彭玉華,鄭 威,譚長(zhǎng)強(qiáng),何琴飛,申文輝,曹艷云,郝海坤,黃志玲,何 峰
(廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院,廣西 南寧530002)
森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,其很重要的服務(wù)功能是水源涵養(yǎng)、保持水土,主要體現(xiàn)在林冠層、枯落物層和土壤層等對(duì)降水進(jìn)行再分配的過程上[1-2]??萋湮飳雍屯寥缹邮巧稚鷳B(tài)系統(tǒng)固有的組成結(jié)構(gòu),是實(shí)現(xiàn)森林水源涵養(yǎng)和水土保持功能的重要部分[3-4],對(duì)森林的水源涵養(yǎng)和保持水土起著決定性影響,其中枯落物層是森林水源涵養(yǎng)功能的主要層次,土壤層的水分貯存和滲透是反映森林水文效應(yīng)的重要參數(shù)[5-7]。大量研究表明,不同的森林類型、樹種組成、密度,群落結(jié)構(gòu)差異較大,其水源涵養(yǎng)和保持水土功能存在差異[8-13],這種差異是評(píng)價(jià)不同森林類型水源涵養(yǎng)功能的一個(gè)重要的特征,也是區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)功能評(píng)價(jià)和維護(hù)的重要依據(jù)[14]。
臺(tái)灣榿木(Alnus formosɑnɑ)不僅速生,且具有培肥土壤、保持地力的作用,是中國(guó)南方改善林木樹種結(jié)構(gòu)、建設(shè)生態(tài)林業(yè)的一個(gè)優(yōu)良速生闊葉樹種[15]。因此,廣西壯族自治區(qū)在21世紀(jì)20年代初引進(jìn)了臺(tái)灣榿木作為與短周期桉樹工業(yè)原料林、松、杉人工林輪作或混交造林改善地力和防止地力衰退的優(yōu)良樹種,經(jīng)幾年的栽培研究,臺(tái)灣榿木適應(yīng)廣西的氣候,引種栽培成功。為了揭示廣西引種臺(tái)灣榿木混交造林枯落物層和土壤層的水源涵養(yǎng)能力,本文以臺(tái)灣榿木與巨尾桉、馬尾松、紅錐混交人工造林為研究對(duì)象,從土壤層和枯落物層出發(fā),對(duì)不同混交模式林分枯落物的蓄積量、最大持水量、有效攔蓄量和林地土壤容重、孔隙度、持水特征等進(jìn)行研究和評(píng)價(jià),旨在揭示臺(tái)灣榿木不同混交模式人工造林枯落物和土壤的水源涵養(yǎng)能力,為臺(tái)灣榿木在廣西省的合理經(jīng)營(yíng)與利用提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)地位于廣西壯族自治區(qū)南寧市林科所,地處亞熱 帶 季 風(fēng) 氣 候 區(qū),107°49′—108°37′E,22°59′—23°33′N;地勢(shì)平坦,海拔約100 m;光熱充足,≥10℃積溫為7 200 ℃,年均氣溫21.6 ℃;最熱的7月份,氣溫平均為28.6 ℃,極端最高氣溫40.7 ℃;最冷的一月份,平均氣溫12.8 ℃;極端最低氣溫-0.8 ℃;雨量充沛,年降雨量為1 100~1 700 mm,年均相對(duì)濕度為80%左右,年蒸發(fā)量1 613.8 mm,夏濕冬干,干濕季節(jié)明顯,全年無霜期高達(dá)360 d,偶有霜雪。土壤類型為第四紀(jì)紅土發(fā)育而成的中壤質(zhì)厚層赤紅壤,土層厚1 m 以上,p H 值為4.5~6,肥力中等。
造林前作物為木薯等農(nóng)作物。2015 年3 月,采用田間隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),營(yíng)造了臺(tái)灣榿木與馬尾松、巨尾桉、紅錐不同混交比例的混交試驗(yàn)林,臺(tái)灣榿木純林為對(duì)照,造林和管理措施采用常規(guī)的技術(shù)規(guī)程,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)種植0.20 hm2。具體見表1。
表1 混交樹種與混交比例詳細(xì)情況
2.2.1 枯落物樣品采集 于2019年2月底,在每個(gè)處理每個(gè)重復(fù)內(nèi),按S形設(shè)置5個(gè)50 cm×50 cm 收集點(diǎn)收集凋落物,按未分解、半分解標(biāo)準(zhǔn)收集全部凋落物,稱其自然狀態(tài)下的質(zhì)量。
2.2.2 測(cè)定方法 將所收集凋落物拌勻后按4分法取約600 g樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,稱其自然狀態(tài)質(zhì)量,在80 ℃下烘至恒定質(zhì)量,稱其干質(zhì)量。采用室內(nèi)浸泡法對(duì)不同林分的枯落物持水特性進(jìn)行測(cè)定。將烘干后的枯落物取部分稱量裝入網(wǎng)袋,并浸入盛有清水容器中浸泡24 h,撈起并放置至枯落物不滴水時(shí)稱質(zhì)量,計(jì)算其最大持水率、最大持水量、有效持水量等。每個(gè)樣品3次重復(fù)。
式中:Go,Gd,G24——枯落物自然狀態(tài)下質(zhì)量、枯落物烘干質(zhì)量及浸水24 h后質(zhì)量(g);M——凋落物蓄積量(t/hm2),0.85為有效攔蓄調(diào)整系數(shù)[1,5,12]。
2.3.1 樣品采集 于2019年2月底,采用環(huán)刀取樣分析法,在每個(gè)處理每個(gè)重復(fù)內(nèi),純林在行間正中、混交林在兩個(gè)樹種行間正中挖取1個(gè)土壤剖面,按0—20 cm,20—40 cm 分層采樣,每層在每個(gè)剖面分左、中、右采集環(huán)刀、鋁盒土樣,供實(shí)驗(yàn)室分析使用。
2.3.2 測(cè)定方法 土壤持水性狀、物理性狀具體的測(cè)定及計(jì)算方法參照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤水分—物理性質(zhì)的測(cè)定》(LY/T 1215-1999):
式中:m干——鋁盒內(nèi)烘干土質(zhì)量(g);m濕——鋁盒內(nèi)濕 土 質(zhì) 量(g);M干——環(huán) 刀 內(nèi) 干 質(zhì) 量(g);M24——浸水24 h后環(huán)刀內(nèi)濕質(zhì)量(g);M砂干——在干砂上擱置2 h后環(huán)刀內(nèi)濕質(zhì)量(g);V——環(huán)刀體積(m3)。
利用熵權(quán)法對(duì)不同林分各因子進(jìn)行量化,在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)下對(duì)不同林分類型的水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。步驟如下:
(1)將各個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理
(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n;正向指標(biāo):枯落物蓄積量、最大持水量、有效攔蓄量、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、最大持水量)
(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n;反向指標(biāo):土壤容重)式中:i——林分類型數(shù);j——同組指標(biāo)數(shù);Yij——不同林分各指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的值;Xij——不同林分各指標(biāo)數(shù)據(jù)值;min(Xi)——不同林分同一指標(biāo)中最小的數(shù)據(jù)值;max(Xi)——不同林分同一指標(biāo)中最大的數(shù)據(jù)值。
(2)求不同林分各指標(biāo)的信息熵。根據(jù)信息論中信息熵的定義,一組數(shù)據(jù)的信息熵Ej計(jì)算如下。
式中:Ej——熵值,,如果Pij=0,則定義
(3)通過信息熵計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重Wj。
(4)綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)計(jì)算出的指標(biāo)權(quán)重,計(jì)算不同林分類型的綜合評(píng)價(jià)得分,公式為。
數(shù)據(jù)運(yùn)用Excel 2010 及SPSS19.0 軟件進(jìn)行處理與分析。
3.1.1 枯落物蓄積量 枯落物是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要環(huán)節(jié),其蓄積量多少是由林分所處的氣候和地形狀況、累積年限、林分物種構(gòu)成、植物發(fā)育狀況、人為活動(dòng)、凋落物特性和分解狀況等很多因素共同決定的[6,16]。由圖1可以看出,臺(tái)灣榿木不同混交造林的枯落物蓄積量有一定差異,其變動(dòng)范圍為3.01~5.48 t/hm2,其中處理4的總枯落物蓄積量最大,明顯高于處理3,7,9和CK,其次是處理5,最少是處理7,處理4和處理5與臺(tái)灣榿木混交的樹種均是尾巨桉。不同的混交處理未分解和半分解枯落物蓄積量所占比例不同,處理4,5和處理2的未分解枯落物大于半分解枯落物,以處理2占比最大;在未分解枯落物和半分解枯落物中,蓄積量最大均是處理4,其次是處理5,未分解枯落物最少是處理7,而半分解枯落物最少是處理9。由此可見,不同林分組成枯落物蓄積量存在差異。
3.1.2 枯落物持水能力 森林凋落物持水能力用最大持水率和最大持水量來表示,它的大小取決于林分類型、累積狀況、凋落物組成、分解狀況等因素[17]。由表2可知,臺(tái)灣榿木不同混交造林的持水能力有差異,且未分解枯落物的最大持水率差異達(dá)顯著??萋湮镒畲蟪炙实淖儎?dòng)范圍為178.70%~266.07%,排序?yàn)椋禾幚?>處理8>CK>處理9>處理3>處理2>處理6>處理1>處理4>處理5,臺(tái)灣榿木與紅錐混交造林的處理7、處理8、處理9枯落物持水率均排在前面??萋湮镒畲蟪炙康淖儎?dòng)范圍為6.91~9.23 t/hm2,最大的是處理8,其次是處理1和處理4,最少是處理3,排序?yàn)椋禾幚?>處理1>處理4>處理9>CK>處理6>處理2>處理7>處理5>處理3。同一處理在最大持水率和最大持水量的排序中呈現(xiàn)出不同的規(guī)律,這是因?yàn)樽畲蟪炙窟€與枯落物本身的蓄積量有關(guān),枯落物蓄積量又與其分解程度有關(guān)。
圖1 臺(tái)灣榿木不同混交造林枯落物蓄積量
表2 臺(tái)灣榿木不同混交造林枯落物持水能力
3.1.3 枯落物攔蓄能力 凋落物的有效攔蓄量是評(píng)價(jià)凋落物對(duì)降雨攔蓄能力的重要指標(biāo)之一[18]。由于人工模擬降雨與自然降雨存在一定的差異,浸泡法只能反映枯落物理想狀態(tài)下的持水能力,枯落物的最大持水率和最大持水量只代表枯落物試樣浸泡水24 h后的測(cè)定結(jié)果,而在實(shí)際林地上很少會(huì)出現(xiàn)一場(chǎng)連續(xù)24 h的降雨,因此枯落物的最大持水率和最大持水量不代表枯落物對(duì)降雨的截留量,只能反映枯落物層持水能力大小,對(duì)于一次降水?dāng)r蓄的能力,采用枯落物有效攔蓄率和有效攔蓄量才是反映了枯落物的實(shí)際降水?dāng)r蓄能力,是判斷枯落物對(duì)降水?dāng)r蓄的真實(shí)指標(biāo)[5]。由表3可知,不同的混交處理枯落物攔蓄能力有一定的差異,且未分解枯落物的有效攔蓄率差異顯著??萋湮镉行r蓄率的變動(dòng)范圍為109.85%~186.35%,排序?yàn)椋禾幚?>處理8>處理3>CK>處理9>處理2>處理6>處理1>處理4>處理5,排在前面的2個(gè)處理均是臺(tái)灣榿木與紅錐混交造林。由于有效攔蓄量與枯落物蓄積量緊密相關(guān),其與有效攔蓄率變化不一致,最大的是處理8,其次是處理4,最少是處理5,其變動(dòng)范圍為4.46~6.09 t/hm2,排序?yàn)椋禾幚?>處理4>處理1>CK>處理9>處理7>處理6>處理2>處理3>處理5。
表3 臺(tái)灣榿木不同混交造林枯落物攔蓄能力
3.2.1 土壤層的物理特征 土壤容重是土壤質(zhì)地的一個(gè)重要參數(shù),它受到林分土壤發(fā)育狀況的影響,反映土壤通透性和根系延展阻力的大小,關(guān)系到森林土壤持水能力[17-18]。由圖2可知,無論在0—20 cm,還是20—40 cm 土層,臺(tái)灣榿木混交林土壤容重均明顯低于臺(tái)灣榿木純林,表明混交林在改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)方面具有較好的作用。無論是臺(tái)灣榿木混交林還是臺(tái)灣榿木純林均是20—40 cm 土層的土壤容重大于0—20 cm 土層。處理7在0—20 cm 土層和20—40 cm 土層的土壤容重均是最小。
從表4可見,土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度在不同臺(tái)灣榿木混交造林中除了0—20 cm土層的非毛管孔隙度外的均有明顯的差異。無論在0—20 cm,還是20—40 cm 土層,臺(tái)灣榿木混交林的總孔隙度和毛管孔隙度均大于臺(tái)灣榿木純林。在0—20 cm 土層,總孔隙度最大是處理9,而20—40 cm土層最大的是處理2;整體看,處理2,處理3,處理4,處理6,處理7,處理8和CK 的土壤總孔隙度均隨土層的增加而增加,而處理1,處理5和處理9的土壤總孔隙度均隨著土層的增加而降低。
圖2 臺(tái)灣榿木不同混交林造林土壤容重特征
表4 臺(tái)灣榿木不同混交造林土壤孔隙度 %
土壤毛管孔隙度越大,土壤持蓄水能力越強(qiáng)。土壤非毛管孔隙是土壤重力水移動(dòng)的主要通道,與土壤蓄滲水能力更為密切。在0—20 cm 土層,處理1的毛管孔隙度最大,而在20—40 cm 土層毛管孔隙度最大的是處理2;處理9在0—20 cm 土層的非毛管孔隙度最大,CK 在20—40 cm 土層非毛管孔隙度最大。3.2.2 土壤層的持水特征 土壤持水特性直接反映土壤蓄水保水能力強(qiáng)弱,土壤持水特性越好,土壤保蓄水分的能力就越強(qiáng)[14,19-20]。從圖3可以看出,不同臺(tái)灣榿木混交造林的持水能力有明顯的差異。無論是0—20 cm 土層還是20—40 cm 土層臺(tái)灣榿木混交林的土壤自然含水率、最大持水量和毛管持水量均高于臺(tái)灣榿木純林;各處理均是20—40 cm 土層的自然含水率大于0—20 cm 土層,而各處理的毛管持水量和最大持水量均是0—20 cm 土層大于20—40 cm 土層;在0—20 cm 土層自然含水率、最大持水量、毛管持水量均是處理9最大;在20—40 cm 土層處理7的最大持水量和毛管持水量最大,處理9的自然含水率最大。
3.3.1 臺(tái)灣榿木不同混交造林水源涵養(yǎng)能力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo) 為了能夠?qū)⒖萋湮飳雍屯寥缹拥乃男?yīng)更加直觀地進(jìn)行比較評(píng)價(jià),利用熵權(quán)法對(duì)臺(tái)灣榿木不同混交造林的水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),信息熵的概念源于熱力學(xué),是對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)不確定性的一種度量,通過熵值法得到各個(gè)指標(biāo)的信息熵,一般來說,若某個(gè)指標(biāo)的信息熵越小,表明指標(biāo)值的變異程度越大,提供的信息量越多,在綜合評(píng)價(jià)中所能起到的作用也越大,其權(quán)重也就越大。相反,某個(gè)指標(biāo)的信息熵越大,表明指標(biāo)值的變異程度越小,提供的信息量也越少,在綜合評(píng)價(jià)中所起到的作用也越小,其權(quán)重也就越小[1]。
本研究選擇枯落物層水文效應(yīng)3個(gè)指標(biāo)(枯落物蓄積量、最大持水量、有效攔蓄量,3 個(gè)指標(biāo)均取總量);選擇土壤層6個(gè)指標(biāo)(土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、最大持水量,其中土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度4個(gè)指標(biāo)均取0—20 cm 土層和20—40 cm 土層的平均值,毛管持水量、最大持水量2個(gè)指標(biāo)均取0—20 cm土層和20—40 cm 土層的和)。臺(tái)灣榿木不同造林水源涵養(yǎng)能力9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)見表5。將臺(tái)灣榿木不同造林水源涵養(yǎng)能力9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,結(jié)果見表6。
圖3 臺(tái)灣榿木不同混交造林土壤持水特征
表5 臺(tái)灣榿木不同造林水源涵養(yǎng)能力評(píng)價(jià)指標(biāo)
3.3.2 構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)矩陣并計(jì)算權(quán)重值 經(jīng)計(jì)算得出各指標(biāo)的信息熵值(見表7),再根據(jù)信息熵值計(jì)算得到各指標(biāo)的權(quán)重值(見表8)。從評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重分布上看,對(duì)水源涵養(yǎng)有重要影響的指標(biāo)是枯落物最大持水量、枯落物蓄積量和枯落物有效攔蓄量,它們的權(quán)重值分別占到18.6%,15.9%,13.8%,權(quán)重值排序?yàn)椋嚎萋湮镒畲蟪炙浚究萋湮镄罘e量>枯落物有效攔蓄量>土壤非毛管孔隙度>土壤最大持水量>土壤毛管持水量>土壤容重>土壤總孔隙度>土壤毛管孔隙度。
表6 各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣
臺(tái)灣榿木不同混交造林水源涵養(yǎng)能力綜合評(píng)價(jià)值(見表9),排序?yàn)椋禾幚?>處理8>處理1>處理9>處理6>處理2>處理7>處理5>處理3>CK。從排序中可見,臺(tái)灣榿木純林的水源涵養(yǎng)綜合評(píng)價(jià)得分最低,表明臺(tái)灣榿木與其他樹種混交造林的水源涵養(yǎng)能力均優(yōu)于臺(tái)灣榿木純林。
臺(tái)灣榿木與不同樹種混交造林的水源涵養(yǎng)綜合評(píng)價(jià)值的變化沒有一定的規(guī)律,但混交造林中不同的混交比例對(duì)水源涵養(yǎng)綜合評(píng)價(jià)值的影響較大,同是臺(tái)灣榿木與巨尾桉混交造林,混交比例1∶2 的處理4綜合評(píng)價(jià)值排名第一,而混交比例2∶1的處理5排名第八;同是臺(tái)灣榿木與紅錐混交造林,混交比例2∶1的處理8綜合評(píng)價(jià)值排名第二,而混交比例1∶2的處理7 排名第七;同是臺(tái)灣榿木與馬尾松混交造林,混交比例1∶2的處理1綜合評(píng)價(jià)值排名第三,而混交比例1∶1 的處理3 排名第九。這與不同的混交比例對(duì)種間關(guān)系的發(fā)展和混交效果影響有關(guān),因此在混交造林中為了達(dá)到樹種之間合理的生存關(guān)系,要根據(jù)各樹種的地位和作用進(jìn)行合理的混交分配比例。
表7 各指標(biāo)的信息熵值
表8 各指標(biāo)的權(quán)重值
表9 臺(tái)灣榿木不同混交造林水源涵養(yǎng)綜合評(píng)價(jià)得分
(1)臺(tái)灣榿木不同混交造林的枯落物蓄積量有差異,處理4的枯落物蓄積量最大,其次是處理5,最少是處理7。臺(tái)灣榿木不同混交造林的持水能力有差異,且未分解枯落物的最大持水率差異達(dá)顯著;枯落物最大持水率最大是處理7,其次是處理8,最小是處理5;由于枯落物蓄積量有差異,臺(tái)灣榿木不同混交造林下的枯落物最大持水量與最大持水率的變化不一致,最大的是處理8,其次是處理1和處理4,最少是處理3。不同的混交處理枯落物攔蓄能力有一定的差異,且未分解枯落物的有效攔蓄率差異達(dá)顯著;枯落物有效攔蓄率的變動(dòng)范圍為109.85%~186.35%,最大的是臺(tái)灣榿木與紅錐混交造林的處理7和處理8,最小的是臺(tái)灣榿木與巨尾桉混交造林的處理4和處理5;枯落物有效攔蓄量最大的是處理8,其次是處理4,最少是處理5。
(2)0—20 cm 土層和20—40 cm 土層土壤容重范圍分別為0.90~1.16,1.02~1.31 g/cm3,臺(tái)灣榿木混交林均明顯低于臺(tái)灣榿木純林;0—20 cm 土層和20—40 cm 土層總孔隙度最大分別是處理9(50.43%),處理2(55.02%),0—20 cm 土層和20—40 cm 土層毛管孔隙度最大分別是處理1(60.89%),處理2(62.40%),土壤總孔隙度、毛管孔隙度均是臺(tái)灣榿木混交林大于臺(tái)灣榿木純林,表明混交林在改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)方面具有較好的作用。臺(tái)灣榿木混交林土壤自然含水率(34.12%)、最大持水量(1 320.72 g/kg)和毛管持水量(1320.72 g/kg)最大的均是處理9,土壤自然含水率、最大持水量和毛管持水量均是臺(tái)灣榿木混交林高于臺(tái)灣榿木純林,表明臺(tái)灣榿木混交林的土壤持蓄水能力強(qiáng)于臺(tái)灣榿木純林;土壤非毛管孔隙度與土壤滲透能力更為密切,臺(tái)灣榿木純林在20—40 cm 土層的非毛管孔隙度最大(3.56%),在0—20 cm 土層也較大(3.97%)。
(3)采用熵權(quán)法對(duì)臺(tái)灣榿木不同混交造林水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),權(quán)重值占比最大是枯落物最大持水量(18.6%),其次是枯落物蓄積量(15.9%)和枯落物有效攔蓄量(13.8%),最少是土壤毛管孔隙度(7.6%)。臺(tái)灣榿木不同混交造林水源涵養(yǎng)能力綜合評(píng)價(jià)排序?yàn)椋禾幚?>處理8>處理1>處理9>處理6>處理2>處理7>處理5>處理3>CK;臺(tái)灣榿木與馬尾松、巨尾桉和紅錐混交造林水源涵養(yǎng)能力均優(yōu)于臺(tái)灣榿木純林;且它們的混交比例對(duì)水源涵養(yǎng)能力影響更大,因此在營(yíng)造臺(tái)灣榿木混交林時(shí)要根據(jù)各樹種的地位和作用進(jìn)行合理的混交分配比例。本研究結(jié)果表明,營(yíng)造臺(tái)灣榿木混交林以處理4(臺(tái)灣榿木∶巨尾桉=1∶2),處理8(臺(tái)灣榿木∶紅錐=2∶1)、處理3(臺(tái)灣榿木∶馬尾松=1∶1)的水源涵養(yǎng)能力綜合評(píng)價(jià)得分較高。