阔叶树种引入后马尾松人工林土壤水文物理性质研究

杜姣姣, 周运超, 白云星, 张薰元

(贵州大学 贵州省森林资源与环境研究中心/林学院 贵州省高原山地林木培育重点实验室, 贵阳 550025)

森林土壤作为森林涵养水源的主体，其持水量可占总体涵养水量的85%以上，在调节水分循环方面发挥着重要作用[1-2]。森林土壤的水文物理性质是森林水源涵养功能的重要评价指标，其主要体现在涵蓄降雨、阻延径流和防洪减灾等方面[3]。森林土壤的水文物理性质普遍存在时空异质性和环境异质性[4]，其影响因素主要包括地形地貌、土壤特征、降雨差异和植被类型。对于人工林生态系统而言，营林措施会改变林分空间结构和环境因子，造成土壤涵养水源能力发生改变[5]。因此，探究人工林土壤的水文物理效应对于森林涵养水源功能的提升与调控手段具有重要意义。

土壤容重与孔隙度是土壤物理特性的重要指标，容重大小是土壤质地、结构和孔隙等物理性状的综合表现，而孔隙度能够反映土壤通透程度，其中毛管孔隙和非毛管孔隙分别使土壤具有储水性能和透水性能[6]。植被是土壤物理—水文效应的主要调节者[7]，通常混交林比单一树种林分具有更高的土壤生态功能[8]。阔叶林地表枯落物含量分解速率通常大于针叶林，针阔混交林有利于凋落物的分解和养分释放，能够改善针叶林地力衰退并提高土壤水源涵养能力[9-10]。例如，针阔混交林能降低土壤容重并提高土壤孔隙度，从而直接影响土壤最大持水量，有效持水量和土壤渗透速率，其土壤拒水性显著低于纯林[11-13]。然而，不同树种间存在生物特性和林分结构差异[14-15]，物质周转和养分归还能力对不同植被响应也有所不同，导致营造针—阔混交林对于土壤水文物理性质可能存在正效应或负效应[16]。因此，充分认知和定量评价不同类型针—阔林分的水文物理性质，对针叶林阔叶化经营和水资源的科学管理与应用具有重要意义。

马尾松(Pinusmassoniana)是中国特有乡土树种，其适应能力强，耐干旱，是南方荒山绿化造林的主要树种，面积高达1.13×107hm2[17]。经过十多年的退耕还林治理，我国南方已形成以马尾松人工林为主的水土流失初步治理区，但马尾松纯林林分结构单一且生物多样性较差，其林下水土流失仍较为严重[18]。马尾松人工纯林所引起的土壤退化已成为中国南方最严重的退化生态问题之一[19-20]。如何通过林分改造提高马尾松人工林水源涵养功能成为当前亟需解决的问题。据报道，针叶人工林补植阔叶树种能显著改善土壤衰退现象[21]，但其机理尚未得到充分认知，且不同阔叶树种间所带来的土壤水文物理效应差异尚未得到评估，因此，筛选适宜林分补植的阔叶树种显得尤为重要。基于此，本研究拟解决以下科学问题：(1) 马尾松人工林土壤物理及水文效应如何响应不同阔叶树种的引入；(2) 在马尾松人工林阔叶化改造中，如何选择树种以达到提升土壤蓄水保墒的目的。

1 研究区概况

研究区位于贵州省龙里林场，地理位置为北纬26°22′—26°45′，东经106°45′—107°11′，处于苗岭山脉中段，长江流域乌江水系与珠江流域红水河水系的分水岭，乌江三级支流三元河从林区流过，地势西北高、东南低，属中亚热带季风湿润气候，年均气温14.8℃，极端最高气温33.2℃，最低气温-8.5℃，降水量1 089.3 mm，相对湿度77%。龙里林场成土母岩主要为砂页岩。土壤以黄壤为主，另有少量黄棕壤。pH值为5.5～6.5，呈微酸性。

供试马尾松林分为1957年造林，于2004年对马尾林进行带状采伐后采用随机套种模式引入伯乐(Bretschneiderasinensis)、桂南木莲(Manglietiachingii)、连香(Cercidiphyllumjaponicum)、深山含笑(Micheliamaudiae)和油茶(Camelliaoleifera)5种树种形成针阔混交林，同时以未改造的马尾松纯林为对照，在所有林分生长期间均未进行施肥和抚育措施。2019年11月在上述5种混交林和马尾松纯林样地内各设置3个20 m×20 m标准样地，样地基本情况见表1。

表1 研究区基本特征

2 材料与方法

2.1 样地设置与样品采集

于2019年11月在各林分的标准样地内采集凋落物和土壤样品。在每个样地顺坡上、中、下各设置1个0.5 m×0.5 m小样方，先收集地表凋落物，再选取代表性样点，采用剖面法在每个样地挖取3个土壤剖面，剖面点位于马尾松与补植树种1.2 m的相交处，用环刀法采集0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm，80—100 cm土壤样品。另在各采样点分层采集土壤样品，同一样方的同一土层充分混匀后取1 000 g作混合样，带回实验室内测定土壤理化性质，凋落物带回实验室65℃烘干至恒重并称重，计算凋落物储量。

2.2 土壤理化性质和持水性能测定

土壤有机碳测定采用重铬酸钾消解—硫酸亚铁铵滴定法；土壤容重、土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量和田间持水量采用环刀法(环刀体积为100 cm3)和浸水法测定；先通过浸水法测定出土壤持水量，再利用持水量值通过相关公式计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为最大持水量(g/kg);Wc为毛管持水量(g/kg);Wo为田间持水量(g/kg)；P1为总孔隙度(%)；P2为非毛管孔隙度(%)；P3为毛管孔隙度(%)；m为环刀内干土质量(g)；m1为浸润12 h后环刀内湿土质量(g)；m2为在干砂上搁置2 h后环刀内湿土质量(g)；m3为在干砂上放置3天后环刀内湿土质量(g);V为环刀体积(cm3)；ρ1为水的密度(1.0 g/cm3)；ρ2为土壤密度(g/cm3)。

2.3 土壤水文物理能力综合评价

本文采用坐标综合评定法基于多维空间理论，将评定对象看作由多向量所决定的空间点，以各点与最佳点的距离对各点进行比较，对多个不同量纲指标进行综合评价[23]。采用此方法评价土壤水文物理性质基本步骤为：(1) 列出原始数据表，以sij表示，其中i表示不同植被类型，j表示不同指标；(2) 采用公式(8)将其与每一指标中的最优者mj作比较，组成相对值dij矩阵坐标；(3) 采用公式(9)计算第i个处理到标准点的距离；(4) 采用公式(10)求各处理到标准点距离之和M；最后按M值由小到大进行排序，以综合值小者为最优。

dij=sij/mij

(8)

(9)

(10)

式中:dij为原始数据的相对值；sij为原始数据；mij为每个指标中的最优值;Pi为第i个处理到标准点的距离。

2.4 数据处理

采用单因素方差(One-way ANOVA)分析其土壤容重、孔隙度、持水性能的变化，并进行LSD多重差异性检验，土壤物理及持水指标的相关分析采用相关性分析法。图表制作采用Excel 2019和SPSS 22.0统计软件完成。

3 结果与分析

3.1 不同阔叶树种引入后土壤物理性质变化

3.1.1 土壤容重的变化 土壤容重大小是土壤质地、结构、孔隙等物理性状的综合反映。从图1可以看出，6种林分类型下土壤容重均随土层深度的加深呈增加趋势，从表层土壤容重来看，土壤容重大小为马尾松+连香(1.40 g/cm3)>马尾松纯林(1.36 g/cm3)>马尾松+木莲(1.27 g/cm3)>马尾松+伯乐(1.23 g/cm3)>马尾松+油茶(1.21 g/cm3)=马尾松+深山含笑(1.21 g/cm3)。各林分表层土壤容重均小于其余土层，以连香林分下土壤容重最大，土壤较为紧实。0—100 cm土层容重依次为马尾松+连香(1.54/g/cm3)>马尾松纯林(1.52 g/cm3)>马尾松+木莲(1.51 g/cm3)>马尾松+伯乐(1.50 g/cm3)>马尾松+油茶(1.38 g/cm3)>马尾松+深山含笑(1.29 g/cm3)，以深山含笑林分下土壤容重最小，土壤较为松散。

图1 不同林分下土壤容重的变化

3.1.2 土壤孔隙特征 林地土壤的孔隙状况是评价土壤通透性的重要指标，土壤孔隙的大小直接影响到土壤中的水分状况。由表2可知，在0—100 cm土层中，各林型土壤总孔隙度均值为41.57%～54.09%，依次为马尾松+深山含笑>马尾松+油茶>马尾松纯林>马尾松+木莲>马尾松+伯乐>马尾松+连香。平均土壤毛管孔隙度随土层深度变化趋势及各林型大小状况与总孔隙度表现一致，总均值大小为38.56%～49.05%。与纯林相比较，马尾松+深山含笑林分类型表现最为突出。平均土壤毛管孔隙度随土层深度变化趋势及各林型大小状况与总孔隙度表现一致，总均值大小为38.56%～49.05%。非毛管孔隙主要是通气孔隙，可反映土壤通气状况。不同林分类型非毛管孔隙表现出随土层深度的增加而减小的规律，其大小表现为马尾松+深山含笑>马尾松纯林>马尾松+油茶>马尾松+木莲>马尾松+伯乐>马尾松+连香，说明深山含笑引入后土壤较其他几种林地土壤具有较高的通气性能，有利于植被的生长和土壤内气体的交换。

3.2 不同阔叶树种引入后土壤持水量变化

土壤持水性能是评价不同植被土壤涵养水源、调节水循环的重要指标，它反映了土壤持水、供水与调蓄能力，可用来评价土壤层的水文功能，包括最大持水量、毛管持水量和田间持水量。由表3可见，阔叶树种引入后对最大持水量存在显著差异(p<0.05)，各林型最大持水量表现为随土层加深呈大致递减趋势，0—100 cm最大持水量大小依次为马尾松+深山含笑>马尾松+油茶>马尾松+木莲>马尾松+伯乐>马尾松纯林>马尾松+连香。除连香树种外，其余林分表层最大持水量均大于纯林，深山含笑树种下各个土层最大持水量均大于其余林分各土层。土壤毛管持水量均值在26.44%～42.33%，其变化趋势与最大持水量一致。田间持水量均值在25.54%～40.59%，大小依次为马尾松+深山含笑>马尾松+油茶>马尾松+伯乐>马尾松+木莲>马尾松纯林>马尾松+连香。

表3 不同阔叶树种引入后土壤持水量的变化

3.3 不同阔叶树种引入后土壤水文物理指标相关性分析

从表4可以看出，不同林分下土壤持水量、孔隙度均与土壤容重呈极显著负相关(p<0.01)，土壤最大持水量、毛管持水量和田间持水量与土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的相关关系达到极显著水平(p<0.01)。

表4 阔叶树种引入后土壤水文物理指标相关性

3.4 不同阔叶树种引入后土壤水文物理能力综合评价

由表5可知，根据坐标综合评定法(p值表示综合评定值)，p值越小，说明土壤物理性质和持水性能越好，选择土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤持水量等，总计7项指标，对土壤水文物理性质进行综合评价。土壤物理性质大小排序为马尾松+深山含笑>马尾松+油茶>马尾松纯林>马尾松+木莲>马尾松+伯乐>马尾松+连香；不同林型土壤持水能力表现为马尾松+深山含笑>马尾松+油茶>马尾松+木莲>马尾松+伯乐>马尾松纯林>马尾松+连香。综合评价大小排序为马尾松+深山含笑>马尾松+油茶>马尾松纯林>马尾松+木莲>马尾松+伯乐>马尾松+连香。

表5 不同阔叶树种引入后土壤水文物理性质综合评价

4 讨 论

4.1 不同阔叶树种的引入后对马尾松人工林土壤水文物理性质的响应

不同造林树种间生物学特性差异影响着林木根系生长与凋落物分解，造成不同林分间土壤有机质输入的差异，最终影响土壤水文物理性质[24]。土壤毛管孔隙中的水分是土壤水分的主要贮存场所，可近似认为土壤在枯水季节的贮水量，田间持水量则反映土壤保水能力，其大小与土壤孔隙数量和组成有密切关系[25]。

本研究表明，不同树种引入后0—100 cm深度的土壤容重随土层加深而增大，孔隙度则随土壤加深而减小，这与孙艳红等[26]对森林土壤物理性质的研究一致，其中土壤总孔隙度变化范围与鲁绍伟等[27]对森林生态系统土壤总孔隙度范围为40%～60%的研究结果相一致。引入深山含笑、油茶、木莲和伯乐树种后土壤毛管持水量和田间持水量分别为29.12%～42.33%和28.15%～40.28%，其持水能力均大于纯林，说明林分改造后土壤的透气透水性能有所改善，利于土壤蓄水保墒和植被良好发育，有效发挥植被的水文生态效益。一方面这可能是由于凋落物的硬度和形态等属性通过影响土壤微生物活动、淋溶作用等制约着凋落物分解形成有机碳[28]，有机碳又结合土壤颗粒促进了土壤团粒结构的形成[29-30]，影响土壤孔隙状况(表1)。由于革质叶分解速率大于针叶[31]，凋落物混合后促进其分解，使得凋落物周转速度快，促进养分释放，适宜更多土壤动物或微生物生活，促进了土壤孔隙的产生，加上根系分布的表聚性，使得表层土壤水文调节能力强[32-34]；另一方面由于深山含笑和油茶属于深根性树种[35]，根系通过穿插、挤压改善深层土壤结构，深层根系分泌物及根系周转产生的碎屑为土壤提供了丰富的有机质来源，有利于土壤孔隙的形成[36]。而连香属于浅根性树种[37]，其粗根大量位于土壤表层，而能够改善土壤理化性质并提高抵抗水分侵入和降水击溅能力的主要为细根[38-39]，粗根对土壤的固持作用不及细根，因此，导致表层土壤结构改善反而不及其余树种，其次由于凋落物储量低，在降雨时表层土壤缺乏地被物保护，造成其凋落物层未能有效地减低雨水溅蚀土壤[40]，造成土壤结构破坏使得土壤水文调节性能大大降低。

4.2 马尾松人工林阔叶化改造中树种的选择

马尾松人工林是我国南方地区分布最广的森林类型，在20世纪80年代初马尾松分布面积就已占全国森林面积的14.9%[41]。然而，随着马尾松造林面积的迅速扩大，单一纯林经营模式的弊端逐渐显露，有近1/4马尾松群落存在严重的林下水土流失和不同程度的退化[42]，而阔叶树种的引入被逐渐用于改善人工林土壤水文的生产实践中[21]。不同树种由于凋落物储量及其构成、树木根系生长发育和凋落物分解速率等差异，造成土壤持水能力等物理性质会有所变化[24]，本研究针对马尾松人工林引入了5种阔叶树种进行改造，其研究结果表明了树种差异会影响土壤水文物理性质，但并非所有阔叶树种都适合引入改造。从土壤物理及水文效应而言，连香凋落物松软易分解导致表层有机碳含量高，但由于其浅根性导致土壤表层物理性质改善并不明显，而深山含笑树种由于其深根性能够从整体改善土壤物理性质，更适合作为马尾松人工林的引种对象，油茶次之。本文通过坐标评价法(表5)对不同阔叶树种下的土壤水文物理性质进行分析，也更好地印证了引入此树种后更利于改善土壤物理性质及持水能力，同时说明了并不是所有针阔混交都能较好地改善土壤水文物理性质。因此，对于南方地区以马尾松人工林为主的水源涵养林来说，引入深根性且凋落物松软易分解的树种能够更好地改善林地土壤的物理结构，增加土壤孔隙度，提高土壤的持水能力，在造林时可作为优选配置，促进马尾松林水土保持效益的发挥。

5 结 论

(1) 马尾松人工林不同阔叶树种引入后0—100 cm土层土壤物理性质表现为深山含笑树种下最好，连香树种下最差；土壤容重随着土层加深逐渐减小，其规律与土壤孔隙及有机碳规律相反。

(2) 在持水能力方面，土壤最大持水量、毛管持水量和田间持水量均随土层的增大而呈逐渐降低趋势，这与土壤孔隙度呈显著正相关表现一致。就表层土壤而言，土壤各持水量表现为马尾松+深山含笑>马尾松+油茶>马尾松+伯乐>马尾松+木莲>马尾松纯林>马尾松+连香；0—100 cm土层最大持水量表现为马尾松+深山含笑>马尾松+油茶>马尾松+木莲>马尾松+伯乐>马尾松纯林>马尾松+连香，土壤毛管持水量与田间持水量与表层土壤持水量表现一致。

(3) 马尾松人工林不同阔叶树改造后经坐标综合评定结果排序为：马尾松+深山含笑(0)>马尾松+油茶(1.034)>马尾松纯林(1.746)>马尾松+木莲(1.798)>马尾松+伯乐(1.849)>马尾松+连香(2.185)，由此可见不同阔叶引入对马尾松人工林对土壤水文物理性质影响有所不同，在今后以蓄水保墒为目的的马尾松人工林阔叶化改造树种建议选择凋落物周转速度快且深根性的树种。