陳明梅, 李葦潔, 楊 瑞, 張建利, 王加國(guó)

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 550025; 2.貴州省山地資源研究所, 貴州 貴陽(yáng) 550001)

森林凋落物是覆蓋在林地土壤表面未分解、半分解和已分解的林木枝、莖、葉和果實(shí)等器官的殘?bào)w[1-2]。它不僅作為森林涵養(yǎng)水源的第二個(gè)活動(dòng)層，也是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[3-5]，其森林水文功能主要體現(xiàn)在保持土壤結(jié)構(gòu)、攔蓄降水、防止濺蝕、減少表土水分蒸發(fā)等方面[6-9]。土壤水分蒸發(fā)不僅受氣象因子、土壤組成與結(jié)構(gòu)等的影響，還與土壤表層所覆蓋的凋落物有著密切聯(lián)系[10-11]。凋落物覆蓋可以明顯降低林地土壤的水分蒸發(fā)，對(duì)于保水、保土、改良土壤的效果顯著[12-13]。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量森林凋落物層與土壤水分蒸發(fā)的關(guān)系的研究[14-20]。結(jié)果表明，凋落物覆蓋對(duì)土壤水分蒸發(fā)的抑制作用十分明顯。但是，大多數(shù)是基于不同凋落物覆蓋量開展的研究，林茂森等[11]研究表明，不同分解程度的凋落物對(duì)土壤水分蒸發(fā)的抑制作用不同。在開展森林凋落物層與土壤水分蒸發(fā)的關(guān)系的研究中在考慮凋落物量的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮不同分解程度的凋落物對(duì)土壤蒸發(fā)的影響。在氣候變化背景下百里杜鵑景區(qū)由于特殊的地質(zhì)構(gòu)造，地表水不易保持，干旱越來越頻繁和嚴(yán)重。馬纓杜鵑林作為百里杜鵑景區(qū)的主要建群種和優(yōu)勢(shì)種，占地和分布面積較廣[21-22]。經(jīng)過多年的自然積累，馬纓杜鵑林下凋落物已經(jīng)達(dá)到一定的厚度，但對(duì)馬纓杜鵑林下的凋落物在抑制林地土壤水分蒸發(fā)的作用目前未見報(bào)道?；诖?，本研究選取百里杜鵑馬纓杜鵑林下凋落物不同覆蓋量及不同分解程度對(duì)土壤水分蒸發(fā)的影響開展研究，以期為百里杜鵑景區(qū)馬纓杜鵑林發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

百里杜鵑景區(qū)位于貴州省西北部、畢節(jié)市中部(105°45′30″—106°04′45″E，27°08′30″—27°20′00″N)，為國(guó)家5A級(jí)旅游景區(qū),被譽(yù)為“世界上最大的天然花園”。屬于高原山地過渡地帶，中山地貌類型，海拔大多在1 400～1 900 m[23-24]，地處低緯度高海拔地區(qū)，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均溫度12.0 ℃，年降雨量為1 120.1 mm[25]。主要分布有馬纓杜鵑(Rhododendrondelavayi)、露珠杜鵑(Rhododendromirroratum)、迷人杜鵑(Rhododendronagastum)等杜鵑屬植物35個(gè)種(含亞種、變種)，分屬6個(gè)亞屬、4個(gè)組及9個(gè)亞組，花期3—4月(40～50 d)[26-28]。百里杜鵑景區(qū)為寒武系與二迭系的碳酸鹽分布地區(qū)，其出露地表的龍?zhí)督M煤層中含有黃鐵礦，氧化后生成硫酸，使地下水變成酸性，導(dǎo)致灰?guī)r與龍?zhí)督M接觸地帶巖溶強(qiáng)烈發(fā)育。土壤母質(zhì)為煤系酸性土壤，土壤類型為硅質(zhì)黃壤和煤層土[27,29]。

2 研究方法

根據(jù)土壤蒸發(fā)理論[30]并參照前人相關(guān)試驗(yàn)方法[11,15,31]，本試驗(yàn)亦采用自制微型蒸散裝置進(jìn)行模擬試驗(yàn)。微型蒸法裝置材料為白色PVC管材，直徑為20 cm，高30 cm的PVC管，底部密封處理。于2018年6月在百里杜鵑景區(qū)的馬纓杜鵑純林(醉九牛)內(nèi)按照Z(yǔ)字形選擇3個(gè)10 m×10 m的樣方，沿樣方對(duì)角線在樣地內(nèi)取馬纓杜鵑林下取原狀土并收集凋落物帶回室內(nèi)開展人工模擬蒸散試驗(yàn)，試驗(yàn)期間使用電子溫濕度傳感設(shè)備觀測(cè)室內(nèi)溫度與濕度每日平均值。將質(zhì)量為1 000 g的馬纓杜鵑林下原狀土裝入管內(nèi)，并浸泡12 h使管內(nèi)土壤達(dá)到最大飽和含水率，根據(jù)百里杜鵑景區(qū)凋落物總儲(chǔ)量為13.49 t/hm2[29]，計(jì)算可得，在自然狀態(tài)下PVC管橫截面積0.031 4 m2的凋落物鮮重約為42.36 g，干重約為15 g(凋落物平均含水率為63.73%)。林下凋落物未分解、半分解、已分解的儲(chǔ)量分別為2.89，3.20，7.40 t/hm2。將凋落物放在80 ℃條件下進(jìn)行18 h的烘干處理，再按不同的處理覆蓋在試驗(yàn)土壤表面。覆蓋處理分為6組，每組重復(fù)3次，另設(shè)一組無覆蓋對(duì)照。

(1) 設(shè)A，B，C 3組，分別取凋落物儲(chǔ)量的4，2，1倍放入PVC管，即在0.031 4 m2面積下15 g凋落物的4，2，1倍(60，30，15 g)凋落物覆蓋。每個(gè)處理按未分解、半分解和已分解自上而下3層覆蓋，比例為1∶1∶1；設(shè)D，E，F(xiàn)共3組，取凋落物儲(chǔ)量的4倍，即60 g的情況下，按不同比例覆蓋不同分解程度凋落物進(jìn)行3個(gè)不同處理。已分解(g)、半分解(g)、未分解層(g)的比例為2∶1∶1；1∶2∶1；1∶1∶2。

(2) 設(shè)G組重復(fù)3個(gè)處理，根據(jù)馬纓杜鵑林3個(gè)層次凋落物的儲(chǔ)量計(jì)算得出PVC管面積未分解、半分解和已分解的質(zhì)量分別為18，20，42 g覆蓋在土壤表面[32]。(本組設(shè)計(jì)根據(jù)林下3個(gè)層次凋落物原始儲(chǔ)量覆蓋)；設(shè)對(duì)照組H(無凋落物覆蓋)。試驗(yàn)期間試驗(yàn)場(chǎng)所平均溫度23 ℃，平均濕度79.4%，在此期間百里杜鵑景區(qū)平均溫度22.1 ℃、平均濕度83.9%，趨近于百里杜鵑同時(shí)期的氣候環(huán)境。

試驗(yàn)于2018年6月13日至7月31日在貴州大學(xué)花溪校區(qū)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)每天重復(fù)稱重7次，分別在每日6：00，8：00，10：00，12：00，14：00，16：00，18：00使用電子天平稱重(精度為1 g)，根據(jù)重量差推算土壤日蒸發(fā)量和蒸發(fā)速率，稱重直至其無明顯變化為止。采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步整理，再分別對(duì)每組處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同質(zhì)量凋落物覆蓋對(duì)土壤水分蒸發(fā)的影響

A，B，C處理組覆蓋于土壤表面的凋落物分別是60，30和15 g，根據(jù)對(duì)A，B，C 3組蒸發(fā)量分析(圖1)，研究發(fā)現(xiàn)每組土壤水分蒸發(fā)量存在明顯的差異，A，B，C 組處理均值日蒸發(fā)量為：4.26±0.93 g，5.47±1.15 g，6.75±2.25 g(A

通過對(duì)土壤水分蒸發(fā)速率的分析發(fā)現(xiàn)(圖1)：試驗(yàn)前期凋落物覆蓋越多時(shí)土壤水分蒸發(fā)速率越緩慢，對(duì)土壤的遮擋作用越好。但隨著時(shí)間的推移，各處理的土壤水分蒸發(fā)速率逐漸趨同。所以凋落物抑制土壤水分蒸發(fā)的作用不會(huì)隨著凋落物質(zhì)量增加而一直增強(qiáng)，到達(dá)一定數(shù)值時(shí)將不再是土壤水分蒸發(fā)的限制因子。這是由于在自然界中凋落物的不斷分解，因此凋落物對(duì)土壤水分蒸發(fā)的抑制作用不會(huì)持續(xù)維持在同一個(gè)狀態(tài)下。為對(duì)比布設(shè)不同質(zhì)量凋落物所得結(jié)論與馬纓杜鵑林下凋落物的原始狀態(tài)儲(chǔ)量及無凋落物覆蓋的土壤水分蒸發(fā)的趨勢(shì)存在什么差異，增設(shè)無凋落物覆蓋組H(CK)和按未分解、半分解、已分解(18，20，42 g)覆蓋組G與A，B，C 3組的對(duì)比。如圖1中所示，發(fā)現(xiàn)H，G組的水分蒸發(fā)量的日變化雖有不同但與A，B，C 處理趨勢(shì)相同，同樣是隨著時(shí)間的推移而減小，到達(dá)一定時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定(圖中之所以有波動(dòng)是受天氣變化的影響)。這與Bond等[1]研究結(jié)論是一致的。

圖1 不同質(zhì)量凋落物覆蓋下的土壤水分日蒸發(fā)量及速率變化

3.2 不同分解程度凋落物覆蓋對(duì)土壤水分蒸發(fā)的影響

自然情況下，馬纓杜鵑林地土壤被多年積累凋落物覆蓋，自上而下有未分解層、半分解層、已分解層。因此試驗(yàn)設(shè)計(jì)將質(zhì)量相同分解程度不同的凋落物按不同的比例覆蓋土壤進(jìn)行研究，其目的是為得到不同分解程度的凋落物對(duì)土壤水分蒸發(fā)抑制的差異。研究發(fā)現(xiàn)(圖2)，相同質(zhì)量不同比例的凋落物覆蓋，土壤水分日蒸發(fā)量變化趨勢(shì)相同但變化的幅度不同，3種處理存在差異(F=3.89，PDE=0.058；F=21.36，PDF=0.000；F=20.54，PEF=0.00。在不同比例覆蓋的D，E，F(xiàn)的日蒸發(fā)量均值為：4.78±0.93 g，4.26±0.40 g，3.53±0.49 g(D>E>F)，即未分解層對(duì)土壤蒸發(fā)的抑制作用效果最好，半分解層其次，已分解層最差)。由于不同分解程度凋落物的外形、質(zhì)地有所差異，覆蓋在土壤表面時(shí)，不同分解程度的凋落物對(duì)孔隙的覆蓋能力，阻隔輻射、保溫能力都有所不同。從形態(tài)上來看，未分解、半分解、已分解的凋落物形態(tài)的完整性是依次減弱的，加上馬纓杜鵑是常綠闊葉樹，葉片革質(zhì)，葉面積較大，葉背被有較厚的絨毛，容易鎖住至下而上蒸發(fā)的水分，可見未分解比重多的F組對(duì)土壤蒸發(fā)的抑制能力最強(qiáng)。但隨時(shí)間推移，試驗(yàn)后期發(fā)現(xiàn)(表1)已分解程度比重多的D組處理蒸發(fā)速率小于半分解比重多的E組，原因是已分解層的凋落物較半分解層凋落物更貼近土壤表層，隨著時(shí)間的推移已分解層凋落物吸收較多的水分，持水能力加強(qiáng)，對(duì)土壤的保濕作用加大。

圖2 不同分解程度凋落物覆蓋下土壤水分日蒸發(fā)量及速率變化

表1 D，E，F(xiàn)處理蒸發(fā)速率對(duì)比g/(m·h)

組別實(shí)驗(yàn)前期實(shí)驗(yàn)后期D36.95±7.8930.37±1.43E29.46±3.7330.59±1.19F24.01±4.0725.68±2.32

注：數(shù)據(jù)為：實(shí)驗(yàn)期間土壤水分的平均蒸發(fā)速率均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

3.3 6種不同模式凋落物覆蓋下土壤水分蒸發(fā)與土壤含水率的關(guān)系

如圖3所示，A，B，C處理組土壤水分蒸發(fā)量隨著土壤含水率的降低而減少。3組處理的趨勢(shì)線方程分別為：A:y=-0.112 9x+13.354； B:y=-0.493 5x+20.604； C:y=-1.228 8x+30.698。根據(jù)圖3趨勢(shì)線方程可得出：含水率每降低0.5%，A，B，C 3組的蒸發(fā)量分別依次減少0.11，0.49和1.23 g(A

圖3 各組土壤水分日蒸發(fā)量與土壤含水率的關(guān)系

分析(圖4)發(fā)現(xiàn)，D，E，F(xiàn)三組土壤的水分蒸發(fā)量隨土壤含水率的降低而減少(D>E>F)，與上述A，B，C組結(jié)果一致。在凋落物覆蓋量相同，布設(shè)比例不同下土壤含水率下降的過程中三組的變化存在差異是由于凋落物的不同分解程度所影響，與凋落物覆蓋量無關(guān)。根據(jù)趨勢(shì)線kD(0.405 0)>kE(0.010 5)>kF(0.005 6)，發(fā)現(xiàn)隨土壤含水率的降低，未分解程度比重多的處理土壤水分蒸發(fā)速率減小相對(duì)較慢，半分解層的次之，已分解層的最快。這種趨勢(shì)與對(duì)(圖2)D，E，F(xiàn)分析的結(jié)論一致。

圖4 各組土壤水分日蒸發(fā)量與土壤含水率的變化趨勢(shì)

3.4 凋落物覆蓋對(duì)土壤保水作用的影響

6種不同凋落物覆蓋模式與對(duì)照組(H)存在很大差異，無凋落物覆蓋的土壤水分蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于有凋落物覆蓋的土壤(表2)，這是因?yàn)闆]有覆蓋的土壤直接與空氣接觸，受溫度、濕度、太陽(yáng)輻射等的影響非常大。分析發(fā)現(xiàn):凋落物的6種不同覆蓋模式對(duì)土壤的保水能力各不相同，在1 hm2的馬纓杜鵑林的保水作用為A=18.87 t/hm2，B=12.68 t/hm2，C=6.16 t/hm2(A>B>C)，由此可知凋落物越多對(duì)土壤的保水作用越大。D=16.31 t/hm2，E=18.77 t/hm2，F(xiàn)=22.48 t/hm2(F>E>D)，G=19.87 t/hm2，H=0.00 t/hm2，由此可知未分解程度凋落物對(duì)土壤保水作用效果最好。按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)F組處理凋落物覆蓋量60 g，G組處理凋落物覆蓋量為80 g，對(duì)比兩組的保水作用表現(xiàn)出F>G(F1=4.62，F(xiàn)2=4.17)，說明凋落物對(duì)土壤的保水作用不會(huì)隨凋落物覆蓋量的增加而持續(xù)加大，這是因?yàn)楫?dāng)?shù)蚵湮镔|(zhì)量增加到一定水平，隨著質(zhì)量的增加，蒸發(fā)抑制能力增加的幅度逐漸降低，并且保持在一定水平。

表2 不同處理組的土壤水分蒸發(fā)量及土壤保水量對(duì)比 g

注：土壤保水量/(t·hm-2)=40.56/(t·hm-2)-總蒸發(fā)量/(t·hm-2)。

4 討論與結(jié)論

(1) 凋落物覆蓋量不同分解程度比例相同時(shí)，凋落物覆蓋量越大，土壤水分蒸發(fā)量就越小(A

(2) 在凋落物覆蓋量相同分解程度比例不同的情況下，土壤水分日平均蒸發(fā)量表現(xiàn)為：D>E>F，即未分解層對(duì)土壤蒸發(fā)抑制的作用最強(qiáng)，半分解次之，已分解最強(qiáng)。根據(jù)趨勢(shì)線kD>kE>kF，可知對(duì)土壤的保濕作用：未分解>半分解>已分解。這與林茂森等[11]對(duì)闊葉紅松林凋落物土壤蒸發(fā)的研究結(jié)果一致。本研究中發(fā)現(xiàn)于試驗(yàn)后期，隨著時(shí)間的遞增，已分解程度凋落物最貼近土壤通過對(duì)土壤蒸散出的水分吸收，本身持水能力加強(qiáng)，在覆蓋量較多時(shí)蒸發(fā)速率呈減小的趨勢(shì)，對(duì)土壤的保濕效果增強(qiáng)，這也符合凋落物不同分解程度的持水的特性。

(3) 本文研究發(fā)現(xiàn)凋落物覆蓋量越多土壤的保水性能越好，但凋落物覆蓋量增加到達(dá)一定水平，對(duì)增加土壤蒸發(fā)抑制能力幅度減小。這一結(jié)論與周宏偉等研究結(jié)果一致[15]。對(duì)馬纓杜鵑林凋落物的6種不同覆蓋模式對(duì)抑制土壤水分蒸發(fā)情況的比較，在1 hm2馬纓杜鵑林F，G組處理下的凋落物對(duì)土壤的保水作用最大。而F>G(F=22.48 t/hm2，G=19.87 t/hm2)，由此可見凋落物覆蓋量到達(dá)一定數(shù)值時(shí)對(duì)百里杜鵑景區(qū)馬纓杜鵑林分發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能作用逐漸減小。

(4) 隨著全球氣溫的升高，百里杜鵑景區(qū)干旱日益嚴(yán)重、加上特殊的地質(zhì)條件導(dǎo)致地表水分不易保存，要想提高馬纓杜鵑林水源涵養(yǎng)功能，保證和維持馬纓杜鵑林凋落物的覆蓋十分重要。經(jīng)過長(zhǎng)年年累積馬纓杜鵑林下凋落物逐漸增多，林下覆蓋物對(duì)土壤水分的無效蒸發(fā)已經(jīng)起到一定的抑制作用。而此次研究結(jié)果顯示，凋落物對(duì)土壤水分蒸發(fā)的抑制作用不會(huì)隨凋落物量的無限增加而持續(xù)加大，不同的覆蓋處理對(duì)土壤水分蒸發(fā)的抑制作用也不盡相同。林中自然覆蓋物作為降低土壤水分蒸發(fā)的天然屏障，但觀花景區(qū)為了增強(qiáng)觀賞效果，采取林下雜灌和凋落物的清除措施是否會(huì)對(duì)林中水源涵養(yǎng)造成影響有待進(jìn)一步的研究。同時(shí)，在不影響馬纓杜鵑林分水源涵養(yǎng)功能的情況下科學(xué)管理林下凋落物以促進(jìn)景觀和森林安全值得進(jìn)一步深入研究。