馬尾松改造成香榧林對地表徑流及氮磷流失的影響

摘要：掌握馬尾松 Pinus massoniana林轉換為香榧Torreya grandis 林對地表徑流及氮磷流失的影響，可為人工林經營管理提供一定的基礎。在浙江省東陽市林業總場設置馬尾松林、香榧幼齡林和香榧中齡林3種處理徑流小區，全面監測2023年地表徑流量，分析徑流水中不同形態氮、磷濃度，并計算養分流失量。結果表明：地表徑流量大小為馬尾松林（218.0 m3·hm?2）＞香榧幼齡林（206.0 m3·hm?2）＞香榧中齡林（157.0 m3·hm?2）；地表氮流失量大小為香榧幼齡林（806.56 g·hm?2）＞香榧中齡林（582.80 g·hm?2）＞馬尾松林（159.89 g·hm?2），磷流失量大小為香榧幼齡林（265.55 g·hm?2）＞香榧中齡林（183.57 g·hm?2）＞馬尾松林（48.72 g·hm?2）。與馬尾松林相比，香榧幼、中齡林地表徑流量分別減少了5.5%和22.5%，而氮流失量增加了4.04倍和2.65倍，磷流失量增加了4.45倍和2.77倍。綜上，馬尾松林改造成香榧林后降低了地表徑流，但增加氮、磷流失量，隨著香榧林齡的增大，地表徑流及氮、磷流失量隨之降低。

關鍵詞：地表徑流；氮；磷；馬尾松林；香榧林

中圖分類號：S157文獻標志碼：A文章編號：0253?2301（2024）04?0034?05

DOI：10.13651/j.cnki.fjnykj.2024.04.006

Impact of the Transformation of Pinus Massoniana into Torreya grandis Forest on the Surface

Runoff and the Loss of Nitrogen and Phosphorus

HU Wen-cui1 ，TANG Zhang-xuan2 ，LI Yong-lei1 ，YUAN Zheng-liang1 ，HE Ming1 ，WU Jia-sen2 ，JIANG Tao1*

（1. Forestry General Farm inDongyang City， Dongyang， Zhejiang 32210， China;2. School of Environmental andResource Sciences， Zhejiang A & F University， Hangzhou， Zhejiang 311300， China）

Abstract： Mastering the impact of converting Pinus massoniana forest to Torreya grandis forest on the surface runoffand the nitrogen and phosphorus loss could provide a certain foundation for the artificial forest management. Threetypes of runoff treatment plots， namely Pinus massoniana forest， youngTorreya grandis forest， and middle-agedTorreya grandis forest， were set up at the Forestry General Farm in Dongyang City， Zhejiang Province. The surfacerunoff in 2023 was comprehensively monitored， and the concentrations of different forms of nitrogen and phosphorusin the runoff were analyzed， and the nutrient loss was calculated. The results showed that the amount of surface runoffwas as follows： Pinus massoniana forest （218.0 m3·hm?2）＞young Torreya grandis forest （206.0 m3·hm?2）＞middle-aged Torreya grandis forest （157.0 m3·hm?2）. The amount of surface nitrogen loss was as follows： young Torreyagrandis forest （806.56 g·hm?2）＞middle-aged Torreya grandis forest （582.80 g·hm?2）＞Pinus massoniana （159.89g·hm?2）， while the amount of phosphorus loss was as follows： young Torreya grandis forest （265.55 g·hm?2）＞middle-aged Torreya grandis forest （183.57 g·hm?2）＞Pinus massoniana forest （48.72 g·hm?2）. Compared with the Pinus massonianaforest， thesurface runoff of youngand middle-agedTorreya grandisforestsdecreased by 5.5% and 22.5%， respectively， while the nitrogen loss increased by 4.04 and 2.65 times， and phosphorus loss increased by 4.45 and 2.77 times. In summary， the transformation of Pinus massoniana forest into Torreya grandis forest reduced the surface runoff， but increased the loss of nitrogen and phosphorus. As the age of Torreya grandis forest increased， the amount of surface runoff and nitrogen and phosphorus loss decreased.

Key words： Surface runoff；Nitrogen；Phosphorus；Pinus massoniana forest ；Torreya grandis forest

地表徑流是森林水文過程的表征，也是引起水體富營養化的氮、磷來源之一，因此受到國內外學者的持續關注。森林地表徑流氮、磷的流失受降水、地形、森林類型等多重因素的綜合影響[1]，其中森林類型中由于樹種組成、郁閉度、經營措施等的不同，導致地表徑流氮、磷濃度和流失量的差異。與針葉林、針闊混交林相比，常綠闊葉林可以有效降低地表徑流量和氮輸出[2]；闊葉林地表磷流失量顯著高于針葉林[1]；間伐顯著降低了杉木林和闊葉林地表徑流，而對氮、磷流失的影響不顯著[3]；蒙古櫟間伐強度為25%的徑流量為最大[4]；與割草相比，翻耕除草的梨園徑流氮、磷流失量顯著增加了68.4%和85.7%[5]。毛竹林下種植香榧、南方紅豆杉、朱砂根后顯著降低了地表徑流及氮、磷流失量[6]；而有關森林轉換對地表徑流及氮、磷流失的影響則鮮有報道。

香榧Torreya grandis cv.Merrillii為我國特有的珍稀干果和木本糧油常綠樹種，原產于東陽、嵊州、諸暨、柯橋等地。21世紀初，香榧種植具有較好的經濟效益，栽培面積逐年增大，有較多的天然次生林和馬尾松林被改造成為香榧林。已有研究表明天然次生林改造成香榧林后土壤有機碳下降了27.2%～50.5%[7]，毛竹林轉換為香榧林后土壤有效磷含量顯著增加[8]，而有關馬尾松林改造成香榧林后地表徑流及氮、磷流失特征尚不明晰，不同林齡香榧林地表徑流氮、磷流失規律也尚不清楚。因此，本研究通過建立標準徑流場，定位監測馬尾松林和香榧幼、中齡林地表徑流，研究森林轉換對地表徑流氮、磷輸出的影響，以期掌握香榧人工林氮、磷流失規律，為人工林的經營管理提供一定的基礎。

1材料與方法

1.1研究區概況

位于浙江省東陽市林業總場黃皮嶺分場（29°17′28"N ，120°40′24"E），屬中亞熱帶季風氣候區。年均溫度為15.2℃ ， 最熱月7月平均溫度25.6℃ ， 最冷月1月平均溫度4.1℃ ， 極端最高和最低氣溫分別為36.9℃、?11.6℃ ， 年均相對濕度80.4%。土壤為發育于花崗巖的紅壤土類。2023年不同月份降雨量及氣溫見圖1。

1.2研究方法

1.2.1試驗設計基于國有林場森林經營檔案和全面踏查的基礎上，選擇馬尾松林及由該林分改造而來的香榧幼齡林（9年）和中齡林（22年）等3種森林類型作為樣地，不同樣地的坡度、坡向、海拔相似，基本情況見表1。2021年7月，在各樣地中分別設置長20.0 m 、寬5.0 m 的徑流小區，在小區的上坡邊與兩長邊用水泥隔板砌成擋水墻（高出地表20 cm），下坡邊筑集水溝并連接到徑流池（2 m ×1 m×1 m），用于收集地表徑流[9]。為減少建設過程中土壤擾動對地表徑流的影響，標準徑流場建成后，試運行1年半，于2023年開始正式定位監測。香榧林每年施肥2次，分別于3月中旬和10月上旬進行，年施肥量為有機肥（N ︰P2O5︰ K2O=2.5︰2.0︰1.0）2250 kg·hm?2，復合肥（N ︰ P2O5︰ K2O=18.0︰18.0︰18.0）750 kg·hm?2。每年于10月中旬在果實采收前割草1次。馬尾松林則處于天然狀態，不進行人為干擾。

1.2.2采樣與分析待降雨產生徑流后，測量徑流池水深，然后將池中的水攪拌均勻，取水樣1000 mL；采樣后放干池中水并洗凈，用于下一次降雨時收集徑流。

將水樣帶回實驗室后分成兩份，一份直接用于測定總氮（TN）、總磷（TP）濃度，另一份用0.45μm 濾膜抽濾后用于測定銨態氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3?-N）、可溶性磷（DP）濃度。采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定總氮濃度，鉬酸銨分光光度法測定總磷濃度，流動分析儀法測定 NH4+-N 、NO3?-N 、DP [10]濃度。

氮=磷流失量=∑ni-1 Ci根 Vi

式中： Ci 為第 i 次徑流水中總氮/總磷的濃度； Vi 為第 i 次徑流水的體積。

1.2.3數據處理試驗數據應用 SPSS 22進行方差分析和統計檢驗，使用 Excel 2016作圖。

2結果與分析

2.1不同林分地表徑流量分析

由圖2可知，2023年6月至9月共產生6次地表徑流，7月11日的地表徑流量較大，而8月21日的徑流量則較少，年地表徑流量大小表現為馬尾松林（218.0 m3·hm?2）＞香榧幼齡林（206.0 m3·hm?2）＞香榧中齡林（157.0 m3·hm?2）。與馬尾松林相比，香榧幼齡林和中齡林的年地表徑流量分別減少了5.5%和22.5%。

2.2不同林分地表徑流氮濃度分析

由圖3可知，不同林分地表徑流水中總氮、氨態氮、硝態氮濃度在一年中的變化規律基本相似，香榧幼、中齡林氮濃度以6月24日最高，馬尾松林氮濃度則保持相對穩定，介于0.69～0.79 mg·L?1，不同形態平均氮濃度大小均表現為香榧幼齡林＞香榧中齡林＞馬尾松林，總氮平均濃度分別為3.86、3.65、0.74 mg·L?1。

2.3不同林分地表徑流磷濃度分析

由圖4可知，不同林分地表徑流水中總磷和可溶性磷濃度以8月24日為最高。總磷平均濃度大小為香榧幼齡林（1.30 mg·L?1）＞香榧中齡林（1.16 mg·L?1）＞馬尾松林（0.22 mg·L?1），可溶性磷平均濃度大小的排序與總磷相同，其濃度分別為0.31、0.28、0.05 mg·L?1。

2.4不同林分地表徑流氮、磷損失分析

由圖5可知，不同林分地表徑流總氮流失量大小表現為香榧幼齡林（806.56 g·hm?2）＞香榧中齡林（582.80 g·hm?2）＞馬尾松林（159.89 g·hm?2），總磷流失量大小為香榧幼齡林（265.55 g·hm?2）＞香榧中齡林（183.57 g·hm?2）＞馬尾松林（48.72 g·hm?2）。與馬尾松林相比，香榧幼齡林和中齡林氮流失量增加了4.04倍和2.65倍，磷流失量增加了4.45倍和2.77倍。

3討論

3.1林分改造對地表徑流的影響

馬尾松林改造為香榧林后地表徑流量減少了5.5%～22.5%，其中以香榧中齡林的徑流量為最少。這主要是林分類型的轉變改變了森林生態系統的喬灌草層和土壤特征，這些特性顯著影響著森林地表徑流的發生和大小。喬灌草層具有截留降雨，降低和減小雨滴速度和擊濺力[11]。本研究中香榧中齡林的郁閉度為65%，比馬尾松林和香榧幼齡林高25%，高郁閉度的林冠有效降低了雨水對林地的直接沖擊，減少了徑流的產生，因此香榧中齡林的地表徑流量為最少，比馬尾松林減少了22.5%。土壤越疏松，越不容易產生地表徑流[12]，馬尾松林改造為香榧林及后期經營過程中的整地、松土等人為經營活動的實施，對土壤起到較好的疏松作用，有利于水分下滲，減少了地表徑流的產生，因此香榧幼齡林的地表徑流量略低于馬尾松林。本研究區林分的地表徑流量略低于福建省三明市的常綠闊葉林[1]，而與浙江省建德市常綠闊葉林和杉木林的地表徑流量[3]基本持平。

3.2林分改造對地表徑流氮、磷流失的影響

地表徑流是氮、磷流失主要載體[2]，流失量大小受地表徑流量、徑流水中養分濃度影響。本研究結果表明，香榧幼齡林、中齡林的地表徑流水不同形態氮、磷濃度均顯著高于馬尾松林，這與肥料施用顯著提高了山核桃林和雷竹林地表徑流水的氮、磷濃度[13?14]的研究結果相似。香榧人工林在經營過程中每年施用有機肥2250 kg·hm?2、復合肥750 kg·hm?2，施入的肥料一部分被香榧吸收利用和土壤固持外，其余則溶于水中隨地徑流流失，因此馬尾松林改造為香榧林后，地表徑流水中的氮、磷濃度顯著增大。雖然馬尾松林改造為香榧林后地表徑流有所下降，但養分濃度卻明顯升高，從而造成氮、磷流失量明顯高于馬尾松林，與馬尾松林相比，氮流失量增加了2.65～4.04倍，磷流失量增加了2.77～4.45倍，且幼齡林高于中齡林。該研究中馬尾松林地表徑流氮磷流失量低于浙江省建德市的杉木林和闊葉林[3]，磷流失量也低于福建省三明市的常綠闊葉林[1]，香榧林地表徑流氮、磷流失量低于雷竹林[13]、茶園[15]，和翻耕除草的梨園[5]，而高于山核桃林[14]，這可能是不同人工林的特性、施肥量及土壤類型的差異所導致。

4結論

馬尾松林改造為香榧人工林后地表徑流量降低了5.5%～22.5%，氮磷流失量則分別增加了2.65～4.04、2.77～4.45倍，隨著林齡的增大，氮、磷流失量趨向于減少，在香榧林經營過程中需進行測土配方施肥，從源頭上減少農林業面源污染發生的風險。本研究僅進行了1年的觀測，今后還需長期定位監測施肥、除草等措施對氮磷流失的影響，進一步研究馬尾松林改造為香榧林后土壤、枯落物的水源涵養功能，以期為林分改造對森林水文的影響提供數據支撐。

參考文獻：

[1]徐巧翠，胥超，熊德成，等.中亞熱帶不同森林類型對地表徑流磷動態的影響［J］.應用與環境生物學報，2023，29（1）：138?144.

[2]張鑫，李博，祖艷群，等.滇池流域4種典型次生林徑流養分輸出特征及機理［J］.水土保持學報，2014，28（5）：37?42.

[3]許在恩，葉子豪，傅偉，等.間伐對千島湖流域生態公益林氮磷養分流失的影響［J］.中國水土保持，2024（2）：44?47.

[4]尤海舟，孫浩倫，王立方，等.不同間伐強度蒙古櫟次生林產流、產沙特征分析［J］.中南林業科技大學學報，2020，40（3）：105?110.

[5]鄭城，劉克軍，聶國輝.梨園林下兩種除草方式對徑流氮磷流失的影響研究［J］.中國水土保持，2023（9）：46?49.

[6]蔡澤宇，張建鋒，孫士詠，等.安吉毛竹林分改造對地表徑流及氮磷流失的影響［J］.水土保持學報，2017，31（6）：46?51，133.

[7]張雨潔，王斌，李正才，等.天然次生林改造成香榧林對土壤活性有機碳的影響［J］.生態環境學報，2019，28（4）：709?714.

[8]姜霓雯，梁辰飛，張勇，等.土地利用變化后不同種植年限香榧土壤微生物群落的組成及多樣性［J］.環境科學，2022，43（1）：530?539.

[9]簡永旗.間伐對杉木林和闊葉林持水性能及養分徑流流失的影響［ D］.杭州：浙江農林大學，2021.

[10]魯如坤.土壤農業化學分析方法［ M］.北京：中國農業科技出版社，2000.

[11]孫雪嬌，李吉玫，張毓濤，等.天山北坡山地森林林地產流產沙特征及其影響因素分析［J］.生態環境學報，2021，30（9）：1821?1830.

[12]魏文俊，尤文忠，趙剛，等.退化柞蠶林封育對枯落物和表層土壤持水效能的影響［J］.生態學報，2016，36（3）：721?728.

[13]陳裴裴，吳家森，鄭小龍，等.不同施肥對雷竹林徑流及滲漏水中氮形態流失的影響［J］.生態學報，2013，33（18）：5599?5607.

[14]黃程鵬，吳家森，許開平，等.不同施肥山核桃林氮磷徑流流失特征［J］.水土保持學報，2012，26（1）：43?46，52.

[15]方宇斐，張艷，郭飛飛，等.不同土壤管理對茶園氮磷徑流損失的影響［J］.安徽農業大學學報，2023，50（2）：335?340.

（責任編輯：柯文輝）