臨猗縣不同林齡蘋果林地枯落物及土壤水源涵養功能研究

關鍵詞：水源涵養； 蘋果林地； 林齡； 枯落物； 土壤

中圖分類號：S715. 7 文獻標識碼：A DOI：10. 7525/j. issn. 1006-8023. 2024. 06. 004

0引言

水源涵養是生態系統在一定的時空范圍和條件下將水分保持在系統內的過程和能力［1］，是評價陸地生態系統服務功能的重要指標。從最早森林水文學的林冠截留、地表徑流、防洪效應到現在涉及“山水林田湖草沙”等重大綜合治理工程的研究，水源涵養已為中國重大生態戰略的科學規劃和實施提供著大量支撐。生態學視角上的水源涵養功能與蓄水能力、降水量、蒸散能力有關，對降水再分配有重要的影響。一般認為水源涵養能力是植被冠層、枯枝落葉層、土壤層蓄水能力之和，其中，植被截留能力為1. 65 mm［2］，枯落層的蓄水能力一般略高于冠層，為2～5 mm［3-4］，土壤對大氣降水的調節能力達到90% 以上［5］，遠高于植被冠層和枯落層。因此枯落物層和土壤層是水文功能重要組成部分，具有涵養水源、調節地表徑流、減少土壤侵蝕的作用［6-7］，也是土壤健康狀況的直接反映，關系到作物的生長和發育。當前，不少學者對枯落物層和土壤層的水源涵養能力的研究主要集中在林地方面，包括林分組成、林齡、林分密度和立地條件等特征的影響［8-11］，但對于人工經濟林的研究報道還較少。

運城市是山西省的農業主產區，其中臨猗縣屬于農業農村部規劃的溫帶半干旱蘋果優勢產區，2023年“臨猗蘋果”榮獲中國區域品牌（地理標志）百強榜第62位。因其得天獨厚的自然條件，包括土壤質地、豐富的日照和晝夜溫差較大，是黃土高原蘋果產業優勢地帶，同時區域化的栽植規模，日益優化的產業結構，讓蘋果成為當地農民致富的“金蘋果”。然而隨著種植面積的擴大及果樹利用年限的增長，蘋果林地土壤水分和養分含量普遍降低，造成蘋果產量和品質下降［12］，影響運城蘋果市場競爭力。目前針對蘋果林地的研究主要集中在土壤養分、土壤管理、病蟲害防治和果實品質等方面［13-16］，側重于果樹生長狀況的研究，對蘋果林地水分狀況的定量研究相對有限。蘋果林地在經營管理中的清耕制度無法最大限度發揮枯落物的水文性能，同時蘋果屬多年生，深根系，對土壤水分利用深度可超過10 m［17］，因此，測定和分析蘋果林地枯落物和深層土壤水分狀況，對實現蘋果林地水分、養分科學管理和合理施肥具有重大意義。本研究以運城市臨猗縣蘋果主產區為研究對象，探索在不同林齡和土壤深度下蘋果林地枯落物以及土壤水文性能的變化特征，為促進當地蘋果產業的可持續發展提供科學依據。

1研究區域概況和研究方法

1. 1研究區域概況

運城市臨猗縣位于山西省西南部，地理位置為34° 58′52. 9″ ～35° 18′47. 6N，110° 17′30. 7″ ～110°54′38. 9″E，地處黃土高原和華北平原過渡地帶，地帶性土壤類型為在黃土母質上發育的褐土。地勢北高南低，平均海拔500～800 m。氣候類型屬暖溫帶大陸性季風氣候區，日照時間充足，全年平均日照時數2271. 6 h，全年日照總輻射量為123. 9 kcal/cm²，年平均氣溫13. 5 ℃，極端最低氣溫為-11. 2 ℃，極端最高氣溫為42. 8 ℃。年無霜期226 d，年平均降水量499. 1mm，相對濕度61%～70%，獨特的氣候條件為蘋果的生長提供了優越的生態環境，使得這里成為中國特色果品優勢區。

1. 2研究方法

1. 2. 1樣地設置

2023年4月在研究區內選取林齡為4、6、15、30a的典型蘋果林地，每個蘋果林地間隔30 m以上，并保證其地勢和管理措施等基本一致，樣地區域位于35°10′～35°11′N，110°43′～110°44′E。在每個蘋果林地內隨機設置3塊20 m×20 m 的樣地，并對樣地基本概況進行測定，見表1。

1. 2. 2樣品采集與處理

2023年4月在每個樣地內隨機設置3 個采樣點。為了對比不同深度的土壤水分變化特征，最終選取0～60cm深度的剖面進行土壤樣品的采集。在1. 5m×1. 5 m×1 m 剖面坑內按照0～10、10～20、20～40、40～60cm逐層用環刀采集原狀土樣，帶回試驗室進行土壤物理性質和持水能力測定，指標包括土壤容重、土壤持水量和土壤孔隙度等［18］。

在每一個選定的樣地內隨機選取3 個50 cm×50 cm樣方作為枯落物樣品采集區。2023年11月將樣方內所有枯落物取樣裝入密封袋，隨后帶回試驗室進行室內試驗。利用室內浸泡法［19-20］測定水源涵養相關指標，即首先稱量枯落物總質量，之后在85 ℃的烘箱內烘干8 h后稱重，由此可得到枯落物蓄積量和自然持水率。將每一個樣地3個采集區的枯落物烘干后，分別裝入3個干凈網袋內，共計36個網袋，并分別在水中浸泡0. 25、0. 50、1. 00、2. 00、4. 00、8. 00、10. 00、24. 00 h，稱量各時刻的質量，以不滴水時的重量為準。將浸水24 h時枯落物的持水量作為最大持水量，據此推算出有效攔蓄率和有效攔蓄量。

1. 2. 3枯落物和土壤層水源涵養能力綜合評價

采用坐標評定法，將評定對象看作由多向量決定的空間點，比較各點與最佳點的距離，對多個不同量綱指標進行綜合評價［21］。

1. 2. 4數據處理

本研究使用Excel 2010軟件對試驗得出的數據進行統計匯總，運用SPSS 26. 0軟件進行單因素方差分析和差異顯著性檢驗，采用origin 2022軟件制圖。

2結果分析

2. 1不同林齡蘋果林地枯落物層水源涵養能力

2. 1. 1不同林齡蘋果林地枯落物的持水能力

不同林齡蘋果林地枯落物蓄積量具有一定的差異。由表2可知，蘋果林地枯落物總蓄積量范圍為0. 82～2. 09 t/hm²，由大到小依次為15、30、6、4a。經過最小顯著性差異法（LSD）、Duncan檢驗可得出4a的枯落物總蓄積量與15a和30a差異顯著。

枯落物的持水能力表示持水容量及吸收地表徑流的能力，表征指標包括枯落物的最大持水量和最大持水率［22］。由表2可知，枯落物最大持水率為540. 59%～626. 39%，林齡15 a的最大持水率與30 a有顯著性差異?？萋湮镒畲蟪炙糠秶鸀?. 91～13. 09 t/hm²，由大到小依次為15、30、6、4a，其中15 a和30 a枯落物最大持水量與4a的差異顯著。

枯落物層的攔蓄能力代表枯落物對一次降水的最大截留能力，與枯落物的數量、水分狀況和降雨性質有關，表征指標包括有效攔蓄率和有效攔蓄量。由表2可知，不同林齡蘋果林地枯落物有效攔蓄率的范圍為325. 03%～448. 85%，不同林齡間差異性不顯著。有效攔蓄量的范圍3. 36～9. 38 t/hm2，由大到小依次為15、30、6、4 a，不同林齡間差異性顯著。

2. 1. 2不同林齡蘋果林地枯落物層的持水過程

枯落物的持水量與浸水時間成正比，吸水速率與枯落物的數量、自然含水量等因素有關［23］。由圖1可知，枯落物持水量隨浸泡時間的變化趨勢基本一致。在浸水初期2 h內，枯落物的持水量隨時間變化有明顯的上升，說明枯落物處于快速吸收的階段。到2 h時，各林齡蘋果林地枯落物的持水量已達到飽和持水量的85%以上。隨著浸泡時間的增加，枯落物持水量增加速率逐漸變緩。在浸水10 h后基本達到飽和狀態，分別達到飽和持水量的97. 5%、96. 8%、98. 6%、98. 1%。對浸水0. 25～24 h 范圍內的4種不同林齡蘋果林地枯落物的持水量與浸泡時間展開擬合分析，發現持水量與浸水時間呈現出比較顯著的對數函數關系，得到的回歸系數R2均大于0. 88，見表3，關系式為：Q=alnt+b。其中，Q表示枯落物的持水量，t/hm²；a、b為方程式中的系數。

由圖2可知，枯落物吸水速率隨著浸水時間的延長而降低，其吸水速率變化過程基本一致，與浸泡時間表現為負相關關系。在最初的0. 25h時間段內，枯落物吸水速率最大，但隨著浸泡時間的增加，吸水速率逐漸降低，在浸泡24 h后，吸水速率接近0，處于一種動態平衡的狀態。通過比較分析，不同林齡蘋果林地枯落物的持水量和吸水速率在0～2h時間段內，由大到小呈現出30、15、6、4a，之后的時間段，則為15、30、6、4a。

對浸水0. 25～24h的4種不同林齡蘋果林地枯落物的吸水速率與浸泡時間進行擬合分析，發現吸水速率與浸水時間呈現出比較顯著的對數函數關系，得到的回歸系數R²均大于0. 99，見表4，關系式滿足V=at^-b。其中，V表示枯落物的吸水速率，t（/ hm²·h）；a、b為方程式中的系數。

2. 2不同林齡蘋果林地土壤層的水源涵養能力

2. 2. 1不同林齡蘋果林地土壤物理性狀

容重是土壤物理結構、緊實度和滲透性的重要指標。一般認為，當土壤容重小時，土壤結構、透氣透水性能越好。由圖3可知，土壤容重均值由大到小為4a（1. 43g/cm³）、6a（1. 36 g/cm³）、15a（1. 21 g/cm³）、30a（1. 19 g/cm³）。不同林齡蘋果林地土壤容重隨土層加深呈現先增大再減小的趨勢，但各林齡土壤容重在不同土層之間差異較小。所有齡組土壤容重均在0～10 cm表層最小，在20～40 cm土層達到最大值。0～20 cm土層土壤容重的林齡差異顯著，其余土層均差異不明顯。其中，0～10 cm土層土壤容重在15a時最小（1. 04 g/cm³），其次為30a（1. 12g/cm³）、6a（1. 30 g/cm³）、4a（1. 34 g/cm³）。在10～20、20～40、40～60cm 土層，土壤容重在30a時最小，分別為1. 14、1. 28、1. 21 g/cm³，并與4a間存在顯著性差異。

對于果樹而言，一般認為適宜的土壤容重應在1. 00～1. 30 g/cm³［24］，本研究發現，只有30a 蘋果林地在0～60cm范圍內土壤容重處于適宜范圍（1. 12～1. 28 g/cm3），15a蘋果林地在表層0～20 cm層次處于適宜容重范圍（0. 99～1. 18 g/cm³），6 a蘋果林地僅在表層0～10cm層次處于適宜容重范圍，4a蘋果林地在0～60cm 范圍內土壤容重超過適宜范圍（1. 34～1. 50 g/cm³）。由此可見，蘋果林地土壤容重大致在0～20cm土層處于適宜范圍，但在20～60 cm底土層明顯增大，亞表層以下土層相對緊實。

不同林齡蘋果林地土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度（土壤毛管孔隙加上非毛管孔隙）隨土層加深的變化規律不一致。由圖4可知，除4a，其余林齡土壤毛管孔隙度和總孔隙度隨土層加深而逐漸減小，但各林齡土層間的差異不顯著。不同土層土壤孔隙度的林齡差異顯著，在0～10cm土層，30a土壤毛管孔隙度最大（58. 78%），非毛管孔隙度和總孔隙度以15a最高，分別為7. 13%和63. 05%。在10～20 cm和40～60 cm土層，土壤毛管孔隙度和總孔隙度隨著林齡的增加逐漸增大，在30a時最大，分別為56. 85%、59. 71% 和53. 04%、55. 56%。在20～40 cm土層，土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度均以30a最高，分別為54. 34%、3. 49% 和57. 83%。在0～60cm土層，平均毛管孔隙度和平均總孔隙度均隨著林齡的增長呈現明顯增加的趨勢，在30 a林齡時最高，分別為55. 75%和58. 47%。

不同林齡蘋果林地土壤剖面孔隙度大體以20 cm處為界，具有明顯的“上松下實”的變異特征。30a蘋果林地土壤總孔隙度均保持在50% 以上（55. 56%～60. 78%），6a和15 a蘋果林地在0～20cm土層在50%以上，在20～60cm土層維持在45. 0%～50%范圍，4a蘋果林地在0～40cm土壤處于45. 03%～47. 32%，在40～60 cm土層低于45%（44. 53%），根據魏彬萌等［25］提到的孔隙度在50%以上，屬于結構良好狀態，45%～50%屬于壓實狀態，40%～45%屬于嚴重壓實狀態的標準，本研究中蘋果林地土壤20～60 cm土層處于壓實和嚴重壓實的狀態，不利于果樹根系的延伸。

2. 2. 2不同林齡蘋果林地土壤持水能力

由表5可知，不同林齡蘋果林地土壤各土層間的土壤含水率、最大持水量和毛管持水量差異不顯著。30a林齡時土壤最大持水量和毛管持水量均隨土層加深逐漸降低，其余林齡呈現先減小再增加的趨勢，0～10cm土層持水量最大，20～40cm土層持水量最低。在0～10cm土層，15a林齡的土壤持水能力均顯著高于其余林齡。在10～20cm土層，30a林齡的土壤最大持水量和毛管持水量明顯高于其余林齡，土壤持水能力隨著林齡的增長逐漸增加。在其余土層，各林齡土壤持水能力差異性不顯著，在30a林齡時最大。在0～60 cm土層，平均土壤含水率、平均最大持水量和平均毛管持水量均隨著林齡的增長呈現明顯增加的趨勢，在30a林齡時最高。

2. 3不同林齡蘋果林地枯落物和土壤水源涵養能力評價

選取枯落物（蓄積量、最大持水量和有效持水量）和土壤（ 毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度、毛管持水量和最大持水量） 作為水源涵養能力的評價指標。首先對原始各項指標數據進行無量綱化處理，之后根據式（3）得出不同林齡枯落物和土壤水源涵養能力的綜合評價值，其值越小，表示水源涵養能力越強。由表6可知，不同林齡水源涵養能力綜合表現由大到小為15、30、6、4a。

3結果與討論

3. 1不同林齡蘋果林地對枯落物的水文效應的影響

本研究對運城市臨猗縣不同林齡蘋果林地枯落物層的水文功能進行研究，探討了各類型枯落物層的蓄積量和持水能力。結合果樹的生長階段特征，選取的4、6、15、30 a的蘋果林地，分別對應于蘋果樹的4個不同生長時期。其中，4 a為掛果前期林齡，6 a為掛果初期林齡，15 a為掛果旺期，30a為掛果后期林齡。蘋果林地枯落物蓄積量受到溫度、降水和光照等氣候因子，以及種植密度、樹木組成、生長狀況和人為作業措施等生物因素的影響［26］，本研究中4種林齡枯落物層總蓄積量為0. 82～2. 09t/hm²，由大到小依次是15、30、6、4a，枯落物蓄積量隨著林齡的增長表現為先增大后減小的趨勢，以4a時的最小，15a時的最大。一些研究表明枯落物分解速率與林齡呈現負相關關系［27］。一方面隨著林齡增長，蘋果林地郁閉度逐漸增加，使得園內微環境如光照、溫度和穿透雨呈現下降趨勢，這些因素降低了枯落物的破碎和淋溶等過程［22，28］；另一方面大齡林相比于幼齡林有更多的凋落物輸入，枯落物堆積相對緊密、孔隙較小、密度較大［29］，因此掛果前期和初期枯落物總蓄積量低于旺期后期。結合本研究，林齡為15a的蘋果林地處于壯果期，每年的生長量較大，可產生大量的枯落物。30a林齡的果樹處于生長最后階段，新陳代謝緩慢，年生長量逐漸減小，此時蓄積量低于15a林齡。該結果與富麗等［30］、楊家慧等［31］研究結果基本一致，與葉晶等［32］、羅航等［9］、高迪等［22］研究結論有所區別，主要原因在于樹種類型、立地條件不同。

枯落物的持水能力取決于蓄積量、干燥程度、內部結構或排列形狀等［33］。本研究中枯落物最大持水量和有效攔蓄量均以15 a為最大，此結論與枯落物蓄積量表現規律一致。相關性分析也表明蓄積量與最大持水量、有效攔蓄量顯著相關（Plt;0. 05），由此得出枯落物的蓄積量增加，持水能力也隨之增加，對實際降雨的攔蓄能力增強，這與趙錦梅等［34］、許小明等［35］結果一致。

不同林齡樣地的枯落物持水量和吸水速率隨浸泡時間變化具有規律性，枯落物的持水量與浸水時間呈正相關性。在浸泡初期，枯落物自身相對干燥，2 h內枯落物持水量快速上升，浸泡10h后，其持水量達到最大值并處于穩定飽和狀態?？萋湮镂俾逝c浸水時間為負相關關系，在最初的0.25h時間段內，吸水速率最大，之后逐漸降低，在浸泡24 h后，枯落物的吸水速率接近0，處于一種動態平衡的狀態?？萋湮飳映炙?、吸水速率與浸水時間分別存在良好的對數和冪函數關系，這與大多數學者的研究結果相似［9，21-22，25］。從吸水動態變化來看，不同林齡蘋果林地枯落物的持水量和吸水速率在0～2 h時間段內，由大到小呈現出30、15、6、4a，之后的時間段，則為15、30、6、4a。

3. 2不同林齡蘋果林地對土壤的水文效應的影響

土壤容重是反映土壤緊實度的一個指標，受地表植被、土壤成分組成、土層深度、土壤水分狀況和土壤溫度等因素影響。土壤孔隙度是土壤結構的一個重要參數，反映土壤孔隙狀況和松緊程度，評價土壤空氣和水分的通透情況。其中毛管孔隙表征土壤的儲水性能，非毛管孔隙反映土壤的透水性能，孔隙情況良好的土壤能較快容納降雨并促進徑流下滲，減少徑流產生［5］。土壤最大持水量可反映土壤水源涵養能力［36］。

本研究發現，隨著林齡的增加，平均土壤容重逐漸減小，平均毛管孔隙度、平均總孔隙度、平均最大持水量和平均毛管持水量逐漸增加，與葉晶等［32］、王美蓮等［37］等研究結果相似。這可能與枯落物分解、土壤中的水分和蘋果林地精細管理有關，一方面隨著林齡增長，大齡林相比于幼齡林有更多的凋落物輸入，枯落物分解提供了大量的有機碳，有效提高了土壤團聚體穩定性［38］，對土壤孔隙結構產生有利影響，改善了土壤的通氣性和保水能力，土質疏松，土壤容重變小。其次通過相關性分析，土壤自然含水率與土壤容重呈現負相關關系，與土壤毛管孔隙度、總孔隙度呈現極顯著正相關。因此當水分在適宜范圍內，有利于土壤中微生物的活動，使得有機質含量增加，土壤容重降低。另外蘋果林地生長管理時間越長，土壤養分含量越高。本研究土壤容重、孔隙度與持水量都有著極顯著的相關性，說明了土壤的物理性質決定了土壤的持水能力。

相關研究表明，隨著土層的加深，土壤容重逐漸增加，土壤總孔隙度和最大持水量呈現減小的趨勢［9，22］。這主要是因為下層土壤受上層土的壓實，同時土層越深，有機質含量越少。本研究發現土壤容重隨土層加深呈現先增大再減小的趨勢，除30 a林齡時土壤最大持水量和毛管持水量隨土層加深逐漸降低外，其余林齡呈現先減小再增加的趨勢，0～10 cm土層持水量最大，20～40cm土層持水量最低，40～60 cm土層持水量有所提高。分析產生的原因，可能與蘋果深根特性有關，蘋果根系在土壤中穿插、擠壓和分泌物質，一定程度上促進了土壤顆粒的膠結和毛管孔隙的形成，也提供了大量的有機碳，進而改善了土壤的結構，使得土壤的持水能力增強［39］。

4結論

1）4種林齡枯落物層總蓄積量為0. 82～2. 09t/hm²，總的最大持水量范圍為4. 91～13. 09 t/hm²，有效攔蓄量在3. 36～9. 38 t/hm²，隨著林齡的增長枯落物層水源涵養能力表現為先增大后減小的趨勢，以4a時的最小，15 a時的最大。

2）在0～60cm土層，隨著林齡的增加，平均土壤容重逐漸減小，平均毛管孔隙度、平均總孔隙度、平均最大持水量和平均毛管持水量呈現明顯增加的趨勢，在30a林齡時最高。不同林齡蘋果林地土壤容重隨土層加深呈現先增大再減小的趨勢，所有齡組土壤容重均在0～10cm表層最小。除4a，其余林齡土壤毛管孔隙度和總孔隙度隨土層加深而逐漸減小，但各林齡土層間的差異不顯著。30a林齡時土壤最大持水量和毛管持水量均隨土層加深逐漸降低，其余林齡呈現先減小再增加的趨勢，0～10土層持水量最大，20～40 cm土層持水量最低。

3）采用坐標綜合評定法對不同林齡蘋果林地枯落物層和土壤層水源涵養能力進行綜合評價，隨著林齡增長，蘋果林地水源涵養能力呈現先增加后減小的趨勢，林齡在15 a時水源涵養能力最佳，其次為30 a。

4）蘋果林地生態環境是一個動態平衡的有機整體，本研究中不同林齡蘋果林地枯落物層和土壤層的水源涵養能力的發揮體現出的不完全同步性，強調了在蘋果科學種植管理中應確定合理的林齡，保持最佳的水文效應。為了更好地了解蘋果種植的關鍵影響因素，后續將開展土壤養分、土壤酶活性、土壤有機碳組分與蘋果產量和品質間關系的研究，對運城市蘋果主產區的水肥管理提供理論指導，推動山西蘋果產業的健康持續發展。