濕地松人工林不同年齡林隙土壤水熱狀況與pH值的對比

薛興華+袁龍義

摘要：林隙發(fā)育過程中土壤的動態(tài)變化特性是認識林隙生態(tài)效應的重要內(nèi)容之一，通過對比濕地松人工林5年和10年林隙內(nèi)土壤的自然含水量、吸濕水含量、溫度和pH值，探討了林隙發(fā)育過程中土壤水熱狀況、酸堿度及其分布格局的變化特征。結(jié)果表明，5年林隙土壤自然含水量較10年林隙大，在分布格局上相似，但10年林隙土壤的自然含水量在水平方向和垂向上的差異更顯著；10年林隙土壤吸濕水含量較5年林隙大，且空間分布格局差異明顯，而在5年林隙內(nèi)的空間差異很小；與5年林隙相比，10年林隙土壤的溫度更高、酸性更強，且土壤溫度和pH值在垂向上的差異性較小，但在水平方向上的分布格局未有明顯變化。綜合闡述了上述變化特征與林隙發(fā)育過程中地被物狀況、光照條件、枯層加厚、有機質(zhì)累積、土壤黏化與酸化等因素的關系。

關鍵詞：林隙；濕地松人工林；土壤；年齡；動態(tài)變化；水熱狀況；酸堿度

中圖分類號： S714.2；S718.51文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）06-0342-03

收稿日期：2013-10-25

基金項目：國家自然科學基金（編號：31170400）；湖北省教育廳科學研究計劃（編號：B20121206、B2013277）。

作者簡介：薛興華（1976—），男，湖北宣恩人，博士，講師，主要從事景觀生態(tài)與RS/GIS研究。Tel：（0718）8439741；E-mail：xinghua_xue@163.com。林隙（即林窗，canopy gap）為人們理解森林循環(huán)、森林系統(tǒng)演化提供了重要的分析工具，而林隙土壤及其動態(tài)特性是認識林隙生態(tài)效應的重要內(nèi)容，已經(jīng)成為森林生態(tài)和林木撫育的研究重點之一。林隙的形成不但為生物生長提供了新的場所，而且同時也增加了土壤微環(huán)境的空間異質(zhì)性，從而影響到植被生長發(fā)育、生物多樣性和豐富度，并成為準確了解森林系統(tǒng)諸如碳、氮等物質(zhì)循環(huán)不可忽略的因素。在林隙土壤問題的研究方面，人們目前重點關注的有：（1）土壤水分、溫度和養(yǎng)分的時空分布特征[1-4]；（2）土壤呼吸、養(yǎng)分循環(huán)、生物過程等生態(tài)過程[5-7]；（3）結(jié)合林隙土壤的環(huán)境特性和生態(tài)功能承載，探討林隙的合理大小和格局優(yōu)化[8-9]。在林隙土壤研究中一個值得注意的課題是，伴隨著林隙演替，土壤特性及土壤過程的動態(tài)演化。鑒于林隙演替對認識森林循環(huán)和林木更新的重要性，人們指出了林隙發(fā)育的階段性，并開展了林隙模型與森林演化模擬研究[10-11]，但長時間尺度的動態(tài)監(jiān)測研究則有限[12-13]，對林隙土壤的動態(tài)認識則更顯不足。由于長期觀測資料的缺乏與限制，通過對比分析不同年齡階段林隙的特征，有望在一定程度上觀察林隙在時間尺度上的演化規(guī)律。已有研究討論了物種更新與多樣性的問題[14]，但對林隙土壤演進特性的認識尚不足[15]。本研究以中國北亞熱帶濕地松人工林為例，選取土壤自然含水量、吸濕水含量、溫度和pH值等4個因子，對比分析處于不同年齡階段的林隙土壤特性，以期探討林隙土壤隨林隙發(fā)育的動態(tài)演化特征。

1研究區(qū)概況與研究方法

研究區(qū)位于湖北省荊門市彭場林場，地貌為低崗緩丘，處于江漢平原北端、鄂中腹地，氣候?qū)俦眮啛釒Ъ撅L氣候區(qū)。該林場建于1973年，是國家級濕地松良種基地和濕地松速生豐產(chǎn)林示范基地。

本研究于2011年10月中旬的晴朗天氣進行，在熟知場內(nèi)林木撫育情況的林場工作人員協(xié)助下，經(jīng)現(xiàn)場踏查，在研究區(qū)15年、20年生濕地松人工林內(nèi)，分別選取4處間伐形成的年齡為5年、10年的林隙，林隙大小基本一致，約20 m2。按圖1采集土壤樣品，即在林隙的南北軸向，自林冠邊緣至林隙中心，每隔50 cm采集0～10、10～20 cm層的土壤樣品。在樣品采集的同時，采用IQ150土壤原位pH/電壓/溫度計，測定各樣品所在土壤層次的溫度。

土壤樣品的室內(nèi)分析包括：依據(jù)GB 7859—1987《森林土壤pH值的測定》，采用電位法（水土質(zhì)量比2.5 ∶1）測定土壤pH值；土壤自然含水量的測定則依據(jù)GB 7833—1987《森林土壤含水量的測定》；采用烘干法測得風干土樣的吸濕水含量。

2結(jié)果與分析

2.1不同年齡林隙內(nèi)土壤自然含水量的差異

土壤水分狀況是植物生長的基本環(huán)境因子，同時也是理解森林水文效應和水循環(huán)過程的關鍵環(huán)節(jié)，森林在淡水資源保護與儲存乃至全球水循環(huán)中的重要地位引起了人們的日益重視。林隙形成的微環(huán)境差異使得其土壤的含水特性與林下土壤不同，因而目前國內(nèi)外學者已對此開展了廣泛研究[1，3]，但對林隙發(fā)育過程中土壤水分特性的動態(tài)變化了解不多。

圖2表明了濕地松人工林不同年齡階段林隙的土壤自然含水量的差異。可以看出，在北—南軸向上，自林隙邊緣至林隙中心，無論是在0～10 cm的表層還是10～20 cm的下層，5年林隙土壤自然含水量都要比10年林隙高，尤其是10～20 cm 層的差異更大，即表現(xiàn)出在林隙發(fā)育初期土壤持水量較大，而后期持水量減少。影響土壤含水量的因素很復雜，大體上為降水過程、土壤特性、地表覆被狀況和蒸散發(fā)過程共同作用的結(jié)果。在本研究中，所選取樣地土壤類型一致，取樣時間為該地區(qū)降水量相對較少的10月中旬，且采樣時天氣晴朗，距上次中雨降水過程僅5 d。不同年齡林隙土壤自然含水量的差異可能與林隙發(fā)育過程中地表覆被演化有關，林隙發(fā)育早期地表覆被稀疏，地被物以草本、幼苗為主，枯枝落葉層薄，地被物對降水的攔截作用較弱，同時蒸散發(fā)作用不強，可能有利于增加土壤持水量。相反，林隙發(fā)育后期，枯枝落葉層增厚，地被物以灌叢為主，地表覆蓋度明顯增加，對降水的攔截作用增強，同時水分蒸散發(fā)作用加大，使得土壤持水量減少。

由圖2還可看出，林隙的土壤自然含水量在分布格局上并未隨林隙的發(fā)育而發(fā)生明顯變化，即不同年齡林隙的土壤自然含水量皆表現(xiàn)為0～10 cm層明顯大于10～20 cm層，并且從林隙邊緣到林隙中心逐漸減少，這一分布格局在林隙發(fā)育后期表現(xiàn)得更為突出。其原因可能是，受光照條件差異的影響，林隙中心相對于林隙邊緣和林下水分蒸散發(fā)作用更強，土壤水分損失大，使得林隙中心土壤自然含水量明顯高于林隙邊緣。而由于在降水量相對較小的季節(jié)，上層土壤對水分的滯蓄作用較顯著，使得下層土壤的自然含水量明顯低于上層土壤。

2.2不同年齡林隙內(nèi)土壤吸濕水含量的差異

在林隙演化過程中，土壤亦處于不斷變化之中，包括土壤的持水能力[15]。由圖3可見，10年林隙0～10、10～20 cm層土壤的吸濕水含量都明顯大于5年林隙。在分布格局上，5年林隙的土壤吸濕水含量在林隙內(nèi)的水平和垂直方向上的差異很小；10年林隙的土壤吸濕水含量則有明顯的空間分布差異性，表現(xiàn)為自林隙邊緣至林隙中心逐漸減少，而且10～20 cm層土壤的吸濕水含量比0～10 cm層大。可見隨著林隙的發(fā)育，土壤的吸濕水含量和空間差異性都有明顯增加的趨勢。土壤的吸濕水含量是反映其自身特性的重要參量，吸濕水含量空間差異性的顯現(xiàn)和加劇，表明了林隙發(fā)育過程中土壤的空間分異趨向。

相關研究表明，土壤吸濕水含量與其質(zhì)地和有機質(zhì)含量

有關，一般隨黏粒和有機質(zhì)含量的增加而增加[16-17]。不同年齡林隙的土壤吸濕水含量的差異和分布特征的成因可能是林隙發(fā)育后期枯枝落葉增厚，土壤腐殖質(zhì)累積明顯，同時土壤黏粒成分增加，使得土壤持水能力增強，其吸濕水含量隨林隙發(fā)育有增加的趨勢，而黏粒隨水分下滲而發(fā)生的淀積作用進一步增加了下層土壤的黏粒成分，使得其持水能力和吸濕水含量大于上層土壤。在水平方向上，上層土壤自林隙邊緣至林隙中心的枯枝落葉層厚度一般逐漸減小，有機質(zhì)累積和黏化作用逐漸減弱，從而使其持水能力和吸濕水含量有降低的趨勢。

2.3不同年齡林隙內(nèi)土壤溫度的差異

土壤溫度是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要環(huán)境因子，影響到植物生長、養(yǎng)分過程和微生物活動等關鍵生態(tài)過程，亦引起了林隙生態(tài)過程研究者的重視[7]，已有人研究土壤溫度在林隙內(nèi)的分布特征，但關于土壤溫度隨林隙發(fā)育的動態(tài)變化特性的報道則較少。圖4表明，無論是在0～10 cm層還是在10～20 cm層，10年林隙的土壤溫度都要比5年林隙高，且其差異在0～10 cm的表層更大。土壤溫度的分布格局隨林隙發(fā)育未有明顯變化，大體上均表現(xiàn)為：自林隙邊緣至林隙中心土壤溫度逐漸降低，0～10 cm層的土壤溫度低于10～20 cm層，5年林隙的上、下層土壤溫度差略大，10年林隙的上、下層土壤的溫度差較小。可見，隨著林隙的發(fā)育，土壤的保溫能力增強，且垂向上的土壤溫度差減小，但水平方向上的分布格局變化不明顯。

土壤溫度與光照條件、土壤熱力學性質(zhì)、有機質(zhì)含量、土壤水分、微生物活動和地被物狀況等多種因素有關[18-19]。隨著林隙的發(fā)育，垂向群落發(fā)展，土表地被物覆蓋度增加，以及枯枝落葉層和有機質(zhì)的累積，微生物活動活躍，有利于土壤保溫，同時阻緩了下層土壤向上的熱交換，而“2.1”中的研究結(jié)果指出，5年林隙的土壤自然含水量高于10年林隙，在這些因素的綜合作用下，使得10年林隙的土壤溫度要高于5年林隙，且下層土壤溫度略高于上層。在水平方向上，相對于林隙中心，林隙邊緣地表覆蓋度更高、枯層更厚、有機質(zhì)累積量更大，微生物活躍，同時林隙北緣的光照條件優(yōu)于林隙中心，從而形成了自林隙北緣至林隙中心土壤溫度減小的分布趨勢。

2.4不同年齡林隙內(nèi)土壤pH值的差異

土壤pH值作為土壤理化性質(zhì)的基本參數(shù)和森林生態(tài)系統(tǒng)的基本環(huán)境因子，影響到許多森林生態(tài)過程，已經(jīng)成為森林生態(tài)監(jiān)測和管理的重要指數(shù)。已有人研究了林隙干擾下土壤

酸堿度的變化[2，4]，但對其隨林隙發(fā)育的變化了解不多[15]。由圖5可見，無論是在0～10 cm的表層還是在10～20 cm的下層，10年林隙土壤的pH值都比5年林隙小得多。此外還可看出，不同年齡林隙土壤pH值的空間分布格局變化不大：在水平方向上，從林隙邊緣到林隙中心，土壤pH值逐漸增大；在垂向上，0～10 cm的pH值小于10～20 cm，且5年林隙土壤pH值在表層與下層間的差異較10年林隙略大。可見林隙干擾能緩解濕地松人工林的土壤酸性，特別是在林隙發(fā)育的初期；后期隨著林隙的發(fā)育，林隙土壤酸性顯著增大，上、下層次酸堿度的差值變小，但林隙土壤pH值的分布格局變化不大，上層土壤的酸性較下層強，林隙中心土壤的酸性較林隙邊緣弱。值得注意的是，已有研究表明，濕地松人工林土壤pH值與木材pH值之間存在顯著的正相關性，濕地松林木生長與土壤酸化存在著潛在的正反饋過程，即濕地松的酸性凋落物分解→土壤酸性增強→濕地松材質(zhì)酸性增加→酸性增強了的凋落物分解→進一步增加了土壤的酸性[20]。在這種正反饋過程中，林隙干擾對濕地松人工林土壤酸化的緩解作用就更為突出。

土壤pH值與成土母質(zhì)、酸沉降、凋落物分解、土壤動植物過程、水文過程等多種因素有關，圖5所揭示的濕地松人工林林隙土壤pH值隨林隙發(fā)育的變化特征，在成因上可能是：隨著林隙的發(fā)育，枯枝落葉層加厚，凋落物的分解增加土壤酸性；此外，在林隙發(fā)育初期，其土壤含水量較大（如“2.1”節(jié)所述），水分淋濾作用較強，使得林隙發(fā)育初期土壤酸性較弱，且上、下層次土壤酸性差異較大；后期土壤酸性增強，但上、下層酸性差異較小。在垂直方向上，受到土壤水分的淋濾、淀積作用的影響，下層土壤酸性較大；在水平方向上，林隙邊緣枯枝落葉層較林隙中心厚，受凋落物分解增強土壤酸性的影響，使得林隙土壤酸性從邊緣到中心逐漸減小。

3結(jié)論

林隙發(fā)育過程中土壤的動態(tài)變化特性是認識林隙生態(tài)效應的重要內(nèi)容之一，對林隙土壤演進特征的認識將為森林資源的可持續(xù)管理提供指導。受限于長時間尺度動態(tài)觀測的缺乏，對比分析處于不同發(fā)育階段林隙的土壤特征，可為了解林隙土壤的動態(tài)變化特性提供重要參考。通過對5年和10年濕地松人工林林隙的對比研究，呈現(xiàn)了不同年齡階段林隙內(nèi)土壤在水熱狀況和酸堿度上的變化。

在林隙土壤水分狀況上，濕地松人工林5年林隙0～10 cm和10～20 cm層次的土壤自然含水量均較10年林隙大，但不同年齡林隙的土壤自然含水量在空間分布格局上的變化不大，在林隙發(fā)育的后期空間差異性略大，即上、下層次之間的差異更大，自林隙邊緣至林隙中心逐漸減少的趨勢更明顯。長時間尺度上的水分狀況差異主要受地被物的降水攔截作用和蒸散發(fā)作用的影響。

作為體現(xiàn)土壤自身屬性的一個重要參數(shù)，土壤吸濕水含量在不同年齡林隙之間的差異表明，土壤隨林隙發(fā)育而處于不斷變化中。受有機質(zhì)累積、土壤黏化過程的影響，無論是在0～10 cm層還是在10～20 cm層，10年林隙土壤的吸濕水含量都要比5年林隙高，而且在空間格局上呈現(xiàn)出明顯的空間分異：下層土壤吸濕水含量大于上層，自林隙邊緣至林隙中心，土壤吸濕水含量逐漸減少，而5年林隙的土壤吸濕水含量在上、下層之間，以及林隙水平方向上的差異很小。

在土壤溫度上，10年林隙的土壤溫度在0～10 cm和 10～20 cm 層都要高于5年林隙，表明隨著林隙的發(fā)育，土壤的保溫能力增強，土壤溫度在空間分布格局上的差異不大；5年林隙上、下層土壤溫度差略大，10年林隙垂向上的土壤溫度差減小，不同年齡林隙土壤溫度在水平方向上的分布格局未有明顯變化。

不同年齡林隙內(nèi)土壤pH值的對比表明，濕地松人工林林隙在發(fā)育初期土壤酸性較弱，林隙發(fā)育后期土壤酸性顯著增加，且土壤上、下層之間的酸堿度差異減小，土壤酸堿度在水平方向上的分布格局未見明顯變化。鑒于濕地松人工林土壤酸化過程與林木生長之間的正向反饋關系，在濕地松人工林營林中應該重視林隙干擾對土壤酸化的緩解作用。

參考文獻：

[1]Barik S K，Pandey H N，Tripathi R S，et al. Microenvironmental variability and species diversity in treefall gaps in a sub-tropical broadleaved forest[J]. Vegetatio，1992，103（1）：31-40.

[2]耿玉清，單宏臣，譚笑，等. 人工針葉林林冠空隙土壤的研究[J]. 北京林業(yè)大學學報，2002，24（4）：16-19.

[3]段文標，馮靜，陳立新. 闊葉紅松混交林不同大小林隙土壤含水量的時空異質(zhì)性[J]. 林業(yè)科學研究，2012，25（3）：385-393.

[4]Haghverdi K，Kiadaliri H，Sagheb-Talebi K，et al. Variability of plant diversity and soil features following gap creation in Caspian beech forests of Iran[J]. Annals of Biological Research，2012，3（9）：4622-4635.

作為體現(xiàn)土壤自身屬性的一個重要參數(shù)，土壤吸濕水含量在不同年齡林隙之間的差異表明，土壤隨林隙發(fā)育而處于不斷變化中。受有機質(zhì)累積、土壤黏化過程的影響，無論是在0～10 cm層還是在10～20 cm層，10年林隙土壤的吸濕水含量都要比5年林隙高，而且在空間格局上呈現(xiàn)出明顯的空間分異：下層土壤吸濕水含量大于上層，自林隙邊緣至林隙中心，土壤吸濕水含量逐漸減少，而5年林隙的土壤吸濕水含量在上、下層之間，以及林隙水平方向上的差異很小。

在土壤溫度上，10年林隙的土壤溫度在0～10 cm和 10～20 cm 層都要高于5年林隙，表明隨著林隙的發(fā)育，土壤的保溫能力增強，土壤溫度在空間分布格局上的差異不大；5年林隙上、下層土壤溫度差略大，10年林隙垂向上的土壤溫度差減小，不同年齡林隙土壤溫度在水平方向上的分布格局未有明顯變化。

不同年齡林隙內(nèi)土壤pH值的對比表明，濕地松人工林林隙在發(fā)育初期土壤酸性較弱，林隙發(fā)育后期土壤酸性顯著增加，且土壤上、下層之間的酸堿度差異減小，土壤酸堿度在水平方向上的分布格局未見明顯變化。鑒于濕地松人工林土壤酸化過程與林木生長之間的正向反饋關系，在濕地松人工林營林中應該重視林隙干擾對土壤酸化的緩解作用。

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[4]Haghverdi K，Kiadaliri H，Sagheb-Talebi K，et al. Variability of plant diversity and soil features following gap creation in Caspian beech forests of Iran[J]. Annals of Biological Research，2012，3（9）：4622-4635.

作為體現(xiàn)土壤自身屬性的一個重要參數(shù)，土壤吸濕水含量在不同年齡林隙之間的差異表明，土壤隨林隙發(fā)育而處于不斷變化中。受有機質(zhì)累積、土壤黏化過程的影響，無論是在0～10 cm層還是在10～20 cm層，10年林隙土壤的吸濕水含量都要比5年林隙高，而且在空間格局上呈現(xiàn)出明顯的空間分異：下層土壤吸濕水含量大于上層，自林隙邊緣至林隙中心，土壤吸濕水含量逐漸減少，而5年林隙的土壤吸濕水含量在上、下層之間，以及林隙水平方向上的差異很小。

在土壤溫度上，10年林隙的土壤溫度在0～10 cm和 10～20 cm 層都要高于5年林隙，表明隨著林隙的發(fā)育，土壤的保溫能力增強，土壤溫度在空間分布格局上的差異不大；5年林隙上、下層土壤溫度差略大，10年林隙垂向上的土壤溫度差減小，不同年齡林隙土壤溫度在水平方向上的分布格局未有明顯變化。

不同年齡林隙內(nèi)土壤pH值的對比表明，濕地松人工林林隙在發(fā)育初期土壤酸性較弱，林隙發(fā)育后期土壤酸性顯著增加，且土壤上、下層之間的酸堿度差異減小，土壤酸堿度在水平方向上的分布格局未見明顯變化。鑒于濕地松人工林土壤酸化過程與林木生長之間的正向反饋關系，在濕地松人工林營林中應該重視林隙干擾對土壤酸化的緩解作用。

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