羅 航，何介南，2，康文星，3，羅 靜，李 翔

（1.中南林業(yè)科技大學 林學院，湖南 長沙 410004；2.水土保持與荒漠化防治實驗室，湖南 長沙 410004；3.南方林業(yè)生態(tài)應用技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410004）

水源涵養(yǎng)是指生態(tài)系統(tǒng)在一定時空范圍內保持水分的過程和能力，是森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能的重要體現(xiàn)[1-2]，森林生態(tài)系統(tǒng)通過林冠、枯落物和土壤完成對降水的分配、貯存和循環(huán)[3-4]。土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的主體。研究表明，土壤水源涵養(yǎng)能力占森林綜合調蓄能力的90%以上，土壤具有豐富的毛管孔隙可以貯存部分降水，供植物生長發(fā)育，過多的降水會通過非毛管孔隙形成地下徑流[5]；其次，枯落物層可以防止土壤濺蝕，減小地表徑流，改良土壤結構，對林地水源涵養(yǎng)起調節(jié)作用[6]。因此，研究土壤和枯落物層的持水能力對于探究森林生態(tài)系統(tǒng)的水文過程和水量平衡具有重要意義。影響森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力的因素很多，與林分結構、枯落物層、土壤、氣候、地理位置等因子密切相關，但主要受林分結構和土壤持水能力控制[2,7-9]。目前，用于核算森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力的方法主要有土壤蓄水能力法、林冠截留剩余量法、綜合蓄水能力法、水量平衡法等[1,10-13]，其中，綜合蓄水能力法考慮到林冠、枯落物層和土壤3個層次對降水的攔蓄作用，比較全面，在一些研究中，往往忽略林冠的持水能力，而是通過泡水實驗研究枯落物層和土壤2個層次對降水的攔蓄潛力。

互葉白千層Melaleuca alternifolia為桃金娘科Myrtaceae白千層屬Melaleuca植物，原產于澳大利亞北部沿海及東南亞馬來群島等地區(qū)。目前，國內外諸多學者對互葉白千層及其枝葉提取物——茶樹精油（Tea tree oil，TTO）進行了廣泛而深入的研究，研究成果主要集中在育種栽培、精油成分、精油抗菌、產品開發(fā)等方面[14-20]?；ト~白千層植物多為喬木，少數(shù)直立灌木，樹高可達10 m，葉披針狀，長10～32 mm，根系發(fā)達，喜濕熱，對鹽分和水分具有耐受性[21]，使其在保持土壤、涵養(yǎng)水源方面起著重要作用。本研究選擇了湘南紅壤區(qū)不同林齡的互葉白千層人工林為研究對象，研究其枯落物層和土壤層的水源涵養(yǎng)能力，為我國南方紅壤區(qū)水土保持林的構建提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地位于湖南省寧遠縣寧遠興泰生物科技有限公司的互葉白千層種植基地（112°12′17″～112°13′21″E，25°39′27″～25°40′09″N），種植面積400多hm2，海拔260～295 m，屬于典型的亞熱帶季風氣候，春夏多雨，四季分明，多年平均降水量1 399.4 mm，降水主要集中在3—7月，約占全年降水量的70%，年均氣溫18.4℃，無霜期長；地帶性土壤以紅壤為主，土層厚度0.6～1.0 m。種植基地有1～8年生互葉白千層人工林，林下植被簡單、稀疏，少灌木，主要草本植物有鋪地黍Panicum repens、狗尾草Setaria viridis、車前草Plantago asiatica等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地的設置

選擇1年生（1 a）、3年生（3 a）、5年生（5 a）、7年生（7 a）互葉白千層人工林（第一代）及荒坡地（耕而未種）為研究對象，品種為松油醇-4型。2018年10月，在4種林齡互葉白千層人工林及荒坡地分別設置3塊20 m×20 m的標準樣地，調查樣地及林分的基本概況見表1。

表1 不同林齡互葉白千層人工林樣地基本概況Table 1 Basic survey of sample plots of Melaleuca alternifolia plantation with different stand ages

1.2.2 枯落物蓄積量及持水能力的測定

在每塊標準樣地四個角及中心設置0.5 m×0.5 m樣方（即每塊樣地5個樣方），共計75個樣方，用直尺測定每個樣方內枯落物層厚度，將每個樣方內的枯落物全部收集，并標記、稱質量和記錄（由于枯落物層分解不明顯，未細分為分解層、半分解層）。將收集的枯落物樣本帶回實驗室，在75℃恒溫烘箱中烘干至恒質量，稱質量，計算自然含水量（率）和單位面積枯落物蓄積量。

將同一個標準樣地內收集的枯落物（已烘干）均勻混合，取100 g樣品裝入紗網(wǎng)袋進行浸水測定。分別測定浸水0.25、0.5、1、2、4、8、12、24 h樣品的濕質量（重復3次，當浸水樣品不再向外滴水時稱質量），計算不同浸泡時間下枯落物持水量、持水率、吸水速率。一般認為枯落物層浸泡24 h時，其含水量達到飽和，此時的持水量為最大持水量，并計算有效攔蓄量[22]。相關指標計算公式如下：

式中：M0表示烘干枯落物質量(g)；Mi表示不同泡水時間枯落物濕質量(g)；Wi表示不同泡水時間枯落物持水量(g)；i=1,2,3,…,8；Ri表示不同泡水時間枯落物持水率；Ti表示不同泡水時間枯落物吸水速率(t·hm-2h-1)；M′表示采集樣品時枯落物濕質量(g)；W′表示自然持水量(g)；R′表示自然含水率(%)；Rm表示最大持水率(%)；W表示有效攔蓄量(t·hm-2)。

1.2.3 土壤物理性質及持水能力的測定

在每塊標準樣地上、中、下3個坡位各挖1個土壤剖面，按0～20、20～40、40～60 cm劃分土層，用200 cm3環(huán)刀在每個土層取3個原狀土樣，密封，帶回實驗室處理。參照中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準《森林土壤水分—物理性質的測定(LY/T1215—1999)》的方法，計算土壤容重、孔隙度等物理性質以及土壤自然含水率、最大持水量等持水性能指標，并通過非毛管孔隙度、毛管孔隙度及土層厚度計算土壤有效蓄水量和飽和蓄水量[23]。計算公式如下：

式中：P0、Pc分別表示土壤非毛管孔隙度（%）和土壤毛管孔隙度（%）；W0、Wc分別表示土壤有效蓄水量（t·hm-2）和飽和蓄水量（t·hm-2）。

1.2.4 回歸分析

用對數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)分別對枯落物層持水量、吸水速率與浸水時間進行回歸分析。

式中：y表示枯落物層持水量（t·hm-2）；t表示浸水時間（h）；a、b為待估參數(shù)；v表示枯落物吸水速率（t·hm-2h-1）；k為待估系數(shù)；n為待估指數(shù)。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2019軟件對原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計匯總，計算均值、標準差，使用SPSS 22.0軟件進行同一指標不同林齡間的單因素方差分析，顯著水平P=0.05，使用Origin 2019b軟件進行圖像繪制。

2 結果與分析

2.1 枯落物層水源涵養(yǎng)特征

2.1.1 枯落物層厚度及蓄積量

由圖1可知，不同林齡互葉白千層人工林枯落物層厚度為0.52～1.63 cm，依次為7 a(1.63 cm)＞5 a(1.47 cm)＞3 a(1.12 cm)＞CK(0.71 cm)＞1 a(0.52 cm)。不同林齡互葉白千層人工林枯落物層蓄積量為0.59～2.14 t·hm-2，依次為7 a(2.14 t·hm-2)＞5 a(2.07 t·hm-2)＞3 a(1.57 t·hm-2)＞1 a(0.68 t·hm-2)＞CK(0.59 t·hm-2)，其中7 a、5 a與3 a、1 a、CK間具有顯著性差異。

圖1 互葉白千層人工林枯落物層的厚度和蓄積量Fig.1 Thickness and accumulative volume of litter layer of Melaleuca alternifolia plantation

2.1.2 枯落物層持水過程

圖2A展示了不同林齡互葉白千層人工林及荒坡地的枯落物層持水量隨浸泡時間的變化特征。隨著浸水時間的延長，枯落物持水量逐漸增加，在0～2 h內，枯落物層持水量增加迅速；2～12 h內，持水量增加趨近平緩；至24 h時，持水量基本達到飽和狀態(tài)。通過回歸分析，得到枯落物層持水量與浸水時間的對數(shù)型函數(shù)關系式（表2）。

圖2B展示了不同林齡互葉白千層人工林及荒坡地的枯落物層吸水速率隨浸泡時間的變化特征，大致呈現(xiàn)“L”型曲線。隨著浸水時間的增加，枯落物層吸水速率逐漸減小，浸水1 h內吸水速率變化最快，下降趨勢明顯，在2～8 h內，吸水速率下降趨勢變緩，而8～24 h內吸水速率逐漸趨近于0。通過回歸分析，得到枯落物層吸水速率與浸水時間的冪型函數(shù)關系式（表2）。

圖2 不同林齡互葉白千層人工林枯落物層持水量、吸水速率隨時間的變化Fig.2 Changes of litter water holding capacity and water absorption rate of Melaleuca alternifolia plantation with time

表2 不同林齡互葉白千層人工林枯落物層持水量、吸水速率與浸水時間的關系Table 2 Relationship between water holding capacity or water absorption rate and soaking time of litter in Melaleuca alternifolia plantation with different stand ages

2.1.3 枯落物層持水能力

如表3所示，枯落物層的自然含水率為18.26%～28.31%，依次為7a(28.31%)＞5 a(27.49%)＞3 a(24.29%)＞1 a(20.17%)＞CK(18.26%)；最大持水率為279.0%～327.1%，依次為CK(327.1%)＞7 a(296.5%)＞5 a(285.7%)＞3 a(279.6%)＞1 a(279.0%)；最大持水量為1.897～6.345 t·hm-2，依次為7 a(6.345 t·hm-2)＞5 a(5.914 t·hm-2)＞3 a (4.390 t·hm-2)＞CK(1.930 t·hm-2)＞1 a(1.897 t·hm-2)；有效攔蓄量為1.475～4.787 t·hm-2，依次為7 a (4.787 t·hm-2)＞5 a(4.458 t·hm-2)＞3 a(3.350 t·hm-2)＞CK(1.533 t·hm-2)＞1 a(1.475 t·hm-2)?；钠碌乜萋湮飳幼畲蟪炙曙@著高于各個齡組的互葉白千層人工林；7 a和5 a最大持水量顯著高于3 a、1 a和荒坡地，而有效攔蓄量與最大持水量表現(xiàn)出相似的規(guī)律。

表3 不同林齡互葉白千層人工林枯落物層的持水能力Table 3 Water holding capacity of litter of Melaleuca alternifolia with different stand ages

2.2 土壤層水源涵養(yǎng)特征

2.2.1 土壤物理性質

由表4可知，4種不同林齡互葉白千層人工林及荒坡地土壤容重均值為1.18～1.35 g·cm-3，依次為7 a＞5 a＞3 a＞1 a=CK，總體上，隨著林齡的增加，土壤容重有逐漸增加的趨勢，7年生互葉白千層土壤容重相比1年生增加了14.4%。同時，隨著土層厚度的增加，土壤容重有小幅增加的趨勢，但同一林齡不同土層之間不存在顯著性差異。土壤毛管孔隙度均值為32.2%～37.3%，依次為1 a=CK＞3 a＞5 a＞7 a，總體上，隨著林齡的增加，土壤毛管孔隙度有逐漸減小的趨勢，與土壤容重呈現(xiàn)相反的趨勢。同時，隨著土層厚度的增加，毛管孔隙度有逐漸減小的趨勢，除7年生互葉白千層的0～20 cm土層與20～40、40～60 cm土層之間以及荒坡地0～20 cm土層與40～60 cm土層之間存在顯著性差異外，其它同一林齡不同土層之間不存在顯著性差異。土壤非毛管孔隙度均值為17.2%～23.3%，依次為CK＞1 a＞3 a＞5 a＞7 a；土壤總孔隙度均值為49.3%～60.6%，依次為CK＞1 a＞3 a＞5 a＞7 a，兩者與土壤毛管孔隙度表現(xiàn)出較為相似的規(guī)律。

表4 不同林齡互葉白千層人工林及荒坡地土壤物理性質?Table 4 Soil physical properties of Melaleuca alternifolia plantations and barren slopes with different stand ages

2.2.2 土壤持水能力

由圖3可知，4種不同林齡互葉白千層人工林及荒坡地0～60 cm土壤有效持水量為1 030～1 396 t·hm-2，依次為CK(1 396 t·hm-2)＞1 a(1 342 t·hm-2)＞3 a(1 192 t·hm-2)＞5 a(1 174 t·hm-2)＞7 a(1 030 t·hm-2)；土壤毛管持水量為1 930～2 238 t·hm-2，依次為CK(2 238 t·hm-2)=1 a(2 238 t·hm-2)＞3 a(2 208 t·hm-2)＞5 a(2 114 t·hm-2)＞7 a(1 930 t·hm-2)；土壤飽和持水量為2 960～3 634 t·hm-2，依次為CK(3 634 t·hm-2)＞1 a(3 580 t·hm-2)＞3 a(3 404 t·hm-2)＞5 a(3 288 t·hm-2)＞7 a(2 960 t·hm-2)。總體看，三者表現(xiàn)出相似的規(guī)律，荒坡地土壤持水能力大于互葉白千層人工林，此外隨著林齡的增加，土壤蓄水能力有逐漸減小的趨勢。

圖3 不同林齡互葉白千層人工林和荒坡地土壤持水能力Fig.3 Soil water holding capacity of Melaleuca alternifolia plantation and barren slope with different forest ages

2.3 枯落物層與土壤水源涵養(yǎng)能力比較

林地蓄水能力為枯落物蓄水量與0～60 cm土層有效持水量之和，其均值分布在1 034.787～1 397.533 t·hm-2之間，依次為CK＞1 a＞3 a＞5 a＞7 a（表5）。此外，枯落物有效攔蓄量占綜合蓄水量的比例極小，大致為0.11%～0.46%，其中7年生互葉白千層林下枯落物有效攔蓄量最大也僅為綜合蓄水能力的0.46%。而0～60 cm土壤層有效持水量占綜合蓄水量的比例極高，均超過99.5%?？梢姡寥朗侨斯ち炙春B(yǎng)的主體，對整個林地蓄水能力起著至關重要的作用。

表5 枯落物、土壤水源涵養(yǎng)能力比較Table 5 Comparison of water conservation capacity between litter and soil

3 討 論

枯落物層厚度及蓄積量主要受林分類型、林分密度、林齡、人為活動及枯落物自身分解速率、積累年限等因素影響[24]。本研究中，枯落物層厚度為0.52～1.63 cm，蓄積量為0.59～2.14 t·hm-2，且隨著林齡的增加逐漸增大，但增加速率卻在減緩，這與彭云等[25]、楊家慧等[26]的研究結論相似。此外，與其它成熟的天然林相比，其枯落物層厚度和蓄積量明顯偏低，這與林分類型和管理模式存在一定關系[27]，互葉白千層為常綠樹種，葉片小而生長周期長，致使枯落物層蓄積量偏低?？萋湮飳映炙颗c浸水時間存在良好的對數(shù)函數(shù)關系，R2為0.882～0.901（P＜0.05），而吸水速率與浸水時間也存在良好的冪函數(shù)關系，R2為0.980～0.988（P＜0.05），這與已有的研究結果相似[4,28]。

枯落物層最大持水量可以反映其最大持水潛力，最大持水率可以反映其持水能力，而有效攔蓄量能夠體現(xiàn)枯落物層的真實攔蓄能力[29]。本研究中，枯落物層最大持水量為1.897～6.345 t·hm-2，有效攔蓄量為1.475～4.787 t·hm-2，且隨林齡的增大而逐漸增大；荒坡地枯落物層相比互葉白千層人工林具有更高的最大持水率，這與枯落物層結構存在重要聯(lián)系，荒坡地枯落物層組成更復雜，同時含有葉片更寬、持水能力更好的闊葉[30]。與成熟的天然林相比，互葉白千層人工林枯落物層持水量明顯偏低，這與林分類型、枯落物層蓄積量存在一定聯(lián)系，枯落物層蓄積量越大、持水率越高其持水能力越強[31]。

土壤有效持水量是評價森林土壤水源涵養(yǎng)能力的重要指標，一般將枯落物層有效攔蓄量與土壤有效持水量之和視為林地綜合蓄水能力。本研究中，土壤有效持水量為1 030～1 396 t·hm-2，且隨林齡的增加而逐漸減小。土壤持水能力與林分結構、土壤物理性質以及土層厚度密切相關。已有研究表明，土壤孔隙度越高，土層厚度越大，其持水能力越強[32]，互葉白千層人工林土壤結構良好，土層較深，具有良好的水源涵養(yǎng)能力。林地綜合蓄水量為1 034.787～1 397.533 t·hm-2，隨林齡的增加而逐漸減小。此外，土壤有效持水量占綜合蓄水量的比例超過99.5%，與其它林地相比明顯偏高[33]，這主要是由互葉白千層人工林土層深厚、土壤孔隙度高而枯落物層薄導致的。

本研究還存在一些不足。一是未考慮采樣時間等因素，只能估算林地某一時點的水源涵養(yǎng)潛力，與現(xiàn)實情況存在一定出入。二是未考慮林冠截留對林地蓄水能力的影響，林冠作為林地水文過程的第一個發(fā)生層次，對森林水源涵養(yǎng)能力起著重要影響[34]。三是未考慮林冠、枯落物層和土壤水分蒸散的過程，水分蒸散是林地水文過程的重要組成部分[34-35]。因此，完善水文過程、詳細核算林地水源涵養(yǎng)能力還需進一步研究。

4 結 論

生長周期短、人為干擾嚴重致使互葉白千層人工林與天然林相比存在許多不同。土壤是人工林水源涵養(yǎng)的主體，其涵養(yǎng)的水量超過林地綜合蓄水量的99.5%。隨著互葉白千層林齡的增加，其綜合蓄水能力呈現(xiàn)衰減的趨勢。本研究對人工林經(jīng)營管理、水土資源優(yōu)化和生態(tài)保護等具有一定指導意義。