杂交相思、巨尾桉及其混交林水源涵养能力比较

曹艳云, 彭玉华, 何琴飞, 黄志玲, 欧芷阳, 吴秉堃, 黄瑞基

(1.广西壮族自治区林业科学研究院,广西 南宁 530002;2.重庆保绿丰生物科技有限公司,重庆 400020)

森林生态系统水源涵养功能是森林与水的相互作用在生态系统服务领域的集中体现[1-6],主要体现在林冠层、枯落物层和土壤层等对降水进行再分配的过程上[7-9]。森林水源涵养量占陆地生态系统水源涵养总量的60.8%[10],而枯落物层和土壤层的水源涵养量占森林水源涵养总量的85%[11-12]。枯落物层作为森林水源涵养功能的主要层次,具有较强的截流和蓄水的性能,其截流和持水量是自身干重的2～5倍,在阻延地表径流、抑制土壤蒸发、改善土壤理化性质等方面发挥作用[8]。土壤层作为森林涵养水源的主体,能调节90%的大气降水,其水分贮存和渗透是反映森林水文效应的重要参数[13-15]。枯落物的产生和分解受森林类型[16-17]、林分结构[18-19]、林龄[20]等林分自身结构诸多因子的共同影响,并通过调节物质周转和养分归还使土壤理化性质发生变化[21],从而影响土壤的水源涵养能力。因此,研究不同林分类型的枯落物和土壤水源涵养能力差异,对人工林水源涵养能力提质增效具有重要意义。

巨尾桉(Eucalyptusgrandis×E.urophylla)是目前南方发展短周期工业原料林的重要树种,具有适应性强、生长迅速、经营周期短且经济效益高等特点,但在多代连栽和高强度经营下,存在土壤退化、截留水分弱等生态问题[22]。已有学者尝试通过改变经营模式解决这些生态问题[23-24]。杂交相思(Acaciamangium×A.auriculiformis)不仅具有速生、适应性强、出材率高、经营周期短且经济效益高等特点,还具有枯落物多、有固氮能力等优点[25],是作为桉树轮作或混交造林的好树种。目前,有关杂交相思、巨尾桉及其混交林在相似条件下营林的研究仍处于探索阶段,尚未见相关水源涵养功能差异的报道。为此,本研究比较了杂交相思纯林和巨尾桉纯林及其混交林枯落物和土壤的水源涵养能力,以期为南方短周期用材林可持续经营提供参考。

1 研究区概况

试验地位于广西陆川县(110°16′E,22°05′N),地处亚热带季风气候区,海拔约101.5 m;光热充足,年均气温21.7 ℃;降水春夏多、秋冬少,雨量充沛,年均降雨量1 900 mm,相对湿度80%左右;干湿季节明显,全年无霜期高达359 d,偶有霜雪。土壤类型为第四纪红土发育而成的赤红壤,土层厚80 cm以上,肥力中等。

2 研究方法

2.1 试验设计

在立地条件、营林措施基本一致的林地,选择林龄(均为2018年5月造林)与造林密度一致(种植密度2 m×3 m,1 650株·hm-2)、长势相近的杂交相思纯林、巨尾桉纯林及其混交林,共4种林分(表1)。每个林分设置3块20 m×20 m的样地,共12个样地。对样地内的乔木树种进行每木检尺,实测胸径、树高、郁闭度等林分因子。

表1 参试林分树种组成及生长指标Table 1 Species composition and growth index of tested stands

2.2 枯落物的调查及测定

2.2.1 枯落物采集 2022年6月底,在每个样地内按“S”形设置5个50 cm×50 cm收集点,分别按未分解、半分解标准收集枯落物,装入样品袋并称质量。

2.2.2 枯落物持水能力的测定 采用室内浸泡法。在80 ℃下烘至恒定质量,称其干质量。将烘干后的枯落物取部分称量后装入尼龙网袋,并在清水容器中浸泡24 h,捞起后放置至枯落物不滴水时称质量。按白云星等[21]、彭玉华等[15]的方法计算其自然含水率、最大持水率、最大持水量、有效拦蓄率和有效拦蓄量等。

2.3 土壤的调查及测定

2.3.1 土样采集 采用环刀取样分析法。2022年6月底,分别在纯林样地的行间正中、混交林样地两树种行间正中挖取1个80 cm深土壤剖面,在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土层分左、中、右采集环刀、铝盒土样,带回实验室分析。

2.3.2 测定方法 参照《森林土壤水分—物理性质的测定:LY/T 1215—1999》[26]测定土壤的持水性状与物理性状。

2.4 水源涵养综合评价

利用坐标综合评定法[21],对多个不同量纲指标进行综合评价,以评定不同类型林分的水源涵养能力差异。

2.5 数据分析

运用Excel 2010进行数据处理及制作图表。利用SPSS 19.0进行单因素方差分析(one-way ANOVA),采用最小显著法(LSD)检验其差异显著性。

3 结果与分析

3.1 枯落物蓄积量及其水文效应

3.1.1 蓄积量 由图1可见,4种林分枯落物蓄积总量在5.39～9.81 t·hm-2之间,大小依次为:杂交相思纯林>1杂交相思×1巨尾桉>2杂交相思×2巨尾桉>巨尾桉纯林。其中,杂交相思纯林的枯落物蓄积总量显著高于巨尾桉纯林。由图1还可见,4种林分的未分解层和半分解层枯落物蓄积量差异不显著。其中,杂交相思纯林和1杂交相思×1巨尾桉半分解层枯落物蓄积量大于未分解层,巨尾桉纯林未分解层枯落物蓄积量大于半分解层,2杂交相思×2巨尾桉枯落物半分解层和未分解层蓄积量基本相同。

不同小写字母表示不同林分之间存在显著差异(P<0.05)。图1 杂交相思、巨尾桉及其混交林的枯落物蓄积量Figure 1 Litter accumulation in monocultures of Acacia and Eucalyptus and their mixed forests

3.1.2 持水能力 从图2可见,4种林分枯落物自然含水率平均值在12.00%～14.94%之间,大小依次为:巨尾桉纯林>2杂交相思×2巨尾桉>杂交相思纯林>1杂交相思×1巨尾桉。巨尾桉纯林枯落物自然含水率平均值显著高于1杂交相思×1巨尾桉、杂交相思纯林。由图2还可见,4种林分的未分解层枯落物自然含水率差异不显著,巨尾桉纯林半分解层枯落物自然含水率显著高于其他3种林分。不同林分枯落物的持水能力见表2。由表2可见,4种林分枯落物的最大持水率平均值在149.63%～174.11%之间,最大持水总量在7.55～17.48 t·hm-2之间,两者大小都依次为:杂交相思纯林>1杂交相思×1巨尾桉>2杂交相思×2巨尾桉>巨尾桉纯林。杂交相思纯林半分解层枯落物最大持水率、未分解层枯落物最大持水量以及最大持水总量显著大于巨尾桉纯林。

不同小写字母表示不同林分之间存在显著差异(P<0.05)。图2 杂交相思、巨尾桉及其混交林的枯落物自然含水率Figure 2 Natural water content in litters from monocultures of Acacia and Eucalyptus and their mixed forests

表2 杂交相思、巨尾桉及其混交林枯落物的持水能力比较1)Table 2 Comparison on water-holding capacity of litters from monocultures of Acacia and Eucalyptus and their mixed forests

3.1.3 拦蓄能力 由表3可知,4种林分枯落物拦蓄能力有差别,平均有效拦蓄率在114.49%～137.59%之间、有效拦蓄总量在5.74～13.80 t·hm-2之间,大小都依次为:杂交相思纯林>1杂交相思×1巨尾桉>2杂交相思×2巨尾桉>巨尾桉纯林。其中,杂交相思纯林半分解层枯落物有效拦蓄率显著大于2杂交相思×2巨尾桉和巨尾桉纯林,杂交相思纯林枯落物有效拦蓄总量显著大于巨尾桉纯林。

表3 杂交相思、巨尾桉及其混交林枯落物的拦蓄能力比较1)Table 3 Comparison on retention ability of litters from monocultures of Acacia and Eucalyptus and their mixed forests

3.2 土壤层的水文效应

3.2.1 物理特征 从图3A可见,1杂交相思×1巨尾桉林分土壤容重平均值最大,显著高于其他3种林分类型。在0～20 cm土层,杂交相思纯林土壤容重显著低于其他3种林分;20～80 cm土层,1杂交相思×1巨尾桉林分的土壤容重均显著高于其他林分。各林分土壤容重随着土层加深而加大,不同林分显著加大出现在不同的土层,1杂交相思×1巨尾桉林分在20～40 cm土层、杂交相思纯林在40～60 cm土层、巨尾桉纯林在60～80 cm土层显著增大,而2杂交相思×2巨尾桉土壤容重增幅很小,至60～80 cm土层仅比0～20 cm土层增加0.017 9 g·cm-3。

A.土壤容重;B.总孔隙度;C.毛管孔隙度;D.非毛管孔隙度。不同小写字母表示同一土层不同林分类型间存在显著差异(P<0.05),不同大写字母表示同一林分类型不同土层间存在显著差异(P<0.05)。图3 杂交相思、巨尾桉及其混交林的土壤容重与土壤孔隙度Figure 3 Soil bulk density and soil porosity of monocultures of Acacia and Eucalyptus and their mixed forests

从图3D可见,4种林分非毛管孔隙度平均值差异不显著;2杂交相思×2巨尾桉林分的土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度平均值均最大,1杂交相思×1巨尾桉林分的土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度平均值均最小(图3B、3C)。在0～20 cm土层,杂交相思纯林的总孔隙度、毛管孔隙度最大,且与1杂交相思×1巨尾桉林分的差异显著。在20～40 cm土层,巨尾桉纯林的总孔隙度、毛管孔隙度最大,且显著大于1杂交相思×1巨尾桉,1杂交相思×1巨尾桉的总孔隙度、毛管孔隙度显著小于其他3种林分。在40～60 cm和60～80 cm土层,2杂交相思×2巨尾桉林分的总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度最大,且总孔隙度、毛管孔隙度显著大于1杂交相思×1巨尾桉和杂交相思纯林。随着土层加深,各林分总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均呈现出“S”型曲线变化趋势。

3.2.2 持蓄水特征 土壤持水特性直接反映土壤的蓄水保水能力,持水特性越好,则保蓄水分的能力越强[15]。从图4可见,4种林分持水能力差异明显。杂交相思纯林土壤的自然含水率平均值最大(图4A),显著大于巨尾桉纯林和1杂交相思×1巨尾桉林分;2杂交相思×2巨尾桉林分土壤的最大持水量、毛管持水量、有效持水量总量最大,1杂交相思×1巨尾桉林分土壤则显著低于其他3种林分。在0～20 cm土层,杂交相思纯林的持水能力均显著高于其他林分。在20～40 cm土层,杂交相思纯林的自然含水率显著高于巨尾桉纯林和1杂交相思×1巨尾桉,2杂交相思×2巨尾桉显著高于1杂交相思×1巨尾桉;1杂交相思×1巨尾桉的最大持水量、毛管持水量、有效持水量均显著小于其他林分。在40～60 cm土层,2杂交相思×2巨尾桉林分的持水能力显著高于杂交相思纯林和1杂交相思×1巨尾桉,巨尾桉纯林持水能力显著高于1杂交相思×1巨尾桉。在60～80 cm土层,1杂交相思×1巨尾桉的持水能力均显著小于其他林分;2杂交相思×2巨尾桉的最大持水量、毛管持水量、有效持水量均显著高于其他林分,杂交相思纯林和巨尾桉纯林的最大持水量、毛管持水量、有效持水量显著高于1杂交相思×1巨尾桉。以上说明,随着土层加深,1杂交相思×1巨尾桉、杂交相思纯林、巨尾桉纯林的最大持水量、毛管持水量、有效持水量呈现出逐渐减小的变化趋势;1杂交相思×1巨尾桉和杂交相思纯林的自然含水率呈先降低后升高的变化趋势,2杂交相思×2巨尾桉和巨尾桉纯林的自然含水率呈先升高后降低的变化趋势;2杂交相思×2巨尾桉的最大持水量、毛管持水量、有效持水量呈先降低后升高再降低的“S”型曲线的变化趋势。

A.自然含水率;B.最大持水量;C.毛管持水量;D.有效持水量。不同小写字母表示同一土层不同林分类型间存在显著差异(P<0.05),不同大写字母表示同一林分类型不同土层间存在显著差异(P<0.05)。图4 杂交相思、巨尾桉及其混交林土壤持水特征Figure 4 Soil water-holding characteristics of monocultures of Acacia and Eucalyptus and their mixed forests

3.3 水源涵养能力综合评价

3.1、3.2分析表明,4种林分的量纲指标表现出不同的变化规律,不利于不同林分枯落物和土壤水源涵养功能的评价,因此本研究进一步采用了坐标综合评价法[21]。白云星等[21]研究表明,林分枯落物和土壤水源涵养能力的综合指标越小,则该林分水源涵养能力越强。杂交相思、巨尾桉及其混交林枯落物和土壤水源涵养能力评价结果见表4。从表4可见,4种林分的枯落物和土壤水源涵养能力差异明显,表现为:杂交相思纯林>2杂交相思×2巨尾桉>1杂交相思×1巨尾桉>巨尾桉纯林。杂交相思纯林的枯落物和土壤水源涵养能力较好,巨尾桉纯林的枯落物和土壤水源涵养能力相对较差。

表4 杂交相思、巨尾桉及其混交林各指标到标准点的距离及水源涵养能力综合评价Table 4 Distance between evaluated index and standard point and comprehensive evaluation of soil water-holding capacity of monocultures of Acacia and Eucalyptus and their mixed forests

4 讨论与结论

4.1 不同林分枯落物的蓄积量与持水特性差异

枯落物在森林生态水文功能中具有独特作用,能避免降水和地上径流与土壤直接接触,减少土壤侵蚀,平均削减9.1%的大气降水总动能[18,27-28]。本研究表明,不同林分的枯落物蓄积量表现有差异,以杂交相思纯林枯落物最大、巨尾桉纯林最小。这与林祖荣[29]得出的混交林枯落物蓄积量大于纯林的结论不一致,但与巨尾桉纯林枯落物蓄积量最小的结论相一致。这可能与树种特性有关。桉树树干通直,自然整枝力强、冠层稀疏、分枝小、叶数量少[30],导致其枯落物蓄积量较小。杂交相思纯林、1杂交相思×1巨尾桉、2杂交相思×2巨尾桉的枯落物蓄积量均呈现半分解层大于未分解层,这与张益等[31]的研究结果相似,因为枯落物半分解层包含了枯落物的多年累积量;而巨尾桉纯林与之相反,这与巨尾桉叶片表面含有一层蜡质,不易分解[32]有关。枯落物持蓄水特性受到树种特性、分解程度等因素的影响[12]。本研究表明,枯落物自然含水率在不同林分间存在显著差异,巨尾桉纯林最大、1杂交相思×1巨尾桉最小,这可能由于桉树叶片厚革质且表面含有一层蜡质,水分不易挥发所致。本研究中,不同林分枯落物持蓄水特性与枯落物蓄积量大小排序相似,均以杂交相思纯林最大、巨尾桉纯林最小,这与枯落物蓄积量及其分解状况有关。杂交相思纯林枯落物蓄积量显著大于巨尾桉纯林,其半分解层也显著大于巨尾桉纯林。一般蓄积量越高,枯落物持蓄水能力越强[27],半分解层处于部分分解状态,在相同质量的情况下表面积更大,则更易吸持水分[31]。

4.2 不同林分土壤物理特性与持蓄水特性差异

土壤容重是土壤质地、结构、孔隙等物理性状的综合反映,受林分土壤发育状况的影响,反映土壤通透性和根系延展阻力的大小,关系到森林土壤持水能力。本研究表明,4种林分土壤容重均随着土层加深而增大,这与程唱等[18]、张益等[31]的研究结果一致,这是因为表层是动植物活动最频繁的地方,枯落物分解、动物粪便产生的营养物质可改善表层土壤的孔隙结构[21,33]。有研究表明,枯落物分解使得土壤表层形成土壤团粒结构,导致土壤孔隙度增大,孔隙度随着土层加深而减小[13,18,31]。本研究并未呈现上述规律,1杂交相思×1巨尾桉和巨尾桉纯林的总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和杂交相思纯林的总孔隙度、毛管孔隙度以及2杂交相思×2巨尾桉的非毛管孔隙度虽然土壤深层比表层(0～20 cm)小,但它们的减小变化趋势不是线性关系,而是呈现各种的“S”型曲线关系。这可能与树种根深特性有关,杂交相思根系大部分集中在表层(0～40 cm)[34],桉树根系的主要部分可以深至1.5 m[35],根系在土壤中穿插、挤压、释放分泌物以及腐朽物,有利于土壤颗粒的胶结和毛管孔隙的形成[36]。本研究中,杂交相思纯林的总孔隙度和毛管孔隙度在表层(0～40 cm土层)均大于其他3种林分佐证了这一点。混交比例大的2杂交相思×2巨尾桉林分的土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度平均值最大,也验证了树种根深对土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度的影响,这是因为巨尾桉与杂交相思混交,其根系在各层分布较均匀,土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度在不同土层波动较小。

林分土壤自然含水率受树种、降水、林分郁闭度、光照、枯落物蓄积量等影响[12]。杂交相思纯林林分郁闭度大、枯落物蓄积量大,对林地水分的保护作用强,因此杂交相思纯林的自然含水率最高。巨尾桉纯林因树冠稀疏导致郁闭度小、枯落物蓄积量小,林地水分易蒸发,因此,种植巨尾桉的林分自然含水率低于杂交相思纯林。土壤容重和孔隙度是决定土壤水源涵养效应的重要因素,容重和孔隙度不同反映了土壤层持水能力的差异[12]。杂交相思纯林、巨尾桉纯林、1杂交相思×1巨尾桉的最大持水量、毛管持水量、有效持水量随着土层加深呈现逐渐减小趋势,赵阳等[12]、张强等[37]也得出相似的变化规律;2杂交相思×2巨尾桉的最大持水量、毛管持水量、有效持水量随着土层加深呈曲线变化趋势;杂交相思纯林的最大持水量、毛管持水量、有效持水量在表层(0～40 cm土层)均大于其他3种林分;2杂交相思×2巨尾桉的最大持水量、毛管持水量、有效持水量均值最大,这些变化部分与土壤容重变化相反,部分与孔隙度变化相似。

综上分析,不同类型的林分水热再分配存在差异,枯落物组成及分解程度、土壤质地及结构各不相同,导致其持蓄水能力也存在差异。本研究利用坐标法对4种林分水源涵养性能进行综合评价表明,杂交相思纯林综合水源涵养性能最好,其次是2杂交相思×2巨尾桉。杂交相思纯林林分的水源涵养能力大于巨尾桉纯林、杂交相思与巨尾桉混交林的林分,杂交相思与巨尾桉混交林林分水源涵养能力大于巨尾桉纯林,表明杂交相思可作为桉树轮作或混交造林的树种。