论文部分内容阅读
摘要[目的]研究海南3种森林类型的土壤特性及水源涵养功能。[方法]以海南岛琼中地区天然次生林、马占相思林和15年生的橡胶林为研究对象，对不同森林类型的土壤理化特性和水源涵养功能进行了研究。[结果]不同森林的土壤理化特性及其持水量差异明显，天然次生林和马占相思林土壤容重小、孔隙多、有机质含量丰富、持水量大，而橡胶林土壤容重较大、孔隙少、有机质含量低、持水量低。3种森林类型0～40 cm土层的饱和持水量、毛管持水量从大到小依次为天然次生林、马占相思林、橡胶林。[结论]该研究可为海南岛森林生态系统可持续发展提供科学依据。
关键词土壤特性；森林类型；水源涵养功能；海南岛
中图分类号S714文献标识码
A文章编号0517-6611（2017）36-0165-03
Abstract[Objective]To study the soil characteristics and water conservation function of forest types in Hainan Island. [Method]The soil properties and water conservation function of three different type forests （Secondary forest， Acacia mangium forest and Hevea brasiliensis forest） in Hainan Island of Qiongzhong District were studied. [Result]The results showed that existed significant differences in soil properties and water conservation function among three types forest. The secondary forest and Acacia mangium forest had small bulk density， more soil porosity， rich organic matter and large waterholding capacity in soil. But the Hevea brasiliensis forest had large bulk density， fewer soil porosity， low organic matter and low waterholding capacity in soil. The saturation moisture capacity and capillary moisture capacity in soil （0-40 cm） for the three forest types from big to small were secondary forest， Acacia mangium forest， Hevea brasiliensis forest. [Conclusion]This study can provide a scientific basis for the sustainable development of Hainan Island forest ecosystem.
Key wordsSoil properties；Forest type；Water conservation function；Hainan Island
森林不僅在维持生态平衡方面具有极其重要的作用，还具有保持土壤结构、维护土地肥力和涵养水源的重要功能。森林土壤是天然的大水库，降雨能沿着土壤孔隙下渗，成为土壤贮蓄水和地下径流，是森林涵养水源的主体，但不同森林类型由于树种生物学特性和林分结构的不同，其土壤理化特性和水源涵养效应亦有所差异[1-4]。研究不同森林类型的土壤理化特性和水源涵养功能，对于防止水土流失及实现森林可持续发展具有重要意义。
海南岛是我国仅有的2个热带林区之一，森林资源极为丰富，森林覆盖率达61.9%，被称为“绿色之岛”“生态之岛”。近年来，随着经济的快速发展，人类盲目追求经济价值，土地和植被资源被过度利用，致使森林资源遭受严重破坏，生态服务功能下降。尤其橡胶林是海南岛重要的经济林树种，在产生巨大的经济效益和社会效益的同时也带来了诸多生态环境问题，目前已引起学术界和媒体的争论，尤其橡胶林对某些地区水文过程的负面影响已引起社会各界的关注，但目前仍缺乏相关的科学量化数据来证明其影响程度[5-7]。天然次生林、马占相思林与橡胶林是海南岛地区典型的森林类型。笔者在海南琼中地区选择这3种不同的森林类型开展其土壤理化特性和水源涵养功能研究，探讨它们之间土壤性质和涵养水源功能的差异，旨在为合理利用森林资源、维护地力、提高橡胶人工林生产力和可持续发展提供科学依据。
1研究区概况与研究方法
1.1研究区概况
研究区域位于海南省琼中黎族苗族自治县大丰农场，地理位置为109°45′ E， 19°16′ N，该区属热带海岛季风气候类型，年均气温22.9 ℃，年均降水量2 278 mm，样地土壤类型为砖红壤酸性土壤。选择区域内15年生橡胶林、马占相思林、天然次生林3种不同森林类型为调查研究对象。3种森林的林下植被主要以草本植物、蕨类植物和藤本植物居多，如含羞草（Mimosa pudica Linn.）、竹叶草（Armgrass）、地胆头（Elephantopus scaber L.）、鸡屎藤[Paederia scandens （Lour.） Merr.]、铁线蕨（Adiantum Capillusveneris L.）、肾蕨[Nephrolepis auriculata （L. ） Trimen]等。 1.2土样采集
每个样地内设置5个取样点，采用环刀法分层采集0～20和20～40 cm自然土壤样品各2份，1份用于测定土壤自然含水量及容重，另1份用于测定土壤持水量。同时，采用分层多点混合取土样方法采集各样地土壤，自然风干，捡去石块、草根等杂质，过筛，测定土壤养分含量。
1.3土壤理化性质测定
1.3.1土壤容重及孔隙度。将环刀法采集的土样转移至已知重量的铝盒内，称重，并将样品带回实验室，置于105 ℃烘箱内烘干至恒重，称量烘干土及铝盒重量，计算土壤容重和孔隙度。
1.3.2土壤饱和持水量、毛管持水量及非毛管持水量。环刀采集的土样称重后带回实验室放入平底盘中，注入并保持盆中水层高度至环刀上沿，浸泡吸水12 h，环刀内土壤所有毛管孔隙及非毛管孔隙都充满水分后取出，立即称量，计算土壤饱和持水量、毛管持水量及非毛管持水量。
1.3.3土壤养分。土壤有机质含量采用重络酸钾容量法测定；全氮含量采用半微量开氏法测定；全磷含量采用钼锑抗比色法测定；全钾含量采用火焰光度计法测定。
2结果与分析
2.1不同森林类型土壤容重与孔隙状况
土壤容重和孔隙度是反映土壤物理性质的重要参数，直接影响土壤的通气性和透水性[8-9]。土壤容重综合反映了土壤松紧度、通气性及透水性，土壤容重大，表明土壤紧实、板结，土壤退化趋势愈强；土壤容重小，则表明土壤疏松多孔，结构性良好[10]。由表1可知，3种森林类型0～20和20～40 cm土层的土壤容重从大到小依次为橡胶林、马占相思林、次生林，其中橡胶林0～20 cm土层土壤容重极显著大于次生林，馬占相思林和次生林的土壤容重差异不显著。土壤孔隙是土壤中水分、空气、养分及微生物的迁移通道和活动场所，尤其毛管孔隙是土壤水分贮存和水分运动相当强烈的地方[11-12]。3种森林类型0～20和20～40 cm土层的土壤总孔隙度和毛管孔隙度从大到小依次为次生林、马占相思林、橡胶林，其中次生林和马占相思林0～20 cm土层的总孔隙度极显著高于橡胶林，马占相思林和橡胶林0～20和20～40 cm的总孔隙度和毛管孔隙度差异不显著，3种森林类型间土壤非毛管孔隙度差异不显著。
从3种森林的土壤容重和空隙状况可以看出，次生林和马占相思林土壤容重较小，孔隙多，而橡胶林土壤容重大，孔隙少。因此，次生林和马占相思林土壤疏松、透气，结构较好，橡胶林土壤紧实、结构相对较差，原因可能是橡胶林由于耕作、施肥等影响，受人为活动扰动较为频繁，林下植被稀少，使得林地土壤板结、孔隙度降低、透气性变差、结构退化。
2.2不同森林类型土壤养分状况
不同森林类型由于受到植被类型、土壤结构、物理性质及凋落物等因素的影响，土壤养分状况存在差异。由表2可知，0～20 cm土层的土壤养分状况：次生林、马占相思林土壤有机质和全氮含量大于橡胶林，3种森林土壤全磷和全钾含量差异不显著。20～40 cm土层的土壤养分状况：次生林土壤有机质和全钾含量显著高于马占相思林和橡胶林；3种森林土壤全氮、全磷含量差异不显著。
2.3不同森林类型土壤水源涵养功能
土壤是森林水源贮藏的主要场所，饱和持水量是土壤全部孔隙充满水时所保持的水量，是毛管孔隙和非毛管孔隙贮存水分之和，为土壤所能容纳的最大持水量，反映土壤贮存和调节水源的潜在能力[13]。毛管持水量为吸持贮存水，供植物根系吸收供其正常生理活动所需的有效水分和土壤蒸发。非毛管持水量通过重力作用在土壤中可做上下运动，能够调节土壤水分流量和稳定水位。
由表3可知，从0～20 cm土层土壤持水量来看，次生林、马占相思林的饱和持水量显著高于橡胶林，次生林土壤自然含水量显著高于
橡胶林，毛管持水量极显著高于橡胶林，次生林和马占相思林间的自然含水量差异不显著，3种森林类型的土壤非毛管持水量差异亦不显著。从20～40 cm土层的持水量来看，次生林的自然含水量显著高于马占相思林和橡胶林，饱和持水量和毛管持水量均显著高于橡胶林；3种森林类型的土壤非毛管持水量差异不显著。0～40 cm土层土壤的饱和持水量和毛管持水量从大到小依次为次生林、马占相思林、橡胶林，其中次生林的饱和持水量显著高于橡胶林，3种森林类型彼此间毛管持水量差异显著，土壤非毛管持水量差异不显著。
2.4不同森林土壤水源涵养功能与土壤性质的相关性
由表4可知，3种森林土壤水分蓄积量受土壤容重和孔隙度的影响很大，但不同类型持水量与土壤容重和孔隙度的关系不同。3种森林土壤的饱和持水量与土壤容重呈极显著负相关，与总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均呈极显著正相关，说明土壤容重小、孔隙多的森林土壤水分蓄积量大，水源涵养功能强；毛管持水量与土壤容重呈显著负相关，与总孔隙度、毛管孔隙度呈极显著正相关；非毛管持水量与毛管孔隙度呈极显著负相关，与非毛管孔隙度呈极显著正相关。
3结论与讨论
人工林与天然林由于林分起源和结构不同，人工林多为单一树种，在功能上存在较大差异。研究表明，人工林在涵养水源、土壤维持、生物多样性等方面的功能较天然次生林差[14-15]。海南岛橡胶林多为单一人工树种群落，且第1代胶园基本上都是在自然植被土地上建立起来的，在长期大规模替代自然植被的背景下，再加上不合理的经营管理，必定对橡胶林人工林生态系统生态服务功能产生一定影响。
土壤持水能力受植被、土壤物理性质、土层厚度、地质、地形等自然因素及人为因素的长期影响，其中土壤物理性质尤为重要[16]。该研究中3种森林土壤持水量与土壤物理性质中的土壤容重、孔隙度关系密切。从3种森林类型的土壤性质和持水量可以看出，天然次生林和马占相思林土壤疏松、孔隙多，土壤保水、通气性能好，土壤持水量大，具有较高的水源涵养功能，其0～40 cm土层的饱和持水量分别为1 993.26和1 865.03 t/hm2，而橡胶林土壤相对较为紧实、孔隙少，土壤保水、通气性能较差，土壤持水量较小，水源涵养功能相对最低，0～40 cm土层的饱和持水量为1 669.91 t/hm2。总体来看，橡胶林水源涵养功能要低于次生林和马占相思林，表明橡胶林已经出现了土壤衰退和水土流失现象，但其仍具有一定的水源涵养能力，通过合理种植、加强经营管理可增强其水源涵养功能。建议在追求经济效益的同时，改善橡胶林现有的种植和经营管理模式，严禁超海拔、超坡度种植橡胶树，并严格做好水土保持工程措施，以防止水土流失；同时，充分利用橡胶种植空间时间生态位，采用胶园间作技术，在橡胶林中间作豆科、南药、牧草等作物，改善林分结构，改良土壤结构，以提高橡胶林的水源涵养功能。
参考文献
[1]
姜志林.森林生态学（五）：森林生态系统蓄水保土的功能（1）[J]. 生态学杂志， 1984（6）：58-61，63.
[2] 薛立，梁丽丽，任向荣，等. 华南典型人工林的土壤物理性质及其水源涵养功能[J].土壤通报， 2008，39（5）：986-989.
[3] 何斌，黄承标，秦武明，等.不同植被恢复类型对土壤性质和水源涵养功能的影响[J]. 水土保持学报， 2009，23（2）：71-74，79.
[4] 周允安，黄承标，曾戌秀，等.不同人工林类型枯枝落叶层及土壤层水源涵养功能分析[J]. 广东农业科学，2013，40（14）：85-87，91.
[5] HE Y L， ZHANG Y P， YANG X B. Climate change in tropical area of southwestern China since 1950s[J]. Scientia geographica sinica， 2007， 27（4）： 499- 505.
[6] ZIEGLER A D， BRUUN T B， GUARDIOLA C M， et al. Environmental consequences of the demise in swidden cultivation in montane mainland southeast Asia： Hydrology and geomorphology [J]. Human ecology， 2009， 37（3）：361-373.
[7] 周外，吴兆录，何謦成， 等.橡胶种植与饮水短缺： 西双版纳戈牛村的案例[J]. 生态学杂志， 2011， 30（7）：1570-1574.
关键词土壤特性；森林类型；水源涵养功能；海南岛
中图分类号S714文献标识码
A文章编号0517-6611（2017）36-0165-03
Abstract[Objective]To study the soil characteristics and water conservation function of forest types in Hainan Island. [Method]The soil properties and water conservation function of three different type forests （Secondary forest， Acacia mangium forest and Hevea brasiliensis forest） in Hainan Island of Qiongzhong District were studied. [Result]The results showed that existed significant differences in soil properties and water conservation function among three types forest. The secondary forest and Acacia mangium forest had small bulk density， more soil porosity， rich organic matter and large waterholding capacity in soil. But the Hevea brasiliensis forest had large bulk density， fewer soil porosity， low organic matter and low waterholding capacity in soil. The saturation moisture capacity and capillary moisture capacity in soil （0-40 cm） for the three forest types from big to small were secondary forest， Acacia mangium forest， Hevea brasiliensis forest. [Conclusion]This study can provide a scientific basis for the sustainable development of Hainan Island forest ecosystem.
Key wordsSoil properties；Forest type；Water conservation function；Hainan Island
森林不僅在维持生态平衡方面具有极其重要的作用，还具有保持土壤结构、维护土地肥力和涵养水源的重要功能。森林土壤是天然的大水库，降雨能沿着土壤孔隙下渗，成为土壤贮蓄水和地下径流，是森林涵养水源的主体，但不同森林类型由于树种生物学特性和林分结构的不同，其土壤理化特性和水源涵养效应亦有所差异[1-4]。研究不同森林类型的土壤理化特性和水源涵养功能，对于防止水土流失及实现森林可持续发展具有重要意义。
海南岛是我国仅有的2个热带林区之一，森林资源极为丰富，森林覆盖率达61.9%，被称为“绿色之岛”“生态之岛”。近年来，随着经济的快速发展，人类盲目追求经济价值，土地和植被资源被过度利用，致使森林资源遭受严重破坏，生态服务功能下降。尤其橡胶林是海南岛重要的经济林树种，在产生巨大的经济效益和社会效益的同时也带来了诸多生态环境问题，目前已引起学术界和媒体的争论，尤其橡胶林对某些地区水文过程的负面影响已引起社会各界的关注，但目前仍缺乏相关的科学量化数据来证明其影响程度[5-7]。天然次生林、马占相思林与橡胶林是海南岛地区典型的森林类型。笔者在海南琼中地区选择这3种不同的森林类型开展其土壤理化特性和水源涵养功能研究，探讨它们之间土壤性质和涵养水源功能的差异，旨在为合理利用森林资源、维护地力、提高橡胶人工林生产力和可持续发展提供科学依据。
1研究区概况与研究方法
1.1研究区概况
研究区域位于海南省琼中黎族苗族自治县大丰农场，地理位置为109°45′ E， 19°16′ N，该区属热带海岛季风气候类型，年均气温22.9 ℃，年均降水量2 278 mm，样地土壤类型为砖红壤酸性土壤。选择区域内15年生橡胶林、马占相思林、天然次生林3种不同森林类型为调查研究对象。3种森林的林下植被主要以草本植物、蕨类植物和藤本植物居多，如含羞草（Mimosa pudica Linn.）、竹叶草（Armgrass）、地胆头（Elephantopus scaber L.）、鸡屎藤[Paederia scandens （Lour.） Merr.]、铁线蕨（Adiantum Capillusveneris L.）、肾蕨[Nephrolepis auriculata （L. ） Trimen]等。 1.2土样采集
每个样地内设置5个取样点，采用环刀法分层采集0～20和20～40 cm自然土壤样品各2份，1份用于测定土壤自然含水量及容重，另1份用于测定土壤持水量。同时，采用分层多点混合取土样方法采集各样地土壤，自然风干，捡去石块、草根等杂质，过筛，测定土壤养分含量。
1.3土壤理化性质测定
1.3.1土壤容重及孔隙度。将环刀法采集的土样转移至已知重量的铝盒内，称重，并将样品带回实验室，置于105 ℃烘箱内烘干至恒重，称量烘干土及铝盒重量，计算土壤容重和孔隙度。
1.3.2土壤饱和持水量、毛管持水量及非毛管持水量。环刀采集的土样称重后带回实验室放入平底盘中，注入并保持盆中水层高度至环刀上沿，浸泡吸水12 h，环刀内土壤所有毛管孔隙及非毛管孔隙都充满水分后取出，立即称量，计算土壤饱和持水量、毛管持水量及非毛管持水量。
1.3.3土壤养分。土壤有机质含量采用重络酸钾容量法测定；全氮含量采用半微量开氏法测定；全磷含量采用钼锑抗比色法测定；全钾含量采用火焰光度计法测定。
2结果与分析
2.1不同森林类型土壤容重与孔隙状况
土壤容重和孔隙度是反映土壤物理性质的重要参数，直接影响土壤的通气性和透水性[8-9]。土壤容重综合反映了土壤松紧度、通气性及透水性，土壤容重大，表明土壤紧实、板结，土壤退化趋势愈强；土壤容重小，则表明土壤疏松多孔，结构性良好[10]。由表1可知，3种森林类型0～20和20～40 cm土层的土壤容重从大到小依次为橡胶林、马占相思林、次生林，其中橡胶林0～20 cm土层土壤容重极显著大于次生林，馬占相思林和次生林的土壤容重差异不显著。土壤孔隙是土壤中水分、空气、养分及微生物的迁移通道和活动场所，尤其毛管孔隙是土壤水分贮存和水分运动相当强烈的地方[11-12]。3种森林类型0～20和20～40 cm土层的土壤总孔隙度和毛管孔隙度从大到小依次为次生林、马占相思林、橡胶林，其中次生林和马占相思林0～20 cm土层的总孔隙度极显著高于橡胶林，马占相思林和橡胶林0～20和20～40 cm的总孔隙度和毛管孔隙度差异不显著，3种森林类型间土壤非毛管孔隙度差异不显著。
从3种森林的土壤容重和空隙状况可以看出，次生林和马占相思林土壤容重较小，孔隙多，而橡胶林土壤容重大，孔隙少。因此，次生林和马占相思林土壤疏松、透气，结构较好，橡胶林土壤紧实、结构相对较差，原因可能是橡胶林由于耕作、施肥等影响，受人为活动扰动较为频繁，林下植被稀少，使得林地土壤板结、孔隙度降低、透气性变差、结构退化。
2.2不同森林类型土壤养分状况
不同森林类型由于受到植被类型、土壤结构、物理性质及凋落物等因素的影响，土壤养分状况存在差异。由表2可知，0～20 cm土层的土壤养分状况：次生林、马占相思林土壤有机质和全氮含量大于橡胶林，3种森林土壤全磷和全钾含量差异不显著。20～40 cm土层的土壤养分状况：次生林土壤有机质和全钾含量显著高于马占相思林和橡胶林；3种森林土壤全氮、全磷含量差异不显著。
2.3不同森林类型土壤水源涵养功能
土壤是森林水源贮藏的主要场所，饱和持水量是土壤全部孔隙充满水时所保持的水量，是毛管孔隙和非毛管孔隙贮存水分之和，为土壤所能容纳的最大持水量，反映土壤贮存和调节水源的潜在能力[13]。毛管持水量为吸持贮存水，供植物根系吸收供其正常生理活动所需的有效水分和土壤蒸发。非毛管持水量通过重力作用在土壤中可做上下运动，能够调节土壤水分流量和稳定水位。
由表3可知，从0～20 cm土层土壤持水量来看，次生林、马占相思林的饱和持水量显著高于橡胶林，次生林土壤自然含水量显著高于
橡胶林，毛管持水量极显著高于橡胶林，次生林和马占相思林间的自然含水量差异不显著，3种森林类型的土壤非毛管持水量差异亦不显著。从20～40 cm土层的持水量来看，次生林的自然含水量显著高于马占相思林和橡胶林，饱和持水量和毛管持水量均显著高于橡胶林；3种森林类型的土壤非毛管持水量差异不显著。0～40 cm土层土壤的饱和持水量和毛管持水量从大到小依次为次生林、马占相思林、橡胶林，其中次生林的饱和持水量显著高于橡胶林，3种森林类型彼此间毛管持水量差异显著，土壤非毛管持水量差异不显著。
2.4不同森林土壤水源涵养功能与土壤性质的相关性
由表4可知，3种森林土壤水分蓄积量受土壤容重和孔隙度的影响很大，但不同类型持水量与土壤容重和孔隙度的关系不同。3种森林土壤的饱和持水量与土壤容重呈极显著负相关，与总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均呈极显著正相关，说明土壤容重小、孔隙多的森林土壤水分蓄积量大，水源涵养功能强；毛管持水量与土壤容重呈显著负相关，与总孔隙度、毛管孔隙度呈极显著正相关；非毛管持水量与毛管孔隙度呈极显著负相关，与非毛管孔隙度呈极显著正相关。
3结论与讨论
人工林与天然林由于林分起源和结构不同，人工林多为单一树种，在功能上存在较大差异。研究表明，人工林在涵养水源、土壤维持、生物多样性等方面的功能较天然次生林差[14-15]。海南岛橡胶林多为单一人工树种群落，且第1代胶园基本上都是在自然植被土地上建立起来的，在长期大规模替代自然植被的背景下，再加上不合理的经营管理，必定对橡胶林人工林生态系统生态服务功能产生一定影响。
土壤持水能力受植被、土壤物理性质、土层厚度、地质、地形等自然因素及人为因素的长期影响，其中土壤物理性质尤为重要[16]。该研究中3种森林土壤持水量与土壤物理性质中的土壤容重、孔隙度关系密切。从3种森林类型的土壤性质和持水量可以看出，天然次生林和马占相思林土壤疏松、孔隙多，土壤保水、通气性能好，土壤持水量大，具有较高的水源涵养功能，其0～40 cm土层的饱和持水量分别为1 993.26和1 865.03 t/hm2，而橡胶林土壤相对较为紧实、孔隙少，土壤保水、通气性能较差，土壤持水量较小，水源涵养功能相对最低，0～40 cm土层的饱和持水量为1 669.91 t/hm2。总体来看，橡胶林水源涵养功能要低于次生林和马占相思林，表明橡胶林已经出现了土壤衰退和水土流失现象，但其仍具有一定的水源涵养能力，通过合理种植、加强经营管理可增强其水源涵养功能。建议在追求经济效益的同时，改善橡胶林现有的种植和经营管理模式，严禁超海拔、超坡度种植橡胶树，并严格做好水土保持工程措施，以防止水土流失；同时，充分利用橡胶种植空间时间生态位，采用胶园间作技术，在橡胶林中间作豆科、南药、牧草等作物，改善林分结构，改良土壤结构，以提高橡胶林的水源涵养功能。
参考文献
[1]
姜志林.森林生态学（五）：森林生态系统蓄水保土的功能（1）[J]. 生态学杂志， 1984（6）：58-61，63.
[2] 薛立，梁丽丽，任向荣，等. 华南典型人工林的土壤物理性质及其水源涵养功能[J].土壤通报， 2008，39（5）：986-989.
[3] 何斌，黄承标，秦武明，等.不同植被恢复类型对土壤性质和水源涵养功能的影响[J]. 水土保持学报， 2009，23（2）：71-74，79.
[4] 周允安，黄承标，曾戌秀，等.不同人工林类型枯枝落叶层及土壤层水源涵养功能分析[J]. 广东农业科学，2013，40（14）：85-87，91.
[5] HE Y L， ZHANG Y P， YANG X B. Climate change in tropical area of southwestern China since 1950s[J]. Scientia geographica sinica， 2007， 27（4）： 499- 505.
[6] ZIEGLER A D， BRUUN T B， GUARDIOLA C M， et al. Environmental consequences of the demise in swidden cultivation in montane mainland southeast Asia： Hydrology and geomorphology [J]. Human ecology， 2009， 37（3）：361-373.
[7] 周外，吴兆录，何謦成， 等.橡胶种植与饮水短缺： 西双版纳戈牛村的案例[J]. 生态学杂志， 2011， 30（7）：1570-1574.