闊葉樹種引入后馬尾松人工林土壤水文物理性質研究

杜姣姣, 周運超, 白云星, 張薰元

(貴州大學 貴州省森林資源與環境研究中心/林學院 貴州省高原山地林木培育重點實驗室, 貴陽 550025)

森林土壤作為森林涵養水源的主體，其持水量可占總體涵養水量的85%以上，在調節水分循環方面發揮著重要作用[1-2]。森林土壤的水文物理性質是森林水源涵養功能的重要評價指標，其主要體現在涵蓄降雨、阻延徑流和防洪減災等方面[3]。森林土壤的水文物理性質普遍存在時空異質性和環境異質性[4]，其影響因素主要包括地形地貌、土壤特征、降雨差異和植被類型。對于人工林生態系統而言，營林措施會改變林分空間結構和環境因子，造成土壤涵養水源能力發生改變[5]。因此，探究人工林土壤的水文物理效應對于森林涵養水源功能的提升與調控手段具有重要意義。

土壤容重與孔隙度是土壤物理特性的重要指標，容重大小是土壤質地、結構和孔隙等物理性狀的綜合表現，而孔隙度能夠反映土壤通透程度，其中毛管孔隙和非毛管孔隙分別使土壤具有儲水性能和透水性能[6]。植被是土壤物理—水文效應的主要調節者[7]，通?；旖涣直葐我粯浞N林分具有更高的土壤生態功能[8]。闊葉林地表枯落物含量分解速率通常大于針葉林，針闊混交林有利于凋落物的分解和養分釋放，能夠改善針葉林地力衰退并提高土壤水源涵養能力[9-10]。例如，針闊混交林能降低土壤容重并提高土壤孔隙度，從而直接影響土壤最大持水量，有效持水量和土壤滲透速率，其土壤拒水性顯著低于純林[11-13]。然而，不同樹種間存在生物特性和林分結構差異[14-15]，物質周轉和養分歸還能力對不同植被響應也有所不同，導致營造針—闊混交林對于土壤水文物理性質可能存在正效應或負效應[16]。因此，充分認知和定量評價不同類型針—闊林分的水文物理性質，對針葉林闊葉化經營和水資源的科學管理與應用具有重要意義。

馬尾松(Pinusmassoniana)是中國特有鄉土樹種，其適應能力強，耐干旱，是南方荒山綠化造林的主要樹種，面積高達1.13×107hm2[17]。經過十多年的退耕還林治理，我國南方已形成以馬尾松人工林為主的水土流失初步治理區，但馬尾松純林林分結構單一且生物多樣性較差，其林下水土流失仍較為嚴重[18]。馬尾松人工純林所引起的土壤退化已成為中國南方最嚴重的退化生態問題之一[19-20]。如何通過林分改造提高馬尾松人工林水源涵養功能成為當前亟需解決的問題。據報道，針葉人工林補植闊葉樹種能顯著改善土壤衰退現象[21]，但其機理尚未得到充分認知，且不同闊葉樹種間所帶來的土壤水文物理效應差異尚未得到評估，因此，篩選適宜林分補植的闊葉樹種顯得尤為重要。基于此，本研究擬解決以下科學問題：(1) 馬尾松人工林土壤物理及水文效應如何響應不同闊葉樹種的引入；(2) 在馬尾松人工林闊葉化改造中，如何選擇樹種以達到提升土壤蓄水保墑的目的。

1 研究區概況

研究區位于貴州省龍里林場，地理位置為北緯26°22′—26°45′，東經106°45′—107°11′，處于苗嶺山脈中段，長江流域烏江水系與珠江流域紅水河水系的分水嶺，烏江三級支流三元河從林區流過，地勢西北高、東南低，屬中亞熱帶季風濕潤氣候，年均氣溫14.8℃，極端最高氣溫33.2℃，最低氣溫-8.5℃，降水量1 089.3 mm，相對濕度77%。龍里林場成土母巖主要為砂頁巖。土壤以黃壤為主，另有少量黃棕壤。pH值為5.5～6.5，呈微酸性。

供試馬尾松林分為1957年造林，于2004年對馬尾林進行帶狀采伐后采用隨機套種模式引入伯樂(Bretschneiderasinensis)、桂南木蓮(Manglietiachingii)、連香(Cercidiphyllumjaponicum)、深山含笑(Micheliamaudiae)和油茶(Camelliaoleifera)5種樹種形成針闊混交林，同時以未改造的馬尾松純林為對照，在所有林分生長期間均未進行施肥和撫育措施。2019年11月在上述5種混交林和馬尾松純林樣地內各設置3個20 m×20 m標準樣地，樣地基本情況見表1。

表1 研究區基本特征

2 材料與方法

2.1 樣地設置與樣品采集

于2019年11月在各林分的標準樣地內采集凋落物和土壤樣品。在每個樣地順坡上、中、下各設置1個0.5 m×0.5 m小樣方，先收集地表凋落物，再選取代表性樣點，采用剖面法在每個樣地挖取3個土壤剖面，剖面點位于馬尾松與補植樹種1.2 m的相交處，用環刀法采集0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm，80—100 cm土壤樣品。另在各采樣點分層采集土壤樣品，同一樣方的同一土層充分混勻后取1 000 g作混合樣，帶回實驗室內測定土壤理化性質，凋落物帶回實驗室65℃烘干至恒重并稱重，計算凋落物儲量。

2.2 土壤理化性質和持水性能測定

土壤有機碳測定采用重鉻酸鉀消解—硫酸亞鐵銨滴定法；土壤容重、土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量和田間持水量采用環刀法(環刀體積為100 cm3)和浸水法測定；先通過浸水法測定出土壤持水量，再利用持水量值通過相關公式計算求出土壤孔隙度值[22]。水文物理公式如下:

(1)

(2)

(3)

P2=0.1×(Wt-Wc)×ρ2/ρ1×100%

(4)

P3=0.1×Wc×ρ2/ρ1×100%

(5)

P1=P2+P3

(6)

ρ2=m/V

(7)

式中:Wt為最大持水量(g/kg);Wc為毛管持水量(g/kg);Wo為田間持水量(g/kg)；P1為總孔隙度(%)；P2為非毛管孔隙度(%)；P3為毛管孔隙度(%)；m為環刀內干土質量(g)；m1為浸潤12 h后環刀內濕土質量(g)；m2為在干砂上擱置2 h后環刀內濕土質量(g)；m3為在干砂上放置3天后環刀內濕土質量(g);V為環刀體積(cm3)；ρ1為水的密度(1.0 g/cm3)；ρ2為土壤密度(g/cm3)。

2.3 土壤水文物理能力綜合評價

本文采用坐標綜合評定法基于多維空間理論，將評定對象看作由多向量所決定的空間點，以各點與最佳點的距離對各點進行比較，對多個不同量綱指標進行綜合評價[23]。采用此方法評價土壤水文物理性質基本步驟為：(1) 列出原始數據表，以sij表示，其中i表示不同植被類型，j表示不同指標；(2) 采用公式(8)將其與每一指標中的最優者mj作比較，組成相對值dij矩陣坐標；(3) 采用公式(9)計算第i個處理到標準點的距離；(4) 采用公式(10)求各處理到標準點距離之和M；最后按M值由小到大進行排序，以綜合值小者為最優。

dij=sij/mij

(8)

(9)

(10)

式中:dij為原始數據的相對值；sij為原始數據；mij為每個指標中的最優值;Pi為第i個處理到標準點的距離。

2.4 數據處理

采用單因素方差(One-way ANOVA)分析其土壤容重、孔隙度、持水性能的變化，并進行LSD多重差異性檢驗，土壤物理及持水指標的相關分析采用相關性分析法。圖表制作采用Excel 2019和SPSS 22.0統計軟件完成。

3 結果與分析

3.1 不同闊葉樹種引入后土壤物理性質變化

3.1.1 土壤容重的變化 土壤容重大小是土壤質地、結構、孔隙等物理性狀的綜合反映。從圖1可以看出，6種林分類型下土壤容重均隨土層深度的加深呈增加趨勢，從表層土壤容重來看，土壤容重大小為馬尾松+連香(1.40 g/cm3)>馬尾松純林(1.36 g/cm3)>馬尾松+木蓮(1.27 g/cm3)>馬尾松+伯樂(1.23 g/cm3)>馬尾松+油茶(1.21 g/cm3)=馬尾松+深山含笑(1.21 g/cm3)。各林分表層土壤容重均小于其余土層，以連香林分下土壤容重最大，土壤較為緊實。0—100 cm土層容重依次為馬尾松+連香(1.54/g/cm3)>馬尾松純林(1.52 g/cm3)>馬尾松+木蓮(1.51 g/cm3)>馬尾松+伯樂(1.50 g/cm3)>馬尾松+油茶(1.38 g/cm3)>馬尾松+深山含笑(1.29 g/cm3)，以深山含笑林分下土壤容重最小，土壤較為松散。

圖1 不同林分下土壤容重的變化

3.1.2 土壤孔隙特征 林地土壤的孔隙狀況是評價土壤通透性的重要指標，土壤孔隙的大小直接影響到土壤中的水分狀況。由表2可知，在0—100 cm土層中，各林型土壤總孔隙度均值為41.57%～54.09%，依次為馬尾松+深山含笑>馬尾松+油茶>馬尾松純林>馬尾松+木蓮>馬尾松+伯樂>馬尾松+連香。平均土壤毛管孔隙度隨土層深度變化趨勢及各林型大小狀況與總孔隙度表現一致，總均值大小為38.56%～49.05%。與純林相比較，馬尾松+深山含笑林分類型表現最為突出。平均土壤毛管孔隙度隨土層深度變化趨勢及各林型大小狀況與總孔隙度表現一致，總均值大小為38.56%～49.05%。非毛管孔隙主要是通氣孔隙，可反映土壤通氣狀況。不同林分類型非毛管孔隙表現出隨土層深度的增加而減小的規律，其大小表現為馬尾松+深山含笑>馬尾松純林>馬尾松+油茶>馬尾松+木蓮>馬尾松+伯樂>馬尾松+連香，說明深山含笑引入后土壤較其他幾種林地土壤具有較高的通氣性能，有利于植被的生長和土壤內氣體的交換。

3.2 不同闊葉樹種引入后土壤持水量變化

土壤持水性能是評價不同植被土壤涵養水源、調節水循環的重要指標，它反映了土壤持水、供水與調蓄能力，可用來評價土壤層的水文功能，包括最大持水量、毛管持水量和田間持水量。由表3可見，闊葉樹種引入后對最大持水量存在顯著差異(p<0.05)，各林型最大持水量表現為隨土層加深呈大致遞減趨勢，0—100 cm最大持水量大小依次為馬尾松+深山含笑>馬尾松+油茶>馬尾松+木蓮>馬尾松+伯樂>馬尾松純林>馬尾松+連香。除連香樹種外，其余林分表層最大持水量均大于純林，深山含笑樹種下各個土層最大持水量均大于其余林分各土層。土壤毛管持水量均值在26.44%～42.33%，其變化趨勢與最大持水量一致。田間持水量均值在25.54%～40.59%，大小依次為馬尾松+深山含笑>馬尾松+油茶>馬尾松+伯樂>馬尾松+木蓮>馬尾松純林>馬尾松+連香。

表3 不同闊葉樹種引入后土壤持水量的變化

3.3 不同闊葉樹種引入后土壤水文物理指標相關性分析

從表4可以看出，不同林分下土壤持水量、孔隙度均與土壤容重呈極顯著負相關(p<0.01)，土壤最大持水量、毛管持水量和田間持水量與土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的相關關系達到極顯著水平(p<0.01)。

表4 闊葉樹種引入后土壤水文物理指標相關性

3.4 不同闊葉樹種引入后土壤水文物理能力綜合評價

由表5可知，根據坐標綜合評定法(p值表示綜合評定值)，p值越小，說明土壤物理性質和持水性能越好，選擇土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤持水量等，總計7項指標，對土壤水文物理性質進行綜合評價。土壤物理性質大小排序為馬尾松+深山含笑>馬尾松+油茶>馬尾松純林>馬尾松+木蓮>馬尾松+伯樂>馬尾松+連香；不同林型土壤持水能力表現為馬尾松+深山含笑>馬尾松+油茶>馬尾松+木蓮>馬尾松+伯樂>馬尾松純林>馬尾松+連香。綜合評價大小排序為馬尾松+深山含笑>馬尾松+油茶>馬尾松純林>馬尾松+木蓮>馬尾松+伯樂>馬尾松+連香。

表5 不同闊葉樹種引入后土壤水文物理性質綜合評價

4 討 論

4.1 不同闊葉樹種的引入后對馬尾松人工林土壤水文物理性質的響應

不同造林樹種間生物學特性差異影響著林木根系生長與凋落物分解，造成不同林分間土壤有機質輸入的差異，最終影響土壤水文物理性質[24]。土壤毛管孔隙中的水分是土壤水分的主要貯存場所，可近似認為土壤在枯水季節的貯水量，田間持水量則反映土壤保水能力，其大小與土壤孔隙數量和組成有密切關系[25]。

本研究表明，不同樹種引入后0—100 cm深度的土壤容重隨土層加深而增大，孔隙度則隨土壤加深而減小，這與孫艷紅等[26]對森林土壤物理性質的研究一致，其中土壤總孔隙度變化范圍與魯紹偉等[27]對森林生態系統土壤總孔隙度范圍為40%～60%的研究結果相一致。引入深山含笑、油茶、木蓮和伯樂樹種后土壤毛管持水量和田間持水量分別為29.12%～42.33%和28.15%～40.28%，其持水能力均大于純林，說明林分改造后土壤的透氣透水性能有所改善，利于土壤蓄水保墑和植被良好發育，有效發揮植被的水文生態效益。一方面這可能是由于凋落物的硬度和形態等屬性通過影響土壤微生物活動、淋溶作用等制約著凋落物分解形成有機碳[28]，有機碳又結合土壤顆粒促進了土壤團粒結構的形成[29-30]，影響土壤孔隙狀況(表1)。由于革質葉分解速率大于針葉[31]，凋落物混合后促進其分解，使得凋落物周轉速度快，促進養分釋放，適宜更多土壤動物或微生物生活，促進了土壤孔隙的產生，加上根系分布的表聚性，使得表層土壤水文調節能力強[32-34]；另一方面由于深山含笑和油茶屬于深根性樹種[35]，根系通過穿插、擠壓改善深層土壤結構，深層根系分泌物及根系周轉產生的碎屑為土壤提供了豐富的有機質來源，有利于土壤孔隙的形成[36]。而連香屬于淺根性樹種[37]，其粗根大量位于土壤表層，而能夠改善土壤理化性質并提高抵抗水分侵入和降水擊濺能力的主要為細根[38-39]，粗根對土壤的固持作用不及細根，因此，導致表層土壤結構改善反而不及其余樹種，其次由于凋落物儲量低，在降雨時表層土壤缺乏地被物保護，造成其凋落物層未能有效地減低雨水濺蝕土壤[40]，造成土壤結構破壞使得土壤水文調節性能大大降低。

4.2 馬尾松人工林闊葉化改造中樹種的選擇

馬尾松人工林是我國南方地區分布最廣的森林類型，在20世紀80年代初馬尾松分布面積就已占全國森林面積的14.9%[41]。然而，隨著馬尾松造林面積的迅速擴大，單一純林經營模式的弊端逐漸顯露，有近1/4馬尾松群落存在嚴重的林下水土流失和不同程度的退化[42]，而闊葉樹種的引入被逐漸用于改善人工林土壤水文的生產實踐中[21]。不同樹種由于凋落物儲量及其構成、樹木根系生長發育和凋落物分解速率等差異，造成土壤持水能力等物理性質會有所變化[24]，本研究針對馬尾松人工林引入了5種闊葉樹種進行改造，其研究結果表明了樹種差異會影響土壤水文物理性質，但并非所有闊葉樹種都適合引入改造。從土壤物理及水文效應而言，連香凋落物松軟易分解導致表層有機碳含量高，但由于其淺根性導致土壤表層物理性質改善并不明顯，而深山含笑樹種由于其深根性能夠從整體改善土壤物理性質，更適合作為馬尾松人工林的引種對象，油茶次之。本文通過坐標評價法(表5)對不同闊葉樹種下的土壤水文物理性質進行分析，也更好地印證了引入此樹種后更利于改善土壤物理性質及持水能力，同時說明了并不是所有針闊混交都能較好地改善土壤水文物理性質。因此，對于南方地區以馬尾松人工林為主的水源涵養林來說，引入深根性且凋落物松軟易分解的樹種能夠更好地改善林地土壤的物理結構，增加土壤孔隙度，提高土壤的持水能力，在造林時可作為優選配置，促進馬尾松林水土保持效益的發揮。

5 結 論

(1) 馬尾松人工林不同闊葉樹種引入后0—100 cm土層土壤物理性質表現為深山含笑樹種下最好，連香樹種下最差；土壤容重隨著土層加深逐漸減小，其規律與土壤孔隙及有機碳規律相反。

(2) 在持水能力方面，土壤最大持水量、毛管持水量和田間持水量均隨土層的增大而呈逐漸降低趨勢，這與土壤孔隙度呈顯著正相關表現一致。就表層土壤而言，土壤各持水量表現為馬尾松+深山含笑>馬尾松+油茶>馬尾松+伯樂>馬尾松+木蓮>馬尾松純林>馬尾松+連香；0—100 cm土層最大持水量表現為馬尾松+深山含笑>馬尾松+油茶>馬尾松+木蓮>馬尾松+伯樂>馬尾松純林>馬尾松+連香，土壤毛管持水量與田間持水量與表層土壤持水量表現一致。

(3) 馬尾松人工林不同闊葉樹改造后經坐標綜合評定結果排序為：馬尾松+深山含笑(0)>馬尾松+油茶(1.034)>馬尾松純林(1.746)>馬尾松+木蓮(1.798)>馬尾松+伯樂(1.849)>馬尾松+連香(2.185)，由此可見不同闊葉引入對馬尾松人工林對土壤水文物理性質影響有所不同，在今后以蓄水保墑為目的的馬尾松人工林闊葉化改造樹種建議選擇凋落物周轉速度快且深根性的樹種。