劉堯讓,于法展,李淑芬,李保杰

(徐州師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)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(tài)系統(tǒng)的重要組成成分與狀態(tài)因子,它的性狀會(huì)隨著森林生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)組分的演變而不斷變化,并具有其自身的特點(diǎn)[1]。森林土壤在與環(huán)境因素的相互作用中發(fā)揮著養(yǎng)育森林的功能,主要體現(xiàn)在森林土壤給生物提供水、肥、氣、熱及活動(dòng)的場所。在森林植物的演替過程中,土壤理化性質(zhì)隨著植物組成和結(jié)構(gòu)的變化而不斷演變[2]。土壤物理性質(zhì)的演變主要表現(xiàn)在土壤固相、液相和氣相結(jié)構(gòu)及功能的變化,如土壤機(jī)械組成、土壤結(jié)構(gòu)、土壤容重和孔隙度等的差異,這些指標(biāo)可以反映土壤的發(fā)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(zhì)可以作為評(píng)價(jià)和衡量森林生態(tài)系統(tǒng)演替過程土壤質(zhì)量變化、水文功能改變的指標(biāo)和依據(jù)[3]。

在特定的立地條件下,森林生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展和森林植被的演替隨著土壤發(fā)育進(jìn)程而逐漸推進(jìn)的,系統(tǒng)地研究森林群落次生演替中的土壤物理性質(zhì)無疑是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作。本文研究主要內(nèi)容就是將蘇北山丘區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)視為一個(gè)整體,系統(tǒng)研究蘇北低山丘陵森林次生演替規(guī)律以及演替過程中土壤物理性質(zhì)以及持水性能的變化,對(duì)區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)以及解決區(qū)域森林土壤資源的恢復(fù)與發(fā)展問題有一定的理論意義與實(shí)踐價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省的東北部和西北部,地理位置為東經(jīng) 116°22′-119°48′,北緯 33°43′-35°07′,屬于暖溫帶季風(fēng)氣候,受東南季風(fēng)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(jié)分配不均。該區(qū)地勢屬低山丘陵地帶,土壤包括粗骨褐土與淋溶褐土2個(gè)亞類:粗骨褐土由石灰?guī)r殘坡積物發(fā)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(zhì)系第四紀(jì)黃土,土層深厚,集中出現(xiàn)在山麓地帶。該區(qū)森林植被包括2個(gè)植被型、5個(gè)群系組、11個(gè)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(cè)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(fā)育,生長緩慢,病蟲害嚴(yán)重,它們是目前該地區(qū)低山丘陵上的主要森林類型;櫟類林和雜木林是該地區(qū)的地帶性植被類型,由于人類的長期破壞,現(xiàn)存面積很小,呈零星分布狀態(tài);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(qū)主要森林植被類型[4]

1.2 樣地設(shè)置與調(diào)查方法

在位于蘇北山丘區(qū)的前云臺(tái)山、中云臺(tái)山、后云臺(tái)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(shè)置了8塊測試樣地(表2),調(diào)查其上的主要植物種類及地形因子(坡向、坡度、坡形等)。根據(jù)實(shí)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(shè)置3個(gè)重復(fù),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(diào)查的代表性,又不破壞樣地的完整性。每塊樣地內(nèi)按對(duì)角線隨機(jī)布點(diǎn)挖取一個(gè)土壤剖面,調(diào)查其相應(yīng)的土壤性質(zhì),并按由下向上的順序分層取環(huán)刀土樣和采集混合樣(每一土層重復(fù)采樣3次混均),帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

表2 蘇北山丘區(qū)各測試樣地調(diào)查概況

1.3 土樣分析與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

土壤顆粒組成以簡易比重計(jì)法測定,土壤含水量以烘干法測定,土壤硬度用硬度計(jì)測定,土壤容重、持水量、孔隙度等水分物理性質(zhì)用環(huán)刀一次取樣連續(xù)測定法測定。每個(gè)樣品重復(fù)3次,測定結(jié)果取3次重復(fù)的平均值。

樣點(diǎn)布局空間數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)輸入該山丘區(qū)森林土壤資源動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫,采用SPSS軟件分別對(duì)該區(qū)域的各項(xiàng)物理指標(biāo)進(jìn)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(zhì)與持水性能的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘇北山丘區(qū)森林植被的次生演替模式

根據(jù)森林建群種與光照強(qiáng)度的關(guān)系,可以把森林建群種與森林各劃分為3類:強(qiáng)陽生樹種與強(qiáng)陽生森林、陽生樹種與陽生森林、耐蔭樹種與耐蔭森林。現(xiàn)據(jù)此分析構(gòu)建蘇北山丘區(qū)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(tái)山是中國赤松分布的南界。赤松在其分布區(qū)內(nèi)能天然更新,即所謂“飛籽成林”。據(jù)報(bào)道[7],赤松林采伐跡地赤松更新苗數(shù)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(shù)量(1.2～1.5)萬株/hm2,郁閉度0.5,赤松林地赤松更新苗數(shù)量4 500株/hm2,密閉的赤松林地赤松更新苗數(shù)量＜1 500株/hm2。據(jù)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(jìn)入性差)的穩(wěn)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(shù)的4%,這種穩(wěn)定赤松林分很有可能通過林中空地來更替,其應(yīng)屬于地文頂極群落(physiographic climax)。上述事實(shí)說明,光照條件在赤松林天然更新中起到了主導(dǎo)作用。因此把赤松稱之為強(qiáng)陽生樹種,赤松林稱之為強(qiáng)陽生針葉林。

(2)側(cè)柏林:側(cè)柏對(duì)土壤要求不嚴(yán),能生長在干燥瘠薄的山坡甚至石縫中,是石灰?guī)r山地極其重要的造林樹種。巖石裸露、土層淺薄生境上的側(cè)柏林是一種相對(duì)穩(wěn)定的群落,可視為一種地形頂極(topographic clim ax),因?yàn)槁淙~闊葉樹無法在此生長。蘇北山丘區(qū)的側(cè)柏林多為純林,林冠亞層缺失,灌木層、草本層中不見有側(cè)柏幼樹、幼苗,說明側(cè)柏也是強(qiáng)陽生樹種,側(cè)柏林也是強(qiáng)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(qū)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(qiáng)陽生樹種,刺槐林是強(qiáng)陽生落葉闊葉林。

(4)黑松林:黑松與光照的關(guān)系和赤松、側(cè)柏、刺槐相似,黑松也是強(qiáng)陽生樹種,黑松林也是強(qiáng)陽生針葉林。

(5)櫟類林:蘇北山丘區(qū)的櫟類林主要包括3個(gè)群系:麻櫟林、栓皮櫟林與白櫟林。云臺(tái)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(hù)區(qū)的主體森林是栓皮櫟林;白櫟林面積很小,僅出現(xiàn)在云臺(tái)山的局部地(宿城悟正庵)。櫟類林是該地區(qū)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(xiàn)于林冠亞層、灌木層與草本層(需要說明的是,蘇北山丘區(qū)的森林人為干擾嚴(yán)重,即使在自然保護(hù)區(qū),采拾果實(shí)、割草、打柴等活動(dòng)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(qū)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(wěn)定,可視為地形頂極)。南京靈谷寺森林100余年的發(fā)展說明,非櫟屬樹木(楓香除外)很難成為南京地區(qū)典型落葉闊葉林的優(yōu)勢樹種,而南京地區(qū)的森林植被與蘇北山丘區(qū)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(qū)的森林植被次生演替模式如圖1所示。

圖1 蘇北山丘區(qū)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(zhì)分析

土壤硬度是土壤的基本物理性質(zhì)之一,對(duì)林下土壤水分狀況、植物根系的發(fā)育和分布等都有重要意義[5],在各采樣點(diǎn)經(jīng)測定,該地區(qū)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(qū)各林下土壤能夠滿足植物生長發(fā)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(yīng)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(duì)土壤中水、肥、氣、熱以及生物活性等發(fā)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(yǎng)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?yàn)楹谒闪值牧址志哂卸鄬哟谓Y(jié)構(gòu),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(zhì)積累較多(表土層的枯枝落葉腐解所致)。對(duì)不同土層的演替系列群落土壤作SPSS回歸分析結(jié)果顯示,各林下土壤容重隨土壤深度的變化達(dá)到顯著水平(P＜0.01),而土壤孔隙度隨土壤深度的變化也達(dá)到顯著水平(P＜0.01)。這說明了不同林地下土壤則表現(xiàn)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(guī)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?yàn)樵摿址滞ㄟ^腐殖質(zhì)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(biāo)上也表現(xiàn)出類似結(jié)果[3]。因此,演替系列群落土壤容重隨演替進(jìn)程改變的趨勢較為明顯:演替高級(jí)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(zhì)的差異極大地限制了土壤的水、肥、氣、熱等條件,同時(shí)也對(duì)植物生長的物質(zhì)和能量條件產(chǎn)生影響。在厚度大、容重較小、結(jié)構(gòu)良好的土壤上,生物生長環(huán)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(jìn)展演替。

表3 蘇北山丘區(qū)各測試樣地的土壤物理性質(zhì)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)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(píng)價(jià)森林土壤涵養(yǎng)水源和調(diào)節(jié)徑流水量的功能。測定結(jié)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(duì)演替系列群落不同層次土壤之間的含水量進(jìn)行SPSS回歸分析,分析結(jié)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(shí)不同層次含水量又不盡相同,變化較為復(fù)雜。根據(jù)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(duì)貯水量進(jìn)行SPSS回歸分析,結(jié)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(duì)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?？傊?土壤物理性質(zhì)差異對(duì)土壤的持水性能產(chǎn)生影響,容重低、孔隙度高的土壤持水能力強(qiáng),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(qū)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(zhì)的關(guān)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(guān)關(guān)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(guān),說明土壤的孔隙狀況對(duì)含水量有很大的影響,這與其它研究的結(jié)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(guān)?？梢?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(yǎng)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(guān),并與非毛管孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān),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(qiáng),持水能力相對(duì)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(guān)系數(shù)達(dá)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(guān)關(guān)系;在干旱條件下土體含水量與毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。與總孔隙度和非毛管孔隙度的相關(guān)關(guān)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(jié)構(gòu)等因素的影響。

3 結(jié)論與討論

(1)蘇北山丘區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤物理性質(zhì)隨演替時(shí)間進(jìn)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(jī)質(zhì)的積累,土壤的結(jié)構(gòu)得到改善:土壤容重降低、孔隙度增加。在研究中發(fā)現(xiàn),由于森林土壤表層有機(jī)質(zhì)含量高,土壤結(jié)構(gòu)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(zhì)的差異極大地限制了土壤的水、肥、氣、熱等條件,對(duì)植物生長的物質(zhì)和能量供給產(chǎn)生影響。在容重較小、結(jié)構(gòu)良好的土壤上,生物生長環(huán)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(jìn)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(yǎng)和水土保持功能?？傊?土壤物理性質(zhì)差異對(duì)土壤的持水性能產(chǎn)生影響,容重低、孔隙度高的土壤持水能力強(qiáng),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(jí)階段的櫟類林下土壤含水量較高,演替低級(jí)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(duì)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(guān)關(guān)系。另外,土壤含水量還與土層厚度呈極顯著正相關(guān)?？梢?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(jié)構(gòu)等因素的影響。

(5)本文僅對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行了一次性的取樣分析,若能對(duì)該地區(qū)演替系列群落土壤進(jìn)行長期定位調(diào)查分析,并結(jié)合當(dāng)?shù)厣种脖活愋瓦M(jìn)行綜合研究,則可以了解各森林群落下土壤的動(dòng)態(tài)變化,揭示演替系列群落土壤物理性質(zhì)差異對(duì)森林涵養(yǎng)水源功能的影響。

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