鄭文輝，劉圣恩，林開敏，蔡錳柯，石麗娜，陳夢瑤

(1.福建農(nóng)林大學國家林業(yè)局杉木工程技術研究中心，福建福州350002;2.福建農(nóng)林大學林學院，福建 福州350002)

凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)功能過程的重要組成部分，凋落物調(diào)節(jié)著生態(tài)系統(tǒng)的能量流動與養(yǎng)分循環(huán)[1].由于凋落物在生態(tài)系統(tǒng)扮演的重要角色，研究人員已對凋落物進行了比較全面和系統(tǒng)的研究，從凋落物的數(shù)量、組成、凋落動態(tài)、分解狀況和養(yǎng)分歸還[2－4]，到凋落物對土壤理化性質(zhì)[5，6]、土壤動物及微生物群落結構的影響[7，8]，以及全球氣候變化的大背景下，凋落物分解對氣候變暖的響應[9]，凋落物分解與碳收支平衡問題[10]，氮沉降對凋落物分解動態(tài)的影響[11]等方面的文獻有大量的報導.但是，關于凋落物覆蓋對土壤溫度與濕度影響的報導很少，周存宇[12]僅報導了凋落物可以通過改變土壤的溫度、濕度，提高幼苗成活率，增加幼苗高度及植物總的生物量，其對凋落物與土壤溫度、水分的具體作用規(guī)律未詳細報導.因此，通過研究南方常見5種不同樹種凋落物覆蓋對土壤溫度與水分的作用規(guī)律，為后人的深層次研究提供參考.

杉木(Cunninghamia lanceolata)是中國最重要速生用材樹種之一，由于其生長快、產(chǎn)量高、材質(zhì)優(yōu)而得到廣泛種植.但是，由于人們盲目追求速生豐產(chǎn)，集中成片的營林方式造成了杉木林生態(tài)系統(tǒng)結構過于簡單、生物多樣性下降、水土流失、地力衰退、抵御自然災害能力差(如病蟲害和火災蔓延等)等各種嚴重的生態(tài)問題.因此，營造混交林成為國內(nèi)外林學家所提倡的一種人工林經(jīng)營模式.火力楠(Michelia macelurei)、乳源木蓮(MangLietia Yuyuanensis)、楠木(Phoeba bournei)、木荷(Schima superba)是中國常見的鄉(xiāng)土闊葉樹種，也是與杉木混交的常用樹種.有鑒于此，采用田間盆栽控制試驗，研究杉木與鄉(xiāng)土闊葉樹種凋落物覆蓋對土壤溫度與水分的影響及其動態(tài)變化規(guī)律，以期通過杉木與闊葉樹種混交的措施改善林地土壤溫度與水分，為杉木混交樹種的選擇提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于福建農(nóng)林大學南大門的苗圃地里，該地屬海洋性亞熱帶季風氣候，全年冬短夏長，溫暖濕潤，無霜期達326 d，年平均日照數(shù)為1700－1980 h;年平均降水量為900－2100 mm;年平均氣溫為16－20℃;最冷月1－2月，平均氣溫為6－10℃;最熱月7－8月，平均氣溫為24－29℃，極端最高溫達42.3℃.年相對濕度約77%[13].試驗當天天氣晴朗，氣溫為12－20℃.

1.2 試驗材料

2013年12月初，在福建省尤溪國有林場收集最近凋落的杉木、火力楠、乳源木蓮、楠木、木荷凋落葉，帶回實驗室，杉葉從小枝上扯下，其余樹種凋落葉直接使用，將收集的凋落葉自然風干備用.盆栽的土壤來自福建省閩侯縣南嶼國有林場杉木林下0－20 cm的表層土壤.盆栽的杉木苗來自福建鑫閩種業(yè)有限公司采用2.5代種子園種子育成的杉木容器苗，苗齡約1.5年.

1.3 研究方法

1.3.1 試驗處理 采用盆栽模擬試驗，于2013年12月底，將混合均勻的土壤裝進開口直徑為26 cm，高為22 cm的塑料盆內(nèi)，共24盆.選擇生長情況基本一致的杉木苗24株，每盆種植1株，然后將塑料盆放置于福建農(nóng)林大學南大門外的苗圃地里，進行相同的水分管理直至苗木成活，然后把杉木、火力楠、乳源木蓮、楠木、木荷的凋落葉均勻平鋪加入到杉木盆栽的土壤表面，每個處理加入20 g烘干(65℃恒溫)的凋落葉，每個處理設置4個重復，不加凋落葉的處理作為對照(CK).

1.3.2 測定方法 采用數(shù)顯地表溫度計測定土壤溫度.2014年2月28日，從8時到16時每隔2 h測定1次1和5 cm土層的土壤溫度，每層土壤均固定設置2個測點，分別位于距離植株4和8 cm的位置，取每層土壤2個測點溫度的平均值作為該層土壤的溫度.

采用土壤水分測量儀測定土壤的含水量.從8時到16時每隔2 h測定1次土壤的含水量，測量的探針長8 cm，測點位于靠近塑料盆邊緣不影響苗木生長的地方.

1.3.3 數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2003進行數(shù)據(jù)計算和作圖，采用spss 16.0對數(shù)據(jù)進行雙因素方差分析與多重比較.

2 結果與分析

2.1 不同樹種凋落葉覆蓋對土壤溫度時空分布的影響

2.1.1 不同樹種凋落葉覆蓋對1 cm土層土壤溫度的影響 不同樹種凋落葉覆蓋下1 cm土層土壤溫度從8時到14時均呈現(xiàn)出隨時間的增加而升高的趨勢(圖1)，8時土壤溫度最低，14時達到最大值，16時各處理1 cm土層土壤溫度開始下降，但仍高于其12時前的土壤溫度.

圖1 不同樹種凋落葉覆蓋對1 cm土層土壤溫度的影響Fig.1 Effect of different sorts of leaf litter on soil temperature at 1 cm depth

不同樹種凋落葉覆蓋對1 cm土層土壤溫度產(chǎn)生不同程度的影響(圖1).從8時到16時，不同樹種凋落葉覆蓋1 cm土層土壤溫度的大小順序基本上為:CK＞杉木＞木荷＞楠木＞火力楠＞乳源木蓮，表明添加凋落葉覆蓋均能降低1 cm土層土壤的溫度，其中乳源木蓮凋落葉對降低土壤溫度起到比較明顯的效果，杉木凋落葉的效果則相對不明顯.

對8時至16時不同樹種凋落葉覆蓋下1 cm土層土壤溫度進行雙因素分析表明，不同測量時間與不同樹種凋落葉覆蓋對1 cm土層土壤溫度的影響均達到極顯著差異水平(P＜0.01)，不同樹種凋落葉覆蓋處理與不同測量時間之間沒有交互作用(P＞0.05).經(jīng)多重比較得知，8時至16時不同測量時間測得土壤溫度間的差異均達到極顯著水平(P＜0.01);不同樹種凋落葉覆蓋處理的土壤溫度間，CK與添加不同樹種凋落葉覆蓋處理土壤溫度的差異均達到極顯著水平(P＜0.01);杉木凋落葉覆蓋與火力楠、乳源木蓮凋落葉覆蓋土壤溫度的差異均達到極顯著水平(P＜0.01)，杉木凋落葉覆蓋與楠木凋落葉覆蓋土壤溫度的差異達到顯著水平(P＜0.05);乳源木蓮凋落葉覆蓋與木荷凋落葉覆蓋土壤溫度的差異達到顯著水平(P＜0.05);其余兩兩樹種凋落葉覆蓋對土壤溫度影響的差異均不顯著(P＞0.05).

此外，不同樹種凋落葉覆蓋下1 cm土層土壤日溫差有一定差異.添加凋落葉覆蓋的土壤日溫差均小于CK(8.6℃)處理;添加凋落葉覆蓋的土壤中，杉木凋落葉覆蓋下土壤日溫差最大(7.6℃);楠木、木荷、火力楠凋落葉覆蓋下土壤日溫差相似，分別為6.6，6.6，6.3℃;乳源木蓮凋落葉覆蓋下土壤日溫差最小(5.9℃).

2.1.2 不同樹種凋落葉覆蓋對5 cm土層土壤溫度的影響 不同樹種凋落葉覆蓋處理5 cm土層土壤溫度在8時到14時均呈現(xiàn)出隨時間的增加而上升的趨勢(圖2)，16時不同處理5 cm土層土壤溫度的變化較1 cm土層復雜，杉木、楠木凋落葉覆蓋土壤溫度與14時相同，乳源木蓮凋落葉覆蓋土壤溫度略微上升，火力楠、木荷、CK處理土壤溫度相比14時略微下降，但均大于12時之前的土壤溫度.所有樹種凋落葉覆蓋下5 cm土層土壤溫度的變化幅度均小于1 cm土層.

圖2 不同樹種凋落葉覆蓋對5 cm土層土壤溫度的影響Fig.2 Effect of different sorts of leaf litter on soil temperature at 5 cm depth

從圖2還可以看出，從8時到16時，不同樹種凋落葉覆蓋處理5 cm土層土壤溫度基本上呈現(xiàn)CK＞杉木＞楠木＞木荷＞火力楠＞乳源木蓮的趨勢，與1 cm土層類似.由此表明，添加凋落葉覆蓋均能降低5 cm土層土壤的溫度，乳源木蓮凋落葉的效果較明顯，杉木凋落葉則相對不明顯.

對8時至16時不同樹種凋落葉覆蓋下5 cm土層土壤溫度進行雙因素分析表明，不同測量時間與不同樹種凋落葉覆蓋對5 cm土層土壤溫度的影響均達到極顯著差異水平(P＜0.01)，不同樹種凋落葉覆蓋處理與不同測量時間之間沒有交互作用(P＞0.05).經(jīng)多重比較得知，除14時與16時土壤溫度差異不顯著(P＞0.05)外，8時至16時不同測量時間土壤溫度間的差異均達到極顯著水平(P＜0.01).不同樹種凋落葉覆蓋處理的土壤溫度間，CK與添加火力楠、乳源木蓮、楠木、木荷凋落葉覆蓋土壤溫度的差異均達到極顯著水平(P＜0.01)，CK與添加杉木凋落葉覆蓋土壤溫度的差異達到顯著水平(P＜0.05);添加杉木凋落葉與添加火力楠、乳源木蓮凋落葉覆蓋對土壤溫度的差異分別達到顯著(P＜0.05)、極顯著水平(P＜0.01);添加乳源木蓮凋落葉與添加楠木凋落葉對土壤溫度影響的差異達到顯著水平(P＜0.05);其余兩兩樹種凋落葉覆蓋土壤溫度的差異均不顯著(P＞0.05).

此外，不同樹種凋落葉覆蓋下5 cm土層土壤日溫差有一定的差異.有添加凋落葉覆蓋的土壤日溫差均小于CK(7.7℃)處理;添加凋落葉覆蓋的土壤中，杉木凋落葉覆蓋下土壤日溫差最大，為6.5℃;楠木、木荷、火力楠凋落葉覆蓋下土壤日溫差相似，分別為6.0，5.9，5.7℃;乳源木蓮凋落葉覆蓋下土壤日溫差最小(5.4 ℃).

2.1.3 不同樹種凋落葉覆蓋對1與5 cm土層溫差的影響 本文土層溫差是指同一處理同一測量時間1 cm土層溫度與5 cm土層溫度之差.所有處理土層溫差從8時到14時均隨時間的增加呈現(xiàn)出上升的趨勢(圖3)，其中8時到14時土層溫差均為正值，16時均為負值，表明8時到14時所有處理1 cm土層溫度均高于5 cm土層，16時各處理1 cm土層溫度均低于5 cm土層.

不同樹種凋落葉覆蓋下的土層溫差有一定的差異(圖3).8時到16時，不同處理土層溫差的順序為:CK＞杉木＞木荷＞火力楠＞乳源木蓮＞楠木，表明添加凋落葉覆蓋處理的土層溫差均小于CK;添加凋落葉覆蓋的處理中，杉木凋落葉覆蓋的土層溫差最大，楠木凋落葉覆蓋土層溫差基本上最小，說明添加凋落葉有利于縮小兩個土層之間的溫度差異，其中楠木凋落葉的效果較好，杉木凋落葉覆蓋的這種現(xiàn)象相對不明顯.

對8時至16時不同樹種凋落葉覆蓋處理的土層溫差進行雙因素分析表明，不同測量時間與不同樹種凋落葉覆蓋對土層溫差的影響均達到極顯著差異水平(P＜0.01)，不同樹種凋落葉覆蓋處理與不同測量時間之間沒有交互作用(P＞0.05).經(jīng)多重比較得知，8時至16時不同測量時間之間，除10時與12時土層溫差的差異不顯著(P＞0.05)、8時與10時土層溫差的差異達到顯著水平外(P＜0.05)，其余測量時間兩兩間的土層溫差均達到極顯著差異水平(P＜0.01);不同樹種凋落葉覆蓋間，添加杉木凋落葉覆蓋與CK土層溫差的差異達到顯著水平(P＜0.05)，添加火力楠、乳源木蓮、楠木、木荷凋落葉覆蓋與CK土層溫差的差異均達到極顯著水平(P＜0.01);添加杉木與楠木凋落葉覆蓋土層溫差的差異達到顯著水平(P＜0.05);其余兩兩處理土層溫差的差異均不顯著(P＞0.05).

圖3 不同樹種凋落葉覆蓋對1 cm與5 cm土層溫差的影響Fig.3 Effect of different sorts of leaf litter on the temperature difference at 1 cm and 5 cm depth

此外，兩層土壤的日溫差存在一定的差異，不同樹種凋落葉覆蓋處理下1 cm土層日溫差的范圍為5.9－8.6℃，5 cm土層日溫差的范圍為5.7－7.7℃，且同種處理1 cm土層日溫差均大于5 cm土層，表明1 cm土層土壤溫度日變化幅度較5 cm土層大.

2.2 不同樹種凋落葉覆蓋對土壤含水量時間分布的影響

從圖4可以看出，所有處理土壤含水量的最大值均出現(xiàn)在16時或8時，杉木、乳源木蓮、楠木凋落葉覆蓋下土壤的含水量在8時最大，火力楠、木荷、CK處理均在16時最大.不同樹種凋落葉覆蓋對土壤含水量產(chǎn)生不同程度的影響，8時至16時添加凋落葉覆蓋土壤含水量均高于CK;添加凋落葉覆蓋的處理中，乳源木蓮和木荷凋落葉覆蓋下土壤含水量較高，杉木凋落葉覆蓋下土壤含水量相對較低.

圖4 不同樹種凋落葉覆蓋對土壤含水量的影響Fig.4 Effect of different sorts of leaf litter on soil moisture content

對8時至16時土壤含水量進行雙因素分析得知，不同測量時間與不同樹種凋落葉覆蓋下土壤含水量的差異均達到極顯著水平(P＜0.01)，不同測量時間與不同樹種凋落葉覆蓋處理對土壤含水量沒有交互作用(P＞0.05).進一步多重比較得知，不同測量時間的土壤含水量中，8時與10時土壤含水量的差異達到顯著水平(P＜0.05)、8時與12時、14時土壤含水量的差異均達到極顯著水平(P＜0.01);16時與10時、12時、14時土壤含水量的差異均達到極顯著水平(P＜0.01);其余測量時間兩兩間的土壤含水量均未達到顯著差異水平(P＞0.05);不同樹種凋落葉覆蓋間，添加凋落葉覆蓋處理與CK的差異均達到極顯著水平(P＜0.01);乳源木蓮凋落葉與杉木、火力楠凋落葉覆蓋處理土壤含水量的差異均達到極顯著水平(P＜0.01)，乳源木蓮凋落葉與楠木凋落葉處理土壤含水量的差異達到顯著水平(P＜0.05);木荷凋落葉與杉木、火力楠凋落葉處理土壤含水量的差異達到顯著水平(P＜0.05);其余兩兩處理土壤含水量的差異均不顯著(P＞0.05).

此外，各處理土壤含水量的日變化有一定的差異，火力楠凋落葉覆蓋處理土壤含水量的日變化最大(4.2%);木荷、杉木、CK 處理土壤含水量日變化相似，分別為 3.2%、3.0%、2.9%;乳源木蓮和楠木凋落葉處理土壤含水量日變化相對較小，分別為2.5%、1.7%.

3 結論

不同樹種凋落葉覆蓋處理1 cm土層土壤溫度變化趨勢與氣溫相似，在8時至14時均隨著時間的增加而上升，16時溫度降低.5 cm土層土壤溫度從8時至14時所有處理土壤溫度均隨著時間的增加而上升;16時乳源木蓮凋落葉覆蓋下土壤溫度升高，其余處理土壤溫度保持不變或者降低，表明氣溫降低時乳源木蓮凋落葉仍能維持土壤溫度穩(wěn)定.所有處理5 cm土層土壤溫度變化幅度小于1 cm土層，表明土壤層次較深其溫度較穩(wěn)定.

不同樹種凋落葉覆蓋處理對1 cm與5 cm土層土壤溫度均產(chǎn)生不同程度的影響.從8時到16時，不同樹種凋落葉覆蓋下1 cm與5 cm土層土壤溫度的大小順序分別為:CK＞杉木＞木荷＞楠木＞火力楠＞乳源木蓮、CK＞杉木＞楠木＞木荷＞火力楠＞乳源木蓮，表明添加凋落葉均能降低土壤的溫度，其中乳源木蓮凋落葉對降低土壤溫度起到比較明顯的效果，杉木凋落葉的效果相對不明顯.

不同樹種凋落葉覆蓋下1 cm與5 cm土層土壤日溫差有一定的差異.1 cm與5 cm土層土壤中有添加凋落葉覆蓋處理土壤日溫差均小于CK;添加凋落葉覆蓋處理中，杉木凋落葉覆蓋處理土壤日溫差最大，乳源木蓮凋落葉最小，表明添加凋落葉覆蓋處理可以保持土壤溫度穩(wěn)定，乳源木蓮凋落葉維持土壤溫度穩(wěn)定的效果較好，杉木凋落葉則相對較差.

不同樹種凋落葉覆蓋的土層溫差有一定的差異，添加凋落葉覆蓋處理的土層溫差從8時至16時均小于CK;添加凋落葉覆蓋的處理中，杉木凋落葉覆蓋的土層溫差最大，楠木凋落葉最小，說明添加凋落葉有利于縮小兩個土層之間的溫度差異，其中楠木凋落葉的效果較好，杉木凋落葉覆蓋的這種現(xiàn)象相對不明顯.

不同樹種凋落葉覆蓋對土壤含水量產(chǎn)生不同程度的影響.8時至16時添加凋落葉覆蓋處理土壤含水量均高于CK;添加凋落葉覆蓋的處理中，乳源木蓮和木荷凋落葉覆蓋下土壤含水量較高，杉木凋落葉覆蓋下土壤含水量相對較低.各處理土壤含水量的日變化有差異，火力楠凋落葉覆蓋下土壤含水量的日變化最大，乳源木蓮和楠木凋落葉覆蓋下土壤含水量的日變化相對較小.由此表明，乳源木蓮凋落葉對土壤保水效果較好.

4 討論

土壤溫度和水分是影響植物生長的兩大重要生態(tài)因子，土壤溫度對種子的發(fā)芽、植物根系的生長及植物病蟲害有著重要的影響;水分是植物生命活動的介質(zhì)和參與者，植物生長所需的水分主要來自根系對土壤水分的吸收.經(jīng)綜合分析得知，添加凋落葉覆蓋均可降低土壤溫度、減少土壤日溫差和土層溫差，提高土壤含水量，其中乳源木蓮凋落葉的效果最好，杉木凋落葉的效果相對較差.乳源木蓮作為杉木林的混交樹種，改善杉木純林的土壤溫度與水分情況，從而加快凋落物的分解速率與土壤養(yǎng)分歸還[14]，這或許是杉木乳源木蓮混交林相對杉木純林生物量增加[15]的原因.

不同樹種凋落葉覆蓋下土壤溫度和水分的差異可能與不同樹種凋落葉的形狀、表面積、比表面積和厚度有關.與闊葉凋落葉相比，杉木針葉細長，相同質(zhì)量的杉木凋落葉的堆積產(chǎn)生較多的孔隙，太陽輻射導致杉木凋落葉覆蓋下土壤升溫的速度和幅度均較大，水分散失較快.4種闊葉樹種凋落葉對土壤溫度、水分調(diào)節(jié)能力的差異還需要通過進一步研究各樹種凋落葉的厚度、表面積及比表面積的不同，以期從作用機理層次揭示不同樹種凋落葉調(diào)節(jié)土壤溫度和水分能力的差異.

森林凋落物的分解都是從新鮮未分解狀態(tài)到半分解狀態(tài)直至變成腐殖質(zhì)的過程，不同分解層次凋落葉對土壤溫度和水分的調(diào)節(jié)能力勢必不同.由于本盆栽控制試驗僅對新鮮未分解的凋落物進行研究，對不同樹種凋落葉調(diào)節(jié)土壤溫度和水分能力提供初步參考，今后需對半分解層凋落物進行進一步研究，從而對不同樹種凋落葉溫度與水分調(diào)節(jié)能力進行全面的評價.

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