马尾松、红锥纯林及其混交林凋落物与土壤的水源涵养能力.pdf

陆卫勇叶家义李学团等.马尾松、红锥纯林及其混交林凋落物与土壤的水源涵养能力.亚热带农业研究():.():.收稿日期:基金项目:广西林业科技项目“派阳山林场土壤数据库建设及人工林精准施肥技术集成与示范”(桂林科字第 号)广西林业科技项目“广西南亚热带高质量森林经营技术集成与示范”(桂林科字第 号)广西大学与广西国有派阳山林场科技合作项目“高密植桉树工业原料林栽培技术研究与示范”()第一作者简介:陆卫勇()男工程师 研究方向:森林资源培育:.通信作者付军()男工程师研究方向:森林资源培育:.马尾松、红锥纯林及其混交林凋落物与土壤的水源涵养能力陆卫勇 叶家义 李学团 付 军 郭 飞 何 斌(.广西国有派阳山林场广西 宁明.广西大学林学院广西 南宁)摘要:目的探讨马尾松、红锥纯林及其混交林凋落物和土壤的水源涵养能力为针阔混交林的营造提供依据 方法选择广西宁明县邻近分布、母岩一致和立地条件相似的 年生马尾松、红锥纯林及其混交林林地测定林下凋落物和土壤的持水性能特征比较 种林分类型凋落物和土壤的水源涵养能力差异 结果()种林分类型凋落物蓄积量为.表现为:马尾松红锥混交林红锥纯林马尾松纯林()凋落物最大持水量为.有效持水量为.均表现为:马尾松红锥混交林红锥纯林马尾松纯林()种林分土壤容重为.其中马尾松纯林最大马尾松红锥混交林最小土壤非毛管孔隙度为.其中马尾松红锥混交林最大马尾松纯林最小土壤总孔隙度为.其中马尾松红锥混交林最大马尾松纯林最小()种林分类型土壤最大持水量和有效持水量分别为 .和.土壤层持水能力表现为:马尾松红锥混交林红锥纯林马尾松纯林 结论综合凋落物和土壤持水能力马尾松红锥混交林的水源涵养能力最强其次是红锥纯林马尾松纯林最弱关键词:马尾松 红锥 混交林 凋落物 土壤 水源涵养中图分类号:.文献标识码:文章编号:():./.(.):.().()亚热带农业研究 第 卷 第 期 年 月 .().().:森林水源涵养功能是森林生态系统的重要服务功能之一通过林冠层、凋落物层及土壤层截持和贮存降水而发挥森林巨大的水源涵养能力 凋落物层作为森林水文效应的第 作用层其截留降雨能力显著高于林冠层并且能够减少雨水对土壤层的冲刷、侵蚀以及地表径流的形成从而起到缓冲和蓄水保水的作用土壤层作为森林水文效应第 作用层是森林水分的主要储存库及调节器直接影响生态系统的水文调节过程 因此开展凋落物层和土壤层水源涵养能力的研究对于探讨森林生态系统的水文过程与循环具有重要意义 近年来诸多学者对不同地域典型林分类型的凋落物和土壤持水能力进行了调查和测定为森林生态系统水源涵养功能的研究奠定了基础 王利等和杨良辰等比较了不同造林模式人工林水源涵养能力发现针叶林、阔叶林及其混交林水源涵养功能尤其是凋落物层和土壤层持水能力存在差异白云星等研究表明马尾松与深山含笑、伯乐或桂南木莲混交均能提高凋落物层和土壤层持水能力但与油茶混交的结果则相反程唱等研究显示青海省大通县云杉白桦和云杉青杨混交林凋落物层持水能力均低于云杉纯林但高于青杨纯林而 种混交林的土壤持水能力均高于云杉纯林和青杨纯林 可见针阔混交林对凋落物层和土壤层持水能力的影响会因树种组成的不同而存在差异马尾松()是我国南方亚热带地区主要的速生用材树种在满足国内木材需求和维持生态平衡中发挥着重要作用 但长期以来采用的马尾松纯林经营和不合理管理措施导致群落结构简单、生态功能低下、地力衰退和水土严重流失等问题 红锥()是我国亚热带地区优良的乡土阔叶树种因其适应广、速生、材质优良和用途广泛并具有一定的涵养水源、保持水土和维护生物多样性等生态功能成为广西 年重点发展的珍贵乡土阔叶树种之一 有研究表明马尾松与阔叶树种混交可以提高其生态系统稳定性缓解马尾松人工林地力衰退 其中马尾松与红锥形成的针阔混交林可以提高马尾松应对自然灾害的能力对林木生长和保持林地生产力具有良好的促进作用 目前有关马尾松红锥混交林的研究主要集中在生长效果、生物量与生产力、碳氮储量以及土壤性状等方面有关水源涵养功能尤其是凋落物和土壤水源涵养能力的研究较为缺乏 为此本文以广西宁明县马尾松、红锥纯林及其混交林为研究对象比较 种林分类型凋落物层和土壤层持水性能以期为马尾松人工林的可持续经营提供参考 材料与方法.研究区概况研究区位于广西宁明县()属南亚热带季风气候区年均气温.年均日照时数 年积温约 年无霜期达 该区雨量充沛年均降水量 降雨多集中在 月年均相对湿度.年均蒸发量 试验地设在宁明县广西国有派阳山林场鸿鸪分场属丘陵地貌类型海拔 土壤类型为砂页岩发育形成的山地红壤土层平均厚度 以上 试验林林下主要灌木树种有盐肤木()、野牡丹(亚 热 带 农 业 研 究第 卷)、桃金娘()、毛桐()和余甘子()等主要草本植物有铁芒萁()、五节芒()、淡竹叶()、黄茅草()、野古草()和纤毛嘴草()等.研究方法.样地设置和样品采集 研究区前茬林分为马尾松人工纯林于 年秋季砍伐经炼山和挖穴整地后于次年 月分别营造马尾松纯林、红锥纯林和马尾松红锥混交林(混交比例 )种植密度均为 株(株行距 )种林分造林后管护措施一致前 年每年 月和 月各砍草抚育 次其中 月结合砍草施复合肥 株 年 月参照文献在邻近分布、立地条件相对一致的 种林分中分别建立 个 标准样地调查各样地内树木胸径和树高等林分因子 在每个样地内按上、中、下坡各设置 个 样方(共计 个样方)进行凋落物层调查 根据凋落物分解情况将凋落物层分为未分解层和半分解层分别收集并测量各样方未分解层和半分解层凋落物鲜质量并采集 样品带回实验室于 下烘干测定含水率计算凋落物蓄积量 在每个样地内沿对角线(上、中、下坡)设置 个样点(与树木相距.以上)共计 个样点挖掘各样点土壤剖面后按、和 采集各土层土壤混合样品并用 不锈钢环刀采集各土层原状土 各样地基本状况见表 表 样地基本状况 林分类型 树种 林分密度株坡向坡度/()平均胸径平均树高郁闭度马尾松纯林 马尾松 东南.红锥纯林 红锥 东南.马尾松红锥混交林马尾松/红锥/东南././.水源涵养能力相关指标的测定()凋落物 凋落物层持水能力采用室内浸泡法测定 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 样品装入已知质量的 目尼龙网袋并放入盛有清水的容器中分别浸泡、.、.、.、.、.、.、.、.和.后取出静置 至无滴水时迅速测量其湿质量 参照文献计算凋落物持水率、吸水速率、最大持水量(饱和持水量)和有效持水量(有效拦蓄量)()土壤 土壤水源涵养能力指标包括土壤最大持水量(饱和持水量)和有效持水量(非毛管持水量)参照森林土壤水分物理性质的测定进行测定和计算.数据处理采用 进行数据的整理、计算和作图运用 .进行单因素方差分析和差异性检验 结果与分析.不同林分类型凋落物层水源涵养能力分析.蓄积量 从表 可见不同林分类型凋落物总蓄积量间存在显著差异(红锥纯林(.)马尾松纯林(.)各林分类型凋落物现存量中未分解层和半分解层占比分别在.和.之间其中半分解层占比最高为红锥纯林最低为马尾松纯林.持水率 从表 可见随浸泡时间延长 种林分类型凋落物持水率均呈现先迅速增长后缓慢增加并逐渐达到饱和状态的趋势 不同浸泡时间下均以红锥纯林的持水率最大其次是马尾松红锥混交林马尾松纯林最小 浸泡过程中 种林分类型凋落物持水率在.快速提高浸泡 后各林分凋落物持水率达到最大持水率的以上 持水率增速逐渐降低 增速逐渐平缓至 达到最大第 期 陆卫勇等:马尾松、红锥纯林及其混交林凋落物与土壤的水源涵养能力值此时 种林分类型凋落物持水率表现为:红锥纯林(.)马尾松红锥混交林(.)马尾松纯林(.)表 不同林分类型凋落物蓄积量)林分类型 未分解层蓄积量/()占比/半分解层蓄积量/()占比/总蓄积量马尾松纯林 .红锥纯林 .马尾松红锥混交林.)同列数值后附不同小写字母者表示不同林分间差异达.显著水平表 不同林分类型凋落物持水率 林分类型 持水率/.马尾松纯林 .红锥纯林 .马尾松红锥混交林.将 种林分类型凋落物持水率()与浸泡时间()进行拟合两者关系符合()方程式式中 为方程系数 为方程常项数各林分类型持水率关系式的相关系数均大于.(表)表 不同林分类型凋落物持水率()与浸泡时间()的回归拟合方程 ()()林分类型 回归拟合方程相关系数马尾松纯林 .().红锥纯林 .().马尾松红锥混交林.().红锥纯林(.)马尾松纯林(.)其中马尾松红锥混交林和红锥纯林凋落物最大持水量与马尾松纯林均存在显著差异(红锥纯林(.)马尾松纯林(.)其中马尾松红锥混交林和红锥纯林最大持水量与马尾松纯林均存在显著差异亚 热 带 农 业 研 究第 卷图 不同林分类型凋落物持水性能比较 .不同林分类型土壤层水源涵养能力分析.土壤物理性质 从表 可见不同林分类型土壤容重均随土层深度的增加逐渐增大但各土层土壤容重间的差异逐渐减小 不同林分类型 和 土层土壤容重均表现为:马尾松纯林红锥纯林马尾松红锥混交林 不同林分类型土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度和总孔隙度均随土层深度增加呈现逐渐下降趋势 在 和 土层土壤非毛管孔隙度和总孔隙度均表现为:马尾松红锥混交林红锥纯林马尾松纯林其中马尾松红锥混交林的非毛管孔隙度显著高于红锥纯林和马尾松纯林不同林分类型 土层土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度和总孔隙度均较小但均以马尾松红锥混交林最大 总体上看不同林分类型土壤容重与孔隙度的差异均呈现随土层深度增加而逐渐减小的变化趋势表 不同林分类型土壤物理性质)林分类型 土层深度容重毛管孔隙度非毛管孔隙度总孔隙度最大持水量有效持水量马尾松纯林 .红锥纯林 .马尾松红锥混交林.)同列数值后附不同小写字母者表示相同土层不同林分间差异达.显著水平.土壤持水能力 土壤最大持水量由毛管孔隙与非毛管孔隙的水分贮蓄量构成反映了土壤的水分调蓄能力 非毛管孔隙大小决定了土壤有效持水量的高低是土壤持水能力强弱的重要表征 从表 可见 种林分类型土壤层()最大持水量和有效持水量分别为 .和.不同林分类型各土层土壤最大持水量总体上以马尾松红锥混交林最大其次是红锥纯林马尾松纯林最小各土层土壤有效持水量均表现为:马尾松红锥混交林红锥纯林马尾松纯林其中马尾松红锥混交林和红锥纯林 和 土层的有效持水量均显著高于马尾松纯林 总体来看各林分类型土壤最大持水量和有效持水量均随土层深度增加呈现减少趋势且各林分间的差异也随之减小.不同林分类型凋落物和土壤的总持水能力比较林地的总持水能力由凋落物层和土壤层持水能力构成其中凋落物层和土壤层的总最大持水量可用于评估林地的理论水源涵养能力 由于林地的实际水源涵养能力往往小于理论值因此用林地的总有效持水量更能反映其实际水源涵养能力 从表 可见 种林分类型中以马尾松红锥混交林的总最大持水量(.)最大分别比红锥纯林(.)和马尾松纯林(.)提高.和.不同林分类型的土壤层最大持水量占比均在.以上 林地总有效持水量大小依次为:马尾松红锥混交林(.)红锥纯林(.)马尾松纯林(.第 期 陆卫勇等:马尾松、红锥纯林及其混交林凋落物与土壤的水源涵养能力)其中马尾松红锥混交林与马尾松纯林的总有效持水量之间存在显著差异不同林分类型土壤层有效持水量占比均超过.表 不同林分类型凋落物和土壤蓄水能力比较)林分类型 凋落物最大持水量有效持水量土壤最大持水量有效持水量总最大持水量总有效持水量马尾松纯林 .红锥纯林 .马尾松红锥混交林.)同列数值后附不同小写字母者表示不同林分间差异达.显著水平 讨论与结论凋落物层的水源涵养功能主要通过其蓄积量和持水能力体现其中蓄积量是凋落物在凋落和分解之间动态平衡的结果主要取决于凋落物的输入量、分解速度和累积年限 森林的树种组成及林地所处的水热条件均会对凋落物蓄积量产生较大影响 凋落物层持水能力既与其现存量有关同时也受到凋落物的分解程度即未分解层与半分解层组成比例的影响 由于针叶林凋落物中含有较多难分解的木质素、纤维素、单宁和酚类等物质致使其分解缓慢未分解占比较高使得其持水性能低于较易分解且半分解占比较高的阔叶林凋落物 本研究中 个林分类型凋落物层现存量以马尾松红锥混交林最大其次是红锥纯林最小是马尾松纯林呈现针阔混交林阔叶林针叶林的变化趋势与侯贵荣等对山西吉县蔡家川流域刺槐()、油松()纯林及其混交林的研究结果一致但与程唱等对青海省大通县云杉()、青杨()纯林及其混交林的研究结果(云杉林云杉青杨混交林青杨林)以及李阳等对黄浦江中游凋落物现存量的研究结果(针叶林阔叶林)不同 从 种林分类型凋落物组成中半分解层占比看红锥阔叶林和马尾松红锥混交林的占比较大马尾松纯林较小其原因主要与马尾松凋落物所具有针叶林凋落物难分解特性有关 因此在 种林分类型的凋落物持水性能中由于马尾松红锥混交林的凋落物现存量最大且半分解层的占比较高其最大持水量和有效持水量也最大马尾松纯林的凋落物现存量和半分解层占比均较小使得其最大持水量和有效持水量最小这与侯贵荣等对山西吉县蔡家川流域的研究结果(油松刺槐混交林刺槐纯林油松纯林)也一致 总体上看马尾松与红锥混交不但可以促进 个树种生长发育增加地表凋落物现存量而且由针、阔叶树的枯枝、落叶等混合组成的凋落物层会形成更复杂的空间结构其分解和腐殖化速率也有所加快从而在一定程度上提高了水分拦蓄能力 因此马尾松红锥混交林比单一马尾松纯林或红锥纯林对水源涵养更为有利土壤是森林贮存水分的最主要场所土壤容重和孔隙度直接影响其通气和透水性能是土壤贮存水分能力的重要因素 受地表凋落物腐殖化作用和林木活根的分泌及死根系腐解作用形成有机物质的影响本研究中 种林分类型的土壤容重均表现出随土层深度增加而下降的变化趋势 在 和 土层均以马尾松红锥混交林土壤容重最小土壤总孔隙度和非毛管孔隙度最大说明其土壤通气透水性良好主要原因是马尾松与红锥形成针阔混交林的凋落物层现存量大且分解程度高加上林木生长量大、根系比较发达促进了土壤有机质的形成从而改善表层土壤的容重和孔隙状况 而马尾松人工林土壤容重较大、孔隙度较小使得其土壤较紧实、通气透水性能较差这与马尾松纯林中的林木及其根系生长较差凋落物少且分解程度低有关 从林地土壤水源涵养性能来看土壤孔隙状况是决定其贮存水分能力的重要因素毛管孔隙使土壤具有贮水性能非毛管孔隙使土壤具有透水性能能快速容纳降雨并及时下渗减少地表径流产生 毛管孔隙与非毛管孔隙的水分贮蓄量之和构成最大持水量是土壤水分调亚 热 带 农 业 研 究第 卷蓄能力大小的体现非毛管孔隙的水分贮蓄量大小反映了土壤有效持水量的多少 研究区 种林分类型(和 土层)土壤最大持水量和有效持水量均以马尾松红锥混交林最大其次是红锥纯林马尾松纯林最小即针阔混交林阔叶树纯林针叶树纯林与侯贵荣等对山西吉县蔡家川流域研究的结果一致 说明与马尾松和红锥纯林相比马尾松红锥混交林通过较丰富的凋落物及其易分解性形成腐殖质进而增加土壤有机质同时也改善了土壤结构和孔隙性状提高土壤水源涵养能力以凋落物及土壤总最大持水量和总有效持水量作为林地水源涵养能力的评价指标本研究 种林分类型林地总最大持水量在 .之间且各林分类型间差异不显著不同林分类型土壤层最大持水量占比均在.以上 种林分类型总有效持水量大小依次为:马尾松红锥混交林(.)红锥纯林(.)马尾松纯林(.)其中马尾松红锥混交林与马尾松纯林的总有效持水量之间存在显著差异不同林分类型土壤层有效持水量在林地总有效持水量占比均超过.可见凋落物层和土壤层总最大持水量和总有效持水量均以马尾松红锥混交林最大红锥纯林次之马尾松纯林最小 比较凋落物和土壤两个层次持水能力发现凋落物最大持水量和有效持水量的占比均不高 因此从总体上看土壤层仍然是林地水源涵养的主体在林地保持水土和涵养水源中发挥着主导作用参考文献 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.生态学报():.:.:.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.水土保持学报():.涂志华范志平孙学凯等.大伙房水库流域不同植被类型枯落物层和土壤层水文效应.水土保持学报():.杨晓霞赵锦梅张雪等.祁连山东段山地典型灌丛枯落物及土壤水源涵养功能研究.干旱区地理():.彭娓张凯赵国珍等.交城县国有林场主要林分类型枯落物层和土壤层水源涵养功能.中南林业科技大学学报():.王利于立忠张金鑫等.浑河上游水源地不同林型水源涵养功能分析.水土保持学报():.杨良辰张春茹.沿坝地区 种典型林分类型枯落物层与土壤层水源涵养能力综合评价.水土保持研究():.白云星周运超张薰元等.马尾松针阔混交人工林凋落物和土壤水源涵养能力.林业科学():.程唱贺康宁俞国峰等.干旱半干旱区不同林型人工林水源涵养能力比较研究.生态学报():.李春宁张智陈振华等.桂西南马尾松人工林微量元素积累及其分布特征.亚热带农业研究():.孟祥江何邦亮马正锐等.我国马尾松林经营现状及近自然育林探索.世界林业研究():.:.郭文福蔡道雄贾宏炎等.马尾松与红椎等 种阔叶树种营造混交林的生长效果.林业科学研究():.谭玲何友均覃林等.南亚热带红椎、马尾松纯林及其混交林土壤理化性质比较.西部林业科学():.第 期 陆卫勇等:马尾松、红锥纯林及其混交林凋落物与土壤的水源涵养能力 黄彩枝.不同混交比例对马尾松红锥混交林生长特性和生物生产力的影响.南宁:广西大学.覃林何友均李智勇等.南亚热带红椎马尾松纯林及其混交林生物量和生产力分配格局.林业科学():.卢立华郭文福蔡道雄等.马尾松与红椎纯林及混交林生态系统碳储量研究.中南林业科技大学学报():.刘凯.桂西南马尾松、红锥人工幼林及其混交林生物量和碳氮特征研究.南宁:广西大学.王玉凤席守鸿谭玲等.南亚热带马尾松红锥混交林与其纯林对土壤微生物生物量碳和氮的影响比较.西部林业科学():.何斌吴庆标莫少壮等.不同年龄阶段秃杉人工林微量元素分布及其生物循环特征.东北林业大学学报():.南雅薇何斌黄光友等.不同林龄阶段秃杉人工林养分元素分布及其生物循环特征.东北林业大学学报():.():.国家林业局.森林土壤水分物理性质的测定:/.北京:中国标准出版社.侯贵荣毕华兴魏曦等.黄土残塬沟壑区 种林地枯落物和土壤水源涵养功能.水土保持学报():.李阳万福绪.黄浦江中游 种典型林分枯落物和土壤水源涵养能力研究.水土保持学报():.:.():.(责任编辑:张云燕)亚 热 带 农 业 研 究第 卷