亞熱帶不同樹種土壤水源涵養功能

楊 靜, 張耀藝, 譚思懿, 王定一,2, 岳 楷,2, 倪祥銀,2, 廖 姝,2,*, 吳福忠,2, 楊玉盛,2

1 福建師范大學地理科學學院, 福州 350007 2 濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地, 福州 350007

水源涵養功能是森林生態系統重要的服務功能之一,是森林與水的相互作用關系在生態系統服務的集中體現[1]。普遍認為,森林的林冠層、枯落物層和土壤層等通過攔截和吸收降水,使降水被充分蓄積和重新分配,這種調節降水的能力就是水源涵養功能[2]。其中,土壤作為森林發揮水文效應的主要場所,能調節90%的大氣降水,是森林生態系統水源涵養功能的重要組成部分[3- 5]。此外,土壤還能延緩地表徑流和減少水土流失,對森林生態的保護和修復具有重要意義[6]。因此,研究森林土壤水源涵養功能至關重要。

我國亞熱帶森林被稱為“北回歸線荒漠帶上的綠洲”,但大面積的天然常綠闊葉林曾被砍伐,取而代之的是杉木、馬尾松、巨桉等人工林。森林破壞初期林地內的土壤受到極大干擾,這對原有森林土壤水源涵養功能造成很大影響。同時,人工林的營造也會影響土壤水源涵養功能,其樹種的不同可能是導致人工林土壤水源涵養功能差異的主要原因之一[7-8]。因此,合理選擇樹種是亞熱帶森林經營中亟待解決的問題。然而,以往關于樹種對土壤性質影響的研究多在氣候、土壤發育、林齡相近的樣地間進行比較[9-10],很難評估立地條件差異的影響。已有研究表明,通過在土壤基質、林齡和森林經營歷史相同的均質條件下開展同質園實驗,可在最大程度上降低土壤自身差異造成的影響[11]。但截至目前,利用同質園實驗來探討不同樹種土壤水源涵養功能差異的研究十分缺乏。

為此,本研究于2012年2月在土壤發育、經營歷史、坡向坡度相同的林地上建立了中亞熱帶常見樹種同質園。并于2019年8月測定了種植12個樹種后不同土層深度的土壤容重、含水量、總/毛管/非毛管孔隙度、總/毛管/非毛管持水量和蓄水量,以此來評估種植中亞熱帶常見樹種對土壤水源涵養功能的早期影響,以期為中亞熱帶森林經營過程中合理選擇樹種、充分發揮亞熱帶森林生態系統服務功能提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究樣地位于福建省三明森林生態系統與全球變化野外科學觀測研究站(26°19′N, 117° 36′E),東南面和西北面分別與戴云山脈和武夷山脈相連。海拔在250—500 m之間,屬中亞熱帶季風氣候,年均氣溫19.5℃,年均降水量1700 mm,降水多集中于3—8月份,相對濕度81%,無霜期300 d。以低山丘陵地貌為主,土壤以花崗巖、紅壤或紅黃壤為主。區域內分布著中國面積最大的常綠闊葉林,植物群落組成豐富且分層明顯。喬木層主要以格氏栲(Castanopsiskawakamii)、木荷(Schimasuperba)、米櫧(Castanopsiscarlesii)和馬尾松(Pinusmassoniana)為主,灌草層以山茶(Camelliajaponica)、皺葉狗尾草(Setariaplicata)和金銀花(Lonicerajaponica)為主。

1.2 樣地設置

研究樣地經砍伐、煉山后建立同質園,其中4個樹種在種植前土壤基本特征見表1。2012年2月,在土壤發育、經營歷史、坡向坡度相同的林地上以0.12株/m2的密度栽植2年生實生苗。選取的常綠闊葉樹種為木荷、香葉(Linderacommunis)、米櫧、杜英(Elaeocarpusdecipiens)、香樟(Cinnamomumcamphora)和醉香含笑(Micheliamacclurei),落葉闊葉樹種為鵝掌楸(Liriodendronchinense)、無患子(Sapindusmukorossi)、全緣葉欒樹(Koelreuteriabipinnata)和楓香(Liquidambarformosana),針葉樹種為杉木(Cunninghamialanceolata)和馬尾松,共12個樹種,均為中亞熱帶常見樹種。通過隨機區組設計,每個樹種4個重復,每個小區面積約為0.1 hm2。后以相同的培養方式進行管理,于2017年對部分樹種的生長情況進行調查(表2)。并于2019年8月對樣地內各樹種隨機選擇3個樣方,調查了灌草層的物種組成和蓋度(表3)。

表1 同質園種植前4個樹種表層10 cm土壤碳氮磷含量

表2 種植5年后7個樹種的生長情況

表3 種植7年后12個樹種林下植被概況

1.3 樣品采集與分析

對各樹種隨機選擇3個樣方,在每個樣方內隨機選擇3株長勢較好的樹,沿樹干周圍1 m處各挖取1個50 cm的土壤剖面,并用體積為100 cm3的環刀自下而上按40—50、30—40、20—30、10—20 cm和0—10 cm土層深度分別取樣,立即裝入已消毒的自封袋,帶回實驗室。

采樣當天稱取每個環刀的重量(m, g)及裝有原狀土壤的環刀重量(m0, g),計算含水量(Cw,%)。將裝有原狀土的環刀于蒸餾水中浸泡12 h后稱重(m1, g),計算最大持水量(Cs, g/kg)；然后將其放于干砂上靜置2 h,待土壤的非毛管水全部流出,稱重(m2, g),計算毛管持水量(Cc, g/kg)；最后將環刀于105℃烘至24 h,稱重(m3, g)。按下列公式計算[13-14]：

土壤容重(ρs, g/cm3)為：

ρs=(m3-m)/v

式中,v為環刀體積(cm3)。

土壤含水量(Cw,%)、最大持水量(Cs, g/kg)和毛管持水量(Cc, g/kg)分別為：

Cw=(m0-m3)/(m3-m)

Cs=(m1-m3)/(m3-m)×103

Cc=(m2-m3)/(m3-m)×103

土壤總孔隙度(Ps,%)、毛管孔隙度(Pc,%)和非毛管孔隙度(Pn,%)分別為：

Ps=(m1-m3)/(m3-m)×ρs×100%

Pc=(m2-m3)/(m3-m)×ρs×100%

Pn=Ps-Pc

土壤最大蓄水量(Ws, t/m2)、毛管蓄水量(Ws, t/m2)和非毛管蓄水量(Wn, t/m2) 分別為：

Ws=Ps×d

Wc=Pc×d

Wn=Pn×d

式中,d為土層深度(m)。

1.4 數據分析

首先用雙因素方差分析(two-way ANOVA)檢驗不同土層和樹種對各變量的影響,再用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著性差異法(Least significant difference,LSD)逐一比較各變量在每個土層不同樹種間的差異顯著性。同時用Pearson相關分析比較土壤容重和含水量與毛管/非毛管孔隙度、持水量和蓄水量的相關關系。以上分析在SPSS 21.0 (IBM SPSS, Chicago, IL, USA)中進行。

2 結果

2.1 土壤容重和含水量隨土層和樹種的變化

土壤容重和含水量在不同土層間均存在顯著差異(P<0.001; 表4),且土壤容重總體上隨土層深度的增加而增加,而土壤含水量則相反。具體來講,土壤容重在0—10 cm土層為1.16—1.42 g/cm3,而在40—50 cm土層則達1.36—1.62 g/cm3；土壤含水量在0—10 cm土層中為9.7%—12.0%,而在40—50 cm土層降至9.0%—10.6%。同質園種植7年后,表層(0—20 cm)土壤容重和(0—10 cm)土壤含水量在不同樹種間差異顯著(P<0.05; 圖1)。就土壤容重而言,在0—10 cm土層中,種植鵝掌楸和香葉的土壤容重顯著低于種植其他樹種的土壤；在10—20 cm土層中,種植全緣葉欒樹的土壤容重顯著低于種植馬尾松的土壤；而在20—30、30—40 cm和40—50 cm土層中,種植不同樹種對土壤容重無顯著影響(P>0.05)。就土壤含水量而言,在0—10 cm土層中,種植香樟、鵝掌楸和醉香含笑的土壤含水量顯著低于種植木荷的土壤；而在其他土層中,種植不同樹種對土壤含水量均無顯著影響(P>0.05)。

圖1 種植7年后12個樹種不同土層土壤容重和含水量Fig.1 Soil bulk densities and water contents at different depths after the twelve trees have been planted for seven years數據為平均值±標準誤(n=3);不同小寫字母表示同一土層不同樹種間差異顯著(P<0.05),P值表示同一土層不同樹種間差異不顯著(P>0.05);木荷SS: Schima superba, 米櫧CCar: Castanopsis carlesii, 楓香LF: Liquidambar formosana, 香葉LC: Lindera communis, 杜英ED: Elaeocarpus decipiens, 香樟CCam: Cinnamomum camphora, 無患子SM: Sapindus mukorossi, 鵝掌楸LC: Liriodendron chinense, 醉香含笑MM: Michelia macclurei, 全緣葉欒樹KB: Koelreuteria bipinnata, 杉木CL: Cunninghamia lanceolata, 馬尾松PM: Pinus massoniana

表4 不同土層平均土壤容重、含水量、孔隙度、持水量和蓄水量

2.2 土壤孔隙度隨土層和樹種的變化

總體上看,土壤總孔隙度和毛管孔隙度在表層10 cm土壤顯著高于10 cm以下的土壤(P<0.05; 表4)。在0—10 cm土層中,土壤總孔隙度和毛管孔隙度分別為43.3%—47.4%和41.8%—46.2%,而非毛管孔隙度僅為0.67%—2.89% (圖2)。種樹7年后,各土層的土壤總孔隙度在不同樹種間均不存在顯著差異(P>0.05),而表層(10—20 cm)土壤毛管孔隙度和(0—10 cm和20—30 cm)土壤非毛管孔隙度則在不同樹種間存在顯著差異。其中,在10—20 cm土層中,種植鵝掌楸的土壤毛管孔隙度顯著高于種植全緣葉欒樹的土壤,而非毛管孔隙度在0—10 cm土層以種植杜英的土壤最高、在20—30 cm土層以種植香葉和杜英的土壤最高。

圖2 種植7年后12個樹種不同土層土壤孔隙度Fig.2 Soil porosities at different depths after the twelve trees have been planted for seven years數據為平均值±標準誤(n=3);不同小寫字母表示同一土層不同樹種間差異顯著(P<0.05),P值表示同一土層不同樹種間差異不顯著(P>0.05)

2.3 土壤持水量和蓄水量隨土層和樹種的變化

總體而言,土壤持水量和蓄水量均隨土層的增加而降低(表4),且表層10 cm土壤顯著高于10 cm以下的土壤(P<0.05)。具體來講,在0—10 cm土層中,土壤最大持水量和蓄水量分別達313—405 g/kg和4.3—4.7 t/m2,毛管持水量和蓄水量分別為307—392 g/kg和4.2—4.6 t/m2,而非毛管持水量和蓄水量僅為4.9—22.9 g/kg和0.067—0.29 t/m2(圖3)。種植不同樹種7年后,各土層的土壤最大蓄水量未發生顯著改變(P>0.05),而表層土壤的最大、毛管、非毛管持水量和毛管、非毛管蓄水量卻發生了顯著改變(P<0.05)。就土壤持水量而言,在表層10 cm土壤中,種植鵝掌楸的土壤最大持水量和毛管持水量均最高,種植馬尾松、醉香含笑和香樟的土壤最大持水量最低,而種植杜英的土壤非毛管持水量最高。就土壤蓄水量而言,在10—20 cm土層中,種植楓香、全緣葉欒樹和鵝掌楸的土壤毛管蓄水量較高,種植馬尾松和醉香含笑的土壤毛管蓄水量最低,而非毛管蓄水量在0—10 cm土層中以種植杜英的土壤最高、在20—30 cm土層中以種植香葉的土壤最高。

圖3 種植7年后12個樹種不同土層土壤持水量和蓄水量Fig.3 Soil water holding and water storage capacities at different depths after the twelve trees have been planted for seven years數據為平均值±標準誤(n=3);不同小寫字母表示同一土層不同樹種間差異顯著(P<0.05),P值表示同一土層不同樹種間差異不顯著(P>0.05)

2.4 土壤容重和含水量與土壤孔隙度、持水量和蓄水量的關系

土壤容重與土壤孔隙度、持水量和蓄水量均呈顯著負相關關系(P<0.001; 圖4),而土壤含水量則與其呈顯著正相關關系(P<0.001; 圖4)。

圖4 土壤容重和含水量與土壤孔隙度、持水量和蓄水量的相關關系Fig.4 Relationship of soil bulk density and water content with soil porosity, water holding and water storage capacity實心點: 毛管孔隙度、持水量和蓄水量, 空心點: 非毛管孔隙度、持水量和蓄水量

2.5 土壤容重、孔隙度、持水量和蓄水量隨樹種類型的變化

種植的12個樹種可劃分為常綠闊葉樹種、落葉闊葉樹種和針葉樹種。整體看來,針葉樹種的土壤容重高于常綠和落葉闊葉樹種,常綠闊葉樹種的土壤非毛管孔隙度、持水量和蓄水量要高于落葉闊葉和針葉樹種,而落葉闊葉樹種的土壤總孔隙度、總持水量、總蓄水量、毛管孔隙度、毛管持水量和毛管蓄水量則要高于常綠闊葉和針葉樹種(圖5)。

圖5 不同樹種類型的土壤容重、孔隙度、持水量和蓄水量Fig.5 Soil bulk densities, porosities, water holding and water storage capacities after planted with different tree types箱型圖包含中位數和25%、75%置信區間,實心黑點表示平均值。不同小寫字母表示不同類型樹種間差異顯著(P<0.05),P值表示不同類型樹種間差異不顯著(P>0.05);EBT: 常綠闊葉樹種Evergreen broad-leaved tree,DBT: 落葉闊葉樹種Deciduous broad-leaved tree,CT: 針葉樹種 Coniferous tree

3 討論

本研究通過對同一立地條件下同質園中不同人工樹種種植早期土壤物理性質的研究發現,不同樹種的種植改變了土壤物理結構,進而影響了土壤的持水能力,但這種早期(7年)影響只發生在土壤表層。其中,種植鵝掌楸、楓香和全緣葉欒樹等落葉闊葉樹種能在較短時間內增加凋落物分解和根系分布,從而改善土壤容重和孔隙度,增加土壤的持水和蓄水能力,提升中亞熱帶森林土壤水源涵養功能。

土壤物理結構一般包括土壤容重和孔隙度,它的差異主要源于外界環境因素和樹種本身的生物學特性[15]。以往的研究表明,氣候、土壤及植被類型等均能對土壤容重和孔隙度產生影響,但由于立地條件的差異難以評估,尚未得出一致結論[5]。在本研究中,同質園經過相同的培養管理,各樹種的土壤容重和孔隙度在種植7年后表現出了明顯的差異?？傮w來看,種植鵝掌楸、楓香和全緣葉欒樹等落葉闊葉樹種的表層土壤物理結構優于其他樹種的土壤,表現為土壤容重小和孔隙度大,這可能與鵝掌楸等落葉闊葉樹種自身的生物學特性有關。首先,種植不同樹種會對林下植被的蓋度和組成產生影響,而不同植被根系生長發育的差異又會影響土壤的機械組成,進而影響土壤容重和孔隙結構[15]。本研究調查發現,種植7年后不同樹種的林下植被組成沒有差異,但其蓋度存在差異,并以種植鵝掌楸等落葉闊葉樹種的植被蓋度較高,這可能與其冠幅和凋落物的分解有關。

其次,不同樹種凋落物輸入量、化學組成及分解程度的差異會影響有機質向土壤的輸入,從而導致土壤物理結構的不同[16]。通常來講,落葉闊葉林的凋落物輸入量遠高于常綠闊葉林和針葉林,且更容易被微生物分解,而針葉樹種凋落物大多富含木質素、酚類化合物等難降解組分,更難被分解[17]。鵝掌楸、楓香和全緣葉欒樹作為中亞熱帶常見的落葉闊葉樹種,其凋落物的易分解性既改善了土壤孔隙的結構,而分解形成的腐殖質也增加了土壤表層的滲透性,加速了水分的入滲[18]。最后,不同樹種根系分布特征也會影響土壤物理結構[19]。一方面,根系在土壤中的穿插和擠壓會改善土壤容重和孔隙結構,而樹種種植早期的根系分布具有表聚性,所有這種改善只發生在土壤表層,且以闊葉樹種居多[20]。另一方面,地下菌根分泌物可為土壤提供豐富的有機質來源,利于土壤顆粒的膠連和毛管孔隙的形成,因而鵝掌楸等具有內生或外生菌根的樹種具有較大的土壤孔隙度[21-22]。

土壤容重和孔隙度是決定土壤水源涵養功能的重要物理指標[23]。研究表明,土壤容重隨土層深度的增加而增加,而土壤孔隙度則隨土層深度的增加而降低[24]。本研究也發現,土壤容重與毛管孔隙度和非毛管孔隙度均呈顯著負相關關系,表明土壤容重越小,孔隙度越高,土壤結構越疏松多孔,因此各樹種表層土壤的貯水和透水性均高于下層土壤。而土壤容重與持水量和蓄水量的負相關性也證實了這一點。此外,種植不同樹種后土壤最大蓄水量、毛管蓄水量和非毛管蓄水量的變化規律分別與土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的變化基本一致。這是由于土壤蓄水量主要受土層厚度及土壤孔隙度的影響,因此在土層厚度一致的情況下,土壤孔隙度越大,土壤的蓄水量就越大[25]。因而種植鵝掌楸、楓香和全緣葉欒樹等落葉闊葉樹種的土壤毛管蓄水量較高,種植杜英的土壤非毛管蓄水量較高。所以從增大土壤孔隙度、提高土壤持水和蓄水能力的角度出發,在氣候適宜的地區種植落葉闊葉樹種比針葉樹種更能提升區域水源涵養功能。

4 結論

本研究通過中亞熱帶常見樹種同質園實驗發現,樹種因其自身的生物學特性使土壤容重和孔隙度在短時間內發生了改變,進而導致土壤持水量和蓄水量在不同樹種間產生了顯著差異,但這種差異在種植早期僅發生在土壤表層。鵝掌楸、楓香和全緣葉欒樹等落葉闊葉樹種通過增加凋落物分解和根系分布使表層土壤具有容重小、孔隙度大等良好的特性,因而具有較高的土壤蓄水量。與同一時期大量種植于南方濕潤區的杉木和馬尾松相比,種植鵝掌楸等落葉闊葉樹種能在較短時間內顯著提升土壤的水源涵養功能。因此,在亞熱帶人工林經營管理中,可以適當引入鵝掌楸、楓香和全緣葉欒樹等落葉闊葉樹種,避免種植單一的針葉純林,有效提升亞熱帶森林土壤水源涵養功能。但目前來看,本研究所涉及的樹種類型仍然較少,只能在一定程度上為森林的經營和管理提供參考,所以在今后的研究中應關注更多類型樹種的土壤水源涵養功能。