滇中柏木林地枯落物去除对土壤水分物理性质的影响

和玉丹，胡慧蓉，郭 勇，王秋玲，杨淦霖，唐春艳

(1.西南林业大学 生态与环境学院，云南 昆明 650224； 2.云南森林自然中心，云南 昆明 650225)

1 引言

枯落物是森林生态系统中的一层特殊结构层，松散地覆盖于林下地表。在林地降雨过程中，截留雨水，削减地表径流，增加土壤入渗，具有良好的涵养水源、保持水土功能。在其积累与分解过程中，形成土壤腐殖质，并与土壤矿物质结合形成有机无机复合体，对土壤理化性质也有明显影响。但不同的林分类型，其枯落物组分、形态、归还量等均有不同，因而在发挥以上生态功能的程度上也有不同。枯落物去除对土壤水分物理性质的影响研究[8，11～13]，国内外的很多学者对其进行了探究，树种主要有红栎林[8]、枫香和樟树[11]、加勒比松[12]、杉木林[13]等。枯落物添加和去除对土壤水分的影响会因森林类型[14]、气候条件、枯落物性质等的不同而异。研究结果显示，土壤水分对枯落物去除的响应存在很大的不确定性，上述研究对象多为温带森林系统，对亚热带与热带森林系统的研究较为匮乏，亚热森林系统与温带森林系统在气候、树种、林分结构上存在诸多的差异，土壤有机质与养分对枯落物输入变化的响应也会有所不同。且目前枯落物去除对云南柏木林地土壤水分影响的研究还相对较少。因此，本文以滇中高原昆明麦冲林地柏木林作为研究对象，对不同枯落物去除强度条件下土壤水分物理性质的变化进行了研究。

圆柏(Sabinachinensis(L.) Ant.)是常绿乔木，喜光树种，但耐寒、耐热，对土壤要求不严，因此在我国大部分地区均有种植。1980年以来，圆柏作为荒山造林的主要树种在滇中地区广泛种植。但造林地多分布与城市周边低山丘陵，人口密集区域，加之圆柏林枯落物枝干叶细，因而长期受到收取枯枝落叶收集等人为影响。使局部地表土壤层不同程度的裸露，从而影响土壤理化与生物学性质，改变土壤水分状况与生态功能。弄清人为干扰下圆柏林土壤性质与功能的变化趋势，以更好地理解圆柏林土壤的在人为干扰下的退化过程及其机理，为圆柏林可持续经营管理提供理论依据。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

研究区位于云南省昆明市东郊的云南森林自然中心麦冲林区，北纬25°04′～25°11′，东经102°43′～102°53′，区域总面积为1883.8 hm2。海拔为1948～2458 m，年均气温为12 ℃，年均降水量为1068 mm，雨热同期且干湿季分明，属亚热带西南季风气候[16]。土壤为石英粉砂岩山地红壤。土层较深厚(平均厚度40 cm)，土壤较紧实板结，弱酸性反应。1980年前植被大面积采伐，1985～1995年间经人工植被恢复，现森林覆盖率达90%以上。本研究所选圆柏林系1992年人工种植，林龄30年，林相整齐，林下零星灌木草本，主要为小叶枸子(Cotoneastermicrophyllus)、杨梅(Myricarubra)；求米草(Oplismenusundulatifolius)、鬼针草(Bidenspilosa)等；并有少量何首乌(Fallopiamultiflora)、介蕨(Dryoathyriumboryanum)等。受附近村民活动干扰，每年开春进入林内收取地表枯落物叶用于盖压苗床，导致林下地表斑块状裸露。

2.2 研究方法

2.2.1 样地设置与调查

按典型性和代表性原则，设置面积为20 m×20 m的标准地，进行基本调查并做每木检尺，并重复三次。样地基本情况见表1。

表1 金殿林区柏木样地基本情况

样地内分别设置3个不同程度去除枯落物的处理样方，即：全去除(A，地表裸露，无枯落物)、半去除(H，地表半裸露，枯落物去除1/2)、未去除(N，保留地表枯落物)3种去除强度。每个处理面积2 m×2 m，并重复6次。

2.2.2 枯落物及土壤样品采集

20世纪80年代，斯特里克兰和穆鲁解决了激光器的啁啾脉冲放大问题。这个过程始于短脉冲，该脉冲通过一对光栅反射使其变长。光栅的作用类似于棱镜，致使不同颜色的光通过不同长度的路径。由于功率只是随着时间而传递的能量，因此把光拉长会降低其功率，这样就能够在不损坏激光介质的情况下实现放大。最终，放大的脉冲通过一台压缩器，将其挤压成较短的脉冲——这是一种更具威力的脉冲。该方法使研究人员能够获得可以放在桌面的强大激光脉冲，并且能够使像BELLA这样的高功率激光脉冲工具更具可行性。

分别在3种不同程度去除枯落物的处理样方内布置一个枯落物调查点与一个土壤剖面观测点。枯落物调查点面积0.5 m×0.5 m，以完全收获法收取枯落物，现场测鲜重，并取样装袋带回实验室备用。之后，现场挖掘土壤剖面，分别对0～10 cm表层土壤(以下通称表层)和10～20 cm亚表层土壤(以下通称亚表层)进行土壤基本性态观察，并分层测定土壤自然含水率与土壤密度，以环刀和布袋分别采集土壤样品带回实验室，以备后续研究使用。每个处理共设枯落物调查点18个，土壤剖面观测点9个。

2.2.3 分析测定方法

枯落物存量及含水量测定：恒温鼓风烘干法。土壤水分物理性质采用环刀法。

2.2.4 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2007进行数据整理，SPSS 23.0、Origin2017软件进行数据统计分析，均值分析、单因素方差分析(One-way ANOVA)和差异显著性检验分析。

3 结果与分析

3.1 不同强度去除枯落物后地表枯落物存量

林分枯落物积存量主要受到林分本身的特性，诸如树种组成、植被配置模式、林分的生长状况[1]，以及外部的环境因素，包括光、热、水等立地条件2方面因素的影响。在人类活动频繁的区域，则受人为扰动的影响可能会成为影响枯落物存量的最主要因素。通过对柏木林下枯落物3种不同去除强度下枯落物现存量进行调查与测定，结果见表2。

表2 不同去除强度下柏木林地枯落物存量及含水率

柏木林地林下枯落物存量大小依次为未去除(6.29 t/hm2)>半去除(5.33 t/hm2)>全去除(0.44 t/hm2)，其中未去除枯落物存量为全去除枯落物存量的14.29倍，而半去除与未去除间的差异不是非常明显，其原因可能是林分密度较大时，林木的枝条脱落相对较早，地表枝条也会相对较多，从而会影响存量。柏木林地林下枯落物自然含水率大小为未去除(114.54%)>半去除(91.47%)>全去除(66.95%)，其中未去除枯落物自然含水率为全去除枯落物含水率的1.71倍，持水能力差距较大。半去除强度去除枯落物组间离散程度较小，枯落物存量和含水率都较稳定。

3.2 不同强度去除枯落物对土壤密度的影响

土壤密度是评价土壤质量的重要指标，体现土壤结构、松紧程度和土壤水分涵蓄能力。在表层土壤内，土壤密度在1.11～1.15 g/cm3的范围内变化，亚表层土壤内，土壤密度的变化范围为1.18～1.27 g/cm3，亚表层土壤密度稍高于表层土壤密度。总体上，两层土壤的土壤密度均有由高到低(全去除>半去除>未去除)的表现，且全去除枯落物条件下的土壤密度均显著高于半去除和未去除(a<0.05，表3)。土壤密度小，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[17]。相较而言，柏木林地林下表层土壤结构性较好。土壤密度在1.0～1.3 g/cm3时，表明毛管孔隙和非毛管孔隙搭配合理、土壤密度适当，此时的土壤透水性、通气性和持水能力比较协调，可以满足植物对空气和水分条件的需要[18]。

表3 不同强度去除枯落物后林地土壤水分物理性质

3.3 不同强度去除枯落物对土壤孔隙度的影响

土壤孔隙度是评价土壤储水性和肥力特性的基本特性之一，毛管孔隙度是土壤毛管水所占据的孔隙，非毛管孔隙度是土壤空气流动的通道[19]。由表3可知，在表层土壤内，不同强度去除枯落物条件下土壤总孔隙度均值在65.80%～71.18% ，全去除和半去除与未去除之间的差异不显著；而土壤毛管孔隙度均值为31.74%～49.09% ，全去除和半去除均显著高于未去除；非毛管孔隙度趋势也一致。在亚表层土壤内，土壤各孔隙度较低于表层土壤。总孔隙度均值为60.35%～64.78% ，毛管孔隙度均值为27.99%～29.07% ，非毛管孔隙度均值为31.28%～36.79% 。未去除总孔隙度和非毛管孔隙度均显著高于全去除，而毛管孔隙度则差异不显著。

总体上，表层和亚表层土壤总孔隙度和毛管孔隙度呈现出随枯落物去除强度的减弱逐渐减小的趋势，这与其林下土壤的砂粒含量较高(显著高于其他土壤)有关。该趋势与杨玥[20]、刘爽等[21]的研究结论相一致。相较而言，表层全去除枯落物强度下土壤比较疏松，未去除枯落物强度下土壤比较紧实。毛管孔隙度越大，贮存的土壤有效水越多，对维持林木自身的生长发育就越有利，而非毛管孔隙度越大，越有利于土壤渗透和降水下渗。枯落物的类型、厚度、组成成分差异以及部分动物、微生物残体的不同可能会导致土壤孔隙度的差异。

3.4 不同强度去除枯落物对土壤水分的影响

土壤的持水性能是反映林地持水能力的一个重要指标[22]。不同强度去除枯落物对土壤水分有显著的交互作用(表3)。受土壤密度的影响，土壤各水分类型也相应变化，表土层仍然变化较明显。在表层土壤内，土壤饱和持水量均值在353.07～458.96 g/kg，大小顺序为未去除>半去除>全去除，且随枯落物去除强度的加强土壤饱和持水量逐渐减小，土壤毛管持水量均值在233.27～357.17 g/kg，土壤田间持水量均值在218.80～343.96 g/kg，两者的持水量也随枯落物去除强度的加强而减小，与土壤饱和持水量的变化趋势保持一致，大小顺序均为未去除>半去除>全去除。半去除和未去除枯落物条件下表层土壤各持水量显著高于全去除。说明未去除枯落物下土壤层持水能力最强，即枯落物存量越大，土壤层持水能力越强。

在亚表层土壤内，土壤饱和持水量均值在301.58～336.73 g/kg，大小为未去除>半去除>全去除，且随枯落物去除强度的加强土壤饱和持水量逐渐减小；土壤毛管持水量均值在174.58～240.18g/kg，随枯落物去除强度的加强而减小；土壤田间持水量均值在144.34～227.09g/kg，随枯落物去除强度的加强也减小，两者大小顺序均为未去除>半去除>全去除。同表层土壤，未去除枯落物条件下亚表层土壤各持水量显著高于半去除和全去除(p<0.05，表3)，说明亚表层土壤未去除枯落物条件下土壤层持水能力最强，即枯落物存量越大，土壤层持水能力越强。总体上，在不同强度去除枯落物条件下，未去除枯落物条件下土壤各持水量显著高于半去除和全去除。因此枯落物覆盖对柏木林下土壤持水能力具有明显作用。

图1 不同强度去除枯落物后其存量与林地土壤各持水量的关系

图1显示，表层和亚表层土壤饱和持水量、毛管持水量、田间持水量与枯落物存量间均存在良好的线性关系，各土层持水量与枯落物存量间回归方程的R2值分别为：0.9591、0.5553、0.5679、0.7444、0.9979、0.9966。其中，表层毛管持水量和田间持水量显著性不佳，而饱和持水量的回归拟合仍较好，R2为0.9591。亚表层各持水量与枯落物存量相关性都较为显著。

4 讨论

4.1 不同强度去除枯落物后地表枯落物的储水能力变化

研究发现柏木林地枯落物积存量和自然含水率随去除强度的加强都随之减小，这与刘玉国[19]、聂小飞[23]、高强[24]等研究结论一致。枯落物存量大，有利于吸水，则枯落物自然含水率将高，于是对其下覆盖的土壤也会有提高其含水率的功能，更有利于分析去除枯落物多少对土壤保水能力的影响程度[12]。半去除与未去除间的枯落物存量差异不是非常明显，可能是人为扰动越大，地表枝条越多，也在一定程度上增加了存量。

4.2 不同强度去除枯落物对土壤水分物理性质的影响

由图2可知，全去除枯落物条件下表层土壤密度均显著高于半去除和未去除，亚表层土壤密度随枯落物去除强度的加强呈不断增大的趋势，这与侯宁宁等[25]的研究结果基本一致。

注：BD为土壤密度、TP为土壤总孔隙度、CP为毛管孔隙度、NCP为非毛管孔隙度、SWHC为土壤饱和持水量、CWHC为毛管持水量、FWHC为田间持水量

与土壤密度相反，土壤总孔隙度、毛管孔隙度总体呈现出随枯落物去除强度的加强而逐渐减小的趋势，而非毛管孔隙度则与之相反，这与郭倩汝等[26]的研究规律类似。在表层和亚表层土壤内，土壤饱和持水量、毛管持水量、田间持水量大小均为未去除>半去除>全去除，该研究结果与王磊[27]、施重阳等[28]的研究结果趋势一致。可能因为柏木造林时间久，林下积累了较多的枯落物，即表现出柏木林地未去除枯落物条件下土壤持水能力明显很强。而半去除和未去除条件下土壤持水能力明显较差，可能是由于当地居民人为扰动强度较大。而去除地表枯落物从柏木林地以枯落物的形式直接取走大量养分，使林地土壤密度增大，导致土壤孔隙减少，保持水分功能减弱，可能也会引发养分状况的恶化[29]，微生物数量减少和酶活性下降[29]，最终引起林木生长下降[12]。

枯落物层是森林土壤区别于一般土壤的特有层次，它对土壤的水分物理性质产生有利的影响[31]。枯落物及土壤持水性均处于较低水平，因此应加强进行林分改造，提高林分质量，对现有针阔混交林的保护及抚育、充分发挥森林的水源涵养功能，为林地土壤的科学管理、资源保护提供科学依据。

5 结论

本文通过以滇中地区柏木林地作为研究对象，分析枯落物去除对土壤水分物理性质的影响，主要研究结论如下。

(1)柏木林地林下枯落物存量大小为0.44～6.29 t/hm2，自然含水率为66.95%～114.54%，柏木林地枯落物积存量与自然含水率均随去除强度的加强减小，去除枯落物降低了其持水保水能力。

(2)表层土壤内，土壤密度为1.11～1.15 g/cm3，亚表层土壤密度为1.18～1.27 g/cm3，亚表层土壤密度高于表层。全去除枯落物条件下表层土壤密度均显著高于半去除和未去除，亚表层土壤密度随枯落物去除强度的加强呈不断增大的趋势。

(3)随枯落物去除强度的加强，总孔隙度和毛管孔隙度均显著降低，非毛管孔隙度增大。土壤总孔隙度与毛管孔隙度总体呈现出随枯落物去除强度加强而逐渐减小的趋势，而毛管孔隙度则与之相反。

(4)表层土壤饱和持水量均值在353.07～458.96 g/kg，毛管持水量均值在233.27～357.17 g/kg，田间持水量均值在218.80～343.96 g/kg，大小顺序均为未去除>半去除>全去除，亚表层也一致。随枯落物去除强度的减小，林下土壤各持水量显著增大，与枯落物去除强度减弱呈显著正相关。