桉樹人工林取代長周期人工林對土壤入滲特性的影響

于婧睿, 楊鈣仁, 田 雪, 王廖丹, 覃志偉

(1.廣西大學(xué) 林學(xué)院, 南寧 530004; 2.廣西大學(xué) 生態(tài)工程研究所, 南寧 530004)

桉樹人工林取代長周期人工林對土壤入滲特性的影響

于婧睿1,2, 楊鈣仁1,2, 田 雪1,2, 王廖丹1, 覃志偉1

(1.廣西大學(xué) 林學(xué)院, 南寧 530004; 2.廣西大學(xué) 生態(tài)工程研究所, 南寧 530004)

廣西桉樹人工林的前茬主要為輪伐周期較長的松杉類人工林，為探討上述植被變化對林地土壤水分下滲的影響，采用單環(huán)法研究了8年生(06-EU)，5年生(09-EU)，4年生(10-EU)和1年生(13-EU)等第一代桉樹(EucalyptusurophyllaE.grandis)人工林及其對照林21年生針闊混交(93-CM)，第三代2年生桉樹(12-EU3)，18年生杉木(Cunninghamialanceolate，96-CL)和馬尾松(Pinusmassoniana，96-PM)等人工林的土壤水分下滲特征，并采用BEST-intercept方法對土壤入滲特征參數(shù)進行估算。結(jié)果表明：(1) 針闊混交和馬尾松人工林改為桉樹人工林后，土壤(0—20 cm )容重分別降低13.5%和18.3%，孔隙度分別增加10.1%和14.8%，但土壤顆粒組成的變化不顯著；(2) 針闊混交林改為桉樹人工林后，土壤初始入滲速率和前600 s下滲量分別降低38.2%和25.3%，而杉木人工林、馬尾松人工林則分別升高23.9%，148.1%和32.7%，97.2%；(3) 連載代次的增加對桉樹林土壤基本物理性質(zhì)影響不顯著，但會降低土壤水分下滲性能，第三代桉樹林的初始入滲速率和前600 s下滲量比第一代減少39.9%和32.4%。容重較大的林地在造林和撫育過程中的松土活動導(dǎo)致了土壤大孔隙增加，這是土壤水分下滲速率變化的主要成因。

土壤水分入滲; 單環(huán); 桉樹人工林; 長周期人工林

水分入滲是森林土壤重要的水文功能，在補充土壤水分[1]的同時，調(diào)節(jié)降雨分配，減輕水土流失。植被類型和土壤容重、初始含水量、有機質(zhì)含量、孔隙度、土壤質(zhì)地、團聚體含量等[2-5]是影響土壤入滲特性的主要因素。土壤滲透能力主要取決于非毛管孔隙狀況[6]，可以通過對土壤孔隙度等結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合土壤入滲的觀測來探討森林的蓄水能力。以往的研究一般采用雙環(huán)法[3,7]，野外人工降雨法[8]，滲透筒法[6,9]等方法觀測土壤入滲，植被(或土地利用)類型主要有天然林[3]，高山灌叢[7]，荒坡地[10]，農(nóng)田[11]，果園[5]及長周期人工林地[12]等，而有關(guān)短周期桉樹人工林的研究鮮有報道。廣西是我國桉樹人工林主要種植省份，目前種植面積達205萬hm2，占全國總面積的50%，其造林地主要來自經(jīng)營周期較長的人工林如馬尾松林、杉木林、針闊混交林等以及天然次生林[13]。桉樹人工林的輪伐周期短，造林、撫育、采伐等對林地土壤干擾頻繁而強烈，可能對森林的雨水再分配造成顯著影響。已有研究發(fā)現(xiàn)，輪伐周期較長的人工林改造為桉樹林后，土壤蓄水能力的變化主要表現(xiàn)為20—40 cm土層土壤的水分庫容和剩余蓄水空間增加[14]；采用人工模擬降雨的研究[15]發(fā)現(xiàn)，混交成熟林改造為桉樹人工林后，林地坡面徑流產(chǎn)生時間延后、徑流量減少，但上述兩個研究的結(jié)果與其他有關(guān)長周期人工林改植為桉樹人工林后土壤水文物理性質(zhì)的變化[16-17]存在一些不一致。土壤入滲性能與降雨量、降雨強度、地形、植被狀況和土壤物理性質(zhì)等因子密切相關(guān)，在降雨與地形條件一定情況下，植被變化及其對土壤物理性質(zhì)的改變決定了土壤滲透能力。由于林地一般不平整，雙環(huán)法在林地土壤入滲研究中受到限制，單環(huán)入滲儀制作簡單、經(jīng)濟，輕便易操作、耗時少，且不擾動表土，無水壓表層土入滲，可準確測定初始入滲過程[18]。本研究應(yīng)用單環(huán)入滲法對林地土壤入滲特征進行測定，用馬爾文激光粒度儀測定土壤粒度，采用BEST-intercept方法[19]估算土壤下滲特征參數(shù)，探討長周期人工林改植為短周期桉樹林后土壤入滲性能的變化規(guī)律，為今后全面了解桉樹種植對區(qū)域生態(tài)水文的影響提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗設(shè)計

研究區(qū)設(shè)置在廣西壯族自治區(qū)南寧市北部的國有高峰林場界牌分場和東升分場(108°38′19″—108°41′96″E，22°97′34″—22°99′16″N)，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫21.6℃，年均降水量1 320 mm，降水天數(shù)為104.7 d，且多集中于5—9月(占年降水量的79.8%)，平均相對濕度79%。試驗區(qū)為丘陵地形，坡度為10°～35°，成土母巖以砂巖為主，石英巖次之，土壤類型為赤紅壤，土層厚度40 cm以上，pH值4.5～5.0[13]。

根據(jù)桉樹人工林營林前林分類型的不同，在高峰林場研究區(qū)內(nèi)分別選擇坡度、土壤類型等基本相同或相近的1 a生(13-EU)，4 a生(10-EU)，5 a生桉樹(09-EU)和8 a生(06-EU)等第一代尾巨桉(EucalyptusurophyllaE.grandis)林作為研究樣地，同時分別在上述桉樹林同一坡面的另一側(cè)選擇其前茬林，分別為18 a生馬尾松(PinusMassoniana，96-PM)，杉木(CuninghamiaLanceolata，96-CL)，2 a生巨尾桉(第三代萌芽林，12-EU3)以及21 a生杉木—米老排(MyilarialaosensisHamamelidaceae)混交林(93-CM)作為各第一代桉樹林的對照樣地，在上述各組樣地(桉樹及其對照林)選擇海拔(分別為221～242 m，218～239 m，218～238 m和185～204 m)，坡度(分別為21.5°，21.5°，20.4°，19.4°)基本相當、坡面長度為100 m寬度為50 m的林地作為水分入滲試驗以及土壤采集樣方。上述不同組別樣地間的最大直線距離為965 m，最小距離為67 m。09-EU和12-EU在營桉樹林前均為杉木林。所有第一代桉樹林均為植苗林，種植坑規(guī)格為50 cm×40 cm×50 cm，桉樹品種為“廣林9號”無性系組培苗，苗高15～20 cm，造林密度為1 650株/hm2。造林時穴施有機復(fù)混肥400 g，造林后當年追肥2次，第1次在5月，每株施尿素50 g；第2次在9月，每株施復(fù)合肥150 g，并用除草劑(草甘膦)除草撫育；萌芽林的撫育與植苗林相同。

1.2 測試項目和計算方法

(1) 下滲速率。于2014年7—8月，采用單環(huán)入滲法測定土壤入滲速率。在各樣地上、中、下3個部位分別尋找相對較平的地方，將PVC單環(huán)(內(nèi)徑15.4 cm，高10 cm)垂直平穩(wěn)打入土中1 cm，保持PVC環(huán)橫斷面水平。在單環(huán)附近用環(huán)刀取土樣稱重后帶回實驗室測定土壤初始含水量和土壤容重。用定量瓶取定量水(相當于單環(huán)10 mm水柱)，將水快速注入單環(huán)中，同時秒表開始計時，水在單環(huán)表面消失后立即加入第2瓶水(相同容積)，同時記錄時間，重復(fù)此步驟直到連續(xù)注入3次的時間基本相等時，視為達到穩(wěn)定狀態(tài)，停止試驗。重復(fù)5次。

(2) 土壤含水量與飽和含水量。在下滲試驗的同時，在樣方內(nèi)的上、中、下3個部位，用100 cm3環(huán)刀隨機采集表層土壤(0—20 cm)，帶回實驗室測定林地土壤含水量(烘干法)和飽和含水量(NY/T1121.22—2010)。重復(fù)5次。

(3) 土壤粒徑。在各樣方內(nèi)，采集0—20 cm土層土樣各300 g，帶回實驗室風(fēng)干48 h后去除石子和植物根系，全部過2 mm篩后，四分法取20 g土樣，用馬爾文激光粒度儀，對土壤粒徑進行分級(1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm，0.15～0.25 mm，0.106～0.15 mm，0.053～0.106 mm，0.002～0.053 mm，0～0.002 mm)。

(4) 入滲特征參數(shù)計算。采用Lassabatere等[19]基于Beerkan方法改進的BEST-intercept方法，利用粒徑分析等土壤質(zhì)地參數(shù)，通過田間零壓頭單環(huán)入滲試驗所得的相關(guān)尺度參數(shù)，結(jié)合解析公式[18]，擬合出水力特征曲線，估算入滲特征參數(shù)Ks(飽和導(dǎo)水率)和α(水保持參數(shù))。為方便比較，初始入滲速率為前10 mm入滲水的平均入滲速率(mm/min)，同時，由于土壤存在空間異質(zhì)性，穩(wěn)定入滲速率存在差異，一般在入滲速率小于2 mm/min時變化幅度比較小，而前600 s是入滲的較快階段，該階段的入滲總量一般占到達前總?cè)霛B量的50%以上，因此，本研究統(tǒng)一以2 mm/min為穩(wěn)定入滲的臨界點進行統(tǒng)計分析，并比較前600 s的入滲特征。

(1)

(2)

式中：Ii為初始入滲速率(mm/min)；t1為前10 mm的入滲耗時(min)；Si為穩(wěn)滲前平均入滲速率(mm/min)；t2為到達穩(wěn)滲耗時(min)；C為到達穩(wěn)滲前總?cè)霛B量(mm)。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2013處理數(shù)據(jù)，用SPSS 20.0進行差異顯著性分析和相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分的土壤基本物理性質(zhì)

表1結(jié)果顯示，3種輪伐周期較長的人工林改為短周期桉樹人工林后，林地土壤質(zhì)地、容重和孔隙度變化各異。其中，馬尾松人工林改為桉樹人工林后，土壤質(zhì)地發(fā)生顯著變化，其砂粒含量減少63.7%，粉砂和黏土含量則分別增加11.5%和52.7%；而針闊混交人工林(93-CM)和杉木人工林改為桉樹人工林后，其土壤質(zhì)地變化均不顯著。針闊混交人工林和馬尾松人工林改為桉樹人工林后，林地土壤容重和孔隙度變化顯著，容重分別降低13.5%和18.3%，孔隙度分別增加10.1%和14.8%，而杉木人工林改為桉樹人工林后，土壤容重和孔隙度的變化均不顯著。前茬為杉木人工林的第1代(09-EU)和第3代(12-EU3)桉樹人工林間的土壤質(zhì)地、容重和孔隙度差異均不顯著。

表1 各樣地基本土壤物理性質(zhì)

注：樣地編號前兩位阿拉伯數(shù)字(XX)表示種植年份(20XX或19XX)；EU為表示桉樹，EU后的阿拉伯數(shù)字為代次；PM為馬尾松，CL為杉木，CM表示杉木-米老排混交林；數(shù)據(jù)后不同字母表示同列數(shù)據(jù)間差異顯著(p<0.05)，相同字母表示差異不顯著(p>0.05)，下同。

2.2 不同林分的土壤入滲特征

表2為基于室內(nèi)測試和BEST-intercept方法計算所的土壤入滲特征參數(shù)。結(jié)果顯示，由針闊混交林、杉木林和馬尾松林改植為桉樹人工林后，土壤初始含水量發(fā)生顯著變化，分別增加13.2%，31.3%，17.5%；飽和含水量分別增加了8.3%，2.1%，8.7%，但與前茬林地相比，差異不顯著；前茬為杉木人工林的第1代和第3代桉樹人工林間的初始含水量、飽和含水量差異均不顯著。所有桉樹人工林地土壤的孔隙度與飽和含水量比值與其前茬林地(對照林)相比，均沒有發(fā)生顯著變化。土壤容重較大的杉木人工林、馬尾松人工林轉(zhuǎn)為桉樹人工林后的第4年和第2年，其土壤飽和導(dǎo)水率分別增加4.7倍和1.5倍，而容重較小的針闊混交林轉(zhuǎn)為桉樹林后的第8年，則差異不顯著；前茬為杉木人工林的第1代和第3代桉樹人工林間，其土壤飽和導(dǎo)水率差異不顯著。植被變化引起的土壤水保持參數(shù)變化各異，其中，針闊混交林轉(zhuǎn)為桉樹人工林后差異不顯著，杉木林轉(zhuǎn)為桉樹林后增加9.2倍，馬尾松林轉(zhuǎn)為桉樹林后則減小79.2%，第三代桉樹人工林比第一代高138.1%。

由表3可知，混交林改植為桉樹林后，林地土壤入滲速率顯著減小，初始入滲速率、600 s時入滲速率和穩(wěn)滲前平均入滲速率分別下降38.2%，37.9%和24.1%，前600 s和穩(wěn)滲前入滲累積量分別減少25.3%和8.2%。而杉木人工林改為桉樹人工林后，其初始入滲速率和前600 s入滲累積量分別升高23.9%和32.7%，而600 s時入滲速率和穩(wěn)滲前平均入滲速率差異不顯著。馬尾松林改植為桉樹林后，土壤入滲速率和入滲量顯著提高，土壤初始入滲速率、600 s時入滲速率、穩(wěn)滲前平均入滲速率分別增大148.1%，48.6%和42.9%，前600 s和穩(wěn)滲前入滲累積量分別增加97.2%和87.3%，到達穩(wěn)滲耗時增加30.1%。隨著代次增加，桉樹人工林土壤入滲速率和入滲量顯著減小，與第一代相比，第三代桉樹人工林的初始入滲速率、600 s時入滲速率、穩(wěn)滲前平均入滲速率分別降低39.9%，34.1%和20.0%，前600 s和穩(wěn)滲前入滲累積量分別減少32.4%和45.2%，到達穩(wěn)滲耗時縮短27.6%。3種輪伐周期較長的人工林中，針闊混交林的土壤入滲能力最強，馬尾松林最弱，前者的初始入滲速率和穩(wěn)滲前入滲累積量分別是后者的3.3倍和2.1倍。

表2 各樣地土壤入滲特征參數(shù)

注：括弧內(nèi)數(shù)據(jù)為變異系數(shù)。

表3 各樣地土壤入滲速率及入滲量

3 討 論

土壤物理性質(zhì)除受成土母巖和氣候影響外[20]，還受植被的強烈影響[21-23]。本研究中，輪伐周期較長的針闊混交林和馬尾松林改為短周期桉樹人工林后，表層土壤容重顯著減小，孔隙度顯著增大，這可能與造林活動和撫育措施有關(guān)，造林前的挖坑回填以及造林后的追肥，會使表土松散，大孔隙增加，因此其總孔隙度增加，容重減小，這在以往研究中也得到證實[14,17]。上述差異也會受土壤原有性質(zhì)和林齡影響，一般會隨著林齡增加而逐漸減小，第一代桉樹林(09-EU，5 a林齡)因距離其造林和最近一次撫育有3～5 a的時間間隔，而第三代桉樹林(13-EU)距離其最近一次撫育時間間隔較短(2個月)，因此兩者的土壤顆粒組成、容重和孔隙度差異不顯著。

土壤初始含水量受天氣條件(降水、騰發(fā))和土壤水文物理性質(zhì)等因素影響。針闊混交林、杉木人工林和馬尾松林轉(zhuǎn)為桉樹人工林后，土壤初始含水量顯著升高，這是由于上述植被變化導(dǎo)致土壤容重顯著降低，總孔隙度顯著升高，飽和導(dǎo)水率增大(見表2)，雨水和坡面徑流更容易下滲，此外，由于桉樹人工林冠層葉面積指數(shù)相對較小，冠幅窄，冠層截留量少[13-14]，因此，一般降雨條件下(如夏季降雨歷時較短時)，桉樹人工林土壤得到雨水補充量大于針闊混交、杉木和馬尾松林，桉樹人工林土壤初始含水量高于后三者。

相比于植物根系和土壤有機物的變化，造林過程中人為的土壤擾動是巨大的，在土壤水文物理性質(zhì)變化中起到支配作用。挖坑、回填等松土活動使表層土壤產(chǎn)生了較多的大孔隙，促進土壤水的快速流動，土壤導(dǎo)水率顯著增加[24]，土壤潛在蓄水能力提高[25]。同時，上述松土活動對不同類型土壤的影響程度是有差異的，一般而言，越緊實的土壤，松土對其孔隙度和透水性的促進作用就越大。本研究中，樣地土壤為赤紅壤，杉木人工林和馬尾松人工林土壤容重最大，表明其比較粘重，而針闊混交林因有機質(zhì)含量高而較小，因此，上述森林在改造為桉樹人工林的過程中，松土過程(如將部分下層土壤翻耕至表層)對前兩者的影響較后者大，因此，由杉木人工林和馬尾松人工林轉(zhuǎn)為桉樹人工林后，土壤初始入滲速率、入滲初期(前600 s)或穩(wěn)滲前入滲累積量顯著增大。由于桉樹第二代和第三代均為萌芽林，營林中無需像第一代那樣開挖種植坑，同時因采伐作業(yè)過程中的樹木伐倒、工人踩踏等，加之在第一代林營造中形成的大孔隙會因土壤淋溶而逐漸減少，上述因素導(dǎo)致桉樹林地隨代次增加而越來越緊實，土壤初始入滲速率、穩(wěn)滲速率和入滲量顯著下降，這一現(xiàn)象在以往的室內(nèi)試驗中也得到證實[26]。

4 結(jié) 論

(1) 輪伐周期較長的人工林改為短周期桉樹人工林過程中的挖坑和回填、追肥等松土措施，致使林地土壤容重減小，總孔隙度增加，但土壤顆粒組成的變化不大。

(2) 造林活動對容重較大土壤的滲透性其顯著的促進作用，杉木人工林、馬尾松人工林轉(zhuǎn)為桉樹人工林后，土壤初始入滲速率和前期(前600 s)入滲累積量顯著升高，飽和導(dǎo)水率分別增加4.7倍和1.5倍；滲透性較好的針闊混交林改為桉樹人工林后，土壤初始入滲速率和前期下滲量顯著降低。

(3) 隨著栽培代次增加，桉樹人工林土壤初始入滲速率、穩(wěn)滲速率和入滲量顯著下降，桉樹采伐作業(yè)、土壤淋溶等過程導(dǎo)致土壤大孔隙減少可能是其主要成因。

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EffectsofEucalyptusPlantationReplacingLongRotationPlantationonSoilInfiltration

YU Jingrui1,2, YANG Gairen1,2, TIAN Xue1,2, WANG Liaodan1, TAN Zhiwei1

(1.CollegeofForestry,GuangxiUniversity,Nanning530004,China;2.Eco-engineeringInstitute,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)

The previous stand types of eucalyptus plantation in Guangxi are mostly Coniferopsida long rotation plantation such asPinusmassonianaandChinesefir. In order to ascertain the effect of vegetation changes on forest soil infiltration, infiltration of soils under deferent ages (8, 5, 4 and 1 years, abbreviation for 06-EU, 09-EU, 10-EU and 13-EU, respectively) first generation eucalyptus(EucalyptusurophyllaE.grandis) plantations were measured using single ring. Their control forest (21 a conifer- broadleaf mixed forest, 93-CM, 2 a third generation eucalyptus,12-EU3, 18 aCunninghamialanceolate, 96-CL, 18 aPinusmassoniana, 96-PM) were investigated at the same time. The soil infiltration parameters were calculated using BEST-intercept method. The study indicated that, compare with the previous stands (93-CM and 96-PM), the soil bulk densities of 06-EU and 13-EU significantly decreased by 13.5% and 18.3%, respectively, and porosities increased by 10.1% and 14.8%, but the change of soil particle-size distribution was not significant. The initial infiltration rate and 600 s cumulative infiltration of 06-EU were 39.9% and 25.3% lower than those of 93-CM; compare with the pre-stands(96-CL and 96-PM), the initial infiltration rate and 600 s cumulative infiltration of 10-EU and 13-EU increased by 23.9%, 148.1% and 32.7%, 97.2%, respectively; there was no significant different of soil physical property between the first with third generation eucalyptus plantations; the initial infiltration rate and 600 s cumulative infiltration of 12-EU3 were 39.9% and 32.4% lower than that of 10-EU. The research results indicate that afforestation eucalyptus on long rotation plantation land will increase soil macropore rates, which induces the changes of soil infiltration.

soil infiltration; single ring; Eucalyptus plantation; long rotation plantation

S714;S152.7+2

A

1005-3409(2017)06-0011-05

2016-12-12

2017-01-01

國家自然科學(xué)基金項目“桉樹人工林主要生態(tài)水文過程及其對產(chǎn)流的影響機理”(31360134)

于婧睿 (1990—)，女，黑龍江哈爾濱市人，碩士,主要研究方向為生態(tài)水文學(xué)。E-mia:yujingrui2016@163.com

楊鈣仁(1976—),男,廣西桂平人,博士,教授,主要研究生態(tài)水文與生態(tài)工程。E-mail:yanggr@ gxu.edu.cn