7种木兰科观赏植物枯落物层及土壤层水文效应

周凌峰, 陈夙怡, 戴矜君, 刘俊东, 徐利珍, 田祝郡, 占昭慧, 赵雯荻, 陈金辉, 涂志华†

(1.海南大学林学院 热带特色林木花卉遗传与种质创新教育部重点实验室, 570228, 海口；
2.海南省热带珍稀名贵树种工程研究中心, 570228, 海口；
3.海南省水文水资源勘测局, 570203, 海口)

森林是陆地生态系统重要的组成部分[1]，在水源涵养、区域水土保持、理水减沙、净化空气等方面起到关键作用[2-4]。森林水文效应作为全球水文循环中的一个重要环节，对大气水分循环有着巨大影响[5]。林冠层截流、枯落物层持水拦蓄、土壤层贮水入渗是森林生态系统中的3个主要功能层，参与森林水文过程[6-7]。枯落物层是森林水文效应中的重要作用层之一，具有防止雨滴击溅侵蚀、拦蓄降雨、拦截地表径流、抑制土壤水分蒸发和提高土壤抗侵蚀能力；
其分解层形成的土壤有机质有效改善土壤团粒结构，促进土壤入渗[5,8]。土壤层是水分贮存的主要场所，降雨沿土壤孔隙下渗形成土壤水和地下径流，对降雨再分配进而涵养水源[8]。国内外学者对森林枯落物及土壤层水源涵养能力已开展了大量研究。Burrows等[9]认为枯落物层在一定程度上影响土壤层的持水能力，郭建军等[10]认为土壤层的持水能力在森林水文效应中占据主导地位。因此，开展枯落物层及土壤层的水文效应研究在保持水土、涵养水源中有重要的理论和实践意义。

我国木兰科植物资源丰富，自然分布有11属130多种[11]。木兰科植物应用价值高、适应性广，为多用途珍稀树种。因观赏价值高，在园林景观中广泛应用[12]。目前，木兰科植物的研究多集中在种子育苗、驯化引种、物候特征、药用成分、观赏特性以及园林应用等方面[13-17]。木兰科观赏植物在园林中占据着重要地位。方晓晨等[17]对浙江省12种木兰科植物的观赏特征进行研究，认为深山含笑 (Micheliamaudiae)、厚朴 (Magnoliaofficinalis)、黄山玉兰 (Yulaniacylindrica) 和天目玉兰 (Yulaniaamoena) 观赏特征优良，可优先开发利用。而木兰科植物枯落物层及土壤层的持水能力的研究不足，制约着深入认识木兰科观赏植物发挥涵养水源功能。因此，笔者以海南天香木兰植物保育研究中心园区内石碌含笑(Micheliashiluensis)、紫花含笑(Micheliacrassipes)、金叶含笑(Micheliafoveolata)、深山含笑(Micheliamaudiae)、观光木(Micheliaodora)、华盖木(Manglietiastrumsinicum)和亮叶木莲(Manglietialucida)共7种木兰科植物人工林为研究对象，通过对比分析其林下枯落物层和土壤层的持水特征，探究其枯落物层和土壤层的涵养水源能力，揭示7种木兰科植物枯落物层和土壤层水文效应，为其在园林应用中优化景观植物配置提供支撑。

研究区域位于海南省儋州市兰洋镇海南天香木兰植物保育研究中心园区(E 109°67′～109°69′，N 19 °48 ′～19°50′)，海拔130～190 m，属于岛屿型热带季风气候，年均降雨量1 815 mm，年均气温21～29 ℃左右，土壤类型主要为砖红壤。海南天香木兰植物保育研究中心占地面积约2 000 hm2，于2014年开展引种木兰科植物，保育中心立地条件较好，引种木兰科植物资源丰富，主要为含笑属(Michelia)、木兰属(Magnolia)、木莲属(Manglietia)、华盖木属(Manglietiastrum)、观光木属(Tsoongiodendron)、拟单性木兰属(Parakmeria)等。7种木兰科植物均为同期同批大苗引种并人工栽植，株行距为5 m×5 m，每树种约种植33.33 hm2，定植后至今7 a，引种区域地形为缓坡地，林下无灌木，草本主要有地毯草(Axonopuscompressus)、鱼黄草(Merremiahederacea)、海雀稗(Paspalumvaginatum)等。

2.1 样地设置

2021年1月，在海南省儋州市兰洋镇海南天香木兰植物保育研究中心园区内选取石碌含笑、紫花含笑、金叶含笑、深山含笑、观光木、华盖木、亮叶木莲7种植物作为研究对象，在每树种林地内设置3块20 m×20 m实验样地，并进行样地调查，样地基本概况如表1所示。

表1 7种木兰科植物样地基本概况

2.2 研究方法

2.2.1 枯落物持水性能测定 在样地内随机取3个枯落物小样方(50 cm×50 cm)，按分解程度分别测量半分解层和未分解层的厚度，分别各自收集于密封袋中并做好标记带回实验室称其鲜质量后75 ℃烘干至恒量，测定枯落物蓄积量。采用室内浸泡法测定7种植物枯落物的持水性能，即将收集的枯落物样品装入尼龙网袋浸入水中，在浸水0.25、0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、12和24 h时取出控干，至枯落物不滴水为止，迅速称其质量并做好记录，测定枯落物最大持水量、最大持水率和有效拦蓄量，计算式[18]为

Whmax=M24-M；

(1)

Rhmax=((M24-M)/M)×100%；

(2)

W有效= (0.85Rhmax-R0)M0；

(3)

Wt=((Mt-M)/M)M0；

(4)

Rt=((Mt-M)/M)×100%。

(5)

式中：Whmax为枯落物最大持水量，g；
M24为浸水24 h后的枯落物质量，g；
M为烘干后枯落物质量，g；
Rhmax为枯落物最大持水率，%；
W有效为枯落物有效拦蓄量，t/hm2；
0.85为有效拦蓄系数；
R0为枯落物自然含水率，%；
M0为枯落物蓄积量，t/hm2；
Wt为不同浸水时间下枯落物持水量，t/hm2；
Mt为浸泡th后枯落物持水量，g；
Rt为不同浸水时间下枯落物持水率，%。

2.2.2 土壤持水能力测定 在每样地内随机布设3个样点并挖土壤剖面，用100 cm3环刀分别在0～10、10～20和20～30 cm土层取原状土样(注意避开石块和粗根，尽量避免破坏土壤结构)。采用烘干法测定土壤含水量。采用环刀法测定土壤密度、总孔隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度等土壤物理性质[5]，计算土壤持水性能[19]，采用双环刀法进行土壤入渗能力测定[8,20]。

2.3 数据处理和分析

利用SPSS 25.0软件对数据进行统计分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)不同木兰科植物枯落物层和土壤层持水能力的差异显著性，利用最小显著差异法(least siginificant difference，LSD)进行多重比较分析(α=0.05)，采用Origin 2017软件制图。

3.1 枯落物蓄积量

7种木兰科植物枯落物层厚度差异显著(P<0.05)，在(2.29±0.32)～(5.58±0.58) cm之间变动，紫花含笑枯落物层厚度最大，为(5.58±0.58) cm(表2)。7种木兰科植物枯落物蓄积量同样存在显著差异(P<0.05)，石碌含笑枯落物蓄积量最大，为(25.11±2.58) t/hm2，亮叶木莲最小(5.24±0.41) t/hm2。综合分析不同分解程度枯落物的厚度及蓄积量，可以看出亮叶木莲半分解层所占比例较大，为(88.56±1.50)%，而其他6种植物均为未分解层所占比例较大，7种植物中亮叶木莲枯枝落叶分解较快。

表2 7种木兰科植物枯落物蓄积量特征

3.2 枯落物水文效应

3.2.1 枯落物最大持水量 7种木兰科植物枯落物最大持水量存在显著差异(P<0.05)，在(14.32±0.98)～(25.45±2.08) t/hm2之间变动，亮叶木莲最大持水量最大，紫花含笑最大持水量在含笑属中最大，为(23.85±1.00) t/hm2，分别是石碌含笑、金叶含笑、深山含笑的1.38、1.67、1.29倍(表3)。7种植物的最大持水率同样存在显著差异(P<0.05)，其范围为(330.66±20.80)%～(438.52±27.61)%，从大到小依次为亮叶木莲(438.52±27.61)% > 华盖木(421.73±21.99)% > 紫花含笑(417.17±13.33)% > 观光木(411.38±14.59)% > 深山含笑(345.61±15.13)% > 石碌含笑(330.66±20.80)% > 金叶含笑(290.48±12.99)%。7种木兰科植物最大持水量与最大持水率表现一致，亮叶木莲的最大持水量最大，主要是亮叶木莲的枯落物分解程度高，且半分解层枯落物的储量大，其吸水能力就强。由表2可知，紫花含笑的未分解层和半分解层的蓄积量均小于石碌含笑，但最大持水量却较石碌含笑高，这与枯落物的厚度和质量有关。

表3 7种木兰科植物枯落物最大持水量和持水率

3.2.2 枯落物有效拦蓄量 7种木兰科植物的枯落物有效拦蓄量存在显著差异(P<0.05)，这与不同植物的枯落物蓄积量和厚度有关，有效拦蓄量范围在(53.85±4.97)～(15.88±1.48) t/hm2之间变动，从大到小依次为石碌含笑(53.85±4.97) t/hm2> 紫花含笑(48.53±9.74) t/hm2> 金叶含笑(24.63±4.82) t/hm2> 华盖木(23.44±2.43) t/hm2>观光木(20.54±2.04) t/hm2> 亮叶木莲(18.65±2.37) t/hm2> 深山含笑(15.88±1.48) t/hm2(表4)。7种植物的枯落物平均有效持水率也同样存在显著差异(P<0.05)，表现为亮叶木莲(361.15±22.47)%>观光木(325.07±13.64)% >华盖木(319.01±15.92)% > 紫花含笑(309.68±13.45)% > 深山含笑(243.05±11.95)% > 石碌含笑(224.82±19.54)% > 金边含笑(199.46±12.86)%。由表3和表4可知紫花含笑枯落物层的拦蓄持水能力较好。

3.2.3 枯落物持水过程 7种木兰科植物未分解层、半分解层枯落物持水过程变化趋势基本一致(图1)，枯落物持水量在最初浸水的1 h时内增加迅速，4～12 h内增幅缓慢，随浸水时间延长，单位时间内枯落物持水量增长减小，在24 h时趋于平衡达到饱和状态。综合7种木兰科植物持水过程，亮叶木莲枯落物持水过程的变化规律与其他树种基本一致，但要迟缓2 h。这与亮叶木莲枯枝落叶比表面积大小及其生物学特性有关；
其余6种植物枯落物未分解层在浸水10 h时达到其饱和持水量90%以上，而半分解层在8 h基本达到。对7种不同木兰科植物枯落物半分解层、未分解层持水量与浸水时间进行拟合，二者呈对数函数关系(表5)：

K=alnt+b。

(6)

式中:K为枯落物持水量，t/hm2；
a、b为拟合参数；
t为浸水时间，h。

3.2.4 枯落物吸水速率 7种木兰科植物枯落物吸水速率在最初的2 h内最大，而后迅速下降， 6 h后下降趋势减缓， 至24 h逐渐趋停(图2)。浸水前期7种木兰科植物枯落物吸水速率相差甚大，尤其是华盖木显著大于深山含笑，随着浸水时间的延长，不同植物吸水速率趋趋于平稳，表明不同种植物枯落物持水能力已达到饱和状态。对7种木兰科植物枯落物半分解层、未分解层持水速度与浸水时间进行拟合，二者呈幂函数关系(表5)：

N=ktn。

(7)

式中:N为枯落物持水速率，t/(hm2·h)；
k为系数；
n为拟合指数。

表4 7种木兰科植物枯落物有效拦蓄量和持水率

图1 不同植物持水量变化Fig.1 Changes of water-holding capacities of different plants

图2 枯落物持水速率变化Fig.2 Change of water-holding rates of litters

表5 7种木兰科植物枯落物层持水量、吸水速率与浸水时间关系

3.3 土壤物理性质及水文效应

3.3.1 土壤物理性质 土壤密度和孔隙度是反映土壤物理性质的重要参数，密度是土壤紧实度的敏感指标，反映土壤透水通气性，土壤密度大表明土壤紧实板结、结构性差[8,21]。土壤密度与孔隙度的差异受不同植被枯落物组成及分解程度、根系的生长发育、区域降雨特征等因素影响[21-22]。由表6可以看出，7种植物表层土密度差异不显著(P>0.05)，保持在(1.55±0.08)～(1.22±0.08) g/cm3之间，其中深山含笑最大，为(1.55±0.08) g/cm3，华盖木(1.49±0.09) g/cm3、观光木(1.43±0.28) g/cm3次之，紫花含笑最小为(1.22±0.08) g/cm3。总体来看，7种植物土壤密度随土壤深度的增加而增大，各植物林下表层0～10 cm土壤密度最小，明显低于10～20和20～30 cm层土壤。孔隙度是是决定土壤水源涵养功能的重要参数[8,23]。土壤总孔隙度反映土壤疏松程度，由表6可知，总孔隙度变化趋势为亮叶木莲(49.89±3.81)%>紫花含笑(46.42±1.02)%>金叶含笑(45.16±5.08)% > 观光木(42.92±6.84)%>石碌含笑(42.40±1.51)% > 华盖木(40.81±3.60)% > 深山含笑(40.03±3.44)%。土壤非毛管孔隙度则影响土壤持水能力，非毛管孔隙度差异不显著(P>0.05)，介于(7.03±0.08)%～(2.62±1.27)%之间，金叶含笑最大，为(7.03±0.08)%，深山含笑最小，为(2.62±1.27)%。综合分析，7种植物土壤总孔隙度差异不显著(P>0.05)，亮叶木莲毛管孔隙度显著高于其他6种植物(P<0.05)，为(45.42±1.73)%，亮叶木莲总孔隙度和毛管孔隙度均为最大，从侧面反映出其林下表层土较为疏松，这与其半分解枯落物层蓄积丰富，改善土壤团粒结构有关。

3.3.2 土壤持水能力 田间持水量和有效持水量取决于毛管孔隙度和非毛管孔隙度大小，二者之和即为土壤最大持水量(饱和持水量)，是土壤持水能力的体现[5,8]。由表6可知，亮叶木莲土壤饱和持水量最大，为(498.95±48.13) t/hm2，各植物土壤饱和持水量从大到小依次为亮叶木莲(498.95±48.13) t/hm2> 紫花含笑(464.19±10.17) t/hm2>金叶含笑(451.63±50.83) t/hm2> 观光木(429.17 ±68.39) t/hm2>石碌含笑(423.95±15.15) t/hm2>华盖木(408.09 ±36.00) t/hm2> 深山含笑(400.34 ±34.35) t/hm2，土壤有效持水量表现为金叶含笑(70.33±8.77) t/hm2> 石碌含笑(68.12±45.91) t/hm2> 紫花含笑(55.09±12.48) t/hm2>观光木(52.83±38.81) t/hm2>亮叶木莲(44.77±35.44) t/hm2> 华盖木(40.66±22.87) t/hm2>

表6 7种木兰科植物土壤水分物理性状及持水量特征

深山含笑(26.23±12.70) t/hm2。可以看出，深山含笑的土壤持水能力最差，金叶含笑具有较强的土壤持水能力。

3.3.3 土壤入渗 土壤入渗是森林涵养水源的重要指标[5,8]。土壤入渗能力越好，地表径流量和土壤侵蚀量越小[22]。由表7可知，不同植物稳渗速率差异显著(P<0.05)，金叶含笑初渗速率最大，为5.49 mm/min，最小为亮叶木莲(0.64 mm/min)，二者相差8.58倍， 入渗速率随时间变化逐渐减慢，直至趋于稳渗，7种植物土壤稳渗速率在0.11～3.18 mm/min间变动，稳渗速率最大为金叶含笑(3.18 mm/min)。入渗过程中亮叶木莲最先在22 min达到稳渗，而观光木在52 min达到稳渗。对不同木兰科植物土壤入渗速率和入渗时间进行拟合，二者呈幂函数关系(表7)：

f=at′b。

(8)

式中:f为入渗速率，mm/min；
a，b为常数;t′为入渗时间，min。

表7 7种木兰科植物土壤入渗模型

4.1 不同植物枯落物层水文效应

枯落物层作为森林水文效应中极为重要的一环，发挥水土保持、水源涵养等巨大作用，其涵养水源功能主要表现在蓄积量和持水量2方面[1]。枯落物蓄积量反映了枯落物凋落与分解之间的动态平衡[2]。本研究表明，不同木兰科植物枯落物蓄积量差异显著，石碌含笑枯落物蓄积量显著大于比其他6种植物，亮叶木莲半分解层枯落物蓄积量占总蓄积量比例较大，比其他6种植物枯落物分解程度高。持水量反映林分单位面积内枯落物的持水性能，受枯落物总蓄积量的影响[5]。从枯落物持水过程可以看出，枯落物最大持水量表现为亮叶木莲最大。枯落物最大持水量与其半分解层占总蓄积比率有关，也与枯落物的叶片吸水能力的差异相关[8]。不同种植物枯落物持水量表现出的差异，主要是不同植被类型枯落物的数量与质量所决定的，也受到不同区域气候条件差异的影响[21-22]。研究中发现，7种木兰科植物枯落物的持水过程中前2 h吸水速率最大，随后速率逐渐减缓，最后趋于停止。枯落物持水量和浸水时间二者呈对数关系，枯落物持水率与浸水时间之间呈幂函数关系，这与侯贵荣等[23]的研究结果相似。采用室内浸泡法研究枯落物持水特征在一定程度上反映了枯落物拦蓄降雨能力，但还需对野外样地枯落物对天然降雨的实际拦蓄能力进一步研究。

4.2 不同植物土壤层水文效应

土壤是森林生态系统中涵养水源的主体，也是评价森林水源涵养功能的重要指标[19]。孔隙度是土壤水分物理性质中尤为重要的指标，密度是表征土壤质量的重要参数，也是反映土壤的密实性、透水性、通气性的直观指标[21-23]。在本研究中，7种木兰科植物的土壤密度介于1.22～1.55 g/cm3之间，深山含笑土壤密度最大，土壤总孔隙度和非毛管孔隙度最小，表明深山含笑相比其他6种植物林下土壤更紧实，不易透水通气且持水能力最弱。这取决于深山含笑土壤的孔隙以及自身根系生理特性有关。各植物林下表层0～10 cm土壤密度最小，明显低于10～20和20～30 cm层土壤。这与地表枯落物改善土壤结构作用有直接关系。土壤饱和持水量由大到小依次为亮叶木莲>紫花含笑>金叶含笑>观光木>石碌含笑>华盖木>深山含笑，土壤有效持水量由大到小依次为金叶含笑>石碌含笑>紫花含笑>观光木>亮叶木莲>华盖木>深山含笑，这与枯落物在土壤表层堆积、分解等过程促进土壤团聚体形成有关[23]。7种木兰科植物土壤持水量存在差异，土壤有效持水量最大为金叶含笑。这主要取决于金叶含笑土壤的孔隙特性，其非毛管孔隙大于其他6种植物，非毛管孔隙能贮存重力水，因而能够迅速吸纳降雨，具有较强的入渗能力，有利于涵养水源[5]。土壤入渗能力是土壤水文调节功能和水源涵养的重要指标[22]。本研究表明7种木兰科植物稳渗速率存在差异，金叶含笑初渗速率最大，亮叶木莲初渗速率最小，这主要是金叶含笑林下土壤非毛管孔隙数量较多，促进对降雨吸收并快速下渗，土壤的渗透能力较强，而其他树种的非毛管孔隙较少，渗透性较差[8]。对7种植物土壤入渗速率与入渗时间进行拟合，发现二者呈幂函数关系，这与前人研究结果一致[5,21-23]。

在本研究中，综合7种木兰科植物枯落物拦蓄能力和土壤持水能力可以看出，石碌含笑、紫花含笑枯落物层涵养水源能力上具有一定的优势，这与其林下草本茂盛，枯落物蓄积量丰富有关。金叶含笑土壤层持水能力较好，持水能力较强。这与其根系发达，土壤结构疏松多孔，非毛管孔隙较多有关。金叶含笑树形优美，枝叶翠绿，花有芳香，具有较好观赏效果，可与适宜阔叶树种混交。因此从涵养水源及园林景观应用角度出发，在园林造景可适当增加石碌含笑、紫花含笑和金叶含笑种植数量，优化配置以促进景观植物发挥保持水土功能。

1) 不同木兰科植物枯落物蓄积量变化范围为5.24～25.11 t/hm2，石碌含笑最大，亮叶木莲最小。7种植物中亮叶木莲枯枝落叶分解较快，半分解层枯落物蓄积量占总蓄积量的88.56%。

2) 7种植物枯落物最大持水量变化范围为14.32～25.45 t/hm2，有效拦蓄量在15.88～53.85 t/hm2，石碌含笑、紫花含笑枯落物层的拦蓄持水能力较好。枯落物持水量在浸水时间1 h内迅速增大，枯落物持水量K与浸水时间t呈对数关系：K=alnt+b，R2>0.92；
枯落物在浸水2 h内吸水速率变化最大，枯落物吸水速率N与浸水时间t呈幂函数关系：N=ktn，R2>0.94。

3) 7种植物土壤密度均值变化范围为1.22～1.55 g/cm3，土壤饱和持水量、有效持水量分别为400.34～498.95 t/hm2和26.23～70.33 t/hm2，从总体趋势看，金叶含笑土壤层持水能力表现较好。

4) 不同植物土壤层初渗速率和稳渗速率分别为0.64～5.49 mm/min和0.11～3.18 mm/min，金叶含笑初渗速率最大，是亮叶木莲的8.58倍，土壤入渗时间t′和入渗速率f呈幂函数关系：f=at′b，R2>0.90。

感谢海南天香木兰植物保育研究中心陈春国、姚智强、张化兵在外业调查过程中提供的帮助与支持。