亞熱帶常綠闊葉林不同林齡林分土壤理化性質研究

森林水源保護功能是森林生態系統的重要功能之一。森林生態系統中的水文過程大多是通過土壤作為媒介而發生的,林地土壤水源涵養能力的強弱不僅對SPAC系統不同界面間物質和能量的傳輸與交換過程有著重要的影響,而且直接作用到土壤水分的滲入、林地蒸散和流域產流,森林土壤是森林涵養水源的主體。森林土壤層水文狀況的變化將直接對整個區域的水文過程產生積極的影響。通過對不同植被土壤層水文特征的深入分析與評價,不僅對于水資源的保護和永續利用有著重要的指導意義,同時也為森林植被的水源涵養機理的深化研究提供一定依據。常綠闊葉林在我國東部溫暖濕潤區廣泛分布、面積大、類型復雜多樣,也是全球常綠闊葉林的主體,因其豐富的物種多樣性及巨大的生態效應,已引起了人們廣泛關注。由于我國常綠闊葉林分布在人口集中、經濟發達的區域,長期人為活動的強烈干擾,原生常綠闊葉林所剩無幾,森林生態效應低下。隨著社會經濟的不斷發展,人們的生態需求及環境意識日益增強,常綠闊葉林生態恢復受到重視。鑒于此,我們對安徽南部老山自然保護區常綠闊葉林的土壤特性及其水源涵養性能進行了調查分析,旨在為常綠闊葉林的生態恢復及其可持續經營提供依據。1山地地貌及森林植被自然恢復情況本項研究是在池州市老山自然保護區進行的,位于皖南山區北緣,其地理位置117°39′E、30°20′N。屬亞熱帶季風氣候,年均氣溫16.4℃,極端高溫40.9℃,極端低溫-8.5℃;年降水在1300~1800mm之間,多年平均降水量為1550mm;多霧,年均相對濕度80%。調查區以中低山為主,局部為丘陵、崗地。海拔多在400m以上,主峰仙人尖海拔1021m。峽谷深切,山坡陡峻,坡度多在20°以上,局部達35°~40°。山體構造主要由砂頁巖和花崗巖構成,其地帶性土壤為黃紅壤,均呈酸性;沙質壤土,土層淺薄,厚度多在50~80cm。地帶性森林植被為亞熱帶常綠闊葉林,由于長期亂砍濫伐,森林植被屢遭破壞,在20世紀70年代,森林覆蓋率曾一度降至40%。20世紀80年代以來,開始遏制亂砍濫伐,采用擇伐與封山育林相結合的方法恢復森林植被;90年代初建立老山自然保護區后,實施全面禁伐與封山育林,森林植被得到了迅速恢復,目前森林覆蓋率達90%。其主要樹種有苦櫧(CastanopsissclerophllaSchott.)、甜櫧(CastanopsiseyreiTutch.)、青岡(CyclobalanopsisglaucaOerst.)、石櫟(LithocarpusglaberMakai.)、馬尾松(PinusmassonianaLamb.)、毛竹(PhyllostachyspubescensMazelexH.deLehaie)、楓香(LiquidambarformosanaHance)等。2學習方法2.1樣本分設置與調查方法在踏查的基礎上,選擇典型林分設置調查標準地6塊,林齡分別為18年、36年、48年和65年生,除18年生林分的標準地面積為20m×20m外,其它林分標準地面積均為30m×20m。此外,36年和48年生林分各設2塊樣地,其中1塊為自然恢復林分,未受到任何經營干擾,另外1塊則在1990年前曾進行過砍灌和間伐撫育。其它林分在其發育過程中沒有經營干擾,各林分的優勢樹種基本相同,其立地狀況詳見表1。對標準地進行每木檢尺,實測林木(DBH≥3.0cm)的胸徑、樹高,記錄樹種及生長狀況。同時調查林下植被、地表凋落物層蓄積量和土壤特性。林下植被調查采用小樣方法,即在標準地內按機械隨機方式設置6個2m×2m的樣方,調查其組成種類、蓋度及生長情況。同時,在每個樣方中設置1個50cm×50cm的小樣方,收集其全部枯枝落葉,分別對新鮮凋落物(L層)、半分解和全分解凋落物(F+H層)分類稱量,并取樣測定其持水率和持水量,求算林地凋落物層的蓄積量。凋落物分解強度以半分解和全分解凋落物量占地表凋落物總量的百分比表示。土壤調查采用剖面法,在各標準地內隨機設置主、副土壤剖面2個,記載各剖面特征,用環刀法分別取0-10cm,10-20cm和20-40cm自然狀態土樣,重復3次,帶回室內用于土壤物理性分析。同時,按土層取混合土樣用于其化學分析。2.2土壤保水能力的測定與土壤養分分析2.2.1apollo營養元素的保持水量和提取物率的測定凋落物持水性能測定,按照森林土壤定位研究法進行自然含水率、最大持水率等測定,并據此計算凋落物蓄積量、最大持水量及有效攔蓄水量。2.2.2土壤滲透性能分析利用環刀法所取的原狀土樣,根據常規分析方法測定土壤自然含水量、毛管持水量和最大持水量。土壤滲透性能采用環刀入滲法。考慮到該地區林木根系集中分布于0-40cm土層,因此僅分析各林分0-40cm土壤各層持水量,單位林地面積0-40cm土壤持水量指標。土壤蓄水性能與土壤前期含水量關系密切,把土壤飽和蓄水量與土壤平均含水量之差作為衡量土壤涵蓄水量的指標。2.2.3土壤分析土壤有機質采用重鉻酸鉀法,全氮采用全自動凱氏定氮法,速效磷采用BrayⅡ法,速效鉀采用NH4Cl浸提、原子吸收光譜法測定。2.3數據分析采用Statistica8.0統計軟件包對數據進行處理,不同林分間的差異采用Tukey多重比較,顯著水平為p=0.05。3結果與分析3.1不同撫育措施對凋落物層持水率和采空率的影響老山自然保護區常綠闊葉林不同林齡林分的凋落物貯量及其分解狀況如表2所示。林地凋落物層貯量表現出隨著林齡增加而略有增大的趨勢,36年生以上林分的凋落物層貯量變化在9.6~12.3t/hm2之間,高于18年生幼林(7.7t/hm2)的24.1%~59.5%;幼林凋落物層的分解強度為27.0%,顯著低于其他林分(35.4%~40.9%)。此外,撫育措施雖然對林分生長影響較大,經撫育的林分其胸高斷面積顯著大于同齡未撫育林分(表1),但對地表凋落物貯量及其分解強度沒有顯著影響(表2)。不同林分凋落物的持水試驗結果表明,半分解及分解層凋落物的最大持水率均顯著高于同林分的未分解層,18年生幼林凋落物層的最大持水率顯著低于其他林分(表3)。由于未分解凋落物層貯量大大高于同林分的半分解及分解凋落物,使得未分解凋落物層的最大持水量明顯高于半分解及分解凋落物。65年生林分凋落物層的最大持水量達39.3t/hm2,高于18年生幼林的91.8%。不同林分凋落物層的有效攔蓄量差異顯著(表3),65年生林分高達14.3t/hm2,是幼林的2倍。同齡林分中,撫育林分與未撫育林分的凋落物持水性能無顯著差異。3.2土壤持水性和滲流率不同林分類型其土壤物理性質存在一定的差異(表4)。與18年生幼林相比,65年生林分的0-40cm土壤非毛管孔隙度增加38.6%,總孔隙度提高15.4%。表明隨著林分發育,土壤結構得到改善,有利于林地蓄水保土。然而,48年生以上的林分之間土壤孔隙度及其有效蓄水量沒有明顯差異;早期的撫育措施對土壤持水性能無顯著影響。土壤是水分貯蓄的主要場所,土壤總貯水量是毛管孔隙和非毛管孔隙水分貯蓄量之和,反映了土壤貯蓄和調節水分的潛在能力。不同林分由于土壤物理性質差異明顯,其土壤的持水性能和貯水量存在一定差異(表4)。土壤最大蓄水量的順序依次為65年生>48年生>36年生>18年生,65年生林分0-40cm土壤層的最大持水量為2376t/hm2,高于幼齡林的15.4%。從土壤有效蓄水量來看,不同林分差異明顯,65年生林分0-40cm土層的有效蓄水量為630.4t/hm2,分別高于36年生和18年生林分的14.5%和38.6%;而與48年生林分接近(僅提高1.6%)。土壤的滲透性能也是林分水源涵養功能的重要指標。滲透性能良好的土壤,在一定的降雨強度條件下,水分可以充分地進入土壤貯存起來或轉變為地下徑流,不易形成地表徑流,使林地水土流失得到有效控制。不同林分的土壤滲透性能存在一定差異(表5)。65年生林分的土壤初滲速率和穩滲速率均顯著高于其他林分,分別比18年生林分提高73.9%和123.2%;而36年生與48年生林分的土壤滲透性差異不明顯,0-40cm土層的平均初滲速率和穩滲速率(撫育與未撫育林分的平均值)分別為22.2mm/min和3.6mm/min,高于18年生林分的25.8%和45.7%。同一林分不同土層的滲透性差異顯著,隨土層加深而滲透速率降低。由此可見,亞熱帶常綠闊葉林不同發育階段林分的土壤性質差異明顯,土壤的蓄水性能明顯不同,隨著林分的發育,其水源涵養功能不斷提高。3.3土壤養分條件從土壤養分狀況來看,隨著林分的發育,土壤養分狀況有所改善,65年生林分的土壤有機質、全氮、速效磷和速效鉀的含量均明顯高于其他林分,特別是表層土壤(0-10cm),其上述各指標分別高于18年生幼林的71.4%,56.9%,84.0%和86.7%。與早期撫育的林分相比,同齡未撫育林分的土壤養分條件有不同程度的改善。此外,同一林分土壤養分含量隨著土層深度的增加而顯著下降,如65年生林分0-10cm土層的有機質含量是20-40cm土層的2.74倍、全氮為2.95倍、速效磷為3.36倍、速效鉀為4.56倍。表明表層土壤是林木有效養分的重要來源,在林分生長發育過程中,林木與土壤間的相互作用,提高了土壤肥力,改善了土壤結構,容蓄能力增強,高齡林分更有利于林地蓄水保土和林木生長。4不同林分土壤侵蝕及水源涵養功能常綠闊葉林是我國東部亞熱帶地區典型森林植被類型,分布廣,面積大,類型多樣,生物多樣性高,在保護區域生態環境、維持全球性碳循環的平衡和人類的持續發展等方面都具有極其重要的作用。由于亞熱帶常綠闊葉林不同發育階段的林分結構、樹種組成有所不同,其土壤的理化性質差異明顯(表4,5,6),導致不同林齡林分的水文生態效應顯著差異。森林凋落物層和土壤層是森林水文生態效應的主體。森林凋落物層的持水能力與其貯量緊密相關,而凋落物貯量的大小受到林分類型、林齡、樹種組成及其分解狀況等的影響。老山亞熱帶常綠闊葉林在不同發育階段林地凋落物層蓄積量及其持水能力存在一定差異(表2,3),高齡(48年生和65年生)林分地表凋落物層發育良好,貯量達12t/hm2,分解強度為40%左右,顯著高于幼齡林;凋落物層的最大持水量平均達38t/hm2,有效攔蓄量14t/hm2,分別高于幼齡林分的17%和14%(36年生),86%和97%(18年生)。雖然森林凋落物層的有效攔蓄量不高(7~14t/hm2),但凋落物層在森林涵養水源中卻起著極其重要的作用,不僅能截持降水,使地表免受雨滴的直接沖擊,而且能阻滯徑流和地表沖刷。同時,凋落物的分解形成土壤腐殖質,能顯著地改善土壤結構,提高土壤的滲透性能,促使地表徑流轉變為流速緩慢的凋落物層間流和層下流,增加土壤入滲,削減地表徑流量,對減少土壤侵蝕起重要作用,形成森林水文效應的第二活動層。土壤蓄水能力通常以一定土層最大蓄水量和有效蓄水量來度量,而有效蓄水量更能表明土壤對植物需水的保證程度。在一定程度上,土壤的孔隙狀況決定著土壤水源涵養性能。研究表明不同林分土壤的涵養水源能力差異顯著,高齡林分(48年生和65年生)具有良好的水源涵養功能。依據林地總蓄水量(凋落物層持水量+土壤貯水量)的大小,不同林齡林分的水源涵養功能依次為:65年生(2415t/hm2)≈48年生(未撫育:2419t/hm2;撫育:2394t/hm2)>36年生(未撫育:2291t/hm2;撫育:2254t/hm2)>幼齡林(2079t/hm2)。不同林分的有效蓄水量為:65年生(645t/hm2)>48年生(未撫育:638t/hm