基于土地利用变化的热带植物群落功能性状与土壤质量的关系

为了明确热带天然林转变为橡胶林和槟榔后土壤质量变化,揭示土地利用变化下植物群落功能性状对土壤质量影响。在海南中部山区,以原始林(PF)、次生林(SF)、槟榔(Areca catechu)林(AP)、纯橡胶(Hevea brasiliensis)林(RP)和橡胶益智(Alpinia oxyphylla)林(RAP)为对象,探索天然林退化后土壤性质和质量变化,分析了植物群落功能性状(凋落物量、郁闭度、根长密度、细根密度和比根长)对土壤质量影响。结果表明:1)与原始林相比,其他土地利用类型凋落物量、根长密度、细根密度、土壤总孔隙度、最大持水量、土壤有机碳和总氮显著降低,土壤容重显著增加。人工林土壤碱解氮明显降低,但总磷、总钾和缓效钾明显升高(P0.05)。2)与原始林相比,次生林、槟榔林、纯橡胶林和橡胶益智林土壤质量指数分别降低63.4%、85.8%、81.2%和84.1%,随原始林、次生林和人工林梯度土地利用强度的增加,土壤质量显著降低(P0.05),但人工林间土壤质量无显著差异。3)凋落物量、郁闭度、根长密度和细根密度均与土壤质量指数显著正相关(P0.05),细根密度对土壤质量的直接影响效应最大,凋落物间接影响效应最大。天然林转变为橡胶和槟榔林显著改变土壤性质和质量,群落性状细根密度和凋落物可较好解释土壤质量变化,强化人工林林下植被和凋落物管理有利于土壤质量改善。     

基于土地利用变化的热带植物群落功能性状与土壤质量关系

为了明确热带天然林转变为橡胶林和槟榔后土壤质量变化,揭示土地利用变化下植物群落功能性状对土壤质量影响。在海南中部山区,以原始林(PF)、次生林(SF)、槟榔(Areca catechu)林(AP)、纯橡胶(Hevea brasiliensis)林(RP)和橡胶益智(Alpinia oxyphylla)林(RAP)为对象,探索天然林退化后土壤性质和质量变化,分析了植物群落功能性状(凋落物量、郁闭度、根长密度、细根密度和比根长)对土壤质量影响。结果表明:1)与原始林相比,其他土地利用类型凋落物量、根长密度、细根密度、土壤总孔隙度、最大持水量、土壤有机碳和总氮显著降低,土壤容重显著增加。人工林土壤碱解氮明显降低,但总磷、总钾和缓效钾明显升高(P0.05)。2)与原始林相比,次生林、槟榔林、纯橡胶林和橡胶益智林土壤质量指数分别降低63.4%、85.8%、81.2%和84.1%,随原始林、次生林和人工林梯度土地利用强度的增加,土壤质量显著降低(P0.05),但人工林间土壤质量无显著差异。3)凋落物量、郁闭度、根长密度和细根密度均与土壤质量指数显著正相关(P0.05),细根密度对土壤质量的直接影响效应最大,凋落物间接影响效应最大。天然林转变为橡胶和槟榔林显著改变土壤性质和质量,群落性状细根密度和凋落物可较好解释土壤质量变化,强化人工林林下植被和凋落物管理有利于土壤质量改善。     

套种益智对橡胶林土壤水源涵养功能的影响

橡胶(Hevea brasiliensis)农林复合系统被认为可有效改善生态系统功能,但目前关于橡胶农林复合系统对土壤水源涵养功能影响的研究极少。本研究以海南中部山区橡胶益智(Alpinia oxyphylla)复合系统为对象,采用结构方程模型分析橡胶林中套种益智对土壤水源涵养功能的直接和间接影响因素。结果表明:与纯橡胶林相比,橡胶益智复合系统土壤水源涵养功能指数增加了1.09倍,土壤水源涵养功能增加明显(P0.05)。益智套种后凋落物量和细根生物量增加是橡胶林土壤容重和团聚体稳定性变化的重要原因。土壤容重、土壤团聚体稳定性和凋落物量可解释土壤水源涵养功能变量的91%,三者均可直接影响土壤水源涵养,土壤容重和凋落物量还可间接影响土壤入渗而改变土壤水源涵养功能。橡胶林套种细根生物量和凋落物丰富的农作物可以改善橡胶林土壤水源涵养,增强橡胶林的水土保持效应。     

纳板河流域不同土地利用类型土壤质量评价

测定了西双版纳纳板河自然保护区及其周边8种土地利用类型(自然林、玉米地、茶园、水稻田、橡胶林、亚麻地、香蕉地和甘蔗地)的表层（0～20 cm）土壤理化性状,研究土地利用变化对土壤质量的影响,并采用土壤质量指数法对土壤质量进行综合评价.结果表明：自然林地转变为农业用地后,土壤有机质含量有不同程度的降低;土壤容重均有所升高,其中茶园、水稻田、香蕉地和橡胶林的土壤容重均显著高于自然林;施肥及开垦导致的矿物养分释放使土壤速效钾和速效磷维持在较高水平;不同土地利用类型对土壤pH的影响不显著.保护区几种主要土地利用类型的土壤质量指数大小顺序为：亚麻地(0.595)>自然林(0.532)>玉米地(0.516)>香蕉地(0.485)>茶园(0.480)>甘蔗地(0.463)>水稻田(0.416)>橡胶林(0.362).位于保护区较高海拔(1614±115 m)的生产示范区土壤质量指数显著高于较低海拔的缓冲区(海拔908±98 m)和交界区(海拔926±131 m).在8种土地利用类型中,分布在低海拔区橡胶林的土壤有机质、速效磷和速效钾含量较低、土壤容重较高,其土壤质量指数最低.增施有机肥及间作豆科植物是改良橡胶林土壤质量的途径.     

川西亚高山林区不同土地利用与土地覆盖的地被物及土壤持水特征

川西亚高山森林是我国西南亚高山水源涵养林的重要组成部分.随着20世纪中叶以来农业人口的增加和森林的开发利用,受干扰强度、频度和干扰时间的影响,原始暗针叶林退化为耕地、草地、灌丛、次生阔叶林或人工林.1998年后,该区相继启动天然林保护工程和退耕还林工程.为评价工程效益,确定长江上游水源涵养林的恢复与重建模式,需要进行不同土地利用类型之间生态水文效应的对比分析.通过野外调查与室内实验,对比分析了川西亚高山林区农田、草地、退耕还林地、灌丛、次生桦木林、人工云杉林和老龄针叶林的地被物(苔藓与枯落物)和土壤持水特征,结果表明:不同土地利用与覆盖类型间地被物和土壤持水性能差异显著.随着干扰程度的增加,苔藓、枯落物蓄积量及最大持水量下降,土壤容重增加,土壤持水性能下降.苔藓最大持水量排序是老龄针叶林>人工云杉林>天然次生林>灌丛.枯落物最大持水量排序是老龄针叶林>天然次生林>人工云杉林>灌丛>草地>退耕还林地.人工云杉林与天然次生林之间、草地与退耕还林地之间苔藓和枯落物最大持水量没有显著差异.土壤0～40cm最大持水量排序是天然次生林>老龄针叶林>人工云杉林>灌丛>农田>草地>退耕还林地,其中天然次生林显著高于人工云杉林,草地与退耕还林地之间没有显著差异.对于森林恢复途径和树种的选择,需要考虑未来林分的多种生态系统服务功能.     

典型热带森林生态系统林冠穿透雨特征及影响因素

【摘要】橡胶林和槟榔林替代原始林或次生林是热带地区主要的土地利用变化类型, 为了探讨土地利用变化对穿透雨的影响, 在海南岛选取橡胶林、槟榔林和次生林三种典型森林生态系统为对象, 比较研究了33次降雨事件中不同森林生态系统林冠穿透雨特征及其影响因素。结果表明: 三种森林生态系统乔木冠幅内穿透雨率差异显著(P< 0.01), 其大小依次为橡胶林(95.9%)>次生林(80.4%)>槟榔林(64.6%), 冠层厚度是影响次生林和橡胶林穿透雨率的主要因素, 均与穿透雨率呈显著负相关(P<0.05), 增加橡胶林林下植被对穿透雨的截留具有重要意义; 在三种林型不同乔木个体的冠幅内部, 仅槟榔林冠幅内穿透雨率树干旁边显著高于冠幅中央和边缘, 冠幅内部叶面积指数和叶片角度是影响槟榔林穿透雨空间异质性的主要因素(P<0.05); 橡胶林的冠层厚度和次生林的叶片角度也对穿透雨率产生显著影响(P<0.05)。上述结果阐明了次生林转换为人工林后, 穿透雨率及其空间分布产生的差异;发现除冠层厚度和叶面积指数外, 叶片形状或角度对改变穿透雨率具有重要影响, 该结果为合理配置冠层结构、有效降低穿透雨率提供参考, 也可为评估热带地区土地利用变化的生态水文效应提供参数。     

西藏高寒区不同土地利用方式下土壤持水能力差异及其影响因素

研究高寒地区不同土地利用方式下土壤持水能力变化特征及其影响因素可为评估高寒生态系统水源涵养能力分异特征及其调控机制提供依据。本研究选取西藏高寒区3种土地利用方式(农、林、草地)下不同深度(0～10、10～20、20～30 cm)土壤为对象,测定土壤最大持水量、毛管持水量、田间持水量及土壤基本理化性质,并提取环境因子(年均降雨量、植被归一化指数、海拔、坡度和地表粗糙度),分析不同土地利用方式下土壤持水能力的变化特征及其影响因素。结果表明: 农、林、草地土壤持水能力(最大持水量、毛管持水量、田间持水量)均随土层深度增加而逐渐降低。草地0～30 cm土壤最大持水量、毛管持水量和田间持水量均值分别为379.79、329.57和194.39 g·kg^-1,显著高于农地(301.15、259.67和154.91 g·kg^-1)和林地(293.09、251.49和117.01 g·kg^-1)。冗余分析结果表明,不同土壤理化性质对土壤持水能力变异的解释量由大到小依次为总孔隙度(44.6%)、土壤有机质(42.7%)、毛管孔隙度(37.6%)和土壤容重(35.8%)。主成分分析结果显示,年均降雨量、植被归一化指数和地形因子(海拔、坡度和地表粗糙度)是影响土壤持水能力空间变异的主要环境因子,累积贡献率高达72.4%。西藏高寒区草地土壤具有更强的持水能力,能够有效防止水土流失。因此,在高寒地区实施退耕还草措施、对退化草地进行封育管理,有助于改善高寒地区土壤水源涵养能力。     

三峡山地不同类型植被和坡位对土壤水文功能的影响

土壤层下渗和贮蓄水分的水文功能是森林保持水土、涵养水源的基础。以三峡山地大老岭林区为研究区,采集常绿林、落叶林和草地覆盖下不同坡位的原状土样,测定其饱和导水率和水分特征曲线,分析植被类型和坡位对土壤水分参数和库容的影响。结果表明:常绿林地的入渗性能最好,饱和导水率为7.80—322.81 cm/d,大于落叶林地(0.33—137.03 cm/d)和草地(0.84—115.80 cm/d);坡位间差异表现为上坡高于下坡。不同样地的饱和含水量差异较小,但毛管持水量和田间持水量差异明显,草地最大,为20.77%—50.39%;不同坡位比较表现为下坡高于上坡。不同样地土壤水库容量差异较大,由田间持水量得到的库容量占总库容量的百分比以草地最大(63.25%),其次是落叶林地,常绿林地最小;坡位上表现为下坡的田间持水库容大于上坡。饱和导水率与土壤总孔隙度、有机质含量呈显著正相关,与容重呈显著负相关;饱和含水量、毛管持水量、田间持水量均与土壤总孔隙度、有机质含量和粉粒含量呈显著正相关,与容重、砂粒含量呈显著负相关。综合以上,草地持水性能最强,利于保蓄水分,常绿林地最弱,更利于水分入渗,补给地下水,下坡位的持水性能强于上坡位。     

亚热带不同树种土壤水源涵养功能

亚热带地区由于大面积的砍伐使天然林被人工林所代替,对森林土壤水源涵养功能造成了很大影响。树种可以通过自身特性来改变土壤物理结构进而影响土壤持水能力,因此合理选择树种对区域水源涵养具有重要意义。然而,立地条件的差异往往会对实验结果产生影响。为减少立地条件的差异,2012年2月在土壤发育和经营历史相同的林地上建立了中亚热带常见树种同质园。2019年8月测定了种植12个树种后不同土层(0—10、10—20、20—30、30—40 cm和40—50 cm)的土壤容重、含水量、总/毛管/非毛管孔隙度、最大/毛管/非毛管持水量和蓄水量。结果表明,种植不同树种7年后,土壤容重、含水量、总/毛管/非毛管孔隙度、最大/毛管/非毛管持水量和蓄水量均在表层(0—20 cm)土壤中差异显著,而在深层(20—50 cm)土壤中差异不显著。土壤孔隙度、持水量和蓄水量均与土壤容重呈显著负相关关系,而与土壤含水量呈显著正相关关系。与其他树种相比,种植鹅掌楸、枫香和全缘叶栾树等落叶阔叶树种可在较短时间内增加土壤孔隙度,提高土壤持水量和蓄水量。因此,在亚热带人工林经营管理中,可在杉木、马尾松纯林中适当引入鹅掌楸、枫香和全缘叶栾树等落叶阔叶树种,提升亚热带森林土壤水源涵养功能。     

哀牢山常绿阔叶林水源涵养功能及其在应对西南干旱中的作用

为了解云南哀牢山中山湿性常绿阔叶林在2010年初西南地区特大干旱中是否遭遇水分胁迫,及其水源涵养功能在应对干旱中的作用,测定了该森林土壤和主要树种在2010年旱季的水分状况,并对比研究了原生林和森林经砍伐烧垦后形成的毛蕨菜-玉山竹群丛的土壤持水、凋落物持水、水面蒸发和土壤水分季节动态。结果表明:常绿阔叶林主要树种在2010年初西南特大干旱中并未遭受水分胁迫(最旱月叶片凌晨水势高于-0.4 MPa)。虽然常绿阔叶林土壤含水量和地下水位在最旱月都达到了有观测以来的最低点,但主要根系分布区的土壤水势仍不低于-0.5 MPa,并高于毛蕨菜-玉山竹群丛。森林较好的水分状况和原生常绿阔叶林较好的水源涵养功能有关。常绿阔叶林的土壤总持水量尤其是非毛管持水量要显著大于毛蕨菜-玉山竹群丛,同时也大于云南地区的一些次生林和人工林。常绿阔叶林地表丰富的凋落物通过持水和抑制土壤蒸发也对水源涵养有一定作用。哀牢山常绿阔叶林良好的水源涵养功能,充足的土壤地下水储存弥补了旱季和特大干旱中降水的不足。结果指示原生林在水源涵养中不可替代的作用,以及加强原生林保护在提高区域抗干旱能力中的重要意义。     

水土保持林土壤抗蚀性能评价研究

运用土壤有机质含量、水稳性团聚体含量、水稳性团粒平均重量直径、团聚度和分散系数等各项指标,对不同树种组成、不同林龄水土保持林的土壤抗蚀性能进行分析、评价.结果表明,水土保持林对于提高土壤抗蚀性能具有重要作用,这种作用主要针对表层土壤而言;与油松纯林相比,油松阔叶树混交林土壤有机质含量较高,水稳性团聚体含量增加了1.71%～38.53%;且随着林龄的增长,水土保持林土壤抗蚀性能不断增强.     

不同强度疏伐改造对马尾松林分水源涵养功能时空格局的影响

为了解马尾松林分改造过程中水源涵养功能的动态变化,提升林分的生态服务功能,1994年在福建省尤溪国有林场城镇景观林中选择22年生的马尾松林,通过方差分析分析20%强度疏伐改造、35%强度疏伐改造、50%强度疏伐改造和对照4种处理间林分持水量的变化,结果表明:随着改造时间的推移,各处理林分水源涵养量显著升高(P0.05),疏伐改造强度越大林分水源涵养量增加越明显。土壤层持水量占林分总持水量的95.89%—97.18%,改造前5 a不同处理间土壤层0—20 cm和土壤层20—40 cm持水量差异均不显著(P0.05),改造10 a后改造林分土壤层0—20 cm和土壤层20—40 cm持水量均显著高于对照林分(P0.05)。林分地上部分持水量仅占林分水源涵养量的2.82%(45.64 t/hm~2)—4.11%(76.81 t/hm~2),但改造后存在显著变化(P0.05)。林冠层在林分改造10a后持水量显著高于对照林分(P0.05),但疏伐改造强度越大其持水量越小;林下植被层在林分改造5 a后持水量显著低于对照林分(P0.05),同样疏伐改造强度越大其持水量越小;凋落物层在林分改造5 a后持水量显著高于对照林分(P0.05),持水量随疏伐改造强度增大而增大。林冠层和凋落物层持水量比重随着改造时间的推移呈显著增加趋势(P0.05),林下植被层则呈显著下降趋势(P0.05)。以上结果表明,改造初期林分持水量变化强烈,疏伐改造强度越大林分持水量越低;但长期来看,改造林分更有利于林分水源涵养功能的提升。     

亚高山森林自然与人工恢复对土壤涵水能力的影响

西南亚高山原始针叶林被大规模采伐后,在皆伐迹地上营造了大量云杉林进行人工恢复。但关于这些人工林的土壤涵水能力如何,一直没有系统深入的研究与评价。选择川西米亚罗林区系列不同林龄云杉人工林(20 a、30 a、40 a、70 a)为对象,以相邻同龄自然更新恢复的针阔混交林为对照,比较人工林土壤涵水能力随着演替进程的动态及其与自然恢复次生林之间的差异,结合人工与自然恢复后的林地特征(如细根生物量、凋落物储量和土壤有机碳等)和土壤物理结构参数等差异,阐释自然与人工恢复后土壤涵水能力差异的影响因素。结果显示:随着人工林演替,土壤0—40 cm层最大持水量随林龄的增加而降低,但变化不显著,从20年的2200 t/hm~2下降到70年的2138 t/hm~2,年平均下降速率为1.24 t/hm~2;然而在自然次生林中,土壤最大持水量随着林龄的增加呈现出波动式变化,从20年的2142 t/hm~2增加到40年的2565 t/hm~2,到70年又下降为2302 t/hm~2。通过土壤持水特性与林地凋落物贮量、细根生物量和土壤物理结构参数的相关分析表明,由不同恢复途径导致的林地土壤有机碳含量、凋落物特性及细根差异,进而改变土壤物理结构是影响土壤持水性能差异的主要因素。这些结果说明,从土壤持水量角度考虑,在对采伐迹地进行造林恢复时,应尽量避免营造结构单一、高密度的人工纯林,应选择营造针阔混交林的模式进行恢复。     

干旱半干旱区不同林型人工林水源涵养能力比较研究

通过引入模糊物元模型优化水源涵养能力估算方法,从而为研究区林分结构调整、水源涵养能力提升提供科学依据。运用欧式贴近度,以青海省大通县塔尔沟小流域6种不同林型人工林云杉×白桦混交林（YB）、云杉×青杨混交林（YQ）、云杉×落叶松混交林（YL）、云杉纯林（Y）、落叶松纯林（L）、青杨纯林（Q）作为研究对象,定量评价其水源涵养能力。结果表明：欧式贴近度大小排序为YB （0.794） > YQ （0.723） > YL （0.655） > Y （0.494） > L （0.416） > Q （0.270）,欧式贴近度越大,该林分类型水源涵养能力更强。6种林型中,白桦×青杨混交林水源涵养能力最强,青杨林水源涵养能力最差。     

宁夏罗山自然保护区3种典型林分凋落物和土壤层水源涵养能力综合评估

森林凋落物层和土壤层是森林生态水文效应中的主要贡献层，对森林生态系统水土保持功能和水源涵养能力有重要影响。对比宁夏罗山自然保护区3种典型林分类型凋落物和土壤层水文效应的变化规律和水源涵养能力大小，为该地区的森林生态水文、水土保持和森林管理提供科学依据。以该自然保护区青海云杉纯林、油松纯林和青海云杉油松混交林为研究对象，运用称量、室内浸泡、环刀法和回归分析法对凋落物和土壤层的水文效应进行测定和拟合，并使用熵权法对二者的水源涵养能力进行评估。结果表明：（1）青海云杉油松混交林凋落物的总厚度和总储量显著高于青海云杉纯林和油松纯林（P<0.05），3种林分类型的半分解层的厚度和储量高于未分解层。（2）凋落物层最大持水量范围为63.29-95.08t/hm²，最大持水率范围为335.97%-353.85%，有效拦蓄量范围为34.09-63.92t/hm²，三者均为青海云杉油松混交林>云杉纯林>油松纯林。（3）3种林分类型的凋落物持水量（Q）与浸泡时间（t）呈对数函数关系，吸水速率（V）与浸泡时间（t）呈幂函数关系。（4）从3种林分类型的土壤物理性质和持水特性得出，3种林分类型的土壤层水文效应的等级排序为云杉油松混交林>油松纯林>青海云杉纯林。（5）凋落物层和土壤层的水源涵养能力大小为青海云杉油松混交林（0.43）>油松林（0.3）>青海云杉林（0.27）。综合来看，青海云杉油松混交林的凋落物层和土壤层的水源涵养能力最优，其次是纯林，说明混交林在水土保持和水源涵养方面比纯林更具优势。     

湖南乌云界自然保护区典型生态系统的土壤持水性能

土壤持水性能是决定生态系统水源涵养能力的关键,是自然保护区生态服务功能的重要方面。以湖南省乌云界自然保护区为研究区域,选取森林、灌丛、竹林和草地4个典型生态系统,采用野外调查采样和室内分析的方法研究了土壤的物理性质和持水性能。结果表明,乌云界4种典型植被下表层0—20cm土壤有机质含量普遍较高(>76 g/kg)、容重较低(<0.85 g/cm3)、团聚体稳定性较强(>5mm水稳性团聚体达22.7%—52.3%),表明保护区土壤的结构发育总体上较好。森林和竹林土壤具有较多的大孔隙和较高的饱和导水率,有利于天然降水向地下水的转化,而灌丛和草地土壤毛管孔隙度则相对较高,其土壤中能够保持更多的有效水分。乌云界自然保护区4个典型生态系统0—40cm土层土壤重力水容量为:森林(83.5 mm)>竹林(79.2mm)>灌丛(66.9 mm)>草地(43.8 mm),有效水容量为:草地(128.7 mm)>灌丛(111.6 mm)>森林(95.9 mm)>竹林(83.9mm)。在明晰土壤总蓄水容量(>0 MPa)、重力水容量(0—0.01 MPa)、有效水容量(0.01—1.5 MPa)、无效水容量(>1.5 MPa)等概念的基础上,建议用重力水容量和土壤有效水容量两个指标来评价生态系统土壤的水源涵养功能,其中土壤重力水容量可以反映生态系统补充地下水和调控河川径流量的能力,而土壤有效水容量可以反映生态系统本身保蓄水分的潜力,这些指标均可以通过土壤水分特征曲线进行求算。乌云界自然保护区森林和竹林土壤对于补充地下水和调控河川径流量的能力较强,而灌丛和草地土壤保蓄水分的能力较强。