川西不同樹種人工林對(duì)土壤涵水能力的影響

陳文靜,祁凱斌,黃俊勝,楊婷惠,包維楷,龐學(xué)勇,*

1 中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所,中國(guó)科學(xué)院山地生態(tài)恢復(fù)與生物資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,生態(tài)恢復(fù)與生物多樣性保育四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610041 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

川西不同樹種人工林對(duì)土壤涵水能力的影響

陳文靜1,2,祁凱斌1,2,黃俊勝1,2,楊婷惠1,2,包維楷1,龐學(xué)勇1,*

1 中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所,中國(guó)科學(xué)院山地生態(tài)恢復(fù)與生物資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,生態(tài)恢復(fù)與生物多樣性保育四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610041 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

為評(píng)價(jià)青藏高原東緣不同樹種造林對(duì)土壤涵水能力的影響,選擇立地條件與營(yíng)林方式相同的4種人工林(連香樹(Cercidiphyllumjaponicum)、油松(Pinustabulaeformis)、落葉松(Larixkaempferi)和華山松(Pinusarmandii))為研究對(duì)象,以落葉闊葉灌叢為對(duì)照,比較造林恢復(fù)28 a后不同人工林土壤孔隙度及持水性的變化,結(jié)合林地凋落物貯量及細(xì)根生物量等參數(shù),試圖揭示造成不同人工林地土壤涵水能力及潛力差異化的因素。結(jié)果顯示：營(yíng)造油松和華山松純林不僅沒能有效改善土壤孔隙狀況,反而加劇了土壤涵水功能的退化。相反,連香樹和落葉松在代替次生落葉灌叢造林后,土壤容重顯著下降,孔隙度增加且小孔隙比例升高,持蓄水能力提高。凋落物及細(xì)根特性是不同林地土壤持水性能差異的重要因素。綜合分析表明,在對(duì)退化生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行造林恢復(fù)時(shí),應(yīng)盡量避免營(yíng)造高密度針葉純林,應(yīng)結(jié)合種植有助于土壤結(jié)構(gòu)改良的落葉或闊葉樹種。

造林；生態(tài)恢復(fù)；人工林；樹種；涵水能力

森林生態(tài)系統(tǒng)通過林冠層、凋落物層和土壤層截留固持降水,補(bǔ)充地下水,從而調(diào)節(jié)大氣水循環(huán)[1-2]。其中,土壤層調(diào)配90%的大氣降水[3],成為森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的重要的組成部分[4]。通過幾十年人工造林及森林保護(hù)計(jì)劃,我國(guó)已成為世界擁有人工林面積最大的國(guó)家。許多研究表明,人工植被的營(yíng)造對(duì)土壤水源的涵養(yǎng)有積極的改善作用[5- 6],但也存在消極的影響[7]。原因可能歸因于多種,森林植被類型的差異可能是導(dǎo)致人工林水源涵養(yǎng)能力差異的主要原因之一,不同森林類型具有不同的生物學(xué)特性與林分結(jié)構(gòu),通過調(diào)節(jié)物質(zhì)周轉(zhuǎn)與養(yǎng)分歸還導(dǎo)致土壤孔隙度對(duì)不同植被響應(yīng)也不盡相同[8- 9],土壤空隙狀況又決定著土壤的蓄/持水能力及潛力[2]。因而,人工造林恢復(fù)退化生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)踐活動(dòng)對(duì)土壤水源涵養(yǎng)的恢復(fù)效果可能依賴于造林樹種的選擇[10-11]。通常認(rèn)為闊葉林土壤水源涵養(yǎng)功能優(yōu)于針葉林[12-13]。但也有學(xué)者發(fā)現(xiàn),針葉純林[14]以及針闊混交林[15]中土壤的持蓄水能力甚至優(yōu)于闊葉純林。這可能與研究區(qū)域的氣候與土壤差異[16],以及代表性樹種選擇、造林密度和經(jīng)營(yíng)管理等差異有關(guān),尚難得出一致的結(jié)論。因此,研究具體區(qū)域下,由樹種本身生物學(xué)特性及其群落結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致土壤涵水能力的不同,將對(duì)該區(qū)域人工林涵養(yǎng)水源功能的恢復(fù)具有一定的指導(dǎo)意義。

川西人工林是我國(guó)西南森林的重要組成部分,作為長(zhǎng)江上游重要的水源涵養(yǎng)和水土保持生態(tài)公益林,對(duì)該區(qū)域乃至全國(guó)的生態(tài)功能提升與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。20世紀(jì)60年代以來,由于該區(qū)原始林遭到大量的砍伐,森林生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞,水土流失,養(yǎng)分貧瘠,生態(tài)功能嚴(yán)重下降。伴隨著森林保護(hù)和人工林植被恢復(fù)工程的實(shí)施,目前已形成多種針葉或闊葉為優(yōu)勢(shì)的同齡林[17]。但隨著人工林的演替,營(yíng)造的人工林又面臨物種組成及群落結(jié)構(gòu)單一,生態(tài)功能難以恢復(fù)的現(xiàn)狀。評(píng)價(jià)這些人工林土壤的理化性質(zhì)和水源涵養(yǎng)功能對(duì)人工林生態(tài)系統(tǒng)功能的恢復(fù)及提升具有重要參考價(jià)值。而有關(guān)川西不同樹種人工林土壤理化性質(zhì)和水源涵養(yǎng)功能的研究報(bào)道較少。因此,本研究選擇4種不同樹種取代灌叢而建立的人工林為研究對(duì)象,以落葉闊葉灌叢為對(duì)照,(1)比較不同人工林土壤涵水能力差異；(2)結(jié)合不同林地凋落物貯量及細(xì)根生物量等參數(shù),分析導(dǎo)致不同人工林地蓄持水能力差異化的影響因素,以期為該區(qū)域人工植被水源涵養(yǎng)功能的恢復(fù)與提升提供科學(xué)參考。

1 研究地區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

實(shí)驗(yàn)樣地選擇在中國(guó)科學(xué)院茂縣山地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(103°54′E,31°42′N)附近,海拔1826 m。研究區(qū)地處四川盆地向青藏高原過渡地帶,橫斷山區(qū)北段的岷江上游,阿壩州茂縣大溝流域,屬山地溫帶氣候,年平均氣溫為9.3℃,極端高溫30.9℃,極端低溫-13.5℃,年日照時(shí)數(shù)為1373.8 h,無霜期200 d,年均降雨量達(dá)825.2 mm,年蒸發(fā)量968.7 mm[18]。研究地段是青藏高原東緣高山峽谷區(qū)典型代表,原始森林以云杉、冷杉林為主,采伐后通過人工造林和自然恢復(fù)形成了大量次生植被。

1.2 樣地基本情況

于2015年8月進(jìn)行背景調(diào)查,選擇連香樹(Cercidiphyllumjaponicum),油松(Pinustabulaeformis),華山松(Pinusarmandii),落葉松(Larixkaempferi) 4種人工林,以次生落葉闊葉灌叢(Native broad-leaf shrub)為對(duì)照。其中,連香樹為落葉闊葉樹種,落葉松為落葉針葉樹種,而油松和華山松為常綠針葉樹種,次生灌叢以川榛(Corylusheterophyllavar.sutchuenensisFranch.)和落葉槲櫟(Quercusaliena)為主[19]。人工林恢復(fù)重建前,主要植被類型為針闊混交林破壞后形成的次生山地落葉闊葉灌叢和箭竹灌叢,并于1986年采用帶狀砍伐后,1987年春季種植,初植密度為2500 株/hm2,后期根據(jù)成活狀況進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)植[20]。人工林后期管理措施均相同,生長(zhǎng)期間沒有添加任何肥料。

各樣地彼此相鄰,坡度、坡向、坡位及海拔條件基本相似,林地郁閉度變化范圍保持在80%—98%之間,胸徑和樹高呈顯著正相關(guān),林分密度介于1500—4500 株/hm2之間(表1)。各林地0—20 cm土層細(xì)根生物量差異顯著(P<0.05)(表1),連香樹最高,油松最低,其余人工林樣地與灌叢差異不顯著(P>0.05)。各樣地間年凋落物量差異不大(表1),而各樣地凋落物貯量存在顯著差異(P<0.05),華山松及油松顯著大于落葉松、連香樹及灌叢。

表1 研究區(qū)不同次生植被樣地基本特征

表中括號(hào)內(nèi)的數(shù)值表示為標(biāo)準(zhǔn)差n=4；后面小寫字母相同表明其同一土層樹種間差異未達(dá)到顯著水平

樣地土壤類型為山地褐壤,土壤pH值在各樣地間無顯著差異(P>0.05)(表2)。林地間土壤C、N、P含量差異顯著(P<0.05),土壤有機(jī)碳、全氮大致表現(xiàn)為落葉林(連香樹、落葉松)及落葉灌叢高于常綠針葉林(華山松、油松)造林地,連香樹樣地土壤全磷顯著大于其他樣地(P<0.05),油松顯著小于其他樣地(P<0.05),灌叢與剩余人工林地差異不顯著(P>0.05)(表2)。在各林地類型內(nèi),灌叢林地的容重大于所有人工林,在人工林中,落葉松樣地的土壤容重最小,明顯低于其他人工林樣地,油松、華山松與連香樹樣地間土壤容重沒有顯著差異(P>0.05)(表2)。

表2 不同人工林類型間0—10 cm層土壤基本性質(zhì)

表中括號(hào)內(nèi)的數(shù)值表示為標(biāo)準(zhǔn)差n=4；后面小寫字母相同表明其同一土層樹種間差異未達(dá)到顯著水平

1.3 土壤樣品采集

2015年8月進(jìn)行土壤樣品的采集,于每個(gè)林地隨機(jī)布設(shè)4個(gè)不連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)樣地,樣地之間間隔至少50 m,每個(gè)樣地設(shè)置1個(gè)喬木調(diào)查樣方(10 m×10 m),于每個(gè)樣方順坡上、中、下設(shè)置3個(gè)土壤采樣點(diǎn)。在土壤采樣點(diǎn)附近設(shè)置面積1 m×1 m的地面凋落物收集樣方,收集凋落物并帶回實(shí)驗(yàn)室65℃烘干至恒重并稱重,估算凋落物蓄積量。于各土壤采樣點(diǎn)挖掘1個(gè)土壤剖面,按0—10、10—20 cm及20—40 cm3個(gè)層次分別采集環(huán)刀土。另在各采樣點(diǎn),用直徑為5 cm的土鉆分層(0—10、10—20 cm和20—40 cm)采集土壤樣品,同一樣方的同一土層充分混勻后取1000 g作混合樣。將混合樣品過2 mm孔篩去除石礫,細(xì)根收集于信封內(nèi),帶回實(shí)驗(yàn)室65℃烘干至恒重并稱重,估算細(xì)根生物量。處理后的土樣放入聚乙烯袋中密封帶回,置于陰涼通風(fēng)處風(fēng)干,用于測(cè)定土壤pH,土壤有機(jī)碳(TOC)、全氮(TN)和全磷(TP)等指標(biāo)。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

土壤理化性質(zhì)測(cè)定參照《土壤農(nóng)化分析手冊(cè)》[21]和《土壤理化分析》[22],烘干法測(cè)量土壤自然含水量；環(huán)刀法測(cè)量土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度和毛管持水量等物理指標(biāo)；土壤pH采用(水土比2.5∶1)酸度計(jì)測(cè)定；土壤TOC和TN采用元素分析儀(Vario Macro Analyzer,德國(guó))測(cè)定；TP采用酸溶鉬銻抗比色法。

1.5 數(shù)據(jù)處理

對(duì)同一土壤層不同植被類型間土壤理化性質(zhì)各參數(shù)采用單因素方差分析(One-way ANOVA),對(duì)同一植被類型下不同土壤層間土壤各理化指標(biāo)也采用One-way ANOVA分析,差異性檢驗(yàn)采用Duncan法,顯著性水平為P<0.05。土壤物理特性指標(biāo)與凋落物貯量、細(xì)根生物量等指標(biāo)的相關(guān)分析采用person相關(guān)分析法(SPSS 20.0)。

2 結(jié)果分析

2.1 不同人工林對(duì)土壤孔隙度的影響

各林地土壤0—10、10—20 cm和20—40 cm層總孔隙分別介于47.72%—63.71%、40.08%—51.83%和37.87%—44.84%之間,均值依次為54.08%、42.93%和39.48%。各土層間土壤總孔隙差異顯著(P<0.05),隨著土壤深度的增加而降低(表3)。不同樹種造林顯著影響了土壤總孔隙度(P<0.05),在0—10 cm層次,造林增加了土壤總孔隙度,連香樹、落葉松和華山松人工林地顯著高于灌叢樣地(P<0.05),在人工林樣地間,落葉松人工林樣地土壤總孔隙顯著高于其他人工林(P<0.05)。在10—20 cm和20—40 cm土層,連香樹林地土壤總孔隙顯著大于其他林地(P<0.05)。

表3 不同人工林和灌木林樣地土壤空隙分布特征

表中括號(hào)內(nèi)的數(shù)值表示為標(biāo)準(zhǔn)差n=4；后面小寫字母相同表明其同一土層樹種間差異未達(dá)到顯著水平,大寫字母相同表明其同一樹種不同土層間差異未達(dá)到顯著水平

總體上土壤毛管孔隙度在各林地間變化趨勢(shì)與總孔隙度相似。由表3可見,0—10、10—20 cm和20—40 cm土層毛管孔隙分別介于41.75%—48.45%、36.02%—40.07%和34.71%—37.30%,均值分別為44.72%、38.04%和35.98%(表3)。土壤毛管孔隙在各剖面層間差異顯著(P<0.05),隨土層深度的增加而減小。在0—10 cm層,土壤毛管孔隙連香樹林地最大,顯著高于灌叢樣地(P<0.05)；在人工林類型之間,連香樹樣地顯著高于油松和華山松樣地(P<0.05)。同樣,在10—20 cm層,連香樹樣地的土壤毛管孔隙最大,顯著高于華山松樣地(P<0.05),且與其它林地及灌叢沒有顯著差異(P>0.05)。20—40 cm層,各樣地間土壤毛管孔隙無顯著差異(P>0.05)。

對(duì)于土壤非毛管孔隙,各樣地上層顯著大于下層(P<0.05)(表3)。土壤0—10、10—20 cm和20—40 cm層非毛管孔隙變化范圍分布為5.63%—13.69%、3.33%—8.29%和2.16%—5.74%,均值分別為9.90%、5.82%和4.14%。在0—10 cm土層,土壤非毛管孔隙落葉松最大,連香樹最小,表現(xiàn)為落葉松>華山松>灌叢>油松>連香樹。在10—20 cm土層,連香樹、油松與灌叢之間差異不顯著(P>0.05),且均顯著大于華山松及落葉松樣地(P<0.05)。在20—40 cm層次,油松、連香樹最高,落葉松最低,灌叢與各人工林差異不顯著(P>0.05)。

2.2 不同人工林對(duì)土壤總持水能力與潛力的影響

由圖1可知,0—40 cm層土壤的最大持水量在各樣地間呈現(xiàn)顯著差異(P<0.05),連香樹、落葉松樣地顯著大于華山松、油松及灌叢(P<0.05)。0—40 cm層的土壤的毛管持水量與最大持水量相似,連香樹、落葉松顯著大于灌叢(P<0.05),而華山松、油松與灌叢之間差異不顯著(P>0.05)。土壤0—40 cm層的自然含水率表現(xiàn)為連香樹顯著大于灌叢(P<0.05),灌叢與落葉松無顯著差異(P>0.05),在各人工林樣地間,連香樹顯著大于其他樣地(P<0.05),落葉松次之,華山松與油松無顯著差異(P>0.05)。

2.3 不同人工林對(duì)土壤分層持水能力與潛力的影響

土壤水分狀況是土壤孔隙狀況及顆粒組成的綜合體現(xiàn)。由表4可知,隨著土層加深,各林地土壤持水量顯著降低(P<0.05),0—10、10—20 cm和20—40 cm土層最大持水量變化范圍介于33.03%—48.35%、24.62%—27.32%和23.30%—24.35%之間,均值分別為39.51%、25.67%和23.53%。人工造林改變了各樣地土壤持水性能,在0—10 cm土層,連香樹、落葉松和華山松人工林顯著高于灌叢樣地(P<0.05),且灌叢與油松林樣地差異不顯著(P>0.05),在人工林樣地間,落葉松樣地顯著大于其它樣地(P<0.05),油松樣地顯著低于其它樣地(P<0.05),其余人工林樣地間土壤最大持水量沒有顯著差異(P>0.05)。在10—20 cm與20—40 cm層次,連香樹人工林土壤最大持水量顯著高于灌叢樣地和其它人工林樣地(P<0.05),其余人工林樣地間沒有顯著差異(P>0.05)。

0—10 cm和10—20 cm土壤毛管持水量均值分別為36.16%和25.51%,變化范圍分別介于30.09%—43.70%和22.68%—32.86%之間。造林對(duì)土壤毛管持水量的改善效果依賴于人工林類型(表4),在0—10 cm土層,落葉松人工林土壤毛管持水量顯著高于灌叢樣地(P<0.05)，其余人工林間差異不顯著(P>0.05)。10—20 cm樣地連香樹人工林樣地顯著高于灌叢和其它人工林樣地(P<0.05)。20—40 cm土層,各林地間的毛管持水率沒有顯著差異(P>0.05)。

表4 不同人工林和灌木林地各土層土壤持水性能

表中括號(hào)內(nèi)的數(shù)值表示為標(biāo)準(zhǔn)差n=4；后面小寫字母相同表明其同一土層樹種間差異未達(dá)到顯著水平,大寫字母相同表明其同一樹種不同土層間差異未達(dá)到顯著水平

0—10 cm土層自然含水率均值為22.42%,變化范圍介于16.38%—28.73%之間,除灌叢與連香樹樣地沒有顯著差異外(P>0.05),其它人工林樣地自然含水率顯著低于灌叢樣地(P<0.05),趨勢(shì)為連香樹>灌叢>落葉松>華山松>油松。在10—20 cm土層,均值為19.00%,介于15.91%—27.57%之間,連香樹人工林樣地顯著高于其他人工林及灌叢樣地(P<0.05),華山松顯著低于其他樣地(P<0.05),剩余樣地間無顯著差異(P>0.05)。在20—40 cm土層,各樣地自然含水率無顯著差異(P>0.05)。

2.4 土壤持水力與林地及土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

通過相關(guān)分析表明,林地凋落物貯量與總孔隙度、毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、自然含水率以及C、N、P含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)(圖2)。土壤中細(xì)根系生物量對(duì)土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量、自然含水率以及C、N、P含量都有顯著的影響(P<0.05)(圖3),其中細(xì)根系生物量與容重呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與其余指標(biāo)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。根系生物量與凋落物貯量對(duì)非毛管孔隙度都沒有影響(P>0.05)。

圖2 不同人工林和灌木林地土壤凋落物貯量與部分土壤指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Correlation of litter stock and partial soil indexes in different plantations and shrub land圖中的r字母表示為指標(biāo)間的相關(guān)性系數(shù)

圖3 不同人工林和灌木林地土壤細(xì)根生物量與部分土壤指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Correlation of fine roots biomass and partial soil indexes in different plantations and shrub land圖中的r字母表示為指標(biāo)間的相關(guān)性系數(shù)

3 討論

3.1 造林樹種差異對(duì)土壤孔隙度的影響

研究結(jié)果顯示,隨著恢復(fù)進(jìn)程的推進(jìn)(造林28 a后),人工林群落結(jié)構(gòu)和物種組成的變化導(dǎo)致土壤性質(zhì)發(fā)生了改變[23-24]。但不同生物學(xué)特性的樹種造林對(duì)土壤物理性質(zhì)影響的效果也不盡相同。相較于常綠針葉林(華山松和油松),應(yīng)用落葉人工林造林(連香樹和落葉松)更有利于土壤孔隙結(jié)構(gòu)的改善(表3)。

導(dǎo)致這種差異化的原因可以從幾方面進(jìn)行解釋：首先,由于優(yōu)勢(shì)植物組成的差異,不同類型的人工林導(dǎo)致凋落物數(shù)量及分解特性差異化[20],進(jìn)而通過調(diào)節(jié)有機(jī)物的回歸影響土壤孔隙結(jié)構(gòu)[25]。我們的結(jié)果顯示,盡管各樣地年凋落物量差異不顯著(P>0.05)(表1),但常綠針葉林(華山松和油松)凋落物難分解的特性導(dǎo)致其地被層凋落物貯量顯著大于其他樣地(P<0.05),凋落物回歸受阻勢(shì)必影響有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)的改善[26]。相關(guān)性分析結(jié)果也顯示,土壤TOC(r=-0.808,P<0.001)、TN(r=-0.820,P<0.001)、TP(r=-0.669,P<0.001)分別與土壤容重呈顯著的負(fù)相關(guān),而總孔隙與TOC(r=0.814,P<0.001)、TN(r=0.827,P<0.001)、TP(r=0.675,P<0.001)以及毛管孔隙與TOC(r=0.745,P<0.001)、TN(r=0.752,P<0.001)、TP(r=0.627,P<0.001)都呈顯著正相關(guān),凋落物現(xiàn)貯量與容重及各孔隙度分別呈現(xiàn)的正相關(guān)和負(fù)相關(guān)也印證了此觀點(diǎn)(圖2)。其次,林型結(jié)構(gòu)的不同也是引起林內(nèi)土壤物理性質(zhì)差異的重要原因。雖然灌叢樣地郁閉度與其他林地?zé)o明顯差異,但林木低矮,缺乏緩沖空間,加之其凋落物分解速度快,導(dǎo)致表層土壤缺乏物理保護(hù),因?yàn)榱止趯蛹暗蚵湮飳游茨苡行У販p緩雨滴擊打地表,濺蝕土壤[1],導(dǎo)致灌叢地表層土壤物理結(jié)構(gòu)受外力破壞,孔隙度降低(表3)。最后,根系生物量及分布規(guī)律也可影響土壤孔隙度。一方面,地下細(xì)根及分泌物為土壤提供了豐富的有機(jī)質(zhì)來源,有利于土壤顆粒的膠連和毛管空隙的形成[3],根系生物量與有機(jī)質(zhì)和土壤孔隙度的正相關(guān)性驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)(圖3)。另一方面,根系通過在土壤中穿插、擠壓,促進(jìn)根孔的產(chǎn)生[27]。因而,基于根系分布的表聚性,土壤表層的孔隙度顯著大于下層[28]。人工林替代灌從后,落葉林(連香樹、落葉松)對(duì)上層土壤孔隙結(jié)構(gòu)的改善作用也優(yōu)于下層(表3)。

3.2 造林樹種差異對(duì)土壤持水性的影響

土壤孔隙度即土壤孔隙占土壤總體積的百分比,孔隙的大小及數(shù)量決定著水分運(yùn)移及儲(chǔ)存[29]。土壤總孔隙度由土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度構(gòu)成,與之相對(duì)應(yīng)的,土壤潛在最大持水量由毛管孔隙持水量與非毛管孔隙持水量?jī)刹糠謽?gòu)成[16]。土壤孔隙度越大也就意味著土壤潛在涵養(yǎng)水源的能力越強(qiáng),非毛管孔隙對(duì)土壤的水分涵養(yǎng)能力貢獻(xiàn)較大[16],但其特性與土壤質(zhì)地密切相關(guān),受地上植被因素影響較小[30]。

本研究發(fā)現(xiàn),人工林取代灌叢后,群落結(jié)構(gòu)和物種組成發(fā)生變化,但唯有落葉人工林(連香樹、落葉松)對(duì)土壤持水及蓄水的能力改造效果顯著,最大持水量及毛管孔隙水均大于常綠針葉林及灌叢樣地。這與莫菲[13]等人在北京東靈山的研究結(jié)果類似,落葉林或闊葉林凋落物的易分解性一方面改善了土壤孔隙結(jié)構(gòu),另一方面其凋落物分解形成的腐殖質(zhì)增加了土壤表層的滲透性[31],加速水分的入滲。與此對(duì)照,常綠針葉林(華山松、落葉松)替代次生灌叢,降低了土壤孔隙度(表3),加劇了土壤涵水功能的退化(表4)。這些結(jié)果充分說明凋落物的周轉(zhuǎn)是影響人工林土壤結(jié)構(gòu)及持水性能的主要原因。此外,灌叢樣地由于缺乏緩沖空間和地被物保護(hù),表層土壤的孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞,土壤堅(jiān)實(shí),未能及時(shí)入滲地表的降水形成大量地表徑流,進(jìn)一步惡化了灌叢樣地的水源涵養(yǎng)功能。但是,賈彥龍[7]等在燕山北部的研究發(fā)現(xiàn)榛子灌叢的涵養(yǎng)水源的能力優(yōu)于其他有林地(天然楊樺林、人工落葉松林),原因在于其立地條件優(yōu)于其他樣地,加之后期管理方法得當(dāng),人為干擾較少,植被生長(zhǎng)迅速,從而更有助于其對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)的改善。白晉華[32]等在關(guān)帝山林區(qū)也并未發(fā)現(xiàn)闊葉樹種對(duì)土壤孔隙度改善能力優(yōu)于針葉林的研究結(jié)果,因?yàn)榭紫抖扰c土層厚度共同影響土壤涵養(yǎng)水源的能力[25],他們認(rèn)為造成土壤最大持水力差異的主要是由林地土壤厚度的差異化所致[32],與樹種差異關(guān)系不大。另一方面,不同樹種適應(yīng)的氣候條件并不相同,區(qū)域氣候條件差異通過影響植被生長(zhǎng)從而導(dǎo)致其對(duì)土壤的改良效果不一[16],使得各區(qū)域該項(xiàng)研究結(jié)果不同。

4 結(jié)論

本研究在相似立地條件下,選擇不同生物學(xué)特性的物種造林替代灌叢植被,通過近30年的恢復(fù)實(shí)驗(yàn)表明,在改善土壤持水能力等物理性狀方面依據(jù)樹種的不同而有差異。總體上,運(yùn)用連香樹和落葉松人工林能夠有效改善土壤孔隙狀況與持水性能,與此對(duì)應(yīng),油松和華山松人工針葉純林替代落葉闊葉灌叢后,由于優(yōu)勢(shì)凋落物分解速度緩慢,導(dǎo)致以凋落物為載體的有機(jī)物及相關(guān)養(yǎng)分回歸受阻,進(jìn)而降低土壤有機(jī)質(zhì)含量間接影響土壤結(jié)構(gòu)和持水性能。因此,對(duì)退化生態(tài)系統(tǒng)造林恢復(fù)時(shí)應(yīng)盡量避免營(yíng)造針葉純林,或在對(duì)高密度低效人工針葉純林結(jié)構(gòu)改造時(shí),應(yīng)引入有助于土壤結(jié)構(gòu)改良的落葉或闊葉樹種。

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Effectofreforestationwithdifferenttreespeciesonsoilwater-holdingcapacityinwesternSichuanprovince

CHEN Wenjing1,2, QI Kaibin1,2, HUANG Junsheng1,2, YANG Tinghui1,2, BAO Weikai1, PANG Xueyong1,*

1KeyLaboratoryofMountainEcologicalRestorationandBioresourceUtilizationofChineseAcademyofSciences,andEcologicalRestorationandBiodiversityConservationKeyLaboratoryofSichuanProvince,ChengduInstituteofBiology,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Reforestation of degraded ecosystems (e.g., cut-clearing area or degraded secondary shrubland) is an important forest practice to restore the soil ecological function. However, there is scarce information about the effects of conversion from shrubland to plantations of different tree species on water-holding capacity of soils. To evaluate the effect of reforestation after conversion from coppice on soil water-holding capacity in the eastern Tibetan Plateau, four plantations stands were selected (each 28 years old, 1987—2015), each with a different dominant tree species (namelyCercidiphyllumjaponicum,Pinustabulaeformis,Larixkaempferi, andPinusarmandii). A native broad-leaf coppice was used as the control. The four plantations were cultivated on similar site conditions, by using the same patterns of planting and management practices. We determined the soil bulk density, soil porosity, and soil water-holding capacity. Correlations between the soil physical index and the stock of litter in the forest floor and fine root biomass were used to elucidate the factors that influenced the changes in soil water-holding after replacing the native shrub by different tree species. Our results showed that compared with native broad-leaf coppice, either the deciduous or the broad-leaved plantations (C.japonicumandL.kaempferi) better improved the porosity and water-holding capacity of soils. In contrast, the evergreen pure coniferous plantations (P.armandiiandP.tabulaeformis) decreased the porosity and water-holding capacity of the soils. Low rate of litter decomposition in theP.armandiiandP.tabulaeformisplantations hindered the turnover of organic materials forming soil organic matter, and this may have indirectly contributed to the lower soil water-holding capacity, via influencing soil physical porosity. Additionally, the fine root biomass in different plantations may be an important factor, since it too can alter soil physical parameters, and thus, further affect the soil water-holding capacity. Our results highlighted that reforestation in a degraded ecosystem with the aim to restore soil water-holding capacity should avoid planting pure stands of coniferous tree species. Deciduous or broad-leaved tree species are appropriate tree species for improving the soil structure of monoculture plantations in the eastern Tibetan Plateau.

reforestation; ecological restoration; plantation; tree species; soil water-holding capacity

國(guó)家基金項(xiàng)目(31270492);四川省科技支撐與應(yīng)用基礎(chǔ)研究及軟科學(xué)項(xiàng)目(2017SZ0038, 2009SZ0061, 2009JY0107, 2009ZR0152)聯(lián)合資助

2016- 04- 28; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 03- 22

10.5846/stxb201604280804

*通訊作者Corresponding author.E-mail: pangxy@cib.ac.cn

陳文靜,祁凱斌,黃俊勝,楊婷惠,包維楷,龐學(xué)勇.川西不同樹種人工林對(duì)土壤涵水能力的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(15):4998- 5006.

Chen W J, Qi K B, Huang J S, Yang T H, Bao W K, Pang X Y.Effect of reforestation with different tree species on soil water-holding capacity in western Sichuan province.Acta Ecologica Sinica,2017,37(15):4998- 5006.