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烏拉山自然保護(hù)區(qū)不同林分類型的土壤特征*
劉永宏1,2,張立欣2,王偉峰2,王博2
(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院,北京100083;
2.內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 生態(tài)功能與森林碳匯研究所,內(nèi)蒙古呼和浩特010010)
摘要:以烏拉山自然保護(hù)區(qū)7種林分類型為研究對象,在白樺林、蒙古扁桃林、油松林和草地設(shè)置7塊樣地,從0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm和40~60 cm土層取樣,測定其物理和化學(xué)性狀,探討了研究區(qū)不同林分類型的土壤特征。結(jié)果表明,土壤物理性狀(土壤容重、含水量與最大持水量)具有明顯的分層特征,土壤容重表層最低,隨土層加深逐漸增加;土壤含水量、最大持水量則表層最高,隨土層加深逐漸降低,樣地間物理性狀具有顯著差異。土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.843**),而與土壤含水量(r=0.714**)、最大持水量(r=0.713**)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,不同林分類型通過凋落物的組成和產(chǎn)量影響土壤有機(jī)質(zhì)含量從而間接影響土壤的物理性狀。土壤化學(xué)性狀中有機(jī)質(zhì)及全N含量具有明顯分層現(xiàn)象,表現(xiàn)出隨土層加深而降低的趨勢,而土壤全P含量及pH值各土層無顯著差異。各樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量與全N含量具有極顯著正相關(guān)性(r=0.817**);群落結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)變化與土壤有機(jī)質(zhì)及全N含量具有顯著關(guān)系。該地區(qū)不同林分類型之間的土壤——植被協(xié)同反饋機(jī)制主要由土壤有機(jī)質(zhì)含量調(diào)控。
關(guān)鍵詞:林分類型;白樺林;檬古扁桃林;油松林;土壤特征
森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,是維護(hù)生態(tài)平衡的重要調(diào)節(jié)器。不同植被類型及其土壤特征反映了森林生態(tài)系統(tǒng)演替過程中的規(guī)律,因此,植被與土壤的相互作用關(guān)系是一個(gè)生態(tài)反饋過程[1]。山地森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤受植被類型、氣候條件等因素的復(fù)雜影響具有較高的變異性,不同林分類型對土壤有限資源競爭與適應(yīng)能力的差異導(dǎo)致山地群落異質(zhì)性。土壤植被變異的協(xié)同關(guān)系是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的體現(xiàn),開展相關(guān)研究具有重要的科學(xué)價(jià)值。烏拉山自然保護(hù)區(qū)地處荒漠草原與典型草原過渡區(qū),具有針葉林、落葉闊葉林、各種灌叢及山地草甸等典型的植被類型。土壤主要類型有山地草甸草原土、灰褐土、栗鈣土、棕鈣土[2],生物群落的結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)變化與土壤基質(zhì)的物理及化學(xué)狀況具有顯著相關(guān)性[3~4]。以往關(guān)于該地區(qū)的研究,主要集中于植物群落的結(jié)構(gòu)、物種變化及土壤的物理、化學(xué)性狀等方面[5~7],而對不同林分類型的土壤特征還缺乏一定的認(rèn)識(shí),特別是植被與土壤兩者之間的互饋?zhàn)饔醚芯枯^少。本研究以該區(qū)域不同林齡的次生白樺林(BetulaplatyphyllaSuk.)、人工及天然油松林(PinustabulaeformisCarr.)、蒙古扁桃〔Amygdalusmongolica(Maxim.) Ricker〕灌木林及山地草甸為研究對象,取252個(gè)土樣,分析了不同林分類型的土壤物理、化學(xué)性狀及植被與土壤之間的互饋?zhàn)饔?,以期為山地森林生態(tài)系統(tǒng)的植被保護(hù)與恢復(fù)提供相關(guān)科學(xué)依據(jù)。
1研究區(qū)概況
試驗(yàn)區(qū)位于烏拉山自然保護(hù)區(qū),地理坐標(biāo)為東經(jīng)108°42′~109° 49′ 、北緯40°38′~40°52′,海拔在1 060~2 322 m之間,屬于中溫帶亞干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。年均氣溫3.9~5.9℃,年均降水量250~500 mm,主要集中于7-9月,約占全年總降水量的60 %,日照時(shí)數(shù)3 110-3 300 h,無霜期100-145天。山地母質(zhì)為花崗巖、石英巖與石灰?guī)r等巖石風(fēng)化的殘積和坡積物。土壤垂直分布特征明顯,土壤pH值為7.49~8.40。該區(qū)域干旱陽坡和陰坡植被類型有明顯的差異,森林植被主要以次生白樺林、天然及人工油松林為主,低海拔干旱陽坡區(qū)域分布有側(cè)柏〔Platycladusorientalis(L.)Franco〕、杜松(JuniperusrigidaS.et Z.)、灰榆(Ulmusglaucescens)、圓柏〔Sabinachinensis(L.) Ant.〕等構(gòu)成的針葉林、針闊混交林。灌木群落主要有柄扁桃(AmygdaluspedunculataPall.)灌叢、蒙古扁桃灌叢、繡線菊(SpiraeasalicifoliaL.)灌叢、黃刺玫(RosaxanthinaLindl.)灌叢等[2]。本研究選取不同林齡白樺次生林、天然及人工油松林、蒙古扁桃林及陽坡草地為研究對象,對植被及土壤理化性質(zhì)進(jìn)行測定,各林分類型的立地條件及植被組成情況等見表1。
2研究方法
2013年8月中旬,在上述7種林分類型內(nèi)各設(shè)置1塊調(diào)查樣地(每個(gè)樣地為100 m×100 m),每個(gè)樣地挖取3個(gè)1 m×1 m的土壤剖面,按土壤發(fā)生層次,分0~10 cm,10~20 cm,20~40 cm,40~60 cm取樣。采用環(huán)刀法測定土壤容重(g/cm3)、土壤含水量(%)、毛管最大持水量(%),每層3個(gè)重復(fù),計(jì)算后取各指標(biāo)的平均值。另取約1 kg土壤裝入土壤袋帶回實(shí)驗(yàn)室,風(fēng)干、去雜、過篩后進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P等含量以及pH值的測定。其中,有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀法測定,全N含量采用凱氏定氮法測定,全P含量采用鉬銻抗比色法測定,pH值采用pH值測定儀PB-10。
表1 樣地基本信息
注:虎榛子(Ostryopsisdavidiana), 水栒子(Cotoneastermultiflorus), 山楂(Crataeguspinnatifida), 大葉野豌豆(Viciapseudorobus), 糙蘇(Phlomisumbrosa), 小紅菊(Dendranthemachanetii), 三裂繡線菊(Spiraeatrilobata), 忍冬(Lonicerajaponica), 萎陵菜(Potentillachinensis), 羊草(Leymuschinensis), 蒙古蒿(Artemisiamongolica), 克氏針茅(Stipakrylovii), 亞洲百里香(Thymusmongolicus), 冷蒿(Artemisiafrigida), 達(dá)烏里龍膽草(Gentianadahurica), 糙葉黃芪(Astragalusscaberrimus), 黃刺玫(Rosaxanthina), 油松(Pinustabulaeformis), 蒙古繡線菊(Spiraeamongolica), 灰栒子(Cotoneasteracutifolius), 早熟禾(Poaannua), 沙參(Adenophorastricta), 豬殃殃(Galiumaparine), 地榆(Sanguisorbaofficinalis), 稠李(Prunuspadus), 車前(Plantagoasiatica), 黃芪(Astragalusmembranaceus), 豬毛蒿(Artemisiascoparia), 地錦(Parthenocissustricuspidata)。
使用Excel 2003和PASW Statistics 18.0(SPSS Inc.,Chicago, IL,USA)對數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算、方差分析和多重比較等統(tǒng)計(jì)分析。
3結(jié)果與分析
3.1不同林分類型土壤物理性狀空間分異特征
7種林分類型不同土層的土壤物理性狀測定結(jié)果顯示(表2),同一樣地土壤容重基本表現(xiàn)為隨土層加深而增大。不同樣地間,白樺次生林Ⅰ樣地各層土壤容重均呈最低,第2和第3土層與其他樣地相同土層數(shù)值達(dá)到顯著水平(p<0.05),草地樣地各層土壤容重均顯著高于其他樣地(p<0.05),其他5塊樣地各層之間容重相近,趨勢基本一致。
表2 7種林分類型不同土層的土壤物理性狀
注:不同小寫字母表示不同林分類型同一土層間差異顯著(P<0.05),誤差線為平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差,n=3。
與土壤容重變化規(guī)律正好相反,同一樣地土壤含水量表現(xiàn)為隨土層加深而降低。7塊樣地相比較,白樺次生林Ⅰ樣地土壤含水量最高,而草地樣地土壤各層含水量均低于其他各樣地。各樣地土壤含水量變化規(guī)律為:白樺次生林Ⅰ﹥白樺次生林Ⅲ﹥白樺次生林Ⅱ﹥蒙古扁桃林﹥天然油松林﹥?nèi)斯び退闪蜘儾莸兀寥廊葜嘏c含水量之間呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)。
土壤最大持水能力是土壤水分有效性的基礎(chǔ),計(jì)算結(jié)果表明,同一樣地土壤最大持水能力與土壤含水量具有相同變化規(guī)律,表現(xiàn)為隨土層加深而降低。樣地間相比較,同樣是以白樺次生林Ⅰ樣地的最大持水能力最強(qiáng),而草坡樣地的最大持水能力最弱。此外,白樺次生林Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ樣地上層土壤最大持水能力顯著高于其他樣地(p<0.05),樣地間其他土層差異不大(除白樺次生林Ⅰ樣地外),這可能與土壤表層枯落物持水作用有關(guān)。
圖17種林分類型不同土層的土壤化學(xué)性狀
Fig.1Soil chemical properties of different soil layers in 7 forest stand types
3.2不同林分類型土壤化學(xué)性狀空間分異特征
7種林分類型不同土層的土壤化學(xué)性狀測定結(jié)果顯示(圖1A),同一樣地各層土壤有機(jī)質(zhì)含量變化規(guī)律差異較大,其中白樺次生林Ⅱ、Ⅲ樣地與天然油松林有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)隨土層加深而降低的趨勢,草地與人工油松林土壤各土層有機(jī)質(zhì)含量變化不大,而白樺次生林Ⅰ樣地0~20 cm土層間與蒙古扁桃林0~40 cm土層間有機(jī)質(zhì)含量變化不大,下層土壤依次降低。不同林分類型有機(jī)質(zhì)含量結(jié)果表明,草坡樣地有機(jī)質(zhì)含量最低,白樺次生林Ⅰ樣地有機(jī)質(zhì)含量(除0~10 cm外)均顯著高于其他各樣地(p<0.05)。各樣地土壤間有機(jī)質(zhì)含量變化規(guī)律與全N含量變化規(guī)律相同,有機(jī)質(zhì)含量的差異隨土層加深而減小,植被生長狀況對上層土壤有機(jī)質(zhì)影響較大,而對深層土壤影響效果不明顯,這與樣地凋落物對表層和深層土壤養(yǎng)分輸入的差異有關(guān)。此外,土壤有機(jī)質(zhì)與全量養(yǎng)分之間相關(guān)性分析表明,有機(jī)質(zhì)含量與全N含量之間表現(xiàn)為顯著相關(guān)(圖2D)。
同一林分類型土壤全N含量均表現(xiàn)為隨土層加深而降低,表層土壤含N量最高,底層最低(圖1B),其中草地、天然和人工油松林各層全N含量差異不大。不同林分類型相比較,草地各土層全N含量最低,顯著低于其他樣地(p<0.05);白樺次生林Ⅰ樣地各層全N含量均顯著高于其他樣地(p<0.05),且白樺次生林Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ樣地及蒙古扁桃林0~10cm土層全N含量顯著高于其他3塊樣地,說明植物的種類變化對上層土壤全N含量影響較大。各樣地土壤全N含量變化規(guī)律為,白樺次生林Ⅰ﹥白樺次生林Ⅱ﹥白樺次生林Ⅲ﹥蒙古扁桃林﹥?nèi)斯び退闪蜘兲烊挥退闪蜘儾莸?,由于土壤有機(jī)質(zhì)及全N含量具有顯著正相關(guān)關(guān)系,因此,不同樣地土壤全N含量的差異可能是由于土壤上層不同植被類型產(chǎn)生的凋落物量不同,從而使土壤有機(jī)質(zhì)含量不同引起的。
全P含量變化不同于全N,同一林分類型土壤全P含量分層分布特征不明顯,各土層全P含量變化不大(圖1C)。不同林分類型同一土層相比較,草地樣地各層全P含量均低于其他各樣地,而蒙古扁桃林樣地各層全P含量均高于其他各樣地,各土層全P含量分別是草地的1.59、2.02、2.26、2.27倍。樣地間全P含量變化規(guī)律為:蒙古扁桃林﹥白樺次生林 Ⅰ﹥白樺次生林 Ⅱ﹥白樺次生林 Ⅲ﹥?nèi)斯び退闪蜘兲烊挥退闪蜘儾莸?,不同樣地各土層全P總含量分別為1.64 g/kg、1.42 g/kg、1.26 g/kg、1.21 g/kg、1.00 g/kg、0.98 g/kg、0.83 g/kg。
同一樣地各層土壤pH值變化不大,而樣地間土壤pH值具有明顯的差異(圖1D),且與植被演替階段有顯著負(fù)相關(guān)性,其順序依次為:草地﹥?nèi)斯び退闪蜘兠晒疟馓伊蜘儼讟宕紊症瘵儼讟宕紊症颟兲烊挥退闪蜘儼讟宕紊症?,pH值由8.32降為7.67。
4討論與結(jié)論
4.1不同林分類型對土壤物理性狀的影響
生物群落的結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)變化是與土壤協(xié)同作用的結(jié)果。土壤容重、含水量與持水能力是影響植物生長的重要因子,其大小直接或間接受到土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響[8]。
圖27種林分類型的土壤有機(jī)質(zhì)與容重、含水量、最大持水量及土壤全N的關(guān)系
Fig.2Relations of soil organic matter and bulk density(A) ,moisture(B) ,
water holding capacity(C) and soil total N(D) in 7 forest stand types
研究表明,不同林分類型的土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)(圖2A,r=-0.843**),而與土壤含水量和最大持水能力呈顯著正相關(guān)(圖2B、2C,r=0.714**、r=0.713**),說明不同林分類型的土壤容重、含水量與最大持水能力直接取決于土壤有機(jī)質(zhì)含量的大小。凋落物作為聯(lián)系地上植被與土壤的中間載體,是森林土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的主要補(bǔ)給者[9],凋落物的積累通過地表截流以及經(jīng)過土壤微生物的分解使林下土壤得到發(fā)育,進(jìn)而導(dǎo)致不同林分類型土壤容重、含水量和最大持水量的差異[10]。同時(shí),植物群落通過其生長過程對土壤水分、容重等的互饋?zhàn)饔?,逐漸改變土壤養(yǎng)分狀況,進(jìn)而又增強(qiáng)了土壤物理性狀的空間異質(zhì)性[11]。
4.2不同林分類型對土壤化學(xué)性狀的影響
群落結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)變化與土壤有機(jī)質(zhì)及全N含量具有顯著關(guān)系[12],土壤有機(jī)質(zhì)含量受植物凋落物和死亡根系分解等因素影響,凋落物對土壤有機(jī)質(zhì)的歸還是增加有機(jī)質(zhì)含量的重要途徑,而土壤中有機(jī)質(zhì)含量的高低會(huì)影響到系統(tǒng)土壤質(zhì)地和其他全量養(yǎng)分含量[13]。研究結(jié)果表明,不同林分類型間各層土壤有機(jī)質(zhì)含量具有顯著差異(圖1C),且與土壤全N含量具有極顯著的正相關(guān)性(圖2D,r=0.817**),土壤有機(jī)質(zhì)及全N含量總體表現(xiàn)為:闊葉林﹥針葉林﹥灌草叢,這與宋會(huì)興等[4]研究結(jié)果相同,這可能與不同林分類型的凋落物量有直接關(guān)系。此外,不同林分類型間土壤全P含量及pH值無顯著差異,這可能與土壤基質(zhì)變化導(dǎo)致的植物對養(yǎng)分的不同選擇性利用有關(guān)[14]。
4.3植被—土壤變異的協(xié)同關(guān)系
山地森林生態(tài)系統(tǒng)中,植被對土壤的反饋?zhàn)饔冒ㄍ寥牢锢硇誀畹母淖兣c土壤基質(zhì)養(yǎng)分的改變。不同林分類型下植物種類對土壤有限養(yǎng)分資源的競爭能力和適應(yīng)能力差異導(dǎo)致群落異質(zhì)性,而植物通過其生長過程對土壤物理及化學(xué)性狀的反饋?zhàn)饔茫饾u改變土壤養(yǎng)分狀況,增強(qiáng)了土壤的空間異質(zhì)性[11]。研究表明,不同林分類型的土壤容重、含水量、最大持水能力、有機(jī)質(zhì)及全N含量均具有顯著差異,這與不同林分類型產(chǎn)生凋落物量的不同導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量的差異性有關(guān),也間接導(dǎo)致了土壤容重、含水量、最大持水能力等土壤物理性狀及全N等其他養(yǎng)分含量的差異。不同林分類型的土壤容重、含水量、最大持水能力等土壤物理性狀及有機(jī)質(zhì)、全N等土壤養(yǎng)分含量的不同,進(jìn)而導(dǎo)致植被群落類型的演替,最終又加強(qiáng)了不同林分類型土壤物理性狀及土壤養(yǎng)分含量的空間異質(zhì)性。因此,不同林分類型的土壤物理和化學(xué)性狀的空間異質(zhì)性,是植被和土壤協(xié)同適應(yīng)、反饋的結(jié)果,其變化與群落結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化相對應(yīng)[15]。同時(shí),不同林分類型群落結(jié)構(gòu)的差異性也必將加大土壤物理和化學(xué)性狀的空間異質(zhì)性,植被和土壤是相互制約、促進(jìn)的兩個(gè)對立統(tǒng)一系統(tǒng)[16]。
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Soil Characteristics of Different Forest Stand Types in
Wulashan Natural Reserve of Inner Mongolia
LIU Yong-hong1,2, ZHANG Li-xin2, WANG Wei-feng2, WANG Bo2
(1.School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,Beijing 100083,P.R.China;2.Research Institute of
Ecological Function and Forest Carbon Sink,Inner Mongolia Academy of Forestry,Hohhot Inner Mongolia 010010,P.R.China)
Abstract:To measure the physical and chemical properties of soil and understand soil characteristics of different forest stand types in the Wulashan Natural Reserve,7 sample plots of Betula platyphylla Suk., Amygdalus mongolica (Maxim.) Ricker, Pinus tabulaeformis Carr.and grass land were set, and soil sampling from soil layers of 0~10 cm, 10 ~20 cm, 20~40 cm, and 40~60 cm were collected by taking 7 forest stand types as research objects.The results shows that there were obvious layering characteristics in the soil bulk density, moisture content, and the maximum water holding capacity, soil bulk density was the lowest in surface layer and increased with soil depth, while the soil moisture content and the maximum water holding capacity had the opposite rule, and there were significant difference among the plots in terms of physical properties.The content of soil organic matter had significant negatively relationship with soil bulk density (r=-0.843**), while had significant positive correlation with the moisture content and soil (r=0.714**) and maximum water holding capacity (r=0.713**).By the composition and production of litter, different forest stand types could indirectly influenced soil physical properties through the soil organic matter content.The soil organic matter and total nitrogen content had an obvious phenomenon of layering, and showed a tendency of N content decreased with soil depth, while the total phosphorus content and the pH value had no significant difference among each layer.There were extremely significant positive correlation between the content of soil organic matter and total nitrogen among each plot (r=0.817**).The community structure and its dynamics had significant correlation with soil organic matter and total nitrogen content.This study showed that the cooperative feedback mechanism of soil and vegetation was mainly regulated by the soil organic matter content.
Key words:forest stand types;Betula platyphylla Suk.; Amygdalus mongolica (Maxim.) Ricker; Pinus tabulaeformis Carr.; soil characteristics
中圖分類號(hào):S 714
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1672-8246(2015)06-0020-07
通訊作者簡介:王偉峰(1985-),男,助理研究員,博士,主要從事森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能方面的研究。E-mail:wang.wf1985@163.com
作者簡介:第一劉永宏(1964-),男,研究員,博士生,主要從事水土保持與荒漠化防治等方面的研究。E-mail:yhliu718@163.com
基金項(xiàng)目:林業(yè)科技創(chuàng)新平臺(tái)運(yùn)行補(bǔ)助項(xiàng)目(2015-LYPT-DW-037);內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金博士基金項(xiàng)目(2015BS0323)。
收稿日期:*2015-08-18
doi10.16473/j.cnki.xblykx1972.2015.06.005