補植闊葉樹種對紅壤侵蝕區(qū)馬尾松林水源涵養(yǎng)功能的影響

顏 耀, 張 輝, 黃智軍, 馬祥慶,2,3, 侯曉龍,2,3

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2.南方紅壤區(qū)水土保持國家林業(yè)局重點實驗室， 福建 福州 350002；3.長汀紅壤丘陵生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站，福建 長汀 366300)

長汀為我國南方紅壤侵蝕區(qū)水土流失的典型代表，經(jīng)過幾十年的治理，形成了大面積的以馬尾松(Pinusmassoniana)純林為主的初步治理區(qū)，水土流失得到了一定遏制.但由于初步治理形成的馬尾松林林分結(jié)構(gòu)單一、林內(nèi)生物多樣性低下、林下植被缺失，水土流失仍較嚴(yán)重，林分水源涵養(yǎng)功能低下.因此，如何通過林分改造提高馬尾松林水源涵養(yǎng)功能成為當(dāng)前亟需解決的問題.

不同林分類型的水源涵養(yǎng)能力存在一定差異[1-3]，且不同植被類型的土壤水源涵養(yǎng)功能也有顯著不同.研究表明，闊葉林的水源涵養(yǎng)功能普遍高于針葉林[4-5]，如闊葉林土壤蓄水量高于針葉林，且闊葉林林冠水分截留量也高于針葉林[6].混交林通常比林分結(jié)構(gòu)單一的純林有更高水平的生態(tài)系統(tǒng)功能[7].研究表明，通過在針葉林內(nèi)營造針闊混交林可提高林分水源涵養(yǎng)功能[8-10].但因不同闊葉樹生物學(xué)特性的差異，補植不同的闊葉樹對林分水源涵養(yǎng)功能的影響不同[11].因此，篩選適宜不同立地條件林分改造的闊葉樹種顯得尤為重要.

目前，補植不同闊葉樹種對紅壤侵蝕區(qū)馬尾松林水源涵養(yǎng)功能的影響尚不清楚.鑒于此，以長汀紅壤侵蝕初步治理區(qū)的馬尾松純林為研究對象，在參考當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土樹種的基礎(chǔ)上，選擇楓香(Liquidambarformosana)、馬褂木(Liriodendronchinense)和油桐(Verniciafordii)3種闊葉樹種對馬尾松純林進(jìn)行林分改造，研究闊葉樹補植對馬尾松林水源涵養(yǎng)功能的影響，以期為紅壤侵蝕區(qū)馬尾松林的林分改造提供依據(jù).

1 試驗地與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于福建省長汀縣河田鎮(zhèn)，地理位置東經(jīng)116°00′45″—116°39′20″、北緯25°18′40″—26°02′05″，地處武夷山脈南麓，地形以丘陵、低山為主，土壤為花崗巖發(fā)育的砂質(zhì)紅壤，土層薄，保水保肥能力差，不利于植被生長.水熱資源豐富，降水多集中在3—9月，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候.喬木層以20世紀(jì)80年代飛播形成的馬尾松林為主，林下草種以芒萁(Dicranopterisdichotoma)和寬葉雀稗(Paspalumwettsteinii)為主，灌木層分布少許胡枝子(Lespedezabicolor)和赤楠(Syzygiumbuxifolium).林分結(jié)構(gòu)簡單，林下地表裸露，水源涵養(yǎng)功能低下.

1.2 樣地設(shè)置

2013年3月，在試驗地內(nèi)選取立地條件(海拔高度322～367 m，坡度20°～25°)和植被類型基本一致的坡面，根據(jù)隨機區(qū)組設(shè)計[12]，在平均株高為3.5 m、密度為360株·hm-2的馬尾松林內(nèi)分別補植楓香、馬褂木、油桐3種闊葉樹，同時以無補植闊葉樹的馬尾松純林為對照(圖1).布設(shè)的樣方面積為20 m×20 m，每塊樣方內(nèi)隨機補植20株闊葉樹.油桐、馬褂木和楓香苗木的胸徑為3 cm，株高為2 m.補植造林采取塊狀整地，種植穴規(guī)格為100 cm×80 cm×80 cm，種植穴周圍2 m2內(nèi)除草松土，挖明穴，施鈣鎂磷肥500 g·穴-1，回表土.2016年7月調(diào)查及取樣.

1.3 測定方法

1.3.1 林冠層水分截留量測定方法 采用每木檢尺法測定喬木層樹木的株高(H)和胸徑(D)，根據(jù)亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域?qū)?yīng)樹種的相關(guān)回歸方程，分別計算馬尾松和闊葉樹枝、葉、干生物量(W)，即喬木層地上部分生物量(除樹皮外).馬尾松生物量參照吳守蓉等[13]的回歸方程：W枝=0.101 8D1.636 4，W葉=0.244 3D0.992 9，W干=0.039 5D0.931 8.馬褂木生物量參照黃韜等[14]的回歸方程：W枝=0.001 653D3.229 674，W葉=0.001 489D2.676 738，W干=0.024 26(D2H)0.942 303.油桐生物量參照何方等[15]的回歸方程：W枝=0.003 981 56(D2H)1.280 46，W葉=0.021 086(D2H)0.748 89，W干=0.016 615(D2H)0.965 14.楓香生物量參照錢國欽[16]的回歸方程：W枝=0.082 5(D2H)0.649，W葉=1.083 6(D2H)0.216 6，W干=1.598 8e0.277 2D.

選取馬褂木、楓香、油桐及馬尾松平均木各3株，在各平均木的中部靠下坡方向采集健康的枝條各2根，共取24根枝條.采用室內(nèi)浸泡法測定其持水率，計算公式[17]：Ro/%=(Go-Gd)/Gd×100；Rhmax/%=(G24-Gd)/Gd×100；Rsv=0.85Rhmax-Ro.式中：Ro、Rhmax、Rsv分別表示樣品的自然含水率、最大持水率、有效攔蓄率；Go、G24、Gd分別表示樣品自然狀態(tài)的質(zhì)量(g)、浸泡24 h后的質(zhì)量(g)、烘干后的質(zhì)量(g).

1.3.2 灌草層和枯落物層水分?jǐn)r蓄量測定方法 采用“S”形取樣法在每個樣方內(nèi)設(shè)置5個1 m×1 m的小樣方，收集小樣方內(nèi)全部草灌木(高度小于3 m)，并按未分解層和半分解層收集小樣方內(nèi)全部枯落物，分別稱取鮮重后，在85 ℃下烘干至恒重，根據(jù)含水量推算單位面積內(nèi)的草灌木及枯落物的現(xiàn)存量.用浸泡法測定草灌木和枯落物的持水能力，持水率計算公式同1.3.1.

1.3.3 土壤層蓄水量測定方法 在每個樣方內(nèi)按上、中、下坡取3個剖面，分別按0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層深度，用200 cm3規(guī)格的環(huán)刀取土樣，測定土壤孔隙狀況，計算土壤蓄水量[17].計算公式：Wt/(t·hm-2)=10 000Pth；Wc/(t·hm-2)=10 000Pch；Wo/(t·hm-2)=10 000Poh.式中：Wt、Wc、Wo分別表示土壤的飽和蓄水量、毛管蓄水量、有效蓄水量；Pt、Pc、Po分別表示土壤的總孔隙度(%)、毛管孔隙度(%)、非毛管孔隙度(%)；h為土層厚度(m).

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

運用Microsoft Excel 2007整理數(shù)據(jù)，用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析方法檢驗顯著性(P<0.05)，采用LSD分析方法進(jìn)行多重比較.采用origin軟件制圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同補植處理的馬尾松林生物量比較

補植油桐和馬褂木的馬尾松林平均株高和平均胸徑均顯著大于無補植的馬尾松林，而3種闊葉樹的平均株高和平均胸徑無顯著差異(除馬褂木平均株高外)，說明補植闊葉樹可以提高馬尾松林的樹高和胸徑.喬木層地上部分生物量(除樹皮外)排序為補植楓香>補植油桐>補植馬褂木>無補植.3種闊葉樹補植處理的灌草層生物量均高于無補植，但差異不顯著.補植油桐和補植馬褂木的枯落物層現(xiàn)存量顯著高于無補植，補植楓香的枯落物層現(xiàn)存量也高于無補植，但差異不顯著(表1).不同闊葉樹補植的林分地上部分總生物量(除樹皮外)與枯落物層現(xiàn)存量總和排序為補植油桐>補植楓香>補植馬褂木>無補植，說明補植不同闊葉樹對馬尾松林生物量的影響存在差異.

1)表中枝、葉、干生物量為馬尾松和闊葉樹對應(yīng)器官的生物量之和.數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列數(shù)據(jù)后附不同小寫字母者表示差異顯著(P<0.05)，附相同小寫字母者表示差異不顯著(P>0.05).

2.2 不同補植處理的馬尾松林持水能力分析

2.2.1 林冠層水分截留量比較 不同樹種林冠層的持水能力差異顯著，馬褂木和楓香林冠層的自然含水率、最大持水率和有效攔蓄率均顯著高于油桐和馬尾松.其中，油桐、馬褂木、楓香林冠層的自然含水率分別為馬尾松的1.08、2.02、1.35倍，且最大持水率分別為馬尾松的1.09、2.28、1.45倍.油桐、馬褂木、楓香、馬尾松林冠層對水分的有效攔蓄率排序為馬褂木>楓香>油桐>馬尾松(圖2A)，這說明闊葉樹林冠層對水分的截留能力高于馬尾松.

補植楓香和油桐均顯著提高了馬尾松林冠層水分最大截留量和有效截留量，其中，補植楓香的林冠層最大截留量和有效截留量分別為無補植的2.09和2.28倍，補植油桐的林冠層最大截留量和有效截留量均為無補植的1.79倍.補植馬褂木也提高了馬尾松林冠層水分最大截留量和有效截留量，但效果不顯著，其林冠層最大截留量和有效截留量分別為無補植的1.23和1.25倍(圖2B).這說明補植不同闊葉樹對馬尾松林冠層水分截留量的影響不同.

2.2.2 灌草層水分?jǐn)r蓄量比較 不同補植處理對馬尾松林灌草層自然含水率和最大持水率無顯著影響，補植油桐、馬褂木和楓香的灌草層最大持水率分別為無補植的1.13、1.08和1.05倍.補植馬褂木的馬尾松林灌草層水分有效攔蓄率顯著高于無補植，補植其他2種闊葉樹的灌草層有效攔蓄率也高于無補植，但無顯著差異(圖3A).這說明補植油桐和楓香可能對馬尾松林下灌草物種多樣性的影響不顯著.補植3種闊葉樹均提高了馬尾松林灌草層最大持水量和有效攔蓄量，但效果不顯著.補植油桐的灌草層最大持水量最高，為3.85 t·hm-2，補植馬褂木的灌草層有效攔蓄量最大，為1.58 t·hm-2(圖3B).

2.2.3 枯落物層水分?jǐn)r蓄量比較 不同補植處理對枯落物層自然含水率、最大持水率和有效攔蓄率的影響均不顯著(圖4A)，說明闊葉樹枯落物現(xiàn)存量較低，未對枯落物層組成產(chǎn)生顯著影響.3種闊葉樹補植均提高了馬尾松林枯落物層最大持水量和有效攔蓄量.其中，補植油桐的效果最顯著，其枯落物層的最大持水量和有效攔蓄量分別為4.49和3.29 t·hm-2(圖4B).

2.2.4 土壤層蓄水量比較 不同補植處理對土壤孔隙性狀的影響不顯著，但均提高了馬尾松林下土壤非毛管孔隙度和土壤總孔隙度.其中，補植馬褂木的土壤總孔隙度最高，為43.84%(圖5A).3種闊葉樹補植均提高了土壤飽和蓄水量和有效蓄水量，但效果不顯著，且土壤毛管蓄水量也無顯著差異(圖5B).

2.3 不同補植處理的馬尾松林水源涵養(yǎng)功能比較

3種闊葉樹補植均提高了馬尾松林地上部分的水源涵養(yǎng)能力.其中，補植油桐和楓香顯著提高了馬尾松林地上部分水分?jǐn)r蓄能力，其最大攔蓄量分別為24.24和24.12 t·hm-2，其有效攔蓄量分別為8.48和7.87 t·hm-2(表2).

補植3種闊葉樹均提高了馬尾松林分最大攔蓄量和有效攔蓄量.按最大攔蓄量進(jìn)行排序，結(jié)果為補植馬褂木>補植楓香>補植油桐>無補植，按有效攔蓄量進(jìn)行排序，結(jié)果為補植馬褂木>補植油桐>補植楓香>無補植(表2).土壤層有效攔蓄量占林分有效攔蓄量的98.70%～99.28%，說明土壤層在林分水源涵養(yǎng)方面起主要作用.

表2 不同補植處理的馬尾松林地上部分及林分總水分?jǐn)r蓄量1)Table 2 Water retention for the aboveground part and total P.massoniana forest after replanting different types of broad-leaved trees

1)數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，同列數(shù)據(jù)后附不同小寫字母者表示差異顯著(P<0.05)，附相同小寫字母者表示差異不顯著(P>0.05).

3 討論與結(jié)論

補植闊葉樹可提高長汀紅壤侵蝕初步治理區(qū)馬尾松純林水源涵養(yǎng)功能，且補植馬褂木和油桐效果最好.由于闊葉樹與馬尾松林構(gòu)成了不同的林冠結(jié)構(gòu)，增加了林冠層的復(fù)雜性，提高了林冠截留雨水的能力，因此，補植闊葉樹的馬尾松林冠層水分截留量顯著提高(圖2B).補植闊葉樹也增加了馬尾松林內(nèi)枯落物現(xiàn)存量及其組成的復(fù)雜性，降低了雨滴濺蝕程度和減緩了地表徑流，防治水土流失，提高了枯落物層的水源涵養(yǎng)能力(圖4).王棣等[18]也認(rèn)為純闊葉林的枯落物持水性比針葉林差，針葉與闊葉的混合枯落物比單一的針葉或闊葉枯落物更有利于水源涵養(yǎng)，這可能是因為針葉和闊葉組成了更為復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，提高了水分?jǐn)r蓄能力.林內(nèi)水土流失得到一定程度的控制，促進(jìn)了馬尾松林下植被生長，提高了林下生物量，因此，補植闊葉樹的馬尾松林草灌層水分?jǐn)r蓄量高于馬尾松純林；但由于補植時間較短，可能未對林下植被生長產(chǎn)生足夠的影響，故補植闊葉樹與無補植的草灌層水源涵養(yǎng)能力差異不顯著(圖3).結(jié)合林冠層、草灌層和枯落物層分析，補植油桐對提升馬尾松林地上部分水源涵養(yǎng)功能的效果最好.本研究還發(fā)現(xiàn)，補植不同闊葉樹后，0～100 cm土層土壤水源涵養(yǎng)能力差異不顯著(圖5)，這可能與補植時間較短有關(guān).秦嘉海等[19]研究發(fā)現(xiàn)，針葉林的土壤孔隙狀況及蓄水量均優(yōu)于闊葉林；而孫浩等[20]研究發(fā)現(xiàn)，闊葉林更有利于改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤水源涵養(yǎng)量.造成不同結(jié)論的主要原因可能是兩個研究中的闊葉林生長差異大，闊葉樹根系對土壤的擠壓、擾動程度不同.關(guān)于補植闊葉樹對馬尾松土壤水源涵養(yǎng)功能的影響還需要通過延長補植時間進(jìn)行深入研究.

本研究主要通過補植闊葉樹的林分改造模式對馬尾松林進(jìn)行改造，結(jié)果表明補植不同的闊葉樹對長汀紅壤侵蝕初步治理區(qū)馬尾松林水源涵養(yǎng)功能的影響不同，這與秦嘉海等[19]的研究結(jié)果一致.這可能是因為不同闊葉樹的生物學(xué)特性存在差異[11].不同樹種葉片的持水性能存在顯著差異，可能與不同樹種具有不同的葉片形態(tài)性狀有關(guān)，該結(jié)論與喻陽華等[21]的研究結(jié)論一致.本研究還發(fā)現(xiàn)更大的葉面積可能對應(yīng)更強的持水能力(圖2A)，這有待進(jìn)一步研究.佘濟云等[22]研究了馬尾松林喬—灌—草結(jié)合的改造模式，發(fā)現(xiàn)馬尾松林地上部分水源攔蓄能力和土壤貯水能力也顯著提高.不同的林分改造模式具有不同的水源涵養(yǎng)功能：喻陽華等[21]將柏木林、撐綠竹林和火棘+莢蒾林劃分為低持水，杉木林、馬尾松+杉木林劃分為中低持水，馬尾松+柏木林、馬尾松+白櫟林劃分為中持水，絲栗栲林、白櫟林和馬尾松林劃分為高持水；還有研究指出，相比于針闊混交林，闊葉林具有更高的持水能力、土壤孔隙度以及田間持水量[23].因此，在今后的研究中應(yīng)結(jié)合多種改造措施，篩選更高效的水源涵養(yǎng)改造模式，以加快長汀紅壤侵蝕初步治理區(qū)馬尾松林向闊葉林生態(tài)系統(tǒng)的演替.