赤水河上游主要樹種根際土壤調控水分功能研究

喻陽華, 李光容, 嚴令斌, 黃宗勝, 喻理飛

(貴州大學 林學院, 貴陽 550025)

?

赤水河上游主要樹種根際土壤調控水分功能研究

喻陽華, 李光容, 嚴令斌, 黃宗勝, 喻理飛

(貴州大學 林學院, 貴陽 550025)

為明確赤水河上游主要樹種根際土壤調控水分能力，通過野外采樣和室內分析方法，從容重、含水率和孔隙度等方面入手研究水文生態功能，并劃分調控水分功能群。結果表明：32個樹種0—60 cm的最大持水量為212.00～357.94 mm、有效貯水量為11.07～85.15 mm，是一個蓄水庫；其持水速率大于失水速率，且二者與時間的關系均符合冪函數模型。采用RDA排序時，可將該區的樹種劃分為5類功能群：功能群Ⅰ包括楊梅、絲栗栲、茶、白櫟、馬尾松、慈竹；功能群Ⅱ包括楊樹、杉木、構樹、莢蒾、撐綠竹、楓香、火棘、山胡椒、烏桕、楝樹、馬桑；功能群Ⅲ包括枇杷、南天竹、李、柏木、梧桐、香椿；功能群Ⅳ包括檵木、黃荊、油桐、毛桐、南酸棗；功能群Ⅴ包括鹽膚木、黃連木、柑橘、油茶。土壤容重、含水率、孔隙度等物理特征和持水過程是影響土壤水分調控能力的主因。研究結果可為赤水河上游水源涵養林樹種的選擇和配置提供理論依據。

樹種根際土壤; 水文功能; 水分調控; 功能群; 赤水河上游

林地土壤最大蓄水量占總蓄水量的97%以上[1]，它的孔隙狀況反映了根系改善土壤物理性質的潛能，影響土壤蓄水保水和通氣性能[2]，一般以總持水量、毛管持水量和非毛管持水量作為蓄水性能指標[3]。其中，毛管孔隙度的大小反映了森林植被吸持水分用于維持自身生長發育的能力；非毛管孔隙的大小反映了森林植被滯留水分、發揮涵養水源功能和削減洪峰的能力[4-6]。根際是根系對土壤影響最直接、最強烈的區域[7]，可用來反映根系對土壤孔隙和土壤質量的影響，揭示樹種根系對土壤涵養水源的作用。水源涵養林功能的提高，取決于林分結構的優化，結構調整首先需要研究樹種特性，正確選擇樹種，貫徹適地適樹原則[8]，即通過對種群和功能群尺度的研究揭示和上推群落尺度的作用機理。目前對森林土壤水文生態效應[4-6,9]研究主要集中在群落水平，以物種為單元、從功能群尺度研究土壤持水能力的報道較為鮮見。因此，本文以赤水河上游主要樹種為單元、以根際土壤為研究對象，從功能群尺度考察其水文生態功能，主要研究以下3個問題：(1) 各樹種土壤層水文效應的定量數據；(2) 各樹種土壤層的持水過程和失水過程特征；(3) 根際土壤調控水分功能群組合。旨在為該區水源涵養林建設提供理論依據和技術支撐。

1 研究區概況

赤水河是長江中上游保持原生態狀況的河流，國酒茅臺主產區位于流域中下游，中上游區是水源涵養區，植被優劣影響下游河流生態系統，對維護國酒茅臺特殊生產用水及釀造環境安全和區域生態安全及生態平衡有重要意義，并發揮著區域生物多樣性和保持水土功能。本研究區主要為位于赤水河上游茅臺水源功能區內的金沙縣和仁懷市(105°21′32″—106°15′00″E， 27°39′48″—28°05′38″N)，為亞熱帶季風濕潤氣候，多年平均氣溫為15℃，≥10℃的年積溫為5 000～5 500℃，年日照時數1 400 h，無霜期約340 d，年均降水量>1 000 mm，土壤類型有石灰土、黃壤、紫色土等[10]。新中國成立以來，由于人為砍伐，使該區域原本脆弱的森林植被生產功能和承載功能下降，水土流失加劇，水源涵養能力降低，直接影響到茅臺酒的釀造環境與品質。現存主要植被為暖性針葉林和常綠落葉闊葉林，絲栗栲林為演替頂極群落。目前赤水河水資源總量、多年平均徑流量和最大年均徑流量呈現減少趨勢，也使該區開展水源涵養林建設具有重要性和緊迫性。

2 材料與方法

2.1 研究對象

根據《貴州植被》[11]及前人研究成果[10]，確定該區域的鄉土樹種與地帶性植物，結合實際調查，在鄉土樹種與地帶性植物中選取如下32個樹種作為研究對象：楊樹(Populustrinervis)、鹽膚木(Rhuschinensis)、楊梅(Myricaceaerubra)、絲栗栲(Castanopsisfargesii)、黃連木(Pistaciachinensis)、枇杷(Eriobotryabengalensis)、杉木(Cunninghamialanceolata)、南天竹(Nandinadomestica)、構樹(Broussonetiapapyifera)、莢蒾(Viburnumchinshanense)、李(Prunusnalicina)、撐綠竹(Bambusapervariabilis)、茶(Camelliasinensis)、楓香(Liquidambaformosana)、白櫟(Quercusaliena)、柏木(Cupressusfunebris)、梧桐(Platanusacerifolia)、馬尾松(Pinusmassoniana)、檵木(Loropetalumchinense)、火棘(Pyracanthafortuneana)、烏桕(Sapiumsebiferum)、山胡椒(Linderaglauca)、慈竹(Neosinocalamusaffinis)、馬桑(Coriarianepalensis)、柑橘(Citrusreticulata)、黃荊(Vitexnegundo)、油桐(Verniciafordii)、毛桐(Mallotusbarbatus)、南酸棗(Choerospondiasaxillaria)、楝樹(Meliaazedarach)、香椿(Toonasinensis)、油茶(Camelliaoleifera)，均以健康成年樹為標準采集根際土壤。

2.2 研究方法

2.2.1 土壤調查與測定 選擇天氣條件較為一致的2014年3月6日至8日，喬木樹種距主干≤50 cm范圍，灌木樹種移除整株后沿主根系挖掘1個60 cm深的土壤剖面進行觀測記錄，用環刀采集0—20，20—40，40—60 cm土層的土樣，用烘干法和浸水法測定土壤自然含水率、土壤的各項物理性質和持水性能指標[3]。

2.2.2 土壤持水量與失水量測定 環刀浸水后靜置，于0.5，1，2，4，8，12，24 h后稱量持水質量；持水24 h后，將環刀帶土置于平板上，于0.5，1，2，4，8，12，24 h后稱量失水質量。每個樹種設置3次重復。

2.2.3 土壤蓄水量的測定 土壤有效持水量和最大持水量采用如下公式計算[1]：

Wa=1000PnH

(1)

Ws=1000PtH

(2)

式中：Wa——土壤有效持水(mm)；Pn——土壤非毛管孔隙度(%)；H——土層深度(m)；Ws——土壤最大持水量(m)；Pt——土壤總孔隙度(%)。土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度的計算見文獻[12]。

2.2.4 功能群劃分 選取容重、含水率、總孔隙度、毛管孔隙度、有效持水量、持水曲線常數項、持水曲線指數項、失水曲線常數項、失水曲線指數項9個指標進行功能群劃分(由于非毛管孔隙度為總孔隙度與毛管孔隙度之差，為防止劃分指標產生累積效應，因此不作為直接因子參與劃分)。

2.3 數據處理

平均值計算用算術法，數據標準化預處理用歸一化方法，均由Excel 2003完成；持水速率、失水速率與時間的擬合關系用回歸分析方法，由SPSS 20.0軟件完成；排序是在判斷排序軸梯度長度的基礎上，采用冗余分析(Redundancyanalysis，RDA)進行，由Canocofor Windows 4.5軟件完成；圖片處理采用修正法和填充法，由photoshop和Microsoft Office Visio 2003軟件共同完成。

3 結果與分析

3.1 根際土壤持水能力

土壤的物理性質制約著它的持水與保水性能。如表1所示，不同樹種0—60 cm土壤持水能力各異，飽和持水能力212.00～357.94 mm，有效貯水能力11.07～85.15 mm。就不同樹種而言，根際土壤最大持水量最大為南天竹(357.94 mm)和枇杷(338.26 mm)、最小為絲栗栲(212.00 mm)和茶(221.64 mm)，有效持水量最大為杉木(85.15 mm)和南天竹(73.54 mm)、最小為油桐(11.07 mm)和馬桑(11.15 mm)，表明它們改良土壤調控水分能力的潛力不同，進而影響土壤水分保持與運動及土壤對植物水分供應能力。產生這種現象的原因與枯落物組成、數量、分解程度及分解產物有關，也與地下根系發育與作用有關[2,5,13]。

同一樹種各層的持水能力也具有差異，多表現為土層越深則有效持水能力越弱，原因可能為根系在不同厚度處的分布不均勻，也可能是不同土層有機質含量和土壤團聚性能不一樣，進而形成土壤物理性質的差異[14]。此外，高大喬木根際土壤持水能力強于灌木或小喬木，這可能與高大喬木根系粗度和密度較大有關。馬尾松、柏木持水能力低的原因可能是針葉樹種凋落物不易分解，凋落物腐殖質后能夠為表層土壤輸入的有機質少，不利于毛管孔隙的形成[2]，但杉木持水能力強的原因有待進一步研究。

表1 不同樹種各土層持水能力 mm

3.2 根際土壤持水與失水過程

土壤持水速率和失水速率分別表征其持水、失水過程的快慢，二者共同反映了土壤延緩地表徑流和截持降雨能力，決定森林土壤水分調控能力。本文是以0—60 cm土壤層代表其調控能力，實際的蓄水量和調控能力則更大。

如表2所示，1 h內，土壤持水速率和失水速率都較高，隨著時間的推移而不斷降低，4 h后趨于穩定。二者與時間具有一定的相關關系，均能用冪函數曲線進行擬合(y=axb)，式中y為持水速率或失水速率[g/(kg·h)]，x為時間(h)，a，b為常數，R>0.99，相關系數較高。所有根際土壤同時段的持水速率均大于失水速率，表明土壤具有水源涵養、調節地表徑流的功能，說明森林土壤水文生態效益顯著，是森林生態系統的水分蓄庫。持水速率高表征土壤滯留降雨的能力強，對水源涵養林樹種選擇具有重要參考價值。產生這一差異的因素包括：(1)樹種類型。樹種會通過枯落物和根系等影響土壤孔隙度性狀，從而使其儲蓄、調控水分能力不同；(2)礫石大小與含量[9]。影響土壤有效貯水能力的高低；(3)土壤密度[15]。制約土壤穩滲速率和水分貯存空間，對土壤水、氣此消彼長的關系產生影響。

3.3 根際土壤調控水分功能群

植物功能群是用于研究基于植物功能特性的植物集群和物種反應的普遍法則[16]，它的研究可把復雜生態系統通過功能團體劃分而得以簡單化[17]。赤水河上游生境要素的變化導致物種生態習性不同，在長期自然演替進程中形成穩定的功能組合。以協變量表示的背景變異為基礎，大致將32個樹種劃分為5組植物功能群(圖1)。

注：1楊樹，2鹽膚木，3楊梅，4絲栗栲，5黃連木，6枇杷，7杉木，8南天竹，9構樹，10莢蒾，11李，12撐綠竹，13茶，14楓香，15白櫟，16柏木，17梧桐，18馬尾松，19檵木，20火棘，21烏桕，22山胡椒，23慈竹，24馬桑，25柑橘，26黃荊，27油桐，28毛桐，29南酸棗，30楝樹，31香椿，32油茶。

圖1 根際土壤調控水分功能群劃分結果

功能群Ⅰ包括楊梅、絲栗栲、茶、白櫟、馬尾松、慈竹，均生長于常態地貌(多為黃壤)，面積大、分布廣，林下更新幼苗數量較少，0—60 cm根際土壤有效持水量為30～50 mm，處于中等持水水平。

表2 土壤持水速率、失水速率與時間的擬合關系

注：**表示在0.01(雙側)上顯著差異。

功能群Ⅱ包括楊樹、杉木、構樹、莢蒾、撐綠竹、楓香、火棘、山胡椒、烏桕、楝樹、馬桑，生長分布于常態地貌和喀斯特地貌的過渡區域，適生范圍較廣，但喀斯特地貌上的物種長勢要差，根際土壤有效持水能力較低。

功能群Ⅲ包括枇杷、南天竹、李、柏木、梧桐、香椿，多為人工栽植的經濟樹種，受人為干擾程度較大，多分布于喀斯特地貌，根際土壤有效持水能力處于中等水平。

功能群Ⅳ包括檵木、黃荊、油桐、毛桐、南酸棗，均生長于喀斯特地貌，大面積分布但較分散，多與其它樹種混交形成混交林，所構成的群落物種多樣性水平較高，根際土壤有效持水能力處于中低水平。

功能群Ⅴ包括鹽膚木、黃連木、柑橘、油茶，天然林中分布較少，為偶見種，根際土壤有效持水能力相對較低。

3.4 影響根際土壤持水能力的因素

如圖2所示，從箭頭連線的長短可知，在土壤厚度一定時，影響根際土壤持水能力的主要因素有容重、含水率、持水曲線常數項、毛管孔隙度和總孔隙度等，影響較小的是持水曲線指數項。土壤容重影響持水能力的原因是它指示土壤緊實度狀況，表征土壤透水性、透氣性和根系延展時的阻力大小[5]；土壤含水率高低則可能制約飽和持水能力及土壤蓄水潛力與空間；土壤孔隙狀況反映了本身結構和粒徑分布特征，體現了土壤蓄水能力的高低。總孔隙度和毛管孔隙度的差值即為非毛管孔隙度，能迅速吸收降水并及時下滲，決定了土壤有效持水量，利于涵養水源[6]。

注：RZ容重、HSL自然含水率、ZKXD總孔隙度、MKXD毛管孔隙度、YXCS有效持水量、CSCS持水曲線常數項、CSZS持水曲線指數項、SSCS失水曲線常數項、SSZS失水曲線指數項。

圖2 影響根際土壤調控水分能力的因素

4 結 論

赤水河上游32個樹種0—60 cm根際土壤的持水速率均大于失水速率，且二者均與時間呈明顯冪函數關系，相關性較好，具有較強的水分調蓄潛力，是一個蓄水庫。將它們劃分為5個功能群：功能群Ⅰ包括楊梅、絲栗栲、茶、白櫟、馬尾松、慈竹；功能群Ⅱ包括楊樹、杉木、構樹、莢蒾、撐綠竹、楓香、火棘、山胡椒、烏桕、楝樹、馬桑；功能群Ⅲ包括枇杷、南天竹、李、柏木、梧桐、香椿；功能群Ⅳ包括檵木、黃荊、油桐、毛桐、南酸棗；功能群Ⅴ包括鹽膚木、黃連木、柑橘、油茶。劃分結果能夠較好地反映樹種與持水能力的關系，輔助該區水源涵養林樹種選擇和布局。改善根際土壤物理性狀應作為該區水源涵養林建設和植被恢復的措施之一。

[1] 丁訪軍,王兵,鐘洪明,等.赤水河下游不同林地類型土壤物理特性及其水源涵養功能[J].水土保持學報,2009,23(3):179-183,203.

[2] 賈秀紅,曾毅,周志翔,等.鄂中低丘區不同演替階段森林凋落物和土壤水文特征[J].水土保持學報,2013,27(4):125-129.

[3] 趙建生,王永明,楊新兵,等.冀北山地森林土壤水文效應研究[J].水土保持研究,2013,20(3):201-205.

[4] 石媛,魯紹偉,陳波,等.河北霧靈山不同密度油松人工林枯落物及土壤水文效應[J].水土保持學報,2014,28(3):92-97.

[5] 魯紹偉,陳波,潘青華,等.北京山地不同密度側柏人工林枯落物及土壤水文效應[J].水土保持學報,2013,27(1):224-229.

[6] 盧振啟,黃秋嫻,楊新兵.河北霧靈山不同海拔油松人工林枯落物及土壤水文效應研究[J].水土保持學報,2014,28(1):113-116.

[7] 薛建輝,王智,呂祥生.林木根系與土壤環境相互作用研究綜述[J].南京林業大學學報：自然科學版,2002,26(3):79-84.

[8] 喻理飛,朱守謙,祝小科,等.烏江流域不同植被—土壤系統涵養水源功能研究[J].貴州農學院叢刊,1991,17(1):36-52.

[9] 徐麗宏,王彥輝,熊偉,等.六盤山典型植被類型土壤水文生態功能研究[J].林業科學研究,2012,25(4):456-463.

[10] 肖衛平.茅臺水源功能區植物群落地上結構持水功能評價研究[D].貴陽:貴州大學,2012.

[11] 黃威廉,屠玉麟,楊龍.貴州植被[M].貴陽:貴州人民出版社,1988.

[12] 林大儀.土壤學試驗指導[M].北京:中國林業出版社,2004.

[13] 鄧繼峰,丁國棟,吳斌,等.寧夏鹽池地區3種林分枯落物層和土壤水文效應[J].北京林業大學學報,2014,36(2):108-114.

[14] 高琛,魯紹偉,楊新兵,等.北京松山不同密度丁香天然林枯落物及土壤水文效應[J].水土保持研究,2013,20(6):59-65.

[15] 吳迪,辛學兵,趙明揚,等.北京九龍山不同林分枯落物及土壤水文效應[J].林業科學研究,2014,27(3):417-422.

[16] Juliane D, R?mermann C, Bernhardt-R?mermann M, et al. Adaptation of plant functional group composition to management changes in calcareous grassland[J]. Agriculture Ecosystems & Environment,2011,145(1):29-37.

[17] 胡楠,范玉龍,丁圣彥.伏牛山森林生態系統灌木植物功能群分類[J].生態學報,2009,29(8):4017-4025.

Soil Water Regulation Function in the Rhizosphere of Main Tree Species in the Upper Reaches of Chishui River

YU Yanghua, LI Guangrong, YAN Lingbin, HUANG Zongsheng, YU Lifei

(CollegeofForestry,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China)

In order to understand the soil water regulation ability in rhizosphere of main tree species in the upper reaches of Chishui River, through field sampling and experimental analysis method, study on ecohydrological function was carried out based on the bulk density, water content, porosity and other aspects, and the division of water regulation function groups. The results showed that the maximum water holding capacity of 32 species in 0—60 cm layer is about 212.00～357.94 mm, available water content ranged from 11.07 mm to 85.15 mm, was the reservoir; water holding rate was greater than the rate of water loss, and the relationship between the two and the time followed the power function model. Using RDA ordination, tree species in this area could be divided into 5 types of functional group. Functional group ⅠincludedMyricaceaerubra,Castanopsisfargesii,Camelliasinensis,Quercusaliena,PinusmassonianaandNeosinocalamusaffinis. Functional group Ⅱ includedPopulustrinervis,Cunninghamialanceolata,Broussonetiapapyifera,Viburnumchinshanense,Bambusapervariabilis,Liquidambaformosana,Pyracanthafortuneana,Linderaglauca,Sapiumsebiferum,MeliaazedarachandCoriarianepalensis. Functional group Ⅲ includedEriobotryabengalensis,Nandinadomestica,Prunusnalicina,Cupressusfunebris,PlatanusacerifoliaandToonasinensis. Functional group Ⅳ includedLoropetalumchinense,Vitexnegundo,Verniciafordii,MallotusbarbatusandChoerospondiasaxillaria. Functional group Ⅴ includedRhuschinensis,Pistaciachinensis,CitrusreticulataandCamelliaoleifera. Physical characteristics like soil bulk density, water content and porosity and water holding process are the key factors which affect the ability of regulation of soil hydrology. The results can provide theoretical basis for the selection and configuration of tree species in the water conservation forest of upper Chishui River.

tree rhizosphere soil; hydrological function; regulate soil water; functional group; upper reaches of Chishui River

2014-10-11

2014-10-22

貴州茅臺科技聯合資助項目“退化植被生態功能評價及生態修復技術與示范研究”(黔科合茅科聯字[2009]7007);貴州省環境保護廳環境保護項目“赤水河上游退化植被水源涵養功能評價及恢復對策”(2013-09);貴州省農業攻關項目[黔科合NY(2013)3055號]

喻陽華(1984—),男,貴州仁懷人,博士生,研究方向為退化森林生態系統恢復。E-mail:yuyanghua2003@163.com

喻理飛(1963—),男,貴州貴陽人,教授,博士生導師,主要從事喀斯特退化生態系統恢復研究。E-mail:gdyulifei@163.com

S152.7; S715.7

1005-3409(2015)05-0284-05