鼎湖山不同演替阶段森林土壤水分时空变异研究

刘佩伶,陈 乐,刘效东,*,戴雨航,冯英杰,张倩媚,褚国伟,孟 泽

1 华南农业大学林学与风景园林学院, 广州 510642 2 中国科学院华南植物园, 广州 510650

土壤水分作为陆地生态系统水文循环的核心,控制着生态系统内、外部物质和能量的分配与传输,对生态系统的生产力形成与维持、生态系统服务功能的发挥等起到关键性作用[1- 2]。在无人为干扰条件下,开展森林土壤水分含量的固定、长期观测,对揭示区域植被建设与气候变化背景下的生态系统水文学响应以及生态服务功能变化等具有独特意义。

土壤水分是森林生态系统水分蓄库的主体,土壤水分储量受区域气候、植被和土壤等因子的共同作用[3- 4]。气候因子如降雨、气温等直接影响生态系统水分的输入和输出。具体而言,降雨作为区域土壤水分的主要补给来源,降雨强度深刻影响土壤产流形式、入渗强度以及储水量的高低[5- 6]；气温通过改变蒸发速率,影响土壤-植物-大气连续体的水分循环,进而对生态系统耗水过程产生作用。植被因子主要通过冠层截留影响降雨分配格局,由植被覆盖差异影响根系吸水、蒸腾作用过程以及表层土壤蒸发速率,最终使得不同植被类型下土壤水分的储量与分布各异[7]。土壤因子主要通过改变土壤通气和透水能力来影响土壤水分入渗过程,进而对土壤的持水、保水性能产生作用[5,8]。特定气候区而言,森林的自然演替进程伴随着植被组成与结构逐步复杂化以及土壤理、化、生等特性的逐步改善[9],植被组成与结构的改变一方面通过调配大气降雨的输入量与时空分配而影响土壤层水分来源和蒸散过程,另一方面,还通过影响土壤孔隙度、容重、有机质含量等一系列理化特征而间接作用于土壤层水分储量与动态[10]。

植被恢复过程中的土壤水分储量变化以及时空变异一直是生态水文学和自然地理学的研究热点,许多学者从不同环境条件[11- 14]、时间尺度[15- 16]、空间尺度[7,17- 19]下探讨土壤水分变异规律。研究表明：土壤质地、有机质含量、田间持水量等理化性质与土壤水分变异关系密切[20]；此外,对于特定区域来说,土壤水分变异具有明显的时空依赖性。降雨格局影响变异系数的高低,湿润时期的相应值小于干旱时期[21- 22]；土壤表层受环境因素的影响较大,而深层次土壤水分变化主要由根系主导[21],其中土壤含水量变异程度最大的不一定发生在表层[23]。整体上,大部分研究集中于干旱、半干旱地区植被恢复过程中的土壤水分动态及相关生态系统过程；对于降水丰富但干湿季分明的华南地区,如何基于区域典型森林类型土壤水分的长期观测数据揭示土壤水分动态与变异规律,对预测和评估我国华南地区植被恢复与气候变化背景下的森林群落结构变化机制、流域水热环境变化等新时期课题具有重要价值。

本文选取鼎湖山森林生态系统定位研究站站区内严格保护下马尾松人工林(Pinusmassonianaconiferous forest, PF)、马尾松针阔叶混交林(mixedPinusmassoniana/broad-leaved forest, MF)和季风常绿阔叶林(monsoon evergreen broad-leaved forest, MEBF)为研究对象,依托中国生态系统研究网络对各典型林型样地的气象因子、土壤因子等的长期定位监测,探究该区域森林植被自然演替进程中土壤水分时间(年、季)与空间(不同林型、不同土层)变异性及其规律表征,以期为区域植被建设、管理及其相关生态服务功能评估与决策提供支撑。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究地概况

鼎湖山国家级自然保护区(23°09′21″—23°11′30″ N,112°30′39″—112°33′41″ E)位于广东省肇庆市,多丘陵和低山,海拔为100—700 m,最高峰鸡笼山海拔1000.3 m。地处我国南亚热带,属南亚热带湿润季风型气候,水热资源丰富,干季(10月至翌年3月)、湿季(4—9月)分明。年平均气温20.9℃,最热月7月,最冷月1月,年降雨量1 860 mm,年均蒸发量1115 mm,年均相对湿度82%[24]。地带性土壤类型主要为发育于砂岩和砂页岩的赤红壤,富含腐殖质,土壤pH在4—4.9之间[25]。平均土层厚度约50—80 cm,局部地区土层可达100 cm。

图1 研究区概况图(A、B、C分别为MEBF、MF和PF固定观测样地)Fig.1 Overview of the study area (A, B, C represent forest sample plots of the MEBF, MF and PF, respectively)

1.2 试验设计

依托中国生态系统研究网络(Chinese Ecosystem Research Network, CERN)森林样地长期定位观测的统一标准,森林标准样地分别设立在鼎湖山3种不同演替阶段森林类型中,该典型演替序列包括处于演替早期阶段的马尾松人工林(PF)、演替中期阶段的马尾松针阔叶混交林(MF)和演替后期阶段的区域地带性森林植被类型季风常绿阔叶林(MEBF)[25- 27]。上述3种不同演替阶段林型观测样地所处海拔、坡度等基本因子接近,各样地的基本信息如表1所示。不同样地各土层的土壤物理性质如表2所示。于2005年到2015年,使用CERN统一配置中子仪(CNC503B,北京超能科技公司,北京)定期测量各样地0—15、15—30、30—45、45—60、60—75和75—90 cm共 6个土层厚度的土壤含水量,每个样地内设置3—7个土壤水分观测点,样地设置与具体观测方法可参考刘佩伶等[28]。土壤体积含水量VWC(%)和观测剖面的各土层土壤储水量SWS(mm)的计算公式为：

VWC=m (R/Rw)+c

(1)

SWS =VWC ×h/10

(2)

式中,VWC为土壤体积含水量(%)；R是土壤中的中子计数率；Rw是水体中的中子计数率；m和c均为常数,取值分别为12.272和-1.2683；SWS 为各土层土壤储水量(mm)；h为土层厚度(cm)。

1.3 土壤水分变异系数

变异系数(CV)和标准差(SD)的计算公式如下：

(3)

(4)

表1 研究区3种森林类型的基本概况

表2 研究区3种森林类型土壤物理性质

1.4 数据处理

研究期间的气象要素,包括气温和降雨数据,均来源于鼎湖山自动气象观测站的监测。本文研究的指标有样本平均值、标准差和土壤水分变异系数,所有数据处理和分析均采用Excel 2010和SPSS 20.0软件进行,数据结果作图用Sigmaplot 12.5软件完成。通过分析不同演替阶段林型土壤储水量动态以及比较不同林型同一土层体积含水量、同一林型不同土层含水量的差异与变异系数来表征土壤水分的时空动态与变异规律。

2 结果分析2.1 不同林型土壤储水量的时间动态

研究期间,PF、MF和MEBF各林型土壤储水量与降雨年际的变化较为一致(图2)。年尺度上,不同林型土壤储水量的年均值大小关系为MEBF(216.0 mm)>MF(182.1 mm)>PF(169.4 mm),其中MEBF土壤储水量波动范围在149.8—279.2 mm,MF、PF土壤储水量分别在129.3—236.4 mm和99. 5—246.4 mm之间波动。波幅的上限(年均最高值)、下限(年均最低值)均为MEBF最高。此外,上限与下限之差为PF最大,PF相应的年际变异系数也较高(33.6%)。这表明,年尺度上演替后期MEBF相较于早期阶段PF土壤水分有较好的稳定性。

图2 不同林型土壤储水量(0—90 cm)月动态 Fig.2 Monthly dynamics of soil water storage (0—90 cm) in different forest types

年内格局而言,林型间土壤储水量月均值大小关系为PF(170.4 mm)

图3 气象因子与土壤储水量的月动态Fig.3 Monthly dynamics of meteorological factors and soil water storage

干湿季比较来看(图4),各林型湿季土壤储水量亦均明显高于干季,以MEBF为例,湿季土壤储水量均值为231.7 mm,干季土壤储水量均值为200.5 mm。干季时MEBF和MF土壤水分含量分别是PF的1.33倍和1.11倍,湿季时MEBF和MF土壤水分含量分别是PF的1.22和1.05倍,干季时各林型间的土壤储水量差异大于湿季。从季节尺度变异来看,PF、MF和MEBF土壤储水量的变异系数(分别为35.8%、24.1%和25.7%)均明显低于同期降水量的变异系数(57.6%),表明了不同森林生态系统具有稳定的水分调蓄能力。

图4 不同林型土壤储水量的季节动态Fig.4 Seasonal dynamics of soil water storage in different forest types

2.2 不同林型土壤含水量的垂直空间分布

从土壤垂直剖面上不同土层含水量的分布格局来看,不同林型土壤含水量的垂向变化特征不一,但同一林型干季与湿季土壤含水量的垂直变化规律相一致(图5)。具体来说,MEBF无论干、湿季表层0—30 cm的土壤含水量均明显高于下层土壤含水量(P<0.05),而后随着土层加深,各土层土壤水分含量呈现小幅度下降趋势。MF干季时各土壤层含水量仅波动于18.5%(60—75 cm)— 23.2%(15—30 cm)之间,各土层土壤含水量差值较小；而湿季时,随着土层加深,土壤水分含量从27.4%(0—15 cm)逐渐下降到60—75cm土层的22.1%和75—90 cm土层的23.1%。PF 0—60 cm各土层水分含量相当,干、湿季对应土层的水分含量均值分别为18.6%和23.4%,60 cm以下土层水分含量略微下降。

总体上,林型间同一土层土壤含水量表现为PF

图5 各林型下土壤体积含水量的垂直变化Fig.5 Profile distribution of soil volumetric water content under different forest types

2.3 不同林型土壤含水量变异特征

土壤垂直剖面上(图6),干季期间不同林型各土层含水量均为中等变异(10%

从不同季节上看,鼎湖山小流域不同林型(PF、MF和MEBF)各土层土壤含水量的变异系数大小均表现为干季大于湿季,干季时不同林型间的变异系数差异明显。林型间同一土层土壤含水量的变异系数大小关系大致为PF>MF>MEBF,演替后期阶段MEBF无论干、湿季各土层的土壤水分变异系数最小且相近。

图6 各林型下土壤体积含水量的垂直变异特征 Fig.6 Vertical variability of soil volumetric water content under different forest types

3 讨论

对特定研究区而言,土壤储水量主要决定于大气降水量、蒸散、产流以及土壤、凋落物层的水分蓄持能力等水文要素过程间的平衡,与区域水热格局密切相关。土壤水分作为森林生态系统水分蓄库的主体,降雨是土壤水分的主要补给来源[11,30],植被郁闭度差异、不同季节降雨形态和性质[31]共同影响降雨入渗量、入渗深度以及土壤层水分含量的季节动态。本研究结果表明,不同演替阶段森林土壤储水量的季节动态对降雨量变化的响应格局相似,且伴随演替进程,森林土壤层调蓄降水、持水能力逐步增强,这与尹光彩等[32]1999—2002年在鼎湖山保护区开展的森林土壤水分动态相关研究结果一致。相对于降雨的年际和年内变异,各林型的土壤储水量波动幅度较小。年际、年内不同林型的土壤储水量波幅均为PF最大,MEBF最小,说明随着森林演替正向进行,土壤储水量时间变异程度逐渐降低,MEBF林内有着更稳定的土壤水热环境。

伴随演替进程,地上植被组成与结构的复杂化、土壤水文物理特征的改善,土壤含水量逐步提升,这与紫色丘陵区旱地撂荒自然恢复中表层土壤蓄水性能变化表现出相同的特征[33]。植被组成与结构的复杂化通过改变林内水分、热量、养分等循环过程直接或间接影响着土壤理、化、生特征,最终体现为该地区森林自然演替进程中以土壤含水量逐步提升为重要表征的逐步中生化的林内环境。土壤质地作为土壤的基本性质之一,直接影响着水分的保持和下渗以及有机质变化的动态过程[34- 36]。诸多研究表明,植被的恢复过程,伴随着土壤质地细粒化的过程,即土壤粉粒、粘粒含量的增加和砂粒含量的降低,而土壤持水力与粘粒含量高度相关[10,37]。此外,土壤有机质作为土壤理化性状形成的基础,参与并影响着土壤生态功能的各个过程[9, 38]。邵宜晶等[24]研究表明,森林土壤有机碳随演替阶段而增加,在土壤剖面上的分布都呈现显著的表层富集现象。土壤有机质深刻影响着土壤的水文物理特性,其含量对土壤粘粒含量、土壤孔隙度、土壤含水量等具有关键性调控作用[39-40],也因此土壤有机质被视为可用来量度土壤水分保持及其有效性的重要常规性观测指标[41]。因此,处于演替后期的季风常绿阔叶林相较于其他两种林型,虽然复杂的地上植物群落其截留作用减少了降水的净输入,但土壤层对降水的调蓄、持保水能力强,伴随演替进行土壤层含水量尤其是表层土壤含水量增加显著。

图7 不同季节土壤体积含水量与变异系数的拟合关系 Fig.7 The regression of soil volumetric water content and coefficient of variation in different seasons

土壤含水量的增加可以显著降低其变异程度(图7),本研究地区湿季降水雨量大、降水频率高,土壤含水量相对稳定,湿季时各林型均表现为相对于干季较小的土壤水分变异特征,这与Jacopo等[21]、潘颜霞等[22]人的研究结果一致。气候、土壤、植被等共同控制着土壤剖面上各层土壤水分的运动过程[1],影响因子的随机性和空间异质性决定各土层土壤水分变异的复杂程度。Yu等[12]的研究表明,表层土壤含水量受降雨、蒸发的影响强烈,加上根系吸收过程增强了表土水分的变异程度；深层次土壤水分输入有限且深根引起水分输出较大,使得深层土壤水分变异增大。Liu等[23]在祁连山的研究结果则发现20 cm处土层含水量的变异系数显著高于5 cm处的相应值,土壤水分最活跃的深度并没有发生在表层。鼎湖山不同演替阶段森林下表层土壤水分的变异程度区别于相邻土层,与受环境因子影响大有关；深层次土壤的水分变异也有增大的趋势,但变化并不连续,可能与各林型根系分布有密切联系。沿演替方向,深层次土壤水分变异减小得益于森林生态系统地上与地下、植物与土壤等之间的协同、响应机制的完善。PF植被结构单一,土壤蓄、保水能力低,土壤水分尤其表层土壤水分易散失,导致PF深层土壤水分变异显著高于其他林型。总体上,演替进程中不同林型间同一土层土壤含水量的变异系数大小关系大致表征为PF>MF>MEBF;垂直剖面方向上,无论干、湿季MEBF各层土壤含水量变异较缓和,充分体现了该顶级群落优越的中生化稳定的土壤水分环境,这主要与森林演替伴随着地上植被群落结构调整、地下根系延展以及土壤物理性质改善有密切关系。

整体上,伴随PF→MF→MEBF自然演替进程,土壤水分储量逐步提升、时空稳定性增强,相同水热条件下的水分分配与供给策略趋于完善。土壤水分作为森林生态系统的主要水分蓄库,自然演替进程中其蓄水量的提升及稳定性增强,对保障森林生态系统结构的稳定与提高生态功能的发挥具有重要的意义。

4 结论

在雨热同期、干湿季明显的南亚热带地区,鼎湖山森林土壤储水量及其时间动态受降雨量的影响显著。从降雨量及森林土壤储水量的时间序列动态来看,土壤层对降雨具有强烈的调蓄作用,且伴随PF→MF→MEBF自然演替进程,调蓄水分能力逐步增强。且顶极群落MEBF相对于初级演替阶段PF,土壤储水量均呈现为较小的年际与年内变幅,蓄水、保水能力突显。

从土壤水分含量及其空间格局来看,伴随自然演替进程,土壤含水量的规律性变化明显。林型间,由初期阶段PF到顶级群落MEBF,森林生态系统土壤含水量逐渐提高,尤其是森林表层土壤。不同季节下,同一林型的土壤含水量垂直分布格局较为一致。从森林土壤含水量的时空变异性来看,伴随自然演替进程,其规律性变化也较明显。不同季节而言,PF、MF和MEBF各土层土壤含水量的变异系数大小均表现为干季大于湿季；演替进程中的不同林型比较,林型间同一土层土壤含水量的变异系数大小关系表征大致为PF>MF>MEBF。垂直剖面方向上,无论干湿季MEBF各层土壤含水量变异较缓和,充分体现了MEBF优越的土壤水分时空调配能力。

整体上,伴随PF→MF→MEBF自然演替进程,土壤水分储量、稳定性及水分调配策略趋于完善。

致谢：感谢中国生态系统研究网络鼎湖山森林生态系统定位站的大力支持。

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