不同造林模式桉树人工林凋落物和土壤水源涵养能力的差异.pdf

第36卷第2期2023年3月Vol.36No.2Mar.2023农业研究与应用AGRICULTURAL RESEARCH AND APPLICATION不同造林模式桉树人工林凋落物和土壤水源涵养能力的差异姚永广1，陈奎1，骆栋卿1，冯均祯1，黄选洪1，温宇力2，何斌2*（1广西国有高峰林场，广西南宁530001；2广西大学林学院，广西南宁530004）摘要：通过对尾巨桉人工林（纯林）、尾巨桉+杂交相思混交林模式A（水平分布排列1行桉树+1行相思树）、尾巨桉+杂交相思混交林模式B（纵向分布排列2列桉树+2列相思树）三种不同造林模式凋落物和土壤的水源涵养能力进行了比较分析。结果表明：（1）三种林分凋落物现存量为1.873.52thm-2，表现为混交模式A混交模式B桉树纯林；（2）凋落物最大持水量为5.059.12thm-2，有效拦蓄量为3.926.91thm-2，均表现为混交模式A混交模式B桉树纯林；（3）三种林分类型土壤容重均值为1.2971.340gcm-3，表现为桉树纯林最大，混交模式B最小；土壤非毛管孔隙度均值为5.02%6.61%，土壤总孔隙度均值为44.86%45.72%，均表现为混交模式B混交模式A桉树纯林；（4）三种林分土壤（060cm）最大持水量和有效持水量为891.80914.33thm-2和100.33132.07thm-2，均以混交模式B最大，桉树纯林最小。综合凋落物和土壤持水能力，混交模式B的水源涵养能力最强，其次是混交模式A，桉树纯林最弱。说明桉树与相思树混交林比桉树纯林具有更强的水源涵养能力，营造桉树混交林有利于改善林分生态。该研究结果为广西东南区域发展桉树混交林，促进桉树人工林可持续经营提供了参考依据。关键词：尾巨桉；杂交相思；混交模式；凋落物；土壤；水源涵养中图分类号：S792.39文献标志码：ADifference in Litter and Soil Water ConservationCapacity of Eucalyptus Plantations under DifferentAfforestation Models基金项目：广西壮族自治区林业局林业科技项目（桂林科研 2021 21号；桂林科研 2022ZC 第33号）。第一作者：姚永广（1975），男，大学本科，工程师，主要从事人工林高产栽培技术研究，E-mail：。*通信作者：何斌（1962），男，硕士，研究员，主要从事森林土壤、森林生态和森林培育研究，E-mail：。收稿日期：2023-02-02姚永广，陈奎，骆栋卿，等.不同造林模式桉树人工林凋落物和土壤水源涵养能力的差异 J.农业研究与应用，2023，36（2）：68-74.YAO Y G,CHEN K,LUO D Q,et al.Difference in Litter and Soil Water Conservation Capacity ofEucalyptus Plantations under Different Afforestation Models J.Agricultural Research and Application,2023,36(2):68-74.投稿网址:http:/Vol.36No.2农业研究与应用森林水源涵养功能是森林生态系统的重要功能之一1。森林生态系统通过林冠层、枯落物层和土壤层截持和贮存水源，将降水转化为地下径流，从而调节河川枯水期径流量2-3。枯落物层和土壤层分别作为森林水文效应第二和第三作用层，既是林地土壤有机质及养分的主要贮存库，直接参与生态系统的生物地球化学循环，而且在保持水土、涵养水源和维持生物多样性等方面都发挥着重要作用4。近年来，我国有关学者先后对不同区域各种林分类型水源涵养功能进行了大量研究4-9，表明不同森林类型因其树种组成、林龄和立地条件等不同，其枯落物层和土壤层水源涵养也存在差异。因此，开展不同造林模式人工林凋落物和土壤涵养水源能力的研究，揭示其水源涵养功能的差异，对经营管理上实施提质增效措施具有重要指导意义。桉树（Eucalyptusspp.）因其适应性强、生长快、经营周期短和经济效益高等特点，已成为我国南方地区重要的速生造林树种之一10-11。广西是我国最早引种桉树的省（区）之一，截至2020年年底，桉树种植面积超过 233万 hm2 10-11，种植面积和蓄积量均居全国第一位。但长期以来，我国的桉树种植主要采用纯林方式，且多数采用短周期多代连栽经营，经营强度过大，造成部分地区出现生物多样性减少和林地生产力下降等生态退化问题10-12，而营造桉树混交林是当前较为有效的YAO Yongguang1,CHEN Kui1,LUO Dongqing1,FENG Junzhen1,HUANG Xuanhong1,WEN Yuli2,HE Bin2*(1Guangxi National Gaofeng Forest Farm,Nanning,Guangxi 530001,China;2College of Forestry,Guangxi University,Nanning,Guangxi 530004,China)Abstract:Litter and soil water conservation capacity of plantations under three different patterns,Eucalyptus urophyllaE.grandis plantation(pure forest),E.urophyllaE.grandis+AcaciamangiumA.auriculiformis hybrid forest pattern A(horizontal distribution of horizontal arrangement 1 eucalypti row+1 acacia row)and E.urophyllaE.grandis+A.mangiumA.auriculiformishybrid forest pattern B(longitudinal distribution of 2 eucalyptus columns+2 acacia columns)werecompared,and the results showed that:(1)The standing litter of the three forest stands ranged from1.87 to 3.52 thm-2,following the order of mixed mode Amixed mode Bpure eucalyptus forest.(2)The maximum water capacity of litter was from 5.05 to 9.12 thm-2,and the effective storage capacity was from 3.92 to 6.91 thm-2,all of which followed the order of mixed mode Amixed mode Bpure eucalyptus forest;(3)Average soil bulk density of the three forest stands was from 1.297 to1.340 gcm-3,with pure eucalyptus forest as the largest and mixed mode B the smallest;the averagenon-capillary porosity of the soil was 5.02%-6.61%,and the total porosity of the soil was 44.86%-45.72%,following the order of mixed mode Bmixed mode Apure eucalyptus forest.(4)The maximum and effective soil water conservation capacity of the three forest stands(0-60cm)were 891.80-914.33 thm-2and 100.33-132.07 thm-2,respectively and mixed mode B had the highest soil capacityand pure eucalyptus forest had the lowest soil capacity.Considering litter and soil water conservation capacity,mixed mode B has the strongest water conservation capacity,followed by mixed modeA,and pure eucalyptus forest has the weakest.The mixed forest of eucalyptus and acacia has stronger water conservation ability than pure eucalyptus forest does,and creating a mixed eucalyptus forest is beneficial for improving ecology of forest.The research results provide a reference basis forthe development of eucalyptus mixed forests and the promotion of sustainable management of eucalyptus plantations in the southeastern region of Guangxi.Key words:Eucalyptus urophyllaE.grandis;hybrid Acacia mangiumA.auriculiformis;mixedmodel;litter;soil;water conservation69第36卷第2期农业研究与应用解决方法10-12。相思类树木因其生长快速、枝繁叶茂，且具有固氮作用，一度被广泛应用于桉树混交林的试验研究13-15。目前专家学者对桉树混交林的研究已有较多报道12-17，但主要集中在生长特性、生物量生产力、碳储量和土壤理化性质等方面，涉及到水源涵养功能方面的研究极少。本文以2种不同混交模式的尾巨桉与杂交相思树为研究对象，以尾巨桉纯林为对照，通过对三种造林模式的人工林枯落物层和土壤层持水性能的比较分析，揭示桉树-相思树混交林水源涵养功能特性，为桉树混交林可持续经营提供参考。1材料与方法1.1研究区自然概况研究区位于广西东南部的陆川县（E110411015，N2153223），属南亚热带季风气候，年平均温度21.7，年平均降雨量1900mm，年平均无霜期 359 d，年日照时数 14501650 h，相对湿度 80%以上。试验地位于该县清湖镇三水村，造林面积约25hm2，海拔80150m，成土母岩为砂岩，土壤以赤红壤为主，土壤厚度80120cm。林下植被层常见的植物有桃金娘（Rhodomyrtustomentosa）、毛 桐（Mallotus barbatus）、山 苍 子（Litsea cubeba）、铁 芒 箕（Dicranopteris dichotoma）、五节芒（Miscanthus floridulu）、蔓生锈竹（Microstegium vimineum）和东方乌毛蕨（Blechnumorientale）等。1.2研究方法1.2.1样地设置试验地前茬为桉树纯林，2017年底完成采伐后，经炼山后挖穴整地，种植穴规格为 50 cm50cm30cm。2018年6月开始新造林，共设置3种造林模式，分别是：（1）桉树纯林，造林密度为1395 株hm-2（株行距 1.8 m4 m）；（2）混交模式A，1行桉树（尾巨桉）+1行相思树（杂交相思）水平分布行状混交，株行距1.5m3m；（3）混交模式B，2列桉树（尾巨桉）+2列相思树（杂交相思）纵向分布列状混交，株行距3m1.5m。两种混交模式的造林密度均为2222株hm-2（混交比例尾巨桉杂交相思=11，桉树、相思树的种植密度各为1111株hm-2）。造林当年夏季和秋季各除草1次，第2、第3年的春季各除草1次，第一年夏季和第24年春季各施肥1次。2022年10月，在3种造林模式中选择立地条件（母岩和土壤类型相同，坡向、坡度、坡位和海拔高度）基本一致的地段，分别设置20m20m标准样地各3个，进行每木检尺，实测样地内树木胸径和树高等林分因子17。各样地概况见表1。表1样地概况Table 1 Survey of sample plots造林模式Afforestationmodel桉树纯林混交模式A混交模式B树种Tree variety尾巨桉尾巨桉杂交相思小计尾巨桉杂交相思小计林分密度/（株hm-2）Forest stand density(planthm-2)109098010089301050平均树高/mAverage treeheight15.513.614.313.914.6平均胸径/cmAverage diameterat breast height13.411.512.411.912.6蓄积量/（mhm-2）Stock volume107.3573.6581.95155.6071.3599.75171.10混交比例Mixed speciesproportion1 11 1郁闭度Crown density0.750.950.951.2.2枯落物采集和各指标测定在样地内沿对角线设置3个2m2m的样方进行枯落物层调查18-20，采集样方内全部枯落物，根据枯落物的分解程度将枯落物层分为未分解层和半分解层，分别测定其鲜质量。然后分别收集约200g样品装入塑料封口袋中带回实验室准确称量后，分别置于80烘箱中烘干，测定干质量，计算其含水率和林分凋落物现存量。根据凋落物中未分解层和半分解层干质量比例，将烘干后凋落物混合成50g样品，各装入已知质量的100目尼龙网袋内并放入盛有清水的容器中浸泡，分别于浸泡0、0.5、1、2、4、6、8、10、12h和 24h后取出，静置5min至无滴水时迅速称其湿质量。参照文献6-8,10计算凋落物持水率、凋落物最大持水量（最大拦蓄量）和有效持水量（有效拦蓄量），计算公式为：Rx=（WxW0）W0（1）70Vol.36No.2农业研究与应用Wm=WRm（2）We=（0.85RmR0）W（3）式中：Rx为凋落物在浸泡时间x（h）的持水率；Wm为凋落物最大持水量（thm-2）；We为凋落物有效持水量（thm-2）；Wx为凋落物在浸泡时间x（h）后的湿质量；W0为凋落物干质量（t/hm-2）；Rm 为凋落物最大持水率；R0为凋落物自然含水率；W为凋落物蓄积量（thm-2）。1.2.3土壤样品采集和各指标测定在每个样地内沿对角线设置上、中、下坡3个采样点（离树木均在1.2m以上），挖掘土壤剖面后按020cm、2040cm和4060cm采集各土层土壤混合样品，同时用不锈钢环刀采集各土层原状土。将样品带回实验室进行土壤容重、孔隙状况和和持水能力测定，具体测定和计算方法参见森林土壤水分物理性质的测定20。1.2.4数据分析采用Excel 2013软件进行数据的整理、计算和作图，运用SPSS22.0软件进行单因素方差分析和差异性检验。2结果与分析2.1不同混交模式凋落物层水源涵养能力2.1.1凋落物层蓄积量从表2中可见，不同林分类型的凋落物蓄积量在 1.87 3.52 t hm-2，表 现 为 混 交 模 式 A（3.52thm-2）混交模式B（3.46thm-2）桉树纯林（1.87thm-2），其中混交模式A、混交模式B与桉树纯林均存在差异显著（P0.05）。不同造林模式凋落物总储量中未分解层和半分解层占比分别在44.72%56.30%和 43.70%55.28%，其中半分解层占比最高为混交模式A，最低是桉树纯林。表2不同造林模式桉树人工林凋落物现存量Table 2 Litter standing stock of eucalyptus plantations under different afforestation models造林模式Afforestation model桉树纯林混交模式A混交模式B未分解层Litter layer现存量/（thm-2）Standing stock1.050.10 b1.570.07 a1.620.13 a比例/%Proportion56.3044.7246.88半分解层Fermentation layer现存量/（thm-2）Standing stock0.820.05 b1.950.14 a1.840.12 a比例/%Proportion43.7055.2853.12总现存量/（thm-2）Total standing stock1.870.15 b3.520.20 a3.460.10 a注：同列不同小写字母表示相同土层不同造林模式之间差异显著（P0.05）。Note：Different lowercase letters indicated significant differences among different afforestation models in the same soil layer(P0.05).2.1.2凋落物持水性能凋落物的水源涵养能力主要体现在最大持水量（最大拦蓄量）和有效拦蓄量。从图1中可知3种林分类型凋落物最大持水量在5.059.12thm-2，表现为混交模式 A（9.12 thm-2）混交模式 B（8.22thm-2）桉树纯林（5.05thm-2），其中混交模式 A 和混交模式 B 与桉树纯林间差异显著（P混交模式 B（6.11thm-2）桉树纯林（3.93thm-2），两种混交模式与桉树纯林间的差异均达到显著水平（P混交模式 A（1.303 gcm-3）混交模式 B（1.297 gcm-3），其中以020cm土层差异较大，随着土层加深，不同造林模式相同土层容重间的差异逐渐减小。与土壤容重相反，不同造林模式土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度均随土层加深而逐渐下降；各造林模式土壤平均土壤非毛管孔隙度和平均总孔隙度均表现出与土壤容重相反的变化趋势，其中020cm土层中混交模式A（7.65%）和混交模式B（8.32%）土壤非毛管孔隙度均显著高于桉树纯林（5.96%）；在4060cm土层，不同造林模式土壤非毛管孔隙度和总孔隙度间没有明显差异。表3不同造林模式土壤容重、孔隙状况和和持水性能Table 3 Soil bulk density,pore state,and water conservation capacity under different afforestation models造林模式Afforestationmodel桉树纯林混交模式A混交模式B土层/cmSoil layer02020404060平均02020404060平均02020混交模式A（2702.80thm-2）桉树纯林（2675.40thm-2）；土壤有效持水量为混交模式B（396.20thm-2）混交模式 A（376.20 thm-2）桉树纯林（301.00 thm-2）。随土层加深，不同造林模式土壤最大持水量和有效持水量均呈现逐渐下降，且不同造林模式相同土层的差异也逐渐减少。表4不同造林模式凋落物和土壤持水能力Table 4 Litter and soil water conservation capacity under different afforestation models造林模式Afforestation model桉树纯林混交模式A混交模式B凋落物/(thm-2)Litter最大持水量Maximumwater conservation capacity5.050.54b9.120.90a8.220.76a有效持水量Effectivewater conservation capacity3.930.42b6.910.68a6.110.56a土壤/(thm-2)Soil最大持水量Maximumwater conservation capacity2675.4064.11a2702.8068.07a2743.0070.94a有效持水量Effectivewater conservation capacity301.008.49b376.208.13a396.207.86a凋落物层和土壤层总持水量/（thm-2）Total water conservation capacity oflitter layer and soil layer最大持水量Maximumwater conservation capacity2680.4563.98a2711.9267.84a2751.2270.73a有效持水量Effectivewater conservation capacity304.938.39b383.118.00a402.317.75a注：同列不同小写字母表示不同造林模式之间差异显著（P0.05）。Note：Different lowercase letters indicated significant differences among different afforestation models(P0.05).2.3不同混交模式凋落物和土壤的总蓄水能力林地的总持水能力为枯落物层和土壤层持水量能力之和。从表4中可见：混交模式A和混交模式 B 的凋落物层和土壤层的总蓄水量分别为2711.92thm-2和2751.22thm-2，分别比桉树纯林模72Vol.36No.2农业研究与应用式（2680.45thm-2）高了31.47thm-2和70.77thm-2，混交模式A与混交模式B之间差异不显著；而在凋落物和土壤的总有效蓄水量中，混交模式 A（383.11thm-2）和混交模式B（402.31thm-2）分别比桉树纯林（304.93 thm-2）高了 78.18 thm-2和97.38thm-2，差异均达到显著水平。从两个层次在林地总持水量和总有效持水量占比看，土壤最大持水量占比为99.5%以上，土壤有效持水量占比也达到 98.5%以上，说明土壤层是森林水源涵养的主体。3结论与讨论本研究中：从凋落物现存量看，表现为混交模式A混交模式B桉树纯林，且前两者现存量分别是桉树纯林的1.8倍以上，且凋落物组成中的半分解层占比及现存量均明显高于桉树纯林；从凋落物的持水性能看，无论是凋落物最大持水量还是有效持水量，均表现为混交模式A混交模式B桉树纯林，这与杂交相思枝叶繁茂、枯落物量大且利于分解等生物学特性有关，说明桉树与相思树混交更有利于凋落物的积累和分解，更有利于提高其凋落物层的蓄水能力。本研究中：不同造林模式土壤层最大持水量和有效持水量大小次序均为混交模式B混交模式A桉树纯林；而在土壤垂直剖面分布上，无论是土壤容重、土壤孔隙状况还是持水能力，不同造林模式间的差异均随土层加深而下降，说明桉树与相思树混交林更有利于改善土壤水源涵养能力。本研究以凋落物层和土壤层的总持水量和总有效持水量作为林分水源涵养能力的评价指标：凋落物层和土壤层的总持水量表现为混交模式B混交模式 A桉树纯林，其中土壤层持水量占99.5%以上；凋落物层和土壤层的总有效持水量为混交模式B混交模式A桉树纯林，其中土壤层有效持水量占98.5%以上。土壤层是林分涵养水源的主要场所，而枯落物层虽然持水能力相对较少，但其对土壤结构和孔隙性状的改善、减少地表径流和水土流失等方面都发挥着重要作用。本研究结果显示，桉树与相思树混交林的水源涵养能力比桉树纯林好。2种混交模式中，无论是林木生长量的主要指标，还是土壤层最大持水量和有效持水量以及凋落物层和土壤层总的持水量，都以混交模式B较优，表明纵向排列的混交模式具有更强的水源涵养能力。本研究为广西东南区域营造桉树混交林提供了参考依据。当前，桉树生产已成为广西林业生产发展的重要支柱产业之一。如何合理经营和科学管理桉树人工林，维持其持久生产力，减少其对生态环境的负面效应影响，已成为当前和今后林业生产实践和生态环境建设中所面临的重大问题。已有的研究表明12-15,21，与桉树纯林相比，桉树与相思树混交林不但有利于促进林木的生长发育，而且有利于提高土壤养分含量，改善土壤结构和孔隙状况。本研究结果初步表明，尾巨桉与杂交相思混交能够增强林地水源涵养功能，在减少地表径流和水土流失等都方面起到了重要的作用。由于试验条件的限制，本研究没有开展桉树与其他树种混交的相关试验工作，研究时间也较短，因此，研究结果在反映尾巨桉与杂交相思混交对林木生长和水源涵养功能的影响以及过程方面还存在不足，今后还有待于开展桉树与其他树种混交造林的长期试验研究，探索出既能促进林木生长，同时具有维护林地地力和水源涵养等生态功能的桉树人工林经营模式，以促进人工林可持续经营和生态建设的发展。本试验混交林中杂交相思的种植密度比例较大，且与尾巨桉同时造林，杂交相思表现出生长快速的优越性使得林分未形成复层林（亚层林），混交林中桉树出现受压制现象。在生产实践中营造桉树混交林，宜适当降低造林密度，提高桉树比例，采取错开造林时间等办法形成异龄复层林，充分利用林木生长的立体空间，从而实现森林经营效益最大化。参考文献1张日施，黄光友，南雅薇，等.桂西北不同年龄阶段秃杉人工林的水源涵养功能 J.水土保持学报，2021，35（5）：130-136，143.2周佳雯，高吉喜，高志球，等.森林生态系统水源涵养服务功能解析 J.生态学报，2018，38（5）：1679-1686.3ZHANG M F，LIU 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