于帥 陳瑋 何興元 劉周莉 黃彥青

(森林與土壤生態(tài)國家重點實驗室(中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所)，沈陽，110016)

大伙房水庫周邊4種河岸林的土壤理化性質(zhì)1)

于帥 陳瑋 何興元 劉周莉 黃彥青

(森林與土壤生態(tài)國家重點實驗室(中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所)，沈陽，110016)

對大伙房水庫庫區(qū)附近4種河岸林土壤進行取樣，采用相關(guān)性分析，研究了4種不同類型河岸林中土壤物理和化學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明：4種不同類型的河岸帶森林土壤中，6種理化性質(zhì)均存在顯著性差異。改造后油松林的土壤中pH、含水量、總碳和總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為最高，而土壤密度和總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低。

大伙房水庫；河岸帶森林；土壤理化性質(zhì)

We studied the soil physical and chemical properties in four types of riparian forests around Dahuofang Reservoir. There were differences in six properties among four types.Pinustabulaeformis(after conservation) had much higher value in pH, water content, C and N. However, it had a relative lower value on soil density and P. Therefore,P.tabulaeformisforest management could improve the capabilities of carbon sequestration, water retention and nutrient reservation.

河岸植被緩沖帶是河岸生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對河岸生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)和水文過程具有重要的影響[1-2]。河岸林是植被緩沖帶中重要的一環(huán)，能夠通過吸收、截留、吸附、分解等，減少湖泊水體中的碳、氮、磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[3-4]，是防止氮磷等營養(yǎng)元素進入水體，控制水體富營養(yǎng)化的第一道屏障[5-6]。河岸植被緩沖帶對于保護河溪生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)完整性、實現(xiàn)河岸帶自身的各種功能具有十分重要的意義[7-8]。

目前,我國在河岸林生態(tài)水文功能、結(jié)構(gòu)設(shè)計、規(guī)劃管理等方面的研究剛剛起步，國內(nèi)外關(guān)于河岸林的研究集中在河岸林帶寬度以及河岸林的功能上，對于河岸林土壤的理化性質(zhì)研究還比較少[9-10]。因此,研究河岸林帶土壤的理化性質(zhì)，對于正確認(rèn)識河岸林的生態(tài)服務(wù)功能及環(huán)境生態(tài)效應(yīng)有十分重要意義。

大伙房水庫，位于遼河支流渾河中上游，距撫順市18 km，距沈陽市68 km，是一座防洪、供水、灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的大型水利工程。庫區(qū)周圍林木繁茂，河岸林覆蓋面積大，是典型的峽谷型水庫。因此，研究該地區(qū)河岸林土壤的理化性質(zhì)，為大伙房水庫地區(qū)的森林經(jīng)營與管理，合理開發(fā)、利用河岸林，以及保護水源地水質(zhì)提供理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

本研究采樣地點位于遼寧省大伙房水庫南側(cè)，撫順縣國有溫道林場轄區(qū)內(nèi)的河岸林(見圖1)。該地區(qū)海拔126 m，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷夏季熱，雨熱同期。年均氣溫5.3 ℃；7月份氣溫最高，平均氣溫22.9 ℃；1月最冷，平均氣溫-16 ℃；極端最高氣溫37.2 ℃，極端最低氣溫-37.6 ℃；無霜期130 d。年降水量806 mm，降水量集中在6—8月。土壤為典型的深棕色森林土，土層厚度20～30 cm。該區(qū)域森林植被茂盛，河岸林兩側(cè)主要樹種有：油松林、落葉松林和雜木林等。

2 研究方法

本實驗取樣時間為2013年9月中旬，該季節(jié)降水量顯著減少，同時也是河岸林吸收水分的穩(wěn)定時期。選擇典型的河岸帶森林(油松林、改造后的油松林、落葉松林、雜木林)作為研究對象。油松林指自然條件下未經(jīng)人工干預(yù)生長的油松林(樹齡30年左右)；而改造后的油松林是指對庫邊油松密度大于5 000株/hm2的純林，采用了塊狀間伐改造技術(shù)，保留油松株間距3.5 m，林窗間隙10%～15%，保留健康、有價值的中幼齡的油松，淘汰病害或處于亞健康的樹木，并補植其他闊葉樹，形成以油松中幼齡林分為主的健康穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。每種林型設(shè)置3塊20 m×20 m的樣方，采用蛇形采樣法取樣(每個樣方9個點)，共采集土壤樣品108個。

在每個采樣點，取3個重復(fù)樣品混合后，用四分法取樣帶回實驗室，迅速風(fēng)干待測。土壤含水量采用土壤水分速測儀-TDR200(美國SPECTRUM)測定；pH值測定采用電位法；土壤密度測定采用環(huán)刀法測定；總碳和總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)用元素分析儀vario MACRO cube(STCS/GL-ZD-37)測定；總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定采用濃硫酸-高氯酸消解鉬銻抗分光光度法[11]。

統(tǒng)計分析采用SPSS 16.0、單因素方差分析和Duncan多重比較法，檢驗不同河岸林土壤密度(ρb)、含水量(Wg)、pH、總碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(TC)、總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(TN)和總磷(TP)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異。采用相關(guān)分析法分析河岸林土壤的ρb、Wg、pH、TC、TN、TP的相關(guān)性。運用Microsoft Office Excel 2010計算平均值及標(biāo)準(zhǔn)誤。

3 結(jié)果與分析

3.1 河岸林土壤物理性質(zhì)

四種類型的河岸林土壤含水量和容重均表現(xiàn)出顯著差異(n=9，P<0.05)。其中改造后的油松林土壤含水量最高達到24.52%，最低的為天然油松林5.60%。土壤含水量由高到低的順序為：改造后的油松林、落葉松林、雜木林、油松林(見表1)。土壤密度呈現(xiàn)出與含水量相反的趨勢：天然油松林最高(0.30 g·cm-3)，改造后的油松林最低(0.062 g·cm-3)。

表1 大伙房水庫周邊四種河岸林土壤理化性質(zhì)

注：表中數(shù)據(jù)為“平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤”，同列不同小寫字母表示在0.05水平差異著性。

河岸林中土壤水分狀況直接影響到土壤的理化性質(zhì)以及土壤的生化過程，對林木生長起著重要的作用。土壤含水量、土壤密度等物理指標(biāo)可以用來評價土壤貯水能力的大小[12]，特別是土壤密度直接影響土壤的通氣性和透水性，是決定森林土壤涵養(yǎng)水源功能的重要指標(biāo)[13]。本研究區(qū)油松林和落葉松林是大伙房水庫周邊森林的主要組成部分。結(jié)果表明，經(jīng)改造后的油松林和落葉松林的土壤密度顯著小于天然油松林和雜木林(P<0.05)，而含水量顯著高于其他兩種河岸林。這說明經(jīng)改造后的油松林和落葉松林具有相對較強的涵養(yǎng)水源的能力。因此，加強對天然油松林和落葉松林的管理和改造，有助于增加水庫周邊森林的水源涵養(yǎng)能力，更好的保護水源地。

3.2 河岸林土壤化學(xué)性質(zhì)

方差分析結(jié)果表明，4種河岸林土壤的pH、TC、TN、TP均有顯著性差異(n=9,P<0.05)(見表1)。土壤pH值呈現(xiàn)出弱酸性，油松林和雜木林偏低，改造后的油松林和落葉松林顯著高于前兩種林型(n=9,P<0.05)。全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的為改造后的油松林(2.40 mg·g-1)，其次為落葉松林(1.26 mg·g-1)，最低的為油松林(0.71 mg·g-1)和雜木林(0.58 mg·g-1)；改造后油松林土壤中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低；而油松林和雜木林土壤中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，但是磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻顯著高于其他兩種河岸林的土壤(P<0.05)。在河岸林土壤中碳的主要來源是動植物殘體，而碳的轉(zhuǎn)移主要靠水體侵蝕和植物對碳的分解作用；氮主要來源于動植物殘體和生物固氮作用，氮被分解后，通過植物體吸收和反消化作用轉(zhuǎn)移到大氣中[14]；森林土壤中，磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要來源于成土母質(zhì)和動植物的殘體[15]。磷在濕地生態(tài)系統(tǒng)中具有一定的穩(wěn)定性，這種穩(wěn)定態(tài)的存在對濕地來說非常重要，由于河岸帶生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)載型，磷能夠從水體轉(zhuǎn)移到土壤中，被植物和土壤吸附而滯留于河岸帶森林的土壤中[16]。而土壤對磷的吸附能力與植被類型和覆蓋有著直接關(guān)系。這也是導(dǎo)致大伙房水庫附近土壤的全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于我國土壤平均磷水平(0.0561%)[17]，而氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的原因。土壤中磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高而氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低，這與2011年對渾河上游河岸帶研究結(jié)果一致[18]，均說明氮是限制各河岸帶植物初級生產(chǎn)力的重要因素。但是由于河岸帶區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性還需要進一步研究。

3.3 河岸林土壤理化性質(zhì)相關(guān)性

相關(guān)性分析表明，該區(qū)域總碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、含水量呈顯著正相關(guān)，總碳與總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤密度呈顯著負(fù)相關(guān)；總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤密度表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)，與含水量呈正相關(guān)；總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤密度呈正相關(guān)，與含水量和pH呈負(fù)相關(guān)(見表2)。

表2 林下土壤的理化性質(zhì)相關(guān)性

土壤的理化性質(zhì)指標(biāo)間存在著不同的相關(guān)性，土壤中總碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增長通常與植物對氮的固定相耦聯(lián)，在植物的整個生命周期中，對土壤碳的貢獻率占20%～100%[19]。此外，碳、氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均與含水量和土壤密度存在著極顯著的相關(guān)。pH值與總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著的負(fù)相關(guān)，與樊蘭英等[20]研究的結(jié)果一致。

4 結(jié)論

大伙房水庫周邊四種不同類型的河岸帶森林土壤的6種理化性質(zhì)均存在顯著性差異。養(yǎng)分隨地表徑流至河岸帶的過程中，植物的物理阻礙作用及吸收都會將營養(yǎng)物和水分滯留至土壤中。水庫周邊油松林經(jīng)過改造后，其吸附和固定營養(yǎng)物質(zhì)以及涵養(yǎng)水源的能力顯著增強。因此，應(yīng)通過對庫邊現(xiàn)有森林群落組成和林分空間結(jié)構(gòu)及植物種群密度進行改造，營建和配置成植物種類組成合理、空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化的森林群落，提高庫邊森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)能力及水質(zhì)凈化能力，形成一套庫邊植被結(jié)構(gòu)改造技術(shù)及合理的植被經(jīng)營管理模式。

[1] Naiman R J, Decamps H, Pollock M. The role of riparian corridors in maintaining regional biodiversity[J]. Ecological Applications,1993,3(2):209-212.

[2] Naiman R J, Decamps H. The ecology of interface: Riparian zones[J]. Annual Review of Ecology and Systematics,1997,28(1):621-658.

[3] Lowrance R, Todd R, Fail J, et al. Riparian forests as nutrient filters in agricultural watersheds[J]. Bioscience,1984,34(6):374-377.

[4] 饒良懿,崔建國.河岸植被緩沖帶生態(tài)水文功能研究進展[J].中國水土保持科學(xué),2008,6(4):121-128.

[5] Parkyn S M, Davies-Colley R J, Cooper A B, et al. Predictions of stream nutrient and sediment yield changes following restoration of forested riparian buffers[J]. Ecological Engineering,2005,24(5):551-558.

[6] Lloyd A, Law B, Goldingay R. Bat activity on riparian zones and upper slopes in Australian timber production forests and the effectiveness of riparian buffers[J]. Biological Conservation,2006,129(2):207-220.

[7] 陳吉泉.河岸植被特征及其在生態(tài)系統(tǒng)和景觀中的作用[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,1996,7(4):439-448.

[8] 羅先香,張珊珊,敦萌.遼河口濕地碳、氮、磷空間分布及季節(jié)動態(tài)特征[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報,2010,40(12):97-104.

[9] 王慶成,于紅麗,姚琴,等.河岸帶對陸地水體氮素輸入的截流轉(zhuǎn)化作用[J]．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2007,18(11):2611-2617.

[10] 崔東海,韓壯行,姚琴,等.帽兒山林場不同河岸帶植被類型土壤水分—物理性質(zhì)[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007,35(10):42-44．

[11] 魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社,2000.

[12] 代海燕,張秋良,魏強,等.大青山不同植被土壤物理特征及有效水的研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2008,22(12):149-153.

[13] 劉杰,馬履一,賈忠奎,等.不同林齡華北落葉松林下土壤理化性質(zhì)及微生物學(xué)指標(biāo)評價[J].水土保持通報,2013,33(6):88-93.

[14] 白軍紅,鄧偉,張玉霞.莫莫格濕地土壤氮磷空間分布規(guī)律研究[J].水土保持學(xué)報,2001,15(4):79-81.

[15] 陳為峰,史衍璽,田素鋒,等.黃河口新生濕地土壤氮磷分布特征研究[J].水土保持學(xué)報,2008,22(1):69-73.

[16] 崔保山,楊志峰．濕地生態(tài)系統(tǒng)模型研究進展[J]．地球科學(xué)進展,2001,16(3):352-355.

[17] 中國土壤學(xué)會主編.中國土壤[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社,1998:483-486.

[18] 于帥,陳瑋,何興元,等.渾河河岸帶六種草本植物氮、磷含量特征[J].生態(tài)學(xué)雜志,2012,31(11):2775-2780.

[19] 羅緒強,王世杰,劉秀明.陸地生態(tài)系統(tǒng)植物的氮源及氮素吸收[J].生態(tài)學(xué)雜志,2007,26(7):1094-1100.

[20] 樊蘭英,郭晉平.3種典型河岸林土壤氮磷的空間分布格局及其影響因素[J].水土保持通報,2012,32(2):17-20.

Soil Physical and Chemical Properties in Four Types Riparian Forests Around Dahuofang Reservoir

Yu Shuai, Chen Wei, He Xingyuan, Liu Zhouli, Huang Yanqing(State Key Laboratory of Forest and Soil Ecology, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, P. R. China)/Journal of Northeast Forestry University，2015,43(3)：87-89.

Dahuofang Reservoir; Riparian forests; Soil physical and chemical properties

1)國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07202008)；國家科技支撐計劃項目(2012BAC05B05)。

于帥，男，1988年11月生，森林與土壤生態(tài)國家重點實驗室(中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所)，現(xiàn)為中國科學(xué)院大學(xué)博士研究生。E-mail：axxh_001@163.com。

何興元，森林與土壤生態(tài)國家重點實驗室(中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所)，研究員。E-mail：hexy@iae.ac.cn。

2014年9月4日。

Q945.79

責(zé)任編輯：王廣建。