南亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)對土壤水分保持的影響

南亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)對土壤水分保持的影響

在千年生態(tài)系統(tǒng)評估（millonnium生態(tài)關(guān)系）的推動下，以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為核心的生態(tài)系統(tǒng)評估已成為現(xiàn)代生態(tài)學的先進領(lǐng)域（李文華，2006）。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,其服務(wù)功能價值的評估是研究的一個熱點(余新曉等,2005)。在此背景下,建立森林固碳效益與水文效益的聯(lián)系等科學問題,對綜合評估森林生態(tài)效益及其服務(wù)功能具有重要的意義。從土壤發(fā)生學原理看,土壤有機質(zhì)是形成土壤理化性狀的基礎(chǔ),是聯(lián)系成土過程中生物要素與土壤發(fā)生、演化的紐帶(黃昌勇,2000),調(diào)節(jié)著土壤固、液、氣三相的量和結(jié)構(gòu),影響著土壤生態(tài)功能的各個過程(Oades,1984;Haynesetal.,1991;Chertovetal.,2002;張勇等,2005)。土壤理化性狀的差異決定著土壤持水、保水和土壤水分的有效性(黃承標和梁宏溫,1999;景國臣等,2008)。土壤有機質(zhì)含量的多少受制于地上植被及其根系有機質(zhì)的輸入及分解的動態(tài)平衡(Bargalietal.,1993;梁宏溫等,1993;陳立新等,1998;Guo&Sims,1999;陳龍池等,2002)。在土壤剖面完整、未受干擾的森林生態(tài)系統(tǒng)中,土壤有機質(zhì)含量的高低在一定程度上反映了地上植被的發(fā)育狀況。大量的研究(Jiaetal.,2005;Nadporozhskayaetal.,2006;張紅等,2006;He&Tang,2008;楊世琦和楊正禮,2008)表明:隨著森林演替、土壤有機質(zhì)含量逐漸增加,成熟森林土壤仍在積累有機碳(Zhouetal.,2006)。因此,土壤有機質(zhì)在森林生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境指標中處于核心地位。土壤水分是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的載體,對土壤中養(yǎng)分和能量的分配格局起著重要的調(diào)節(jié)作用,對森林生態(tài)系統(tǒng)徑流產(chǎn)生、蒸散過程、水分循環(huán)和水量平衡的研究具有重要意義。土壤水分的變化特征受土壤理化性質(zhì)和區(qū)域氣候特征、植被類型等外界條件的密切影響(龔元石等,1998;邱揚等,2000)。隨著群落演替的進行,群落的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生相應(yīng)的改變,土壤水分特征也發(fā)生相應(yīng)的變化,并呈現(xiàn)出不同的時空分布特征(王國勤,2008)。土壤水分特征曲線反映的是土壤水分的數(shù)量與能量之間的關(guān)系(李開元和李玉山,1991),是研究土壤水分滯留和運移等土壤水分運動機制的基礎(chǔ)。土壤有機質(zhì)除影響土壤的比表面積(鐘國輝等,2005)外,其自身結(jié)構(gòu)疏松多孔(王國梁等,2003),是形成土壤最基本的結(jié)構(gòu)單元——團聚體的重要物質(zhì)(彭新華等2003)。它們通過改善土壤結(jié)構(gòu)、降低土壤容重和增加土壤毛管孔隙度等土壤物理特性對土壤的蓄水和持水性產(chǎn)生作用(趙世偉等,2002)。因此,土壤有機質(zhì)深刻影響著森林生態(tài)系統(tǒng)土壤層水分持留(Gupta&Larson,1979)及其土壤水分特征曲線(Ouattaraetal.,2006)。本文從鼎湖山自然保護區(qū)人工恢復的馬尾松針葉林(Pinusmassonianaconiferousforest,PF)—馬尾松針闊葉混交林(mixedPinusmassoniana-broadleaved,PBF)—季風常綠闊葉林(monsoonevergreenbroad-leavedforest,MBF)這一自然演替序列上的3種林型土壤(0–80cm土層)有機質(zhì)含量及其林內(nèi)土壤(0–90cm土層)含水量分布格局及過程出發(fā),探討土壤有機質(zhì)對土壤水分持留的影響及其有效性的控制作用,試圖闡明森林的自然演替實質(zhì)是以土壤有機質(zhì)的積累為表征的森林生態(tài)系統(tǒng),包括蓄水、保水等生態(tài)效能優(yōu)化在內(nèi)的逐步更新成熟過程,土壤有機質(zhì)可以作為評價森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的一個綜合指標。1不同層系的土壤條件鼎湖山國家級自然保護區(qū)(112°30′39″–112°33′41″E,23°09′21″–23°11′30″N)地處我國南亞熱帶,位于歐亞大陸東南緣,屬南亞熱帶濕潤季風型氣候,水熱資源豐富。平均年降水量為1678mm,其中80%的降水分布在濕季4–9月(Zhouetal.,2011)。年平均氣溫為21.4℃,最冷月(1月)和最熱月(7月)的平均氣溫分別為12.6和28.0℃。年平均相對濕度為80%,年平均蒸發(fā)量為1115mm。該保護區(qū)由兩個相對獨立的集水區(qū)組成:東溝(613.2hm2)和西溝集水區(qū)(542.8hm2)。這里分布著包括演替初期的PF、演替中期的PBF和演替后期的MBF(彭少麟和王伯蓀,1993)在內(nèi)的多種植被類型(表1)。土壤類型主要為赤紅壤和黃壤,平均土層厚度50–80cm。PF和PBF下為赤紅壤,土層淺薄;MBF下為水化赤紅壤,局部地區(qū)土層厚度在100cm以上。2學習方法2.1土壤深度和體積含水量的測定在3種林型內(nèi)設(shè)置標準樣地,于2002年至2008年,每隔l0天(即每月的5日、15日和25日)用中子水分儀(CNC503B,北京超能科技公司,北京)分別測定0–15cm、15–30cm、30–45cm、45–60cm、60–75cm、75–90cm這6個土壤深度的土壤體積含水量。2.2土壤有機質(zhì)含量鼎湖山自然保護區(qū)的3種林型分別設(shè)置了固定破壞性樣地,隨機選取6個樣點,在0–10cm、10–20cm、20–40cm、40–60cm、60–80cm土層分別采取土樣,帶回實驗室用重鉻酸鉀-硫酸氧化滴定法(劉光崧,1996)分析土壤有機質(zhì)含量。2.3土壤含水量特征曲線的測定土壤水分特征曲線采用離心機法測定(邵明安和黃明斌,2000)。2.4ik的分辨率灰關(guān)聯(lián)系數(shù)的計算式為:式中:ξi(k)為關(guān)聯(lián)系數(shù);Δi(k)為比較數(shù)列與參考數(shù)列各對應(yīng)點的絕對差值;ρ為分辨系數(shù),ρ越小,分辨率越大,一般取ρ=0.5?；谊P(guān)聯(lián)度λi由平權(quán)法求得,計算式為:3結(jié)果和分析3.1不同林型的土壤含水量演替序列上的3種林型,以MBF土壤水分隨土層加深(0–90cm深處)而遞減的趨勢最為明顯,演替中期PBF土壤水分垂直分布相對均勻(24.8±1.9)%,初期PF由于林分結(jié)構(gòu)簡單,郁閉度低,表層土壤(0–15cm深處)水分虧缺嚴重,低于其下15–30cm、30–45cm、45–60cm土層的土壤含水量。在0–15cm和15–30cm土層,MBF土壤水分含量顯著高于其他兩種林型(p<0.001),PBF也顯著高于PF(p<0.05)。其余土層間,MBF和PBF土壤含水量之間的差異均不顯著(p>0.05),但MBF顯著高于PF(p<0.05)。從單個林型來看,MBF和PBF0–30cm土層的土壤含水量顯著高于其下部土層(p<0.05),30cm土層以下的土壤各層含水量差異不大(p>0.05)。這說明:隨著森林的演替,土壤水分逐漸向根系比較密集的土層集中分布,這同時也是細根生物量增加、細根垂直分布表層化的過程(彭少麟和郝艷茹,2005)。在45–60cm、60–75cm和75–90cm土層,水分主要受土壤結(jié)構(gòu)和地下水的影響,故在45cm以下的土層中水分變化的幅度不大(圖1)。土壤表層(0–30cm深處)水分主要受林內(nèi)微氣象和植被覆蓋狀況的影響。MBF與其他兩種林型相比,近地面層氣溫較低、風速較小、濕度較大、土壤蒸發(fā)量較小,因此土壤含水量較高。PBF各土層(0–30cm土層除外)的土壤含水量都非常接近于MBF,這與土壤有機質(zhì)含量的變化格局具有一致性,PBF可能已經(jīng)達到了后期演替階段(尹光彩等,2003),且系統(tǒng)演替的內(nèi)部格局趨向為地下部分特征的更新先于地上部分。3.2土壤含水量特征曲線3.2.1土壤水分特征函數(shù)土壤水分特征曲線能反映土壤的蓄水性能。為了便于換算和分析,常將土壤水分特征曲線概括為經(jīng)驗公式。其中,Gardner和Visser提出的冪函數(shù)方程(宋吉紅,2008)具有待定參數(shù)較少的優(yōu)點,在實際應(yīng)用中比較方便:θ=as–b。式中:s為土壤吸力;θ為土壤質(zhì)量含水率;a和b為參數(shù)。從表2可以看出,土壤水分特征曲線的數(shù)學模型較好地描述了鼎湖山不同類型森林土壤的水分特征。參數(shù)a隨著植被類型的不同,呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化:MBF>PBF>PF。參數(shù)a和b的大小主要受土壤質(zhì)地(主要是小于0.1mm的物理性黏粒)和土壤有機質(zhì)含量的影響(何金海等,1982)。3.2.2不同類型土層的土壤水分特征曲線土壤持水性能主要受土壤總孔隙度、毛管孔隙度、土壤容重、土壤有機質(zhì)、土壤顆粒組成的影響(周擇福和李昌折,1994)。就單個林型來看,土壤水分特征曲線顯示為:MBF隨著土層的加深(0–80cm深處),相同土壤吸力條件下的土壤含水量逐漸降低,保水性遞減,這與對應(yīng)于各層的土壤有機質(zhì)含量較一致;PBF土壤0–80cm土層的土壤水分特征曲線差異并不明顯;PF由于土層間異質(zhì)性較大無明顯規(guī)律。在演替序列上,以3種林型0–10cm土層為例在相同基質(zhì)吸力情況下,土壤水分含量為:MBF>PBF>PF,深層土壤水分特征曲線趨同(圖2)。MBF的土壤保水能力最好,水分不容易損失,PBF次之PF最差。3.3對參數(shù)結(jié)果的描述以該地區(qū)3種林型為研究對象,采用灰色關(guān)聯(lián)分析法探討了土壤理化性質(zhì)對土壤保水功能的影響。選用的土壤參數(shù)為飽和持水量、土壤孔隙度、土壤容重和有機質(zhì)含量。3種林型的土壤體積含水量及土壤理化性質(zhì)見表3。先對各參數(shù)數(shù)列進行生成處理,采用最大值化的處理方法,在各組參數(shù)中選取其中的最大值作為標準,然后把每組參數(shù)與其對應(yīng)的最大值相除,所得比值生成新的數(shù)列(表4)。以土壤體積含水量為參考數(shù)列,土壤理化參數(shù)為比較數(shù)列,求比較數(shù)列與參考數(shù)列各對應(yīng)點的絕對差值,根據(jù)灰關(guān)聯(lián)系數(shù)的計算公式,求得各參數(shù)對應(yīng)點與土壤體積含水量間的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)(表5)。根據(jù)灰聯(lián)度的計算公式,分別求出土壤理化參數(shù)與土壤體積含水量之間的灰關(guān)聯(lián)度:土壤飽和持水量的灰關(guān)聯(lián)度為0.729,土壤孔隙度的灰關(guān)聯(lián)度為0.856,土壤容重的灰關(guān)聯(lián)度為0.446,土壤有機質(zhì)的灰關(guān)聯(lián)度為0.688。由此可見,土壤參數(shù)與土壤體積含水量的灰相關(guān)度大小依次為:土壤孔隙度>飽和持水量>土壤有機質(zhì)>土壤容重。土壤孔隙度與土壤體積含水量的關(guān)系最為密切,影響也最大,土壤飽和含水量和土壤有機質(zhì)含量次之,土壤容重最小。每個因子的灰色關(guān)聯(lián)度值均大于或接近0.5,說明這些因子對土壤體積含水量的影響都很大。4土壤水分隨植被類型的變化及變化土壤有機質(zhì)是土壤的重要組成部分,也是全球碳平衡過程中非常重要的碳庫(黃昌勇,2000)。國內(nèi)外針對不同恢復演替階段、不同植被類型下土壤有機質(zhì)含量的分布及變異格局的研究眾多(田應(yīng)兵等,2004;吳建國等,2004;Jiaetal.,2005;Nadporozhskayaetal.,2006;He&Tang,2008;劉旭輝等,2009),普遍認為:隨著森林演替的進行,土壤各層逐漸積累有機質(zhì),以土壤表層的積累最為顯著,且隨著演替時間的延長,有機質(zhì)積累的層次逐漸加深。Zhou等(2006)通過對鼎湖山自然保護區(qū)成熟森林(>400a)長達25年的監(jiān)測研究發(fā)現(xiàn),其0–20cm土層的有機碳貯量仍在以0.54–0.68MgC·hm-2·a-1的速度顯著增加(p<0.0001)。如圖3所示,進行土壤有機質(zhì)與各對應(yīng)土層自然狀態(tài)下土壤含水量、土壤水分特征曲線參數(shù)a的回歸分析,可以看出二者均達到了顯著水平,p值分別為0.014和0.030。土壤水分特征參數(shù)a決定了曲線的高低,即持水能力大小,并隨著植被類型的不同呈現(xiàn)出演替序列上有規(guī)律的變化。土壤有機質(zhì)含量的增加,一方面改善了土壤結(jié)構(gòu),使孔隙度增加;另一方面改變了土壤的膠體狀況,使土壤吸附作用增強。這兩方面的作用都有利于土壤水分的保持,從而使土壤含水量增加(單秀枝等,1998)。由初始PF至地帶性頂級群落MBF的演替過程中,土壤有機質(zhì)含量逐漸積累,土壤各相應(yīng)土層含水量也在顯著增加,土壤有機質(zhì)對土壤含水量有著顯著的控制作用。土壤作為氣候、生物等因素綜合作用下形成的一種特殊的自然體,土壤孔隙度、土壤飽和含水量、土壤容重是其水分狀況量度的客觀指標。然而,從土壤發(fā)生學的原理來看,上述3個指標均在不同程度上受到土壤有機質(zhì)的影響,尤其是發(fā)育良好的土壤,其孔隙度及飽和含水量顯著受控于土壤有機質(zhì)(單秀枝等,1998;趙世偉等,2002)。這主要是由于土壤有機質(zhì)自身結(jié)構(gòu)疏松多孔,同時又能有效地促進土壤團聚體結(jié)構(gòu)的形成而影響土壤空隙及其吸水、持水能力,改善土壤通氣和透水性(Adams1973;彭新華等,2003;Rawlsetal.,2004)。此外,也有研究表明,土壤有機質(zhì)含量越高,土壤有效水含量也越高(文啟凱等,1992;Hudson,1994)。在自然狀態(tài)下,土壤有機質(zhì)的輸入主要源于森林凋落物。演替序列上3種不同的林型,MBF凋落物分解率最大,系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)強烈(閆俊華等2001),與其他兩種林型相比,土壤層蓄水、保水能力更強。土壤有機質(zhì)的量作為土壤肥力水平的一項重要指標,對土壤的物理、化學和生物性質(zhì)都有著深刻的影響。未受外界擾動條件下,有機質(zhì)對土壤水分的顯著改善作用無疑是該地區(qū)森林持續(xù)更新演替的保障。普遍認為:土壤儲存了陸地生態(tài)系統(tǒng)大約2/3的碳,以土壤有機質(zhì)為代表的土壤碳的積累是所有自然區(qū)域土壤形成的主導性宏觀過程(Chertovetal.,2002)。單秀枝等(1998)基于10個不同有機質(zhì)含量的粉砂質(zhì)黏壤土的實驗性樣本分析了土壤有機質(zhì)對土壤水分常數(shù)的影響,指出隨著有機質(zhì)含量的增大,土壤的飽和含水量、田間持水量、毛管水含量增加,且均呈線性關(guān)系。這為本文有關(guān)森林自然演替過程中土壤有機質(zhì)對土壤水分的控制性作用的討論提供了很好的例證。Li和Shao(2006)通過對黃土高原半干旱區(qū)從棄耕地到以遼東櫟(Quercusliaotungensis)為主的頂級森林群落長達150年的自然演替過程中土壤理化性質(zhì)的分析也表明:隨著時間進程,表層土壤容重顯著降低,同時土壤孔