張發(fā)會,吳雪仙,蔡小虎,王 琛
(1.四川省林業(yè)科學(xué)研究院,四川成都 610081;2.四川南河國家濕地公園管理處,四川廣元 628000)
森林土壤是林木生長發(fā)育的基礎(chǔ),是森林生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化的重要樞紐,其生產(chǎn)力水平直接決定著森林的生物產(chǎn)量和功能的發(fā)揮[1]。四川西部亞高山針葉林是四川森林的主體,主要分布在長江上游的金沙江及支流雅礱江,岷江等流域,是長江上游重要的水源涵養(yǎng)和水土保持林,對該區(qū)域以及長江中、下游地區(qū)的生態(tài)平衡起著重大調(diào)節(jié)作用。但自20世紀(jì)40年代以來,該區(qū)域原始林被大規(guī)模采伐,其生態(tài)屏障功能逐步減弱,隨后陸續(xù)在皆伐跡地上營造云杉、冷杉林進行人工恢復(fù)和部分自恢復(fù)形成的次生林。人工林和次生林在恢復(fù)過程中,群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能逐漸表現(xiàn)出不同程度的差異。有研究資料表明,人工林由于樹種結(jié)構(gòu)單一,生物多樣性低下,導(dǎo)致生態(tài)功能難以維持,土壤肥力下降和土壤酸化等問題[2,3]。本文通過對川西理縣涼臺溝3種林型(冷杉純林、樺木純林、冷杉-樺木混交林)土壤理化性質(zhì)的研究,來探討不同林型土壤理化性質(zhì)的變化規(guī)律,旨在為該區(qū)的不同人工林可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。
研究區(qū)位于理縣涼臺溝,地處青紅葉、杜鵑花種類繁多,溪水潺潺,森林原始,瀑布飛掛,冰川奇特青藏高原東南部,邛崍山脈主峰北段,海拔高度2 015 m~5 922 m,距成都221 km,距縣城20 km。集清泉、高山、峽谷、瀑布、雪山、原始森林等自然風(fēng)光于一體。景區(qū)內(nèi)。氣候?qū)儆谏降匦土Ⅲw氣候,春夏季降水量多,冬季無霜期短,年降水雨量在650 m~1 000 mm之間,河谷地帶年均氣溫6.9℃~11℃。
調(diào)查地位于涼臺溝坡中部,立地條件較好,土層和枯落物層較厚,植被郁閉度較高,樣地內(nèi)以岷江杉(Abies faxoniana Rehd.et Wils.)為優(yōu)勢種,喬木層其它樹種主要有樺木(Betula spp.)、云杉(Picea sperata Mast.)、四川紅杉(Larix mastersiana Rehd.et Wils.)、高山杜鵑(Rhododendron lapponicum(L)Wahl.)、野櫻桃(Cerasus szechuanica(Batal.)Yii etta)、高山柏(Sabina squamata(Buch.Hamilt.)Ant.)等,常見林下植被有懸鉤子(Rubus phoenicolasis Maxim)、扁刺峨嵋薔薇(Rosa omeiensis,pteracantha Rehd.et Wils.)、無距蘭(Aceratorchlis tschiliensis Schltr.)、杜鵑(Rhododendron spp.)、鹿蹄草(Pyrola rotundifolia subsp.chinensis H.Andres)、唐特忍冬(Lonicera tangutica Maxim.)、馬先蒿(Pedicularis sp.)等。
在冷杉純林、樺木純林和冷樺混交林的坡度、坡位和海拔等立地因子基本一致且林分年齡變化不大(30a左右)的前提下,選取具有代表性的冷杉純林、樺木純林、冷杉-樺木混交的針闊混交林樣地進行土壤樣品的采集。分上、中、下3個坡位采集土壤樣品,采樣深度為40 cm(分0~20 cm和20 cm~40 cm),裝入土袋帶回實驗室風(fēng)干、磨碎以供土壤各項指標(biāo)測定。每種樣地設(shè)置3次重復(fù),土壤樣品的采集時間為2012年7月中旬。樣地基本特征如表1。
表1 樣地基本情況Tab.1 The basic situation of the sample site
2.2.1 土壤水分質(zhì)量測定
每個樣地內(nèi)取3個土壤樣品,每20 cm取樣,取樣深度為40 cm。土壤水分測定采用烘干法。
2.2.2 土壤pH值測定
取土壤樣品,風(fēng)干后研磨過0.2 mm的篩測定pH值,土壤pH值采用pH計測定,每個樣品重復(fù)3次。
2.2.3 土壤機械組成測定
用吸管法測定。
2.2.4 土壤養(yǎng)分含量測定
將風(fēng)干后的土壤樣品研磨、壓碎、過0.25 mm的篩以測定各項指標(biāo)。土壤全氮采用凱氏定氮法測定,有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、交換性鈣和交換性鎂按常規(guī)方法測定。
3.1.1 3種不同林型對土壤水分的影響
3種不同林型對土壤物理性質(zhì)的影響不同(圖1)。3種林型,0~40 cm土層冷樺混交林的土壤含水率顯著高于冷杉純林和樺木純林。而樺木純林的土壤含水率又高于冷杉純林。這說明改善0~40 cm土壤的含水率混交林優(yōu)于純林。對于不同土層來說,3種林型土壤含水率隨著土層厚度的加深逐漸減少,可見不同林型土壤表層均含有較高的土壤水分,而混交林土壤表層的含水率較純林增加了19.48%~32.41%。這說明冷樺混交林顯著提高了土壤含水率,使林地土壤的蓄水能力提高,從而為混交林地的植被生長提供良好的水分環(huán)境。
圖1 3種不同林型土壤含水率變化
3.1.2 3種不同林型對土壤機械組成的影響
3種不同林型土壤機械組成分析結(jié)果(表2)表明,各林型土壤砂粒含量在72.09%~79.38%之間,無論是表層(0~20 cm)土壤還是第二層土壤(20 cm~40 cm),其土壤顆粒含量的變化均是砂粒>粉粒>粘粒。從水分布看,土壤中砂粒含量為冷杉純林>樺木純林>冷樺混交林,而粉粒和粘粒則呈現(xiàn)相反的趨勢,這說明針闊混交能改善土壤的質(zhì)地。從垂直分布看,土壤砂粒含量為表層<第二層,粉粒和粘粒則是表層>第二層。這說明不同林型對土壤顆粒組成有一定的影響。也反映出不同林型對生態(tài)環(huán)境和土壤質(zhì)地的要求和適應(yīng),以及對土壤物理性狀的改善作用。
表2 3種不同林型土壤的機械組成Tab.2 Soil mechanical composition of 3 different forest types
3.2.1 土壤pH值的變化
3種不同林型土壤pH值變化不大,但3種林型均隨著土層深度的增加pH值逐漸增大(圖2),pH值的變化范圍在5.3~5.8之間。從0~40 cm土層來看,混交林的pH值最高,冷杉純林的pH值最低。在20 cm~40 cm土層,混交林的 pH值最高,為5.8。這說明針闊混交在一定程度上能降低土壤的酸度,而土壤酸性的增加意味著土壤肥力得到提高,這有利于森林更新[4]。
圖2 3種不同林型土壤pH值變化
3.2.2 土壤有機質(zhì)、土壤全N的變化
土壤有機質(zhì)是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一。它主要來源于地上植物的凋落及地下根系,是指示土壤肥力與健康的關(guān)鍵指標(biāo),在維持土壤結(jié)構(gòu)、供應(yīng)土壤養(yǎng)分等方面起重要的作用[7]。本研究中,3種不同林型土壤有機質(zhì)、土壤全N的含量隨著土層深度的增加呈下降趨勢,并且土壤有機質(zhì)和全N含量呈現(xiàn)明顯的“表聚”現(xiàn)象?;旖涣值赝寥烙袡C質(zhì)和全N的垂直變較小,而冷杉純林、樺木純林的土壤有機質(zhì)和全N含量變化比較明顯,其中,樺木純林和冷杉-樺木混交林表層(0~20 cm)土壤有機質(zhì)含量較冷杉林提高了13.69%~151.18%,土壤全N含量提高了10.11%~166.29%。對3種林型來說,土壤有機質(zhì)和全N含量均表現(xiàn)為:樺木林>混交林>冷杉林。從不同土層深度來看,混交林和樺木純林的土壤有機質(zhì)和全N含量均高于冷杉純林,這說明闊葉林和混交林能有效提高林分土壤肥力和改善土壤性質(zhì),有利于林分的穩(wěn)定。
3.2.3 土壤有效P和速效K的變化
林地速效養(yǎng)分主要受凋落物的影響較大,所以土壤有效P及速效K養(yǎng)分含量均為林下凋落物較多的樺木純林和混交林。如表3所示,混交林與兩種純林相比,土壤有效P在0~40 cm土層中存在較大差異,變幅在 7.33 mg·kg-1~14.32 mg·kg-1,3種林型中,土壤有效P的含量隨著土層深度的增加逐漸減少,樺木純林減得最多,其次是針闊混交林,減得最少的是冷杉純林。
表3 不同林分土壤養(yǎng)分含量變化Tab.3 Changes of soil nutrient contents of different forests
土壤速效K是植物生長過程中易被較快吸收利用的鉀素形態(tài),其含量的高低是判斷土壤鉀素元素豐缺的重要指標(biāo)[6],它能真實反應(yīng)土壤中鉀素的供應(yīng)情況。由表3可以看出,土壤速效K的含量在不同林型及不同土壤變化差異較大,且均隨著土層加深含量降低。3種林型中,土壤速效K變化范圍在91.41 mg·kg-1~528.5 mg·kg-1之間,其中,樺木純林>混交林>冷杉純林,且在0~40 cm土層中,針闊混交林和闊葉樺木純林土壤速效鉀的含量顯著高于冷杉純林,這說明闊葉林和針闊混交林顯著提高了土壤速效K含量。
土壤水分是森林土壤的一個重要組成部分,它積極參與土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和代謝過程,并在母巖風(fēng)化和土壤形成過程中起著重要作用。研究發(fā)現(xiàn),3種林型土壤含水量均隨著土層深度增加而減小,這是因為一般林地地表凋落物層較厚,土壤蒸發(fā)量少,所以表層土壤貯存水分較多,并高于深層,這與許多學(xué)者研究結(jié)果一致[7,8]。但不同的林型土壤持水能力不同,本研究中,0~40 cm土層冷樺混交林土壤含水量顯著高于冷杉純林和樺木純林,這可能是因為針闊混交后林下地被物和凋落物增加,這就減少了土壤水分的蒸發(fā)量及地表徑流的產(chǎn)生所致。
土壤顆粒組成又稱土壤質(zhì)地或土壤機械組成,它不僅影響土壤的理化性質(zhì)和生物學(xué)特性,與植物生長所需的環(huán)境條件及養(yǎng)分供給關(guān)系十分密切[9]。本研究中,土壤中砂粒含量為冷杉純林>樺木純林>冷樺混交林,而粉粒和粘粒的含量則相反,這是因為不同的林分類型其樹種特性不一樣,改善了其林地的生長環(huán)境所致。
土壤酸堿度是土壤的重要化學(xué)性質(zhì),pH值雖不能直接表明土壤中某種養(yǎng)分的量,但它的大小可控制和影響土壤中微生物區(qū)系的改變,從而左右著絕大多數(shù)營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化方向、轉(zhuǎn)化過程、形態(tài)及其有效性[10]。已有研究表明,單純營造針葉林,將會導(dǎo)致土壤pH值逐漸降低,林地土壤酸化,土壤板結(jié),從而破壞土壤的物理結(jié)構(gòu),不利于土壤養(yǎng)分的保存和積累[8,9]。本研究中,3種林型的 pH 值均在5.3~5.8之間,不同林型間pH值差異未達到顯著水平,其中冷杉純林的土壤pH值最低,針闊混交林和闊葉林較高于針葉純林,尤其是混交林在0~40 cm土層其pH值為最高,這表明混交林增加了林地凋落物的數(shù)量,改善了土壤孔隙度,促進了凋落物養(yǎng)分的分解與轉(zhuǎn)化速率,使更多的養(yǎng)分歸還于土壤,從而降低了混交林地土壤的酸性。
本研究中,3種林型土壤有機質(zhì)和全氮含量隨土層深度的增加呈下降趨勢,其養(yǎng)分含量具有“表聚性”的特征,這與許多研究對不同類型森林土壤養(yǎng)分狀況的影響結(jié)果一致[10,12]。森林土壤養(yǎng)分狀況反映了森林對土壤的影響結(jié)果,又是衡量土壤肥力質(zhì)量的主要因素。它的主要養(yǎng)分來源一方面是土壤本身經(jīng)微生物分解、礦化得到養(yǎng)分,另一方面便是林地表面植物凋落物及樹木、草本植物等的根系[13]。一般植物的根系主要分布于土壤表層,而林地植物的凋落物也主要集中在土壤表層,這些枯枝落葉可以釋放大量的養(yǎng)分元素,導(dǎo)致土壤表層有機質(zhì)積累量較多,隨著土層深度的增加,植物根系分布減少,有機質(zhì)來源減少,故而呈現(xiàn)出大多數(shù)土壤養(yǎng)分含量隨土層深度的增加而遞減的趨勢。在3種不同林型中,冷杉純林的土壤有機質(zhì)及全N含量最低且隨土層深度變化較大,其主要原因可能是冷杉純林樹種單一,林下植被少,凋落物歸還量少,且冷杉針葉質(zhì)地粗硬,纖維素含量高,表皮富被蠟質(zhì)層,且透水性能差,以及其高的C/N比,導(dǎo)致其凋落物分解速度慢,含氮素少等,從而影響了有機質(zhì)在土壤中的積累[21],使得冷杉純林表層土壤有機質(zhì)及全N含量僅為170.20 g·kg-1和5.34 g·kg-1顯著低于樺木純林和混交林。樺木純林雖然也是純林,但是其凋落物分解速度快,因而能快速增加土壤養(yǎng)分,提高土壤有機質(zhì)含量,促進養(yǎng)分的良性循環(huán);同理冷杉和樺木混交后,提高了物種的多樣性,增加了林地表面凋落物的數(shù)量,同時借助闊葉樹的凋落物分解速度快的特點來增加土壤的養(yǎng)分,也能有效的提高土壤有機質(zhì)含量,促進林地養(yǎng)分的良性循環(huán),因此闊葉純林和針闊混交林較針葉純林表層土壤有機提高了151.18%和13.69%,全N含量提高了166.29%和10.11%.。
土壤有效養(yǎng)分含量受土壤母質(zhì)類型、所處的氣候環(huán)境以及植被類型等多種因素共同影響。研究發(fā)現(xiàn),3種林型土壤有效P和速效K的含量在不同林型及不同土層變化較大,其大小均為樺木純林>冷樺混交林>冷杉純林,這與不同的樹種特性有關(guān)。有效P和速效K的含量均隨著土層加深而降低,這是因為在上層土壤中,有機質(zhì)質(zhì)含量較高,N、P等營養(yǎng)元素來源豐富的緣故。
(1)3種林型土壤水分含量隨土層的加深而逐漸減小,0~40 cm土層土壤水分含量大小為:冷杉-樺木混交林>樺木純林>冷杉純林,其中,冷杉-樺木混交林的水分含量顯著高于純林。冷杉-樺木混交林表層(0~20 cm)土壤含水量較其闊葉純林和針葉純林分別增加了19.48%和32.41%。
(2)3種林型土壤顆粒組成含量分布為砂粒>粉粒>粘粒,土壤中砂粒含量為冷杉純林>樺木純林>冷樺混交林,而粉粒和粘粒則呈現(xiàn)相反的趨勢,這說明針闊混交能改善土壤的質(zhì)地。
(3)3種林型土壤pH值隨土層深度的增加而增大,pH值都介于5.3~5.8之間,呈酸性,3種pH值差異不顯著,其中冷杉-樺木混交林土壤pH值最高,為5.8,說明混交林可在一定程度上降低土壤的酸性。
(4)3種林型的土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀的含量均隨著土層深度的增加而減少,呈現(xiàn)明顯的“表聚”現(xiàn)象。其土壤有機質(zhì)及全N含量表現(xiàn)為:樺木林>混交林>冷杉林。樺木純林和冷杉-樺木混交林表層(0~20 cm)土壤有機質(zhì)含量較冷杉林提高了13.69%~151.18%,土壤全N含量提高了10.11%~166.29%。土壤有效P及速效K養(yǎng)分含量也均為樺木純林含量較高,冷杉純林最低。
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