百里杜鵑景區(qū)馬纓杜鵑林凋落物對土壤蒸發(fā)的影響

陳明梅, 李葦潔, 楊 瑞, 張建利, 王加國

(1.貴州大學 林學院, 貴州 貴陽 550025; 2.貴州省山地資源研究所, 貴州 貴陽 550001)

森林凋落物是覆蓋在林地土壤表面未分解、半分解和已分解的林木枝、莖、葉和果實等器官的殘體[1-2]。它不僅作為森林涵養(yǎng)水源的第二個活動層，也是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[3-5]，其森林水文功能主要體現(xiàn)在保持土壤結構、攔蓄降水、防止濺蝕、減少表土水分蒸發(fā)等方面[6-9]。土壤水分蒸發(fā)不僅受氣象因子、土壤組成與結構等的影響，還與土壤表層所覆蓋的凋落物有著密切聯(lián)系[10-11]。凋落物覆蓋可以明顯降低林地土壤的水分蒸發(fā)，對于保水、保土、改良土壤的效果顯著[12-13]。近年來，國內(nèi)外學者開展了大量森林凋落物層與土壤水分蒸發(fā)的關系的研究[14-20]。結果表明，凋落物覆蓋對土壤水分蒸發(fā)的抑制作用十分明顯。但是，大多數(shù)是基于不同凋落物覆蓋量開展的研究，林茂森等[11]研究表明，不同分解程度的凋落物對土壤水分蒸發(fā)的抑制作用不同。在開展森林凋落物層與土壤水分蒸發(fā)的關系的研究中在考慮凋落物量的基礎上，同時考慮不同分解程度的凋落物對土壤蒸發(fā)的影響。在氣候變化背景下百里杜鵑景區(qū)由于特殊的地質構造，地表水不易保持，干旱越來越頻繁和嚴重。馬纓杜鵑林作為百里杜鵑景區(qū)的主要建群種和優(yōu)勢種，占地和分布面積較廣[21-22]。經(jīng)過多年的自然積累，馬纓杜鵑林下凋落物已經(jīng)達到一定的厚度，但對馬纓杜鵑林下的凋落物在抑制林地土壤水分蒸發(fā)的作用目前未見報道。基于此，本研究選取百里杜鵑馬纓杜鵑林下凋落物不同覆蓋量及不同分解程度對土壤水分蒸發(fā)的影響開展研究，以期為百里杜鵑景區(qū)馬纓杜鵑林發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能提供一定的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

百里杜鵑景區(qū)位于貴州省西北部、畢節(jié)市中部(105°45′30″—106°04′45″E，27°08′30″—27°20′00″N)，為國家5A級旅游景區(qū),被譽為“世界上最大的天然花園”。屬于高原山地過渡地帶，中山地貌類型，海拔大多在1 400～1 900 m[23-24]，地處低緯度高海拔地區(qū)，屬亞熱帶濕潤季風氣候，年平均溫度12.0 ℃，年降雨量為1 120.1 mm[25]。主要分布有馬纓杜鵑(Rhododendrondelavayi)、露珠杜鵑(Rhododendromirroratum)、迷人杜鵑(Rhododendronagastum)等杜鵑屬植物35個種(含亞種、變種)，分屬6個亞屬、4個組及9個亞組，花期3—4月(40～50 d)[26-28]。百里杜鵑景區(qū)為寒武系與二迭系的碳酸鹽分布地區(qū)，其出露地表的龍?zhí)督M煤層中含有黃鐵礦，氧化后生成硫酸，使地下水變成酸性，導致灰?guī)r與龍?zhí)督M接觸地帶巖溶強烈發(fā)育。土壤母質為煤系酸性土壤，土壤類型為硅質黃壤和煤層土[27,29]。

2 研究方法

根據(jù)土壤蒸發(fā)理論[30]并參照前人相關試驗方法[11,15,31]，本試驗亦采用自制微型蒸散裝置進行模擬試驗。微型蒸法裝置材料為白色PVC管材，直徑為20 cm，高30 cm的PVC管，底部密封處理。于2018年6月在百里杜鵑景區(qū)的馬纓杜鵑純林(醉九牛)內(nèi)按照Z字形選擇3個10 m×10 m的樣方，沿樣方對角線在樣地內(nèi)取馬纓杜鵑林下取原狀土并收集凋落物帶回室內(nèi)開展人工模擬蒸散試驗，試驗期間使用電子溫濕度傳感設備觀測室內(nèi)溫度與濕度每日平均值。將質量為1 000 g的馬纓杜鵑林下原狀土裝入管內(nèi)，并浸泡12 h使管內(nèi)土壤達到最大飽和含水率，根據(jù)百里杜鵑景區(qū)凋落物總儲量為13.49 t/hm2[29]，計算可得，在自然狀態(tài)下PVC管橫截面積0.031 4 m2的凋落物鮮重約為42.36 g，干重約為15 g(凋落物平均含水率為63.73%)。林下凋落物未分解、半分解、已分解的儲量分別為2.89，3.20，7.40 t/hm2。將凋落物放在80 ℃條件下進行18 h的烘干處理，再按不同的處理覆蓋在試驗土壤表面。覆蓋處理分為6組，每組重復3次，另設一組無覆蓋對照。

(1) 設A，B，C 3組，分別取凋落物儲量的4，2，1倍放入PVC管，即在0.031 4 m2面積下15 g凋落物的4，2，1倍(60，30，15 g)凋落物覆蓋。每個處理按未分解、半分解和已分解自上而下3層覆蓋，比例為1∶1∶1；設D，E，F(xiàn)共3組，取凋落物儲量的4倍，即60 g的情況下，按不同比例覆蓋不同分解程度凋落物進行3個不同處理。已分解(g)、半分解(g)、未分解層(g)的比例為2∶1∶1；1∶2∶1；1∶1∶2。

(2) 設G組重復3個處理，根據(jù)馬纓杜鵑林3個層次凋落物的儲量計算得出PVC管面積未分解、半分解和已分解的質量分別為18，20，42 g覆蓋在土壤表面[32]。(本組設計根據(jù)林下3個層次凋落物原始儲量覆蓋)；設對照組H(無凋落物覆蓋)。試驗期間試驗場所平均溫度23 ℃，平均濕度79.4%，在此期間百里杜鵑景區(qū)平均溫度22.1 ℃、平均濕度83.9%，趨近于百里杜鵑同時期的氣候環(huán)境。

試驗于2018年6月13日至7月31日在貴州大學花溪校區(qū)實驗室內(nèi)進行。試驗每天重復稱重7次，分別在每日6：00，8：00，10：00，12：00，14：00，16：00，18：00使用電子天平稱重(精度為1 g)，根據(jù)重量差推算土壤日蒸發(fā)量和蒸發(fā)速率，稱重直至其無明顯變化為止。采用Excel進行數(shù)據(jù)的初步整理，再分別對每組處理的數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(one-way ANOVA)。

3 結果與分析

3.1 不同質量凋落物覆蓋對土壤水分蒸發(fā)的影響

A，B，C處理組覆蓋于土壤表面的凋落物分別是60，30和15 g，根據(jù)對A，B，C 3組蒸發(fā)量分析(圖1)，研究發(fā)現(xiàn)每組土壤水分蒸發(fā)量存在明顯的差異，A，B，C 組處理均值日蒸發(fā)量為：4.26±0.93 g，5.47±1.15 g，6.75±2.25 g(A

通過對土壤水分蒸發(fā)速率的分析發(fā)現(xiàn)(圖1)：試驗前期凋落物覆蓋越多時土壤水分蒸發(fā)速率越緩慢，對土壤的遮擋作用越好。但隨著時間的推移，各處理的土壤水分蒸發(fā)速率逐漸趨同。所以凋落物抑制土壤水分蒸發(fā)的作用不會隨著凋落物質量增加而一直增強，到達一定數(shù)值時將不再是土壤水分蒸發(fā)的限制因子。這是由于在自然界中凋落物的不斷分解，因此凋落物對土壤水分蒸發(fā)的抑制作用不會持續(xù)維持在同一個狀態(tài)下。為對比布設不同質量凋落物所得結論與馬纓杜鵑林下凋落物的原始狀態(tài)儲量及無凋落物覆蓋的土壤水分蒸發(fā)的趨勢存在什么差異，增設無凋落物覆蓋組H(CK)和按未分解、半分解、已分解(18，20，42 g)覆蓋組G與A，B，C 3組的對比。如圖1中所示，發(fā)現(xiàn)H，G組的水分蒸發(fā)量的日變化雖有不同但與A，B，C 處理趨勢相同，同樣是隨著時間的推移而減小，到達一定時間內(nèi)趨于穩(wěn)定(圖中之所以有波動是受天氣變化的影響)。這與Bond等[1]研究結論是一致的。

圖1 不同質量凋落物覆蓋下的土壤水分日蒸發(fā)量及速率變化

3.2 不同分解程度凋落物覆蓋對土壤水分蒸發(fā)的影響

自然情況下，馬纓杜鵑林地土壤被多年積累凋落物覆蓋，自上而下有未分解層、半分解層、已分解層。因此試驗設計將質量相同分解程度不同的凋落物按不同的比例覆蓋土壤進行研究，其目的是為得到不同分解程度的凋落物對土壤水分蒸發(fā)抑制的差異。研究發(fā)現(xiàn)(圖2)，相同質量不同比例的凋落物覆蓋，土壤水分日蒸發(fā)量變化趨勢相同但變化的幅度不同，3種處理存在差異(F=3.89，PDE=0.058；F=21.36，PDF=0.000；F=20.54，PEF=0.00。在不同比例覆蓋的D，E，F(xiàn)的日蒸發(fā)量均值為：4.78±0.93 g，4.26±0.40 g，3.53±0.49 g(D>E>F)，即未分解層對土壤蒸發(fā)的抑制作用效果最好，半分解層其次，已分解層最差)。由于不同分解程度凋落物的外形、質地有所差異，覆蓋在土壤表面時，不同分解程度的凋落物對孔隙的覆蓋能力，阻隔輻射、保溫能力都有所不同。從形態(tài)上來看，未分解、半分解、已分解的凋落物形態(tài)的完整性是依次減弱的，加上馬纓杜鵑是常綠闊葉樹，葉片革質，葉面積較大，葉背被有較厚的絨毛，容易鎖住至下而上蒸發(fā)的水分，可見未分解比重多的F組對土壤蒸發(fā)的抑制能力最強。但隨時間推移，試驗后期發(fā)現(xiàn)(表1)已分解程度比重多的D組處理蒸發(fā)速率小于半分解比重多的E組，原因是已分解層的凋落物較半分解層凋落物更貼近土壤表層，隨著時間的推移已分解層凋落物吸收較多的水分，持水能力加強，對土壤的保濕作用加大。

圖2 不同分解程度凋落物覆蓋下土壤水分日蒸發(fā)量及速率變化

表1 D，E，F(xiàn)處理蒸發(fā)速率對比g/(m·h)

組別實驗前期實驗后期D36.95±7.8930.37±1.43E29.46±3.7330.59±1.19F24.01±4.0725.68±2.32

注：數(shù)據(jù)為：實驗期間土壤水分的平均蒸發(fā)速率均值±標準差。

3.3 6種不同模式凋落物覆蓋下土壤水分蒸發(fā)與土壤含水率的關系

如圖3所示，A，B，C處理組土壤水分蒸發(fā)量隨著土壤含水率的降低而減少。3組處理的趨勢線方程分別為：A:y=-0.112 9x+13.354； B:y=-0.493 5x+20.604； C:y=-1.228 8x+30.698。根據(jù)圖3趨勢線方程可得出：含水率每降低0.5%，A，B，C 3組的蒸發(fā)量分別依次減少0.11，0.49和1.23 g(A

圖3 各組土壤水分日蒸發(fā)量與土壤含水率的關系

分析(圖4)發(fā)現(xiàn)，D，E，F(xiàn)三組土壤的水分蒸發(fā)量隨土壤含水率的降低而減少(D>E>F)，與上述A，B，C組結果一致。在凋落物覆蓋量相同，布設比例不同下土壤含水率下降的過程中三組的變化存在差異是由于凋落物的不同分解程度所影響，與凋落物覆蓋量無關。根據(jù)趨勢線kD(0.405 0)>kE(0.010 5)>kF(0.005 6)，發(fā)現(xiàn)隨土壤含水率的降低，未分解程度比重多的處理土壤水分蒸發(fā)速率減小相對較慢，半分解層的次之，已分解層的最快。這種趨勢與對(圖2)D，E，F(xiàn)分析的結論一致。

圖4 各組土壤水分日蒸發(fā)量與土壤含水率的變化趨勢

3.4 凋落物覆蓋對土壤保水作用的影響

6種不同凋落物覆蓋模式與對照組(H)存在很大差異，無凋落物覆蓋的土壤水分蒸發(fā)量遠大于有凋落物覆蓋的土壤(表2)，這是因為沒有覆蓋的土壤直接與空氣接觸，受溫度、濕度、太陽輻射等的影響非常大。分析發(fā)現(xiàn):凋落物的6種不同覆蓋模式對土壤的保水能力各不相同，在1 hm2的馬纓杜鵑林的保水作用為A=18.87 t/hm2，B=12.68 t/hm2，C=6.16 t/hm2(A>B>C)，由此可知凋落物越多對土壤的保水作用越大。D=16.31 t/hm2，E=18.77 t/hm2，F(xiàn)=22.48 t/hm2(F>E>D)，G=19.87 t/hm2，H=0.00 t/hm2，由此可知未分解程度凋落物對土壤保水作用效果最好。按照試驗設計F組處理凋落物覆蓋量60 g，G組處理凋落物覆蓋量為80 g，對比兩組的保水作用表現(xiàn)出F>G(F1=4.62，F(xiàn)2=4.17)，說明凋落物對土壤的保水作用不會隨凋落物覆蓋量的增加而持續(xù)加大，這是因為當?shù)蚵湮镔|量增加到一定水平，隨著質量的增加，蒸發(fā)抑制能力增加的幅度逐漸降低，并且保持在一定水平。

表2 不同處理組的土壤水分蒸發(fā)量及土壤保水量對比 g

注：土壤保水量/(t·hm-2)=40.56/(t·hm-2)-總蒸發(fā)量/(t·hm-2)。

4 討論與結論

(1) 凋落物覆蓋量不同分解程度比例相同時，凋落物覆蓋量越大，土壤水分蒸發(fā)量就越小(A

(2) 在凋落物覆蓋量相同分解程度比例不同的情況下，土壤水分日平均蒸發(fā)量表現(xiàn)為：D>E>F，即未分解層對土壤蒸發(fā)抑制的作用最強，半分解次之，已分解最強。根據(jù)趨勢線kD>kE>kF，可知對土壤的保濕作用：未分解>半分解>已分解。這與林茂森等[11]對闊葉紅松林凋落物土壤蒸發(fā)的研究結果一致。本研究中發(fā)現(xiàn)于試驗后期，隨著時間的遞增，已分解程度凋落物最貼近土壤通過對土壤蒸散出的水分吸收，本身持水能力加強，在覆蓋量較多時蒸發(fā)速率呈減小的趨勢，對土壤的保濕效果增強，這也符合凋落物不同分解程度的持水的特性。

(3) 本文研究發(fā)現(xiàn)凋落物覆蓋量越多土壤的保水性能越好，但凋落物覆蓋量增加到達一定水平，對增加土壤蒸發(fā)抑制能力幅度減小。這一結論與周宏偉等研究結果一致[15]。對馬纓杜鵑林凋落物的6種不同覆蓋模式對抑制土壤水分蒸發(fā)情況的比較，在1 hm2馬纓杜鵑林F，G組處理下的凋落物對土壤的保水作用最大。而F>G(F=22.48 t/hm2，G=19.87 t/hm2)，由此可見凋落物覆蓋量到達一定數(shù)值時對百里杜鵑景區(qū)馬纓杜鵑林分發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能作用逐漸減小。

(4) 隨著全球氣溫的升高，百里杜鵑景區(qū)干旱日益嚴重、加上特殊的地質條件導致地表水分不易保存，要想提高馬纓杜鵑林水源涵養(yǎng)功能，保證和維持馬纓杜鵑林凋落物的覆蓋十分重要。經(jīng)過長年年累積馬纓杜鵑林下凋落物逐漸增多，林下覆蓋物對土壤水分的無效蒸發(fā)已經(jīng)起到一定的抑制作用。而此次研究結果顯示，凋落物對土壤水分蒸發(fā)的抑制作用不會隨凋落物量的無限增加而持續(xù)加大，不同的覆蓋處理對土壤水分蒸發(fā)的抑制作用也不盡相同。林中自然覆蓋物作為降低土壤水分蒸發(fā)的天然屏障，但觀花景區(qū)為了增強觀賞效果，采取林下雜灌和凋落物的清除措施是否會對林中水源涵養(yǎng)造成影響有待進一步的研究。同時，在不影響馬纓杜鵑林分水源涵養(yǎng)功能的情況下科學管理林下凋落物以促進景觀和森林安全值得進一步深入研究。