马尾松针阔混交人工林凋落物和土壤水源涵养能力*

白云星 周运超 张薰元 杜姣姣

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

全球水文通量研究发现，超过60%的陆地降水会以蒸发形式返回到大气中(Rodelletal.,2015)，而在森林地区，林冠和凋落物截留水量占总降水量的15%～50%(Gerritsetal.,2010)。凋落物和土壤是森林生态系统的重要组成部分，是林地有机质的主要物质库，不仅直接参与生物地球化学循环，而且在维持生物多样性和涵养水源功能上也发挥着重要作用(Molinaetal.,2018;Zhuetal.,2019)，其中凋落物层截留水量可能比林冠层高出2倍(Gerritsetal.,2007)，整个土壤层能够调配约90%的大气降水(潘春翔等，2012)。凋落物的产生和分解受树种组成影响，并通过调节物质周转和养分归还使土壤理化性质发生变化(Seitzetal.,2015;Bahnmannetal.,2018)，进而影响土壤的蓄/持水能力(聂泽旭等，2020)和森林水文循环过程及土壤抵抗水蚀的能力。因此，研究具体区域树种生物学特性导致的凋落物和土壤涵养水源能力差异，对人工林涵养水源能力提质增效具有重要意义。

1990年以来，全球天然林和半天然林每年约减少650万hm2，而人工林约增加1.1亿hm2(Keenanetal.,2015)。我国人工林面积约0.69亿hm2，占全国林地面积的36%左右，稳居全球第一，对提高水源涵养能力、改善生态环境起到了积极作用。但相比干旱、半干旱地区，亚热带地区增加的人工林对水资源的影响尚未被充分认知(Gomyoetal.,2016)。马尾松(Pinusmassoniana)是亚热带地区的主要用材和造林树种，耐干旱贫瘠和适应能力强，面积达1 001万hm2，但长期经营中发现，马尾松纯林的树种层次单一、结构简单、针叶化明显，在亚热带季风气候影响下会发生强烈土壤侵蚀(Guetal.,2013;Xieetal.,2013;何圣嘉等，2011)。有研究认为，将阔叶树种引入针叶人工林可显著改善森林稳定性，这为亚热带人工林可持续经营提供了一个新视角而且(Stone,2009)。大规模针叶林向针阔混交林转变可能会产生重大水文后果，对此还缺乏研究。鉴于此，本研究探讨在亚热带地区不同阔叶树种引入对马尾松人工林凋落物和土壤水源涵养能力的影响，以期为针阔混交林的营造和改造及其水文作用改善提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于贵州省国有龙里林场哨上工区(106°45′—107°15′E，26°10′—26°49′N)，属中亚热带温和湿润气候，年均气温15 ℃，≥10 ℃年积温4 467.11 ℃，全年无霜期283天，年降水量1 184.17 mm，年均空气相对湿度77%。试验地平均海拔1 150 m，气候温和，冬无严寒，夏无酷暑，适宜很多亚热带和温带树种生长。研究区土壤具有明显的黄化特点，是典型的中国亚热带黄壤。主要乔木树种有马尾松、伯乐(Bretschneiderasinensis)、桂南木莲(Manglietiachingi)、连香树(Cercidiphyllumjaponicum)、油茶(Camelliaoleifera)和深山含笑(Micheliamaudiae)等，主要灌木树种有火棘(Pyracanthafortuneana)、马桑(Coriarianepalensis)、石栎(Lithocarpusglaber)和胡枝子(Lespedezabicolor)等。主要草本植物有白茅(Imperatacylindrica)、淡竹叶(Lophatherumgracile)、凤尾草(Pterismultifida)和铁芒萁(Dicranopterislinearis)。

2 研究方法

2.1 样地设置与样品采集

研究区于1957年开展大面积马尾松人工林营造，2004年第3、4季度对立地条件基本一致的中龄(47年)马尾松人工纯林实施相同强度间伐，并进行林下混交阔叶树种试验(阔叶树种株行距为4 m×5 m，栽植1年生苗)，保留部分间伐后的人工纯林。2019年11月，选择立地条件相对一致且长期未经人类干扰的马尾松纯林(Ⅰ)、马尾松×伯乐(Ⅱ)、马尾松×桂南木莲(Ⅲ)、马尾松×连香树(Ⅳ)、马尾松×油茶(Ⅴ)和马尾松×深山含笑(Ⅵ)6种林分类型(表1)，各设置3块20 m×20 m样地，进行每木检尺，实测树高和胸径等林分因子，并记录样地位置信息，尽量保证每块样地内各树种数量基本一致。

表1 样地概况Tab.1 Survey of sample plots

在每块样地的上、中、下坡，各设置3个0.5 m×0.5 m样方收集凋落物，将未分解层和半分解层分别装入塑料袋(共324袋)，并记录凋落物厚度和鲜质量(Wf)，带回实验室测定凋落物水源涵养指标。在每块样地沿对角线选择3个样点(混交林选择距针阔林木120 cm的样点，纯林选择两林木间120 cm的样点)，挖掘1 m深土壤剖面(1 m以下为基岩层)，采用环刀法在0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm各土层采集原状土壤1份，带回实验室测定土壤密度和孔隙度。此外，在每一层采集原状土壤装入硬质塑料盒，以确保运输过程中土壤结构不受破坏，实验室测定土壤团聚体含量和有机碳含量。

2.2 凋落物水源涵养能力相关指标测定

采用室内浸泡法测定凋落物持水能力(Lietal.,2015;Chenetal.,2018)，即将凋落物置于85°烘箱中干燥12 h，测定干质量；每袋凋落物的叶、枝、果和碎屑分别称干质量后，装入已知质量的多孔尼龙网袋并置于盛有清水的容器中浸泡，0.08、0.33、0.50、1、2、4、6、8、10、12和24 h后依次全部取出，静置5 min，直至不滴水为止，迅速称其湿质量。

凋落物持水率(Ri)指凋落物储水量与凋落物干质量之比，计算公式为：

(1)

式中：Ri为凋落物在浸泡时间i时的持水率；W0为凋落物干质量(t·hm-2)；Wi为凋落物在浸泡时间i后的湿质量。

凋落物持水能力(Wm)指凋落物湿质量随浸泡时间增加达到饱和时的最大持水量，本研究选择浸泡24 h后的凋落物湿质量计算。Lee(1980)认为森林凋落物有效持水能力(有效拦蓄量)约为最大持水量的85%，计算公式为：

(2)

P=0.85×Rm-R0；

(3)

(4)

Mp=(0.85×Rm-R0)×W；

(5)

Mm=Rm×W。

(6)

式中：Rm为最大持水率(%)；P为有效拦蓄率(%)；R0为自然含水率(%)；Wf为凋落物鲜质量(t·hm-2)；Mp为有效拦蓄量(t·hm-2)；Mm为最大持水量(t·hm-2)；W为凋落物储量(t·hm-2)。

2.3 土壤水源涵养能力相关指标测定

根据《森林土壤水分-物理性质的测定》(LY/T 1215—1999)，采用环刀法测定土壤密度和孔隙度等。土壤饱和蓄水量(Wt)(t·hm-2)、毛管蓄水量(Wa)(t·hm-2)和非毛管持水量(Wb)(t·hm-2)作为土壤水源涵养能力指标(孙艳红等，2006；王利等，2015)，计算公式为：

Wt=10 000×Pt×h；

(7)

Wa=10 000×Pa×h；

(8)

Wb=10 000×Pb×h。

(9)

式中：Pt为土壤总孔隙度(%)；Pa为土壤毛管孔隙度(%)；Pb为土壤非毛管孔隙度(%)；h为土层厚度(m)。

土壤有机碳含量测定采用重铬酸钾氧化法。土壤团聚体分离采用干筛法，即各土样取1 kg(精度为0.01 g)原状土，筛分为>5、5～2、2～1、1～0.25和<0.25 mm 这5个粒径组。采用平均质量直径(mean weight diameter,MWD)、几何平均直径(geometric mean diameter,GMD)和分形维数(fractal dimension,D)评价土壤团聚体稳定性，计算公式为：

(10)

(11)

(12)

2.4 凋落物和土壤水源涵养能力评价

基于多维空间理论，采用坐标综合评定法，将评定对象看作由多向量决定的空间点，比较各点与最佳点的距离，对多个不同量纲指标进行综合评价(Mosley,1982)。首先对评价指标进行无量纲化处理(列出原始数据表，以sij表示，其中i表示不同处理，j表示不同指标)；其次通过式(13)将sij与每一指标中的最优者mj作比较，形成原始数据相对值dij的矩阵坐标；然后通过式(14)计算第i种处理到标准点的距离(Pij)；最后采用式(15)求各处理到标准点距离和M，按M由小到大排序，以综合值小者为最优。

dij=sij/mj；

(13)

(14)

(15)

2.5 数据处理

采用SPSS 23.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，最小显著法(LSD)检验其差异显著性，对拟合的多元回归关系通过统计学检验得到拟合度参数(R2),并在P<0.05水平上检验相关系数的显著性。采用Canoco5.0软件进行持水能力的冗余分析，Origin 9.0和Photoshop CS6软件制作图表。

3 结果与分析

3.1 凋落物特征及水源涵养能力

3.1.1 凋落物厚度与储量 表2表明：不同林分类型的凋落物未分解层厚度、未分解层储量、凋落物总厚度和凋落物总储量存在显著差异(P<0.05)；凋落物总厚度表现为马尾松×深山含笑(Ⅵ)>马尾松×伯乐(Ⅱ)>马尾松×油茶(Ⅴ)>马尾松×桂南木莲(Ⅲ)>马尾松纯林(Ⅰ)>马尾松×连香树(Ⅳ)，最大为4.72 cm，最小为2.84 cm；凋落物总储量表现为马尾松纯林(Ⅰ)>马尾松×桂南木莲(Ⅲ)>马尾松×伯乐(Ⅱ)>马尾松×连香树(Ⅳ)>马尾松×深山含笑(Ⅵ)>马尾松×油茶(Ⅴ)，最大值为14.73 t·hm-2，最小值为9.83 t·hm-2；凋落物未分解层和半分解层储量占总储量的比例不同，未分解层储量占总储量的60.94%～78.62%，半分解层储量占总储量的21.38%～41.25%，各林分类型凋落物储量均表现出未分解层>半分解层。

表2 不同林分类型凋落物厚度与储量①Tab.2 Litter thickness and stock of different stands types

3.1.2 凋落物持水过程 图1表明：浸水1 h后，马尾松纯林(Ⅰ)、马尾松×伯乐(Ⅱ)、马尾松×桂南木莲(Ⅲ)、马尾松×连香树(Ⅳ)、马尾松×油茶(Ⅴ)和马尾松×深山含笑(Ⅵ)的凋落物半分解层持水率分别达131.82%、134.57%、111.10%、114.64%、84.74%和132.56%，未分解层持水率分别达148.26%、146.61%、141.90%、143.00%、94.87%和172.66%。不同林分类型，马尾松×油茶(Ⅴ)的凋落物半分解层和未分解层持水率均为最低。

图1 不同林分类型凋落物持水率比较Fig.1 Comparison of water holding ratio of litter of different stand types

对6种林分类型的持水率(y)与浸水时间(x)进行拟合，最佳拟合关系式为y=alnx+b，a为方程系数，b为方程常数项(表3)。

表3 不同林分类型凋落物持水率(x)与浸水时间(y)的关系Tab.3 Relationship between water holding rate (x)and immersion time (y)of litter of different stand types

3.1.3 凋落物持水能力 图2表明：不同林分类型凋落物最大持水量和有效拦蓄量均存在差异；最大持水量表现为马尾松×深山含笑(Ⅵ)(36.00 t·hm-2)>马尾松×伯乐(Ⅱ)(35.25 t·hm-2)>马尾松×桂南木莲(Ⅲ)(32.38 t·hm-2)>马尾松纯林(Ⅰ)(31.67 t·hm-2)>马尾松×连香树(Ⅳ)(30.73 t·hm-2)>马尾松×油茶(Ⅴ)(15.69 t·hm-2)，其中未分解层均显著大于半分解层；有效拦蓄量表现为马尾松×深山含笑(Ⅵ)(23.11 t·hm-2)>马尾松×连香树(Ⅳ)(18.77 t·hm-2)>马尾松×伯乐(Ⅱ)(18.28 t·hm-2)>马尾松×桂南木莲(Ⅲ)(16.01 t·hm-2)>马尾松纯林(Ⅰ)(13.39 t·hm-2)>马尾松×油茶(Ⅴ)(8.85 t·hm-2)，其中未分解层均显著大于半分解层；马尾松×油茶(Ⅴ)的凋落物最大持水量和有效拦蓄量均显著(P<0.05)小于其他林分类型。

图2 不同林分类型凋落物持水性能比较Fig.2 Comparison of water holding capacity of litter of different stand types相同凋落物层间不同小写字母表示差异显著(P <0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences in the mean value between the same litter layer (P <0.05).

3.2 土壤特征及水源涵养能力

3.2.1 土壤理化性质 随土层加深，不同林分类型土壤团聚体MWD和GMD增加，D减小(表4)；MWD和GMD的林分差异在0～20 cm土层更明显，随土层加深差异减小；在0～100 cm土层，马尾松×深山含笑(Ⅵ)土壤团聚体稳定性最佳，其MWD(3.96 mm)和GMD(3.11 mm)最大，D(2.28)最小。

不同林分类型土壤密度均随土层加深而增大(表4)。0～20 cm土层土壤密度的林分差异显著，马尾松×连香树(Ⅳ)最高(1.40 g·cm-3)，其次为马尾松纯林(Ⅰ)、马尾松×桂南木莲(Ⅲ)、马尾松×油茶(Ⅴ)、马尾松×伯乐(Ⅱ)、马尾松×深山含笑(Ⅵ)，其土壤密度分别为1.36、1.27、1.26、1.23和1.15 g·cm-3；在20～40、40～60、60～80和80～100 cm土层，不同林分类型土壤密度均差异明显，马尾松×深山含笑(Ⅵ)的密度显著(P<0.05)低于其他林分类型，分别为1.29、1.27、1.37和1.35 g·cm-3。在0～100 cm土层，马尾松×深山含笑(Ⅵ)土壤密度显著(P<0.05)小于其他林分，为1.29 g·cm-3,马尾松纯林(Ⅰ)、马尾松×伯乐(Ⅱ)、马尾松×桂南木莲(Ⅲ)、马尾松×连香树(Ⅳ)土壤密度无明显差异。

不同林分类型毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度均随土层加深而逐渐减小(表4)。在0～20 cm土层，马尾松纯林(Ⅰ)和马尾松×连香(Ⅳ)的毛管孔隙度显著(P<0.05)低于其他4种林分(分别为44.98%和42.70%)，各林分类型间非毛管孔隙度差异较小；总孔隙度以马尾松×深山含笑(Ⅵ)最高(55.19%)。在20～40 cm土层，马尾松纯林(Ⅰ)和马尾松×连香树(Ⅳ)的毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度均显著(P<0.05)低于其他4种林分。在40～60、60～80和80～100 cm土层，不同林分类型土壤孔隙指标差异较小，但均以马尾松×深山含笑(Ⅵ)的毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度最高。

不同林分类型土壤有机碳含量均随土层加深逐渐减小(表4)。在0～20 cm土层，马尾松×深山含笑(Ⅵ)和马尾松×油茶(Ⅴ)的土壤有机碳含量显著高于其他4种林分，分别为40.89和36.46 g·kg-1；马尾松纯林(Ⅰ)的有机碳含量最低，为18.80 g·kg-1。在20～40、40～60和60～80 cm土层，马尾松×深山含笑(Ⅵ)的有机碳含量显著高于其他4种林分，分别为30.82、28.76和20.43 g·kg-1。在80～100 cm土层，不同林分类型有机碳含量无显著差异。在0～100 cm土层，土壤有机碳含量表现为马尾松×深山含笑(Ⅵ)(27.38 g·kg-1)>马尾松×油茶(Ⅴ)(17.58 g·kg-1)>马尾松×伯乐(Ⅱ)(14.08 g·kg-1)>马尾松纯林(Ⅰ)(13.73 g·kg-1)>马尾松×连香树(Ⅳ)(13.42 g·kg-1)>马尾松×桂南木莲(Ⅲ)(11.00 g·kg-1)。

表4 不同林分类型土壤理化性质①Tab.4 Physical and chemical properties of soil of different stand types

3.2.2 土壤蓄水性能 在0～20、20～40和40～60 cm土层，马尾松×深山含笑(Ⅵ)和马尾松×油茶(Ⅴ)的土壤饱和蓄水量和毛管蓄水量均显著(P<0.05)高于其他4种林分(表5)，马尾松×深山含笑(Ⅵ)的土壤非毛管持水量最大，分别为148.47、113.76和96.27 t·hm-2。在60～80和80～100 cm土层，马尾松×伯乐(Ⅱ)的饱和蓄水量(732.78、785.71 t·hm-2)和毛管蓄水量(685.16、734.27 t·hm-2)显著(P<0.05)低于其他5种林分，马尾松×桂南木莲(Ⅲ)的非毛管持水量最低，分别为40.20和45.09 t·hm-2。在0～100 cm土层，平均饱和蓄水量表现为马尾松×深山含笑(Ⅵ)(1 081.75 t·hm-2)>马尾松×油茶(Ⅴ)(978.59 t·hm-2)>马尾松纯林(Ⅰ)(905.45 t·hm-2)>马尾松×桂南木莲(Ⅲ)(886.56 t·hm-2)>马尾松×伯乐(Ⅱ)(869.87 t·hm-2)>马尾松×连香树(Ⅳ)(831.31 t·hm-2)。

表5 不同林分类型土壤蓄水能力Tab.5 Soil water storage capacity of different stand types

相关性分析(表6)表明，土壤毛管蓄水量、非毛管持水量、饱和蓄水量均与土壤有机碳含量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度极显著正相关(P<0.01)，与土壤密度和团聚体分形维数(D)显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)负相关；土壤饱和蓄水量、毛管蓄水量与团聚体几何平均直径(GMD)显著正相关(P<0.05)；土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度和土壤有机碳含量极显著正相关(P<0.01)，与土壤密度极显著负相关(P<0.01)；土壤毛管孔隙度和总孔隙度与团聚体几何平均直径(GMD)显著正相关(P<0.05)，与团聚体分开(D)维数极显著负相关(P<0.01)。

表6 土壤性质与蓄水能力的相关性分析①Tab.6 Correlation analysis of soil properties and water storage capacity

3.3 凋落物和土壤水源涵养能力分析与评价

3.3.1 不同林分类型凋落物、土壤水源涵养能力 制约各林分类型凋落物和土壤水源涵养能力的主要因素可分为2类(图3)：1)蓄水性能，包括土壤饱和蓄水量、毛管蓄水量、非毛管持水量、凋落物最大持水量和凋落物有效拦蓄量；2)土壤特性，包括土壤密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤有机碳含量和团聚体分形维数(D)。

图3 不同林分类型凋落物和土壤持水能力的影响因素Fig.3 Factors influencing water holding capacity of litter and soil of different stand typesSD：土壤密度 Soil density；D：分形维数 Fractal dimension；MWD：平均质量直径 Mean weight diameter；GMD：几何平均直径 Geometric mean diameter；SS：土壤饱和蓄水量 Soil saturated water storage；TP：总孔隙度 Total porosity；SC：土壤毛管蓄水量 Soil capillary water storage；CP：毛管孔隙度 Capillary porosity；NSH：土壤非毛管持水量 Soil non-capillary water holding capacity；NCP：非毛管孔隙度 Non-capillary porosity；SOC：土壤有机碳 Soil organic carbon；LEW：凋落物有效拦蓄量Effective water conservation capacity of litter；LMW:凋落物最大持水量Maximum water holding capacity of litter.

图4所示为基于凋落物最大持水量和有效拦蓄量及土壤饱和蓄水量、毛管蓄水量、非毛管持水量、密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度、平均质量直径、几何平均直径、分形维数和有机碳含量13个指标的RDA排序。从排序轴来看，横轴基本反映了不同林分类型凋落物、土壤水源涵养能力。据此，6种林分类型可划分为3组水源涵养类型：1)低持水类型Ⅴ(马尾松×油茶)，主要特征为凋落物最大持水量和有效拦蓄量较低；2)中等持水类型Ⅰ(马尾松纯林)、Ⅱ(马尾松×伯乐)、Ⅲ(马尾松×桂南木莲)和Ⅳ(马尾松×连香树)，主要特征为土壤团聚体稳定性及蓄水能力较差；3)高持水类型Ⅵ(马尾松×深山含笑)，主要特征为凋落物最大持水量和有效拦蓄量较高，土壤团聚体稳定性和物理性质较好，土壤蓄水能力较高。

图4 森林凋落物和土壤持水能力类型划分Fig.4 Classification of water holding capacity of forest litter and soil

3.3.2 不同林分类型凋落物和土壤水源涵养能力评价 选取土壤蓄水性能(饱和蓄水量、毛管蓄水量和非毛管持水量)和凋落物拦蓄能力(未分解层和分解层的最大持水量和有效拦蓄量)作为凋落物和土壤水源涵养能力的评价指标。采用坐标综合评定法，得出不同林分类型凋落物和土壤水源涵养能力的综合指数，其值越小，表示水源涵养能力越强。由表7可知，不同林分类型凋落物和土壤水源涵养能力差异明显，表现为马尾松×深山含笑(Ⅵ)(0.07)>马尾松×伯乐(Ⅱ)(1.33)>马尾松×连香树(Ⅳ)(1.42)>马尾松×桂南木莲(Ⅲ)(1.44)>马尾松纯林(Ⅰ)(1.59)>马尾松×油茶(Ⅴ)(2.74)。

表7 不同林分类型凋落物和土壤水源涵养能力综合评价Tab.7 Comprehensive evaluation of water conservation capacity of litter and soil of different stand types

4 讨论

4.1 阔叶树种混交对凋落物和土壤水源涵养能力的影响

本研究中，无论是凋落物未分解层还是半分解层，就其最大持水量和有效拦蓄量来说，马尾松×深山含笑的凋落物具有最好水源涵养能力，其次为马尾松×伯乐，最差的是马尾松×油茶。整体来看，半分解层的水源涵养效果低于未分解层，与凋落物的质量、厚度和分布关系有关。马尾松纯林凋落物总储量最大(14.73 t·hm-2)，但其有效拦蓄量仅为13.39 t·hm-2，马尾松×连香树和马尾松×深山含笑凋落物总储量分别为10.86和10.00 t·hm-2，但有效拦蓄量分别达18.77和23.11 t·hm-2。单位质量的针阔混交林凋落物有效拦蓄量与马尾松纯林有效拦蓄量比值表现为马尾松×深山含笑(2.54)>马尾松×连香树(1.90)>马尾松×伯乐(1.55)>马尾松×桂南木莲(1.21)>马尾松×油茶(0.99)。针叶林地土壤结构发育程度较低，拒水性较强；以阔叶树为优势种的森林凋落物分解程度较高，有利于减少地表径流以及N和P流失(Nerisetal.,2013)；针阔混交林凋落物可能比单一针叶林或阔叶林更有利于水源涵养，这可能是由于针阔混交林凋落物能形成更复杂的空间结构，可提高水分拦蓄能力(王棣等,2001)，但在针叶人工林中，阔叶树种引入可能并不完全遵循该规律，这可能与补植时间和补植树种有关(颜耀等,2020)。凋落物厚度、林木密度和叶面积指数的差异可能是影响针叶树和阔叶树凋落物截留能力的重要因素，叶的形状、表面纹理和凋落叶的结构也可能对截留产生影响，有待进一步研究和验证。

土壤密度是土壤质地、结构、孔隙等物理性状的综合反映(朱万泽等，2019)。从土壤水源涵养性能来看，毛管孔隙使土壤具有贮水性能，非毛管孔隙使土壤具有透水性能，能较快容纳降雨并促进径流下渗，减少径流产生；土壤饱和蓄水量可反映土壤水源涵养能力(Pérez-Bejaranoetal.,2010)。本研究表明，除连香树外，阔叶树种引入对表层土壤蓄水能力的改善效果是显著的(P<0.05)，表层土壤饱和蓄水量和毛管蓄水量均大于马尾松纯林。针阔混交林凋落物的易分解性一方面可改善表层土壤的孔隙结构(Horodeckietal.,2018)，另一方面凋落物分解形成的腐殖质可增加有机碳、改善土壤团聚体稳定性(Wangetal.,2019)。土壤团聚体稳定性增加，一方面可提高土壤抵抗降雨击溅的能力，另一方面会对土壤孔隙结构产生有利影响，能够提高土壤通气性和保水能力，本研究土壤物理特性与蓄水能力的相关分析很好地佐证了这一点(表6)。此外，较好的土壤孔隙特征和团聚体结构为土壤水运移提供主要通道，可增加对地下水的补给并减少土壤水分蒸发(Gaoetal.,2018)。本研究表明，混交油茶和深山含笑均可显著提高0～100 cm土层的饱和蓄水量和毛管持水量，这可能与其深根特性有关(丁怡飞等，2018；朱少木，2012)。根系在土壤中穿插、挤压和释放分泌物，利于土壤颗粒的胶结和毛管孔隙的形成，也为深层土壤提供了丰富的有机碳来源(Zhuetal.,2017)，有利于提升土壤水源涵养能力。

4.2 建议

我国政府计划到2030年将森林面积扩大约22万km2(Jiaetal.,2017)，但由于人为或自然因素，人工林普遍存在林分结构不合理、生产力低、生态功能差等问题，通过补植阔叶树种将针叶人工纯林逐步转变为异龄、复层混交林，是下一步的经营方向(Stone,2009;Liuetal.,2018)。本研究表明，树种组成差异会改变森林凋落物和土壤的水文特性，因此需从马尾松林改造角度去选择用于混交的阔叶树种。深山含笑可能最适合作为马尾松人工纯林的阔叶混交树种，混交油茶会降低凋落物和土壤的水源涵养能力，即混交不同阔叶树种后会对水源涵养能力产生协同或拮抗作用，这与凋落物特性(叶形态、叶面积、质地、粗糙程度和分解速率)有关(Lietal.,2017;Baptistaetal.,2018)。

5 结论

1)在马尾松人工纯林内补植阔叶树种能显著改变凋落物结构及其持水能力。不同林分类型凋落物有效拦蓄量表现为马尾松×深山含笑(23.11 t·hm-2)>马尾松×连香树(18.77 t·hm-2)>马尾松×伯乐(18.28 t·hm-2)>马尾松×桂南木莲(16.01 t·hm-2)>马尾松纯林(13.39 t·hm-2)>马尾松×油茶(8.85 t·hm-2)，其中未分解层均显著大于半分解层。

2)在马尾松人工纯林内补植阔叶树种能显著改变土壤密度、孔隙特征、团聚体分布及其稳定性和有机碳含量，提高土壤水源涵养能力。对表层(0～20 cm)土壤而言，引入伯乐、桂南木莲、油茶和深山含笑后土壤饱和蓄水量分别提高6.94%、9.00%、15.10%和23.90%，引入油茶和深山含笑后0～100 cm土层饱和蓄水量分别提高8.08%和19.47%。

3)坐标综合评定法结果表明，马尾松×深山含笑的凋落物和土壤水源涵养能力最佳(0.07)，其次为马尾松×伯乐(1.33)、马尾松×连香树(1.42)和马尾松×桂南木莲(1.44)；引入油茶会降低凋落物和土壤水源涵养能力，不适合作为补植树种。

4)建议未来人工林生态水文研究应关注不同树种及其混交林的凋落物和土壤水文功能差异，对人工针叶纯林进行阔叶树混交改造时应注意选择合适的混交树种和混交比例。