不同树种凋落物覆盖对土壤温度与水分时空分布的影响

郑文辉，刘圣恩，林开敏，蔡锰柯，石丽娜，陈梦瑶

(1.福建农林大学国家林业局杉木工程技术研究中心，福建福州350002;2.福建农林大学林学院，福建 福州350002)

凋落物是森林生态系统功能过程的重要组成部分，凋落物调节着生态系统的能量流动与养分循环[1].由于凋落物在生态系统扮演的重要角色，研究人员已对凋落物进行了比较全面和系统的研究，从凋落物的数量、组成、凋落动态、分解状况和养分归还[2－4]，到凋落物对土壤理化性质[5，6]、土壤动物及微生物群落结构的影响[7，8]，以及全球气候变化的大背景下，凋落物分解对气候变暖的响应[9]，凋落物分解与碳收支平衡问题[10]，氮沉降对凋落物分解动态的影响[11]等方面的文献有大量的报导.但是，关于凋落物覆盖对土壤温度与湿度影响的报导很少，周存宇[12]仅报导了凋落物可以通过改变土壤的温度、湿度，提高幼苗成活率，增加幼苗高度及植物总的生物量，其对凋落物与土壤温度、水分的具体作用规律未详细报导.因此，通过研究南方常见5种不同树种凋落物覆盖对土壤温度与水分的作用规律，为后人的深层次研究提供参考.

杉木(Cunninghamia lanceolata)是中国最重要速生用材树种之一，由于其生长快、产量高、材质优而得到广泛种植.但是，由于人们盲目追求速生丰产，集中成片的营林方式造成了杉木林生态系统结构过于简单、生物多样性下降、水土流失、地力衰退、抵御自然灾害能力差(如病虫害和火灾蔓延等)等各种严重的生态问题.因此，营造混交林成为国内外林学家所提倡的一种人工林经营模式.火力楠(Michelia macelurei)、乳源木莲(MangLietia Yuyuanensis)、楠木(Phoeba bournei)、木荷(Schima superba)是中国常见的乡土阔叶树种，也是与杉木混交的常用树种.有鉴于此，采用田间盆栽控制试验，研究杉木与乡土阔叶树种凋落物覆盖对土壤温度与水分的影响及其动态变化规律，以期通过杉木与阔叶树种混交的措施改善林地土壤温度与水分，为杉木混交树种的选择提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于福建农林大学南大门的苗圃地里，该地属海洋性亚热带季风气候，全年冬短夏长，温暖湿润，无霜期达326 d，年平均日照数为1700－1980 h;年平均降水量为900－2100 mm;年平均气温为16－20℃;最冷月1－2月，平均气温为6－10℃;最热月7－8月，平均气温为24－29℃，极端最高温达42.3℃.年相对湿度约77%[13].试验当天天气晴朗，气温为12－20℃.

1.2 试验材料

2013年12月初，在福建省尤溪国有林场收集最近凋落的杉木、火力楠、乳源木莲、楠木、木荷凋落叶，带回实验室，杉叶从小枝上扯下，其余树种凋落叶直接使用，将收集的凋落叶自然风干备用.盆栽的土壤来自福建省闽侯县南屿国有林场杉木林下0－20 cm的表层土壤.盆栽的杉木苗来自福建鑫闽种业有限公司采用2.5代种子园种子育成的杉木容器苗，苗龄约1.5年.

1.3 研究方法

1.3.1 试验处理 采用盆栽模拟试验，于2013年12月底，将混合均匀的土壤装进开口直径为26 cm，高为22 cm的塑料盆内，共24盆.选择生长情况基本一致的杉木苗24株，每盆种植1株，然后将塑料盆放置于福建农林大学南大门外的苗圃地里，进行相同的水分管理直至苗木成活，然后把杉木、火力楠、乳源木莲、楠木、木荷的凋落叶均匀平铺加入到杉木盆栽的土壤表面，每个处理加入20 g烘干(65℃恒温)的凋落叶，每个处理设置4个重复，不加凋落叶的处理作为对照(CK).

1.3.2 测定方法 采用数显地表温度计测定土壤温度.2014年2月28日，从8时到16时每隔2 h测定1次1和5 cm土层的土壤温度，每层土壤均固定设置2个测点，分别位于距离植株4和8 cm的位置，取每层土壤2个测点温度的平均值作为该层土壤的温度.

采用土壤水分测量仪测定土壤的含水量.从8时到16时每隔2 h测定1次土壤的含水量，测量的探针长8 cm，测点位于靠近塑料盆边缘不影响苗木生长的地方.

1.3.3 数据处理 采用Excel 2003进行数据计算和作图，采用spss 16.0对数据进行双因素方差分析与多重比较.

2 结果与分析

2.1 不同树种凋落叶覆盖对土壤温度时空分布的影响

2.1.1 不同树种凋落叶覆盖对1 cm土层土壤温度的影响 不同树种凋落叶覆盖下1 cm土层土壤温度从8时到14时均呈现出随时间的增加而升高的趋势(图1)，8时土壤温度最低，14时达到最大值，16时各处理1 cm土层土壤温度开始下降，但仍高于其12时前的土壤温度.

图1 不同树种凋落叶覆盖对1 cm土层土壤温度的影响Fig.1 Effect of different sorts of leaf litter on soil temperature at 1 cm depth

不同树种凋落叶覆盖对1 cm土层土壤温度产生不同程度的影响(图1).从8时到16时，不同树种凋落叶覆盖1 cm土层土壤温度的大小顺序基本上为:CK＞杉木＞木荷＞楠木＞火力楠＞乳源木莲，表明添加凋落叶覆盖均能降低1 cm土层土壤的温度，其中乳源木莲凋落叶对降低土壤温度起到比较明显的效果，杉木凋落叶的效果则相对不明显.

对8时至16时不同树种凋落叶覆盖下1 cm土层土壤温度进行双因素分析表明，不同测量时间与不同树种凋落叶覆盖对1 cm土层土壤温度的影响均达到极显著差异水平(P＜0.01)，不同树种凋落叶覆盖处理与不同测量时间之间没有交互作用(P＞0.05).经多重比较得知，8时至16时不同测量时间测得土壤温度间的差异均达到极显著水平(P＜0.01);不同树种凋落叶覆盖处理的土壤温度间，CK与添加不同树种凋落叶覆盖处理土壤温度的差异均达到极显著水平(P＜0.01);杉木凋落叶覆盖与火力楠、乳源木莲凋落叶覆盖土壤温度的差异均达到极显著水平(P＜0.01)，杉木凋落叶覆盖与楠木凋落叶覆盖土壤温度的差异达到显著水平(P＜0.05);乳源木莲凋落叶覆盖与木荷凋落叶覆盖土壤温度的差异达到显著水平(P＜0.05);其余两两树种凋落叶覆盖对土壤温度影响的差异均不显著(P＞0.05).

此外，不同树种凋落叶覆盖下1 cm土层土壤日温差有一定差异.添加凋落叶覆盖的土壤日温差均小于CK(8.6℃)处理;添加凋落叶覆盖的土壤中，杉木凋落叶覆盖下土壤日温差最大(7.6℃);楠木、木荷、火力楠凋落叶覆盖下土壤日温差相似，分别为6.6，6.6，6.3℃;乳源木莲凋落叶覆盖下土壤日温差最小(5.9℃).

2.1.2 不同树种凋落叶覆盖对5 cm土层土壤温度的影响 不同树种凋落叶覆盖处理5 cm土层土壤温度在8时到14时均呈现出随时间的增加而上升的趋势(图2)，16时不同处理5 cm土层土壤温度的变化较1 cm土层复杂，杉木、楠木凋落叶覆盖土壤温度与14时相同，乳源木莲凋落叶覆盖土壤温度略微上升，火力楠、木荷、CK处理土壤温度相比14时略微下降，但均大于12时之前的土壤温度.所有树种凋落叶覆盖下5 cm土层土壤温度的变化幅度均小于1 cm土层.

图2 不同树种凋落叶覆盖对5 cm土层土壤温度的影响Fig.2 Effect of different sorts of leaf litter on soil temperature at 5 cm depth

从图2还可以看出，从8时到16时，不同树种凋落叶覆盖处理5 cm土层土壤温度基本上呈现CK＞杉木＞楠木＞木荷＞火力楠＞乳源木莲的趋势，与1 cm土层类似.由此表明，添加凋落叶覆盖均能降低5 cm土层土壤的温度，乳源木莲凋落叶的效果较明显，杉木凋落叶则相对不明显.

对8时至16时不同树种凋落叶覆盖下5 cm土层土壤温度进行双因素分析表明，不同测量时间与不同树种凋落叶覆盖对5 cm土层土壤温度的影响均达到极显著差异水平(P＜0.01)，不同树种凋落叶覆盖处理与不同测量时间之间没有交互作用(P＞0.05).经多重比较得知，除14时与16时土壤温度差异不显著(P＞0.05)外，8时至16时不同测量时间土壤温度间的差异均达到极显著水平(P＜0.01).不同树种凋落叶覆盖处理的土壤温度间，CK与添加火力楠、乳源木莲、楠木、木荷凋落叶覆盖土壤温度的差异均达到极显著水平(P＜0.01)，CK与添加杉木凋落叶覆盖土壤温度的差异达到显著水平(P＜0.05);添加杉木凋落叶与添加火力楠、乳源木莲凋落叶覆盖对土壤温度的差异分别达到显著(P＜0.05)、极显著水平(P＜0.01);添加乳源木莲凋落叶与添加楠木凋落叶对土壤温度影响的差异达到显著水平(P＜0.05);其余两两树种凋落叶覆盖土壤温度的差异均不显著(P＞0.05).

此外，不同树种凋落叶覆盖下5 cm土层土壤日温差有一定的差异.有添加凋落叶覆盖的土壤日温差均小于CK(7.7℃)处理;添加凋落叶覆盖的土壤中，杉木凋落叶覆盖下土壤日温差最大，为6.5℃;楠木、木荷、火力楠凋落叶覆盖下土壤日温差相似，分别为6.0，5.9，5.7℃;乳源木莲凋落叶覆盖下土壤日温差最小(5.4 ℃).

2.1.3 不同树种凋落叶覆盖对1与5 cm土层温差的影响 本文土层温差是指同一处理同一测量时间1 cm土层温度与5 cm土层温度之差.所有处理土层温差从8时到14时均随时间的增加呈现出上升的趋势(图3)，其中8时到14时土层温差均为正值，16时均为负值，表明8时到14时所有处理1 cm土层温度均高于5 cm土层，16时各处理1 cm土层温度均低于5 cm土层.

不同树种凋落叶覆盖下的土层温差有一定的差异(图3).8时到16时，不同处理土层温差的顺序为:CK＞杉木＞木荷＞火力楠＞乳源木莲＞楠木，表明添加凋落叶覆盖处理的土层温差均小于CK;添加凋落叶覆盖的处理中，杉木凋落叶覆盖的土层温差最大，楠木凋落叶覆盖土层温差基本上最小，说明添加凋落叶有利于缩小两个土层之间的温度差异，其中楠木凋落叶的效果较好，杉木凋落叶覆盖的这种现象相对不明显.

对8时至16时不同树种凋落叶覆盖处理的土层温差进行双因素分析表明，不同测量时间与不同树种凋落叶覆盖对土层温差的影响均达到极显著差异水平(P＜0.01)，不同树种凋落叶覆盖处理与不同测量时间之间没有交互作用(P＞0.05).经多重比较得知，8时至16时不同测量时间之间，除10时与12时土层温差的差异不显著(P＞0.05)、8时与10时土层温差的差异达到显著水平外(P＜0.05)，其余测量时间两两间的土层温差均达到极显著差异水平(P＜0.01);不同树种凋落叶覆盖间，添加杉木凋落叶覆盖与CK土层温差的差异达到显著水平(P＜0.05)，添加火力楠、乳源木莲、楠木、木荷凋落叶覆盖与CK土层温差的差异均达到极显著水平(P＜0.01);添加杉木与楠木凋落叶覆盖土层温差的差异达到显著水平(P＜0.05);其余两两处理土层温差的差异均不显著(P＞0.05).

图3 不同树种凋落叶覆盖对1 cm与5 cm土层温差的影响Fig.3 Effect of different sorts of leaf litter on the temperature difference at 1 cm and 5 cm depth

此外，两层土壤的日温差存在一定的差异，不同树种凋落叶覆盖处理下1 cm土层日温差的范围为5.9－8.6℃，5 cm土层日温差的范围为5.7－7.7℃，且同种处理1 cm土层日温差均大于5 cm土层，表明1 cm土层土壤温度日变化幅度较5 cm土层大.

2.2 不同树种凋落叶覆盖对土壤含水量时间分布的影响

从图4可以看出，所有处理土壤含水量的最大值均出现在16时或8时，杉木、乳源木莲、楠木凋落叶覆盖下土壤的含水量在8时最大，火力楠、木荷、CK处理均在16时最大.不同树种凋落叶覆盖对土壤含水量产生不同程度的影响，8时至16时添加凋落叶覆盖土壤含水量均高于CK;添加凋落叶覆盖的处理中，乳源木莲和木荷凋落叶覆盖下土壤含水量较高，杉木凋落叶覆盖下土壤含水量相对较低.

图4 不同树种凋落叶覆盖对土壤含水量的影响Fig.4 Effect of different sorts of leaf litter on soil moisture content

对8时至16时土壤含水量进行双因素分析得知，不同测量时间与不同树种凋落叶覆盖下土壤含水量的差异均达到极显著水平(P＜0.01)，不同测量时间与不同树种凋落叶覆盖处理对土壤含水量没有交互作用(P＞0.05).进一步多重比较得知，不同测量时间的土壤含水量中，8时与10时土壤含水量的差异达到显著水平(P＜0.05)、8时与12时、14时土壤含水量的差异均达到极显著水平(P＜0.01);16时与10时、12时、14时土壤含水量的差异均达到极显著水平(P＜0.01);其余测量时间两两间的土壤含水量均未达到显著差异水平(P＞0.05);不同树种凋落叶覆盖间，添加凋落叶覆盖处理与CK的差异均达到极显著水平(P＜0.01);乳源木莲凋落叶与杉木、火力楠凋落叶覆盖处理土壤含水量的差异均达到极显著水平(P＜0.01)，乳源木莲凋落叶与楠木凋落叶处理土壤含水量的差异达到显著水平(P＜0.05);木荷凋落叶与杉木、火力楠凋落叶处理土壤含水量的差异达到显著水平(P＜0.05);其余两两处理土壤含水量的差异均不显著(P＞0.05).

此外，各处理土壤含水量的日变化有一定的差异，火力楠凋落叶覆盖处理土壤含水量的日变化最大(4.2%);木荷、杉木、CK 处理土壤含水量日变化相似，分别为 3.2%、3.0%、2.9%;乳源木莲和楠木凋落叶处理土壤含水量日变化相对较小，分别为2.5%、1.7%.

3 结论

不同树种凋落叶覆盖处理1 cm土层土壤温度变化趋势与气温相似，在8时至14时均随着时间的增加而上升，16时温度降低.5 cm土层土壤温度从8时至14时所有处理土壤温度均随着时间的增加而上升;16时乳源木莲凋落叶覆盖下土壤温度升高，其余处理土壤温度保持不变或者降低，表明气温降低时乳源木莲凋落叶仍能维持土壤温度稳定.所有处理5 cm土层土壤温度变化幅度小于1 cm土层，表明土壤层次较深其温度较稳定.

不同树种凋落叶覆盖处理对1 cm与5 cm土层土壤温度均产生不同程度的影响.从8时到16时，不同树种凋落叶覆盖下1 cm与5 cm土层土壤温度的大小顺序分别为:CK＞杉木＞木荷＞楠木＞火力楠＞乳源木莲、CK＞杉木＞楠木＞木荷＞火力楠＞乳源木莲，表明添加凋落叶均能降低土壤的温度，其中乳源木莲凋落叶对降低土壤温度起到比较明显的效果，杉木凋落叶的效果相对不明显.

不同树种凋落叶覆盖下1 cm与5 cm土层土壤日温差有一定的差异.1 cm与5 cm土层土壤中有添加凋落叶覆盖处理土壤日温差均小于CK;添加凋落叶覆盖处理中，杉木凋落叶覆盖处理土壤日温差最大，乳源木莲凋落叶最小，表明添加凋落叶覆盖处理可以保持土壤温度稳定，乳源木莲凋落叶维持土壤温度稳定的效果较好，杉木凋落叶则相对较差.

不同树种凋落叶覆盖的土层温差有一定的差异，添加凋落叶覆盖处理的土层温差从8时至16时均小于CK;添加凋落叶覆盖的处理中，杉木凋落叶覆盖的土层温差最大，楠木凋落叶最小，说明添加凋落叶有利于缩小两个土层之间的温度差异，其中楠木凋落叶的效果较好，杉木凋落叶覆盖的这种现象相对不明显.

不同树种凋落叶覆盖对土壤含水量产生不同程度的影响.8时至16时添加凋落叶覆盖处理土壤含水量均高于CK;添加凋落叶覆盖的处理中，乳源木莲和木荷凋落叶覆盖下土壤含水量较高，杉木凋落叶覆盖下土壤含水量相对较低.各处理土壤含水量的日变化有差异，火力楠凋落叶覆盖下土壤含水量的日变化最大，乳源木莲和楠木凋落叶覆盖下土壤含水量的日变化相对较小.由此表明，乳源木莲凋落叶对土壤保水效果较好.

4 讨论

土壤温度和水分是影响植物生长的两大重要生态因子，土壤温度对种子的发芽、植物根系的生长及植物病虫害有着重要的影响;水分是植物生命活动的介质和参与者，植物生长所需的水分主要来自根系对土壤水分的吸收.经综合分析得知，添加凋落叶覆盖均可降低土壤温度、减少土壤日温差和土层温差，提高土壤含水量，其中乳源木莲凋落叶的效果最好，杉木凋落叶的效果相对较差.乳源木莲作为杉木林的混交树种，改善杉木纯林的土壤温度与水分情况，从而加快凋落物的分解速率与土壤养分归还[14]，这或许是杉木乳源木莲混交林相对杉木纯林生物量增加[15]的原因.

不同树种凋落叶覆盖下土壤温度和水分的差异可能与不同树种凋落叶的形状、表面积、比表面积和厚度有关.与阔叶凋落叶相比，杉木针叶细长，相同质量的杉木凋落叶的堆积产生较多的孔隙，太阳辐射导致杉木凋落叶覆盖下土壤升温的速度和幅度均较大，水分散失较快.4种阔叶树种凋落叶对土壤温度、水分调节能力的差异还需要通过进一步研究各树种凋落叶的厚度、表面积及比表面积的不同，以期从作用机理层次揭示不同树种凋落叶调节土壤温度和水分能力的差异.

森林凋落物的分解都是从新鲜未分解状态到半分解状态直至变成腐殖质的过程，不同分解层次凋落叶对土壤温度和水分的调节能力势必不同.由于本盆栽控制试验仅对新鲜未分解的凋落物进行研究，对不同树种凋落叶调节土壤温度和水分能力提供初步参考，今后需对半分解层凋落物进行进一步研究，从而对不同树种凋落叶温度与水分调节能力进行全面的评价.

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