不同撫育強度下側柏人工林土壤及枯落物持水特性研究

不同撫育強度下側柏人工林土壤及枯落物持水特性研究

森林土壤是森林水源保護的主要機構。近年來,有關撫育對林分環(huán)境尤其是森林土壤的影響引起了廣泛關注,撫育間伐會導致對土壤不同程度的干擾,但結論不盡一致。張鼎華等對間伐后杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)、福建柏(Fokieniahodginsii)、柳杉(Cryptomeriafortunei)和木荷(Schimasuperba)人工林土壤的調查研究,結果顯示,各間伐林分2年后土壤容重降低、總孔隙度提高;遲德霞等對天然次生林分撫育間伐效果的調查,研究認為,弱度間伐有利于改善土壤的物理性質,中度及強度間伐與對照林分無顯著差異;蘇芳莉以遼東天然雜木林、蒙古櫟林(Quercusmongolica)和紅松(Pinuskoraiensis)人工林為研究對象,研究了不同間伐強度下各林型林地土壤特性,試驗研究表明,雜木林及油松林(Pinustabalaeformis)土壤物理性質均優(yōu)于未間伐林分,蒙古櫟林土壤物理性質則在間伐后劣于對照林分,各林分土壤化學性質間伐后均優(yōu)于未間伐林分;于海群等研究顯示,對18年生油松林進行間伐可以提高林內(nèi)土壤質量,隨著間伐強度增大,林內(nèi)土壤總孔隙度、毛管持水量升高,方差分析呈顯著差異,說明間伐可以顯著改善林分土壤質量。也有學者研究認為間伐對土壤質量無顯著改善,甚至是對土壤結構造成了破壞,如Woodward研究發(fā)現(xiàn),擇伐強度為25%的跡地土壤的孔隙狀況未惡化;景蕓等對馬尾松(PinusmassonianaLamb)次生林的間伐效果調查顯示,土壤結構穩(wěn)定性下降,土壤容積質量增加和孔隙狀況變差,土壤蓄水和持水能力減弱?？傊?撫育間伐必然造成表層土壤的干擾,引起水、熱和其他物質的再分配,相應地引起土壤性質的變化,變化程度以間伐方式、間伐時間、間伐強度、林分類型等不同而不同。側柏(Platycladusorientalis)是我國廣泛分布的常綠針葉樹種,20世紀50年代中期北京市將側柏確定為低山陽坡荒山的主要造林樹種,到20世紀末側柏林已成為北京低山陽坡和半陽坡的重要森林類型,面積達到60106hm2,占公益林面積的20%。本文對北京山區(qū)側柏人工林間伐后5年的土壤物理性質及其水源涵養(yǎng)功能變化規(guī)律進行了研究,并與伐后1年的各項指標變化進行比較,以期為北京山區(qū)公益林撫育間伐措施及合理經(jīng)營提供參考,從而改善林分質量,全面發(fā)揮生態(tài)公益林的生態(tài)防護效應。1土壤、土壤、土壤試驗區(qū)位于北京市密云縣穆家峪鎮(zhèn)水漳村(40°25′N、116°53′E),海拔220~599m,年均氣溫11.8℃,年降水量623.0mm,6-9月降水量占全年的80%以上,年平均蒸發(fā)量約為降水量的3倍。土壤為砂巖、頁巖風化坡積物上發(fā)育起來的山地淋溶褐土和山地褐土,因長期遭受不同程度的侵蝕,土壤表現(xiàn)為粗骨性特征,土層較薄,結構發(fā)育不全,石礫含量高,保水性能差。植被以灌木為主,并分布有成片的側柏和油松人工林,灌木主要有荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)、酸棗(Ziziphusjujubavar.Spinosa(Bunge)Hu),胡枝子(LespedezabicolorTurcz)、螞蚱腿子(MyripnosdioicaBunge)和三裂葉繡線菊(SpiraeatrilobataL.)等。2學習方法2.1撫育間伐強度及強度試驗地在試驗前從未進行過任何撫育措施。2004年4月選擇有代表性的陰坡薄土側柏林進行固定樣地設置(20m×20m),采伐木主要是病蟲害嚴重、妨礙側柏生長的喬木和灌木。間伐強度以單位面積保留株數(shù)確定,分為對照(0%)、弱度(30%)、中度(35%)、強度(45%)4種強度,正文圖示中記為C:對照;W:弱度撫育;M:中度撫育;I:強度撫育。2009年4月對樣地的林木進行每木檢尺,記錄樹高、海拔、坡位、坡向、坡度、土質、土層厚度及枯落物厚度等。間伐試驗樣地基本情況見表1。2.2土壤物理特性和保水試驗土壤容重、總孔隙度、非毛管孔隙度、水源涵養(yǎng)量、總貯水量等指標測定采用環(huán)刀法。2.3枯落物持水率測定2009年4月在樣地四角及中心部位,取5個20cm×20cm水平面積的枯落物樣方按未分解、半分解和已分解標準進行全取樣,用室內(nèi)浸泡法計算枯落物的最大持水率及持水量。3結果與分析3.1土壤理化性質及結構林地土壤是水分貯蓄的主要場所,土壤水分貯蓄量和貯蓄方式受其物理性質影響很大,而土壤容重直接影響土壤的蓄水性能,土壤孔隙度直接影響土壤的通氣性及滲透性能,土壤非毛管孔隙度是決定土壤貯水量的重要因素,是影響森林土壤水源涵養(yǎng)及水土保持功能的主要因素。試驗對不同間伐強度林分的土壤貯水量、土壤容重和土壤孔隙度等土壤物理性質進行了測定。3.1.1對表層土壤容重的影響為系統(tǒng)評價間伐對土壤容重的影響,將側柏林分間伐后1年的試驗結果和間伐后5年的結果進行比較分析,如圖1。0-10cm土層,伐后1年,間伐對陽坡薄土側柏林土壤容重有極顯著影響(p<0.01),表現(xiàn)為弱度間伐<中度間伐<強度間伐<對照,各間伐林分分別低于對照18.5%,5.3%,0.9%。進一步多重比較可以看出,弱度及中度間伐林分與對照林分之間有顯著差異,強度間伐林分與對照林分間無顯著差異,說明伐后1年,弱度及中度撫育對土壤容重有改善,強度撫育措施無明顯效果。伐后5年中、強度伐林分容重有所降低,各間伐林分均顯著低于對照林分(p<0.05),表明伐后5年土壤容重在伐后1年基礎上有了進一步改善,說明間伐對表層土壤有顯著改善。10-20cm土層,伐后1年,各間伐林分土壤容重均高于對照林分,與伐后1年相比,伐后5年中、強度伐林分容重有降低的趨勢,但各林分間無顯著差異,說明間伐有降低該層土壤容重的趨勢,但改善效果不顯著。3.1.2對表層孔隙度的影響0-10cm土層,伐后1年,間伐對側柏林土壤孔隙度有極顯著影響(p<0.01)(見圖1),表現(xiàn)為對照<強度間伐<中度間伐<弱度間伐,各間伐林分分別高于對照18.8%,9.2%,0.9%。進一步多重比較,弱度及中度間伐林分與對照林分之間有顯著差異,強度間伐林分與對照林分間無顯著差異,說明伐后1年,弱度及中度撫育措施對土壤孔隙度有改善,強度撫育措施無明顯效果。與伐后1年相比,伐后5年,各間伐林分孔隙度均顯著高于對照林分(p<0.05),表明伐后5年土壤容重在伐后1年改善的基礎上有了進一步的改善,說明間伐對表層土壤孔隙度改善明顯。伐后1年,弱度及中度伐林分非毛管孔隙度顯著高于對照(p<0.05),弱度伐林分高于對照141%,強度伐林分低于對照林分但無顯著差異。與伐后1年相比,伐后5年中、強度伐林分非毛管孔隙度增加,各間伐林分均顯著高于對照林分,說明間伐可顯著改善表層非毛管孔隙度,且伐后5年的改善效果更明顯。10-20cm土層,伐后1年,間伐對該層的孔隙度無顯著改善。僅強度伐林分非毛管孔隙度高于對照林分,但差異不顯著。相比于伐后1年,弱度及中度伐林分在伐后5年非毛管孔隙度有所增加,且各林分間有顯著差異,說明間伐后非毛管孔隙度有增加的趨勢,間伐對該層非毛管孔隙度的改善效果逐漸明顯。3.1.3不同撫育強度對土壤容重的影響通過對間伐5年后側柏林分土壤容重的調查,可以看出(表2),與對照相比,間伐后林分土壤容重減小,且0-10cm土層容重小于10-20cm的容重。0-10cm土層林分土壤容重具體表現(xiàn)為:強度間伐<中度間伐<弱度間伐<對照,分別比對照減小了18.9%,13.0%及9.5%。方差分析顯示,各林分不同撫育強度之間差異極顯著(p<0.01)。10-20cm土層林分土壤容重具體表現(xiàn)為:強度間伐<中度間伐<對照<弱度間伐,強度和中度間伐分別比對照減小了9.8%和6.5%,弱度間伐比對照增加了0.3%。方差分析顯示,各林分不同撫育強度之間差異不顯著(p>0.05)。上述結果說明中度和強度撫育措施對土壤容重均有影響,有利于土壤容重的改善,且0-10cm的改善優(yōu)于10-20cm。3.1.4不同強度、不同保護方式對10-20土層總孔隙度的影響不同間伐強度側柏林分間伐5年后土壤孔隙度變化見表2。結果顯示:伐后林分的土壤總孔隙度及非毛管孔隙度均比對照大,且2個指標在0-10cm土層大于10-20cm土層。0-10cm土層土壤孔隙度在不同撫育林分之間具體表現(xiàn)為:強度撫育>中度撫育>弱度撫育>對照,分別比對照增加19.1%,13.1%及9.6%。方差分析顯示達極顯著水平(p<0.01)。非毛管孔隙度在不同撫育林分之間的具體表現(xiàn)與總孔隙度規(guī)律一致:強度撫育>中度撫育>弱度撫育>對照,分別比對照增加44.3%,40.0%及25.5%。方差分析顯示不同強度之間差異顯著(p<0.05)。10-20cm土層土壤總孔隙度在不同撫育林分之間具體表現(xiàn)為:強度撫育>中度撫育>對照>弱度撫育,強度和中度撫育林分的總孔隙度分別比對照增加9.5%和6.3%,弱度撫育比對照減少0.3%。方差分析顯示差異不顯著(p>0.05)。非毛管孔隙度在不同撫育林分之間的具體表現(xiàn)與該層的總孔隙度表現(xiàn)規(guī)律一致。強度和中度撫育林分的非毛管孔隙度分別比對照增加21.5%和12.4%。上述結果說明中度和強度撫育對總孔隙度和非毛管孔隙度均有影響,有利于提高林分土壤的滲透性,增加土壤的蓄水能力。3.2土壤持水能力及水源涵養(yǎng)量的影響林地土壤是水分貯蓄的主要場所,林地土壤水分蓄持能力與土壤厚度和土壤孔隙狀況密切相關。有關研究表明,土壤的滲透性能取決于非毛管孔隙,在飽和持水量中,只有非毛管孔隙中滯留的重力水在調蓄水方面具有更為重要的作用。因此,森林土壤的持水能力主要取決于土壤非毛管孔隙,林地土壤的水源涵養(yǎng)量取決于土壤非毛管孔隙度及土層厚度。土壤總貯水量是毛管孔隙與非毛管孔隙水分貯蓄量之和,是反映土壤貯蓄和調節(jié)水分的潛在能力,它是土壤涵蓄潛力的最大值,也可以反映土壤水源涵養(yǎng)的能力。3.2.1對對照林分的生長情況,其伐后1年,側柏林經(jīng)弱度及強度間伐后0-20cm土層水源涵養(yǎng)量(指非毛管持水量)高于對照林分,但與對照林分無顯著差異(如圖2),中度伐林分低于對照林分。伐后5年,各林分水源涵養(yǎng)量均增加,且與撫育強度正相關,說明伐后1年0-20cm土層水源涵養(yǎng)量有增加的趨勢,在伐后5年,間伐林分顯著增加了水源涵養(yǎng)量。3.2.2對對照林分間林分密度和比伐后1年,各撫育間伐林分0-20cm土層土壤總貯水量均高于對照林分,但與對照林分間均無顯著差異。伐后5年,各林分土壤總貯水量均比對照高,且與撫育強度正相關,說明在伐后1年,土壤總貯水量有增加的趨勢,在伐后5年,間伐措施顯著增加了土壤總貯水量(圖2)。3.2.3不同撫育強度對土壤水源涵養(yǎng)量影響不同間伐強度側柏林分間伐5年后水源涵養(yǎng)效益變化見表3?？梢钥闯?林分間伐后,側柏林0-20cm土層水源涵養(yǎng)量(非毛管持水量)均高于對照,且與撫育強度正相關,即:強度撫育>中度撫育>弱度撫育>對照,各撫育間伐強度林分土壤水源涵養(yǎng)量分別增加5.5%,25.1%及32.1%,方差分析顯示間伐對林分土壤水源涵養(yǎng)量的作用明顯(p<0.05),進一步多重比較,表現(xiàn)為中、強度伐林分與對照林分之間差異顯著,說明中、強度撫育措施顯著提高了土壤水源涵養(yǎng)量。3.2.4不同強度和弱度撫育后事件組工作職責方差分析結果不同間伐強度側柏林分間伐5年后土壤總貯水量變化見表3。土壤總貯水量隨撫育強度的增大而增加,具體表現(xiàn)為:強度撫育>中度撫育>弱度撫育>對照。與對照相比,分別增加14.3%,4.6%及9.7%,方差分析均達到顯著水平(p<0.05)。林分中、強度間伐林分與對照之間有顯著差異,中、強度伐效果最好,說明中、強度伐撫育措施可以顯著提高林分總貯水量。3.3枯落物的利用森林枯落物是林地結構中重要的組成部分,是林地水文效應的第二活動層,對改善土壤結構具有重要的作用,在土壤形成過程中,枯枝落葉層是土壤有機質養(yǎng)分的重要來源?？萋湮锊粌H能很好地防止雨滴直接沖擊地面,還可增加地表粗糙度,避免雨滴直接擊濺土壤,防止土壤濺蝕,從而調節(jié)地表徑流,增加土壤入滲,涵養(yǎng)水源?？萋湮锏奈匦院軓?蓄水量取決于其在林地上的蓄積量和它自身的持水能力。3.3.1不同撫育強度對枯落物蓄積量的影響枯落物蓄積量是反映林地涵養(yǎng)水源能力的重要因素之一,數(shù)據(jù)表明(表4),側柏林分在不同強度撫育5年后,撫育林分枯落物蓄積量均明顯高于對照,但與撫育強度不相關,具體表現(xiàn)為:中度撫育>弱度撫育>強度撫育>對照,撫育林分蓄積量分別比對照提高268.3%、92.2%及19.0%。方差分析結果顯示,強度撫育林分與對照林分蓄積量差異不顯著,各撫育強度林分之間蓄積量差異極顯著(p<0.01),說明間伐有利于增加林分年枯落物蓄積量,以中度撫育效果最佳。3.3.2側柏不同撫育強度對側柏分持水率的影響枯落物的持水能力多用干物質的最大持水量和最大持水率來表示。研究表明,不同撫育強度側柏林分枯落物最大持水率及持水量均高于對照(見表4),但與撫育強度不相關,具體表現(xiàn)為:強度撫育>中度撫育>弱度撫育>對照,撫育林分最大持水率分別比對照提高28.7%,28.4%及10.6%,但方差分析結果顯示,側柏各林分之間差異不顯著(p>0.05)。3.3.3不同撫育間伐對側柏分枯落物持水量的影響撫育林分持水量均高于對照(見表4),具體表現(xiàn)為:中度撫育>弱度撫育>強度撫育>對照,分別比對照提高379.3%,116.8%及55.8%,方差分析顯示呈顯著差異(p<0.05),說明撫育間伐可明顯提高側柏林分枯落物的持水量,以中度撫育效果最好。賈忠奎研究認為,撫育1年后對側柏林地枯落物的作用不明顯,原因是撫育間隔時間較短,林分尚未郁閉,林下生物多樣性較少,枯落物主要是側柏凋落物,而撫育5年后,林分郁閉、生物多樣性增加、生物量增大,從而增加了枯落物的蓄積量及持水量。4不同撫育林分對人工林分的影響(1)中度和強度撫育措施對土壤容重均有影響,有利于土壤容重的改善,且0-10cm土壤的改善優(yōu)于10-20cm。在0-10cm土層,林分土壤容重具體表現(xiàn)為:強度間伐<中度間伐<弱度間伐<對照,分別比對照減小了18.9%,13.0%及9.5%。(2)中度和強度撫育對土壤總孔隙度