林前后的土壤为研究对象,研究分析了人工植被更新对土壤水文物理性质和土壤碳贮量的影响。结果表明:天然次生林更新为桉树、马占相思人工林后,土壤容重增加,土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度减小,0~80 cm土壤的最大贮水量、毛管贮水量和非毛管贮水量降低,桉树和马占相思人工林最大贮水量分别降低19. 8 mm和43. 3 mm,桉树人工林0~40cm土壤碳贮量降低6




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生态环境 2008, 17(6): 2366-2369 http://www.jeesci.com

Ecology and Environment E-mail: editor@jeesci.com



天然次生林人工更新后对土壤物理性质及碳贮量的影响

郭俊誉1,2,时忠杰1,3*,徐大平1,太立坤4,周卫卫4,杨曾奖1

1. 中国林业科学研究院热带林业研究所, 广东 广州 510520; 2. 中国林业科学研究院热带林业研究所试验站, 海南 乐东 572542;

3. 中国环境科学研究院生态环境研究所, 北京100012; 4. 海南大学环境与植物保护学院, 海南 儋州 571737


摘要:天然林被人工林取代后对土壤水文物理性质及土壤碳贮量有重要的影响。文章以海南天然次生林人工更新为尾细桉(Eucalyptus urophylla×E.tereticornis)和马占相思(Acacia mangium)林前后的土壤为研究对象,研究分析了人工植被更新对土壤水文物理性质和土壤碳贮量的影响。结果表明:天然次生林更新为桉树、马占相思人工林后,土壤容重增加,土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度减小,0~80 cm土壤的最大贮水量、毛管贮水量和非毛管贮水量降低,桉树和马占相思人工林最大贮水量分别降低19.8 mm和43.3 mm,桉树人工林0~40cm土壤碳贮量降低6.77 t·hm-2,马占相思人工林的增加14.68 t·hm-2

关键词:天然次生林;桉树;马占相思;土壤物理性质;土壤碳贮量

中图分类号:S714 文献标识码:A 文章编号:1672-2175(2008)06-2366-04

桉树、相思是我国南方重要的速生用材树种,已被广泛种植,产生了巨大的经济和社会效益。海南岛作为我国重要的热带林区,特别是中部山区,物种丰富,生态系统水源涵养能力强,是海南岛生态安全的天然屏障,然而由于经济利益的驱动,大量的天然林被桉树、相思等外来树种所替代,造成了许多负面生态影响。目前,桉树及相思等人工林对生物多样性[1]、蒸腾耗水[2]、流域产流[3]、养分循环[4]等方面的影响已经作了大量的研究,然而对海南岛的天然植被被桉树、马占相思等外来树种人工林所取代后的生态学影响研究却比较少,对天然次生林人工更新为桉树、相思林的土壤水文物理及碳贮量的影响也很少。森林土壤水源涵养及碳贮存容量是森林生态系统的重要生态功能,也是保障海南岛区域生态安全的重要内容。关于海南尾细桉(Eucalyptus urophylla×E. tereticornis)、马占相思(Acacia mangium)取代天然次生林对土壤水文物理性质及土壤碳贮量的影响,尚未见相关报道。本文以天然林更新为人工林后的土壤水文物理及碳贮量变化的研究对象,旨在为海南天然林的保护以及人工林的合理经营管理提供一定的基础资料,以期为桉树、相思人工林长期生产力的维持和科学的经营管理提供理论依据。

1 试验地概况


试验地位于海南省昌江县昌江水库上游的山区(N 19°17′, E 109°07′),海拔450 m,坡位为上坡,坡度较小,多介于0~10º,土壤为花岗岩发育砖土壤,土壤厚度60~100 cm。本区年平均降水量为1671 mm,平均气温为24.6 ℃,最热月均气温为28.7 ℃,最冷月均气温为19.1 ℃,相对湿度为82%,属热带季风性气候,原始植被为热带常绿阔叶次生林,而桉树及马占相思人工林为天然林砍伐后种植的。

天然次生林植物种类主要有丛花山矾(Symplocos poilanei)、黄杞(Engelhardtia roxburghiana)、细齿柃(Eurya nitida)、桃金娘(Rhodomyrtus tomentosa)、九节菖蒲(Anemone altaica)等,林分郁闭度为0.90,平均胸径为6.5 cm,平均树高为5.9 m,林下植被平均盖度为75%,地表枯落物厚度为3 cm,贮量为7.65 t·hm-2

桉树人工林年龄2.4 a,密度为1344株·hm-2,郁闭度为0.4,平均胸径为5.9 cm,平均树高为7.3 m,林下植被主要有飞机草(Eupatorium odoratum)、毛蔓豆(Calopogonium mucunoides )、假臭草(Eupatorium catarium)、茅叶荩草(Arthraxon lanceolatus)、淡竹叶(Lophatherum gracile Brongn)等,平均盖度为95%,地表枯落物厚度为2.5 cm,贮量为4.87 t·hm-2

马占相思人工林为第二代萌生林,林分年龄为3年,密度为2093株·hm-2,林分郁闭度为0.65,平均胸径为7.4 cm,平均树高为5.5 m,林下植被主要有假臭草(Eupatorium catarium)、五节芒(Miscanthus floridulus)、丰花草(Spermacoce latifolia)等,平均盖度为98%,地表枯落物厚度为2 cm,贮量为4.48 t·hm-2

2 研究方法

2.1 土壤水文物理性质测定



在天然次生林、桉树林和马占相思林样地外挖取深1 m的9个土壤剖面,每种植被类型各3个,记录土壤剖面特性,用100 cm3 环刀在每个剖面上按0~20、20~40、40~60、60~80 cm深度各取3个重复土壤样品,带回室内按林业部科技司编制的方法[5]测定土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤容重、饱和持水量、毛管持水量、田间持水量等土壤水文物理指标,并计算土壤贮水量。

2.2 土壤碳贮量测定

在样地内按均匀方格法取0~20、20~40 cm土壤混合样品,置于土壤袋内,室内自然晾干。土壤有机碳采用重铬酸钾氧化-外加热法进行测定[5],根据计算得到的有机碳含量, 结合土壤容重和厚度,计算其有机碳储存量:土壤有机碳贮量=土壤容重×采样深度×面积×土壤有机碳含量。

3 结果与分析


3.1 土壤物理性质

表1为天然林更新为桉树、马占相思两种人工林后土壤物理性质的变化。结果表明,各林分类型的土壤容重基本随土壤深度的增加而增大,在0~80 cm土层中,桉树人工林的土壤容重介于1.25~1.61 g·cm-3,马占相思人工林的介于1.43~1.62 g·cm-3,天然林的介于1.08~1.48 g·cm-3,桉树和马占相思林较天然林的相应增加0.03~0.17 g·cm-3和0.05~0.35 g·cm-3,其中表层土壤容重变化最剧烈,桉树和马占相思林0~80 cm土层的平均值分别比天然林的高0.10和0.17 g·cm-3;天然林土壤容重与海南尖峰岭山地雨林黄壤(1.19~1.50 g·cm-3)[6-7]的相当,而桉树及马占相思人工林的土壤容重较尖峰岭山地雨林黄壤[6,7]偏高。

天然林地土壤的总孔隙度介于43.28%~ 48.38%,与海南尖峰岭山地雨林黄壤的(38.6%~ 49.6%)较接近[6-7],分别比桉树与马占相思人工林的低1.53%~4.08%和1.26%~9.56%,平均值分别低2.47%和5.41%。天然林的毛管孔隙度介于33.46%~38.54%,较海南尖峰岭山地雨林黄壤的稍低[6-7],分别比桉树与马占相思人工林的低0.46%~6.42%和0.79%~4.63%,平均值分别低1.81%和3.44%,但桉树人工林的表层土壤毛管孔隙度较天然林的却增加了2.39%,这有可能与桉树林的土壤人为翻动有关。而非毛管孔隙度与总孔隙度和毛管孔隙度的变化有所不同,桉树人工林的上层土壤(0~40 cm)比天然林的低2.37%和3.99%,而下层土壤(40~80 cm)的比天然林高0.68%~2.33%;马占相思人工林的0~60 cm土壤非毛管孔隙度比天然林低0.96%~8.76%,而60~80 cm土层的比天然林高2.43%,但桉树和马占相思人工林的平均非毛管孔隙度分别比天然林低0.64%和1.96%,这种变化可能与人工林的经营管理与翻耕有关。


表1 桉树、马占相思取代天然次生林土壤物理性质

Table 1 Soil physical properties of Eucalypt and Acacia plantations

replacing natural secondary forest


植被类型

土壤深度/cm

土壤容重/(g·cm-3)

总孔隙度/%

毛管孔隙度/%

非毛管孔隙度/%

桉树人

工林


0~20

1.25

46.78

35.85

10.93

20~40

1.49

42.04

35.33

6.71

40~60

1.51

41.75

33.89

7.86

60~80

1.61

39.77

32.12

7.64

平均

1.46

42.58

34.30

8.29

马占相思人工林

0~20

1.43

38.82

32.67

6.16

20~40

1.51

39.59

31.82

7.77

40~60

1.62

37.56

31.34

6.22

60~80

1.55

42.59

34.85

7.74

平均

1.53

39.64

32.67

6.97

天然林

0~20

1.08

48.38

33.46

14.92

20~40

1.44

44.72

35.79

9.08

40~60

1.48

43.28

35.97

7.18

60~80

1.46

43.85

38.54

5.31

平均

1.36

45.05

36.11

8.93



以上分析表明,天然林砍伐种植桉树及马占相思人工林导致土壤容重增加,土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度减小,并在不同的土壤层次上变化有所不同。

3.2 土壤贮水能力

由表2可见,天然林土壤的最大持水率介于30.02%~45.35%,桉树和马占相思林比天然林的分别降低2.80%~7.77%和1.54%~18.03%,平均降低4.53%和7.97%;天然林土壤的毛管持水率介于24.51%~31.23%,桉树和马占相思林比天然林的分别降低1.20%~6.38%和3.16%~8.16%,平均降低2.98%和5.18%;而天然林土壤的田间持水率为21.84%~28.47%,桉树和马占相思林的较天然林的分别降低2.51%~5.03%和2.60%~8.01%,平均降低3.34%和4.58%。表明桉树和马占相思林土壤的持水能力较天然林的降低,这可能主要是由于人为干扰土壤引起的。

最大贮水量反映了土壤的总贮水能力,从0~80 cm土层来看,以天然林的最高,其次为桉树人工林,马占相思人工林的最小,桉树和马占相思人工林的分别比天然林的下降了19.8 mm和43.3 mm;毛管贮水量反映了可供植物吸收利用的水分贮量,也可反映土壤的排水能力,天然林0~80cm土壤的毛管孔隙贮水量最高,达287.8 mm,桉树和马占相思林比天然林分别下降13.4 mm和26.5 mm;非毛管贮水量反映的是土壤的调蓄水分能力,天然林的0~80 cm土壤非毛管贮水量为72.7 mm,而桉树和马占相思林的比天然林的分别下降6.4 mm和16.9 mm。很明显,天然林地土壤的贮水保水能力比桉树和马占相思人工林的偏高,这是由于天然林地土壤总孔隙度较大尤其是非毛管孔隙度较大所致.




表2 桉树、相思取代天然次生林前后的0~80cm土壤持水能力

Table 2 Soil water-holding capacity of Eucalypt and Acacia plantations replacing natural secondary forest in the depth of 0~80 cm



植被类型

土壤深度/cm

最大持水率/%

毛管持水率/%

田间持水率/

最大贮水量/mm

毛管贮水量/mm

非毛管贮水量/mm

桉树人工林

0~20

37.58

28.60

25.34

340.6

274.4

66.3

20~40

28.60

24.03

23.11

40~60

28.01

22.77

20.74

60~80

24.73

19.99

19.55

平均

29.73

23.85

22.19

马占相思人工林

0~20

27.32

23.07

20.46

317.1

261.3

55.8

20~40

25.81

20.73

19.40

40~60

23.55

19.58

17.94

60~80

28.48

23.21

21.98

平均

26.29

21.65

19.95

天然林

0~20

45.35

31.23

28.47

360.4

287.8

72.7

20~40

31.40

25.23

21.84

40~60

30.25

24.51

23.25

60~80

30.02

26.37

24.58

平均

34.26

26.83

24.53



3.3 土壤碳贮量


表3 桉树、马占相思人工林取代天然次生林的土壤 0~40 cm碳贮量

Table 3 Soil carbon storage of Eucalypt and Acacia plantations

Replacing natural secondary forest in the depth of 0~40 cm


土壤深度/cm

土壤碳贮量/(t·hm-2)

桉树

马占相思

天然林

0~20

62.34

69.39

58.04

20~40

52.17

66.57

63.24

总计

114.51

135.96

121.28



土壤含碳量的多少很大程度上依赖于地表植被和土地利用状况,且土壤有机碳含量的变化会影响植物对水分和营养元素的吸收, 进而影响生产量。经分析表明,3种林分类型的土壤表层(0~20 cm)碳素含量均高于20~40 cm土壤层的;由表3可见,0~40 cm土层的碳贮量以马占相思人工林的最大,达135.96 t·hm-2,较天然林增加14.68 t·hm-2,天然林的次之,为121.28 t·hm-2,桉树人工林的最小,为114.51 t·hm-2,较天然林的下降6.77 t·hm-2。这可能是由于桉树人工林为一代林,种植过程中由于人为干扰,加速了土壤碳素的分解,而桉树枝叶凋落量增加不多,从而导致其土壤碳素分解速率高于增加速率,桉树土壤碳库贮量减小;而马占相思人工林为二代萌生林,林分密度大,枝叶长期凋落以及一代林分砍伐过程中剩余枝叶转化并分解,从而导致土壤碳的积累。与其它地区的土壤碳贮量相比,本研究区的土壤0~40 cm碳贮量较川西苦竹林的(87.175 t·hm-2)[8]和杉木纯林、火力楠纯林以及杉木+火力楠混交林[9]的高。

4 讨论与结论


土壤水分特性是重要的土壤物理性质之一,它制约着土壤对水的吸持、贮存以及土壤对植物的水分供给。土壤水的保持和运动特征直接或间接影响着土壤其它各种性质状况。徐柳斌等[10]对滇西桉树人工林与云南松林土壤物理性质比较研究发现,桉树人工林土壤的容重增加,总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度以及持水能力分别降低,并认为在高原山地种植桉树纯林对土壤物理性质的破坏程度比一般的经济纯林更大。王旭琴等[11]研究也表明,天然次生林更新为马尾松纯林、马褂木纯林、杉木纯林和马褂木-桤木混交林12年后,表现出土壤表层孔隙状况、特别是非毛管孔隙状况恶化,土壤持水能力降低的变化趋势,本研究中也发现,天然次生林更新为桉树、马占相思人工林后,土壤容重增加,土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度减小,并在不同的土壤层次上变化有所不同;0~80 cm土层土壤的最大贮水量、毛管贮水量和非毛管贮水量降低,桉树和马占相思人工林最大贮水量分别降低19.8 mm和43.3 mm。

王旭琴等[11]研究还发现,天然次生林更新为马尾松纯林、马褂木纯林、杉木纯林和马褂木-桤木混交林12年后,土壤有机质含量显著降低。龚伟等[12]发现天然常绿阔叶林人工更新成檫木林、柳杉林和水杉林后,土壤活性有机碳含量和稳定态碳含量均明显的下降。本研究中,天然次生林更新为桉树、马占相思人工林后,桉树人工林土壤有机碳贮量降低,但马占相思人工林土壤有机碳贮量增加,此结果与王旭琴等[11]和龚伟等[12]的结果有所差异。


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Effect of natural secondary forest and its artificial regeneration forests on soil physical properties and carbon storage in Hainan island, China
Guo Junyu1,2, Shi Zhongjie1,3, Xu Daping1, Tai Likun4, Zhou Weiwei4, Yang Zengjiang1

1. Research Institute of Tropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Guangzhou 510520, China;

2. Experimental Station of Research Institute of Tropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Ledong 572542, China;

3. Institute of Ecology and Environment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;

4. College of Environment and Plant Protection, Hainan University, Danzhou 571737, China
Abstract: The regeneration that the natural secondary forest is replaced by the plantations has a very important effect on the soil physical properties and carbon storage. The effect of natural secondary forest and its artificial regeneration as Eucalyptus urophylla×E. tereticornis and Acacia mangium plantations on the soil physical properties and soil carbon storage in Hainan Island, China is studied in the paper. It indicates that the soil bulk densities increase and the porosities (total, capillary and non-capillary porosity) decrease and the soil maximum, capillary and non-capillary water-holding capacities in the depth of 0~80 cm also decrease after the natural secondary forest is replaced by E. urophylla×E. tereticornis and A. mangium plantations. The maximum water-holding capacity is lower 19.8 mm and 43.3 mm respectively in the E. urophylla×E. tereticornis and A. mangium plantations than the natural secondary forest. The result also showed that the soil carbon storage in the depth of 0~40 cm reduces 6.77 t·hm-2 in the E. urophylla×E. tereticornis plantation than the natural secondary forest and increases 14.68 t·hm-2 in the A. mangium plantation than the natural secondary forest.

Key words: natural secondary forest; Eucalypt; Acacia; soil physical properties; soil carbon storage


金项目:国家自然科学基金项目(30700640);中国林业科学研究院热带林业研究所基本科研业务费专项基金重点项目(2007-1)

作者简介:郭俊誉(1964年生),男,助理工程师,主要从事人工林生态。E-mail: jflguojunyu@126.com

*通迅作者,E-mail: shijie1204@163.com

收稿日期:2008-07-31




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