雜交相思、巨尾桉及其混交林水源涵養能力比較

曹艷云, 彭玉華, 何琴飛, 黃志玲, 歐芷陽, 吳秉堃, 黃瑞基

(1.廣西壯族自治區林業科學研究院,廣西 南寧 530002;2.重慶保綠豐生物科技有限公司,重慶 400020)

森林生態系統水源涵養功能是森林與水的相互作用在生態系統服務領域的集中體現[1-6],主要體現在林冠層、枯落物層和土壤層等對降水進行再分配的過程上[7-9]。森林水源涵養量占陸地生態系統水源涵養總量的60.8%[10],而枯落物層和土壤層的水源涵養量占森林水源涵養總量的85%[11-12]?？萋湮飳幼鳛樯炙春B功能的主要層次,具有較強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,在阻延地表徑流、抑制土壤蒸發、改善土壤理化性質等方面發揮作用[8]。土壤層作為森林涵養水源的主體,能調節90%的大氣降水,其水分貯存和滲透是反映森林水文效應的重要參數[13-15]?？萋湮锏漠a生和分解受森林類型[16-17]、林分結構[18-19]、林齡[20]等林分自身結構諸多因子的共同影響,并通過調節物質周轉和養分歸還使土壤理化性質發生變化[21],從而影響土壤的水源涵養能力。因此,研究不同林分類型的枯落物和土壤水源涵養能力差異,對人工林水源涵養能力提質增效具有重要意義。

巨尾桉(Eucalyptusgrandis×E.urophylla)是目前南方發展短周期工業原料林的重要樹種,具有適應性強、生長迅速、經營周期短且經濟效益高等特點,但在多代連栽和高強度經營下,存在土壤退化、截留水分弱等生態問題[22]。已有學者嘗試通過改變經營模式解決這些生態問題[23-24]。雜交相思(Acaciamangium×A.auriculiformis)不僅具有速生、適應性強、出材率高、經營周期短且經濟效益高等特點,還具有枯落物多、有固氮能力等優點[25],是作為桉樹輪作或混交造林的好樹種。目前,有關雜交相思、巨尾桉及其混交林在相似條件下營林的研究仍處于探索階段,尚未見相關水源涵養功能差異的報道。為此,本研究比較了雜交相思純林和巨尾桉純林及其混交林枯落物和土壤的水源涵養能力,以期為南方短周期用材林可持續經營提供參考。

1 研究區概況

試驗地位于廣西陸川縣(110°16′E,22°05′N),地處亞熱帶季風氣候區,海拔約101.5 m;光熱充足,年均氣溫21.7 ℃;降水春夏多、秋冬少,雨量充沛,年均降雨量1 900 mm,相對濕度80%左右;干濕季節明顯,全年無霜期高達359 d,偶有霜雪。土壤類型為第四紀紅土發育而成的赤紅壤,土層厚80 cm以上,肥力中等。

2 研究方法

2.1 試驗設計

在立地條件、營林措施基本一致的林地,選擇林齡(均為2018年5月造林)與造林密度一致(種植密度2 m×3 m,1 650株·hm-2)、長勢相近的雜交相思純林、巨尾桉純林及其混交林,共4種林分(表1)。每個林分設置3塊20 m×20 m的樣地,共12個樣地。對樣地內的喬木樹種進行每木檢尺,實測胸徑、樹高、郁閉度等林分因子。

表1 參試林分樹種組成及生長指標Table 1 Species composition and growth index of tested stands

2.2 枯落物的調查及測定

2.2.1 枯落物采集 2022年6月底,在每個樣地內按“S”形設置5個50 cm×50 cm收集點,分別按未分解、半分解標準收集枯落物,裝入樣品袋并稱質量。

2.2.2 枯落物持水能力的測定 采用室內浸泡法。在80 ℃下烘至恒定質量,稱其干質量。將烘干后的枯落物取部分稱量后裝入尼龍網袋,并在清水容器中浸泡24 h,撈起后放置至枯落物不滴水時稱質量。按白云星等[21]、彭玉華等[15]的方法計算其自然含水率、最大持水率、最大持水量、有效攔蓄率和有效攔蓄量等。

2.3 土壤的調查及測定

2.3.1 土樣采集 采用環刀取樣分析法。2022年6月底,分別在純林樣地的行間正中、混交林樣地兩樹種行間正中挖取1個80 cm深土壤剖面,在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土層分左、中、右采集環刀、鋁盒土樣,帶回實驗室分析。

2.3.2 測定方法 參照《森林土壤水分—物理性質的測定:LY/T 1215—1999》[26]測定土壤的持水性狀與物理性狀。

2.4 水源涵養綜合評價

利用坐標綜合評定法[21],對多個不同量綱指標進行綜合評價,以評定不同類型林分的水源涵養能力差異。

2.5 數據分析

運用Excel 2010進行數據處理及制作圖表。利用SPSS 19.0進行單因素方差分析(one-way ANOVA),采用最小顯著法(LSD)檢驗其差異顯著性。

3 結果與分析

3.1 枯落物蓄積量及其水文效應

3.1.1 蓄積量 由圖1可見,4種林分枯落物蓄積總量在5.39～9.81 t·hm-2之間,大小依次為:雜交相思純林>1雜交相思×1巨尾桉>2雜交相思×2巨尾桉>巨尾桉純林。其中,雜交相思純林的枯落物蓄積總量顯著高于巨尾桉純林。由圖1還可見,4種林分的未分解層和半分解層枯落物蓄積量差異不顯著。其中,雜交相思純林和1雜交相思×1巨尾桉半分解層枯落物蓄積量大于未分解層,巨尾桉純林未分解層枯落物蓄積量大于半分解層,2雜交相思×2巨尾桉枯落物半分解層和未分解層蓄積量基本相同。

不同小寫字母表示不同林分之間存在顯著差異(P<0.05)。圖1 雜交相思、巨尾桉及其混交林的枯落物蓄積量Figure 1 Litter accumulation in monocultures of Acacia and Eucalyptus and their mixed forests

3.1.2 持水能力 從圖2可見,4種林分枯落物自然含水率平均值在12.00%～14.94%之間,大小依次為:巨尾桉純林>2雜交相思×2巨尾桉>雜交相思純林>1雜交相思×1巨尾桉。巨尾桉純林枯落物自然含水率平均值顯著高于1雜交相思×1巨尾桉、雜交相思純林。由圖2還可見,4種林分的未分解層枯落物自然含水率差異不顯著,巨尾桉純林半分解層枯落物自然含水率顯著高于其他3種林分。不同林分枯落物的持水能力見表2。由表2可見,4種林分枯落物的最大持水率平均值在149.63%～174.11%之間,最大持水總量在7.55～17.48 t·hm-2之間,兩者大小都依次為:雜交相思純林>1雜交相思×1巨尾桉>2雜交相思×2巨尾桉>巨尾桉純林。雜交相思純林半分解層枯落物最大持水率、未分解層枯落物最大持水量以及最大持水總量顯著大于巨尾桉純林。

不同小寫字母表示不同林分之間存在顯著差異(P<0.05)。圖2 雜交相思、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 雜交相思、巨尾桉及其混交林枯落物的持水能力比較1)Table 2 Comparison on water-holding capacity of litters from monocultures of Acacia and Eucalyptus and their mixed forests

3.1.3 攔蓄能力 由表3可知,4種林分枯落物攔蓄能力有差別,平均有效攔蓄率在114.49%～137.59%之間、有效攔蓄總量在5.74～13.80 t·hm-2之間,大小都依次為:雜交相思純林>1雜交相思×1巨尾桉>2雜交相思×2巨尾桉>巨尾桉純林。其中,雜交相思純林半分解層枯落物有效攔蓄率顯著大于2雜交相思×2巨尾桉和巨尾桉純林,雜交相思純林枯落物有效攔蓄總量顯著大于巨尾桉純林。

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

3.2 土壤層的水文效應

3.2.1 物理特征 從圖3A可見,1雜交相思×1巨尾桉林分土壤容重平均值最大,顯著高于其他3種林分類型。在0～20 cm土層,雜交相思純林土壤容重顯著低于其他3種林分;20～80 cm土層,1雜交相思×1巨尾桉林分的土壤容重均顯著高于其他林分。各林分土壤容重隨著土層加深而加大,不同林分顯著加大出現在不同的土層,1雜交相思×1巨尾桉林分在20～40 cm土層、雜交相思純林在40～60 cm土層、巨尾桉純林在60～80 cm土層顯著增大,而2雜交相思×2巨尾桉土壤容重增幅很小,至60～80 cm土層僅比0～20 cm土層增加0.017 9 g·cm-3。

A.土壤容重;B.總孔隙度;C.毛管孔隙度;D.非毛管孔隙度。不同小寫字母表示同一土層不同林分類型間存在顯著差異(P<0.05),不同大寫字母表示同一林分類型不同土層間存在顯著差異(P<0.05)。圖3 雜交相思、巨尾桉及其混交林的土壤容重與土壤孔隙度Figure 3 Soil bulk density and soil porosity of monocultures of Acacia and Eucalyptus and their mixed forests

從圖3D可見,4種林分非毛管孔隙度平均值差異不顯著;2雜交相思×2巨尾桉林分的土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度平均值均最大,1雜交相思×1巨尾桉林分的土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度平均值均最小(圖3B、3C)。在0～20 cm土層,雜交相思純林的總孔隙度、毛管孔隙度最大,且與1雜交相思×1巨尾桉林分的差異顯著。在20～40 cm土層,巨尾桉純林的總孔隙度、毛管孔隙度最大,且顯著大于1雜交相思×1巨尾桉,1雜交相思×1巨尾桉的總孔隙度、毛管孔隙度顯著小于其他3種林分。在40～60 cm和60～80 cm土層,2雜交相思×2巨尾桉林分的總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度最大,且總孔隙度、毛管孔隙度顯著大于1雜交相思×1巨尾桉和雜交相思純林。隨著土層加深,各林分總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均呈現出“S”型曲線變化趨勢。

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,則保蓄水分的能力越強[15]。從圖4可見,4種林分持水能力差異明顯。雜交相思純林土壤的自然含水率平均值最大(圖4A),顯著大于巨尾桉純林和1雜交相思×1巨尾桉林分;2雜交相思×2巨尾桉林分土壤的最大持水量、毛管持水量、有效持水量總量最大,1雜交相思×1巨尾桉林分土壤則顯著低于其他3種林分。在0～20 cm土層,雜交相思純林的持水能力均顯著高于其他林分。在20～40 cm土層,雜交相思純林的自然含水率顯著高于巨尾桉純林和1雜交相思×1巨尾桉,2雜交相思×2巨尾桉顯著高于1雜交相思×1巨尾桉;1雜交相思×1巨尾桉的最大持水量、毛管持水量、有效持水量均顯著小于其他林分。在40～60 cm土層,2雜交相思×2巨尾桉林分的持水能力顯著高于雜交相思純林和1雜交相思×1巨尾桉,巨尾桉純林持水能力顯著高于1雜交相思×1巨尾桉。在60～80 cm土層,1雜交相思×1巨尾桉的持水能力均顯著小于其他林分;2雜交相思×2巨尾桉的最大持水量、毛管持水量、有效持水量均顯著高于其他林分,雜交相思純林和巨尾桉純林的最大持水量、毛管持水量、有效持水量顯著高于1雜交相思×1巨尾桉。以上說明,隨著土層加深,1雜交相思×1巨尾桉、雜交相思純林、巨尾桉純林的最大持水量、毛管持水量、有效持水量呈現出逐漸減小的變化趨勢;1雜交相思×1巨尾桉和雜交相思純林的自然含水率呈先降低后升高的變化趨勢,2雜交相思×2巨尾桉和巨尾桉純林的自然含水率呈先升高后降低的變化趨勢;2雜交相思×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”型曲線的變化趨勢。

A.自然含水率;B.最大持水量;C.毛管持水量;D.有效持水量。不同小寫字母表示同一土層不同林分類型間存在顯著差異(P<0.05),不同大寫字母表示同一林分類型不同土層間存在顯著差異(P<0.05)。圖4 雜交相思、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 水源涵養能力綜合評價

3.1、3.2分析表明,4種林分的量綱指標表現出不同的變化規律,不利于不同林分枯落物和土壤水源涵養功能的評價,因此本研究進一步采用了坐標綜合評價法[21]。白云星等[21]研究表明,林分枯落物和土壤水源涵養能力的綜合指標越小,則該林分水源涵養能力越強。雜交相思、巨尾桉及其混交林枯落物和土壤水源涵養能力評價結果見表4。從表4可見,4種林分的枯落物和土壤水源涵養能力差異明顯,表現為:雜交相思純林>2雜交相思×2巨尾桉>1雜交相思×1巨尾桉>巨尾桉純林。雜交相思純林的枯落物和土壤水源涵養能力較好,巨尾桉純林的枯落物和土壤水源涵養能力相對較差。

表4 雜交相思、巨尾桉及其混交林各指標到標準點的距離及水源涵養能力綜合評價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 討論與結論

4.1 不同林分枯落物的蓄積量與持水特性差異

枯落物在森林生態水文功能中具有獨特作用,能避免降水和地上徑流與土壤直接接觸,減少土壤侵蝕,平均削減9.1%的大氣降水總動能[18,27-28]。本研究表明,不同林分的枯落物蓄積量表現有差異,以雜交相思純林枯落物最大、巨尾桉純林最小。這與林祖榮[29]得出的混交林枯落物蓄積量大于純林的結論不一致,但與巨尾桉純林枯落物蓄積量最小的結論相一致。這可能與樹種特性有關。桉樹樹干通直,自然整枝力強、冠層稀疏、分枝小、葉數量少[30],導致其枯落物蓄積量較小。雜交相思純林、1雜交相思×1巨尾桉、2雜交相思×2巨尾桉的枯落物蓄積量均呈現半分解層大于未分解層,這與張益等[31]的研究結果相似,因為枯落物半分解層包含了枯落物的多年累積量;而巨尾桉純林與之相反,這與巨尾桉葉片表面含有一層蠟質,不易分解[32]有關?？萋湮锍中钏匦允艿綐浞N特性、分解程度等因素的影響[12]。本研究表明,枯落物自然含水率在不同林分間存在顯著差異,巨尾桉純林最大、1雜交相思×1巨尾桉最小,這可能由于桉樹葉片厚革質且表面含有一層蠟質,水分不易揮發所致。本研究中,不同林分枯落物持蓄水特性與枯落物蓄積量大小排序相似,均以雜交相思純林最大、巨尾桉純林最小,這與枯落物蓄積量及其分解狀況有關。雜交相思純林枯落物蓄積量顯著大于巨尾桉純林,其半分解層也顯著大于巨尾桉純林。一般蓄積量越高,枯落物持蓄水能力越強[27],半分解層處于部分分解狀態,在相同質量的情況下表面積更大,則更易吸持水分[31]。

4.2 不同林分土壤物理特性與持蓄水特性差異

土壤容重是土壤質地、結構、孔隙等物理性狀的綜合反映,受林分土壤發育狀況的影響,反映土壤通透性和根系延展阻力的大小,關系到森林土壤持水能力。本研究表明,4種林分土壤容重均隨著土層加深而增大,這與程唱等[18]、張益等[31]的研究結果一致,這是因為表層是動植物活動最頻繁的地方,枯落物分解、動物糞便產生的營養物質可改善表層土壤的孔隙結構[21,33]。有研究表明,枯落物分解使得土壤表層形成土壤團粒結構,導致土壤孔隙度增大,孔隙度隨著土層加深而減小[13,18,31]。本研究并未呈現上述規律,1雜交相思×1巨尾桉和巨尾桉純林的總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和雜交相思純林的總孔隙度、毛管孔隙度以及2雜交相思×2巨尾桉的非毛管孔隙度雖然土壤深層比表層(0～20 cm)小,但它們的減小變化趨勢不是線性關系,而是呈現各種的“S”型曲線關系。這可能與樹種根深特性有關,雜交相思根系大部分集中在表層(0～40 cm)[34],桉樹根系的主要部分可以深至1.5 m[35],根系在土壤中穿插、擠壓、釋放分泌物以及腐朽物,有利于土壤顆粒的膠結和毛管孔隙的形成[36]。本研究中,雜交相思純林的總孔隙度和毛管孔隙度在表層(0～40 cm土層)均大于其他3種林分佐證了這一點?；旖槐壤蟮?雜交相思×2巨尾桉林分的土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度平均值最大,也驗證了樹種根深對土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度的影響,這是因為巨尾桉與雜交相思混交,其根系在各層分布較均勻,土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度在不同土層波動較小。

林分土壤自然含水率受樹種、降水、林分郁閉度、光照、枯落物蓄積量等影響[12]。雜交相思純林林分郁閉度大、枯落物蓄積量大,對林地水分的保護作用強,因此雜交相思純林的自然含水率最高。巨尾桉純林因樹冠稀疏導致郁閉度小、枯落物蓄積量小,林地水分易蒸發,因此,種植巨尾桉的林分自然含水率低于雜交相思純林。土壤容重和孔隙度是決定土壤水源涵養效應的重要因素,容重和孔隙度不同反映了土壤層持水能力的差異[12]。雜交相思純林、巨尾桉純林、1雜交相思×1巨尾桉的最大持水量、毛管持水量、有效持水量隨著土層加深呈現逐漸減小趨勢,趙陽等[12]、張強等[37]也得出相似的變化規律;2雜交相思×2巨尾桉的最大持水量、毛管持水量、有效持水量隨著土層加深呈曲線變化趨勢;雜交相思純林的最大持水量、毛管持水量、有效持水量在表層(0～40 cm土層)均大于其他3種林分;2雜交相思×2巨尾桉的最大持水量、毛管持水量、有效持水量均值最大,這些變化部分與土壤容重變化相反,部分與孔隙度變化相似。

綜上分析,不同類型的林分水熱再分配存在差異,枯落物組成及分解程度、土壤質地及結構各不相同,導致其持蓄水能力也存在差異。本研究利用坐標法對4種林分水源涵養性能進行綜合評價表明,雜交相思純林綜合水源涵養性能最好,其次是2雜交相思×2巨尾桉。雜交相思純林林分的水源涵養能力大于巨尾桉純林、雜交相思與巨尾桉混交林的林分,雜交相思與巨尾桉混交林林分水源涵養能力大于巨尾桉純林,表明雜交相思可作為桉樹輪作或混交造林的樹種。