杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国南方特有的速生用材林树种之一, 具有生长快、材质好、产量高、栽培面积广等优点, 具有悠久的栽培历史。我国南方杉木林大面积集中连片、多代连栽, 引起地力衰退, 生境恶化, 林分稳定性下降, 产量逐代递减, 病虫害蔓延等严重生态后果(俞新妥, 1997)。根据不同树种的生物学和生态学特性, 合理配置针阔混交林, 增加系统的生物多样性, 能有效地保持林分稳定性和改善土壤肥力, 对保持人工林生态系统的持续生产力和稳定性具有重要意义。本文对福建省长泰岩溪杉木混交林的水源涵养和土壤性状进行分析探讨。

1 试验地概况

福建省长泰岩溪林场板里工区, 东经117°37′, 北纬24°47′, 属亚热带季风湿润气候。夏长冬短, 霜雪偶见。全县年平均气温为18.1 ℃, 雨量充沛, 年平均降雨量1 460 mm, 降雨日170 d, 3 —6月为雨季。试验地土壤类型山地红壤, 海拔45 ~ 400 m, 坡度20 ~ 30°, 地带性植被以常绿阔叶林、杉木-马尾松(Pinus massoniana)针叶林和毛竹(Phyllostachys pupescens)林为主。

2 测定方法 2.1 地上部分和枯枝落叶层持水量

持水量测定用浸水法测定。分别选取乔木层枝叶(选取代表枝)、树皮、灌木层茎叶, 草本层茎叶和枯枝落叶层新鲜样品, 装入网袋后浸入水中12 h后, 迅速捞起测定持水量, 并根据各部分生物量换算为单位面积的持水量。

2.2 土壤性质

分别在不同混交类型的标准地内按对角线布5个点, 分0 ~ 20、20 ~ 40 cm取土样1 kg左右, 取样点均设在两树之间的正下方, 各标准地样点按相同层次分别等量混合后供室内分析测定用。用环刀和铝盒取原状土壤供土壤物理性质分析。

土壤容重、渗透系数和土壤水分物理性质采用环刀法; 土壤团聚体组成采用机械筛分法; 土壤机械组成和微团聚体采用吸管法。土壤有机质用硫酸重铬酸钾法, 全N采用硒粉-硫酸铜-硫酸消化, 蒸馏滴定法, 全P采用钼锑抗比色法, 水解性N采用扩散吸收法, 速效P采用盐酸-氟化铵法, 速效K采用四苯硼钠比浊法。

3 结果与分析 3.1 混交林的水源涵养功能 3.1.1 各林分地上部分的持水效应

森林生态系统通过地上部分的林冠层、林下植被层和枯枝落叶层等对降雨进行拦蓄和重新分配, 削弱了降雨侵蚀力; 同时延缓了地表径流产生的时间、减少了地表径流的冲刷力。因此, 林分地上部分持水量的大小对森林水源涵养功能的发挥具有重要作用。由于林分结构和各树种的生物学特性不同, 不同的林分地上部分各层的水文作用功能差异较大。

林冠层的持水能力  降雨首先为林冠层所截持, 林冠层的截持能力, 主要由林冠层枝叶生物量、叶面积指数及其枝叶持水率所决定。从表 1可以看出, 不同混交类型林冠层持水量差异很大。总体来说, 混交林的持水能力比纯林强, 这是因为混交林形成复层林, 单位面积上杯冠的枝叶数量多、叶面积指数大。杉木-巨尾桉(Eucalyptus urophyua)混交林因枝叶生物量大, 因而林冠层的持水量最大; 杉木-马尾松混交林中因马尾松枝叶持水率较小, 所以持水量也相对较小。

林下植被层的持水能力  经林冠下落的雨水及穿透雨为林下植被所截持, 林下植被的持水量与其数量成正比, 一般是随着林分郁闭度和人类活动强度增加而减小。从表 2可以看出, 林下植被的持水率一般为草茎叶大于灌木枝叶, 4种混交林灌木层的持水量差异不大, 但草本层的持水量差异则很大。由于杉木-马尾松混交林和杉木-米老排混交林林下草本的生物量较大, 使这2种混交林林下植被层的持水量较大, 而杉木-巨尾桉混交林和杉木-火力楠混交林林下草本层生物量较低, 使其林下植被层的持水量也低。

枯枝落叶层的持水能力  枯枝落叶层除了保护和改良土壤结构、维护和提高土壤肥力、增加土壤渗透率外, 在截持降雨、减小地表径流方面也起到重要的作用。从表 3可明显看到, 枯枝落叶层的持水率比其它样品成分的大。杉木-巨尾桉混交林的林地枯枝落叶量少, 但持水率最大; 杉木-米老排混交林的枯枝落叶层厚, 总鲜重达杉木-巨尾桉混交林的5倍, 持水率虽然比杉木-巨尾桉混交林低, 但总持水量是杉木-巨尾桉混交林的4倍; 杉木-火力楠和杉木-马尾松混交林因密度大, 林下枯死的枝叶数量多, 枯枝落叶层也较厚, 持水量也达杉木-巨尾桉混交林的2 ~ 3倍。

3.1.2 各林分土壤层的持水能力

森林土壤是水分贮蓄的主要场所, 林地土壤持水量是反映森林涵养水源能力的重要指标之一。林地土壤持水量与土壤质地、土壤结构等密切相关, 一般来说, 有机质含量较高、土壤较为疏松多孔、团聚体水稳性能良好的土壤贮水能力强(陈明福, 1998)。

土壤的蓄水能力常以土壤的饱和持水量为表征。从表 4可以看出, 各混交林的土壤持水量以杉木-米老排混交林最好, 杉木-火力楠混交林和杉木-马尾松混交林较接近, 而以杉木-巨尾桉混交林的最差。杉木-米老排混交林由于枯枝落叶量和细根量大, 每年归还土壤的有机质多, 使土壤的物理结构得到改良, 因而土壤的持水量最高; 而杉木-巨尾桉混交林则由于巨尾桉耗水量过大, 在其生长过程中常造成土壤板结, 使土壤结构恶化, 因而其土壤持水量较小。

3.1.3 各类型的林分持水能力

林分总持水量由地上部分持水量和土壤层持水量组成。林分总持水量越大, 表明林分涵养水分的能力越强。从表 5可见, 森林的水源涵养功能主要体现在森林土壤巨大的贮水能力, 土壤持水量占林分持水量的98%以上。在各种混交林中林分持水量以杉木-米老排混交林(2 263.904 t·hm^-2)为最大, 是持水量最小的杉木-巨尾桉混交林(1 877.062 t· hm^-2)的1.21倍。杉木-米老排、杉木-火力楠混交林的枯枝落叶层持水量占的比重较大(占林分持水量的0.5%以上), 而林冠层持水量所占比重则以杉木-巨尾桉最大(占林分持水量的1.47%以上)。为维持土地生产力, 保持水土资源, 今后在南亚热带地区可营造适宜的混交林, 如杉木-米老排混交林, 对吸水能力弱的杉木-巨尾桉林, 可采取翻土等营林措施改良土壤结构, 增强土壤的蓄水能力, 防止土壤板结。

3.2 不同混交类型的土壤肥力

土壤为植物生长供应和协调营养条件及环境条件的能力称为土壤肥力。当土壤物理性质良好, 土壤中空气能维持均衡, 土壤中所蓄积的养分也就能通过微生物的活动而不断活化, 使可给态养分能充分而适时的供给, 就可促进林木的生长(俞新妥, 1989)。

3.2.1 不同混交类型的土壤孔隙组成与水分状况

杉木-米老排混交模式的土壤结构稳定性最好, 其0 ~ 20 cm土层的结构体破坏率(8.05%)分别为杉木-马尾松、杉木-火力楠和杉木-巨尾桉混交林的35.6%、24.8%和33.6%, 这与米老排较好的改土能力有关。米老排枯枝落叶量大, 分解快, 且根系发达, 细根量多, 这为土壤每年提供大量的有机质, 从而达到良好的胶结土壤作用; 且大量的根系在生长过程中对土壤起到良好的穿插挤压以及根系吸收水分所引起的土壤涨缩作用, 这都对土壤形成良好的团聚体结构有利(姚庆端, 1996)。

3.2.2 不同混交类型的土壤孔隙组成与水分状况

土壤容重是土壤物理性质的一个重要指标, 容重大小反映出土壤透水性、通气性和根系伸展时阻力的大小。土壤水分对林木生长具有重要作用, 它积极参与土壤中物质的转化和代谢过程, 并在母岩风化和土壤形成过程中起着重要作用, 是土壤物理性质中的重要因素。混交林的土壤容重普遍比纯林小(俞新妥, 1997), 这主要是因为混交林的根系分布在不同的深度上, 数量较多, 根的形状多样, 根系的穿插使土壤变得疏松多孔, 有利于根系对水分及养分的吸收。在4种混交类型中, 杉木-巨尾桉混交林的土壤容重最大(表 7), 这与巨尾桉生长迅速, 吸收水分、养分多, 土壤易发生板结有关。杉木-米老排混交模式的0 ~ 20 cm土层的总孔隙最大, 为62.29%。比杉木-巨尾桉混交林地高14.02%;其最大持水量、最小持水量(田间持水量)、毛管孔隙也比其它林地大。非毛管大孔隙数量的多少, 在土壤孔隙组成中主要反映土体在垒结上的松紧状态, 杉木-米老排混交林的非毛管大孔隙比其它三种混交模式的都大。这与米老排枯枝落叶量和细根量大, 每年归还给土壤的有机质高等有关。

3.2.3 不同混交类型的土壤养分

不同的混交模式对土壤肥力的影响是巨大的, 有些伴生树种具有良好的改良土壤作用, 例如枯枝落叶多、根系发达、具有固氮菌等, 可以增加土壤腐殖质、疏松土壤、增加土壤养分, 从而提高土壤肥力。土壤有机质是土壤固相中较为活跃的部分, 它包括土壤中的微生物及动植物残体的不同分解、合成阶段的各种产物, 处于不断分解和不断合成的动态平衡中。因为林业上施肥措施比较少, 在自然植被下, 进入土壤的有机质数量决定于凋落物、死根和根的分泌物等的多少。从表 8可以看出, 不同混交林有机质含量的大小顺序是:杉木-米老排>杉木-马尾松>杉木-火力楠>杉木-巨尾桉, 其中杉木-米老排混交林的有机质含量是杉木-巨尾桉混交林的1.42倍。

土壤养分特别是速效性养分, 直接供应林木的生长发育。一般来说。土壤养分与植物生长速度有很好的相关关系。一方面, 土壤养分供给植物生长所必须的营养; 另一方面, 林木生长发育过程中通过凋落、根系分泌物等的作用, 又对森林土壤肥力产生明显的作用。不同混交林表层土壤的全量养分(全氮、全磷等)含量及速效性养分含量(水解氮、速效磷、速效钾)均以杉木-米老排混交林为最高, 说明杉木-米老排混交对维持和提高土壤肥力十分有利, 是一种比较好的模式, 值得推广。尽管杉木-巨尾桉混交林施基肥和追肥, 但其土壤养分含量仍低于杉木-米老排混交林。

4 小结

不同混交类型的混交林的持水能力以杉木-米老排混交林的最大, 杉木-巨尾桉混交林的最小, 主要是由于杉木-巨尾桉混交林的土壤的持水能力较小造成的, 其中杉木-米老排的林分持水量达杉木-巨尾桉的2.2倍, 杉木-火力楠与杉木-马尾松的持水量很接近, 也达到杉木-巨尾桉的2倍。除杉木-巨尾桉混交林外, 其它3种混交林的持水能力均大于杉木纯林和马尾松纯林的。杉木-巨尾桉混交林的持水能力与桉树纯林的持水能力差异不大。因此, 桉树不利于森林的水源涵养功能的提高。

不同混交林类型的土壤容重以杉木-巨尾桉混交林的最大, 土壤孔隙度最小, 而其它3种类型互相之间的差异不明显。土壤有机质含量及养分含量杉木-米老排混交林的最大, 其它3种类型则差异不大。表明杉木-巨尾桉混交林可能对土壤结构等物理性质具有一定的影响, 而杉木-米老排混交由于米老排大量的落叶可改善土壤。