蘇北山丘區森林群落次生演替中土壤物理性質及其持水性能研究*

劉堯讓,于法展,李淑芬,李保杰

(徐州師范大學城市與環境學院,江蘇徐州221116)

在森林群落次生演替過程中,森林土壤作為森林生態系統的重要組成成分與狀態因子,它的性狀會隨著森林生態系統各個組分的演變而不斷變化,并具有其自身的特點[1]。森林土壤在與環境因素的相互作用中發揮著養育森林的功能,主要體現在森林土壤給生物提供水、肥、氣、熱及活動的場所。在森林植物的演替過程中,土壤理化性質隨著植物組成和結構的變化而不斷演變[2]。土壤物理性質的演變主要表現在土壤固相、液相和氣相結構及功能的變化,如土壤機械組成、土壤結構、土壤容重和孔隙度等的差異,這些指標可以反映土壤的發育程度、土壤肥力狀況和土壤的持水性能等。土壤的物理性質可以作為評價和衡量森林生態系統演替過程土壤質量變化、水文功能改變的指標和依據[3]。

在特定的立地條件下,森林生態系統的發展和森林植被的演替隨著土壤發育進程而逐漸推進的,系統地研究森林群落次生演替中的土壤物理性質無疑是一項重要的基礎性工作。本文研究主要內容就是將蘇北山丘區的森林生態系統視為一個整體,系統研究蘇北低山丘陵森林次生演替規律以及演替過程中土壤物理性質以及持水性能的變化,對區域森林生態系統的保護以及解決區域森林土壤資源的恢復與發展問題有一定的理論意義與實踐價值。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于江蘇省的東北部和西北部,地理位置為東經 116°22′-119°48′,北緯 33°43′-35°07′,屬于暖溫帶季風氣候,受東南季風影響較大。年平均氣溫13.1～14.3℃,1月平均氣溫-1.2～0℃,7月平均氣溫26.3～27.0℃,極端最高氣溫40.6℃,極端最低氣溫-22.6℃;年平均降水量 847.9～958.9mm,雨季降水量占全年的56%,且季節分配不均。該區地勢屬低山丘陵地帶,土壤包括粗骨褐土與淋溶褐土2個亞類:粗骨褐土由石灰巖殘坡積物發育而成,土層淺薄,礫石或巖屑含量高,主要分布在山體中上部;淋溶褐土成土母質系第四紀黃土,土層深厚,集中出現在山麓地帶。該區森林植被包括2個植被型、5個群系組、11個群系[4],具體詳見表1(不包括竹林)。其中,赤松(Pinus densif lora)林、黑松(Pinus thunbergii)林與側柏(P latycladus orientalis)林多為純林,物種多樣性很低,林下灌木層、草本層不甚發育,生長緩慢,病蟲害嚴重,它們是目前該地區低山丘陵上的主要森林類型;櫟類林和雜木林是該地區的地帶性植被類型,由于人類的長期破壞,現存面積很小,呈零星分布狀態;刺槐(Robinia pseudoacacia)林則常為純林,系人工林,分布較廣[5]。

表1 蘇北山丘區主要森林植被類型[4]

1.2 樣地設置與調查方法

在位于蘇北山丘區的前云臺山、中云臺山、后云臺山、錦屏山、皇藏峪、泉山、馬陵山等地,選擇具有代表性的林地類型(如常綠針葉林、落葉闊葉林)下設置了8塊測試樣地(表2),調查其上的主要植物種類及地形因子(坡向、坡度、坡形等)。根據實踐,其樣地面積視植被類型而定,闊葉林取為40 m×50 m,針葉林取為20 m×25 m,每塊樣地設置3個重復,各樣地的土壤剖面選在靠近測試樣地的位置,這樣既保證土壤調查的代表性,又不破壞樣地的完整性。每塊樣地內按對角線隨機布點挖取一個土壤剖面,調查其相應的土壤性質,并按由下向上的順序分層取環刀土樣和采集混合樣(每一土層重復采樣3次混均),帶回實驗室分析。

表2 蘇北山丘區各測試樣地調查概況

1.3 土樣分析與數據統計

土壤顆粒組成以簡易比重計法測定,土壤含水量以烘干法測定,土壤硬度用硬度計測定,土壤容重、持水量、孔隙度等水分物理性質用環刀一次取樣連續測定法測定。每個樣品重復3次,測定結果取3次重復的平均值。

樣點布局空間數據與實驗數據的統計輸入該山丘區森林土壤資源動態數據庫,采用SPSS軟件分別對該區域的各項物理指標進行總體分析,通過分析確定森林演替系列群落土壤物理性質與持水性能的相關性。

2 結果與分析

2.1 蘇北山丘區森林植被的次生演替模式

根據森林建群種與光照強度的關系,可以把森林建群種與森林各劃分為3類:強陽生樹種與強陽生森林、陽生樹種與陽生森林、耐蔭樹種與耐蔭森林。現據此分析構建蘇北山丘區森林植被的次生演替模式[6]。

(1)赤松林:赤松是分布于日本、朝鮮和中國北方沿海低山丘陵的常綠針葉樹種,連云港云臺山是中國赤松分布的南界。赤松在其分布區內能天然更新,即所謂“飛籽成林”。據報道[7],赤松林采伐跡地赤松更新苗數量(1.5～2.4)萬株/hm2,郁閉度0.3～0.4,赤松林地赤松更新苗數量(1.2～1.5)萬株/hm2,郁閉度0.5,赤松林地赤松更新苗數量4 500株/hm2,密閉的赤松林地赤松更新苗數量＜1 500株/hm2。據研究[8],郁閉度較好(平均 0.7～0.8)、土層較瘠薄(平均厚度0.376m,落葉喬木可進入性差)的穩定的赤松林分,林下一年生幼苗的枯損率93%,幼樹枯損率54%,林冠層枯立木占活立木總數的4%,這種穩定赤松林分很有可能通過林中空地來更替,其應屬于地文頂極群落(physiographic climax)。上述事實說明,光照條件在赤松林天然更新中起到了主導作用。因此把赤松稱之為強陽生樹種,赤松林稱之為強陽生針葉林。

(2)側柏林:側柏對土壤要求不嚴,能生長在干燥瘠薄的山坡甚至石縫中,是石灰巖山地極其重要的造林樹種。巖石裸露、土層淺薄生境上的側柏林是一種相對穩定的群落,可視為一種地形頂極(topographic clim ax),因為落葉闊葉樹無法在此生長。蘇北山丘區的側柏林多為純林,林冠亞層缺失,灌木層、草本層中不見有側柏幼樹、幼苗,說明側柏也是強陽生樹種,側柏林也是強陽生針葉林。

(3)刺槐林:刺槐是重要的速生用材樹種,蘇北山丘區土層較深厚地段有較大面積刺槐林的分布。刺槐林常為單層純林,灌木層、草本不見刺槐幼樹、幼苗。刺槐喜光,不耐蔭蔽,即使在幼苗階段也不耐蔭蔽。即刺槐是強陽生樹種,刺槐林是強陽生落葉闊葉林。

(4)黑松林:黑松與光照的關系和赤松、側柏、刺槐相似,黑松也是強陽生樹種,黑松林也是強陽生針葉林。

(5)櫟類林:蘇北山丘區的櫟類林主要包括3個群系:麻櫟林、栓皮櫟林與白櫟林。云臺山有較大面積麻櫟林、栓皮櫟林的分布;距徐州市35 km的安徽省蕭縣皇藏峪自然保護區的主體森林是栓皮櫟林;白櫟林面積很小,僅出現在云臺山的局部地(宿城悟正庵)。櫟類林是該地區的地帶性森林,即氣候頂極(clim atic clim ax)[9]。麻櫟與栓皮櫟的幼苗、幼樹耐蔭蔽,郁閉度(0.7～0.8)較大林分中的麻櫟、栓皮櫟生長迅速,干形良好,可以出現于林冠亞層、灌木層與草本層(需要說明的是,蘇北山丘區的森林人為干擾嚴重,即使在自然保護區,采拾果實、割草、打柴等活動仍屢見不鮮)。因此,把麻櫟、栓皮櫟等樹種稱之為耐蔭樹種,櫟類林稱之為耐蔭落葉闊葉林。

(6)雜木林:蘇北山丘區的雜木林主要群系包括:黃連木+黃檀林、青檀林、小葉樸林、鵝櫪林。雜木林面積很小,分布局限,為櫟類林所包圍,似有被櫟類林替代的趨勢(生境條件惡劣處的雜木林,如青檀林,較為穩定,可視為地形頂極)。南京靈谷寺森林100余年的發展說明,非櫟屬樹木(楓香除外)很難成為南京地區典型落葉闊葉林的優勢樹種,而南京地區的森林植被與蘇北山丘區的森林植被具有可比性[10-12]。黃連木、黃檀、青檀、小葉樸、鵝耳櫪等非櫟屬樹木(雜木)稱為陽生樹木,雜木林稱為陽生落葉闊葉林。

綜上所述,蘇北山丘區的森林植被次生演替模式如圖1所示。

圖1 蘇北山丘區的森林植被次生演替模式

2.2 演替系列群落土壤物理性質分析

土壤硬度是土壤的基本物理性質之一,對林下土壤水分狀況、植物根系的發育和分布等都有重要意義[5],在各采樣點經測定,該地區演替系列群落土壤硬度的平均值變化大致在(12.96±6.91)～(20.13±4.17)kg/cm2,這說明該地區各林下土壤能夠滿足植物生長發育的需要。土壤容重表征了土壤的疏松程度與通氣性,該值的大小可以說明土壤涵蓄水分以及供應樹木生長所需水分的能力,而土壤孔隙狀況則直接影響著土壤的通氣透水性及根系穿插的難易程度,對土壤中水、肥、氣、熱以及生物活性等發揮著不同的功能[13-14]。

從表3可以得出,櫟類林(栓皮櫟和麻櫟)下土壤容重的平均值最小,說明櫟類林下土壤較疏松、通氣性能好,具有較高的水源涵養和水土保持功能;而黑松林下土壤的平均非毛管孔隙度(總孔隙度減去毛管孔隙度)最大,這是因為黑松林的林分具有多層次結構,林分生物量組成及分布較合理,并且其林分地上部分持水量大,土壤腐殖質積累較多(表土層的枯枝落葉腐解所致)。對不同土層的演替系列群落土壤作SPSS回歸分析結果顯示,各林下土壤容重隨土壤深度的變化達到顯著水平(P＜0.01),而土壤孔隙度隨土壤深度的變化也達到顯著水平(P＜0.01)。這說明了不同林地下土壤則表現出土壤容重隨土層深度增加而逐漸增大,土壤孔隙度隨土層深度增加而逐漸減小的規律,而且通過比較可知(表3),櫟類林改變土壤容重的作用最大,因為該林分通過腐殖質作用降低土壤容重最明顯(容重值最小)。除此之外,演替系列群落土壤在黏粒組成、田間持水量等指標上也表現出類似結果[3]。因此,演替系列群落土壤容重隨演替進程改變的趨勢較為明顯:演替高級階段群落(如櫟類林)容重較小,土壤的總孔隙度呈上升趨勢。不同層次土壤物理性質的差異極大地限制了土壤的水、肥、氣、熱等條件,同時也對植物生長的物質和能量條件產生影響。在厚度大、容重較小、結構良好的土壤上,生物生長環境改善、肥力容易積累,土壤微生物、酶的生物活性也較高,有利于森林植物順向進展演替。

表3 蘇北山丘區各測試樣地的土壤物理性質(平均值±標準差)

2.3 演替系列群落土壤持水性能分析

在降雨條件和干旱條件下分別測定演替系列群落各層次土壤的含水量,用于評價森林土壤涵養水源和調節徑流水量的功能。測定結果(表4)顯示,在降雨和干旱條件下,演替系列群落土壤含水量有較大的差異;對演替系列群落不同層次土壤之間的含水量進行SPSS回歸分析,分析結果在降雨和干旱條件下不同森林群落土壤層之間的差異顯著,同時不同層次含水量又不盡相同,變化較為復雜。根據土壤含水量、土壤容重和各土壤層厚度可推算出降雨和干旱條件下各演替系列群落土壤層的貯水量,用土壤層貯存水量代表森林土壤的持水性能。對貯水量進行SPSS回歸分析,結果顯示不同演替階段森林群落土壤表層和土壤層的持水能力有顯著差異(P＜0.01)。在降雨和干旱條件下,櫟類林下土壤含水量較高,土層持水量較大,而黑松林相對而言較低。這是由于各林下土壤持水性能受其土壤條件和植物覆蓋條件的影響,櫟類林下土壤容重較小,表土沒有植被的截持作用,因而吸收的水分較多。總之,土壤物理性質差異對土壤的持水性能產生影響,容重低、孔隙度高的土壤持水能力強,而容重高,孔隙度低的土壤蓄水和保水的能力都受到影響。

表4 蘇北山丘區各測試樣地的土壤在降雨和干旱條件下的含水量

2.4 演替系列群落土壤持水性能與土壤物理性質的關系

在降雨條件下,土壤含水量與土壤總孔隙度和毛管孔隙度呈極顯著正相關關系,在不降雨的條件下,土壤含水量與土壤總孔隙度和毛管孔隙度之間呈顯著正相關,說明土壤的孔隙狀況對含水量有很大的影響,這與其它研究的結果相一致[3]。另外,降雨含水量和干旱含水量都與土壤層厚度呈極顯著正相關。可見,土壤層越厚,土壤中的水分越不容易流失,含水量就高。

土壤貯水量代表了土壤的持水性能,可作為土壤涵養水源的表征。在土壤表層,降雨條件下土壤持水能力與毛管孔隙度呈顯著正相關,并與非毛管孔隙度呈顯著負相關,表層的貯水能力一方面受毛管孔隙度的影響,另一方面也受非毛管孔隙度的影響,非毛管孔隙度越高,土壤透水能力就越強,持水能力相對下降。在干旱條件下表層土壤的持水能力也有同樣的趨勢,并且相關系數達到極顯著水平(P＜0.01)。在降雨條件下,土體持水能力與土壤孔隙度沒有顯著的相關關系;在干旱條件下土體含水量與毛管孔隙度呈顯著正相關關系。與總孔隙度和非毛管孔隙度的相關關系不顯著,說明在干旱條件下影響土體持水性能的因素更多。除了土壤孔隙狀況和土壤厚度外,土壤持水性能還受到土壤坡度、植物結構等因素的影響。

3 結論與討論

(1)蘇北山丘區森林生態系統土壤物理性質隨演替時間進展而演變的趨勢是很明顯的。在森林次生演替過程中,隨著黏粒增多,有機質的積累,土壤的結構得到改善:土壤容重降低、孔隙度增加。在研究中發現,由于森林土壤表層有機質含量高,土壤結構好,一般總孔隙度都較大,但毛管孔隙度所占比例大,而非毛管孔隙度所占比例很小。

(2)演替系列群落土壤物理性質的差異極大地限制了土壤的水、肥、氣、熱等條件,對植物生長的物質和能量供給產生影響。在容重較小、結構良好的土壤上,生物生長環境改善、土壤肥力積累,土壤微生物、酶的生物活性也較高,有利于森林群落順向進展演替。

(3)通過比較可知,櫟類林下土壤容重平均值最小,土壤孔隙度最大;而黑松林下土壤容重平均值最大,土壤孔隙度最小。這說明櫟類林改變土壤容重的作用最大,該林下土壤較疏松、通氣性能好,具有較高的水源涵養和水土保持功能。總之,土壤物理性質差異對土壤的持水性能產生影響,容重低、孔隙度高的土壤持水能力強,而容重高,孔隙度低的土壤蓄水和保水的能力都受到影響。

(4)在降雨條件和干旱條件下分別測定演替系列群落各層次土壤的含水量,演替高級階段的櫟類林下土壤含水量較高,演替低級階段的黑松林下土壤含量低。隨著孔隙度的減小,土壤B層和C層的含水量逐漸減少。土壤的孔隙狀況對含水量有很大的影響,土壤含水量與土壤總孔隙度和毛管孔隙度之間呈顯著的正相關關系。另外,土壤含水量還與土層厚度呈極顯著正相關。可見,土壤層越厚,土壤中的水分越不容易流失,含水量就高。除了土壤孔隙狀況和土壤厚度外,土壤持水性能還受到土壤坡度、植物結構等因素的影響。

(5)本文僅對研究區域進行了一次性的取樣分析,若能對該地區演替系列群落土壤進行長期定位調查分析,并結合當地森林植被類型進行綜合研究,則可以了解各森林群落下土壤的動態變化,揭示演替系列群落土壤物理性質差異對森林涵養水源功能的影響。

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