廈門山地主要林地土壤肥力及水源涵養(yǎng)功能研究

王 婷

(深圳市高山水生態(tài)園林股份有限公司， 深圳 230036)

廈門山地主要林地土壤肥力及水源涵養(yǎng)功能研究

王 婷

(深圳市高山水生態(tài)園林股份有限公司， 深圳 230036)

對廈門山地常見4種林型的物種多樣性、土壤肥力和涵養(yǎng)水源功能進行了分析研究，以探索不同林地類型涵養(yǎng)水源能力。結(jié)果表明：常綠闊葉林、落葉闊葉林和針闊葉混交林的Shannon-Winner指數(shù)相對較高，而且能增加土壤有機質(zhì)和N、P、K含量，改善土壤養(yǎng)分狀況；針葉疏殘林能提高土壤有效P的含量； 各林型的枯落物吸水量大小依次是：針闊葉混交林(18.193 t/hm2)>落葉闊葉林、(8.936 t/hm2)>常綠闊葉林(4.113 t/hm2)>針葉疏殘林(4.004 t/hm2) ；將土壤非毛管孔隙度大小作為判斷和計算土壤蓄水量的基本標準，則土壤持水量大小依次是落葉闊葉林、針闊葉混交林、針葉疏殘林和常綠闊葉林。

森林類型；土壤；肥力；水源涵養(yǎng)

有關(guān)林地涵養(yǎng)水源特性正在成為國內(nèi)外森林生態(tài)學(xué)和水土保持學(xué)研究的熱點，已經(jīng)取得了很多成果，并從定性研究進入到定量研究階段[1-4]。其主要理論和核心技術(shù)包括，枯落物層在森林水源涵養(yǎng)中的機理和作用；枯落物層涵養(yǎng)水源能力的總體趨勢；枯落物層最大持水量；影響枯落物層涵養(yǎng)水源特性的因素；土壤層的入滲和儲水性能；枯落物與土壤養(yǎng)分和土壤肥力的關(guān)系等[5-7]。另外，就研究方法而言，在人工模擬條件下研究的比較多，在自然降水情況下研究不足；同時森林生態(tài)學(xué)者大多將枯落物作為森林水分或養(yǎng)分循環(huán)的一個環(huán)節(jié)，而水土保持學(xué)者大多研究植被與侵蝕的關(guān)系，而專門研究枯落物層的蓄水保土作用略顯不足。以廈門市郊落葉闊葉林、常綠闊葉林、常綠針闊葉混交林和針葉疏殘林為研究對象，研究其林地枯落物組成狀況、土壤持水特征、土壤理化性質(zhì)和水源涵養(yǎng)功能，揭示不同森林類型間土壤特征及水源涵養(yǎng)功能的差異及規(guī)律，為該地區(qū)森林經(jīng)營提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1研究地概況

廈門市地處E 118°04′04″、N 24°26′46″，位于福建省東南部。全市土地總面積1 569.3 km2，地貌類型除300 km2的海域外，低丘和臺地占土地總面積的62.5%，海拔300～400 m，坡度多在25°以下。氣候?qū)倌蟻啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，平均氣溫為20.7℃，年降水量1 200 mm，相對濕度76%。土壤主要為磚紅壤性紅壤、紅壤，其次為黃壤，在海岸邊緣與灘涂分布著鹽土與風(fēng)沙土。

地帶性植被為亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林，目前典型的地帶性頂極群落已不復(fù)存在，殘存的次生林主要建群樹種有：針葉樹的馬尾松(Pinusmassoniana)和木麻黃(Casuarinaequisetifolia)；落葉闊葉樹有榔榆(Ulmusparvifolia)、合歡(Albiziajulibrissin)、鐵刀木(Cassiasiamea)、鳳凰木(Delonixregia)、南洋楹(Albiziafalcataria)、白蠟樹(Fraxinuschinensis)和野漆(Toxicodendronsuccedaneum)等；常綠闊葉樹有臺灣相思(Acaciaconfusa)、樸樹(Celtistetrandrassp)、土蜜樹(Brideliastipularis)、榕樹(Ficusmicrocarpa)、厚殼樹(Ehretiathyrsiflora)、豺皮樟(Litsearotundifolia)等；灌木層主要優(yōu)勢種有大青(Clerodendrumcyrtophyllum)、牡荊(Vitexnegundovar.)、桃金娘(Rhodomyrtus)和鹽膚木(Rhuschinensis)等；常見地被植物有鐵芒萁(Dicranopterisdichotoma)、羊角藤(Morindaumbellata)、南蛇藤(Celastraceaeorbiculatus)、皺葉狗尾草(Setaria?glauca)、白茅(Imperatacylindrica)、扇葉鐵線蕨(Adiantumflabellulatum)和尖葉馬唐草(largecrabgrass)等[8-9]。

1.2研究方法

1.2.1 調(diào)查方法 以落葉闊葉林、常綠闊葉林、常綠針闊葉混交林、針葉疏殘林4個林型為調(diào)查樣地，在每一樣地內(nèi)各設(shè)置5個面積為100 m2的調(diào)查樣方，逐樣方計測喬、灌植物的種名、種數(shù)、密度和郁閉度。再在每一樣地內(nèi)選擇有代表性的地段各挖1個土壤剖面，并在剖面的20，40和60 cm 深處用環(huán)刀取樣供理化分析；同時在每一樣地內(nèi)選擇1個典型樣方并采用對角線交點及在其4角處設(shè)5個1 m×1 m的枯落物調(diào)查樣方，收集枯落物，用作測定枯落物的持水量[10-12]。

1.2.2 喬灌木植物物種均勻度及多樣性的計算

(1) Shannon-Winner物種多樣性指數(shù)：

(H′)=-∑PilnPi

式中:Pi為i種的個體在全部個體中的比例 。

(2) Pielou均勻度指數(shù)：

E=H′/Hmax

式中：H′為實際觀察的物種多樣性指數(shù)，Hmax為最大的物種多樣性指數(shù)，Hmax=LnS(S為群落中的總物種數(shù))[13]。

1.2.3 土壤化學(xué)分析 將同層土樣充分均勻混合處理后，測定其pH值、有機質(zhì)含量、大量營養(yǎng)元素(全N、P、K速效N、P、K)含量，CEC(陽離子交換量)、代換性陽離子和鹽基飽和度。其中，pH用電位法測定；有機質(zhì)采用外加熱法；全N用凱氏定氮法；速效N 用堿基擴散法；速效P用鉬銻抗比色法；速效K用1 mol/L NH4OAc 浸提-火焰光度法；陽離子交換量(CEC)用1 mol/L NH4OAc中和法；用火焰光度法測定K+、Na+；用原子吸收分光光度法測定Ca、Mg含量[14-16]。

1.2.4 枯落物持水量測定 從外業(yè)小樣方內(nèi)收集的枯落物總量中抽取50～150 g作為標本在水中浸泡稱重至恒重。

枯落物最大吸水率(%)=(浸泡后的枯落物重量- 干重量)/干重量×100

枯落物持水量V=L×C/100

式中：V為枯落物持水量(t/hm2)，L為枯落物積累量(t/hm2)，C為枯落物最大吸水率(%) 。

1.2.5 土壤持水量測定 土壤容重測量，采用環(huán)刀法(環(huán)刀容積為100 cm3)；土壤總孔隙度的測定，利用測定容重的環(huán)刀浸入水中24 h，稱重至恒重。

飽和含水率(%)=(浸泡后土重量-烘干土重量)/烘干土重量×100%

總孔隙度(%)=飽和含水率×容重

土壤毛管孔隙度的測定，將測定過的總孔隙度的環(huán)刀置于鋁盒(內(nèi)含與環(huán)刀相同的土壤)上，中間用一濾紙隔開，放置12 h稱重至恒重。

土壤毛管含水率(%)=(放置后的土重量-烘干的土重量)/烘干的土重量×100

土壤毛管孔隙度(%)=土壤毛管含水率×容重

土壤非毛管孔隙度(%)=總孔隙度-土壤毛管孔隙度

土壤持水量V=10000×P×D，P為非毛管孔隙度(%)，D為土層深度(m)

土壤水分測定，采用恒溫箱烘干法[17-21]。

2 結(jié)果與分析

2.1廈門山地主要林地喬灌層物種多樣性

目前在廈門山地常見的主要林地有，常綠闊葉林、針闊葉混交林、落葉闊葉林和針葉疏殘林。對4種林地的喬灌植物物種多樣性調(diào)查、測算結(jié)果表明，常綠闊葉林的喬木層和灌木層的物種數(shù)、多樣性指數(shù)和密度3項指標均居各林地之首，均勻度和郁閉度較高，土壤pH最低；針葉疏殘林的喬木層各項植被指標均最低，但其灌木層物種數(shù)和多樣性指數(shù)最高，密度、均勻度和郁閉度都最低，土壤pH最高；針闊葉混交林和落葉闊葉林各項植被指標和土壤pH均介于常綠闊葉林和針葉疏殘林之間，足見常綠闊葉林和針葉疏殘林是當?shù)卦脖悔呌诖紊膬蓚€極端(表1，2)。調(diào)查表明，當?shù)卦脖辉诟鞣N因素干擾下雖已失去了原生景觀，但其變化過程是漸次的，并形成了不同分化類型，其中常綠闊葉林所受干擾程度較小，比較接近原生植被，而針葉疏殘林所受干擾程度較大，因而次生化程度更明顯。

2.2土壤肥力狀況

2.2.1 不同林地類型土壤有機質(zhì)狀況 結(jié)果表明：① 4種林地土壤有機質(zhì)含量均以中、上層土壤明顯高于下層；② 不同林地同一層次土壤的有機質(zhì)含量為：落葉闊葉林>常綠闊葉林>針闊葉混交林>針葉疏殘林，第1層土壤有機質(zhì)含量為常綠闊葉林的占落葉闊葉林的86.78%，針闊葉混交林的占常綠闊葉林的85.87%，針葉疏殘林占針闊葉混交林的83.87%，其中最低含量占最高含量的38.46%；③ 在各林地的第2層和第3層土壤中有機質(zhì)含量總的變化趨勢也表現(xiàn)為落葉闊葉林>常綠闊葉林>針闊葉混交林>針葉疏殘林，呈遞減趨勢；④ 各林地土壤中的全N、P、K及速效N、P、K在各層次土壤中的變化趨勢與有機質(zhì)含量總的變化趨勢相似(表3)。表明落葉闊葉林、常綠闊葉林、針闊葉混交林的土壤熟化程度和土壤肥力都比較高，而針葉疏殘林則較差。

表1 各類林地喬木層的多樣性指數(shù)

表2 各類林地灌木層的多樣性指數(shù)

表3 各類林地土壤有機質(zhì)及營養(yǎng)元素含量

據(jù)此可知：不同林地可直接影響土壤有機質(zhì)狀況，且對中、上層土壤影響較大；落葉闊葉林、常綠闊葉林和針闊葉混交林都能促進土壤全N、P、K及有效N、P、K的含量，改善土壤養(yǎng)分狀況；針葉疏殘林能提高土壤有效P的含量。

2.2.2 不同林地類型土壤陽離子代換量及代換性元素 陽離子代換量(CEC)是表征土壤供肥、蓄肥能力的指標，代換量大，土壤保存有效養(yǎng)分的能力強，不易造成養(yǎng)分的淋失。針闊葉混交林、落葉闊葉林和常綠闊葉林各層土壤的CEC 值都大于100 mmol/kg，針葉疏殘林各層土壤的CEC 值均小于50 mmol/kg(表4)。由此可見，針闊葉混交林、落葉闊葉和常綠闊葉林土壤的供肥、蓄肥能力較強，而針葉疏殘林土壤的供肥、蓄肥能力則較差。這是因為土壤的CEC 值不但受土壤母質(zhì)及土壤發(fā)育程度的影響，而且還受林木枯落物歸還量、土壤淋溶作用強度以及土壤酸化程度的影響。針葉疏殘林枯落物所含的K、Na、Ca、Mg等灰分元素低于其他3種林地枯落物所含的K、Na、Ca、Mg等灰分元素；通常情況下，針葉林對枯落物的分解速度比闊葉林的慢；針葉林下土壤的淋溶作用強于闊葉林；枯落物分解產(chǎn)生有機酸導(dǎo)致土壤酸化也是重要影響因素之一。

同一林地類型不同土層CEC值的變化規(guī)律，針闊葉混交林、落葉闊葉林隨著土層深度的增加CEC值略有增加；而常綠闊葉林和針葉疏殘林隨土層深度的增加CEC值略有減少。這可能是針闊葉混交林、落葉闊葉根系吸收表層土中的陽離子，使其含量減少；常綠闊葉林枯落物的分解速度快，因而靠近地表層CEC值略有增加；針葉疏殘林由于根系分布較深，因而CEC值略有減少。

表4 各類林地不同土層陽離子代換量(CEC)

2.2.3 不同林地類型土壤容重與孔隙度 不同林地土壤的容重與孔隙度受土壤發(fā)育狀況影響，而土壤發(fā)育的好壞又直接受林地植被的影響。林地類型的不同，其表層的枯落物構(gòu)成及地下根系的生長發(fā)育狀況、枯落物的分解程度等均存在差異，并造成了林地土壤物理化學(xué)性質(zhì)的差異，土壤容重與孔隙度是這種差異的兩個重要測度值。

4種林地類型土壤容重變化的總趨勢隨著土層深度的增加而增加；相反土壤孔隙度則隨土層深度的增加而減少(表5)。其原因是近地表層(0～20 cm)土壤受枯落物積累、腐爛枯落物所形成腐殖質(zhì)層的影響；在20～40 cm 的土層為林木主要根系的分布區(qū)，根系的生長發(fā)育，有利于土壤的發(fā)育，改善了土壤結(jié)構(gòu)，所以土壤孔隙度又較40～60 cm 的土層為高。各林地土壤總孔隙度自大至小排序為落葉闊葉林、常綠闊葉林、針闊葉混交林、針葉疏殘林。

2.2.4 不同森林類型枯枝落葉涵養(yǎng)水源效益 借助林下地表枯落物涵養(yǎng)水源和保持水土是林地的重要途徑之一?？萋湮锊粌H能很好地防止雨水直接沖擊地面而增加地表粗糙度，而且自身也有很好的吸水率和吸水量，不同的林地林下枯落物量差別較大。

針闊葉混交林的枯落物高達8.066 t/hm2，而針葉疏殘林的枯落物重量為3.752 t/hm2，前者是后者的2.15倍，4種林地枯落物量由多到少依次是針闊葉混交林、落葉闊葉林、常綠闊葉林、針葉疏殘林。針闊葉混交林和落葉闊葉林枯落物的吸水率最高，分別為292.641%和205.181%，而針葉疏殘林的吸水率最低，只有138.291%，吸收率從高到低依次為針闊葉混交林>落葉闊葉林>常綠闊葉林>針葉疏殘林。吸水量以針闊葉混交林最高，達到18.193 t/hm2，針葉疏殘林的枯落物量最少，吸水率最低，其枯落物的吸水量僅為4.004 t/hm2(表6)。不同林地枯落物的吸水量由高到低依次為針闊葉混交林、落葉闊葉林、常綠闊葉林和針葉疏殘林。

表5 各類林地土壤的孔隙度和持水量

表6 不同林枯落物持水能力

2.2.5 不同森林類型土壤蓄水能力 林地蓄水量包括枯落物層蓄水量和土層蓄水量。有關(guān)研究表明土壤的滲透性能主要取決于非毛管孔隙，在飽和持水量中，非毛管孔隙中滯帶的重力水在調(diào)節(jié)土壤蓄水能力方面具有更為重要的作用。因此，近年來有不少研究報道，將土壤非毛管孔隙度大小作為判斷林地土壤蓄水能力大小的主要指標，并以它作為計算土壤蓄水量的基本標準。對4種類型土壤非毛管孔隙持水量進行比較，4種類型的土壤非毛管持水量由大到小依次是落葉闊葉林、針闊葉混交林、針葉疏殘林、常綠闊葉林(表5) 。

3 討論

針對廈門市現(xiàn)存4種常見林地的枯落物層和土壤層的持水特性，進一步揭示不同林地水源涵養(yǎng)功能大小，對同類研究數(shù)據(jù)庫資料具有重要補充作用。研究結(jié)果表明，枯落物儲存量為針闊葉混交林大于闊葉林，這與巢湖南岸散兵鎮(zhèn)佛嶺林場不同林型枯落物現(xiàn)存量的變化趨勢一致[22]。土壤總持水量和非毛管持水量隨土層深度的變化規(guī)律，與長白山地區(qū)不同林型土壤、縉云山不同林地類型土壤及黃土高原油松和刺槐人工林土壤的變化規(guī)律相似[23-25]。土壤密度隨土層深度變化依次增大，孔隙度表層相對于下層較大，這種變化特性可能與植物根系的空間分布有關(guān)，因為植物的根系主要分布在表層[26]，進而影響各種指標的持水特性。針葉疏殘林由于受擾動影響較大，林木稀疏，林下枯落物層最少，林下植被更新進展緩慢，進而影響林地發(fā)育狀況，其土壤密度、孔隙度、水源涵養(yǎng)功能都小于針闊葉混交林，這與徐學(xué)華等[27]研究冀北山地取得的結(jié)果一致。

影響林地水源涵養(yǎng)功能的因素很多，而這些因素具體的細微變化會對結(jié)果產(chǎn)生多大的影響，有待進一步研究和討論；枯落物層具有很強的水源涵養(yǎng)功能，建議在今后的森林經(jīng)營中注重保護林地的枯落物，保護現(xiàn)有的闊葉林，改造針葉樹殘林，加強營造針闊葉混交林，以利提高枯落物的儲量和分解程度，進一步改善土壤理化性質(zhì)，充分發(fā)揮廈門市及其周邊地區(qū)森林水源涵養(yǎng)功能的生態(tài)效益。

4 結(jié)論

(1)對廈門山地4種林地喬、灌層的物種數(shù)、密度、均勻度、郁閉度、生物多樣性研究結(jié)果表明：闊葉林優(yōu)于針葉林、成年林優(yōu)于幼年林、接近原生林優(yōu)于次生林；針葉疏殘林的土壤pH最高。

(2)落葉闊葉林、常綠闊葉林和針闊葉混交林都能促進土壤全N、P、K及有效性N、P、K的含量，且各層土壤的CEC 值都大于100 mmol/kg；針葉疏殘林能提高土壤有效P的含量，但各層土壤CEC值均小于50 mmol/kg。表明前三者的土壤熟化程度和土壤肥力都比較高，有利于涵養(yǎng)水源，而針葉疏殘林供肥、蓄肥和涵養(yǎng)水源能力較差。

(3)研究各林型土壤孔隙度和持水量發(fā)現(xiàn)：落葉闊葉林容重最小，總孔隙度、總持水量和非毛管持水量均最高。

(4)分析不同林枯落物持水能力證明，林地枯落物吸水量受枯落物的儲量和吸水率的共同影響，不同林地枯落物儲量及其吸水量由高到低依次為：針闊葉混交林、落葉闊葉林、常綠闊葉林和針葉疏殘林。

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StudyonsoilfertilityandwaterconservingcapacityofmainforestslopinglandsinXiamen

WANG Ting

(ShenzhenGaoshanshuiEcologicalLandscapeCo.Ltd.,Shenzhen230036，China)

Species diversity,soil fertility and water conserving capacity of four forest sloping lands were analyzed in Xiamen.The results showed that Shannon-Winner index,soil organic matter and content of nitrogen,phosphorus,and potassium and soil fertilities were higher in evergreen broad-leaved forest (EBF),deciduous broad-leaved forest (DBF) and needle and broad-leaved mixed forest (NBMF) than that in needle leaves forest (NLF).Content of plsen phosphorus in NLF was higher than that in EBF,DBF and NBMF.The amount of litter and the water absorption capacity were in order of NBMF (18.193 t/hm2) > DBF (8.936 t/hm2) > EBF (4.113 t/hm2) > NLF (4.004 t/hm2).The water holding capacity was in order of DBF>NBMF>NLF>EBF considering non-capillary porosity.

forest land type;soil;fertility;water conserving capacity

2017-07-05；

：2017-08-05

南方沿海鹽堿草坪澆水技術(shù)研究項目資助

王婷(1974-)，女，江西萍鄉(xiāng)人，學(xué)士。 E-mail：365770963@qq.com

S 727.21

：A

：1009-5500(2017)04-0098-07