山美水库库周尾巨桉林分改造模式水土养分保持效能*

尤龙辉 ，聂森 ，陈金章 ，梁国清 ，陈世军 ，黄金林

（1.福建省林业科学研究院，福建福州，350012；2.泉州市林业科技推广中心，福建泉州，362000；3.南安五台山国有林场，福建南安，362322）

库周水源涵养林对调节区域水文循环，改善水文状况及保护饮用水水源等具有重要作用[1]。但长期以来，水源涵养林的树种组成较单一，林龄老化，林下灌草稀少，生物多样性较低等问题导致水源涵养林生态功能低下。近年来，许多研究者通过对原有低效能水源林疏伐套种阔叶树种，构建生态系统较为稳定的异龄复层林分结构，对提升水源林截持降雨径流及阻沙、保肥效能，效果较好[2-4]。

目前，福建省饮用水源水库库周水源涵养林仍以组成树种单一的针叶林、桉树林、相思林分为主，不能满足社会经济发展对森林生态功能及清洁水源的需求。2014年，福建省南安五台山国有林场启动实施福建省泉州市山美水库流域生态环境保护试点项目——库周水源涵养林建设工程，本文以库周典型桉树林分改造模式为研究对象，分析不同模式林地凋落物及土壤持水性能、林地产流产沙及土壤营养元素流失状况的差异，为南方饮用水源水库库周低质低效水源涵养林分改造提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于南安山美水库五台山林场，地理位置为东经118°24′20″，北纬25°16′45″，与永春交界，海拔80～1000m。属亚热带海洋性季风气候，年平均气温为19.5～21.0℃，最热月平均气温达26～29℃；年降雨量为1000～1800mm，3—9月降水量占全年的80%，无霜期350d。土壤为沙页岩发育的赤红壤，pH 值4.65，0～20cm土层有机质含量 16.71g·kg-1，全氮 1.01g·kg-1，全磷 0.41g·kg-1，全钾 14.25g·kg-1，水解性氮 100.14mg·kg-1，有效磷6.08mg·kg-1，速效钾 80.45mg·kg-1。林场工区内水源涵养林以湿地松（Pinus elliottii）、尾巨桉（Eucalyptus urophylla× E.grandis）和木荷（Schima superba）人工林为主，林下灌木主要有毛冬青（Ilex pubescens）、石斑木（Rhaphiolepis indica）、轮叶蒲桃（Syzygium grijsii）、桃金娘（Rhodomyrtus tomentosa）等为主，草本主要有铁芒萁（Dicranopteris linearis）、玉叶金花（Mussaenda pubescens）等。

1.2 研究方法

1.2.1 林分改造模式

本研究所选尾巨桉人工林植于2006年，前茬是马尾松（Pinus massoniana）林，现有密度为450株·hm-2。2014年进行林分改造试验。选取5 种典型林分改造模式进行监测跟踪试验，包括：尾巨桉纯林皆伐后按5:5 套种马占相思（Acacia mangium）+火力楠（Michelia macclurei）（A），桉树纯林皆伐后按5:5 套种马占相思+枫香（Liquidambar formosana），（B）尾巨桉纯林皆伐后按5:5 套种马占相思+台湾相思（Acacia confusa）（C），尾巨桉纯林择伐30%后按4:4:2 套种马占相思+枫香+火力楠（D），不进行择伐处理保留原有桉树林，作为试验对照（CK）。种植当年对补种树木进行追肥和抚育管理，并在整个监测试验期内，及时补植枯、病死树木。试验样地基本情况见表1。

表1 样地基本情况

1.2.2 产流产沙量监测

改造3年后，通过布设标准径流小区（水平投影面积为100m2），监测不同尾巨桉林分改造模式的产流产沙特征。其中径流量是由每次降雨发生产流后，通过钢卷尺测量集流池和分流池汇水深度后，换算为汇水体积得出；产沙量是在测完汇水体积后排去径流水，将池底泥沙烘干称重得出。

1.2.3 凋落物凋落现存量及其持水率的测定

在2018年8月份，在每个径流小区四个角2m 范围外布设4个1m×1m 的小样方，用钢卷尺测量凋落物层厚度后，采用全收获法将样方内的凋落物全部采集称鲜重后带回实验室，并在鼓风干燥箱内65℃烘干至恒重，测单位林地面积凋落物的现存量（干重）及其含水率。然后将烘干的凋落物样品装入50 目的尼龙网袋内，置于盛放清水的玻璃水箱内（以水面略高于凋落袋为准）浸泡24h 后取出沥水，至不滴水后称重，计算凋落物最大持水量和最大持水率。其中，凋落物最大持水率=（浸泡24h 后凋落物湿重－凋落物烘干重）/凋落物烘干重×100%；凋落物最大持水量=凋落物现存量×凋落物最大持水量/100。

1.2.4 土壤孔隙度及其贮水量的测定

在2018年8月，采用环刀在每个径流小区的东北、东南和西北四个角2m 范围外，分别挖掘土壤剖面，分0～20cm、20～40cm 土层采集土样，依据中华人民共和国林业行业标准LY/T 1215-1999 测定土壤孔隙度及其贮水量。

1.2.5 径流水样养分元素流失量的测定

监测时间从2018年3—10月。在每次有效径流事件中，用100ml 尿杯取集流池上、中、下三层，每层选对角线两端及中点三处取样混匀，带回实验室用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定径流水样总氮浓度，用过硫酸钾氧化-钼锑抗分光光度法测定径流水样总磷浓度[5]。

1.2.6 数据处理

采用Excel 2003 绘制图表，采用SPSS17.0 对数据进行Duncan多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同改造模式的林下凋落物凋落量与最大持水量

尾巨桉林皆伐与择伐后，套种乡土阔叶树种对林下凋落物凋落量及其最大持水量的影响也存在差异（图1）。改造模式 D 的凋落物凋落量最大，为 4.54t·hm-2，模式 A、B、C 较小，分别为 2.06t·hm-2、2.26t·hm-2和 2.33t·hm-2，模式CK 最小，为1.8t·hm-2，各模式的凋落物层最大持水量从大到小依次为模式D>模式C>模式B>模式A>模式CK。统计分析结果显示：模式D 的林下凋落物凋落量及其最大持水量与模式A、B、C、CK 均存在显著差异，模式C 与模式CK 存在显著差异，其他模式间差异不显著。各模式间的最大持水率差异不显著，模式A～CK 依次为251.17%、256.13%、260.65%、262.46%和243.83%。

图1 桉树林分改造模式土壤孔隙度和贮水

2.2 不同改造模式的土壤孔隙度及贮水量

由表2可知，尾巨桉林只有改造模式D 显著降低林地土壤容重。改造模式B 和D 在0～20cm 土层毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度及其所对应的贮水量均较高，且只有模式D 的孔隙度与模式CK 没有达到显著差异；模式A 和C 较小，与模式CK 相比较没有明显的变化规律。各模式20～40cm 土层的土壤孔隙度及其所对应的贮水量均没有明显的变化规律。0～20cm 土层的容重均小于20～40cm 土层，而土壤孔隙度及其所对应的贮水量则呈相反的趋势。

表2 不同林分改造模式土壤孔隙度及其贮水量

2.3 不同改造模式的产流量与产沙量

监测期从3月份开始至10月份结束，共计205d，由于2018年上半年雨水较少，因此，各模式发生的降雨径流主要集中于6—10月份，其中有效径流事件为13 次。由图2～5可以看出，各桉树林分改造模式，在统计的有效径流事件中的产流、产沙量变化趋势总体上趋于一致。

尾巨桉林择伐、皆伐套种阔叶树种模式A、B、C、D 和参照模式CK 的产流量变化幅度分别为11.70～36.01m3·hm-2、7.20～ 32.80m3·hm-2、10.03～ 34.80m3·hm-2、5.20～ 37.70m3·hm-2和 6.20～ 28.10m3·hm-2，平均产流量和累积产流量从大到小依次为模式 A（20.18m3·hm-2、262.30m3·hm-2）> 模式 C（18.82m3·hm-2、244.70m3·hm-2）> 模式 D（16.84m3·hm-2、218.90m3·hm-2）> 模式 B（16.64m3·hm-2、216.30m3·hm-2）> 模式 CK（12.41m3·hm-2、161.30m3·hm-2）。模式 A、B、C、D 和参照模式 CK 的径流泥沙浓度变化幅度分别为 0.283～ 2.450g·L-1、0.820～ 2.840g·L-1、0.830～ 3.390g·L-1、1.190～ 2.580g·L-1和 1.150～ 3.070g·L-1，平均径流泥沙浓度从大到小依次为模式 CK= 模式 D（1.70g·L-1）> 模式 C（1.65g·L-1）> 模式 B（1.29g·L-1）> 模式 A（1.16g·L-1），累积泥沙流失量则变现为模式 C（429.96kg·hm-2）> 模式 D（395.51kg·hm-2）> 模式 A（327.10kg·hm-2）> 模式 B（290.91kg·hm-2）> 模式 CK（282.03kg·hm-2）。尾巨桉林皆伐或择伐套种阔叶树种初期，地表产流量和泥沙流失量反而有所增加。

图2 桉树林分改造模式产流量

图3 桉树林分改造模式产沙量

2.4 不同改造模式的养分流失量

尾巨桉林择伐套种阔叶树种模式A、B、C、D 和参照模式CK 径流氮素浓度变化幅度分别为1.15～4.40mg·L-1、1.58～ 4.83mg·L-1、2.17～ 5.90mg·L-1、3.31～ 6.56mg·L-1和 2.92～ 5.71mg·L-1，平均径流氮素浓度从大到小依次为模式 D（4.26mg·L-1）> 模式 CK（4.01mg·L-1）> 模式 C（3.61mg·L-1）> 模式 B（3.27mg·L-1）> 模式 A（2.87mg·L-1），累积氮素流失量则表现为模式 D（878.44g·hm-2）> 模式 C（868.29g·hm-2）> 模式 A（770.68g·hm-2）> 模式 B（735.92g·hm-2）> 模式 CK（642.79g·hm-2）。模式 A、B、C、D 和参照模式 CK 径流磷素浓度变化幅度分别为 0.07～ 0.37mg·L-1、0.15～ 0.47mg·L-1、0.22～ 0.55mg·L-1、0.27～ 0.58mg·L-1和 0.25～ 0.58mg·L-1，平均径流磷素浓度与平均径流氮素浓度变化趋势一致，为模式 D（0.413mg·L-1）> 模式 CK（0.410mg·L-1）> 模式 C（0.328mg·L-1）> 模式 B（0.284mg·L-1）> 模式 A（0.266mg·L-1），累积磷素流失量表现为模式 D（87.71g·hm-2）> 模式 C（78.93g·hm-2）> 模式 CK（67.89g·hm-2）>模式A（67.33g·hm-2）>模式B（59.82g·hm-2）。桉树林皆伐或择伐套种阔叶树种初期，地表氮素、磷素流失量亦有所增加。

3 结论与讨论

3.1 讨论

与纯林相比，皆伐尾巨桉林套种不同阔叶树种，降雨径流量不减反增，这可能由于监测期距改造时间较短，套种的阔叶树种仍处于未郁闭的幼龄林的状态，林冠较小，凋落叶凋落量较少，截持降雨径流能力有限，改造后林地土壤的贮水能力也未显著提高，因此，降雨径流量反而高于未经改造的纯桉树林，但Bren 等[6]研究表明，经过采伐的森林初期会增加林地地表径流量，但封育后随着森林的自我恢复，径流量逐渐减小，但本研究仍需继续跟踪监测以验证是否有同样的实验结果。

图4 桉树林分改造模式氮素流失量

图5 桉树林分改造模式磷素流失量

降雨产生的林地地表径流，会造成一定程度的土壤养分流失，因此，通过监测林地地表径流营养元素流失状况，可作为筛选改造低质低效水源涵养林分树种的重要指标之一。本研究发现，桉树林通过皆伐套种不同阔叶树种，产生的地表氮素、磷素流失量却高于未改造桉树纯林，这与Likens 等[7]对美国新罕布什尔州的流域森林采伐方式干扰实验结果类似，即强度采伐方式（包括皆伐）造成的地表土壤养分净流失量显著高于轻度采伐，本研究由于林分改造时间较短，对林地土壤蓄水保肥的能力有限，容易在强降雨的影响下造成土壤养分流失。不同林分改造模式径流氮素流失量均高于磷素流失量，除了可能磷素本身易被土壤中的生物所固定，还可能因为易与土壤其他化学元素相作用而被吸附，形成不易被径流水冲刷、淋溶的较稳定的物质[8]。

3.2 结论

（1）尾巨桉林不同改造模式凋落物层凋落量及其最大持水量差异不显著；

（2）尾巨桉林择伐套种落叶树种显著提高0～20cm 土层土壤孔隙度及其贮水量，20～40cm 变化不显著；

（3）监测期内，尾巨桉林择伐或皆伐套种阔叶树种的累积径流量、累积泥沙流失量、累积氮素流失量、累积磷素流失量反而高于桉树纯林；

（4）在短期内，择伐套种阔叶树种对提升水源涵养林保持水土和养分元素效能优于皆伐套种阔叶树种。