects of litters and soil of nine landscape plants [J]. Ecological Science, 2022, 41(3): 90–97.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.03.010

S715.3

A

1008-8873(2022)03-090-08

2021-03-26;

2021-05-31

海南省自然科学基金(420RC532); 海南省自然科学基金项目(319QN159); 海南大学引进人才科研启动基金项目 (KYQD(ZR)1950)

周凌峰(1998—), 男, 海南三亚人, 硕士研究生, 研究方向为水土保持学、风景园林学, E-mail: zlfxigua@163.com

涂志华(1986—), 男, 博士, 讲师, 主要从事水土保持学、森林生态学等方面研究, E-mail: fjsmtzh@126.com