厦门山地主要林地土壤肥力及水源涵养功能研究

王 婷

(深圳市高山水生态园林股份有限公司， 深圳 230036)

厦门山地主要林地土壤肥力及水源涵养功能研究

王 婷

(深圳市高山水生态园林股份有限公司， 深圳 230036)

对厦门山地常见4种林型的物种多样性、土壤肥力和涵养水源功能进行了分析研究，以探索不同林地类型涵养水源能力。结果表明：常绿阔叶林、落叶阔叶林和针阔叶混交林的Shannon-Winner指数相对较高，而且能增加土壤有机质和N、P、K含量，改善土壤养分状况；针叶疏残林能提高土壤有效P的含量； 各林型的枯落物吸水量大小依次是：针阔叶混交林(18.193 t/hm2)>落叶阔叶林、(8.936 t/hm2)>常绿阔叶林(4.113 t/hm2)>针叶疏残林(4.004 t/hm2) ；将土壤非毛管孔隙度大小作为判断和计算土壤蓄水量的基本标准，则土壤持水量大小依次是落叶阔叶林、针阔叶混交林、针叶疏残林和常绿阔叶林。

森林类型；土壤；肥力；水源涵养

有关林地涵养水源特性正在成为国内外森林生态学和水土保持学研究的热点，已经取得了很多成果，并从定性研究进入到定量研究阶段[1-4]。其主要理论和核心技术包括，枯落物层在森林水源涵养中的机理和作用；枯落物层涵养水源能力的总体趋势；枯落物层最大持水量；影响枯落物层涵养水源特性的因素；土壤层的入渗和储水性能；枯落物与土壤养分和土壤肥力的关系等[5-7]。另外，就研究方法而言，在人工模拟条件下研究的比较多，在自然降水情况下研究不足；同时森林生态学者大多将枯落物作为森林水分或养分循环的一个环节，而水土保持学者大多研究植被与侵蚀的关系，而专门研究枯落物层的蓄水保土作用略显不足。以厦门市郊落叶阔叶林、常绿阔叶林、常绿针阔叶混交林和针叶疏残林为研究对象，研究其林地枯落物组成状况、土壤持水特征、土壤理化性质和水源涵养功能，揭示不同森林类型间土壤特征及水源涵养功能的差异及规律，为该地区森林经营提供基础依据。

1 材料和方法

1.1研究地概况

厦门市地处E 118°04′04″、N 24°26′46″，位于福建省东南部。全市土地总面积1 569.3 km2，地貌类型除300 km2的海域外，低丘和台地占土地总面积的62.5%，海拔300～400 m，坡度多在25°以下。气候属南亚热带海洋性季风气候，平均气温为20.7℃，年降水量1 200 mm，相对湿度76%。土壤主要为砖红壤性红壤、红壤，其次为黄壤，在海岸边缘与滩涂分布着盐土与风沙土。

地带性植被为亚热带季风常绿阔叶林，目前典型的地带性顶极群落已不复存在，残存的次生林主要建群树种有：针叶树的马尾松(Pinusmassoniana)和木麻黄(Casuarinaequisetifolia)；落叶阔叶树有榔榆(Ulmusparvifolia)、合欢(Albiziajulibrissin)、铁刀木(Cassiasiamea)、凤凰木(Delonixregia)、南洋楹(Albiziafalcataria)、白蜡树(Fraxinuschinensis)和野漆(Toxicodendronsuccedaneum)等；常绿阔叶树有台湾相思(Acaciaconfusa)、朴树(Celtistetrandrassp)、土蜜树(Brideliastipularis)、榕树(Ficusmicrocarpa)、厚壳树(Ehretiathyrsiflora)、豺皮樟(Litsearotundifolia)等；灌木层主要优势种有大青(Clerodendrumcyrtophyllum)、牡荆(Vitexnegundovar.)、桃金娘(Rhodomyrtus)和盐肤木(Rhuschinensis)等；常见地被植物有铁芒萁(Dicranopterisdichotoma)、羊角藤(Morindaumbellata)、南蛇藤(Celastraceaeorbiculatus)、皱叶狗尾草(Setaria?glauca)、白茅(Imperatacylindrica)、扇叶铁线蕨(Adiantumflabellulatum)和尖叶马唐草(largecrabgrass)等[8-9]。

1.2研究方法

1.2.1 调查方法 以落叶阔叶林、常绿阔叶林、常绿针阔叶混交林、针叶疏残林4个林型为调查样地，在每一样地内各设置5个面积为100 m2的调查样方，逐样方计测乔、灌植物的种名、种数、密度和郁闭度。再在每一样地内选择有代表性的地段各挖1个土壤剖面，并在剖面的20，40和60 cm 深处用环刀取样供理化分析；同时在每一样地内选择1个典型样方并采用对角线交点及在其4角处设5个1 m×1 m的枯落物调查样方，收集枯落物，用作测定枯落物的持水量[10-12]。

1.2.2 乔灌木植物物种均匀度及多样性的计算

(1) Shannon-Winner物种多样性指数：

(H′)=-∑PilnPi

式中:Pi为i种的个体在全部个体中的比例 。

(2) Pielou均匀度指数：

E=H′/Hmax

式中：H′为实际观察的物种多样性指数，Hmax为最大的物种多样性指数，Hmax=LnS(S为群落中的总物种数)[13]。

1.2.3 土壤化学分析 将同层土样充分均匀混合处理后，测定其pH值、有机质含量、大量营养元素(全N、P、K速效N、P、K)含量，CEC(阳离子交换量)、代换性阳离子和盐基饱和度。其中，pH用电位法测定；有机质采用外加热法；全N用凯氏定氮法；速效N 用碱基扩散法；速效P用钼锑抗比色法；速效K用1 mol/L NH4OAc 浸提-火焰光度法；阳离子交换量(CEC)用1 mol/L NH4OAc中和法；用火焰光度法测定K+、Na+；用原子吸收分光光度法测定Ca、Mg含量[14-16]。

1.2.4 枯落物持水量测定 从外业小样方内收集的枯落物总量中抽取50～150 g作为标本在水中浸泡称重至恒重。

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为枯落物持水量(t/hm2)，L为枯落物积累量(t/hm2)，C为枯落物最大吸水率(%) 。

1.2.5 土壤持水量测定 土壤容重测量，采用环刀法(环刀容积为100 cm3)；土壤总孔隙度的测定，利用测定容重的环刀浸入水中24 h，称重至恒重。

饱和含水率(%)=(浸泡后土重量-烘干土重量)/烘干土重量×100%

总孔隙度(%)=饱和含水率×容重

土壤毛管孔隙度的测定，将测定过的总孔隙度的环刀置于铝盒(内含与环刀相同的土壤)上，中间用一滤纸隔开，放置12 h称重至恒重。

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(%)=总孔隙度-土壤毛管孔隙度

土壤持水量V=10000×P×D，P为非毛管孔隙度(%)，D为土层深度(m)

土壤水分测定，采用恒温箱烘干法[17-21]。

2 结果与分析

2.1厦门山地主要林地乔灌层物种多样性

目前在厦门山地常见的主要林地有，常绿阔叶林、针阔叶混交林、落叶阔叶林和针叶疏残林。对4种林地的乔灌植物物种多样性调查、测算结果表明，常绿阔叶林的乔木层和灌木层的物种数、多样性指数和密度3项指标均居各林地之首，均匀度和郁闭度较高，土壤pH最低；针叶疏残林的乔木层各项植被指标均最低，但其灌木层物种数和多样性指数最高，密度、均匀度和郁闭度都最低，土壤pH最高；针阔叶混交林和落叶阔叶林各项植被指标和土壤pH均介于常绿阔叶林和针叶疏残林之间，足见常绿阔叶林和针叶疏残林是当地原生植被趋于次生化的两个极端(表1，2)。调查表明，当地原生植被在各种因素干扰下虽已失去了原生景观，但其变化过程是渐次的，并形成了不同分化类型，其中常绿阔叶林所受干扰程度较小，比较接近原生植被，而针叶疏残林所受干扰程度较大，因而次生化程度更明显。

2.2土壤肥力状况

2.2.1 不同林地类型土壤有机质状况 结果表明：① 4种林地土壤有机质含量均以中、上层土壤明显高于下层；② 不同林地同一层次土壤的有机质含量为：落叶阔叶林>常绿阔叶林>针阔叶混交林>针叶疏残林，第1层土壤有机质含量为常绿阔叶林的占落叶阔叶林的86.78%，针阔叶混交林的占常绿阔叶林的85.87%，针叶疏残林占针阔叶混交林的83.87%，其中最低含量占最高含量的38.46%；③ 在各林地的第2层和第3层土壤中有机质含量总的变化趋势也表现为落叶阔叶林>常绿阔叶林>针阔叶混交林>针叶疏残林，呈递减趋势；④ 各林地土壤中的全N、P、K及速效N、P、K在各层次土壤中的变化趋势与有机质含量总的变化趋势相似(表3)。表明落叶阔叶林、常绿阔叶林、针阔叶混交林的土壤熟化程度和土壤肥力都比较高，而针叶疏残林则较差。

表1 各类林地乔木层的多样性指数

表2 各类林地灌木层的多样性指数

表3 各类林地土壤有机质及营养元素含量

据此可知：不同林地可直接影响土壤有机质状况，且对中、上层土壤影响较大；落叶阔叶林、常绿阔叶林和针阔叶混交林都能促进土壤全N、P、K及有效N、P、K的含量，改善土壤养分状况；针叶疏残林能提高土壤有效P的含量。

2.2.2 不同林地类型土壤阳离子代换量及代换性元素 阳离子代换量(CEC)是表征土壤供肥、蓄肥能力的指标，代换量大，土壤保存有效养分的能力强，不易造成养分的淋失。针阔叶混交林、落叶阔叶林和常绿阔叶林各层土壤的CEC 值都大于100 mmol/kg，针叶疏残林各层土壤的CEC 值均小于50 mmol/kg(表4)。由此可见，针阔叶混交林、落叶阔叶和常绿阔叶林土壤的供肥、蓄肥能力较强，而针叶疏残林土壤的供肥、蓄肥能力则较差。这是因为土壤的CEC 值不但受土壤母质及土壤发育程度的影响，而且还受林木枯落物归还量、土壤淋溶作用强度以及土壤酸化程度的影响。针叶疏残林枯落物所含的K、Na、Ca、Mg等灰分元素低于其他3种林地枯落物所含的K、Na、Ca、Mg等灰分元素；通常情况下，针叶林对枯落物的分解速度比阔叶林的慢；针叶林下土壤的淋溶作用强于阔叶林；枯落物分解产生有机酸导致土壤酸化也是重要影响因素之一。

同一林地类型不同土层CEC值的变化规律，针阔叶混交林、落叶阔叶林随着土层深度的增加CEC值略有增加；而常绿阔叶林和针叶疏残林随土层深度的增加CEC值略有减少。这可能是针阔叶混交林、落叶阔叶根系吸收表层土中的阳离子，使其含量减少；常绿阔叶林枯落物的分解速度快，因而靠近地表层CEC值略有增加；针叶疏残林由于根系分布较深，因而CEC值略有减少。

表4 各类林地不同土层阳离子代换量(CEC)

2.2.3 不同林地类型土壤容重与孔隙度 不同林地土壤的容重与孔隙度受土壤发育状况影响，而土壤发育的好坏又直接受林地植被的影响。林地类型的不同，其表层的枯落物构成及地下根系的生长发育状况、枯落物的分解程度等均存在差异，并造成了林地土壤物理化学性质的差异，土壤容重与孔隙度是这种差异的两个重要测度值。

4种林地类型土壤容重变化的总趋势随着土层深度的增加而增加；相反土壤孔隙度则随土层深度的增加而减少(表5)。其原因是近地表层(0～20 cm)土壤受枯落物积累、腐烂枯落物所形成腐殖质层的影响；在20～40 cm 的土层为林木主要根系的分布区，根系的生长发育，有利于土壤的发育，改善了土壤结构，所以土壤孔隙度又较40～60 cm 的土层为高。各林地土壤总孔隙度自大至小排序为落叶阔叶林、常绿阔叶林、针阔叶混交林、针叶疏残林。

2.2.4 不同森林类型枯枝落叶涵养水源效益 借助林下地表枯落物涵养水源和保持水土是林地的重要途径之一。枯落物不仅能很好地防止雨水直接冲击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别较大。

针阔叶混交林的枯落物高达8.066 t/hm2，而针叶疏残林的枯落物重量为3.752 t/hm2，前者是后者的2.15倍，4种林地枯落物量由多到少依次是针阔叶混交林、落叶阔叶林、常绿阔叶林、针叶疏残林。针阔叶混交林和落叶阔叶林枯落物的吸水率最高，分别为292.641%和205.181%，而针叶疏残林的吸水率最低，只有138.291%，吸收率从高到低依次为针阔叶混交林>落叶阔叶林>常绿阔叶林>针叶疏残林。吸水量以针阔叶混交林最高，达到18.193 t/hm2，针叶疏残林的枯落物量最少，吸水率最低，其枯落物的吸水量仅为4.004 t/hm2(表6)。不同林地枯落物的吸水量由高到低依次为针阔叶混交林、落叶阔叶林、常绿阔叶林和针叶疏残林。

表5 各类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 不同森林类型土壤蓄水能力 林地蓄水量包括枯落物层蓄水量和土层蓄水量。有关研究表明土壤的渗透性能主要取决于非毛管孔隙，在饱和持水量中，非毛管孔隙中滞带的重力水在调节土壤蓄水能力方面具有更为重要的作用。因此，近年来有不少研究报道，将土壤非毛管孔隙度大小作为判断林地土壤蓄水能力大小的主要指标，并以它作为计算土壤蓄水量的基本标准。对4种类型土壤非毛管孔隙持水量进行比较，4种类型的土壤非毛管持水量由大到小依次是落叶阔叶林、针阔叶混交林、针叶疏残林、常绿阔叶林(表5) 。

3 讨论

针对厦门市现存4种常见林地的枯落物层和土壤层的持水特性，进一步揭示不同林地水源涵养功能大小，对同类研究数据库资料具有重要补充作用。研究结果表明，枯落物储存量为针阔叶混交林大于阔叶林，这与巢湖南岸散兵镇佛岭林场不同林型枯落物现存量的变化趋势一致[22]。土壤总持水量和非毛管持水量随土层深度的变化规律，与长白山地区不同林型土壤、缙云山不同林地类型土壤及黄土高原油松和刺槐人工林土壤的变化规律相似[23-25]。土壤密度随土层深度变化依次增大，孔隙度表层相对于下层较大，这种变化特性可能与植物根系的空间分布有关，因为植物的根系主要分布在表层[26]，进而影响各种指标的持水特性。针叶疏残林由于受扰动影响较大，林木稀疏，林下枯落物层最少，林下植被更新进展缓慢，进而影响林地发育状况，其土壤密度、孔隙度、水源涵养功能都小于针阔叶混交林，这与徐学华等[27]研究冀北山地取得的结果一致。

影响林地水源涵养功能的因素很多，而这些因素具体的细微变化会对结果产生多大的影响，有待进一步研究和讨论；枯落物层具有很强的水源涵养功能，建议在今后的森林经营中注重保护林地的枯落物，保护现有的阔叶林，改造针叶树残林，加强营造针阔叶混交林，以利提高枯落物的储量和分解程度，进一步改善土壤理化性质，充分发挥厦门市及其周边地区森林水源涵养功能的生态效益。

4 结论

(1)对厦门山地4种林地乔、灌层的物种数、密度、均匀度、郁闭度、生物多样性研究结果表明：阔叶林优于针叶林、成年林优于幼年林、接近原生林优于次生林；针叶疏残林的土壤pH最高。

(2)落叶阔叶林、常绿阔叶林和针阔叶混交林都能促进土壤全N、P、K及有效性N、P、K的含量，且各层土壤的CEC 值都大于100 mmol/kg；针叶疏残林能提高土壤有效P的含量，但各层土壤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较高，有利于涵养水源，而针叶疏残林供肥、蓄肥和涵养水源能力较差。

(3)研究各林型土壤孔隙度和持水量发现：落叶阔叶林容重最小，总孔隙度、总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证明，林地枯落物吸水量受枯落物的储量和吸水率的共同影响，不同林地枯落物储量及其吸水量由高到低依次为：针阔叶混交林、落叶阔叶林、常绿阔叶林和针叶疏残林。

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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

南方沿海盐碱草坪浇水技术研究项目资助

王婷(1974-)，女，江西萍乡人，学士。 E-mail：365770963@qq.com

S 727.21

：A

：1009-5500(2017)04-0098-07