地被物對(duì)土壤含水量及養(yǎng)分影響的研究進(jìn)展

于德水， 盧 杰

(1. 西藏農(nóng)牧學(xué)院高原生態(tài)研究所， 西藏 林芝 860000； 2. 西藏高原森林生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西藏 林芝 860000； 3. 西藏林芝高山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站， 西藏 林芝 860000)

地被物(Forest floor)介于地表植物基部與土壤表層之間，在植物的生長(zhǎng)過(guò)程中保持土壤水分含量、積累地表營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有著重要的生態(tài)學(xué)功能[1-3]。森林降水在經(jīng)過(guò)林冠層截留、樹(shù)干莖流及小部分的直接穿透，匯集到土壤表面。最后在地被物的影響下形成地表徑流滲入土壤中形成地下水。林冠截留在降水中占據(jù)絕大部分，截留量最高可達(dá)85 %以上，研究表明林冠截留主要受降雨量、樹(shù)種以及林分郁閉度影響[4]，而樹(shù)干莖流通常僅占降水總量5 %左右[5]。

地被物是林下最后的水分?jǐn)r截層[6]，學(xué)者們將地被物分為活地被物及死地被物。活地被物通常是指生活在近地面的小型草本植物、苔蘚、地衣等，有著一定生理功能，同時(shí)在生態(tài)環(huán)境中占據(jù)一定的生態(tài)位；死地被物通常是指由喬木、灌木、草本等脫落的枯枝落葉在地表形成的有機(jī)物層。死地被物被細(xì)分為兩層，未分解層(AOO)及半分解層(AO)。

地被物對(duì)地表植物的生長(zhǎng)發(fā)育有著保持水分、集聚養(yǎng)分等重要的生態(tài)功能[7]。有學(xué)者研究指出，地被物的存在影響土壤的水分、營(yíng)養(yǎng)含量及表面的生物量[8，9]。地被物在影響林分內(nèi)部水分循環(huán)的同時(shí)，也影響著林下的土壤養(yǎng)分含量。因此，探究地被物的水文生態(tài)學(xué)功能對(duì)于當(dāng)前分析林內(nèi)蓄水及土壤養(yǎng)分保持有著重要的科研意義。

1 地被物對(duì)土壤含水量的影響

土壤含水量廣義上是指100 g土壤的含水量即土壤含水率。

影響土壤含水量的因素主要包括植被覆蓋密度、土壤孔隙等[10，11]，其中土壤孔隙主要受土壤黏團(tuán)的理化性質(zhì)所影響[12]。在無(wú)法改變環(huán)境內(nèi)土質(zhì)的條件下，通過(guò)改變土壤表面的覆蓋物，可改變土壤蓄水的能力。在相同林分下地被物與土壤含水量有明顯的正相關(guān)性[13]。在進(jìn)行林下地被物對(duì)土壤持水性影響的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，不同林分下的地被物對(duì)土壤含水量影響呈現(xiàn)出：闊葉林>灌木林>針葉林[7，14]，這與學(xué)者們最先提出的猜測(cè)存在一定的差異。在研究中學(xué)者們還發(fā)現(xiàn)，在不同海拔條件下，地被物對(duì)土壤含水量的影響存在明顯的差異。在低海拔研究區(qū)域，地被物的存在對(duì)土壤含水量有較為明顯的提升，而在高海拔地區(qū)，地被物對(duì)土壤含水量的影響表現(xiàn)出隨海拔的升高而減弱，甚至有部分研究結(jié)果表明兩者出現(xiàn)了負(fù)相關(guān)性[8，9]。當(dāng)前國(guó)外學(xué)者在探討地被物對(duì)土壤含水量的影響中，主流論點(diǎn)已經(jīng)明確提出，地被物的存在與土壤含水量之間呈顯著的正相關(guān)性。部分地區(qū)發(fā)現(xiàn)的存在有負(fù)相關(guān)的影響判斷其主要是受到地勢(shì)、土壤、植被蓋度的影響[15]。

當(dāng)前在國(guó)外，研究地被物對(duì)土壤含水量影響的熱點(diǎn)主要集中于活地被物對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響。活地被物在其生長(zhǎng)過(guò)程中改變了土壤的持水能力，使得土壤的含水能力提高。西班牙學(xué)者通過(guò)對(duì)松林與熱帶雨林的林下地被物的對(duì)比研究，證明了活地被物相比枯死地被物，對(duì)土壤持水能力的影響更大[16]，這也同樣證明了地被物本身對(duì)水分的保持能力較差，而活地被物通過(guò)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響使得土壤的持水能力提升4～5倍[17]。有學(xué)者在降雨的條件下，將活地被物與死地被物進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，結(jié)論表明活地被物相比死地被物(枯落物)，其持水能力更強(qiáng)[18]。國(guó)內(nèi)關(guān)于地被物對(duì)土壤水分保持的研究，有觀點(diǎn)認(rèn)為，由于地被物的存在，使得在降水過(guò)程中對(duì)土壤的沖擊力明顯降低，且在近地層形成降水的重新分配，使得水分被大量固定在土壤的毛細(xì)孔中。室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M表明，在短時(shí)間內(nèi)枯落物將大量吸水，吸水至一定階段后便轉(zhuǎn)向保持土壤的內(nèi)部水分，使得大量的水分被限制到其區(qū)域內(nèi)，同時(shí)在死地被物(枯落物)之間也形成可以保持水分的隔層，將水分蓄積在其內(nèi)。

2 地被物對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分一般指土壤中包含的植物所需有機(jī)物或無(wú)機(jī)物等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的統(tǒng)稱(chēng)。地被物對(duì)土壤養(yǎng)分的影響主要分為活地被物對(duì)土質(zhì)理化性質(zhì)的影響及死地被物(枯落物)對(duì)養(yǎng)分循環(huán)的影響。關(guān)于地被物對(duì)土壤養(yǎng)分影響的研究，當(dāng)前意見(jiàn)并不統(tǒng)一。部分學(xué)者認(rèn)為地被物會(huì)影響土壤的pH[19]，而造成土壤的養(yǎng)分降低，但多數(shù)學(xué)者則表示在地被物的影響下土壤的營(yíng)養(yǎng)層次有著明顯的增加[20]，并與土壤中常見(jiàn)元素N、P含量呈顯著正相關(guān)[21]。有研究表明，活地被物對(duì)土壤養(yǎng)分的影響要高于死地被物[22]。在不同海拔梯度上討論兩種地被物對(duì)土壤養(yǎng)分影響的試驗(yàn)中，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，活地被物與死地被物對(duì)土壤養(yǎng)分影響存在明顯的差異性[23]。在不同的林分及不同郁閉度下地被物對(duì)土壤養(yǎng)分影響也存在差異[24]。

當(dāng)前國(guó)外有關(guān)地被物對(duì)土壤養(yǎng)分的影響尚處于爭(zhēng)論階段，有學(xué)者提出地被物與土壤養(yǎng)分含量間呈負(fù)相關(guān)性[25]，提出活地被物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中需要養(yǎng)分而不斷地從土壤中吸收，致使土壤的養(yǎng)分含量減少，從而影響到喬木、灌木、草本等本應(yīng)正常生長(zhǎng)的地表植物。大部分學(xué)者則普遍支持活地被物與土壤的養(yǎng)分含量主要呈正相關(guān)性[26]，并認(rèn)為關(guān)于活地被物對(duì)土壤養(yǎng)分的影響主要是由于地被物的過(guò)量繁殖而造成的小部分影響。普遍觀點(diǎn)認(rèn)為活地被物在降水過(guò)程中減少了對(duì)土壤表面的沖刷力，使得水分中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被鎖定在土壤內(nèi)部。國(guó)內(nèi)現(xiàn)存觀點(diǎn)與國(guó)外所支持的觀點(diǎn)略有差異，部分學(xué)者認(rèn)為影響土壤的因素主要是枯死的地被物對(duì)土壤水分截留的第二次分配，因而使得土壤中的水分被鎖定在土壤的孔隙中，同時(shí)由于枯死的地被物伴隨著真菌的分解，其中部分有機(jī)物隨其進(jìn)入土壤的養(yǎng)分循環(huán)中，因而使得土壤中所包含的N、P等無(wú)機(jī)化合物的含量增加[22]。這一點(diǎn)與國(guó)外學(xué)者進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出一致性。當(dāng)前國(guó)內(nèi)熱點(diǎn)側(cè)重于不同林分組成在降水相同的條件下，地被物對(duì)土壤中養(yǎng)分含量的影響；探討人工林與自然林是否可以通過(guò)人工對(duì)地被物的調(diào)控而增加土壤中的養(yǎng)分含量，以及在有地被物的環(huán)境中施用化肥探討其對(duì)土壤養(yǎng)分的影響。

3 影響地被物的因素

地被物在林下悄無(wú)聲息地影響著地表植物或動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育或生理活動(dòng)，當(dāng)前已有學(xué)者將目光由地被物對(duì)外界因素的影響，轉(zhuǎn)移到探尋外界因素影響地被物生態(tài)功能的方向，在探究外界因素的過(guò)程中學(xué)者們發(fā)現(xiàn)外界因素對(duì)地被物的最大影響就是會(huì)改變地被物的持水量。

地被物的持水量通常是指在一定時(shí)間內(nèi)，地被物所能吸收固定的最大水量。當(dāng)前國(guó)內(nèi)學(xué)者集中關(guān)注于枯落物對(duì)水分的自然吸收能力。自然吸收能力代表地被物在自然條件下所能吸收并保存的最大水分含量。當(dāng)前學(xué)者可依靠持水量的大小來(lái)推測(cè)當(dāng)前土壤中養(yǎng)分含量的保持能力，探討在研究區(qū)域內(nèi)的土壤養(yǎng)分流失情況，為林業(yè)、農(nóng)業(yè)等提供科學(xué)的判斷依據(jù)。有學(xué)者認(rèn)為地被物在不同生境林分下，其持水量是存在差異的，并通過(guò)對(duì)多種林分類(lèi)型下的地被物采取浸水試驗(yàn)得出了這一結(jié)論[27，28]。有學(xué)者認(rèn)為地被物受林分的影響較大，針對(duì)不同林分與海拔地被物的持水量進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，并得出結(jié)論[8，29]。也有部分學(xué)者認(rèn)為隨著坡度的變化地被物持水量會(huì)產(chǎn)生變化[30]。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)對(duì)刺槐林枯落物層在實(shí)驗(yàn)室模擬分析中發(fā)現(xiàn)，在控制吸收水分時(shí)間一定的情況下，在1～2 h內(nèi)其吸收水分的速率呈線性增長(zhǎng)，而隨著吸收水分時(shí)間不斷增加，10 h后達(dá)到最大吸收飽和點(diǎn)[31]。當(dāng)前國(guó)外部分學(xué)者將目光集中于日本福島遭受輻射后的林分地被物持水量對(duì)土壤養(yǎng)分的影響[32]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)研究，在地被物的持水量方面更看重于對(duì)土壤中養(yǎng)分的截留。國(guó)外學(xué)者偏重研究天然林下地被物的持水量，國(guó)內(nèi)學(xué)者更偏向于關(guān)注人工林下枯落物對(duì)土壤養(yǎng)分的影響、有無(wú)地被物的林分下土壤的養(yǎng)分含量存在的差異及不同林分間其養(yǎng)分含量是否會(huì)隨著環(huán)境因素的影響而產(chǎn)生異變。

4 總結(jié)與展望

當(dāng)前地被物層的水文生態(tài)學(xué)研究熱點(diǎn)主要集中于不同林分下地被物對(duì)土壤的蓄水量、養(yǎng)分含量等方面的影響。從最初的單一測(cè)定林下地被物的厚度用以檢測(cè)樹(shù)木幼苗的生長(zhǎng)情況，到今日的探討蓄積量對(duì)土壤養(yǎng)分的影響并對(duì)地被物的厚度進(jìn)行詳細(xì)區(qū)分，并一一建立相關(guān)性研究，將地被物與地表植物之間的水文特性、地下土壤內(nèi)某單一的養(yǎng)分含量建立了對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系[11，33]。地被物在水文生態(tài)學(xué)方面已取得了較多的研究成果，但同時(shí)與國(guó)外所探討的地被物水文生態(tài)學(xué)研究還具有一定差距，國(guó)內(nèi)研究熱點(diǎn)主要是受到區(qū)域特征的影響，我們關(guān)注更多的是森林內(nèi)部地被物的養(yǎng)分循環(huán)、地被物的水分涵養(yǎng)量或持水量，并探究其內(nèi)部的變化趨勢(shì)[30，34]。而在國(guó)外更多學(xué)者關(guān)注的是地被物在保水持水過(guò)程中某單一元素的研究進(jìn)展及產(chǎn)生的變化、地被物對(duì)林下生物量的影響[35]。國(guó)內(nèi)針對(duì)林下某種氣體或化合物的測(cè)定起步較晚，研究基礎(chǔ)較為薄弱。

當(dāng)前對(duì)土壤含水量影響的研究，國(guó)內(nèi)關(guān)注點(diǎn)主要集中在林灌交錯(cuò)帶及林下對(duì)土壤持水量及蓄積量的探究與檢測(cè)，但近些年國(guó)內(nèi)有諸多學(xué)者將目光集中在土壤流失較為嚴(yán)重的高原地區(qū)，并針對(duì)國(guó)內(nèi)黃土高原江河區(qū)域內(nèi)水土流失嚴(yán)重的林地進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，近十幾年來(lái)，關(guān)于人工林與天然林土壤含水量的研究受到學(xué)者們特殊的關(guān)注。人工林與天然林地被物的對(duì)比試驗(yàn)中，曾有過(guò)利用人工調(diào)控提高土壤養(yǎng)分含量，使林下地被物養(yǎng)分含量提高的報(bào)道。針對(duì)河流源頭討論林下地被物的涵養(yǎng)水源，分析養(yǎng)分流動(dòng)方向也取得顯著的成果。

地被物土壤養(yǎng)分方面，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者均將其作為重點(diǎn)研究對(duì)象。國(guó)外有部分學(xué)者探討放牧對(duì)地被物的影響。國(guó)內(nèi)有關(guān)地被物養(yǎng)分含量則主要偏向于針對(duì)次生林或人工林降水過(guò)程中的養(yǎng)分保持，其中針對(duì)人工林的研究更為深入，建立了坡向、坡位、林下地被物厚度與養(yǎng)分之間的函數(shù)關(guān)系。

對(duì)于地被物的持水量，當(dāng)前研究熱點(diǎn)更多偏向于實(shí)驗(yàn)室中模擬持水量與天然林進(jìn)行對(duì)比，并尋求可完全模擬天然林中地被物持水量的變化規(guī)律，在國(guó)外，地被物持水量被用于檢測(cè)林分或流域內(nèi)的部分特殊排放物質(zhì)，并在實(shí)踐中尋找相關(guān)的研究方案及對(duì)策。

未來(lái)的研究方向，應(yīng)圍繞地被物對(duì)土壤含水量及環(huán)境變化的響應(yīng)趨勢(shì)，討論地被物對(duì)土壤養(yǎng)分含量的響應(yīng)變化，通過(guò)地被物來(lái)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)某種物質(zhì)的含量。