李 鵬，楊章旗，顏培棟，吳東山

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 a.國(guó)家林草局馬尾松工程技術(shù)研究中心；b.廣西馬尾松工程技術(shù)研究中心；c.廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530002）

水土流失作為我國(guó)南方丘陵地區(qū)主要的環(huán)境問(wèn)題之一，造成植被多樣性減少、石漠化加劇等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，如何控制和減緩水土流失已成為全球范圍內(nèi)的亟待解決熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1,2]。紅水河小流域是我國(guó)農(nóng)業(yè)退耕還林還草水土保持的綜合治理區(qū)域，森林植被措施被廣泛應(yīng)用于該區(qū)域的水土流失綜合防治，其中，2009—2020年新?tīng)I(yíng)造了100 hm2的水土保持林，主要為馬尾松人工林、馬尾松和紅錐混交林，防治效果顯著，有效提高了林地面積，最大的限度提高涵養(yǎng)水源的能力，使水土流失得到進(jìn)一步控制，生態(tài)系統(tǒng)逐步向良性循環(huán)發(fā)展[3]。但不同林分類(lèi)型下，如：不同比例馬尾松混交林及其與馬尾松純林之間，林下水土流失特性，林地的保水、保土和保肥綜合能力的強(qiáng)弱尚不明晰。因此，有必要進(jìn)行不同密度類(lèi)型下水土流失、水源涵養(yǎng)和土壤養(yǎng)分特征的研究。

馬尾松Pinus massoniana是我國(guó)南方亞熱帶地區(qū)先鋒造林樹(shù)種，具有速生、豐產(chǎn)、適生性強(qiáng)、用途廣等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)許多研究表明，長(zhǎng)期純林種植易造成土壤退化、引發(fā)水土流失、造成土壤水源涵養(yǎng)能力下降等問(wèn)題[4]，林分改造也成為單一純林發(fā)展的重要途徑，林木混交也被作為改善人工林土壤生態(tài)環(huán)境的有效途徑之一[5]。同時(shí)，紅錐Castanopsis hystrix作為我國(guó)珍貴材樹(shù)種之一，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值，是一種分布在熱帶、亞熱帶地區(qū)低海拔樹(shù)種，也是亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林中的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種[6]。該樹(shù)種憑借其材質(zhì)優(yōu)良、生長(zhǎng)速度較快、效益高等優(yōu)良特性，在我國(guó)廣西、廣東、福建南部等地區(qū)被廣泛種植，并有著良好的發(fā)展前景[7]。開(kāi)發(fā)和研究馬尾松與紅錐的混交模式對(duì)于提高人工林純林的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。研究表明，馬尾松和紅椎混交林較單一純林經(jīng)營(yíng)，能夠顯著提高林地養(yǎng)分，促進(jìn)凋落物分解，改善林地生態(tài)環(huán)境[8-9]。目前，關(guān)于馬尾松、紅椎混交林水土流失、水源涵養(yǎng)功能和土壤理化性質(zhì)方面已有不少研究，孫艷等[10]通過(guò)對(duì)紅水河流域地區(qū)馬尾松和紅椎混交林水土流失特征研究，表明混交比例為9∶1 的馬尾松紅椎混交林，產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量排序均隨著種植時(shí)間的增加越來(lái)越小。羅金旺[11]以馬尾松與山杜英、楓香、擬赤楊和光皮樺等闊葉樹(shù)混交為研究對(duì)象，表明土壤持水量大小順序?yàn)椋厚R尾松純林＞混交林＞闊葉樹(shù)純林；枯落物層持水量的大小順序?yàn)椋洪熑~樹(shù)純林＞混交林＞馬尾松純林；土壤綜合持水能力大小順序?yàn)椋夯旖涣郑鹃熑~樹(shù)純林＞馬尾松純林。這些研究大多集中于單獨(dú)或特定角度下林分水土流失和養(yǎng)分流失、水源涵養(yǎng)或土壤養(yǎng)分方面進(jìn)行研究，而未將植物-枯落物-土壤作為整體考慮，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的地表徑流，枯落物和土壤持水特性，以及土壤的養(yǎng)分含量相結(jié)合進(jìn)行研究。此外，在水土流失研究中，許多學(xué)者將地表徑流產(chǎn)生的養(yǎng)分流失作為研究的中心[12-13]，從而間接評(píng)價(jià)林地土壤肥力質(zhì)量的大小，而未對(duì)土壤現(xiàn)有養(yǎng)分含量進(jìn)行直接描述。因此，在森林的生產(chǎn)的過(guò)程中，有必要將水土流失特性、水源涵養(yǎng)能力和土壤現(xiàn)有養(yǎng)分含量相結(jié)合，進(jìn)而綜合評(píng)估林分的保水、保土和保肥的綜合能力。

本研究以南方紅壤丘陵區(qū)紅水河小流域不同比例馬尾松和紅錐混交林為研究對(duì)象，從水土流失、水源涵養(yǎng)和土壤養(yǎng)分的角度，運(yùn)用因子分析和隸屬度分析綜合評(píng)估不同混交密度類(lèi)型下生態(tài)系統(tǒng)的綜合功能，以期為林分的升級(jí)改造、生態(tài)穩(wěn)定性和人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)河池市大化瑤族自治縣紅水河小流域（107°30′22″～108°03′34″E，23°35′14″～24°22′15″N），是我國(guó)農(nóng)業(yè)退耕還林還草水土保持的綜合治理區(qū)域。屬南亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，日照充足，氣候溫暖，雨量充沛，年降水量1 416.2 mm，年均氣溫21.1℃，極端最低氣溫零下3.0℃，極端最高氣溫39.7℃，年均日照時(shí)數(shù)1 825.3 h。屬喀斯特地貌類(lèi)型，峰叢密布，東北部和西南部為峰叢洼地，東南部多為峰叢谷地，中西部為低山丘陵。土壤類(lèi)型為石灰?guī)r山地的黃色石灰土和石灰?guī)r黃紅壤等，林區(qū)水土流失以水力侵蝕為主，水土流失面積401.4 hm2，占總面積的41%，年平均土壤侵蝕模數(shù)為3 150 t/(km2·a)，年土壤侵蝕總量為1.26 萬(wàn)t，主要原因是毀林開(kāi)荒，順坡種植和亂砍濫伐林木，植被不斷遭受破壞。紅水河小流域水土流失經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期治理，形成了以馬尾松和紅錐混交林為主的初步治理區(qū)域。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)紅水河小流域馬尾松紅錐混交林初步治理區(qū)域的自然條件，選擇坡度、坡向、海拔、土壤等立地因子和植被狀況基本一致的不同比例10年生馬尾松紅錐混交林試驗(yàn)樣地，分別為：馬尾松紅錐混交比例4∶1（M4H1）、6∶1（M6H1）、9∶1（M9H1）和馬尾松純林對(duì)照（10∶0，M10），4種混交類(lèi)型。每種混交類(lèi)型分上、中和下坡建立3塊20 m×20 m 的標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，共12 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，小區(qū)邊界用水泥砌筑30 cm 的圍墻，上方及兩側(cè)設(shè)截水溝及排水溝，下方設(shè)集水槽，承接小區(qū)產(chǎn)流、產(chǎn)沙。集水槽下設(shè)集流池，池內(nèi)設(shè)置1 m 的固定水位尺。樣地基本概況見(jiàn)表1。

表1 不同比例馬尾松和紅錐混交林樣地基本概況Table 1 Basic overview of the mixed forests of Pinus massoniana and Castanopsis hystrix with different mixing ratios

采用株間混交的方式，于2008年按照不同混交比例造林，株行距1.5 m×2.0 m，定植密度3 333 株/hm2，明坎，坎位直徑和深為：30 cm×35 cm，每穴施基肥復(fù)合肥150 g（N∶P∶K=15∶15∶15）。定植后前兩年5—6月和10—11月份各砍草撫育1 次，并于2013年生進(jìn)行1 次間伐。

1.3 樣品的采集與指標(biāo)的測(cè)定

1.3.1 水土流失特征指標(biāo)的測(cè)定

1）降水量。于2018 和2019年，利用雨量計(jì)，持續(xù)記錄2年間每次降水所產(chǎn)生的降水量和降水時(shí)間。

2）徑流量。采用體積計(jì)量法，根據(jù)水尺卡的水位數(shù)采用體積法計(jì)算各次降水的產(chǎn)流量（mm）和年徑流量（mm）。

3）侵蝕泥沙量。侵蝕泥沙量采用混合取樣法，即將徑流槽的水?dāng)噭蛉∧嗌碀舛葮悠?，并稱(chēng)取鮮重后放入105℃烘箱，烘干至恒質(zhì)量，測(cè)定徑流泥沙百分比，根據(jù)產(chǎn)流量和泥沙占比計(jì)算各次降水泥沙量（kg/km2）和年侵蝕泥沙量（kg/(km2·a)）。

1.3.2 枯落物樣品的采集與測(cè)定

分別于2018年12月和2019年12月，在每塊準(zhǔn)樣地內(nèi)按“S”字形均勻地布設(shè)5 個(gè)0.5 m×0.5 m 的小樣方，并測(cè)定枯落物層厚度，采用直接收獲法將樣方內(nèi)枯落物進(jìn)行混合，每個(gè)樣地混合為1 袋，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)稱(chēng)量作為烘干前的鮮質(zhì)量（計(jì)算自然含水量），再將其置于烘箱中80℃下烘至恒質(zhì)量后稱(chēng)重，并計(jì)算枯落物總的蓄積量（即單位面積的干物質(zhì)量，計(jì)算方法：烘干后的干物質(zhì)量除以樣方總面積）。采用室內(nèi)浸泡法對(duì)枯落物進(jìn)行持水量的測(cè)定，以浸水24 h 為最大持水量，最大持水量與自然含水量的差值為有效持水量。

1.3.3 土壤樣品的采集與測(cè)定

1）土壤樣品的采集。采用剖面法，在枯落物采集完成后的樣方內(nèi)開(kāi)挖土壤剖面，使用環(huán)刀（容積為100 cm3）采集（0～20 cm）環(huán)刀土，用于土壤物理性質(zhì)和持水量的測(cè)定；并采集相應(yīng)的剖面土進(jìn)行混合，混合后采用四分法取其中一份，裝入針?lè)獯?，?shí)驗(yàn)室內(nèi)放入專(zhuān)用的土樣風(fēng)干盤(pán)中，攤成2～3 cm 的薄層，室溫下自然風(fēng)干，避免陽(yáng)光直射或暴曬。土樣半干時(shí)，為避免完全風(fēng)干后難以磨碎，用手將大塊的土粒捏碎。土壤樣品完全風(fēng)干后，磨碎，過(guò)2 mm 篩，裝入自封袋，用于土壤化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定。

2）土壤樣品的測(cè)定。土壤含水量、容重、孔隙度和持水量采用環(huán)刀法進(jìn)行測(cè)定；土壤pH 采用水土比2.5∶1 的酸度計(jì)法；有機(jī)質(zhì)（SOM）采用高鉻酸鉀高溫外加熱法，紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定；全氮（TN）采用凱氏定氮法；全磷（TP）和全鉀（TK）采用氫氧化鈉熔融法，全磷用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀測(cè)定，全鉀用火焰光度計(jì)測(cè)定；堿解氮（AN）采用堿解擴(kuò)散法；有效P（AP）采用Mehlich-3 浸提法，全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀測(cè)定；速效K（AK）采用Mehlich-3 浸提法，火焰光度計(jì)測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

1.4.1 因子分析

因子分析是采用降維的思想，將錯(cuò)綜復(fù)雜關(guān)系的變量綜合為少數(shù)幾個(gè)因子，以減少因變量之間的相關(guān)性帶來(lái)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的冗余，以多個(gè)綜合因子代替原始變量，并根據(jù)各成分的荷載值構(gòu)建因子荷載矩陣，并根據(jù)回歸（R）估計(jì)的方法求出公因子的因子得分矩陣。

1.4.2 權(quán)重的確定

式（1）中，Wi表示第i個(gè)主成分的權(quán)重，Ei表示第i個(gè)主成分的解釋方差貢獻(xiàn)率，表示累積方差貢獻(xiàn)率。

1.4.3 隸屬度函數(shù)

為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化（歸一化），本研究運(yùn)用隸屬度函數(shù)法，其中隸屬度公式為：

式（2）中，Ni表示第i個(gè)主成分的歸一化數(shù)值，F(xiàn)i表示第i個(gè)主成分的因子得分，F(xiàn)min表示第i個(gè)主成分的因子得分的最小值，F(xiàn)max表示第i個(gè)主成分的因子得分的最大值。

1.4.4 綜合評(píng)價(jià)值

式（3）中，CEV 表示不同比例混交林樣地的綜合評(píng)價(jià)值，其值的大小表明林地保水、保土和保肥能力的強(qiáng)弱。

1.4.5 數(shù)據(jù)的處理

采用Excel 2016、SPSS 20.0 和Origin 2018 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算和圖表的繪制。對(duì)不同比例混交林各指標(biāo)進(jìn)行方差分析（ANOVA），采用LSD差異顯著性檢驗(yàn)（n=3）比較差異顯著性，利用Pearson 相關(guān)性分析土壤養(yǎng)分含量與持水性和水土流失特征的相關(guān)性，利用因子分析和隸屬度函數(shù)分析綜合評(píng)價(jià)不同比例混交林林地保水、保土和保肥能力。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同比例馬尾松和紅錐混交林水土流失特征

紅水河小流域降水豐富，在全年均有分布（圖1），尤其是2018 和2019年6—10月降水次數(shù)最多，均為9 次，最大降水量分別為116 和70 mm，月平均降水量分別為73.66 和59.08 mm。而不同處理間的產(chǎn)流次數(shù)與降水次數(shù)之間無(wú)顯著差異，這表明紅水河小流域降水量較為豐富，降水能夠顯著影響地表產(chǎn)流，導(dǎo)致土壤泥沙的流失，荒漠化不斷加劇，尤其是更應(yīng)該注意6—10月份時(shí)間階段水土流失的防治工作。

圖1 不同比例馬尾松和紅錐混交林樣地降水狀況和月產(chǎn)流次數(shù)Fig.1 Precipitation status and monthly runoff frequency of the mixed forest of Pinus massoniana and Castanopsis hystrix in different proportions

圖2 不同混交比例林地徑流量和徑流泥沙量Fig.2 Forest runoff yield and runoff sediment yield of forests with different mixing ratios

不同比例馬尾松和紅錐混交林年產(chǎn)流量和徑流泥沙量均具有顯著差異（P＜0.05，圖2），尤其是M10 林分的年產(chǎn)流量顯著高于M6H1 和M9H1，M4H1 林分年的產(chǎn)沙量顯著高于M6H1 和M9H1，徑流量和徑流泥沙量隨混交比例的增加呈“V”形變化，均在M9H1 時(shí)最低，且M4H1 與M10 之間、M6H1 與M9H1 之間均無(wú)顯著差異。2018年 和2019年林地年平均徑流量分別為4.13 和6.81 mm，年平均徑流泥沙量為10.28 和14.39 t/km2，其中，M10 林分年徑流量最大，分別為5.21 和7.65 mm，其次是M4H1，分別為4.29 和6.80 mm；M4H1 林分年徑流泥沙量最大，分別為12.32 和16.16 t/km2，其次是M10，分別為11.97 和15.97 t/km2，均顯著高于M6H1 和M9H1，M9H1 林分的年徑流泥沙量最小分別為7.18 和12.17 t/km2。不同混交比例每次徑流量和徑流泥沙量主要集中于6—10月之間，其中，M10 林分的徑流量普遍較大，而徑流泥沙量卻并非最大，這表明林地徑流泥沙量的大小不僅與徑流量有關(guān)，還與林地枯落物層和土壤層的保水保土能力有關(guān)。M6H1 和M9H1 比例類(lèi)型下徑流量和徑流泥沙量顯著低于M10 林分，這表明M6H1 和M9H1 兩種混交比例馬尾松和紅錐混交林較馬尾松純林具有更好的保水保土能力。

2.2 不同比例馬尾松和紅錐混交林枯落物層和土壤層持水特性

除土壤穩(wěn)滲時(shí)間外，不同比例馬尾松和紅錐混交林枯落物蓄積量、持水特性和土壤持水特性、滲透率指標(biāo)均具有顯著差異（P＜0.05，圖3），且各指標(biāo)的變化規(guī)律并不一致。2018年和2019年林地年平均枯落物蓄積量分別為1.34 和1.42 t/km2，年平均最大持水量分別為2.39 和2.60 t/km2，年平均有效持水量分別為1.45 和1.53 t/km2，其蓄積量和持水性指標(biāo)均隨混交比例的增加呈倒“N”形變化，均在M10 時(shí)最低，顯著低于M4H1和M9H1，且兩者之間無(wú)顯著差異。2018年和2019年林地土壤容重隨混交比例的增加呈“V”形變化，均在M9H1 時(shí)最低，顯著低于M4H1 和M10，而M9H1 和M6H1 之間及M4H1 和M10之間土壤容重?zé)o顯著差異；土壤最大持水量和有效持水量的變化并不一致，其中，最大持水量在M6H1 最大，顯著高于其他林地，而有效持水量、土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率具有相似的變化規(guī)律，均呈倒“V”形變化，均在M9H1 最大，顯著高于M10 密度類(lèi)型，而不同混交比例土壤穩(wěn)滲時(shí)間無(wú)顯著差異，這表明降水在滲入土壤過(guò)程中，土壤對(duì)水的滲透性能并不一致，其中M9H1 具有更好的透水性能，雨水能夠充分滲入土壤，有效降低地表徑流和水土流失。

圖3 不同混交比例林地枯落物層和土壤層持水特性Fig.3 The water-holding characteristics of the litter layer and soil layer of forests with different mixing ratios

2.3 不同比例馬尾松和紅錐混交林土壤養(yǎng)分分布

不同比例馬尾松和紅錐混交林土壤pH 值、有機(jī)質(zhì)、陽(yáng)離子交換量、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀的含量均存在顯著差異（P＜0.05，圖4），且各指標(biāo)增大或減小的變化規(guī)律并不一致。2018年和2019年林地土壤pH 值、有機(jī)碳和陽(yáng)離子交換量的含量具有相似的變化規(guī)律，隨混交比例的增加均呈先增加后減小的趨勢(shì)，M6H1 密度類(lèi)型最大，顯著高于M10 密度類(lèi)型，而M6H1 和M9H1密度類(lèi)型之間無(wú)顯著差異。全氮和全磷的含量隨混交比例的增加呈先增大后減少的趨勢(shì)，M9H1 密度類(lèi)型最大，M10 最小顯著低于其他密度類(lèi)型。全鉀的含量在M4H1 中最大，顯著高于M10 密度類(lèi)型，而堿解氮、有效磷和速效鉀的含量則在M4H1 中最小，顯著低于M6H1 和M10 密度類(lèi)型。

圖4 不同混交比例林地土壤養(yǎng)分的含量Fig.4 The water-holding characteristics of the litter layer and soil layer of forests with different mixing ratios

2.4 相關(guān)性分析

不同比例馬尾松和紅錐混交林土壤養(yǎng)分含量與林地持水特性之間，以及水土流失特征之間均呈現(xiàn)較好的相關(guān)性水平，且徑流量、徑流泥沙量與土壤養(yǎng)分含量、持水特性均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（表2）。其中，凋落物蓄積量與土壤pH、SOM、CEC、TN均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤AN、AK 和徑流量、徑流泥沙量均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；凋落物層最大持水量與土壤pH 值、CEC、TN、TK 均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤AP 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；凋落物層有效持水量與土壤SOM、TN、TK 均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤AN、AP 均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤容重與pH 值、SOM、CEC、TN、TP、AN、AK 和徑流量、徑流泥沙量均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤最大持水量與pH 值、CEC 均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤TK、AP 和徑流量、徑流泥沙量均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤有效持水量與pH 值、CEC、TN 均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與AP 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤初滲速率與pH 值、SOM、CEC、TN、TP、TK 和AK 均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與徑流量、徑流泥沙量均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤穩(wěn)滲速率與pH 值、SOM、CEC、TN、TP、AN 和AK 均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與徑流量、徑流泥沙量均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤穩(wěn)滲時(shí)間僅與AN 顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外，徑流量和徑流泥沙量與土壤SOM、TN、TP、TK、AN、AP、AK 均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這表明隨著地表徑流的增加、土壤顆粒的流失，土壤養(yǎng)分隨徑流大量流失，易造成土壤養(yǎng)分的流失以及水體富營(yíng)養(yǎng)化的過(guò)程。

表2 土壤養(yǎng)分含量與持水性和水土流失特征的相關(guān)性系數(shù)?Table 2 Correlation coefficients of soil nutrient content,water holding capacity and soil erosion characteristics

2.5 因子分析和隸屬度函數(shù)分析

為避免指標(biāo)間的相關(guān)性造成的信息重疊，客觀反映不同混交比例下馬尾松和紅錐混交林林地保水、保土和土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力，本研究將2個(gè)水土流失指標(biāo)（RY 和RSY）、3 個(gè)枯落物層持水性指標(biāo)（TLA、LM-WHC 和LE-WHC）、6 個(gè)土壤持水性指標(biāo)（SBD、SM-WHC、SE-WHC、SIIR、SIR 和ST）和9 個(gè)土壤養(yǎng)分指標(biāo)（pH 值、SOM、CEC、TN、TP、TK、AN、AP、AK），共20 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行因子分析。根據(jù)KMO 和球形Bartlett 檢驗(yàn)結(jié)果顯示，球形Bartlett 檢驗(yàn)顯著性水平小于0.05 且KMO 值為0.643 大于0.7，適合因子分析。選擇特征值大于1 的成分共4 個(gè)，總累積解釋方差貢獻(xiàn)率為96.19%（表3）。其中，第1 主成分（PC1）解釋方差貢獻(xiàn)率為41.14%，包括RY、RSY、SBD、SIIR、SIR、SOM、TN、TP 和AK 共9 個(gè)指標(biāo)，反映水分的徑流-入滲-養(yǎng)分信息；第2 主成分（PC2）解釋方差貢獻(xiàn)率為28.81%，包括TLA、LM-WHC、SM-WHC、SE-WHC、pH和CEC，反映凋落物-土壤的持水性能信息；第3 主成分（PC3）解釋方差貢獻(xiàn)率為15.37%，包括LE-WHC 指標(biāo)，反映凋落物有效持水性能；第4 主成分（PC4）解釋方差貢獻(xiàn)率為10.86%，包括ST 指標(biāo)，反映水分滲透時(shí)間信息。因此，水分的徑流-入滲-養(yǎng)分、凋落物-土壤的持水性能、凋落物有效持水性能和水分滲透時(shí)間可作為馬尾松和紅錐混交林保水、保土和保肥能力評(píng)價(jià)的鑒定指標(biāo)。

根據(jù)因子分析運(yùn)算結(jié)果，得到各主成分的因子得分矩陣，并對(duì)其進(jìn)行隸屬度函數(shù)分析，得到標(biāo)準(zhǔn)化后的因子得分矩陣，并根據(jù)各主成分的解釋方差貢獻(xiàn)率與累積解釋方差貢獻(xiàn)率的商值求得各成分的權(quán)重，進(jìn)而根據(jù)加權(quán)歸一化公式求得不同比例馬尾松和紅錐混交林林地綜合得分（表4）。其中，2018年和2019年不同比例馬尾松和紅錐混交林綜合評(píng)價(jià)值均表現(xiàn)為M9H1 密度類(lèi)型最大，分別為：0.81 和0.80，其次是M6H1，分別為：0.76 和0.68，M10 的綜合評(píng)價(jià)值最低，分別為0.05和0.07，均顯著低于其他密度類(lèi)型。這表明混交林較純林對(duì)林地具有更好的保水、保土和保肥效果，其中M9H1 密度類(lèi)型下綜合效果最佳，其次是M6H1 密度類(lèi)型。

表3 不同混交比例下各指標(biāo)的成分荷載矩陣和方差貢獻(xiàn)率Table 3 Component load matrix and variance contribution rate of each index under different mixing ratios

表4 不同混交比例下各處理因子得分矩陣和綜合評(píng)價(jià)值Table 4 Score matrix and comprehensive evaluation value of each treatment factor under different mixing ratios

3 結(jié)論與討論

3.1 混交比例對(duì)林地水土流失特征的影響

水土流失特征作為反映林地保水和保土能力的強(qiáng)弱，林地徑流量和徑流泥沙量的大小直接反映了林分所具有阻擋雨水對(duì)地表沖刷能力的強(qiáng)弱[14]。本研究中，不同比例馬尾松和紅錐混交林年產(chǎn)流量和徑流泥沙量均具有顯著差異（P＜0.05），尤其是M9H1 混交密度下徑流量和徑流泥沙量均最低，表明馬尾松和紅錐的混交比例為9∶1 時(shí)，林地具有更好的保水和保土的能力，其原因可能由于馬尾松數(shù)量的增多，林地生物量和凋落物的增加，有效增加降水的截六、水分入滲和減少地表徑流及其對(duì)土壤的沖刷能力，從而使林分具有更好的保水和保土能力[15-16]。徑流量和徑流泥沙量隨混交比例的增加呈“V”形變化，其中：M10林分的年產(chǎn)流量中顯著高于M6H1 和M9H1，M4H1 林分年的產(chǎn)沙量顯著高于M6H1 和M9H1，且M4H1 與M10 之間、M6H1 與M9H1 之間均無(wú)顯著差異。這表明混交林較純林具有更好的保水保土的能力，且隨著混交林中馬尾松數(shù)量的增加其效果逐漸顯著，可能是由于混交林下凋落物組分的多樣性及其凋落物的分解，能夠?qū)Ω纳仆寥蕾|(zhì)地、提高涵養(yǎng)水源的能力并對(duì)水土流失起到一定的阻擋作用[17]。羅興錄等[18]通過(guò)比較桉樹(shù)林、龍眼樹(shù)、混交林3 種植被下水流失量、土壤流失量及土壤養(yǎng)分流失量，表明混交林較桉樹(shù)和龍眼樹(shù)純林具有更好地保持水土的作用，這與本研究結(jié)果相似。此外，6—10月作為紅水河小流域降雨旺季，其徑流量和徑流泥沙量顯著高于其他月份，尤其應(yīng)該做好雨季的水土流失防護(hù)工作。

3.2 混交比例對(duì)林地枯落物層和土壤層持水特征的影響

不同比例馬尾松和紅錐混交林枯落物層蓄積量、最大持水量和有效持水量指標(biāo)均具有顯著差異（P＜0.05），均在M10 時(shí)最低，顯著低于M4H1 和M9H1，且兩者之間無(wú)顯著差異。這表明混交林枯落物層較純林林下枯落物層的攔蓄能力更具優(yōu)勢(shì)，而馬尾松純林中僅存在馬尾松針葉和灌草植被其枯落物層攔蓄能力較弱。研究表明，混交密度和枯落物蓄積量與枯落物攔蓄能力呈顯著正相關(guān)關(guān)系，且能夠作為林分水源涵養(yǎng)能力的直接體現(xiàn)[19]。土壤容重和持水特性是決定土壤涵養(yǎng)水源能力的重要指標(biāo)，兩者直接影響土壤蓄水和通氣性能[20]。本研究中，M9H1 密度類(lèi)型下土壤容重最低，顯著低于M4H1 和M10；M6H1 密度類(lèi)型下土壤最大持水量最大，顯著高于其他林地；M9H1 密度類(lèi)型下土壤有效持水量最大，顯著高于M4H1 和M10，表明M9H1 密度較其他密度類(lèi)型和純林機(jī)油更好的水源涵養(yǎng)的能力。這可能是由于混交林較純林具有更加復(fù)雜的枯落物類(lèi)型，從而促進(jìn)枯落物分解改善土壤環(huán)境，使土壤毛管孔隙度增大，土壤有效涵養(yǎng)水源能力增加[21]。此外，土壤水分的入滲規(guī)律的掌握是探討地表徑流的基礎(chǔ)條件，適宜的換教齡能夠更好改善土壤的入滲性能，最大限度地減少地表徑流和水土流失[22]。本研究中，除土壤穩(wěn)滲時(shí)間外，土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率均隨混交密度的增加呈先增后減的趨勢(shì)，均在M9H1 時(shí)最大，M10 最小，可見(jiàn)混交林對(duì)增加土壤入滲和減緩地表徑流具有顯著效果，尤其是在M9H1 密度類(lèi)型下。而不同混交比例土壤穩(wěn)滲時(shí)間無(wú)顯著差異，這表明降水在滲入土壤過(guò)程中，土壤對(duì)水的滲透性能并不一致，其中M9H1具有更好的透水性能，雨水能夠充分滲入土壤，有效降低地表徑流和水土流失。

3.3 混交比例對(duì)林地土壤養(yǎng)分含量的影響

土壤pH 值作為反映土壤環(huán)境的重要指標(biāo)，每種植物的生長(zhǎng)存在與之相適宜的pH 范圍[23]，紅水河小流域土壤pH 值的變化范圍為4.22～4.70之間，土壤類(lèi)型主要屬于偏酸性土壤，這種酸性環(huán)境是林木長(zhǎng)期環(huán)境適應(yīng)性的結(jié)果。土壤有機(jī)質(zhì)作為土壤非營(yíng)養(yǎng)元素，但為土壤養(yǎng)分養(yǎng)分元素的釋放和分解提供了重要的物質(zhì)來(lái)源和動(dòng)力，直接影響土壤環(huán)境中微生物及其一系列物理和化學(xué)活動(dòng)的關(guān)鍵因子，是林木生長(zhǎng)的重要養(yǎng)分來(lái)源[24]。本研究中，有機(jī)質(zhì)隨混交比例的增加均呈先增加后減小的趨勢(shì)，其中M6H1 密度類(lèi)型最大，其次是M9H1 密度類(lèi)型，顯著高于M4H1 和M10，表明M6H1 和M9H1 密度類(lèi)型較馬尾松純林能夠促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的積累，這可能歸因于M6H1 和M9H1 密度類(lèi)型是馬尾松和紅錐最佳的枯落物搭配類(lèi)型，有助于促進(jìn)枯落物的分解，碳輸入量的增加則導(dǎo)致長(zhǎng)期養(yǎng)分的積累。眾所周知，土壤有機(jī)質(zhì)的大量積累，有助于改善土壤環(huán)境，從而改善土壤肥力的不同方面[25-26]。土壤N、P 和K 是植物各器官生長(zhǎng)和發(fā)育的重要三大基本元素，其含量的大小直接反映土壤肥力的強(qiáng)弱[27]。根據(jù)這一概念，我們的研究結(jié)果表明，全氮和全磷的含量均隨混交比例的增加呈先增大后減少的趨勢(shì)，M9H1 密度類(lèi)型最大，M10 最小顯著低于其他密度類(lèi)型。全鉀的含量在M4H1 中最大，顯著高于M10 密度類(lèi)型，而堿解氮、有效磷和速效鉀的含量則在M4H1 中最小，顯著低于M6H1 和M10 密度類(lèi)型。這表明不同密度類(lèi)型下，其土壤養(yǎng)分的豐缺狀況并不一致，土壤肥力質(zhì)量指標(biāo)在不同密度中的波動(dòng)顯著，在進(jìn)行土壤肥力質(zhì)量評(píng)判的過(guò)程中應(yīng)該采用綜合評(píng)價(jià)的方式，以期更加準(zhǔn)確、客觀評(píng)價(jià)土壤肥力質(zhì)量的大小。此外，土壤陽(yáng)離子交換量作為反映土壤中微量元素，如Ga、Mg、Fe、Mn、Cu 和Zn 等速效元素的流動(dòng)能力，其大小直接反映植物吸收養(yǎng)分元素的難易程度[28]。本研究中，陽(yáng)離子交換量隨混交比例的增加均呈先增加后減小的趨勢(shì)，M6H1 密度類(lèi)型最大，顯著高于M10，而M4H1 和M9H1 分別與其他密度類(lèi)型無(wú)顯著差異，這表明M6H1 密度類(lèi)型較馬尾松純林具有更加高效的陽(yáng)離子交換速率，這種陽(yáng)離子交換量的指標(biāo)應(yīng)該被引入土壤肥力質(zhì)量的評(píng)價(jià)體系中，以期更加科學(xué)評(píng)判樣地土壤肥力質(zhì)量的大小。

3.4 混交比例對(duì)林地水土流失和土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)

植物-枯落物-土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力的綜合系統(tǒng)[29]，植物通過(guò)自身冠層和樹(shù)干對(duì)降雨產(chǎn)生初次接觸并進(jìn)行截留，而土壤表層枯落物對(duì)降雨產(chǎn)生攔蓄作用，一方面避免降雨直接擊打土壤，另一方面減緩徑流和水土流失，起到涵養(yǎng)水源的作用，而土壤作為林木生長(zhǎng)的基質(zhì)，其依靠毛管孔隙和非毛管孔隙儲(chǔ)存水肥和養(yǎng)分供給植物生長(zhǎng)，三者之間相互作用、相互關(guān)聯(lián)共同承擔(dān)森林生態(tài)系統(tǒng)的水土保持效益。本研究中不同比例馬尾松和紅錐混交林土壤養(yǎng)分含量與林地持水特性之間，以及水土流失特征之間均呈現(xiàn)較好的相關(guān)性水平，且徑流量、徑流泥沙量與土壤養(yǎng)分含量、持水特性均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。這表明林地徑流量和徑流泥沙量與枯落物和土壤層的持水特性，以及土壤養(yǎng)分含量均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，對(duì)于林地減緩徑流和減少?gòu)搅髂嗌车漠a(chǎn)生，有助于林地水土保持工作的恢復(fù)，這對(duì)于南方石漠化地區(qū)水土保持工作的開(kāi)展具有一定的指導(dǎo)意義，Neris 等[30]也有類(lèi)似的研究結(jié)果。李小倩等[31]通過(guò)對(duì)魯中南石灰?guī)r山地針闊混交林土壤理化性狀及水文效應(yīng)的綜合研究，選擇出適宜魯中南石灰?guī)r山地的針闊混交林模式，優(yōu)先選擇側(cè)柏刺槐混交林和側(cè)柏苦楝混交林，其次側(cè)柏五角楓混交林和側(cè)柏臭椿混交林，而應(yīng)該避免側(cè)柏純林。而本研究中，通過(guò)對(duì)紅水河小流域馬尾松和紅錐混交林的水土流失特征、水源涵養(yǎng)能力和土壤養(yǎng)分三個(gè)方面進(jìn)行研究，基于因子分析和隸屬度函數(shù)分析得到：2018年和2019年連續(xù)兩年，馬尾松和紅錐混交林綜合評(píng)價(jià)值均表現(xiàn)為M9H1 密度類(lèi)型最大，分別為0.81 和0.80，其次是M6H1，分別為0.76 和0.68，M10 的綜合評(píng)價(jià)值最低，分別為0.05 和0.07，均顯著低于其他密度類(lèi)型。這表明混交林較純林對(duì)林地具有更好的保水、保土和保肥效果，其中M9H1 密度類(lèi)型下綜合效果最佳，其次是M6H1 密度類(lèi)型。此外，本研究?jī)H對(duì)不同混交比例馬尾松和紅錐人工林的水土流失特征和土壤理化性質(zhì)研究，而未涉及林分水循環(huán)和水平衡特征、養(yǎng)分流失等方面的研究，在接下來(lái)的研究中重點(diǎn)是應(yīng)該將森林作為一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)，從水循環(huán)和水平衡特征、養(yǎng)分流失進(jìn)行結(jié)合探討，并與森林生態(tài)系統(tǒng)的功能穩(wěn)定性進(jìn)行銜接，以期更加深入了解混交林的生態(tài)服務(wù)功能及其對(duì)混交密度的響應(yīng)，同時(shí)本研究擬為馬尾松純林的改造和提升提供一定的參考意見(jiàn)。