滇中柏木林地枯落物去除對土壤水分物理性質的影響

和玉丹，胡慧蓉，郭 勇，王秋玲，楊淦霖，唐春艷

(1.西南林業大學 生態與環境學院，云南 昆明 650224； 2.云南森林自然中心，云南 昆明 650225)

1 引言

枯落物是森林生態系統中的一層特殊結構層，松散地覆蓋于林下地表。在林地降雨過程中，截留雨水，削減地表徑流，增加土壤入滲，具有良好的涵養水源、保持水土功能。在其積累與分解過程中，形成土壤腐殖質，并與土壤礦物質結合形成有機無機復合體，對土壤理化性質也有明顯影響。但不同的林分類型，其枯落物組分、形態、歸還量等均有不同，因而在發揮以上生態功能的程度上也有不同。枯落物去除對土壤水分物理性質的影響研究[8，11～13]，國內外的很多學者對其進行了探究，樹種主要有紅櫟林[8]、楓香和樟樹[11]、加勒比松[12]、杉木林[13]等?？萋湮锾砑雍腿コ龑ν寥浪值挠绊憰蛏诸愋蚚14]、氣候條件、枯落物性質等的不同而異。研究結果顯示，土壤水分對枯落物去除的響應存在很大的不確定性，上述研究對象多為溫帶森林系統，對亞熱帶與熱帶森林系統的研究較為匱乏，亞熱森林系統與溫帶森林系統在氣候、樹種、林分結構上存在諸多的差異，土壤有機質與養分對枯落物輸入變化的響應也會有所不同。且目前枯落物去除對云南柏木林地土壤水分影響的研究還相對較少。因此，本文以滇中高原昆明麥沖林地柏木林作為研究對象，對不同枯落物去除強度條件下土壤水分物理性質的變化進行了研究。

圓柏(Sabinachinensis(L.) Ant.)是常綠喬木，喜光樹種，但耐寒、耐熱，對土壤要求不嚴，因此在我國大部分地區均有種植。1980年以來，圓柏作為荒山造林的主要樹種在滇中地區廣泛種植。但造林地多分布與城市周邊低山丘陵，人口密集區域，加之圓柏林枯落物枝干葉細，因而長期受到收取枯枝落葉收集等人為影響。使局部地表土壤層不同程度的裸露，從而影響土壤理化與生物學性質，改變土壤水分狀況與生態功能。弄清人為干擾下圓柏林土壤性質與功能的變化趨勢，以更好地理解圓柏林土壤的在人為干擾下的退化過程及其機理，為圓柏林可持續經營管理提供理論依據。

2 研究區概況與研究方法

2.1 研究區概況

研究區位于云南省昆明市東郊的云南森林自然中心麥沖林區，北緯25°04′～25°11′，東經102°43′～102°53′，區域總面積為1883.8 hm2。海拔為1948～2458 m，年均氣溫為12 ℃，年均降水量為1068 mm，雨熱同期且干濕季分明，屬亞熱帶西南季風氣候[16]。土壤為石英粉砂巖山地紅壤。土層較深厚(平均厚度40 cm)，土壤較緊實板結，弱酸性反應。1980年前植被大面積采伐，1985～1995年間經人工植被恢復，現森林覆蓋率達90%以上。本研究所選圓柏林系1992年人工種植，林齡30年，林相整齊，林下零星灌木草本，主要為小葉枸子(Cotoneastermicrophyllus)、楊梅(Myricarubra)；求米草(Oplismenusundulatifolius)、鬼針草(Bidenspilosa)等；并有少量何首烏(Fallopiamultiflora)、介蕨(Dryoathyriumboryanum)等。受附近村民活動干擾，每年開春進入林內收取地表枯落物葉用于蓋壓苗床，導致林下地表斑塊狀裸露。

2.2 研究方法

2.2.1 樣地設置與調查

按典型性和代表性原則，設置面積為20 m×20 m的標準地，進行基本調查并做每木檢尺，并重復三次。樣地基本情況見表1。

表1 金殿林區柏木樣地基本情況

樣地內分別設置3個不同程度去除枯落物的處理樣方，即：全去除(A，地表裸露，無枯落物)、半去除(H，地表半裸露，枯落物去除1/2)、未去除(N，保留地表枯落物)3種去除強度。每個處理面積2 m×2 m，并重復6次。

2.2.2 枯落物及土壤樣品采集

20世紀80年代，斯特里克蘭和穆魯解決了激光器的啁啾脈沖放大問題。這個過程始于短脈沖，該脈沖通過一對光柵反射使其變長。光柵的作用類似于棱鏡，致使不同顏色的光通過不同長度的路徑。由于功率只是隨著時間而傳遞的能量，因此把光拉長會降低其功率，這樣就能夠在不損壞激光介質的情況下實現放大。最終，放大的脈沖通過一臺壓縮器，將其擠壓成較短的脈沖——這是一種更具威力的脈沖。該方法使研究人員能夠獲得可以放在桌面的強大激光脈沖，并且能夠使像BELLA這樣的高功率激光脈沖工具更具可行性。

分別在3種不同程度去除枯落物的處理樣方內布置一個枯落物調查點與一個土壤剖面觀測點?？萋湮镎{查點面積0.5 m×0.5 m，以完全收獲法收取枯落物，現場測鮮重，并取樣裝袋帶回實驗室備用。之后，現場挖掘土壤剖面，分別對0～10 cm表層土壤(以下通稱表層)和10～20 cm亞表層土壤(以下通稱亞表層)進行土壤基本性態觀察，并分層測定土壤自然含水率與土壤密度，以環刀和布袋分別采集土壤樣品帶回實驗室，以備后續研究使用。每個處理共設枯落物調查點18個，土壤剖面觀測點9個。

2.2.3 分析測定方法

枯落物存量及含水量測定：恒溫鼓風烘干法。土壤水分物理性質采用環刀法。

2.2.4 數據處理

采用Microsoft Office Excel 2007進行數據整理，SPSS 23.0、Origin2017軟件進行數據統計分析，均值分析、單因素方差分析(One-way ANOVA)和差異顯著性檢驗分析。

3 結果與分析

3.1 不同強度去除枯落物后地表枯落物存量

林分枯落物積存量主要受到林分本身的特性，諸如樹種組成、植被配置模式、林分的生長狀況[1]，以及外部的環境因素，包括光、熱、水等立地條件2方面因素的影響。在人類活動頻繁的區域，則受人為擾動的影響可能會成為影響枯落物存量的最主要因素。通過對柏木林下枯落物3種不同去除強度下枯落物現存量進行調查與測定，結果見表2。

表2 不同去除強度下柏木林地枯落物存量及含水率

柏木林地林下枯落物存量大小依次為未去除(6.29 t/hm2)>半去除(5.33 t/hm2)>全去除(0.44 t/hm2)，其中未去除枯落物存量為全去除枯落物存量的14.29倍，而半去除與未去除間的差異不是非常明顯，其原因可能是林分密度較大時，林木的枝條脫落相對較早，地表枝條也會相對較多，從而會影響存量。柏木林地林下枯落物自然含水率大小為未去除(114.54%)>半去除(91.47%)>全去除(66.95%)，其中未去除枯落物自然含水率為全去除枯落物含水率的1.71倍，持水能力差距較大。半去除強度去除枯落物組間離散程度較小，枯落物存量和含水率都較穩定。

3.2 不同強度去除枯落物對土壤密度的影響

土壤密度是評價土壤質量的重要指標，體現土壤結構、松緊程度和土壤水分涵蓄能力。在表層土壤內，土壤密度在1.11～1.15 g/cm3的范圍內變化，亞表層土壤內，土壤密度的變化范圍為1.18～1.27 g/cm3，亞表層土壤密度稍高于表層土壤密度?？傮w上，兩層土壤的土壤密度均有由高到低(全去除>半去除>未去除)的表現，且全去除枯落物條件下的土壤密度均顯著高于半去除和未去除(a<0.05，表3)。土壤密度小，表明土壤疏松多孔，結構性良好；反之，則表明土壤緊實板結而缺少團粒結構[17]。相較而言，柏木林地林下表層土壤結構性較好。土壤密度在1.0～1.3 g/cm3時，表明毛管孔隙和非毛管孔隙搭配合理、土壤密度適當，此時的土壤透水性、通氣性和持水能力比較協調，可以滿足植物對空氣和水分條件的需要[18]。

表3 不同強度去除枯落物后林地土壤水分物理性質

3.3 不同強度去除枯落物對土壤孔隙度的影響

土壤孔隙度是評價土壤儲水性和肥力特性的基本特性之一，毛管孔隙度是土壤毛管水所占據的孔隙，非毛管孔隙度是土壤空氣流動的通道[19]。由表3可知，在表層土壤內，不同強度去除枯落物條件下土壤總孔隙度均值在65.80%～71.18% ，全去除和半去除與未去除之間的差異不顯著；而土壤毛管孔隙度均值為31.74%～49.09% ，全去除和半去除均顯著高于未去除；非毛管孔隙度趨勢也一致。在亞表層土壤內，土壤各孔隙度較低于表層土壤?？偪紫抖染禐?0.35%～64.78% ，毛管孔隙度均值為27.99%～29.07% ，非毛管孔隙度均值為31.28%～36.79% 。未去除總孔隙度和非毛管孔隙度均顯著高于全去除，而毛管孔隙度則差異不顯著。

總體上，表層和亞表層土壤總孔隙度和毛管孔隙度呈現出隨枯落物去除強度的減弱逐漸減小的趨勢，這與其林下土壤的砂粒含量較高(顯著高于其他土壤)有關。該趨勢與楊玥[20]、劉爽等[21]的研究結論相一致。相較而言，表層全去除枯落物強度下土壤比較疏松，未去除枯落物強度下土壤比較緊實。毛管孔隙度越大，貯存的土壤有效水越多，對維持林木自身的生長發育就越有利，而非毛管孔隙度越大，越有利于土壤滲透和降水下滲。枯落物的類型、厚度、組成成分差異以及部分動物、微生物殘體的不同可能會導致土壤孔隙度的差異。

3.4 不同強度去除枯落物對土壤水分的影響

土壤的持水性能是反映林地持水能力的一個重要指標[22]。不同強度去除枯落物對土壤水分有顯著的交互作用(表3)。受土壤密度的影響，土壤各水分類型也相應變化，表土層仍然變化較明顯。在表層土壤內，土壤飽和持水量均值在353.07～458.96 g/kg，大小順序為未去除>半去除>全去除，且隨枯落物去除強度的加強土壤飽和持水量逐漸減小，土壤毛管持水量均值在233.27～357.17 g/kg，土壤田間持水量均值在218.80～343.96 g/kg，兩者的持水量也隨枯落物去除強度的加強而減小，與土壤飽和持水量的變化趨勢保持一致，大小順序均為未去除>半去除>全去除。半去除和未去除枯落物條件下表層土壤各持水量顯著高于全去除。說明未去除枯落物下土壤層持水能力最強，即枯落物存量越大，土壤層持水能力越強。

在亞表層土壤內，土壤飽和持水量均值在301.58～336.73 g/kg，大小為未去除>半去除>全去除，且隨枯落物去除強度的加強土壤飽和持水量逐漸減??；土壤毛管持水量均值在174.58～240.18g/kg，隨枯落物去除強度的加強而減小；土壤田間持水量均值在144.34～227.09g/kg，隨枯落物去除強度的加強也減小，兩者大小順序均為未去除>半去除>全去除。同表層土壤，未去除枯落物條件下亞表層土壤各持水量顯著高于半去除和全去除(p<0.05，表3)，說明亞表層土壤未去除枯落物條件下土壤層持水能力最強，即枯落物存量越大，土壤層持水能力越強?？傮w上，在不同強度去除枯落物條件下，未去除枯落物條件下土壤各持水量顯著高于半去除和全去除。因此枯落物覆蓋對柏木林下土壤持水能力具有明顯作用。

圖1 不同強度去除枯落物后其存量與林地土壤各持水量的關系

圖1顯示，表層和亞表層土壤飽和持水量、毛管持水量、田間持水量與枯落物存量間均存在良好的線性關系，各土層持水量與枯落物存量間回歸方程的R2值分別為：0.9591、0.5553、0.5679、0.7444、0.9979、0.9966。其中，表層毛管持水量和田間持水量顯著性不佳，而飽和持水量的回歸擬合仍較好，R2為0.9591。亞表層各持水量與枯落物存量相關性都較為顯著。

4 討論

4.1 不同強度去除枯落物后地表枯落物的儲水能力變化

研究發現柏木林地枯落物積存量和自然含水率隨去除強度的加強都隨之減小，這與劉玉國[19]、聶小飛[23]、高強[24]等研究結論一致?？萋湮锎媪看螅欣谖?，則枯落物自然含水率將高，于是對其下覆蓋的土壤也會有提高其含水率的功能，更有利于分析去除枯落物多少對土壤保水能力的影響程度[12]。半去除與未去除間的枯落物存量差異不是非常明顯，可能是人為擾動越大，地表枝條越多，也在一定程度上增加了存量。

4.2 不同強度去除枯落物對土壤水分物理性質的影響

由圖2可知，全去除枯落物條件下表層土壤密度均顯著高于半去除和未去除，亞表層土壤密度隨枯落物去除強度的加強呈不斷增大的趨勢，這與侯寧寧等[25]的研究結果基本一致。

注：BD為土壤密度、TP為土壤總孔隙度、CP為毛管孔隙度、NCP為非毛管孔隙度、SWHC為土壤飽和持水量、CWHC為毛管持水量、FWHC為田間持水量

與土壤密度相反，土壤總孔隙度、毛管孔隙度總體呈現出隨枯落物去除強度的加強而逐漸減小的趨勢，而非毛管孔隙度則與之相反，這與郭倩汝等[26]的研究規律類似。在表層和亞表層土壤內，土壤飽和持水量、毛管持水量、田間持水量大小均為未去除>半去除>全去除，該研究結果與王磊[27]、施重陽等[28]的研究結果趨勢一致?？赡芤驗榘啬驹炝謺r間久，林下積累了較多的枯落物，即表現出柏木林地未去除枯落物條件下土壤持水能力明顯很強。而半去除和未去除條件下土壤持水能力明顯較差，可能是由于當地居民人為擾動強度較大。而去除地表枯落物從柏木林地以枯落物的形式直接取走大量養分，使林地土壤密度增大，導致土壤孔隙減少，保持水分功能減弱，可能也會引發養分狀況的惡化[29]，微生物數量減少和酶活性下降[29]，最終引起林木生長下降[12]。

枯落物層是森林土壤區別于一般土壤的特有層次，它對土壤的水分物理性質產生有利的影響[31]?？萋湮锛巴寥莱炙跃幱谳^低水平，因此應加強進行林分改造，提高林分質量，對現有針闊混交林的保護及撫育、充分發揮森林的水源涵養功能，為林地土壤的科學管理、資源保護提供科學依據。

5 結論

本文通過以滇中地區柏木林地作為研究對象，分析枯落物去除對土壤水分物理性質的影響，主要研究結論如下。

(1)柏木林地林下枯落物存量大小為0.44～6.29 t/hm2，自然含水率為66.95%～114.54%，柏木林地枯落物積存量與自然含水率均隨去除強度的加強減小，去除枯落物降低了其持水保水能力。

(2)表層土壤內，土壤密度為1.11～1.15 g/cm3，亞表層土壤密度為1.18～1.27 g/cm3，亞表層土壤密度高于表層。全去除枯落物條件下表層土壤密度均顯著高于半去除和未去除，亞表層土壤密度隨枯落物去除強度的加強呈不斷增大的趨勢。

(3)隨枯落物去除強度的加強，總孔隙度和毛管孔隙度均顯著降低，非毛管孔隙度增大。土壤總孔隙度與毛管孔隙度總體呈現出隨枯落物去除強度加強而逐漸減小的趨勢，而毛管孔隙度則與之相反。

(4)表層土壤飽和持水量均值在353.07～458.96 g/kg，毛管持水量均值在233.27～357.17 g/kg，田間持水量均值在218.80～343.96 g/kg，大小順序均為未去除>半去除>全去除，亞表層也一致。隨枯落物去除強度的減小，林下土壤各持水量顯著增大，與枯落物去除強度減弱呈顯著正相關。