湿地松人工林不同年龄林隙土壤水热状况与pH值的对比

薛兴华+袁龙义

摘要：林隙发育过程中土壤的动态变化特性是认识林隙生态效应的重要内容之一，通过对比湿地松人工林5年和10年林隙内土壤的自然含水量、吸湿水含量、温度和pH值，探讨了林隙发育过程中土壤水热状况、酸碱度及其分布格局的变化特征。结果表明，5年林隙土壤自然含水量较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异更显著；10年林隙土壤吸湿水含量较5年林隙大，且空间分布格局差异明显，而在5年林隙内的空间差异很小；与5年林隙相比，10年林隙土壤的温度更高、酸性更强，且土壤温度和pH值在垂向上的差异性较小，但在水平方向上的分布格局未有明显变化。综合阐述了上述变化特征与林隙发育过程中地被物状况、光照条件、枯层加厚、有机质累积、土壤黏化与酸化等因素的关系。

关键词：林隙；湿地松人工林；土壤；年龄；动态变化；水热状况；酸碱度

中图分类号： S714.2；S718.51文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）06-0342-03

收稿日期：2013-10-25

基金项目：国家自然科学基金（编号：31170400）；湖北省教育厅科学研究计划（编号：B20121206、B2013277）。

作者简介：薛兴华（1976—），男，湖北宣恩人，博士，讲师，主要从事景观生态与RS/GIS研究。Tel：（0718）8439741；E-mail：xinghua_xue@163.com。林隙（即林窗，canopy gap）为人们理解森林循环、森林系统演化提供了重要的分析工具，而林隙土壤及其动态特性是认识林隙生态效应的重要内容，已经成为森林生态和林木抚育的研究重点之一。林隙的形成不但为生物生长提供了新的场所，而且同时也增加了土壤微环境的空间异质性，从而影响到植被生长发育、生物多样性和丰富度，并成为准确了解森林系统诸如碳、氮等物质循环不可忽略的因素。在林隙土壤问题的研究方面，人们目前重点关注的有：（1）土壤水分、温度和养分的时空分布特征[1-4]；（2）土壤呼吸、养分循环、生物过程等生态过程[5-7]；（3）结合林隙土壤的环境特性和生态功能承载，探讨林隙的合理大小和格局优化[8-9]。在林隙土壤研究中一个值得注意的课题是，伴随着林隙演替，土壤特性及土壤过程的动态演化。鉴于林隙演替对认识森林循环和林木更新的重要性，人们指出了林隙发育的阶段性，并开展了林隙模型与森林演化模拟研究[10-11]，但长时间尺度的动态监测研究则有限[12-13]，对林隙土壤的动态认识则更显不足。由于长期观测资料的缺乏与限制，通过对比分析不同年龄阶段林隙的特征，有望在一定程度上观察林隙在时间尺度上的演化规律。已有研究讨论了物种更新与多样性的问题[14]，但对林隙土壤演进特性的认识尚不足[15]。本研究以中国北亚热带湿地松人工林为例，选取土壤自然含水量、吸湿水含量、温度和pH值等4个因子，对比分析处于不同年龄阶段的林隙土壤特性，以期探讨林隙土壤随林隙发育的动态演化特征。

1研究区概况与研究方法

研究区位于湖北省荆门市彭场林场，地貌为低岗缓丘，处于江汉平原北端、鄂中腹地，气候属北亚热带季风气候区。该林场建于1973年，是国家级湿地松良种基地和湿地松速生丰产林示范基地。

本研究于2011年10月中旬的晴朗天气进行，在熟知场内林木抚育情况的林场工作人员协助下，经现场踏查，在研究区15年、20年生湿地松人工林内，分别选取4处间伐形成的年龄为5年、10年的林隙，林隙大小基本一致，约20 m2。按图1采集土壤样品，即在林隙的南北轴向，自林冠边缘至林隙中心，每隔50 cm采集0～10、10～20 cm层的土壤样品。在样品采集的同时，采用IQ150土壤原位pH/电压/温度计，测定各样品所在土壤层次的温度。

土壤样品的室内分析包括：依据GB 7859—1987《森林土壤pH值的测定》，采用电位法（水土质量比2.5 ∶1）测定土壤pH值；土壤自然含水量的测定则依据GB 7833—1987《森林土壤含水量的测定》；采用烘干法测得风干土样的吸湿水含量。

2结果与分析

2.1不同年龄林隙内土壤自然含水量的差异

土壤水分状况是植物生长的基本环境因子，同时也是理解森林水文效应和水循环过程的关键环节，森林在淡水资源保护与储存乃至全球水循环中的重要地位引起了人们的日益重视。林隙形成的微环境差异使得其土壤的含水特性与林下土壤不同，因而目前国内外学者已对此开展了广泛研究[1，3]，但对林隙发育过程中土壤水分特性的动态变化了解不多。

图2表明了湿地松人工林不同年龄阶段林隙的土壤自然含水量的差异。可以看出，在北—南轴向上，自林隙边缘至林隙中心，无论是在0～10 cm的表层还是10～20 cm的下层，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 层的差异更大，即表现出在林隙发育初期土壤持水量较大，而后期持水量减少。影响土壤含水量的因素很复杂，大体上为降水过程、土壤特性、地表覆被状况和蒸散发过程共同作用的结果。在本研究中，所选取样地土壤类型一致，取样时间为该地区降水量相对较少的10月中旬，且采样时天气晴朗，距上次中雨降水过程仅5 d。不同年龄林隙土壤自然含水量的差异可能与林隙发育过程中地表覆被演化有关，林隙发育早期地表覆被稀疏，地被物以草本、幼苗为主，枯枝落叶层薄，地被物对降水的拦截作用较弱，同时蒸散发作用不强，可能有利于增加土壤持水量。相反，林隙发育后期，枯枝落叶层增厚，地被物以灌丛为主，地表覆盖度明显增加，对降水的拦截作用增强，同时水分蒸散发作用加大，使得土壤持水量减少。

由图2还可看出，林隙的土壤自然含水量在分布格局上并未随林隙的发育而发生明显变化，即不同年龄林隙的土壤自然含水量皆表现为0～10 cm层明显大于10～20 cm层，并且从林隙边缘到林隙中心逐渐减少，这一分布格局在林隙发育后期表现得更为突出。其原因可能是，受光照条件差异的影响，林隙中心相对于林隙边缘和林下水分蒸散发作用更强，土壤水分损失大，使得林隙中心土壤自然含水量明显高于林隙边缘。而由于在降水量相对较小的季节，上层土壤对水分的滞蓄作用较显著，使得下层土壤的自然含水量明显低于上层土壤。

2.2不同年龄林隙内土壤吸湿水含量的差异

在林隙演化过程中，土壤亦处于不断变化之中，包括土壤的持水能力[15]。由图3可见，10年林隙0～10、10～20 cm层土壤的吸湿水含量都明显大于5年林隙。在分布格局上，5年林隙的土壤吸湿水含量在林隙内的水平和垂直方向上的差异很小；10年林隙的土壤吸湿水含量则有明显的空间分布差异性，表现为自林隙边缘至林隙中心逐渐减少，而且10～20 cm层土壤的吸湿水含量比0～10 cm层大。可见随着林隙的发育，土壤的吸湿水含量和空间差异性都有明显增加的趋势。土壤的吸湿水含量是反映其自身特性的重要参量，吸湿水含量空间差异性的显现和加剧，表明了林隙发育过程中土壤的空间分异趋向。

相关研究表明，土壤吸湿水含量与其质地和有机质含量

有关，一般随黏粒和有机质含量的增加而增加[16-17]。不同年龄林隙的土壤吸湿水含量的差异和分布特征的成因可能是林隙发育后期枯枝落叶增厚，土壤腐殖质累积明显，同时土壤黏粒成分增加，使得土壤持水能力增强，其吸湿水含量随林隙发育有增加的趋势，而黏粒随水分下渗而发生的淀积作用进一步增加了下层土壤的黏粒成分，使得其持水能力和吸湿水含量大于上层土壤。在水平方向上，上层土壤自林隙边缘至林隙中心的枯枝落叶层厚度一般逐渐减小，有机质累积和黏化作用逐渐减弱，从而使其持水能力和吸湿水含量有降低的趋势。

2.3不同年龄林隙内土壤温度的差异

土壤温度是森林生态系统的重要环境因子，影响到植物生长、养分过程和微生物活动等关键生态过程，亦引起了林隙生态过程研究者的重视[7]，已有人研究土壤温度在林隙内的分布特征，但关于土壤温度随林隙发育的动态变化特性的报道则较少。图4表明，无论是在0～10 cm层还是在10～20 cm层，10年林隙的土壤温度都要比5年林隙高，且其差异在0～10 cm的表层更大。土壤温度的分布格局随林隙发育未有明显变化，大体上均表现为：自林隙边缘至林隙中心土壤温度逐渐降低，0～10 cm层的土壤温度低于10～20 cm层，5年林隙的上、下层土壤温度差略大，10年林隙的上、下层土壤的温度差较小。可见，随着林隙的发育，土壤的保温能力增强，且垂向上的土壤温度差减小，但水平方向上的分布格局变化不明显。

土壤温度与光照条件、土壤热力学性质、有机质含量、土壤水分、微生物活动和地被物状况等多种因素有关[18-19]。随着林隙的发育，垂向群落发展，土表地被物覆盖度增加，以及枯枝落叶层和有机质的累积，微生物活动活跃，有利于土壤保温，同时阻缓了下层土壤向上的热交换，而“2.1”中的研究结果指出，5年林隙的土壤自然含水量高于10年林隙，在这些因素的综合作用下，使得10年林隙的土壤温度要高于5年林隙，且下层土壤温度略高于上层。在水平方向上，相对于林隙中心，林隙边缘地表覆盖度更高、枯层更厚、有机质累积量更大，微生物活跃，同时林隙北缘的光照条件优于林隙中心，从而形成了自林隙北缘至林隙中心土壤温度减小的分布趋势。

2.4不同年龄林隙内土壤pH值的差异

土壤pH值作为土壤理化性质的基本参数和森林生态系统的基本环境因子，影响到许多森林生态过程，已经成为森林生态监测和管理的重要指数。已有人研究了林隙干扰下土壤

酸碱度的变化[2，4]，但对其随林隙发育的变化了解不多[15]。由图5可见，无论是在0～10 cm的表层还是在10～20 cm的下层，10年林隙土壤的pH值都比5年林隙小得多。此外还可看出，不同年龄林隙土壤pH值的空间分布格局变化不大：在水平方向上，从林隙边缘到林隙中心，土壤pH值逐渐增大；在垂向上，0～10 cm的pH值小于10～20 cm，且5年林隙土壤pH值在表层与下层间的差异较10年林隙略大。可见林隙干扰能缓解湿地松人工林的土壤酸性，特别是在林隙发育的初期；后期随着林隙的发育，林隙土壤酸性显著增大，上、下层次酸碱度的差值变小，但林隙土壤pH值的分布格局变化不大，上层土壤的酸性较下层强，林隙中心土壤的酸性较林隙边缘弱。值得注意的是，已有研究表明，湿地松人工林土壤pH值与木材pH值之间存在显著的正相关性，湿地松林木生长与土壤酸化存在着潜在的正反馈过程，即湿地松的酸性凋落物分解→土壤酸性增强→湿地松材质酸性增加→酸性增强了的凋落物分解→进一步增加了土壤的酸性[20]。在这种正反馈过程中，林隙干扰对湿地松人工林土壤酸化的缓解作用就更为突出。

土壤pH值与成土母质、酸沉降、凋落物分解、土壤动植物过程、水文过程等多种因素有关，图5所揭示的湿地松人工林林隙土壤pH值随林隙发育的变化特征，在成因上可能是：随着林隙的发育，枯枝落叶层加厚，凋落物的分解增加土壤酸性；此外，在林隙发育初期，其土壤含水量较大（如“2.1”节所述），水分淋滤作用较强，使得林隙发育初期土壤酸性较弱，且上、下层次土壤酸性差异较大；后期土壤酸性增强，但上、下层酸性差异较小。在垂直方向上，受到土壤水分的淋滤、淀积作用的影响，下层土壤酸性较大；在水平方向上，林隙边缘枯枝落叶层较林隙中心厚，受凋落物分解增强土壤酸性的影响，使得林隙土壤酸性从边缘到中心逐渐减小。

3结论

林隙发育过程中土壤的动态变化特性是认识林隙生态效应的重要内容之一，对林隙土壤演进特征的认识将为森林资源的可持续管理提供指导。受限于长时间尺度动态观测的缺乏，对比分析处于不同发育阶段林隙的土壤特征，可为了解林隙土壤的动态变化特性提供重要参考。通过对5年和10年湿地松人工林林隙的对比研究，呈现了不同年龄阶段林隙内土壤在水热状况和酸碱度上的变化。

在林隙土壤水分状况上，湿地松人工林5年林隙0～10 cm和10～20 cm层次的土壤自然含水量均较10年林隙大，但不同年龄林隙的土壤自然含水量在空间分布格局上的变化不大，在林隙发育的后期空间差异性略大，即上、下层次之间的差异更大，自林隙边缘至林隙中心逐渐减少的趋势更明显。长时间尺度上的水分状况差异主要受地被物的降水拦截作用和蒸散发作用的影响。

作为体现土壤自身属性的一个重要参数，土壤吸湿水含量在不同年龄林隙之间的差异表明，土壤随林隙发育而处于不断变化中。受有机质累积、土壤黏化过程的影响，无论是在0～10 cm层还是在10～20 cm层，10年林隙土壤的吸湿水含量都要比5年林隙高，而且在空间格局上呈现出明显的空间分异：下层土壤吸湿水含量大于上层，自林隙边缘至林隙中心，土壤吸湿水含量逐渐减少，而5年林隙的土壤吸湿水含量在上、下层之间，以及林隙水平方向上的差异很小。

在土壤温度上，10年林隙的土壤温度在0～10 cm和 10～20 cm 层都要高于5年林隙，表明随着林隙的发育，土壤的保温能力增强，土壤温度在空间分布格局上的差异不大；5年林隙上、下层土壤温度差略大，10年林隙垂向上的土壤温度差减小，不同年龄林隙土壤温度在水平方向上的分布格局未有明显变化。

不同年龄林隙内土壤pH值的对比表明，湿地松人工林林隙在发育初期土壤酸性较弱，林隙发育后期土壤酸性显著增加，且土壤上、下层之间的酸碱度差异减小，土壤酸碱度在水平方向上的分布格局未见明显变化。鉴于湿地松人工林土壤酸化过程与林木生长之间的正向反馈关系，在湿地松人工林营林中应该重视林隙干扰对土壤酸化的缓解作用。

参考文献：

[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，单宏臣，谭笑，等. 人工针叶林林冠空隙土壤的研究[J]. 北京林业大学学报，2002，24（4）：16-19.

[3]段文标，冯静，陈立新. 阔叶红松混交林不同大小林隙土壤含水量的时空异质性[J]. 林业科学研究，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.

作为体现土壤自身属性的一个重要参数，土壤吸湿水含量在不同年龄林隙之间的差异表明，土壤随林隙发育而处于不断变化中。受有机质累积、土壤黏化过程的影响，无论是在0～10 cm层还是在10～20 cm层，10年林隙土壤的吸湿水含量都要比5年林隙高，而且在空间格局上呈现出明显的空间分异：下层土壤吸湿水含量大于上层，自林隙边缘至林隙中心，土壤吸湿水含量逐渐减少，而5年林隙的土壤吸湿水含量在上、下层之间，以及林隙水平方向上的差异很小。

在土壤温度上，10年林隙的土壤温度在0～10 cm和 10～20 cm 层都要高于5年林隙，表明随着林隙的发育，土壤的保温能力增强，土壤温度在空间分布格局上的差异不大；5年林隙上、下层土壤温度差略大，10年林隙垂向上的土壤温度差减小，不同年龄林隙土壤温度在水平方向上的分布格局未有明显变化。

不同年龄林隙内土壤pH值的对比表明，湿地松人工林林隙在发育初期土壤酸性较弱，林隙发育后期土壤酸性显著增加，且土壤上、下层之间的酸碱度差异减小，土壤酸碱度在水平方向上的分布格局未见明显变化。鉴于湿地松人工林土壤酸化过程与林木生长之间的正向反馈关系，在湿地松人工林营林中应该重视林隙干扰对土壤酸化的缓解作用。

参考文献：

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[2]耿玉清，单宏臣，谭笑，等. 人工针叶林林冠空隙土壤的研究[J]. 北京林业大学学报，2002，24（4）：16-19.

[3]段文标，冯静，陈立新. 阔叶红松混交林不同大小林隙土壤含水量的时空异质性[J]. 林业科学研究，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.

作为体现土壤自身属性的一个重要参数，土壤吸湿水含量在不同年龄林隙之间的差异表明，土壤随林隙发育而处于不断变化中。受有机质累积、土壤黏化过程的影响，无论是在0～10 cm层还是在10～20 cm层，10年林隙土壤的吸湿水含量都要比5年林隙高，而且在空间格局上呈现出明显的空间分异：下层土壤吸湿水含量大于上层，自林隙边缘至林隙中心，土壤吸湿水含量逐渐减少，而5年林隙的土壤吸湿水含量在上、下层之间，以及林隙水平方向上的差异很小。

在土壤温度上，10年林隙的土壤温度在0～10 cm和 10～20 cm 层都要高于5年林隙，表明随着林隙的发育，土壤的保温能力增强，土壤温度在空间分布格局上的差异不大；5年林隙上、下层土壤温度差略大，10年林隙垂向上的土壤温度差减小，不同年龄林隙土壤温度在水平方向上的分布格局未有明显变化。

不同年龄林隙内土壤pH值的对比表明，湿地松人工林林隙在发育初期土壤酸性较弱，林隙发育后期土壤酸性显著增加，且土壤上、下层之间的酸碱度差异减小，土壤酸碱度在水平方向上的分布格局未见明显变化。鉴于湿地松人工林土壤酸化过程与林木生长之间的正向反馈关系，在湿地松人工林营林中应该重视林隙干扰对土壤酸化的缓解作用。

参考文献：

[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，单宏臣，谭笑，等. 人工针叶林林冠空隙土壤的研究[J]. 北京林业大学学报，2002，24（4）：16-19.

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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.