喀斯特山地典型植被類型凋落物和土壤水文效應

趙 敏, 戴全厚, 嚴友進, 姚一文, 丁鵬瑋, 周 紅

(1.貴州大學 林學院, 貴陽 550025; 2.貴州大學 喀斯特地質資源與環境教育部重點實驗室,貴陽 50025; 3.貴州大學 土壤侵蝕與生態修復研究中心, 貴陽 550025)

喀斯特地區是我國四大生態脆弱地區之一[1]。由于長期以來的植被破壞導致的石漠化使當地的生態環境問題愈發嚴重。故開展植被恢復,遏制和治理石漠化成為該地區各項工作的重中之重。地處亞熱帶的西南喀斯特地區降水資源豐富,但出于該地區獨特的地上地下二元水文結構使得降雨到達地表后快速滲入地下巖溶管道,從而導致了地表土壤常處于干燥狀態,難以為植物生長提供足夠的水分,從而限制了植被恢復[2-3]。解決喀斯特工程性缺水限制植被恢復的問題,是該地區開展石漠化治理和生態修復亟待解決的問題。

凋落物層是補充土壤有機質的“倉庫”,同時影響著生態系統的水源涵養和物種多樣性[4-5]。一方面,凋落物層作為林下水源涵養主體的第二層,可截留超過林冠層2～3倍的降水量[6]。截留降水的同時防止雨滴濺蝕,保護表土結構的完整,較大程度上抑制地表徑流的產生和下層土壤水分蒸發。另一方面,凋落物分解產生的有機酸和腐殖質影響著土壤蓄水及入滲能力,增加土壤疏松程度和孔隙度,進而改善整個森林生態系統的水文循環[7-8]。而土壤層作為森林生態系統的“蓄水庫”,在森林生態系統水文循環過程中利用其特有的毛管孔隙結構促進降水及徑流的下滲。植被作為森林中不可或缺的重要組成部分,其通過在林下形成不同的植被類型影響凋落物現存蓄積量、分解速率和攔蓄特征,影響凋落物層覆蓋下土壤層持水特征,從而改變坡地水文過程。已有研究表明隨著植被恢復,植被類型隨之改變,凋落物覆蓋率增加和土壤各理化性質逐漸優化,為植被恢復向著良性循環發展作出了有效貢獻,現已經成為調控森林水文循環的關鍵環節[9-10]。且不同方式的植被恢復能在不同程度上改善喀斯特地區凋落物和土壤水文特征已經得到相關學者證實。周秋文[11]研究發現,在喀斯特地區種植持水效應更好的樹種,可提升凋落物的水文效應。劉玉國等[12]通過對喀斯特森林凋落物水文作用的研究,認為隨凋落物厚度增加,土壤水分蒸散速度減低。彭玉華等[13]通過研究桂西南喀斯特山地凋落物,發現進行適宜且有效的林分改造,可增強土壤攔蓄能力。前人的研究均證實了植被類型會引發凋落物以及土壤差異,但對可能引起的水文效應差異尚不可知。且大多僅以凋落物或土壤為對象研究其持水性能,從喀斯特典型植被類型出發,研究凋落物和土壤水文效應及二者互作特征的鮮有。同時,針對喀斯特山地凋落物持水特性的研究,大多將林下凋落物視為一個整體開展,而不同分解程度凋落物的水文效應尚缺乏研究。

針對現有的不足,本研究以黔中典型喀斯特山地為研究區,探究5種典型植被類型不同分解程度凋落物蓄積和持水特征以及土壤物理和持水特征,同時分析二者的相關性,以期為喀斯特地區森林水文作用的改善以及植被恢復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究于2021年6月—7月在貴陽市花溪區蘆荻村(26°26′25″—26°26′40″N,106°34′6″—106°34′23″E)進行樣地的調查和樣品選取,研究區為典型的喀斯特地質地貌,亞熱帶季風濕潤溫和型氣候,年均溫16.4℃,年總積溫5 984℃,年日照時數1 344.9 h,無霜期約為296 d,年平均降雨量1 216 mm,全年平均相對濕度在75%。土壤以碳酸鹽發育成的石灰土為主。研究區主要的植被類型為草地、灌叢、草灌復合叢、喬灌復合林、以及喬木林。

1.2 樣地設置與樣品采集

本研究以研究區的5種主要植被類型為研究對象,每一植被類型分別布設3個20 m×20 m的樣地。各樣地間除了植被類型不同,其余環境條件基本相似,樣地基本情況如表1所示。在每個樣地內采用“五點采樣法”選取5個1 m×1 m的小樣方,樣方內按不同分解程度采集凋落物,共計采集225個凋落物樣。凋落物野外采集完立即使用精度為0.01 g的可攜帶式天平稱其鮮重,用于計算凋落物含水量以及蓄積量。凋落物分成兩部分,一部分用于持水特征測定,一部分用蓄積量測定。同時在凋落物采集完的樣方內采集0—30 cm土層的環刀土樣用于測定土壤物理性質。每個土層深度為10 cm,在每個土層中用100 cm3環刀采集原狀土3個,共計675個原狀土樣。

表1 樣地基本情況Table 1 A basic overview of sample plot

1.3 測定方法

采用稱重法獲取凋落物的蓄積量(A)、自然含水率(R0)。另外采用浸泡法測定凋落物的持水量,記錄持水量(M),同時計算最大攔蓄量(Lmax)、最大持水率(Wmax)、有效攔蓄量(LE)。各指標計算公式如下:

A=WD/1/100

R0=(W0-WD)/WDWmax=(W24-WD)/WDLmax=(Wmax-R0)×ALE=(0.85×Wmax-R0)×A

式中:A為枯落物單位面積蓄積量(t/hm2);WD為枯落物干重(g);W0為枯落物鮮重(g);R0為自然含水率(%);W24為枯落物持水24 h后的重量(g);0.85為有效攔蓄系數。

土壤持水特征指標包括容重(BD)、自然含水量(Cn)、毛管持水量(Cm)、最大持水量(Cmax)、最小持水量(Cmin)、非毛管孔隙度(Gnm)、毛管孔隙度(Gm)、總孔隙度(Gz),均使用環刀法進行測定,將野外采樣回來的環刀立即置于水中浸泡12 h,稱重計算得Cmax,然后放置在石英砂沙盤中2 h稱重計算得Cm,繼續浸水24 h得Cmin,最后將環刀土置于105℃恒溫烘箱中烘干至恒重得BD,Cn,Gnm以及Gm,Gnm和Gm之和即為Gz。各指標計算公式如下:

BD=(G-G0)/100

Cn=(M-G)/(M-G0)

Cm=(G2 h-G)/GCmax=(G12 h-G)/GCmin=(G24 h-G)/GGnm=(Cmax-Cm)×BD

Gm=Cm×BD

Gz=Gm+Gnm

式中:G為烘干后環刀及土重(g);M烘干前環刀及土樣質量;100為環刀體積100 cm3;G0為環刀重(g);G2 h為環刀放置沙盤2 h重(g);G12 h為環刀浸水12 h重(g);G24 h為環刀放置沙盤24 h重(g)。

1.4 數據處理

采用Excel 2016對試驗數據進行初步統計分析,SPSS 21.0對數據進行平均值以及標準差的計算,Pearson相關性分析,鄧肯多重比較,雙重顯著性分析。利用Statistica10.0進行廣義線性分析。利用Origin 2021進行圖表的繪制。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型凋落物水文效應

2.1.1 不同植被類型凋落物蓄積量 方差分析結果表明植被類型和分解程度對凋落物蓄積量均有極顯著影響(p<0.01),而植被類型和分解程度的交互作用對凋落物蓄積量的影響相對較弱(表2)。由圖1A可知,5種植被類型凋落物蓄積量大小為喬灌復合林>喬木林>草灌復合叢>灌叢>草地。喬灌復合林的總蓄積量最大為3.57 t/hm2,而草地的總蓄積量最小為1.80 t/hm2。由此可以看出,凋落物蓄積量大小與植被類型差異相關,且群落組成越復雜,植株分布密度越高,蓄積量隨之越大,反之越小。由圖1B可知,不同植被類型凋落物未分解層、半分解層以及全分解層蓄積量,各層所占比例也有所不同,總體而言,5種植被類型凋落物均以全分解層蓄積量占比最大,除草灌復合叢、喬灌復合林外,其余植被類型均以半分解層蓄積量占比最小。

圖1 不同植被類型下凋落物蓄積量

表2 基于方差分析的植被類型和分解程度對凋落物蓄積量和持水特性的顯著性Table 2 Two-factor ANOVAs of vegetation type, soil depth and their interactor on Litter volume and water holding characteristics

2.1.2 不同植被類型凋落物持水特征 方差分析表明凋落物最大含水率受植被類型以及分解程度顯著影響(p<0.01),最大攔蓄量僅受植被類型顯著影響(p<0.01),有效攔蓄量則僅受分解程度顯著影響(p<0.01)(表3)。如圖2所示,5種類型植被最大含水率、最大攔蓄量、有效攔蓄量均呈現出隨分解程度增大而變小的趨勢。不同植被類型凋落物之間持水性能均存在差異,最大含水率表現為草地(314.10%)>草灌復合叢(252.56%)>喬灌復合林(236.29%)>灌叢(222.86%)>喬木林(207.38%);最大攔蓄量和有效攔蓄量變化規律類似,均表現為喬木林(1.22 t/hm2,0.96 t/hm2)>草地(1.17 t/hm2,0.94 t/hm2)≥喬灌復合林(1.17 t/hm2,0.80 t/hm2)>草灌復合叢(0.96 t/hm2,0.73 t/hm2)>灌叢(0.81 t/hm2,0.62 t/hm2)。

注：圖中不同大寫字母同一植被型,不同分解程度上差異顯著(p<0.05);不同小寫字母表示同分解程度,不同植被類型差異顯著(p<0.05)。

表3 基于方差分析的植被類型和土層深度對土壤持水特性的顯著性Table 3 Two-factor ANOVAs of vegetation type, soil depth and their interactor on soil water retention characteristics

2.2 不同植被類型土壤水文效應

2.2.1 不同植被類型土壤物理特征 圖3表明:土壤容重表現為草地>草灌復合叢>灌叢>喬灌復合林>喬木林,總孔隙度整體表現為喬木林>喬灌復合林>灌叢>草灌復合叢>草地,其中喬木林的總孔隙度為57%,是最小草地的1.14倍。同時喬木林的毛管孔隙度也顯著大于其他植被類型(p<0.05),為51%,占總孔隙度的89%。非毛管孔隙度也呈現同樣規律,喬木林非毛管孔隙度顯著大于其他植被類型,草地顯著小于其他植被類型。

注：圖中不同小寫字母表示不同植被類型間差異顯著(p<0.05)。

2.2.2 不同植被類型土壤持水特征 植被類型和土層深度對土壤各持水性能的影響進行方差分析,結果表明不同植被類型對土壤各持水指標均產生極顯著影響(p=0)(表3)。由圖4可以看出,喬木林表層土壤自然含水量和最小含水率顯著高于其他植被類型(p<0.05),其平均值達到45.01%,53.12%,分別是草地表層土壤的1.22倍、1.34倍。毛管持水量和最大持水量呈現出相同規律,均表現為喬木林和喬灌復合林大于草灌復合叢以及灌叢,顯著大于草地(p<0.05)。綜上,5種植被類型中以喬木林土壤各物理性質以及持水性能最優,草地土壤最差。且這一結果與凋落物蓄積量呈現出類似規律,可見植被類型差異對凋落物層以及土壤層作用水文效應均有一定影響。

2.3 凋落物及土壤持水特性相關性分析

相關性分析結果可見,土壤最大持水量、最小持水量和毛管持水量與土壤容重存在顯著的負相關關系,與孔隙特性以及凋落物的有效攔蓄量、最大攔蓄量均存在顯著的正相關關系。其中,土壤最大持水量、最小持水量和毛管持水量與土壤孔隙指標的相關性較高。表明土壤持水性能主要受到土壤孔隙特性的影響。此外,土壤孔隙特性主要與土壤容重存在顯著的負相關關系,其與凋落物攔蓄特性相關性不明顯,而土壤容重則顯著的受到凋落物有效攔蓄量、最大攔蓄量的顯著的削弱作用。可見,植物的凋落物對土壤持水性的影響是通過其有效攔蓄量和最大攔蓄量降低土壤容重,改善土壤孔隙特性,進而提高土壤的持水性。

3 討 論

3.1 植被類型對凋落物水文效應的影響

林下凋落物蓄積量是植被器官死亡凋落和分解動態平衡的結果,受植被自身性質、分解速率、人為活動、林木類型等多方面因素影響[14-15],但植被類型仍是制約凋落物蓄積量的首要因子[16-17],這是由于不同類型植被在葉面積指數、凋落物厚度、林木密度等方面存在差異[18]。本研究比較了5種喀斯特地區不同植被類型凋落物的蓄積量,結果表明植被類型和凋落物分解程度均對蓄積量影響顯著(表2),喬灌復合林、喬木林凋落物的蓄積量明顯大于其他類型凋落物,這可能是由于喬木凋落物大部分為面積較大落葉和較粗枝干,同時喬木林、喬灌復合林的生態系統相較更為成熟,養分輸入量更大且循環過程更完整[19],致使凋落物輸入量更大。同時研究結果表明不同分解程度凋落物蓄積量占比也不一樣,本研究結果5種植被凋落物均以全分解層占比最大,可能是因為全分解層受土壤以及上層凋落物分解輸入的影響,同時全分解層破碎度以及組成結構更為復雜。本研究結果進一步論證了蓄積量會因植被類型以及凋落物分解程度不同而受到影響。

凋落物持水特征是評價森林水文效應的重要指標,常用有效攔蓄量來表示凋落物對雨水的實際攔截能力,最大含水率表征凋落物對雨水的最大攔截吸收能力[20]。本研究結果表明草地最大持水率最高,喬木林最低,但最大含水率是通過室內浸泡試驗得出的理想持水指標,野外條件下,凋落物對雨水截留能力會受到其自身自然含水量以及蓄積量等因素的影響[15,21]。有效攔蓄量由凋落物蓄積量、自然含水量和最大含水率綜合推算而成[22],其結果可反映凋落物的持水能力,結果顯示5種植被類型有效攔蓄量最大為喬木林(0.96 t/hm2),其次為草地(0.94 t/hm2),這與前人研究結果一致[18,23],通過兩指標的對比分析,自然含水量以及蓄積量等在較大程度上制約草地植被持水能力,這極可能與研究區草地植被優勢種以葉面積指數較大的禾本科為主,王盛琦[24]對沙地枯落物研究也表明禾本科植被扣除自身含水率,其持水潛力以及攔蓄能力均大于喬灌木。同時本研究結果顯示最大含水率以及有效攔蓄量均隨分解程度增大而減小,主要是因為隨著分解程度的增加,枯枝落葉破碎程度加大組成更加復雜,結構逐漸緊密間隙變小,凋落物部分或已腐爛變質[24],從而吸水能力減弱。

3.2 植被類型對土壤水文效應的影響

持水性能反映土壤對微生物活動以及酶促作用進行的支撐能力[25],對土壤肥力改善起到至關重要的影響,同時土壤持水是林地水源涵養的主體[26]。其中最大持水量是土壤含蓄水分的最大體現,反映土壤的蓄水能力。本研究中土壤最大含水量的最大值出現在喬木林以及喬灌復合林,說明這兩種植被類型林分對于較大降水的截留和含蓄能力較優秀。毛管持水量反映土壤對外源水分輸入調節和涵養的能力,關系到森林對降水儲存能力,同時毛管孔隙中持有全部毛管水和少量膜狀水,是可以全部為植物根系吸收利用以及土壤蒸騰作用的水分,對于植株生長和森林水分循環具有重要的生態學意義。本研究中的喬木林和喬灌復合林毛管持水量較草地植被而言,體現出絕對的優勢,分析其原因可能一方面是因為喬木林植被凋落物蓄積量更大,更易在森林內形成防止雨滴濺蝕以及徑流沖刷的緩沖層,創造土壤毛管孔隙形成的有利條件,另一方面可能是因為研究區中喬灌植被根系多為可在土壤中穿插縱橫的粗根,具有較高的密度,而草地植被多為密度較小的淺根,不利于毛管孔隙的形成[27]。綜上可知,群落物種組成較簡單、植被蓋度較低和地上生物量的較小草地和草灌復合叢土壤體現出了較差的水源涵養能力,而植被種類組成豐富,空間組成結構更復雜的喬灌復合林以及喬木林在土壤水源涵養能力上則表現出了明顯優勢。方差分析結果(表3)進一步說明科學調整植被類型,進行合理的植被恢復,可使土壤持水性能得到較大改善。

土壤持水性能受到土壤疏松程度、孔隙狀況等多方面因素影響,明確不同因素對土壤持水性能改善的能力,可為土壤水源涵養效應的改善和調節提供依據。土壤容重、孔隙度通過影響土壤的通氣和蓄水性能,是與林下土壤水源涵養以及導水能力的相關性較強的重要指標[28]。容重表征土壤緊實度,土壤容重越小說明更加疏松,其保水保肥能力更強,反之則表明土壤質地越緊實,蓄水儲肥空間越小。孔隙度狀況反映著土壤的透氣和持水性,同時也是土壤蓄水能力的決定性因子。相關分析結果表明,土壤持水性能與容重、孔隙度呈現顯著相關關系,這與李鵬等[29]的研究結果一致。有研究認為較好的土壤孔隙特征和較為疏松的土壤質地是土壤水運移的有利條件,同時也可有效抑制土壤水分蒸散并增加對地下水的補給[30]。凋落物覆蓋在土壤表層,形成粗糙度較高、對徑流攔截吸收量較大的土表保護層,相關研究表明凋落物的輸入可顯著改善土壤水文效應[29,31],本研究中凋落物攔蓄量與土壤持水性能顯著相關性佐證了這一點(圖5)。綜上,說明改善林分結構,增加物種多樣性,通過增加土壤疏松孔隙狀況以及增加凋落物攔蓄狀況,可提升喀斯特地區林分土壤對水分的儲蓄能力。

注：橢圓右傾表示正相關,左傾表示負相關,p<0.05。

本文從不同植被類型出發研究了凋落物以及土壤的水源涵養效應,探究了凋落物對土壤持水性能的影響,綜合而言喬木林以及喬灌復合林土壤及凋落物水文涵養能相對較優,但由于喀斯特地區特殊的地質生態環境,直接選擇喬木林為植被恢復模式可行性不高,為盡可能提高生態修復效益,可以喬灌復合型植被為該地區首要的植被恢復類型。

4 結 論

(1) 喬木林以及喬灌復合林凋落物具有較大的蓄積量,喬木林持水性能更佳,在森林生態中將發揮較好的水文效應。

(2) 喬木林以及喬灌復合林土壤物理性質以及對水分的涵蓄能力更佳。

(3) 土壤物理及持水性能與凋落物攔蓄特征顯著相關。凋落物通過降低土壤容重,改善土壤質地以及孔隙狀況,對土壤持水性能產生影響。