黑松闊葉林內(nèi)不同樹(shù)種樹(shù)干徑流對(duì)表層土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

葉激華，吳初平，張 駿，沈愛(ài)華，朱錦茹，袁位高，江 波

（1. 浙江省舟山市林場(chǎng)，浙江 舟山 316000；2. 浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023）

黑松闊葉林內(nèi)不同樹(shù)種樹(shù)干徑流對(duì)表層土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

葉激華1，吳初平2*，張 駿2，沈愛(ài)華2，朱錦茹2，袁位高2，江 波2

（1. 浙江省舟山市林場(chǎng)，浙江 舟山 316000；2. 浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023）

分析了黑松闊葉林內(nèi)黑松（Pinus thunbergii）、楓香樹(shù)（Liquidambar formosana）和樟（Cinnamomum camphora）3樹(shù)種的樹(shù)干徑流對(duì)表層土壤化學(xué)性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，相比大氣降水，3樹(shù)種的樹(shù)干徑流pH值均有所下降，化學(xué)元素濃度則有所提高，導(dǎo)致樹(shù)干基部土壤pH值較低，但其影響主要局限在離樹(shù)干90 cm范圍之內(nèi)；樹(shù)干徑流的養(yǎng)分輸入增加了樹(shù)干基部土壤的有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)養(yǎng)分含量；從樹(shù)種看，黑松樹(shù)干徑流的 pH值最低，化學(xué)元素濃度最高，但離樹(shù)干不同距離土壤有機(jī)質(zhì)含量均低于楓香樹(shù)和樟，其原因是黑松的枯枝落葉比楓香樹(shù)、樟不易分解，說(shuō)明土壤養(yǎng)分更多地受枯枝落葉分解的影響。

樹(shù)干徑流；化學(xué)性質(zhì)；土壤；黑松

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，降水經(jīng)過(guò)林冠后，其化學(xué)成分和pH值會(huì)發(fā)生明顯變化，并以穿透水和樹(shù)干徑流兩種主要形式流入林地，成為林分內(nèi)物質(zhì)循環(huán)的重要途徑[1]。和穿透水相比，樹(shù)干徑流在林內(nèi)降水中所占的比重很小，但是徑流與林冠層和樹(shù)干表面均進(jìn)行了化學(xué)元素交換，并且所含物質(zhì)的濃度較高，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分、礦質(zhì)元素的輸入影響很大[2~3]。而且，樹(shù)干徑流內(nèi)的養(yǎng)分含量因?yàn)橹脖活?lèi)型和樹(shù)種的不同而差異很大[4~5]。以pH值為例，研究表明[6]，油松徑流的pH值由林外雨的6.51降為4.97，而銳齒櫟的徑流pH值為6.60。因此，不同樹(shù)種的樹(shù)干徑流對(duì)樹(shù)干周邊土壤的濕度、酸度、物質(zhì)濃度乃至植物的生長(zhǎng)影響也不同[6~9]。

舟山島是舟山群島最大的島嶼，1992年以后，由于松材線(xiàn)蟲(chóng)（Bursaphelenchus xylophilus）的入侵和快速蔓延，導(dǎo)致樹(shù)種結(jié)構(gòu)單一的黑松（Pinus thunbergii）林遭到了毀滅性的破壞[10]，林分結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化[11]。急劇的林分結(jié)構(gòu)變化必然引起森林生態(tài)功能的變化。但是該類(lèi)林分的水質(zhì)效應(yīng)，特別是關(guān)于不同樹(shù)種樹(shù)干徑流的養(yǎng)分輸入及對(duì)表層土壤化學(xué)性的影響的研究卻很少見(jiàn)。因此，本文在黑松闊葉樹(shù)混交林內(nèi)，以舟山島廣泛分布的黑松、楓香樹(shù)（Liquidambar formosana）和樟（Cinnamomum camphora）為對(duì)象，研究其樹(shù)干徑流的養(yǎng)分輸入量及對(duì)表層土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，旨在為進(jìn)一步研究植物與土壤的相互作用機(jī)理，解析沿海防護(hù)林內(nèi)的物質(zhì)循環(huán)奠定基礎(chǔ)，從而為沿海防護(hù)林的建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

舟山島是舟山群島最大的島嶼，為全國(guó)第四大島，面積502 km2，屬中亞熱帶北緣季風(fēng)氣候區(qū)，受海洋影響，年平均氣溫16.5℃，年平均降水量1 351.3 mm。1992年以后，由于松材線(xiàn)蟲(chóng)的入侵和快速蔓延，導(dǎo)致以馬尾松林和黑松林為主的舟山島森林植被遭到了毀滅性的破壞。現(xiàn)有的丘陵山地植被除部分更新松林外，以林相殘破、林分質(zhì)量差的次生闊葉林和灌木林為主，常見(jiàn)的有楓香樹(shù)林、栓皮櫟（Quercus variabilis）林、白櫟（Q. fabri）林及其萌生灌叢等，常綠闊葉林僅在本島中部存有零星的苦櫧（Castanopsis sclerophylla）林[10]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 調(diào)查地位于舟山市定海區(qū)城東街道第38小班公益林，為20世紀(jì)50年代營(yíng)造的黑松林，丘陵山地，坡向西北，坡度26°，海拔185 m。2010年8月在該小班內(nèi)建立了100 m（水平距離）×100 m的大樣地，進(jìn)行常規(guī)調(diào)查。如表1所示，以楓香樹(shù)為主的落葉闊葉樹(shù)在喬木層中占據(jù)較大優(yōu)勢(shì)，林內(nèi)尚存較多的黑松，只有少量樟等常綠闊葉樹(shù)種。

表1 2010年調(diào)查地喬木層的林分結(jié)構(gòu)Table 1 Stand structure of arbor layer at sample plot in 2010

1.2.2 樣品采集 2013年5月、6月，在樣地附近的無(wú)林地內(nèi)收集大氣降水，在樣地內(nèi)分別選取黑松、楓香樹(shù)和樟各3株標(biāo)準(zhǔn)木，通過(guò)環(huán)形接水裝置引入專(zhuān)用聚氯乙烯接水容器收集樹(shù)干徑流，大雨后共收集水樣5批次。同年8月，沿標(biāo)準(zhǔn)木（黑松、楓香樹(shù)和樟各3株共9株）東南西北4個(gè)方向，分別在距離樹(shù)干0、30、60、90、120、150 cm處，除去枯枝落葉，用土壤刀小心采集0 ~ 10 cm土層厚度的土壤。收集的水樣和土壤即交浙江省林業(yè)科學(xué)研究院分析中心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，水樣分析指標(biāo)為pH值、Cl-、NO3-、SO42-、Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋，土樣分析指標(biāo)為pH值、有機(jī)質(zhì)、全磷、速磷、全鉀、速鉀、全氮。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 收集到的數(shù)據(jù)利用SPSS17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果

2.1 不同樹(shù)種樹(shù)干徑流及大氣降水的化學(xué)性質(zhì)

如表2顯示，大氣降水的pH值為6.6，黑松、楓香樹(shù)和樟上徑流水的pH值均有不同程度的下降，分別為4.7、5.8和5.7。黑松、楓香樹(shù)和樟樹(shù)干徑流以及大氣降水的化學(xué)總濃度分別為102.15、98.80、70.22和36.23 mg/L。從化學(xué)成分上看，主要化學(xué)元素濃度差異非常明顯，各水樣均是Cl-和SO42-含量最高，兩者之和占一半以上，而黑松、楓香樹(shù)和樟樹(shù)干徑流的主要化學(xué)元素濃度均超過(guò)了大氣降水，其中大部分化學(xué)元素濃度均是黑松最高。

2.2 不同樹(shù)種樹(shù)干周?chē)寥捞卣鞣治?/p>

2.2.1 不同樹(shù)種樹(shù)干周?chē)寥纏H值和有機(jī)質(zhì)含量 如表3所示，黑松、楓香樹(shù)和樟的樹(shù)干基部土壤（0 cm）的pH值相對(duì)較低，并隨著遠(yuǎn)離樹(shù)干pH值逐漸增加。土壤pH值離樹(shù)干60 cm或90 cm時(shí)達(dá)到最大值，在遠(yuǎn)離樹(shù)干基部120 cm或150 cm也出現(xiàn)pH相對(duì)較低值。從樹(shù)種上看，黑松周?chē)寥纏H值要略低于楓香樹(shù)和樟。另外，黑松、楓香樹(shù)和樟樹(shù)干基部土壤（0 cm）的有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高，但隨著遠(yuǎn)離樹(shù)干，土壤有機(jī)質(zhì)并沒(méi)有發(fā)生規(guī)律性的變化。從樹(shù)種看，離樹(shù)干不同距離土壤有機(jī)質(zhì)含量均是黑松低于楓香樹(shù)和樟。

表3 黑松、楓香樹(shù)、樟樹(shù)干周?chē)寥纏H值及有機(jī)質(zhì)含量Table 3 pH value and organic matter content in the soil near the stems of tested trees

2.2.2 不同樹(shù)種樹(shù)干周?chē)寥乐饕V質(zhì)養(yǎng)分 由表4可知，黑松、楓香樹(shù)和樟樹(shù)干周?chē)寥赖娜⑷住⑺倭住⑷洝⑺兮浐烤鶠闃?shù)干基部土壤比較高。土壤中的主要礦質(zhì)養(yǎng)分隨著遠(yuǎn)離樹(shù)干有下降趨勢(shì)，但是距樹(shù)干60cm以外變化較小。從樹(shù)種看，全氮和有機(jī)質(zhì)都是樟和楓香樹(shù)相對(duì)偏高。土壤有機(jī)質(zhì)作為土壤氮元素的重要來(lái)源之一，其含量積累越高土壤氮元素含量也會(huì)增加。全磷、速磷含量也是樟和楓香樹(shù)相對(duì)偏高。全鉀含量是距樹(shù)干30 cm以?xún)?nèi)樟較高，60 cm以外樟較低；而速鉀含量則是樟最大，楓香樹(shù)最低。

3 討論

本研究中，黑松、楓香樹(shù)和樟樹(shù)干徑流的pH值相比大氣降水有所下降，化學(xué)元素濃度普遍提高，說(shuō)明大氣降水通過(guò)黑松、楓香樹(shù)和樟的林冠層后，降水主要發(fā)生了對(duì)枝葉、枝條表面塵埃等物質(zhì)的淋洗作用，以及對(duì)枝葉中元素的淋溶作用。由于針葉樹(shù)的冠層比表面積較大，承接和吸附的干沉降也較多，導(dǎo)致黑松樹(shù)干徑流中的pH值最低，化學(xué)總濃度最高。其他研究[7~9,12]也表明松、杉等針葉樹(shù)種的酸化能力較強(qiáng)。由此導(dǎo)致樹(shù)干基部土壤pH值較低，特別是黑松周?chē)寥纏H值最低，但隨著遠(yuǎn)離樹(shù)干pH值逐漸增加。姚余君等[13]指出，pH值較低的樹(shù)干徑流長(zhǎng)期流入土壤，會(huì)導(dǎo)致在樹(shù)干基部出現(xiàn)pH最低值，該結(jié)果與本研究相似。土壤pH值離樹(shù)干60 cm或90 cm時(shí)達(dá)到最大值，說(shuō)明樹(shù)干徑流的影響范圍可達(dá)90 cm。其他研究結(jié)果[14]也表明，樹(shù)干徑流的影響主要局限在離樹(shù)干1 m的范圍之內(nèi)。另外，在遠(yuǎn)離樹(shù)干基部120 cm或150 cm處也出現(xiàn)pH相對(duì)較低值，這主要是受鄰近樹(shù)木以及周邊環(huán)境影響的緣故。

表4 黑松、楓香樹(shù)、樟樹(shù)干周?chē)寥赖V質(zhì)養(yǎng)分含量Table 4 Content of mineral elements in the soil near the stems of tested trees

樹(shù)干徑流的化學(xué)元素濃度普遍較高，其養(yǎng)分輸入增加了樹(shù)干基部土壤的有機(jī)質(zhì)含量，提高了樹(shù)干基部土壤的全氮、全磷、速磷、全鉀、速鉀等礦質(zhì)養(yǎng)分含量，從而影響樹(shù)木對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收乃至樹(shù)木的生長(zhǎng)。研究表明樹(shù)干徑流含有大量氨基酸、糖分等有機(jī)物質(zhì)，以及樹(shù)干皮、根樁皮的脫落物等會(huì)增加樹(shù)干基部土壤有機(jī)質(zhì)含量，導(dǎo)致油松、銳齒櫟樹(shù)干基部土壤有機(jī)質(zhì)含量均明顯高于土體有機(jī)質(zhì)含量[6]。本研究同樣是因?yàn)槭軜?shù)干徑流的影響導(dǎo)致各樹(shù)種的樹(shù)干基部土壤的有機(jī)質(zhì)含量和全氮、全磷、速磷、全鉀、速鉀等礦質(zhì)養(yǎng)分含量相對(duì)較高。但是，樹(shù)干徑流的影響主要局限在離樹(shù)干 1 m的范圍之內(nèi)，遠(yuǎn)離樹(shù)干的土壤有機(jī)質(zhì)并沒(méi)有發(fā)生規(guī)律性的變化。研究表明[15]，土壤有機(jī)質(zhì)含量和礦質(zhì)養(yǎng)分含量除了受樹(shù)干徑流的影響外，與凋落物分解速率大小有關(guān)。因此，受枯枝落葉分解的影響，該研究中隨著遠(yuǎn)離樹(shù)干，土壤有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)養(yǎng)分含量并沒(méi)有發(fā)生規(guī)律性的變化，而且離樹(shù)干不同距離土壤有機(jī)質(zhì)含量均是黑松低于楓香樹(shù)和樟，其原因是黑松的枯枝落葉比楓香樹(shù)、樟不易分解，其他研究[16]也表明土壤養(yǎng)分含量與凋落物養(yǎng)分歸還量的關(guān)系更為密切。

4 結(jié)論

松材線(xiàn)蟲(chóng)入侵黑松林后的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)是個(gè)長(zhǎng)期而又漫長(zhǎng)的過(guò)程，在整個(gè)演替階段中黑松闊葉混交林處于非常不穩(wěn)定的階段，本文研究分析了該林分內(nèi)常見(jiàn)樹(shù)種黑松、楓香樹(shù)和樟的樹(shù)干徑流的養(yǎng)分輸入量及對(duì)表層土壤化學(xué)性的影響。李偉立等[17]研究分析了馬尾松林演替過(guò)程中群落結(jié)構(gòu)變化的動(dòng)態(tài)格局及演替進(jìn)程中土壤的響應(yīng)，并指出隨著演替時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤全N和有機(jī)質(zhì)含量呈上升趨勢(shì)，土壤肥力隨恢復(fù)進(jìn)程而逐漸上升。關(guān)于松材線(xiàn)蟲(chóng)病入侵后的黑松闊葉林，以往研究分析了群落結(jié)構(gòu)特征[11]和主要伴生樹(shù)種的生態(tài)特征[18]，并指出隨著松材線(xiàn)蟲(chóng)病的深入，黑松闊葉林內(nèi)楓香樹(shù)、樟等闊葉樹(shù)種會(huì)逐步代替黑松。隨著演替的進(jìn)行，該類(lèi)林分除種類(lèi)組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化以外，林內(nèi)環(huán)境也在改變。土壤作為植被演替中的主要環(huán)境因子，隨演替進(jìn)行總是不斷地發(fā)生變化[19]。黑松漸漸消失后，大氣降水主要經(jīng)過(guò)闊葉樹(shù)種的淋洗和淋溶作用后以穿透水和樹(shù)干徑流流入林地，土壤的pH值和土養(yǎng)分含量會(huì)逐步提高。以往研究[17,20]也表明，隨著植被正向演替，土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量增加明顯。可以預(yù)見(jiàn)，隨著演替的深入，黑松闊葉林內(nèi)林分的土壤養(yǎng)分也會(huì)逐步提高，而土壤養(yǎng)分的提高同樣會(huì)促進(jìn)植被的正向演替。

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Effect of Stemflows from Different Trees in Mixed Forest on Chemical Property of the Soil

YE Ji-hua1，WU Chu-ping2，ZHANG Jun2，SHEN Ai-hua2，ZHU Jin-ru2，YUAN Wei-gao2，JIANG Bo2
（1. Zhoushan Forest Farm of Zhejiang, Zhoushan 316000, China; 2. Zhejiang Forestry Academy, Hangzhou 310023, China）

Determinations were conducted on chemical properties of stem-flow from Pinus thunbergii, Liquidambar formosana and Cinnamomum camphora, pH value and organic matter content in soil at mixed forest in Zhoushan, Zhejiang province. The results indicate that pH of stemflows decreased, concentration of chemical element increased, compared with that of the precipitation, leading to lower pH in the soil around stem but limited within one meter away from the stem. The nutrient input by stemflow increased organic matter and mineral content in the soil around. Among tested tree species, P. thunbergii had the lowest pH and the highest element concentration of stemflow, lowest organic matter content in the soil around. The reason was that the litter of P. thunbergii is more difficult to be decomposed than that of the other two tree species.

stemflow; chemical property; soil; Pinus thunbergii

S714.2

：A

1001-3776（2015）06-0023-05

2015-04-11；

2015-09-17

浙江省森林生態(tài)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2011R50027）

葉激華（1971-），男，浙江舟山人，高級(jí)工程師，從事森林資源管理工作；*通訊作者。