鼎湖山不同演替阶段森林土壤水分时空变异研究

土壤水分作为森林生态系统水分蓄库的主体,森林土壤水分储量及其时空动态与变异对揭示区域植被恢复与气候变化背景下的森林生态系统水文过程响应与服务功能变化机制具有重要意义。本研究以南亚热带地区典型森林植被演替序列马尾松人工林（Pinus massoniana coniferous forest,PF）-马尾松针阔叶混交林（mixed Pinus massoniana/broad-leaved forest,MF）-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森林样地建设与监测统一规范对鼎湖山森林生态系统定位站站区内分布的上述森林类型土壤水分的长期定位观测（2005-2015年）,通过分析各演替阶段森林土壤不同土层（0-15、15-30、30-45、45-60、60-75和75-90 cm）土壤体积含水量观测数据,探究该区域森林植被恢复过程中的土壤水分变化及其时空变异。结果表明：在雨热同期且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,森林土壤层对降雨具有强烈的调蓄和稳定作用,伴随PF→MF→MEBF自然演替进程,调蓄水分能力逐步增强。林型间,由初期阶段PF到顶级群落MEBF,森林土壤水分储量逐渐提高,且演替后期林型相对于早期林型,土壤储水量均呈现为较小的年际与年内变幅。干、湿季而言,干季时林型间的土壤储水量差异大于湿季,干季时MEBF和MF土壤含水量分别是PF的1.33倍和1.11倍。从土壤含水量的干、湿季期间变异来看,不同林型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;垂直剖面方向上,突出表现为无论干湿季MEBF各层土壤含水量变异均比其他两种林型较为缓和,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,土壤水分储量及其稳定性逐步提升。     

土壤有机质对土壤水分保持及其有效性的控制作用

如何基于常规测定因子评估森林在土壤水分保持方面的生态效益, 并建立森林固碳效益与水文效益的联系等科学问题, 在综合评估森林生态效益方面有着重要意义。该文以南亚热带地区的3种不同演替阶段的森林生态系统(人工恢复的马尾松针叶林(Pinus massoniana coniferous forest, PF)、马尾松针阔叶混交林(mixed Pinus massoniana-broad-leaved forest, PBF)和季风常绿阔叶林(monsoon evergreen broad-leaved forest, MBF))为研究对象, 通过分析其土壤有机质及土壤水分状况在林内及林型间的分布格局差异, 探讨土壤有机质对土壤水分保持的控制作用。结果表明: 由PF至地带性顶级群落MBF的3种林分虽然相距很近且有关环境因子一致, 但0-30 cm土层的土壤含水量差异显著, MBF的最高, PBF其次; 3种林型林内土壤水分分布格局迥异, MBF的土壤水分随土层加深而递减的趋势明显, PBF土壤各层水分较为均一, PF则土壤表层水分含量较低, 与土壤有机质的状况一致。土壤水分特征曲线显示, 0-40 cm土层在相同基质吸力条件下的土壤水分含量: MBF > PBF > PF, MBF的保水性最好。进一步分析发现, 土壤孔隙度对土壤含水量的影响最大, 饱和含水量、土壤有机质次之, 同时, 考虑到土壤孔隙度和土壤饱和含水量对土壤有机质的高度依赖性, 我们认为土壤有机质控制着土壤含水量及其有效性( p= 0.014)。作为常规测定指标的土壤有机质, 不仅是森林固碳效益的关键指标, 而且可用来量度土壤水分保持及其有效性, 可以作为评价森林生态系统服务功能的一个综合指标。     

鼎湖山针阔叶混交林小气候调节效应

森林小气候监测对于评价森林对全球气候变化的响应与反馈有重要意义。选取2010年鼎湖山针阔叶混交林通量塔林内气象资料及其附近气象站空旷地同时段内气象资料,对两站点的气温、湿度、地温等小气候因子的日变化及月变化进行分析和对比。结果表明:(1)混交林年均气温、大气相对湿度和地表温度分别为19.8℃、86.5%、20℃,空旷地分别为22.1℃、79.1%、24℃。混交林内年均气温与地温分别比空旷地低2.3℃、4℃,年均相对湿度比空旷地高7.4%,土壤各层湿度明显高于空旷地,表现出良好的降温、增湿、涵养水源的小气候效应。(2)二者气温、大气湿度、土壤温度的差值均为白天大于晚上,在10:00—17:00差异明显,表明针阔叶混交林的降温和增湿作用白天大于夜晚。气温和土壤温度差值在湿季大于干季,而相对湿度差值在干季大于湿季,表明针阔叶混交林的降温作用湿季大于干季,增湿作用干季大于湿季。这种小气候调节作用是由南亚热带特殊的气候条件及植被类型决定的。     

南亚热带鹤山三种人工林小气候效应对比

先锋生态系统的小气候效应是评价它们在植被生态恢复过程中恢复效能的主要指标之一。对14龄的马占相思(Acacia mangium)、荷木(Schima superba)、湿地松(Pinus elliotii)人工林小气候效应的对比研究表明,荷木林的降温保湿效应最好。气温(最高温、最低温和平均温)和土壤温度(地表最高温、最低温和平均温度)均为3种林分中最低。荷木林林内气温一般比马占相思林和湿地松林低0．1～0．5C,地表和土壤温度一般低0．3～2．5C,相对湿度高1．2％。对荷木林和湿地松林温、湿度垂直方向上4个层次(距地0．5m,2．0m,4．0／5．0m,9．0m)上的观测结果表明,湿季林内温度随高度增加而增加;在最冷月(1月份)时,林内温度随高度增加而减小。无论是干季还是湿季,林内湿度都随林分高度的增加而减小。结合林分结构调查、森林土壤养分含量等资料。初步认为,南亚热带地带性森林植被人工恢复实践中,荷木等本地树种更为适宜。     

哈尔滨城市森林遮荫和降温增湿效应差异及其影响因素

在哈尔滨市内选取4种不同林型(单位附属林、道路林、风景游憩林和生态公益林)共183块样地,通过实地测量样地内主要树种的测树因子和样地内外环境因子,定量研究了不同林型在遮荫、降温、增湿效应的差异及其与外界环境、树木生长特征之间的关系。结果表明:城市森林遮荫、增湿效应程度分别为77%~90%、3%~6%;水平降温约3℃、土壤降温1~2℃;而垂直降温多表现为冠层温度低于林内温度1℃以内;4种不同林型遮荫、降温、增湿效应差异显著,总效益综合得分显示风景游憩林比其他3种林分平均高19%;城市森林遮荫、降温、增湿等生态服务功能在高温、晴朗和低湿环境下更强;树高、枝下高、冠幅和胸径对树木遮荫、降温增湿效果有显著影响,且多表现为高大树木具有更明显的生态服务功能;不同城市森林类型具有明显的微气候调节相关生态服务功能差异,对于风景游憩林应继续维持其高生态服务功能,对于环境调节能力较低的森林类型应加强管理。     

马占相思人工林温湿效应的时空动态

对马占相思人工林温湿两方面11年定位观测资料进行了总结。分析了马占相思人工林空气及土壤温湿度在空间（水平的和垂直的）和时间尺度（年、季、日）上的动态变化。从功能上来看,可把马占相思人工林的温湿效应简要地概括为调温（湿季降温、干季保温0、滞缓温变以及增温3个方面,具体体现在：①约7龄的马占相思人工林即可表现出较为明显而稳定的温湿效应。林内11年的平均气温（21.7℃）比林外低0.5℃,表层土壤（0－20cm）的平均温度（21.3℃）比林外低2.0℃。马占相思林内极端最高温小于林外,极端最低温则高于林外。林分的降温效应湿季比干季明显,保温效应主要体现在湿季的深夜和干季气温较低的时候。②林内白天各垂直层的气温随距地高度的增加而降低,诳晚出现随高度增加气温升高的逆温现象。干季各层气温间的分异要比湿季明显。在湿季,土壤温度从地表层开始向下逐渐递减;干季0－5cm处的地温呈递减趋势,深于5cm则土温随浓度的增加而增加。一般林内的气温变化要滞后于林外1－2h。③马占相思林内的平均相对湿度为82％,比林外高4％。在晴天,林内相对湿度的变化呈“U”型,林内空气湿度随高度增加而下降,但在湿季,接近林冠约7m处的湿度要大于近地表和林冠上层。土壤湿度在0－40cm处随土层浓度的增加而增加,40－120cm处则随土层浓度的增加而逐渐减少。     

千烟洲人工针叶林对温湿环境的调节作用

森林对气候有调节作用是森林生态服务功能的体现之一。森林小气候研究有助于深入了解森林生态系统对气候调节的特征及其机制,进而为农林生产提供理论指导。本研究以千烟洲亚热带人工针叶林为对象,以2005—2014年林外与林内平行观测数据为基础,通过对比林内外的温度、湿度差异,研究中亚热带人工林对小气候中的温度、湿度要素的调节作用,并进一步研究了10年时间尺度上森林对温湿环境调节作用的时间动态特征。结果表明,该人工林对温湿环境表现出了显著的调节作用。林内气温多年平均值低于林外0.5℃,林内月最高气温低于林外2.0℃,月最低气温高于林外0.4℃。随着林龄从20年增长到30年,夏季的降温效应显著增强,对最高气温和最低气温的调节作用显著增强。该人工林林内水汽压高于林外,表现出明显的增湿效应。从2005—2014年,林内水汽压呈显著升高趋势。森林对土壤温度的调节作用大于对气温的调节作用,林内5 cm深土壤温度多年均值比林外低3.6℃。炎热的夏季表现为极显著的降温作用,冬季表现出极显著的保温作用;对土壤温度的调节作用没有随着林龄的增长呈现出明显的变化趋势,而是受到土壤含水量的影响。     

广州南沙与珠海淇澳红树林湿地的温湿度效应比较

于2017年期间,每日间隔1h自动监测1次,同步测定广州南沙湿地与珠海淇澳红树林林内、林外旷地的气温及大气相对湿度,比较研究不同地点红树林生境的生态效应。结果表明,两地红树林林内气温一直低于林外旷地,相对湿度则高于旷地。南沙红树林日降温最大值6.832℃,平均降温0.733℃,平均降温率3.092%;日增湿最大值23.416%,平均增湿5.528%,平均增湿率6.345%。淇澳红树林日降温最大值6.607℃,平均降温1.722℃,平均降温率7.011%;日增湿度最大值45.044%,平均增湿1.681%,平均增湿率1.942%。两地红树林林内气温年均值比较,南沙比淇澳高0.126℃,林外旷地气温年均值淇澳比南沙高0.862℃;红树林林内湿度年均值南沙比淇澳高4.427%,林外旷地湿度年均值南沙比淇澳高0.581%。总体上,两地红树林的降温、增湿效应均明显,其中淇澳红树林降温效应更明显,而南沙红树林增湿效应更明显。     

自然增温对南亚热带森林土壤微生物群落与有机碳代谢功能基因的影响

基于海拔高度下降气温上升的关系,将模拟的生态系统(含植物和土壤)从高海拔整体移位至低海拔地区,实现自然增温的效果。通过对自然增温条件下土壤环境因子及其相关理化性质的动态监测,结合磷脂脂肪酸分析与宏基因组学方法,测定土壤微生物群落结构以及与土壤有机碳分解相关基因丰度,探究自然增温对鼎湖山南亚热带山地常绿阔叶林土壤有机碳代谢的影响及其微生物学机制。结果表明:(1)增温处理显著改变了0—10 cm土壤温度与湿度:2016—2018年间土壤温度显著上升2.48℃,湿度显著下降23.93%。(2)增温处理下,干季土壤有机碳含量与湿季土壤硝态氮含量显著降低,其他土壤理化因子无显著变化。(3)增温处理下,干季和湿季土壤微生物群落结构发生改变,且湿季变化显著。土壤湿度是影响干季和湿季土壤微生物群落结构变化的主要因子,解释了干季50.2%的变异度与湿季79.2%的变异度。(4)宏基因组结果表示:增温抑制了干季山地常绿阔叶林土壤有机碳代谢基因丰度,增强了湿季山地常绿阔叶林土壤有机碳代谢基因丰度。以上结果表明,增温通过改变土壤微生物生物量和群落结构以及有机碳代谢相关功能基因的丰度,最终影响南亚热带山地常绿阔...     

去除和添加凋落物对木荷林土壤呼吸的短期影响

凋落物作为土壤呼吸的重要碳源,其输入的数量和质量将对土壤呼吸产生重要影响。自2011年2月—2012年5月,在浙江天童森林生态系统设置对照、去除和加倍凋落物处理,研究不同凋落物处理对木荷(Schima superba)林土壤呼吸速率、土壤温度和土壤含水量的影响。结果表明:去除和加倍凋落物对土壤温度的影响不显著,对土壤含水量的影响显著,相比对照的土壤呼吸速率2.52±0.29μmol·m-2·s-1,去除凋落物使土壤呼吸速率显著降低了25.32%;而加倍凋落物处理与对照之间的土壤呼吸速率无显著差异。不同凋落物处理下土壤呼吸均表现出明显的季节变化,凋落物处理在湿季对土壤呼吸速率的影响接近显著(P=0.065),在干季不显著,并且湿季的土壤呼吸速率显著高于干季。不同凋落物处理的土壤呼吸速率与土壤温度均呈显著相关,土壤温度解释了土壤呼吸速率变异程度的80.1%~90.3%,Q10值分别为2.42、2.48和2.24;而土壤呼吸速率与土壤含水量之间的相关性不显著。研究结果表明,短期凋落物处理对土壤呼吸产生了影响,并且这种影响因季节差异而不同,证明了凋落物对于改变森林生态系统土壤呼吸和碳循环具有重要作用。     

鼎湖山主要森林土壤CO_2排放和CH_4吸收特征

研究了鼎湖山生物圈保护区马尾松林、混交林和季风常绿阔叶林(季风林)在2000~2001年期间土壤CO2排放和CH4吸收特征。季风林、混交林和马尾松林土壤CO2排放速率在研究期间的平均值分别为(kgCO2-C·hm-2·d-1):18.6±2.6,20.5±3.7和17.8±3.8,土壤CH4吸收速率则分别为(gCH4-C·hm-2·d-1):-5.5±1.8,-3.3±1.6和-7.7±1.8。土壤CO2排放速率和土壤CH4吸收速率在三种森林类型中均表现明显的季节性变化,且其季节性变化根据森林类型和年份不同而异。总的来说,土壤CO2排放速率在所有森林中均呈现夏季最高而冬季最低的变化,土壤CH4吸收速率的季节性变化则相反,基本上表现为冬季最高而夏季最低的变化。三种森林土壤的CO2排放速率和CH4吸收速率在两观测年间的差异均不显著。土壤CO2排放速率在不同森林类型间的差异也不显著,但土壤CH4吸收速率在马尾松林显著高于混交林。在两观测年中,土壤CO2排放速率与土壤CH4吸收速率之间在季风林呈现显著的负相关关系,在混交林和马尾松林中它们之间也趋向呈负相关关系,但未达显著水平。土壤CO2排放速率与土壤温度之间在季风林呈现显著的指数正相关关系,但在其余森林(混交林和马尾松林)中它们之间的关系则不明显。     

南亚热带森林演替过程中土壤线虫群落结构变化

森林演替会通过改变植物群落组成和土壤环境影响土壤生物群落, 反过来, 土壤生物群落的变化也会对生态系统的演替产生反馈作用, 但迄今南亚热带森林演替过程中土壤生物群落的变化特征尚不清晰。本研究以广东省鼎湖山的南亚热带森林演替序列(马尾松(Pinus massoniana)林-针阔叶混交林-季风常绿阔叶林)为对象, 研究了森林演替过程中土壤线虫多样性和群落结构的动态变化及其影响因素。通过采集不同演替阶段的土壤样品, 分析和比对了不同演替阶段土壤线虫的多度、多样性、群落组成、土壤线虫生态指数以及土壤理化性质的差异。结果表明: (1)在南亚热带森林演替过程中, 针阔叶混交林和季风常绿阔叶林土壤线虫的α多样性显著高于马尾松林, 但土壤线虫总数和各营养类群多度及其相对丰度并无显著变化; (2)针阔叶混交林中土壤线虫富集指数显著高于马尾松林, 表明其土壤养分状况要好于马尾松林, 而季风常绿阔叶林土壤线虫结构指数较高, 表明其受干扰程度较低; (3)针阔叶混交林的土壤含水量和土壤理化性质(除土壤总磷含量)已达到季风常绿阔叶林的水平, 但两者的土壤pH值均显著低于马尾松林, 而土壤pH值和土壤含水量是影响土壤线虫群落动态变化的主要因素。综上所述, 南亚热带森林中土壤线虫多度、多样性和群落结构对森林演替的响应略有不同, 演替过程中土壤环境因素的趋同是导致针阔叶混交林和季风常绿阔叶林中土壤线虫多样性和群落特征相似的主要原因。     

Increasing phosphorus limitation along three successional forests in southern China

Background and Aims

Phosphorus (P) is commonly one of most limiting nutrients in tropical and subtropical forests, but whether P limitation would be exacerbated during forest succession remains unclear.

Methods

Soil phosphatase activity is often used as an indicator of P limitation. Here we examined soil acid phosphatase activity (APA) underneath tree species in pine forest (PF), mixed pine and broadleaf forest (MF) and monsoon evergreen broadleaf forest (MEBF) which represented the early, middle and late successional stages of subtropical forests in China, respectively. We also analyzed other indicators of P status (soil available P and N and P stoichiometry of the tree species).

Results

APA or APA per unit soil organic carbon under tree species was relatively low in the early successional forest. Different from PF and MF, soil available P beneath the tree species was lower than in the bulk soils in MEBF. Soil APA was closely related to N:P ratios of tree species across all three forests.

Conclusions

Our results imply that P limitation increases during forest succession at our site. The dominant tree species with low soil APAs in MEBF are likely more P-limited than other tree species.     

Invasion of Ligustrum lucidum (Oleaceae) in the southern Yungas: Changes in habitat properties and decline in bird diversity

Ligustrum lucidum is the major exotic tree in NW Argentina montane forests (Yungas). To assess the effects of its expanding invasion on avian communities we (1) measured different habitat properties (vertical forest structure and composition, vegetation cover, light availability, air temperature, air relative humidity and soil litter depth), (2) compared bird species composition and diversity in Ligustrum-dominated and native-dominated secondary forests and (3) analyzed seasonal patterns and changes in these variables between forest types. The study was conducted during 2010–2011 wet and dry seasons, at two altitudinal zones: 500–800 and 1100–1450 masl. Compared with native forests, Ligustrum dominated forests had a more homogeneous vertical forest structure and denser canopy cover (resulting in lower understory solar radiation), significantly lower understory cover and lower litter depth. Air temperature and relative humidity did not differ between forests in either season. Solar radiation was higher in the dry season in both forest types, but litter depth showed opposite patterns between seasons depending on forest type. We recorded 59 bird species in 21 families. Bird species abundance, richness and diversity indexes were significantly lower in Ligustrum-dominated relative to native forests of similar successional age, which had almost twice as many species as the former. Avian communities differed between altitudinal zones, but the difference was stronger between Ligustrum and native-dominated forests. Avian community composition was less variable in time and space in native forests than in Ligustrum-dominated ones. Our results suggest that L. lucidum invasion generates structurally homogeneous and simpler forests that represent a less suitable habitat for a diverse avifauna. This illustrates the wide ecological changes (from habitat properties and ecosystem functioning to vertebrate community composition) that the subtropical mountain forests of Argentina are experiencing with this invasion.     

南亚热带森林土壤微生物量碳对氮沉降的响应

研究了鼎湖山自然保护区3种森林生态系统土壤微生物量碳对氮沉降增加的响应.选取南亚热带代表性森林类型马尾松林、混交林和季风常绿阔叶林(季风林)建立野外模拟氮沉降试验样地.2003年7月开始每月进行氮处理.这些处理分别为对照、低氮处理、中氮处理和高氮处理,即0、50、100 kg N hm-2 a-1 和150 kg N hm-2 a-1.在2004年11月和2006年6月用氯仿熏蒸浸提法分别测定土壤微生物量碳和土壤可浸提有机碳.土壤微生物量碳和可浸提有机碳含量均表现为2006年6月高于2004年11月;季风林高于马尾松林和混交林.随着氮沉降增加季风林土壤微生物量碳减少,但可浸提有机碳含量则增加,且此趋势在高氮处理下表现明显.然而,氮沉降增加对马尾松林和混交林土壤微生物量碳和可浸提有机碳含量的影响不显著.以上结果表明,氮沉降增加可能提高季风林土壤有机碳的固持能力.     

模拟氮沉降对鼎湖山森林土壤酸性磷酸单酯酶活性和有效磷含量的影响

采用野外原位试验模拟氮(N)沉降,研究了其对鼎湖山马尾松林、混交林和季风林3种森林类型土壤酸性磷酸单酯酶活性(APA)和有效磷(AP)含量的影响.在季风林中设置对照(0 kg N·hm-2·a-1)、低N(50 kg N·hm-2·a-1)、中N(100 kg N·hm-2·a-1)和高N(150 kg N·hm-2·a-1)处理,在马尾松林和混交林中只设置对照、低N和中N处理.结果表明:随着土层加深,土壤APA和AP含量降低.土壤APA在季风林中最高,而AP含量在3种林型中没有显著差异.N沉降增加对土壤APA的作用与林型有关.季风林中适度N沉降可使APA升高,且低N处理的APA(19.52 μmol·g-1·h-1)最高;马尾松林和混交林中,中N处理的APA最高,分别为12.74和11.02 μmol·g-1·h-1.3种林型的AP含量均在低N处理下最高,但各N处理之间的差异并不显著.土壤APA与AP含量之间呈显著正相关关系.     

中国南亚热带森林不同演替阶段土壤呼吸的分离量化

量化森林土壤呼吸(R_S)及其组分对准确地评估森林土壤碳吸存极其重要。该文以鼎湖山南亚热带季风常绿阔叶林及其演替系列针阔叶混交林和马尾松(Pinus massoniana)林为研究对象, 采用挖壕沟法结合静态气室CO₂测定法对这3种林分类型的R_S进行分离量化。结果表明: 鼎湖山3种森林演替系列上的森林R_S及其组分(自养呼吸R_A、异养呼吸R_H)均呈现出明显的季节动态, 表现为夏季最高、冬季最低的格局。在呼吸总量上, 季风常绿阔叶林显著高于针阔叶混交林和马尾松林, 但混交林与马尾松林之间差异不显著; R_A除季风常绿阔叶林显著大于针阔叶混交林外, 其余林分之间差异不显著; 对于R_H来说, 3个林分之间均无显著差异。随着森林正向演替的进行, 由马尾松林至针阔叶混交林至季风常绿阔叶林, R_A对土壤总呼吸的年平均贡献率分别为(39.48 ± 15.49)%、(33.29 ± 17.19)%和(44.52 ± 10.67)%, 3个林分之间差异不显著。方差分析结果表明, 土壤温度是影响R_S及其组分的主要环境因子, 温度与R_S及其组分呈显著的指数关系; 土壤含水量对R_S的影响不显著, 甚至表现为轻微的抑制现象, 但未达到显著性水平。对温度敏感性指标Q₁₀值的分析表明, 3个林分均为R_A的温度敏感性最大, R_H的温度敏感性最小。     

Edge Effects of Linear Canopy Openings on Tropical Rain Forest Understory Microclimate

We investigated microclimatic edge gradients associated with grassy powerlines, paved highways and perennial creeks in wet tropical forest in northeastern Australia during wet and dry seasons. Photosynthetically active radiation, air temperature and vapor pressure deficit, soil temperature, canopy temperature, soil moisture, and air speed in the rain forest understory were measured during traverses perpendicular to the forest edge. Light intensity was elevated near the edges of powerlines, highways, and creeks, but this effect was strongest for creek edges. Air temperature and vapor pressure deficit were elevated near powerline edges in the dry season and highway edges in both wet and dry seasons but were not elevated near creek edges in either season. In contrast, soil moisture was lowered near creek edges but not near either powerline or highway edges. No edge gradients were detected for air speed. Canopy temperature was elevated near highway edges and lowered near powerline edges in the wet season but no edge gradients in canopy temperature were detected near creek edges in either the wet or the dry season. We suggest that these different edge gradients may be largely the result of differences in the fluxes of latent and sensible heat within each type of linear canopy opening, with periodic flood disturbance assisting by maintaining a more open canopy near creek edges. Our data indicate that the nature of the linear canopy opening is at least as important as the width in determining the nature and severity of microclimatic edge effects, analogous to the "matrix effect" of traditional fragmentation studies.     

Changes in Forest Soil Properties in Different Successional Stages in Lower Tropical China

Background

Natural forest succession often affects soil physical and chemical properties. Selected physical and chemical soil properties were studied in an old-growth forest across a forest successional series in Dinghushan Nature Reserve, Southern China.

Methodology/Principal Findings

The aim was to assess the effects of forest succession change on soil properties. Soil samples (0–20 cm depth) were collected from three forest types at different succession stages, namely pine (Pinus massoniana) forest (PMF), mixed pine and broadleaf forest (PBMF) and monsoon evergreen broadleaf forest (MEBF), representing early, middle and advanced successional stages respectively. The soil samples were analyzed for soil water storage (SWS), soil organic matter (SOM), soil microbial biomass carbon (SMBC), pH, NH₄ ⁺-N, available potassium (K), available phosphorus (P) and microelements (available copper (Cu), available zinc (Zn), available iron (Fe) and available boron (B)) between 1999 and 2009. The results showed that SWS, SOM, SMBC, Cu, Zn, Fe and B concentrations were higher in the advanced successional stage (MEBF stage). Conversely, P and pH were lower in the MEBF but higher in the PMF (early successional stage). pH, NH₄ ⁺-N, P and K declined while SOM, Zn, Cu, Fe and B increased with increasing forest age. Soil pH was lower than 4.5 in the three forest types, indicating that the surface soil was acidic, a stable trend in Dinghushan.

Conclusion/Significance

These findings demonstrated significant impacts of natural succession in an old-growth forest on the surface soil nutrient properties and organic matter. Changes in soil properties along the forest succession gradient may be a useful index for evaluating the successional stages of the subtropical forests. We caution that our inferences are drawn from a pseudo-replicated chronosequence, as true replicates were difficult to find. Further studies are needed to draw rigorous conclusions regarding on nutrient dynamics in different successional stages of forest.