中亚热带不同演替森林群落林地土壤渗透性特征1)

2023-07-10朱梦雪王克勤赵洋毅涂晓云

东北林业大学学报 2023年7期

朱梦雪王克勤赵洋毅涂晓云

(西南林业大学,昆明,650224)

演替等级较高群落提高水分入渗、改善土壤结构、调节森林水量平衡[1],群落植被丰富,土壤结构孔隙大、有机质质量分数高[2]。植被、土壤与森林功能紧密相关[3],森林群落正向演替可改善土壤结构,土壤有机质质量分数和颗粒稳定性均提高[4-6];Jucker et al.[7]研究表明,不同土壤和气候特征能够调节森林生态功能;植被丰富度可影响森林群落多功能性,物种丰富,群落林分结构复杂,土壤孔隙度改善显著,生态系统功能随之提高[8-9]。

水分下渗过程受土壤条件、植被根系、孔隙特征以及水热条件等多因素影响,土壤入渗情况能够反映土壤结构特征,土壤结构和质量佳,则入渗能力好[10-11];植被根系分布与入渗情况显著相关,除风沙区外,林地根系网络较草地发达,林地土壤孔隙性能更佳[12],风沙区植被恢复改善土壤结构,截留蓄积水分,抑制水分下渗,故草地土壤入渗较林地更快[13];Chari et al.[14]在空间尺度上探究不同入渗时间和入渗量的差异,分析入渗速率与各参数关系。研究可以采用环刀定水头法监控土壤入渗过程,也可用Horton、Kostiakov等模型模拟入渗过程及效果。天山不同群落的入渗过程与Kostiakov模型拟合度大于其他模型,更能准确反应水分入渗过程,而喀斯特浅层裂隙土壤入渗和Horton模型的拟合度更高[15-16],因此对于不同研究可选择不同模型对其进行拟合描述。

开展不同演替群落林地土壤渗透性研究可为区域内森林土壤水运动和植被恢复提供基础数据。目前关于植被群落研究,多为撂荒草地与土壤养分效应[17]、不同地被物类型土壤水分特征[18]和群落演替土壤微生物种类[15]等方面的研究,对于不同演替群落土壤水分入渗特征及水土保持研究鲜少[19]。磨盘山是云南亚热带北部和南部气候复合过渡带,区位特征明显,受海拔、温度及强风影响,中山以半湿性常绿阔叶林为主,高山分布少见高山矮林,保留着原始森林群落特征;磨盘山地处云南玉溪森林生态系统观测站,也是新平县重要的水源涵养林,发挥着水源涵养、保持水土和调节森林生态的功能[20],区域内土壤入渗特征研究对认识不同群落结构土壤入渗特征和生态功能研究有重要意义。所以,以滇中磨盘山演替初期云南松林、演替中期云南松阔叶树混交林和演替顶级常绿阔叶林为对象,采用定水头法和原状土柱水分穿透试验研究水分运动和入渗特征,探讨不同演替群落林地正向演替入渗特征及影响因素,为植被恢复、水土保持和提高森林系统生态服务功能提供参考。

1 研究区概况

研究区位于云南省玉溪市磨盘山森林生态系统观测站(23°46′18″～23°54′34″N、101°16′6″～101°16′12″E),海拔1 260.0～2 614.4 m,山底沟谷的南亚热带气候向山顶的北亚热带气候过渡,具典型的山地气候特征。降雨集中在5—10月,年均降雨量1 050 mm,年均气温15 ℃,极端高温可达33 ℃,极端低温-2.2 ℃。土壤以山地红壤和玄武岩红壤为主,高海拔地区分布有黄棕壤,区域内植物种类多且随海拔增加垂直分布较为明显,主要有梭罗树(Reevesiapubescens)、云南含笑(MicheliayunnanensisFranch. ex Finet &Gagnep)、锈叶杜鹃(RhododendronsiderophyllumFranch)、高山栲(CastanopsisdelavayiFranch)及华山松(PinusarmandiiFranch)等。

2 研究方法

2.1 样地设置

本研究选取区域内演替初期云南松林、演替中期云南松阔叶树混交林和演替顶级常绿阔叶林3个不同演替阶段的森林群落为对象,于地形、植被覆盖度、坡向及海拔等相近的地方开展试验,在各样地内选取2块10 m×10 m的样方,在每个样方内随机选择2个试验点,试验共计12个试验点,样地基本概况见表1。

表1 研究样地基本特征

表2 4种模型的公式及参数说明

2.2 土壤入渗过程参数测定及模型模拟

采用环刀法测定土壤的水分入渗速率[15]。用200 cm3的环刀分层采集原状土柱,带回实验室,将其置于水中浸泡12 h至饱和状态,后置于粗砂上控水12 h,达到田间持水量。在环刀上边缘涂上凡士林,用胶带固定两环刀,避免水从环刀缝隙中流出。土柱上方放1张滤纸,防止水冲刷破坏土壤结构,开始加水时计时,至有水从环刀底部流出。从入渗开始,分别于1、2、3、5、10、20、…、60 min记录不同时段的入渗量,试验至入渗稳定时停止,计算土壤的入渗参数及水分入渗系数K。

K=QL/Sth。

式中:K为水分入渗系数;Q为入渗稳定时的出流量(单位为cm3/s);L为土柱长度(单位为cm);S为环刀底面面积(单位为cm2);t为每次渗透所间隔的时间(单位为min);h为试验中水层厚度,即水头(水位差,单位为cm)。

土壤入渗性能是水分入渗快慢的特征参数,常用入渗速率、入渗总量和入渗系数分析其渗透性。选择考斯加科夫(Kostiakov)模型、菲利普(Philip)模型、霍顿(Horton)模型和通用经验模型对野外入渗过程进行拟合,利用不同统计模型对入渗性能进行评价。

2.3 野外染色试验和土壤理化性质测定

野外试验布设于地势平坦区域,去除土壤腐殖质层及以上的杂物后,土壤表面整理平整,将70 cm×70 cm×60 cm的铁框砸入土中50 cm深,用木槌将铁框内壁5～7 cm的土夯实,依据研究区降雨数据,根据积水渗透原理,用马氏瓶供水装置将25 L质量浓度为4 g·L-1的亮蓝溶液均匀喷洒在铁框内[21],用防雨布将铁框盖住,避免受降雨影响。24 h后,除去防雨布和铁框,对染色剖面的中心区域进行挖掘,由上至下每隔10 cm分层收集土样、石砾和根系,用以测定土壤理化性质和根密度指标,用100 cm3环刀采集土柱,测定土壤密度及孔隙度等指标。

分层采集土样带回室内,测定土壤理化性质,具体方法依据《土壤农化分析》[22],用激光粒度仪(MS 3000)测定土壤机械组成,计算土壤不同粒径质量分数;土壤含水率采用烘干法测定;土壤密度和总孔隙度采用环刀法测定;土壤有机质质量分数采用重铬酸钾——外加热、硫酸亚铁滴定法测定;土壤全氮、全磷和全钾质量分数测定采用H2SO4-H2O2消解,全自动定氮仪测定全氮质量分数,流动分析仪测定全钾和全磷质量分数;水解性氮质量分数用扩散吸收法测定;有效钾质量分数用火焰光度法测定;用分光光度计法测定土壤有效磷质量分数。

分层采集土样时,收集各土层的植物根系(活根和腐烂根),带回室内用纱布包裹并洗净表面泥沙,对其进行分类后,置于阴凉处晾干。将所收集植物根系按照直径(r)大小分为r≤1 mm、1 mm10 mm 5个径级,根据公式计算根系的根长密度和根质量密度。

式中:qr,1为根长密度(单位为m/m3);Lr为各径级根系长度(单位为m);V为土壤体积(单位为m3);qr,m为根质量密度(单位为kg/m3);Mr为各径级根系质量(单位为kg)。

2.4 土壤入渗性能与各理化指标的效应分析方法

土壤水分入渗系数对各土壤性质效应的弹性系数(PE)是指某一土壤理化指标的变化率与水分入渗系数的比值[23],其值可以反映土壤渗透性与各土壤因子间的影响效应,弹性系数表达式为:

PE=(ΔY/ΔK)/(K/Y)。

PE为弹性系数,Y和K为不同土壤理化指标和入渗系数,ΔY和ΔK分别为各土壤理化指标和入渗系数的变化量。当PE>1时,表现为影响效应处于递增阶段,当PE=1时,说明两个变量同比例变动,0

用边际量系数对土壤入渗性能和各影响参数进行分析,是指各演替森林群落各土壤特性的改善致使的K的增量,表达式为:

式中:PMP为边际量系数,ΔY和ΔK分别为各土壤理化指标和入渗系数的变化量。

2.5 数据处理

用SPSS24.0软件使用Duncan法进行差异性分析和双因素方差分析,分别比较不同演替群落和土层间的差异性(显著性差异检验在0.05水平),对土壤因子和根系指标与入渗进行回归分析和通径分析。

3 结果与分析

3.1 不同演替群落林地土壤水分入渗及土壤渗透特征

不同演替群落土壤入渗过程和入渗速率的变化规律相同(表3),入渗速率先降低后趋于稳定,不同演替群落入渗速率变化显著(P<0.05),顶级群落入渗速率最快。

表3 不同土层深度和演替群落的土壤水分入渗速率

同一林地入渗速率随土层深度增大显著减小(P<0.05),是因为深层土壤孔隙度减小且土壤紧实,疏松度小,水分下渗受阻,土壤渗透性减弱。同一演替群落同一土层,各入渗速率间都呈初渗速率>平均入渗速率>稳渗速率,且各入渗速率间变化显著(P<0.05)。群落正向演替,0<土层深度(h)≤40 cm的演替顶级常绿阔叶林入渗速率显著大于演替初期和演替中期林地,40 cm

不同演替群落土壤入渗总量和入渗系数见表4。随着土层深度的增加,入渗总量显著减少(P<0.05);演替初期入渗总量最低,随着群落演替入渗总量增大。各林地入渗总量随土层加深显著减小(P<0.05),是因为深层土壤孔隙度减少,水分入渗受限,入渗速率降低。不同群落入渗系数差异显著(P<0.05),且同一土层深度,演替顶级入渗系数最大,0～50 cm的各土层深度,演替顶级入渗系数依次为:6.040、2.816、1.346、0.534、0.062 mm/min,分别是演替初期的10.626～4.133倍,演替中期的3.112～2.138倍。植被群落演替等级越高,土壤理化性质越好,提高入渗速率,促进水分入渗。孔隙性能和土壤质量的改善对提高森林土壤蓄水持水能力,调节森林水文功能有更为明显的作用。

表4 不同演替群落土壤入渗系数及入渗总量

3.2 不同演替群落水分入渗过程模拟

表5为利用Kostiakov模型、Philip模型、Horton模型和通用经验模型对演替群落入渗过程的拟合结果。Kostiakov模型拟合精度在0.689～0.969之间,演替初期云南松林、演替中期云南松阔叶树混交林和演替顶级常绿阔叶林,其a值分别为2.638～0.051、8.544～0.404和16.340～0.298,演替顶级a值最大,与初渗速率、稳渗速率变化规律一致;Philip模型中A为稳渗速率,模型模拟数值比实测值小,演替初期云南松林、演替中期云南松阔叶树混交林和演替顶级常绿阔叶林分别与实测值相差0.006～0.061、0.038～0.677和0.031～1.663 mm/min;Horton方程表明,与云南松林比,云南松阔叶树混交林和常绿阔叶林的入渗速率增大,随着群落演替的进行,土壤的入渗性能提高。不同模型对入渗拟合方程的决定系数(R2)越大,表明其对入渗过程的拟合越好,4种模型中,对森林土壤的入渗过程拟合平均决定系数从大到小依次为:Horton模型(0.991)、Philip模型(0.866)、Kostiakov模型(0.865)、通用经验模型(0.828),表明Horton模型效果最佳,更能表示土壤的水分入渗过程。

表5 不同演替群落类型水分入渗过程模型拟合结果

3.3 土壤理化指标与入渗性相关性分析

水分入渗过程受土壤因素和植被根系的影响,选择土壤理化特征和根系密度与水分入渗系数进行相关系数分析,结果见表6。土壤水分渗透性(各入渗速率、入渗总量和入渗系数)与土壤密度、黏粒和粉粒质量分数呈极显著负相关(P<0.01),且土壤密度对土壤入渗负作用效应更大;有机质质量分数、全氮、水解氮、全磷、速效磷、速效钾、砂粒质量分数与入渗系数和入渗速率呈极显著正相关(P<0.01);全钾质量分数对土壤水分入渗呈负相关效应;根长密度对渗透性影响较大,平均相关系数为0.745,根质量密度对入渗性的平均相关系数为0.543,根长密度对入渗影响更显著;土壤有机质、全氮、全磷、速效钾质量分数和土壤含水率与入渗性显著相关,表明土壤结构和质量越佳,越有利于土壤水分的下渗。

表6 土壤理化指标与入渗参数的相关系数

为探讨土壤性质与水分入渗的关系,根据各入渗参数和理化性质相关系数分析结果,对土壤因子与入渗系数进行回归分析和通径分析(表7)。以入渗系数(Y1)为因变量,探究其与土壤含水率(X1)、土壤密度(X2)、总孔隙度(X3)、有机质质量分数(X4)、全氮质量分数(X5)、水解性氮质量分数(X6)、全钾质量分数(X7)、速效钾质量分数(X8)、全磷质量分数(X9)、速效磷质量分数(X10)、黏粒质量分数(X11)、粉粒质量分数(X12)、砂粒质量分数(X13)、粒径>0.25 mm团聚体质量分数(X14)、根长密度(X15)、根质量密度(X16)等的关系,回归方程为Y1=-3.536+1.73X5-0.019X4+0.153X2-0.058X11+0.078X15(R2=0.973),表明植物根长密度、土壤密度、全氮、黏粒和有机质质量分数对入渗影响更突出。土壤质地和养分质量分数反映了土壤好坏及疏松度,植被根长密度促进土壤中大孔隙的形成,良好的土壤结构和丰富的细小根系,促进连通孔隙的形成,提高土壤的入渗性能。

表7 土壤主要物理因子对水分入渗系数的通径分析结果

通径分析表明,各影响因子对入渗系数(K)的直接作用系数从大到小依次为全氮质量分数(X5,1.524)、有机质质量分数(X4,0.992)、根长密度(X15,0.607)、黏粒质量分数(X11,0.189)、土壤密度(X2,0.166),全氮质量分数对入渗系数的直接作用最大,而有机质质量分数对入渗系数的间接作用最大。土壤中的养分质量分数和有机质等越高,土壤结构和质量越佳,对促进水分运动和保持水土性能越好。

土壤理化特征与土壤入渗的弹性系数及边际量系数见表8。结果表明,土壤密度、黏粒和粉粒质量分数与土壤入渗系数的弹性系数(PE)<0,表明这些理化性质对土壤入渗性能的影响处于负效应阶段,对土壤的渗透性呈负向抑制作用;而土壤水解性氮、全钾、速效钾、全磷、速效磷质量分数、土壤含水率、总孔隙度和植被的根质量密度与入渗系数的弹性系数01,表明其影响效应在递增。

表8 土壤入渗系数与各理化参数的弹性系数和边际量系数

土壤水分入渗系数和各影响参数的边际量系数表明,土壤有机质、水解性氮、速效钾质量分数、砂粒质量分数和植被的根长密度对土壤的边际量系数依次为12.35、43.12、29.95、6.05、7.00,表明其对土壤的入渗性有较为紧密的影响。结合弹性系数及边际量系数可知,土壤有机质、氮养分质量分数和植被根长密度对研究区的土壤入渗性影响较大。

4 讨论

4.1 不同演替群落土壤水分入渗特征

正向演替群落土壤孔隙特征差异明显,有机质和Mg2+金属离子积累,土壤有效养分增加且具多元化[24],土壤孔隙度高,有利于水分下渗。演替顶级森林土壤发育程度高,林内枯落物丰富,有机质质量分数和土壤稳定性增强,促进大团聚体形成,且植被根系网发达,增强抗冲刷和抗侵蚀能力,提高土壤入渗能力,增强群落的生态功能[25]。本研究中,不同演替群落各土层入渗速率变化均为:初渗速率>平均入渗速率>稳渗速率。演替顶级土壤的渗透性最佳,入渗速率越快,土壤孔隙连通性越高,渗透性越好。群落林分结构复杂,土壤质地佳时,可有效地改善土壤渗透性,湿地公园中灌草对绿地土壤入渗的改善优于乔草地[27],而崔艳红等[26]开展不同林龄和林分密度的土壤入渗研究,林地恢复年限长、林分密度大,水分入渗快、土壤渗透性好,对缓解地表径流和缩短降雨对地面冲刷作用更显著。

3种演替群落,演替顶级常绿阔叶林平均入渗速率最大,土壤渗透性最强;同一林地上层土壤水分的入渗速率更快,渗透性更好。天山林区6种群落类型土壤水分入渗过程与Kostiakov模型拟合精度较高[15],而渝北缙云山自然保护水源区不同林龄和林分密度土壤入渗过程则更适合用通用经验模型来拟合描述水分入渗过程[28],对于滇中磨盘山不同演替群落林地,Horton模型对土壤水分各入渗参数的拟合精度(R2)最大,相比Kostiakov模型、Philip模型和通用经验模型,Horton模型更适于描述各样地的水分入渗过程。

4.2 土壤渗透性影响因子分析

不同群落土壤理化性质差异会直接影响土壤的入渗性。土壤理化特性[29]、根系和砾石[30-31]对土壤入渗作用影响显著,土壤密度增大,孔隙数量减少,水分下渗受限,植被垂直根系和砾石形成的孔隙,利于土壤水分的下渗。已有研究表明,土壤入渗性能与土壤密度、黏粒和粉粒质量分数呈显著负相关、与有机质和养分质量分数等呈显著正相关[32]。本研究中,土壤渗透性与孔隙状况和有机质质量分数均呈极显著相关(P<0.01),土壤孔隙的连通性促进水分下渗,孔隙性能越佳,土壤中水的传导越快,土壤渗透性越好[29,32]。但本研究中土壤渗透性和含水率的相关性结论有差异,这与研究区水分条件有关,研究区3种群落林地含水率普遍较高且变化不显著,致使与土壤水分入渗关系不显著。根长密度、根质量密度与水分入渗呈显著正相关(P<0.05),本研究中,演替中期云南松阔叶树混交林表层根系较丰富,但入渗速率较演替顶级常绿阔叶林小,因水平分布较发达的根系网络,影响水分的垂直入渗,进而会减小水分入渗速率[33-34]。

土壤因子与入渗性能进行回归分析,土壤密度、全氮质量分数、有机质质量分数、黏粒质量分数和根长密度对入渗影响较大,土壤密度间接反映土壤孔隙特征,土壤密度小,土壤结构松散,孔隙度增大,土壤的入渗性增强[35];土壤养分质量分数和有机质质量分数是土壤质量评价指标,质量分数高,孔隙特性越佳[36];良好的土壤团聚体能够固持水分和养分,团聚体结构越好,土壤的透气性和持水性也越高[37],进而促进水分入渗。此外,土壤质地对水分入渗的影响也较大,土壤质地通过改变颗粒间的表面能而影响土壤水分的入渗[38],黏粒和粉粒会抑制水分的下渗,减小入渗速率和入渗量。植被群落不断的正向演替中,土壤结构和群落的生态功能均得以提高和改善,进而促进土壤水分的入渗,提高其入渗性能。