短轮伐期桉树人工林土壤入渗过程模拟与变化特征

潘天森, 赵明全, 郭天雷, 黄 幼, 邓羽松, 黄钰涵†

(1.广西大学林学院,广西森林生态与保育重点实验室,广西高校亚热带人工林培育与利用重点实验室,530004,南宁;2.长江水利委员会长江科学院,430014,武汉)

土壤水分入渗是森林水文循环的重要过程[1]。人工林作为森林的重要组成,不仅可以防风固土,还可以在短期内产出大量木材,创造较大的经济价值[2-3],但其营林过程中人为管理措施频繁,强烈干扰林下土壤,影响土壤入渗,进而影响水文循环过程与水土流失;因此,研究人工林土壤入渗及其影响因素,可为评价人工林水土保持效益及发展人工林可持续经营提供科学基础。

随着林龄增加,森林植被根系不断发育,地表枯落物不断累积,改变土壤密度、孔隙度、团聚体和有机质含量[4-6]。郭梦娇等[7]研究辽河源地区不同林龄油松林的水源涵养能力,发现随着林龄的增加,土壤密度减小、土壤入渗率增加。崔艳红等[8]研究晋西黄土高原刺槐林土壤入渗特征发现,随着林龄的增加,土壤孔隙度、水稳性大团聚体和有机质含量均呈升高趋势,土壤入渗能力逐渐增强。刘凯等[9]研究毛乌素沙地人工柠条林发现随着林龄的增加,土壤密度逐渐减少,渗透性逐渐下降。李海军等[10]研究天山中部不同林龄云杉林发现,随着林龄的增加,土壤密度呈“升高—降低—升高”,孔隙度呈“降低—升高—降低”,土壤入渗能力呈“降低—升高—降低”的规律变化。上述研究表明,随着林龄的增加,不同人工林土壤理化性质变化不同,导致土壤入渗能力变化差异显著。桉树根系发育迅速,因此短轮伐期内,桉树林下土壤的理化性质发生显著变化进而改变土壤入渗能力。

目前,我国桉树人工林种植面积位居世界前列,其中广西种植面积在全国范围内最大[11]。据相关资料统计,2018年广西桉树种植面积达256.05万hm2[12]。桉树人工林轮伐期主要分为短周期(5～7 a),中周期(13 a)和长周期(23 a)。中长轮伐期桉树人工林受人为干扰较小,有利于林地有机质积累,并保持森林可持续性[13],而实行短轮伐期经营可以快速获得更多的经济效益。广西地区普遍实行短轮伐期,由于长期实行短周期连栽经营制度会造成土壤肥力、生物多样性下降,水土流失问题严重[14]。目前,桉树人工林土壤入渗的相关研究多聚焦于对比不同林分与代次的土壤理化性质以及入渗特征[15-16],对尾巨桉第一代植苗林完整经营周期内土壤入渗特征的变化规律研究不足。本研究通过测定短轮伐期内4种林龄尾巨桉人工林0～20、20～40、40～60 cm土壤入渗过程和土壤理化性质,分析不同林龄尾巨桉人工林分层土壤入渗能力的影响因素,同时探究林龄变化对土壤入渗能力的影响以及桉树人工林土壤入渗过程的适用模型,研究结果对评价桉树人工林的水土保持效益和发展桉树人工林可持续经营具有重要意义。

1 研究区概况

如图1所示,研究区位于广西壮族自治区崇左市扶绥县国有东门林场(E 107°15′～108°00′,N 22°17′～22°30′),属于北热带季风气候区,年均气温21.8 ℃,最高气温39.5 ℃,年均降雨量1 212.70 mm,雨季集中在6—8月,年蒸发量 1 192～1 724 mm。土壤以赤红壤为主,pH在4.0～6.0之间,尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)是该区域的主要人工林树种。研究区内的尾巨桉人工林分别于2020、2019、2018和2016年的2月进行全垦翻土,5月植苗,株行距为2 m×3 m,植苗后每年进行1次除草施肥等抚育措施。

2 材料与方法

2.1 试验设计

根据桉树轮伐期选取4个不同林龄(1、2、3和 5 a)尾巨桉第一代植苗林,林地的经纬度、海拔、坡度、枯落物厚度及郁闭度、桉树树高和胸径等基本情况如表1所示。在各林地内选取20 m×20 m样地,沿样地对角线随机建立3个2 m×2 m的样方,相邻4棵桉树位于样方4个顶点,在各样方中心点分层采集土壤样品(图1b)。

表1 林地基本情况

2.2 土壤样品采集与理化性质测定

土壤样品于2021年5月采集,采样前清理土壤表层凋落物,开挖土壤剖面,土层分为0～20、20～40 和40～60 cm,用100 cm3环刀采集各土层原状土样,重复样品3份,共计108份。另在各土层收集3份扰动土样,清理石块、根系和动物遗体,自然风干后备用,共计108份。运用干筛法和湿筛法分别测定土壤团聚体、水稳性团聚体比例。用重铬酸钾容量法—外加热法测定土壤有机质含量,并用环刀法测定土壤密度,计算土壤孔隙度[17]。运用马尔文(MS3000)激光粒度分析仪测定,4个林龄桉树人工林砂粒、粗粉粒和黏粒的分布范围分别为10.02%～28.98%、22.34%～29.15%和7.69%～29.16%。根据中国土壤质地分类标准,4个样地土壤均属于壤土。

2.3 土壤入渗速率测定

原状土样用水浸泡24 h,充分饱和后,用双环刀法测量土壤入渗速率,测量水温后,加水使水层厚度到达5 cm,以环刀下方出水时刻开始计时,每0.5 min(入渗速率较小时适当延长接样时间)测量接出水样1次,总时长60 min,最后计算土壤的入渗速率[18]。

笔者采用初始入渗率(initial infiltration rate,IIR)、稳定入渗率(stable infiltration rate,SIR)和累积入渗量(cumulative infiltration,CI)3个指标来分析土壤入渗能力,其中IIR指入渗前3 min的平均入渗率,由前3 min的CI除以时间得到。连续3个读数不变,则认为入渗达到稳定,停止试验,并将最后3个入渗率的平均值计为SIR。CI为60 min内的总入渗量[5]。

2.4 土壤入渗模型

采用Kostiakov模型[9]、Philip模型[10]、Horton模型[18]和通用经验模型[5]拟合土壤入渗过程,根据模拟效果确定研究区土壤入渗的适用模型。

土壤理化性质、入渗速率测定结果均由3个采样点的9组重复样品数据平均获得。用软件SPSS 26.0进行单因素方差和相关性分析。土壤入渗曲线与模型拟合用软件Origin 2018作图。

3 结果与分析

3.1 不同林龄桉树人工林的土壤理化性质

如表2所示,各林龄桉树人工林的土壤密度、大团聚体总体随土层深度的增大而增大,土壤有机质、水稳性大团聚体总体随土层深度的增大而降低。同时4种林龄桉树人工林各土层土壤密度随林龄增加呈波动升高的趋势,总孔隙度和土壤大团聚体呈波动降低的趋势,土壤有机质、水稳性大团聚体总体呈先降低后升高的趋势。2 a桉树林各土层土壤密度最高(1.26～1.37 g/cm3),3 a桉树林各土层有机质质量分数最低(8.94～21.64 g/kg),5 a桉树人工林各土层水稳性大团聚体质量分数最高(77.40%～83.92%)。

表2 不同林龄桉树人工林土壤基本理化性质

3.2 不同林龄桉树人工林土壤入渗过程与模拟

采用4种土壤入渗模型拟合桉树人工林入渗过程,结果表明大部分拟合效果良好(图2和表3),其中,5 a桉树人工林在0～20 cm土层中土壤入渗用Kostiakov模型的拟合效果较差;1 a桉树人工林在40～60 cm土层中土壤入渗用通用经验模型拟合效果最好,其他模型拟合效果较差。此外,对比不同林龄桉树人工林入渗速率发现:3 a桉树人工林在0～20、20～40 cm土层的入渗速率最大,2 a桉树人工林在40～60 cm土层的入渗速率最大。即土层越深,入渗变化速率越小;各土层的入渗速率差异大。

表3 不同土壤入渗模型拟合参数

图2 不同林龄桉树人工林分层土壤入渗过程

根据各林龄的入渗过程计算出各土层的IIR、SIR和CI(表4)。IIR、SIR和CI均随土层加深而减小,其中,1 a桉树人工林的降低幅度最大,分别为62.29%、60.09%和61.11%。随林龄增加,IIR、SIR和CI在0～20 cm土层呈“降低—升高—降低”、40～60 cm土层呈“升高—降低—升高”的规律变化;在20～40 cm土层,随林龄的增加IIR、SIR呈“升高—升高—降低”的规律变化、CI呈“降低—升高—降低”的规律变化。在0～20、20～40 cm土层中,3 a桉树人工林的IIR、SIR和CI最大,土壤入渗能力最好;40～60 cm土层中,2 a桉树人工林的IIR、SIR和CI最大,土壤入渗能力最好。

表4 不同林龄桉树人工林分层土壤的入渗特征

4 讨论

比较4个入渗模型拟合的R2可得出,Horton模型和通用经验模型拟合效果较好,Kostiakov模型和Philip模型拟合效果较差。巩炜[19]研究临泽县荒漠—绿洲过渡带固沙植物土壤入渗也发现Kostiakov模型的拟合效果较差,原因是Kostiakov模型为经验模型,没有表征土壤稳定入渗率的拟合项,随着时间递增,稳定入渗率趋于零,与实际入渗不符。席彩云等[20]研究北京密云山区4种典型林地入渗特征后也发现Philip模型的拟合效果较差,原因是Philip模型中t的指数为-0.5,限制入渗的衰减速率。Horton模型和通用经验模型在入渗时长较大时正好与SIR相吻合,更能准确反映土壤的入渗过程[5]。所以,Horton模型和通用经验模型描述桉树人工林土壤入渗过程效果较好。

土壤理化性质与入渗特征参数的相关性分析如表5所示,结果表明:土壤入渗特性与土层深度、土壤密度呈极显著负相关(P<0.01),与有机质、孔隙度呈极显著正相关(P<0.01),这与巩炜[19]、王金悦等[15]对影响土壤入渗能力的相关性分析结果类似。对比1、2、3和5 a桉树人工林不同土层的入渗特性发现:1)0～20 cm土层,IIR、SIR和CI随林龄增加呈“降低—升高—降低”的规律。桉树人工林经营前期进行带状除草,导致地表灌木、草本减少,降低土壤孔隙度,从而降低入渗能力[21]。第2年至第3年,人工抚育强度下降,为林下灌木与草本层扩张提供空间,所以林下生物量开始上升[6],土壤孔隙度增大,使表层土壤的IIR、SIR和CI显著升高。营林后期因枯落物厚度迅速增加,产生大量挥发性油及其化合物,直接抑制林下草本植物生长[22],降低入渗能力。2)20～40 cm土层中,IIR与SIR随着林龄增加呈“升高—升高—降低”的规律变化,CI呈“降低—升高—降低”的规律变化。第1年至第2年CI略有降低,原因可能是降雨淋溶作用下,林下土壤密度增加、孔隙度和水稳性大团聚体下降[23],导致入渗能力降低。第2年至第3年IIR、SIR和CI升高,由于桉树种植后2～3年,根系快速发育,增加土壤孔隙度[24-25],提高入渗能力。第3年至第5年IIR、SIR和CI降低,是因在降雨条件下,雨滴对土壤大团聚体的拆分作用导致较大的团聚体转化为微团聚体,微团聚体在水的作用下运移,堵塞下层土壤孔隙,导致土壤的渗透性降低[6,26]。3)40～60 cm土层中,IIR、SIR和CI随着林龄增加呈“升高—降低—升高”的规律变化。第1年至第2年土壤有机质在降水作用下从浅层土运移到深层土[27],导致土壤入渗能力变大[5];而20～40 cm土层的有机质含量减少,降低对更深土层有机质的运移,间接导致第2至第3年IIR、SIR和CI出现降低。第3年至第5年由于表层大量枯枝落叶覆盖,补充有机质来源,从而增加土壤有机质的下移[28],有机质的增加促进了团聚体的形成[29],使5 a桉树人工林的入渗能力更强。总体上,桉树人工林种植后,随着林龄的增加,0～20、20～40和40～60 cm土层的土壤密度、孔隙度、有机质、大团聚体和水稳性大团聚体的含量发生变化,使浅层土壤(0～20 cm)的入渗能力随林龄增加整体呈降低趋势,深层土壤(20～40、40～60 cm)的入渗能力随林龄增加整体呈增强趋势。这与王纪杰等[30]、于婧睿等[1]研究桉树人工林随着林龄增加土壤渗透性增大的结果不一致,原因可能是土壤类型、造林方式和抚育措施不同,所以针对不同区域桉树人工林开展土壤入渗研究是极有必要的。

表5 土壤入渗特征的相关性分析

5 结论

本研究测量短轮伐期尾巨桉人工林第一代植苗林不同土层(0～20、20～40和40～60 cm)的土壤理化性质与土壤入渗能力,分析林龄变化影响下不同土层的土壤理化性质与土壤入渗能力的关系,探讨4种经典入渗模型模拟尾巨桉人工林土壤入渗过程的适用性。结果表明:1)随着林龄增大,土壤密度(1.03～1.38 g/cm3)呈波动升高的趋势,孔隙度(47.84%～60.96%)和有机质质量分数(8.94～29.06 g/kg)分别呈波动降低、波动增加的趋势。2)土层深度与土壤理化性质对土壤入渗能力有较大的影响,其中土壤入渗能力(IIR、SIR和CI)与土层深度、土壤密度呈极显著负相关(P<0.01),与孔隙度和有机质呈极显著正相关(P<0.01)。土层越深,土壤密度越大、孔隙度和有机质含量越低,土壤的入渗能力越差;土壤入渗能力随林龄的增加在0～20 cm、 20～40 cm 土层呈“降低—升高—降低”、40～60 cm土层呈“升高—降低—升高”的规律变化。3)入渗模型的拟合结果表明,Horton模型和通用经验模型更适用于描述研究区内不同林龄桉树人工林土壤入渗速率随时间变化情况。本文研究结果可为科学经营桉树人工林、评估桉树人工林水土保持效益及防治水土流失提供科学依据。