亚热带常绿阔叶林不同林龄林分土壤理化性质研究

亚热带常绿阔叶林不同林龄林分土壤理化性质研究

森林水源保护功能是森林生态系统的重要功能之一。森林生态系统中的水文过程大多是通过土壤作为媒介而发生的,林地土壤水源涵养能力的强弱不仅对SPAC系统不同界面间物质和能量的传输与交换过程有着重要的影响,而且直接作用到土壤水分的渗入、林地蒸散和流域产流,森林土壤是森林涵养水源的主体。森林土壤层水文状况的变化将直接对整个区域的水文过程产生积极的影响。通过对不同植被土壤层水文特征的深入分析与评价,不仅对于水资源的保护和永续利用有着重要的指导意义,同时也为森林植被的水源涵养机理的深化研究提供一定依据。常绿阔叶林在我国东部温暖湿润区广泛分布、面积大、类型复杂多样,也是全球常绿阔叶林的主体,因其丰富的物种多样性及巨大的生态效应,已引起了人们广泛关注。由于我国常绿阔叶林分布在人口集中、经济发达的区域,长期人为活动的强烈干扰,原生常绿阔叶林所剩无几,森林生态效应低下。随着社会经济的不断发展,人们的生态需求及环境意识日益增强,常绿阔叶林生态恢复受到重视。鉴于此,我们对安徽南部老山自然保护区常绿阔叶林的土壤特性及其水源涵养性能进行了调查分析,旨在为常绿阔叶林的生态恢复及其可持续经营提供依据。1山地地貌及森林植被自然恢复情况本项研究是在池州市老山自然保护区进行的,位于皖南山区北缘,其地理位置117°39′E、30°20′N。属亚热带季风气候,年均气温16.4℃,极端高温40.9℃,极端低温-8.5℃;年降水在1300~1800mm之间,多年平均降水量为1550mm;多雾,年均相对湿度80%。调查区以中低山为主,局部为丘陵、岗地。海拔多在400m以上,主峰仙人尖海拔1021m。峡谷深切,山坡陡峻,坡度多在20°以上,局部达35°~40°。山体构造主要由砂页岩和花岗岩构成,其地带性土壤为黄红壤,均呈酸性;沙质壤土,土层浅薄,厚度多在50~80cm。地带性森林植被为亚热带常绿阔叶林,由于长期乱砍滥伐,森林植被屡遭破坏,在20世纪70年代,森林覆盖率曾一度降至40%。20世纪80年代以来,开始遏制乱砍滥伐,采用择伐与封山育林相结合的方法恢复森林植被;90年代初建立老山自然保护区后,实施全面禁伐与封山育林,森林植被得到了迅速恢复,目前森林覆盖率达90%。其主要树种有苦槠(CastanopsissclerophllaSchott.)、甜槠(CastanopsiseyreiTutch.)、青冈(CyclobalanopsisglaucaOerst.)、石栎(LithocarpusglaberMakai.)、马尾松(PinusmassonianaLamb.)、毛竹(PhyllostachyspubescensMazelexH.deLehaie)、枫香(LiquidambarformosanaHance)等。2学习方法2.1样本分设置与调查方法在踏查的基础上,选择典型林分设置调查标准地6块,林龄分别为18年、36年、48年和65年生,除18年生林分的标准地面积为20m×20m外,其它林分标准地面积均为30m×20m。此外,36年和48年生林分各设2块样地,其中1块为自然恢复林分,未受到任何经营干扰,另外1块则在1990年前曾进行过砍灌和间伐抚育。其它林分在其发育过程中没有经营干扰,各林分的优势树种基本相同,其立地状况详见表1。对标准地进行每木检尺,实测林木(DBH≥3.0cm)的胸径、树高,记录树种及生长状况。同时调查林下植被、地表凋落物层蓄积量和土壤特性。林下植被调查采用小样方法,即在标准地内按机械随机方式设置6个2m×2m的样方,调查其组成种类、盖度及生长情况。同时,在每个样方中设置1个50cm×50cm的小样方,收集其全部枯枝落叶,分别对新鲜凋落物(L层)、半分解和全分解凋落物(F+H层)分类称量,并取样测定其持水率和持水量,求算林地凋落物层的蓄积量。凋落物分解强度以半分解和全分解凋落物量占地表凋落物总量的百分比表示。土壤调查采用剖面法,在各标准地内随机设置主、副土壤剖面2个,记载各剖面特征,用环刀法分别取0-10cm,10-20cm和20-40cm自然状态土样,重复3次,带回室内用于土壤物理性分析。同时,按土层取混合土样用于其化学分析。2.2土壤保水能力的测定与土壤养分分析2.2.1apollo营养元素的保持水量和提取物率的测定凋落物持水性能测定,按照森林土壤定位研究法进行自然含水率、最大持水率等测定,并据此计算凋落物蓄积量、最大持水量及有效拦蓄水量。2.2.2土壤渗透性能分析利用环刀法所取的原状土样,根据常规分析方法测定土壤自然含水量、毛管持水量和最大持水量。土壤渗透性能采用环刀入渗法。考虑到该地区林木根系集中分布于0-40cm土层,因此仅分析各林分0-40cm土壤各层持水量,单位林地面积0-40cm土壤持水量指标。土壤蓄水性能与土壤前期含水量关系密切,把土壤饱和蓄水量与土壤平均含水量之差作为衡量土壤涵蓄水量的指标。2.2.3土壤分析土壤有机质采用重铬酸钾法,全氮采用全自动凯氏定氮法,速效磷采用BrayⅡ法,速效钾采用NH4Cl浸提、原子吸收光谱法测定。2.3数据分析采用Statistica8.0统计软件包对数据进行处理,不同林分间的差异采用Tukey多重比较,显著水平为p=0.05。3结果与分析3.1不同抚育措施对凋落物层持水率和采空率的影响老山自然保护区常绿阔叶林不同林龄林分的凋落物贮量及其分解状况如表2所示。林地凋落物层贮量表现出随着林龄增加而略有增大的趋势,36年生以上林分的凋落物层贮量变化在9.6~12.3t/hm2之间,高于18年生幼林(7.7t/hm2)的24.1%~59.5%;幼林凋落物层的分解强度为27.0%,显著低于其他林分(35.4%~40.9%)。此外,抚育措施虽然对林分生长影响较大,经抚育的林分其胸高断面积显著大于同龄未抚育林分(表1),但对地表凋落物贮量及其分解强度没有显著影响(表2)。不同林分凋落物的持水试验结果表明,半分解及分解层凋落物的最大持水率均显著高于同林分的未分解层,18年生幼林凋落物层的最大持水率显著低于其他林分(表3)。由于未分解凋落物层贮量大大高于同林分的半分解及分解凋落物,使得未分解凋落物层的最大持水量明显高于半分解及分解凋落物。65年生林分凋落物层的最大持水量达39.3t/hm2,高于18年生幼林的91.8%。不同林分凋落物层的有效拦蓄量差异显著(表3),65年生林分高达14.3t/hm2,是幼林的2倍。同龄林分中,抚育林分与未抚育林分的凋落物持水性能无显著差异。3.2土壤持水性和渗流率不同林分类型其土壤物理性质存在一定的差异(表4)。与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%,总孔隙度提高15.4%。表明随着林分发育,土壤结构得到改善,有利于林地蓄水保土。然而,48年生以上的林分之间土壤孔隙度及其有效蓄水量没有明显差异;早期的抚育措施对土壤持水性能无显著影响。土壤是水分贮蓄的主要场所,土壤总贮水量是毛管孔隙和非毛管孔隙水分贮蓄量之和,反映了土壤贮蓄和调节水分的潜在能力。不同林分由于土壤物理性质差异明显,其土壤的持水性能和贮水量存在一定差异(表4)。土壤最大蓄水量的顺序依次为65年生>48年生>36年生>18年生,65年生林分0-40cm土壤层的最大持水量为2376t/hm2,高于幼龄林的15.4%。从土壤有效蓄水量来看,不同林分差异明显,65年生林分0-40cm土层的有效蓄水量为630.4t/hm2,分别高于36年生和18年生林分的14.5%和38.6%;而与48年生林分接近(仅提高1.6%)。土壤的渗透性能也是林分水源涵养功能的重要指标。渗透性能良好的土壤,在一定的降雨强度条件下,水分可以充分地进入土壤贮存起来或转变为地下径流,不易形成地表径流,使林地水土流失得到有效控制。不同林分的土壤渗透性能存在一定差异(表5)。65年生林分的土壤初渗速率和稳渗速率均显著高于其他林分,分别比18年生林分提高73.9%和123.2%;而36年生与48年生林分的土壤渗透性差异不明显,0-40cm土层的平均初渗速率和稳渗速率(抚育与未抚育林分的平均值)分别为22.2mm/min和3.6mm/min,高于18年生林分的25.8%和45.7%。同一林分不同土层的渗透性差异显著,随土层加深而渗透速率降低。由此可见,亚热带常绿阔叶林不同发育阶段林分的土壤性质差异明显,土壤的蓄水性能明显不同,随着林分的发育,其水源涵养功能不断提高。3.3土壤养分条件从土壤养分状况来看,随着林分的发育,土壤养分状况有所改善,65年生林分的土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾的含量均明显高于其他林分,特别是表层土壤(0-10cm),其上述各指标分别高于18年生幼林的71.4%,56.9%,84.0%和86.7%。与早期抚育的林分相比,同龄未抚育林分的土壤养分条件有不同程度的改善。此外,同一林分土壤养分含量随着土层深度的增加而显著下降,如65年生林分0-10cm土层的有机质含量是20-40cm土层的2.74倍、全氮为2.95倍、速效磷为3.36倍、速效钾为4.56倍。表明表层土壤是林木有效养分的重要来源,在林分生长发育过程中,林木与土壤间的相互作用,提高了土壤肥力,改善了土壤结构,容蓄能力增强,高龄林分更有利于林地蓄水保土和林木生长。4不同林分土壤侵蚀及水源涵养功能常绿阔叶林是我国东部亚热带地区典型森林植被类型,分布广,面积大,类型多样,生物多样性高,在保护区域生态环境、维持全球性碳循环的平衡和人类的持续发展等方面都具有极其重要的作用。由于亚热带常绿阔叶林不同发育阶段的林分结构、树种组成有所不同,其土壤的理化性质差异明显(表4,5,6),导致不同林龄林分的水文生态效应显著差异。森林凋落物层和土壤层是森林水文生态效应的主体。森林凋落物层的持水能力与其贮量紧密相关,而凋落物贮量的大小受到林分类型、林龄、树种组成及其分解状况等的影响。老山亚热带常绿阔叶林在不同发育阶段林地凋落物层蓄积量及其持水能力存在一定差异(表2,3),高龄(48年生和65年生)林分地表凋落物层发育良好,贮量达12t/hm2,分解强度为40%左右,显著高于幼龄林;凋落物层的最大持水量平均达38t/hm2,有效拦蓄量14t/hm2,分别高于幼龄林分的17%和14%(36年生),86%和97%(18年生)。虽然森林凋落物层的有效拦蓄量不高(7~14t/hm2),但凋落物层在森林涵养水源中却起着极其重要的作用,不仅能截持降水,使地表免受雨滴的直接冲击,而且能阻滞径流和地表冲刷。同时,凋落物的分解形成土壤腐殖质,能显著地改善土壤结构,提高土壤的渗透性能,促使地表径流转变为流速缓慢的凋落物层间流和层下流,增加土壤入渗,削减地表径流量,对减少土壤侵蚀起重要作用,形成森林水文效应的第二活动层。土壤蓄水能力通常以一定土层最大蓄水量和有效蓄水量来度量,而有效蓄水量更能表明土壤对植物需水的保证程度。在一定程度上,土壤的孔隙状况决定着土壤水源涵养性能。研究表明不同林分土壤的涵养水源能力差异显著,高龄林分(48年生和65年生)具有良好的水源涵养功能。依据林地总蓄水量(凋落物层持水量+土壤贮水量)的大小,不同林龄林分的水源涵养功能依次为:65年生(2415t/hm2)≈48年生(未抚育:2419t/hm2;抚育:2394t/hm2)>36年生(未抚育:2291t/hm2;抚育:2254t/hm2)>幼龄林(2079t/hm2)。不同林分的有效蓄水量为:65年生(645t/hm2)>48年生(未抚育:638t/hm