桉樹與米老排混交林的水源涵養功能

林祖榮

(福建省南靖國有林場，福建 南靖 363600)

森林水源涵養功能是指森林生態系統通過林木、林下植被、凋落物和林地土壤對降水進行截留、吸收、儲存和再釋放，將降水轉化為地下徑流，進而調節河川枯水期徑流量的功能[1-3]。森林水源涵養作用主要集中在削減洪峰和增加水資源量兩方面[3]，即在降雨時段吸收水分，減少地表徑流量；降雨后通過土壤滲透作用釋放水分，增加地下徑流量[4-5]。桉樹(Eucalyptussp.)適應性強、經營周期短且經濟效益高，是閩南地區最重要的造林樹種之一[6]。但長期經營桉樹純林造成部分地區出現生態退化問題[7]，而營造桉樹混交林是當前較為有效的解決方法。目前對桉樹混交林的研究主要集中在林分生產力[8-9]、土壤理化性質[10-11]等方面，而對其水源涵養功能的研究較少。因此，本研究選取生態效益較高且適合作為復層混交林下層林木的米老排(Mytilarialaosensis)與桉樹營造復層混交林，并探討混交林與純林的地上部分及林地土壤的持水及排水能力，以期為桉樹林的可持續經營提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

樣地位于福建省南靖國有林場(24°28′N，117°18′E)，屬南亞熱帶海洋性季風氣候。該區年均氣溫21.5 ℃，年極端最低氣溫-0.5 ℃，年極端最高氣溫40.5 ℃，≥10 ℃活動積溫7 382 ℃，年均相對濕度80%，年均降水量1 800 mm，年日照時數1 600 h，年無霜期320 d。試驗地為桉樹采伐跡地(后徑工區9-6小班)，小班面積9.2 hm2，海拔100～150 m，坡度20°，坡向東北。土壤為花崗巖發育的山地紅壤，土層厚度約1 m，立地質量等級為Ⅱ級。混交林及米老排純林林下植被主要有粗葉榕(Ficushirta)、五節芒(Miscanthusfloridulus)、鵝掌柴(Scheffleraoctophylla)、金毛狗(Cibotiumbarometz)、雙蓋蕨(Diplaziumdonianum)等。

1.2 試驗設計

試驗共設置桉樹純林、桉樹與米老排混交林和米老排純林3種林分。2010年10月對林分密度為1 667株·hm-2的前茬桉樹林進行采伐，次年3月將林地劃分為3個面積均為3 hm2的樣地，并對桉樹樹樁進行留萌或催腐。米老排苗木使用1年生容器苗。(1)營造桉樹純林。每個伐樁保留1株健壯萌芽條，林分密度約1 667株·hm-2。(2)營造混交林。保留長勢較好的桉樹萌芽條，保存密度約300株·hm-2，其他伐樁進行催腐；2011年4月在桉樹萌芽林下套種米老排，套種密度約1 700株·hm-2。(3)營造米老排純林。伐樁全部催腐，并于2011年4月開展造林，造林密度為2 000株·hm-2。造林后各林分撫育措施一致，2011、2012年每年5月撫育鋤草，并施肥1次(每公頃施用48%的氮磷鉀復合肥300 kg)，10月全面撫育鋤草1次；2013年5、10月各撫育鋤草1次。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 植株生長量 2019年7月初，選取林分長勢中等的地段，各林分分別設置3個25 m×25 m樣地，共計9塊樣地。調查樣地林分郁閉度及喬木的樹高、胸徑和保存率，結果見表1。

表1 林分生長概況Table 1 Growing status of different stands

1.3.2 地上部分生物量 采用平均標準木法測定喬木層各部分(干、枝、葉、皮)生物量；采用樣方收獲法測定林下植被和凋落物現存量[3]。

1.3.3 地上部分水源涵養能力 采用浸水法[12]測定林冠層、林下植被層和凋落物層自然持水量、最大持水量和排水能力。排水能力=最大持水量-自然持水量。

1.3.4 土壤水分物理性質 在各樣地內，按“S”型路線隨機選取3個點，用環刀分別采集0～20 cm和20～40 cm土層原狀土，并帶回室內測定土壤水分物理性質[13]。

1.4 統計與分析

采用Excel 2007軟件進行數據處理與分析。

2 結果與分析

2.1 林分地上部分水源涵養功能

林分地上部分最大持水量和排水能力見表2。(1)喬木層。各林分喬木層最大持水量和排水能力均明顯大于林下植被層和凋落物層，占比分別達到79.45%～89.11%和56.82%～68.10%，說明林分地上部分的持水及排水能力均以喬木層為主。喬木層最大持水量和排水能力均以混交林最大，分別比桉樹純林提高15.26%和14.62%。(2)林下植被層。最大持水量和排水能力均以桉樹純林最大，分別為18.40和6.02 t·hm-2，顯著大于混交林和米老排純林。這主要由于桉樹純林郁閉度較小，加之枝葉相對稀疏，林下光照條件較好，林下植被較為豐富；而混交林和米老排純林郁閉度較高且米老排林冠較密，透光性差，林下植被很少。(3)凋落物層。最大持水量和排水能力均以混交林最大，分別比桉樹純林提高55.54%和38.91%，差異達顯著水平。桉樹純林凋落物層排水能力占最大持水量的88.61%，而混交林和米老排純林僅占79.13%和76.13%，這與3種林分凋落物組分不同有關。混交林和米老排純林的凋落物基本為林木枯枝落葉，而桉樹純林凋落物除桉樹枯枝落葉外，還存在大量林下植被殘體。各林分地上部分總體持水量和排水能力以混交林最高，分別比其他林分高2.45%～4.12%和1.66%～6.44%。

表2 林分地上部分最大持水量和排水能力1)Table 2 Aboveground maximum water-holding capacity and drainability of different stands

1)同一層次同列數值后附不同小寫字母者表示差異達0.05顯著水平。

2.2 林分土壤水源涵養功能

由圖1、圖2可知，混交林和米老排純林土壤持水量和孔隙度指標較為接近，且明顯高于桉樹純林。混交林不同土層的最大持水量、毛管持水量和田間持水量分別比桉樹純林提高6.42%～10.74%、1.78%～6.55%和3.20%～8.08%；混交林不同土層的總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度分別比桉樹純林提高6.38%～10.75%、1.73%～6.58%和45.66%～49.32%。方差分析表明，混交林不同土層最大持水量、田間持水量、總孔隙度和非毛管孔隙度與桉樹純林差異均達顯著水平，表明桉樹萌芽林下套種米老排營造混交林可以提高土壤孔隙及持水能力。

3種林分土壤水源涵養能力見圖3。由圖3可知，各林分土壤最大持水量和排水能力均以混交林最優，米老排純林次之，桉樹純林最低。其中，混交林最大持水量和排水能力分別比桉樹純林提高8.47%和14.72%，且差異達顯著水平，說明與桉樹純林相比，混交林可以增大土壤持水和排水能力，提高土壤水源涵養能力。

圖2 林分土壤孔隙度比較Figure 2 Comparison of soil porosity in different stands

2.3 林分總體水源涵養功能

圖3 林分土壤水源涵養能力比較Figure 3 Comparison of soil water conservation in different stands

由表3可知，林分地上部分最大持水量和排水能力占整個林分比重均較小，占比分別為6.56%～6.82%和4.74%～5.43%。說明森林系統中林地土壤是涵養水源的主體，而地上部分主要是對降雨進行攔截再分配，減弱土壤濺蝕和改善土壤水分物理性質。混交林林分最大持水量和排水能力分別比米老排純林提高3.04%和4.31%，比桉樹純林提高8.17%和14.01%。方差分析表明，混交林林分最大持水量和排水能力均與桉樹純林差異顯著。說明與桉樹純林相比，桉樹套種米老排營造混交林可改良林地土壤，增強土壤持水和排水能力，進而增強整個林分的水源涵養能力。

表3 林分總體水源涵養能力比較1)Table 3 Comparison of general water conservation capacity in different stands

1)同列數值后附不同小寫字母者表示差異達0.05顯著水平。

3 討論與結論

本研究表明，3種林分地上部分持水量主要集中在喬木層；地上部最大持水量和排水能力均以混交林最高，分別比其他林分提高2.45%～4.12%和1.66%～6.44%。混交林土壤孔隙度和持水能力優于桉樹純林，土壤水源涵養能力最強，其最大持水量和排水能力分別比桉樹純林提高8.47%和14.72%，差異達顯著水平。林分總體持水能力主要集中在林地土壤,混交林林分最大持水量和排水能力分別比桉樹純林提高8.17%和14.01%，差異達顯著水平；而與米老排純林相比則較為接近。說明與桉樹純林相比，桉樹與米老排混交林可有效提高林分水源涵養量。由于郁閉度太高，導致混交林和米老排純林林下植被較少，使得其攔截降水、保護林地土壤的能力明顯弱于桉樹純林，但混交林和米老排純林的土壤水分物理性質又優于桉樹純林。 這可能是因為米老排純林林冠較密且初植密度較大，林分林冠層對降水截留效果較好，穿透林冠直接作用于林地的降水較少，加之米老排枯枝落葉量較大，枯枝落葉堆積在地表也能保護林地土壤免受降水濺蝕。目前，混交林和米老排純林郁閉度均達到0.95，計劃在短期內開展間伐，而有關間伐后混交林水源涵養功能的變化還需進一步研究。