封育年限對(duì)毛竹林凋落物和土壤持水效能的影響

蔣仲龍，葉柳欣，劉 軍，林 松，徐旻昱，吳家森，劉 娟，劉海英

（1. 浙江省公益林和國(guó)有林場(chǎng)管理總站，浙江 杭州 310020；2. 浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州311300；3. 杭州市余杭區(qū)林業(yè)工作站，浙江 杭州 311100）

毛竹Phyllostachys edulis是中國(guó)重要的森林資源，僅浙江省分布面積就達(dá)81.67×104hm2，占全省森林面積的13.43%[1]，具有生長(zhǎng)快、用途廣、可持續(xù)性強(qiáng)等特點(diǎn)。以往的研究主要集中于毛竹高效栽培后林下生物及土壤的變化等方面。研究表明：毛竹強(qiáng)度經(jīng)營(yíng)顯著降低了林下植物多樣性、豐富度指數(shù)[2]、灌草生物量、凋落物儲(chǔ)量[3]和土壤總孔隙度[4]，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀及銨態(tài)氮含量也隨著毛竹栽培年限的增加而下降[5]。集約經(jīng)營(yíng)20 a后，土壤總有機(jī)碳、微生物量碳分別下降了34.70%、49.35%[6]，長(zhǎng)期經(jīng)營(yíng)將導(dǎo)致毛竹林地力衰退[7]。但隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，竹材價(jià)格逐年下降[8]，勞動(dòng)力成本持續(xù)上升[9]，導(dǎo)致毛竹砍伐人工成本大于竹材銷售收入，造成了浙江省較大面積的集約經(jīng)營(yíng)毛竹林疏于管理，處于自然封育狀態(tài)。自然封育后，林下植被多樣性、灌草生物量、凋落物儲(chǔ)量等是否會(huì)增加？土壤有機(jī)碳、容重、孔隙度等土壤質(zhì)量指標(biāo)是否也可能進(jìn)一步提升？水源涵養(yǎng)是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)功能，其中凋落物層與土壤層占森林涵養(yǎng)水源能力的90%以上[10]，已成為森林水文學(xué)研究的熱點(diǎn)。研究表明：不同密度毛竹林凋落物持水性能存在較大差異，3 000株·hm?2的林分凋落物儲(chǔ)量和最大持水量均為最高[11]；毛竹林土壤總孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量和水源涵養(yǎng)能力顯著大于杉木Cunninghamia lanceolata林和馬尾松Pinus massoniana林[12]；江西大崗山常綠闊葉林轉(zhuǎn)變成毛竹林后，凋落物的水文生態(tài)功能增強(qiáng)[13]；閩北不同林分水源涵養(yǎng)綜合能力從大至小依次表現(xiàn)為常綠闊葉林、毛竹混交林、杉木純林、毛竹純林[14]。自然封育后毛竹林凋落物和土壤持水功能是如何變化，至今還未見報(bào)道。鑒于此，本研究采用時(shí)間代替空間的方法，全面調(diào)查和研究自然封育10、20、30 a和常規(guī)經(jīng)營(yíng)的毛竹林凋落物和土壤持水效能，旨在揭示毛竹林生態(tài)系統(tǒng)在自然封育過程中凋落物儲(chǔ)量、持水性能和土壤水文性質(zhì)的變化規(guī)律，以期為評(píng)價(jià)不同類型毛竹林水源涵養(yǎng)功能提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于有“中國(guó)竹子之鄉(xiāng)”的浙江省杭州市余杭區(qū)境內(nèi)，地理坐標(biāo)為30°25′28.10″～30°33′34.00″N，119°42′02.71″～119°50′35.22″E，屬于北亞熱帶南緣季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫 16.2 ℃，多年平均降水量1 391.8 mm，年平均相對(duì)濕度76%，無霜期199～328 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年7月，在查閱杭州市余杭區(qū)森林資源經(jīng)營(yíng)檔案和全面踏查的基礎(chǔ)上，選擇余杭百丈鎮(zhèn)和鸕鳥鎮(zhèn)封育年限分別為10、20和30 a的毛竹純林為研究對(duì)象，以常規(guī)經(jīng)營(yíng)毛竹林為對(duì)照，設(shè)置不同封育年限樣地各9個(gè)，共計(jì)36個(gè)樣地，樣地面積為30 m×30 m[15]。封育毛竹林常年沒有人為活動(dòng)干擾，對(duì)照毛竹林每年 5 月上旬、中旬施肥 1 次，施用 600 kg·hm?2的復(fù)合肥 [m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)為 15∶15∶15]，肥料地表撒施，結(jié)合松土墾復(fù)15 cm左右。毛竹砍伐集中在小年。樣地基本情況如表1所示。

表 1 不同封育年限毛竹林樣地基本情況Table 1 Basic situation of Ph. edulis forest in different natural exclosure years

1.3 樣品采集與分析

在樣地內(nèi)的中心位置，挖取1個(gè)土壤剖面，按照0～10、10～30、30～60 cm土壤深度用200 cm3環(huán)刀取樣，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量[16]。在樣地的4個(gè)角和中心位置共布設(shè)5塊1 m×1 m小樣方，收集樣方內(nèi)全部凋落物，準(zhǔn)確稱量后，分取部分樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室在85 ℃烘箱中烘干至恒量，計(jì)算自然含水率、凋落物儲(chǔ)量。采用室內(nèi)浸泡法測(cè)定凋落物持水特性[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2013、SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用單因素方差分析，利用Duncan法進(jìn)行多重比較和差異顯著性分析(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同封育年限毛竹林凋落物儲(chǔ)量及持水性能

圖 1 不同封育年限毛竹林凋落物儲(chǔ)量Figure 1 Reserves of litter of Ph. edulis forest in different natural exclosure years

2.1.1 不同封育年限毛竹林凋落物儲(chǔ)量 自然封育10、20、30 a的毛竹林凋落物儲(chǔ)量為5.2、9.6、11.2 t·hm?2，分別比對(duì)照 (2.8 t·hm?2)增加 85.7%、243.9%和300.7%。隨著封育年限的延長(zhǎng)，毛竹林凋落物累積越多，封育20、30 a毛竹林凋落物儲(chǔ)量顯著高于10 a毛竹林，也顯著高于對(duì)照(P＜0.05，圖1)。

2.1.2 不同封育年限毛竹林凋落物持水過程 從圖2可知：隨著浸水時(shí)間的延長(zhǎng)，毛竹林凋落物持水量增加表現(xiàn)為“快—緩慢—穩(wěn)定”的規(guī)律不同封育年限毛竹林凋落物浸水1.00 h的總持水量占24.00 h的84.1%～87.5%。經(jīng)過相同時(shí)間浸泡的毛竹林凋落物持水量從大到小依次呈現(xiàn)為自然封育30、20、10 a、對(duì)照，自然封育毛竹林凋落物的持水量顯著高于對(duì)照(P＜0.05)，但不同封育年限間沒有顯著差異。由圖3可知：不同封育年限毛竹林凋落物持水速率與浸水時(shí)間變化規(guī)律相似，即0.25 h內(nèi)持水速率最大，0.25～2.00 h的持水速率急劇下降，2.00 h后持水速率基本穩(wěn)定，在浸水4.00 h后不同封育年限凋落物持水速率曲線基本重疊，達(dá)飽和狀態(tài)。從表2可知：毛竹林凋落物持水量(y)與浸水時(shí)間(t)之間為對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，可用y=alnt+b表示，它們之間的相關(guān)性達(dá)顯著水平(P＜0.05)；毛竹林凋落物持水速率(y)與浸水時(shí)間(t)之間為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為y=ae?bt，它們之間的相關(guān)性也達(dá)顯著水平(P＜0.05)。

圖 2 不同封育年限毛竹林凋落物持水量的變化Figure 2 Change of water holding quantity of litter of Ph. edulis forest in different natural exclosure years

圖 3 不同封育年限毛竹林凋落物持水速率的變化Figure 3 Change of water absorption rate of litter of Ph. edulis forest in different natural exclosure years

表 2 不同封育年限毛竹林凋落物持水量、持水速率與浸泡時(shí)間回歸方程Table 2 Correlativity between water holding quantity, water absorption rate and immersion time of Ph. edulis forest in different natural exclosure years

2.1.3 不同封育年限毛竹林凋落物持水能力 隨著封育年限的延長(zhǎng)，毛竹林凋落物層最大持水量顯著增強(qiáng)(P＜0.05)，自然封育10、20、30 a的毛竹林凋落物最大持水量分別比對(duì)照毛竹林(8.17 t·hm?2)增加了92.0%、307.4%和402.8%(表3)。毛竹林凋落物層有效攔蓄量、有效攔蓄率隨自然封育年限的變化規(guī)律與最大持水量的變化趨勢(shì)基本一致(表3)。與對(duì)照相比，自然封育10、20、30 a后毛竹林地凋落物有效攔蓄量分別增加了87.7%、294.9%、377.6%，自然封育毛竹林凋落物層有效攔蓄量顯著高于對(duì)照(P＜0.05)，且不同封育年限間有顯著差異(P＜0.05)。

表 3 不同封育年限毛竹林凋落物的持水能力Table 3 Waterholding capacity of litter of Ph. edulis forest in different natural exclosure years

2.2 不同封育年限毛竹林土壤物理性質(zhì)及土壤持水性能

2.2.1 不同封育年限毛竹林土壤物理性質(zhì) 從表4可知：隨著土層深度的增加，毛竹林土壤容重呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，而土壤總孔隙度和非毛管孔隙度則表現(xiàn)為降低的趨勢(shì)。毛竹林0～10、10～30 cm土層土壤容重隨著自然封育年限的延長(zhǎng)而下降，與對(duì)照相比，自然封育10 a后，土壤容重分別下降了17.8%～26.5%、16.5%～24.0%(P＜0.05)，而30～60 cm土層土壤容重在不同封育年限之間沒有顯著差異。毛竹林土壤總孔隙度和非毛管孔隙度從大到小總體表現(xiàn)為自然封育30 、20 、10 a、對(duì)照，其中自然封育20、30 a土壤0～10、10～30 cm土層總孔隙度顯著高于對(duì)照(P＜0.05)，30～60 cm土層總孔隙度在不同封育年限間的差異并不顯著；自然封育10、20、30 a毛竹林不同土層土壤非毛管孔隙度均顯著高于對(duì)照(P＜0.05)；而毛竹林相同深度土層的土壤毛管孔隙度在不同處理間沒有顯著差異(P＞0.05)。

2.2.2 不同封育年限毛竹林土壤持水性能 從表4可知：同一土層毛竹林土壤最大持水量和非毛管持水量從大到小排序?yàn)樽匀环庥?30 a、20 a、10 a、對(duì)照。自然封育 20 和 30 a 后，0～10 、10～30 cm 土層的土壤最大持水量比對(duì)照顯著提高了18.1%～33.2%(P＜0.05)，30～60 cm土層最大持水量在不同處理間沒有顯著差異；自然封育毛竹林0～10、10～30、30～60 cm土壤非毛管持水量均顯著高于對(duì)照(P＜0.05)，與對(duì)照相比，增加了27.5%～137.7%；同一土層毛竹林土壤毛管持水量在不同封育年限間沒有顯著差異(P＞0.05)。

將不同土層持水量相加，得到 0～60 cm土壤持水量，毛管持水量 (2 646.68～2 722.71 t·hm?2)和最大持水量(3 179.58～3 680.29 t·hm?2)在不同自然封育毛竹林間并沒有顯著差異。從圖4可知：自然封育顯著增加了毛竹林非毛管持水量，與對(duì)照(500.91 t·hm?2)相比，非毛管持水量顯著增加了50.2%～106.3%(P＜0.05)，其中自然封育20、30 a又顯著高于自然封育10 a(P＜0.05，圖4)的非毛管持水量。

表 4 不同封育年限毛竹林土壤物理性質(zhì)與持水量Table 4 Soil property and waterholding quantity of Ph. edulis forest in different natural exclosure years

3 討論與結(jié)論

圖 4 不同封育年限毛竹林 0～60 cm 土壤非毛管持水量Figure 4 Non-capillary waterholding capacity of soil(0?60 cm) of Ph.edulis forest in different natural exclosure years

森林凋落物在水土保持和水源涵養(yǎng)方面起著積極作用[18]，同時(shí)參與養(yǎng)分循環(huán)、碳固持[19]，其儲(chǔ)量的大小受到森林類型、樹種組成以及林分密度、生態(tài)恢復(fù)措施等因素的影響[11,14]。油松Pinus tabulaeformis人工林凋落物的儲(chǔ)量隨著封育時(shí)間的延長(zhǎng)而增加[20]，竹闊混交林凋落物儲(chǔ)量大于毛竹純林[14]。隨著密度增大，毛竹林凋落物儲(chǔ)量也隨之增加[11]。毛竹林活立木和枯死竹的密度隨著封育年限的延長(zhǎng)而顯著增加[15]。本研究中，毛竹林凋落物儲(chǔ)量隨著自然封育年限的延長(zhǎng)而顯著增多。這主要是隨著密度的增大，每年大量竹葉的凋落及部分枯死竹成為枯倒竹，從而增加了凋落物的歸還量。另外，常規(guī)經(jīng)營(yíng)毛竹林每年進(jìn)行林地清理、擾動(dòng)，減少了凋落物的歸還，同時(shí)加速了凋落物的分解，造成常規(guī)經(jīng)營(yíng)毛竹林凋落物儲(chǔ)量比自然封育毛竹林低，這與干擾樟子松Pinus sylvestrisvar.mongolica林凋落物儲(chǔ)量低于封育林的結(jié)果相似[21]。

不同處理毛竹林凋落物的持水過程和持水速率的變化具有相似的規(guī)律，這與浙江省主要森林類型的研究結(jié)果一致[22]。凋落物持水量與浸泡時(shí)間存在顯著的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，而凋落物持水速率與浸水時(shí)間的關(guān)系為指數(shù)函數(shù)。凋落物持水能力受森林類型、凋落物儲(chǔ)量及組成等因素的影響[23]。毛竹林凋落物最大持水量、有效攔蓄量、最大持水率、有效攔蓄率均隨著自然封育年限的延長(zhǎng)而增加。與常規(guī)經(jīng)營(yíng)比，自然封育10～30 a毛竹林地凋落物最大持水量、有效攔蓄量顯著增加，且不同年限間的差異均達(dá)顯著水平；而毛竹林凋落物最大持水率、有效攔蓄率在自然封育20 a后才顯著高于常規(guī)經(jīng)營(yíng)。這主要是因?yàn)榈蚵湮镒畲蟪炙?、有效攔蓄量與凋落物儲(chǔ)量有密切關(guān)系。本研究中，自然封育10 a后，毛竹林凋落物儲(chǔ)量已顯著高于常規(guī)經(jīng)營(yíng)。自然封育顯著增強(qiáng)了毛竹林的持水能力，與天然封育顯著增加了桃林口水庫(kù)凋落物攔蓄量的研究結(jié)果相似[24]。

土壤孔隙度越大，容重越小，表明土壤結(jié)構(gòu)越疏松，越有利于雨水下滲，減少地表徑流[25]。自然封育提高了毛竹林土壤非毛管孔隙度和表層(0～30 cm)土壤總孔隙度，降低了表層土壤的容重，改善了土壤水文物理性質(zhì)，增強(qiáng)了表層土壤保水能力。隨著封育年限的延長(zhǎng)，土壤的水文物理性質(zhì)改善明顯，這與其他退化群落封育后的研究結(jié)果相似[16]。土壤的滲透性能取決于非毛管孔隙，非毛管孔隙中滯留的重力水在調(diào)蓄水方面的作用更為重要，更加有利于涵養(yǎng)水源。自然封育后，毛竹林不同深度土壤非毛管持水量增加，封育20 a后，表層(0～30 cm)土壤最大持水量也顯著提高。土壤非毛管持水量和表層土壤最大持水量隨著封育年限的延長(zhǎng)而增大。隨著封育年限的增加，地表積累的凋落物越來越多，表層土壤水文物理性質(zhì)不斷改善，土壤蓄水能力隨之增強(qiáng)，毛竹林凋落物和土壤持水效能持續(xù)增大。