全 文 ：第 25卷第 8期
2005年 8月
生 态 学 报
ACTAECOLOGICASINICA
Vol.25,No.8
Aug.,2005
采伐干扰对帽儿山天然次生林土壤表层
水分空间异质性的影响
谷加存1,王政权1*,韩有志1,2,王向荣1,梅 莉1
(1.东北林业大学 林学院,哈尔滨 150040,2.山西农业大学 林学院,太谷 030801)
基金项目:国家自然科学基金资助项目(30070132);国家自然科学基金重点资助项目(30130160)
收稿日期:2004-10-10;修订日期:2005-05-28
作者简介:谷加存(1979～),男,齐齐哈尔人,硕士生,主要从事林分空间异质性、格局与过程研究.E-mail:gjchun001@yahoo.com.cn
*通讯作者 Authorforcorrespondence.E-mail:wzqsilv@mail.nefu.edu.cn
Foundationitem:NationalNaturalScienceFoundationofChina(No.30070132;30130160)
Receiveddate:2004-10-10;Accepteddate:2005-05-28
Biography:GUJia-Cun,Mastercandidate,mainlyengagedinforestspatialheterogeneityandpattern.E-mail:gjchun001@yahoo.com.cn
摘要:干扰是引起生态系统空间异质性的重要因素之一。采用地统计学的理论和方法,研究了帽儿山天然次生林受到不同强度
采伐干扰后(分别为采伐 50%和皆伐)林地表层(3～5cm)土壤水分的空间异质性和格局。结果表明,采伐干扰明显降低了林地
表层平均水分含量,除 2002年夏季,采伐 50%样地与对照样地之间没有显著差异外(p>0.05),不同样地和不同季节之间均有
显著的差异(p<0.01)。变异函数分析显示,干扰改变了表层水分的空间异质性特征。两年春季和夏季 4次取样结果表明,采伐
干扰导致平均块金值和基台值降低,平均结构方差比随着采伐强度的增大而减小。变程则不随采伐强度增大而改变,采伐后第
1年春季土壤表层水分变程较小、夏季较大,在第 2年,采伐 50%的样地春季变程较大而夏季较小,皆伐样地则与 2002年一致。
观测的 2年内,土壤表层水分空间异质性主要受到结构因素的影响(>50%),但是,采伐干扰有引起结构方差比降低的趋势。
空间格局分析表明,采伐干扰引起土壤表层水分空间格局的改变。对于原来空间格局较强的系统,干扰有降低空间格局强度的
作用。这种影响在春季和夏季有明显不同,干扰对春季土壤表层水分空间格局的影响明显大于夏季,干扰导致春季格局比夏季
格局明显破碎化。
关键词:土壤水分;空间异质性;采伐;地统计学;天然次生林
文章编号:1000-0933(2005)08-2001-09 中图分类号:S718.51 文献标识码:A
Effectsofharvestingonspatialheterogeneityofsoilmoistureinsecondary
forestsofMaoershanregion
GUJia-Cun1,WANGZheng-Quan1*,HANYou-Zhi1,2,WANGXiang-Rong1,MEILi1 (1.SchoolofForestry,
NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China;2.SchoolofForestry,ShanxiAgricultureUniversity,Taigu030801,China).Acta
EcologicaSinica,2005,25(8):2001～2009.
Abstract:Thespatialandtemporalvariabilityinsoilmoistureisaffectedbyavarietyoffactors,suchastopography,climate,
vegetation,soilproperties,etc.Harvestingisoneofimportantsourcesresultinginspatialheterogeneityinsoilmoisture.
However,effectsofharvestingonspatialheterogeneityinsoilmoisturewerenotclear.Here,weusedgeostatisticsapproachto
quantifyspatialheterogeneityinsoilmoisturecausedbyharvesting.Ourobjectiveswereto(1)examinehow harvesting
affectedvariationofsoilmoisture;(2)quantifyeffectsofharvestingonspatialheterogeneityandspatialpatterninsoil
moisture,and(3)testwhetherthevariationswererelatedtoharvestingintensity.
ThisresearchwasconductedinthesecondaryforestsattheMaoershanForestResearchStation(45º21～45º25N,127º30
～127º34E)ofNortheastForestryUniversity.InMay2001,three50m×50mplotswithsimilarstandstructureweretreated,
i.e.,TreatmentA(control),TreatmentB(randomlyharvesting50% ofbasalarea),andTreatmentC(clearcutting).There
was10mbufferzoneoneachsideoftheplots.Therewere160,154,and154samplingpointsinTreatmentA,B,andC,
respectively.Wedividedeachplotinto100gridsat4mintervals,randomlyselectedtwosubplots(8m×8m)ineachplot,
===================================================================
and
tooksoilsamplesdiagonalyintheplotsandsubplots.Thisprotocolensuredtheintervaldistancetorangefrom0.5mto56m.
Ateachsamplingpoint,topsoil(3～5cm)samplesweretakenforgravimetricwatercontentdeterminationonMay22and
August28in2002-year,June1andAugust26in2003-year.Semivariogram andordinaryblockkrigingwereappliedfor
analysesofspatialpatternandheterogeneityinsoilmoisture.
Harvestingdecreasedobviouslytopsoilmoistureinsitu,withtreatmentCdriestandtreatmentAwettest.Bothtreatment
andsamplingdatehadasignificantly(p<0.01)effectonsoilmoistureexceptforplotAandBinAugust2002.Semivariogram
analysisdemonstratedthatharvestingmodifiedspatialheterogeneityinsoilmoisture.Ourtwoyears(totalfourtimes)research
indicatedthat,harvestingdecreasedthemeansofnuggetandsil.Meansofstructuralratio(C/C0+C)declinedwithincreasing
theharvestingintensity.However,rangewasnotrelatedtoharvestingintensity.Inthefirstyearfolowingharvesting,ranges
inthespringwerelessthanthoseinthesummerbothintreatmentBandC.Inthesecondyear,rangesinthespringwerestil
lessintreatmentC butgreaterintreatmentB.Spatialheterogeneityinsoilmoisturewasmainlycausedbyspatial
autocorrelation(>50%)inalplots.However,harvestingtendedtodecreasethestructuralvarianceratio.Comparingspatial
patternsintopsoilmoistureamongthreeplots,harvestingchangedtheirspatialpatterns.Inaforestecosystemwithstrong
spatialpattern,harvestingtendedtoreduceitspatternstrengthandhavealargerimpactontopsoilmoistureinspringthanin
summer.Wealsofoundthatharvestingresultedinspatialpatchinessmorefragmentedinspringandhomogenizedthespatial
distributionoftopsoilmoistureinsummer.
Keywords:soilmoisture;spatialheterogeneity;harvesting;geostatistics;secondaryforests
土壤水分具有空间和时间上的异质性[1～4]。在不同的空间尺度上,土壤水分受到影响的因子有所不同。在较大的空间尺度
上,土壤含水量主要受大气降水、地形等因子的控制;在较小的尺度上,主要受土壤特性、植被分布、微立地以及(人为和自然)干
扰的影响[5,6]。降水的季节变化、植物的季节生长和根系吸收等,常常导致土壤水分在时间上的变异性[7,8],而植被的垂直结构、
植株的疏密程度又影响降雨的空间分配。近年来,国内外对不同生态系统内影响土壤水分空间和时间异质性的因子进行了大量
研究,如森林[9,10]、草地[11,12]、沙地[13～15]、农田[16～18]以及小流域[19～21]等,对认识不同群落和土地利用方式土壤水分格局与动态
具有重要意义。然而,这些研究并没有充分探讨干扰(尤其是人为干扰)对土壤水分空间异质性的影响。
干扰是导致生态系统空间异质性存在的重要因子[22]。土壤表层水分由于受其理化特性、地被物和根系的影响,对外界的干
扰反应尤为敏感[6]。在未受人为干扰的林分中,由于林冠结构、林下植被盖度、枯落物薄厚和根系密度等的差异,土壤水分也存
在空间异质性特征,形成大小不同的水分斑块,人为(对林分)的干扰则改变了原来土壤水分空间格局与过程[23]。林分干扰初
期,很可能引起土壤水分空间异质性特征的明显改变,随着植被层的恢复,土壤水分的空间异质性和格局将发生怎样的变化?土
壤水分空间异质性的发展是否与干扰强度有关?不同强度的干扰对土壤水分空间格局的影响是否有所差别?目前,对该问题探
讨较少。为此,我们通过对天然次生林进行不同强度的采伐干扰试验,采用地统计学的方法,在连续两年的春季和夏季两次取
样,研究采伐干扰对土壤表层(3～5cm)水分空间异质性的影响,跟踪土壤表层水分空间格局变化,为深刻理解土壤与植被之间
复杂关系提供科学的依据。
1 材料与方法
1.1 研究地自然概况
研究地设在东北林业大学帽儿山实验林场尖砬沟森林培育实验站(127º30～127º34E,45º21～ 45º25N)。该区为低山丘
陵区,属温带大陆性季风气候。年平均气温 2.8℃,1月份平均温度-19.6℃,7月份平均温度 20.9℃。年平均降水量 723mm(其
中 6～8月份降水 347mm,占全年降水 48%),年平均蒸发量 1094mm。样地海拔高 340m,地形平缓。土壤为暗棕壤,平均土层厚
度 40～50cm,其中腐殖质层厚度 10cm左右。
帽儿山地区的地带性植被为原始阔叶红松林,目前是遭破坏后形成的天然次生林,林分平均年龄 70～80a,平均高 24.6m。
试验地林分冠层主要树种为水曲柳(Fraxinusmandshurica)。其它树种有黄波萝 (Phellodendronamurense)、胡桃楸 (Juglans
mandshurica)、山杨(Populusdavidiana)、白桦(Betulaplatyphylla)、和色木槭(Acermono)等。灌木树种以暴马丁香(Syringa
amurensis)、早花忍冬(Lonicerapraeflorens)、瘤枝卫矛(Evonymnspauciforus)等为主。草本植物主要为木贼(Hippochaete
hymale)、毛缘苔草(Carexcampylorhina)、铃兰(Coovallariakeiskei)等。
1.2 样地设置及空间取样
2001年 5月上旬进行了野外踏查,秋季进行林分基本状况调查,在同一林分中设置 50m×50m试验地 3块(相距 10～
15m),每块周围均设置宽度为 10m的缓冲区。其中样地A没有进行采伐干扰,作为对照,样地B按胸高断面积的 50%随机伐除
2002 生 态 学 报 25卷
乔木,并清除大的灌木,样地 C采取皆伐处理。依据地统计学理论及空间格局分析的取样方法[24],首先在每块试验地内设置规
则(4m×4m)的取样点,然后随机选取 2个 8m×8m的小样方,在其内布设 2m×2m、1m×1m和 0.5m×0.5m的格子样方,在
网格线的交叉点处间隔取样。样地 A内布设不同间隔距离的样点共计 160个,样地 B、C内取样位置相同,共计 154个(图 1)。
图 1 对照样地 A(a),采伐 50%样地 B和皆伐样地 C(b)内取样位置图,x轴和 y轴为样地边界(m)
Fig.1 Diagramofpointlocationssampledinthethreesites.aforplotA(control),bforplotB(cut50%)andplotC(cut100%),xand
yaxesexpressplotboundary,theunitoflengthismeter
1.3 土壤表层水分的测定
本次研究中,采用烘干法进行土壤水分含量的测定。为了便于分析比较,减少其他环境因子的影响,选择在雨后至少 3～4d
的晴天进行采样。土壤表层水分测定的取样时间分别为 2002年的 5月 22日、8月 28日;2003年的 6月 1日、8月 26日。土壤
取样时,先除去表层枯枝落叶,然后在 3～5cm深的土层内用土壤钻(直径=4cm)取样,样品重量大约 25g,剔除明显的植物根段
和枯落物等杂质,装入编号的铝盒中,带回实验室。称重后的土壤样品(精确到 0.01g),在 105℃的烘箱内烘至 12h,取出后称
重,计算土壤水分含量[25]。
1.4 数据分析
采用经典的统计方法计算出每块样地各次取样的土壤水分平均值、方差和变异系数,用此来衡量各样地的土壤水分平均状
况和总变异程度。在方差分析的基础上,利用多重比较的方法(LSD),检验各样地之间土壤水分平均状况的差异。对每次获得的
土壤水分含量和空间位置数据,用变异函数 γ(h)分析方法建立变异函数理论模型。变异函数的计算公式如下:
γ(h)= 12N(h)Σ
N
i=1
[z(xi)- z(xi+ h)]2
式中,γ(h)是变异函数,Z为区域化随机变量,Z(xi)和 Z(xi+h)分别为变量 Z在空间位置 xi和 xi+h上的取值,N(h)是取
样间隔为 h时的样本对总数[26]。本文所有变异函数均拟合成球状理论模型(Sphericalmodel),计算可得到 4个重要的参数,即
基台值 C0+C(Sil)、块金值 C0(Nugget)、结构方差比 C/(C0+C)(Structuralvarianceratio)和变程 a(Range)。基台值表示变量
的最大变异程度,可用来衡量空间异质性程度,块金值表示区域变量在小尺度上的非连续变异,主要来源小于抽样尺度的随机
变异和测量误差,结构方差比则可用来衡量空间自相关因素对变量总变异的影响程度,变程为研究变量存在空间自相关特性的
平均最大距离。变异函数计算的步长选择以实际取样的距离和样点对之间的平衡为基础,步长变化范围为 0.5～30m,样点对数
目最小为 80,最大为 2769,平均值大于 970。通过变异函数模型参数,可以比较林分在不同强度干扰情况下,土壤表层水分空间
异质性特征。使用块段克立格(Blockkriging)空间局部插值方法估计、模拟和比较土壤表层水分的空间分布特征。
2 结果与分析
2.1 土壤表层水分统计分析
统计结果表明(表 1),不同干扰强度对土壤表层水分含量有明显影响。在观测的两年里,样地 A(对照)、B(采伐 50%)内土
壤表层(3～5cm)水分平均含量的波动范围分别为 55.30%～62.14%和 51.52%～59.68%;而皆伐样地 C(采伐 100%)水分含
量相对较低,波动范围为 48.44%～57.88%。没有干扰的样地(A),平均极差最大(47%),采伐 50%的样地(B)和皆伐(采伐
100%)样地(C)极差相对较小(分别为 31%和 36%)。多重比较(LSD)表明,除 02年夏季(8月),采伐 50%的样地(B)与对照样
地(A)之间没有显著差异外(p>0.05),不同样地之间(包括 2002年和 2003年以及春季和夏季)均有显著的差异(p<0.01)。没
30028期 谷加存 等:采伐干扰对帽儿山天然次生林土壤表层水分空间异质性的影响
有 采伐干扰的样地(A)土壤表层水分平均含量较高(平均 57.8%),相对湿润;皆伐样地(C)平均含水量多为最低(平均
51.4%);而采伐 50%的样地(B)平均含水量介于二者之间(平均 55.1%)。显然,这与样地内树木采伐强度、草本植物盖度、土壤
蒸发的差异有关,同时也表明,样地 A内较为完整的乔、灌、草的林分垂直结构有利于土壤表层水分的保持。除 2003年 6月以
外,样地 B、C内土壤水分均比样地 A(对照)具有相对较低的样本方差和变异系数(表 1)。
表 1 不同采伐干扰样地土壤表层(3～5cm)水分含量(%)描述统计结果
Table1 Descriptivestatisticresultsoftopsoil(3～5cm)moisture(%)inthreeplot
取样时间
Samplingtime
平均
Mean
方差
Variance
最小值
Minimum
最大值
Maximum
变异系数
CV(%)
样本数
Samplesize
样地 APlotA(Control)
2002年 5月 22日 May222002 57.70 59.98 36.35 80.68 13.42 160
2002年 8月 28日 August282002 55.30 76.78 19.56 84.31 15.84 160
2003年 6月 01日 June012003 62.14 35.54 36.48 76.19 9.59 160
2003年 8月 26日 August262003 56.08 45.31 36.88 75.00 12.00 160
平均 Mean 57.81 54.40 31.98 79.04 12.71
样地 BPlotB(Cut50%)
2002年 5月 22日 May222002 59.68 31.79 48.29 73.46 9.45 154
2002年 8月 28日 August282002 54.88 21.22 43.67 65.31 8.39 154
2003年 6月 01日 June012003 54.26 77.21 20.00 75.81 16.19 154
2003年 8月 26日 August262003 51.52 18.33 42.18 64.15 8.31 154
平均 Mean 55.08 31.14 38.53 69.68 10.58
样地 CPlotC(Cut100%)
2002年 5月 22日 May222002 49.59 23.89 33.96 61.67 9.85 154
2002年 8月 28日 August282002 48.44 31.49 32.91 67.39 11.58 154
2003年 6月 01日 June012003 57.88 97.24 29.17 79.31 17.24 154
2003年 8月 26日 August262003 49.83 23.37 34.24 66.29 9.70 154
平均 Mean 51.43 43.99 32.57 68.66 12.09
2.2 土壤表层水分变异函数分析
采伐干扰对林分表层土壤水分空间分布具有重要影响,在采伐后的 2002年春季和夏季,采伐样地(B、C)和对照样地(A)水
分含量的变异函数曲线(图 2a1～c4)和参数(表 2)显著不同。与未采伐干扰的林分块金值(C0)和基台值(C0+C)相比(样地 A,
C0:18～27,C0+C:62～79),采伐 50%(样地 B,C0:9～10,C0+C:22～35)和采伐 100%(样地 C,C0:7～15,C0+C:24～34)的块
金值和基台值均较小,但是,变程(a)相对较大(样地A:4～8m,样地B:8～14m,样地C:9～13m)。可见,采伐干扰导致基台值减
小和变程增大,空间异质性程度降低,土壤水分空间分布趋于均匀化。
2003年春季,采伐干扰 50%(样地B)和 100%(样地C)的块金值(分别为 21.6,25.9)和基台值(分别为 78.5,112.8)明显高
于对照样地(A,C0:7.7,C0+C:53.19)(表 2),但是变程(样地 B为 23.8m,C为 10.4m)小于未采伐干扰的样地(A为 25.2m)。
2003年夏季,样地 B和 C内土壤表层水分的块金值和基台值则都比对照样地 A小,但是变程差异不大(表 2)。干扰后的 2a中,
采伐样地(B和 C)土壤表层水分的基台值、块金值和变程与对照样地(A)内的差异,并没有随采伐强度而发生单调增减(表 2)。
干扰改变了表层水分的空间异质性组成。在 2002年,采伐 50%和采伐 100%的样地(B,C)的年平均结构方差比(C/C0+C
均为 0.62)低于对照样地(A,C/C0+C为 0.68),2003年的年平均结构方差比的差异尤为明显(样地 A,B,C分别为 0.81,0.71,
0.63),随机方差所占的比例(C0/C0+C)随采伐强度的增加而增大。
2.3 土壤表层水分空间分布格局
空间异质性与空间格局有密切联系[10,22,27]。采伐干扰对土壤表层水分空间异质性的影响必然引起空间格局的改变。通过
克立格法制图(Krigingmap)分析(图 3),有助于进一步了解土壤水分空间分布格局的特征。本研究将土壤表层水分含量划分为
7个等级(a～g)。2002年春季,对照样地(A)土壤表层水分含量较高的斑块(图 3a1,等级 a～b,>60%)只有 2个,面积占 6%左
右,斑块呈聚集分布,而水分含量中等的斑块(等级 c～d,60%～50%)占较大面积(80%左右),格局强度大。采伐干扰 50%的样
地(图 3b1),斑块明显破碎化,土壤表层水分较高的斑块等级(等级 a～b,>60%)达到 6个,面积约占 30%,斑块呈均匀分布。采
伐干扰 100%的样地(图 3c1),在水分含量相对较低的大斑块(等级 e,45%～50%)上,均匀分布着较干燥的小斑块(等级 f～g,
35%～45%),采伐样地B和C内水分空间格局强度均较弱。在 2002年夏季,对照样地(A)基本上还维持着春季的空间格局(图
3a2),采伐干扰 50%(B)和 100%的样地(C)均以水分含量中等的(等级 c～d,50%～60%)大斑块为主(图 3b2,c2)。在 2003年,
4002 生 态 学 报 25卷
图 2 土壤表层水分变异函数图
Fig.2 Semivariogramsfortopsoil(3～5cm)moistureinthreeplots
a1 ～a4、b1～b4、c1～c4分别表示不同取样时期样地 A(对照)、B(采伐 50%)、C(皆伐)的土壤水分变异函数曲线 indicatethe
semivariogramsfortopsoil(3～5cm)moistureinplotsA(control),B(cut50%)andC(cut100%)respectivelyatdifferentsamplingtime;其
中 1～4分别代表 2002年的春、夏和 2003年的春、夏季节 Number1～4representtheseasonspringandsummerof2002yearandsameas
2003year
表 2 各样地土壤表层水分含量变异函数的参数
Table2 Parametersofsemivariogramfortopsoil(3～5cm)moistureinthreeplots
样地
Plot
日期
Date
模型
Model
块金值
Nugget(C0)
基台值
Sil(C+C0)
变程
Range(a)
结构方差比
ProportionC/(C+C0)
决定系数
R2
样地 A 2002-05-22 Sph 18.60 62.12 8.00 0.70 0.82
PlotA 2002-08-28 Sph 27.40 79.12 4.00 0.65 0.57
(control) 2003-06-01 Sph 7.70 53.19 25.20 0.86 0.91
2003-08-26 Sph 13.70 56.37 17.80 0.76 0.93
平均 Mean 16.85 62.79 13.75 0.74
样地 B 0220-05-22 Sph 9.64 35.77 8.00 0.73 0.91
PlotB 2002-08-28 Sph 10.50 22.00 14.56 0.52 0.77
(cut50%) 2003-06-01 Sph 21.60 78.50 23.80 0.73 0.71
2003-08-26 Sph 4.56 14.34 15.48 0.68 0.90
平均 Mean 11.57 37.65 15.46 0.66
样地 C 2002-05-22 Sph 7.52 24.05 9.50 0.69 0.95
PlotC 2002-08-28 Sph 14.97 34.02 13.50 0.56 0.86
(cut100%) 2003-06-01 Sph 25.90 112.80 10.38 0.77 0.88
2003-08-26 Sph 13.44 26.89 19.20 0.50 0.74
平均 Mean 15.45 49.44 13.15 0.63
C:结构方差 structuralvariance;Sph:球状模型 sphericalmodel
50028期 谷加存 等:采伐干扰对帽儿山天然次生林土壤表层水分空间异质性的影响
除了样地C在春季(图 3c3)具有较强的空间格局外,各样地春、夏季土壤水分的空间格局(图 3a3,b3,a4～c4)都相对较弱。从格局
稳定性来看,对照样地A内土壤水分空间格局保持最好,同年春、夏季的格局特征更为接近。采伐干扰样地上(B、C)土壤水分的
空间分布在同年的春、夏季有所不同(图 3),但在 2003的夏季与 2002年同期具有一定程度的相似性(图 3b2与 b4;c2与 c4)。
图 3 土壤表层水分空间分布格局
Fig.3 Spatialpatternsfortopsoil(3～5cm)moistureinthreeplots
a>65b>60c>55d>50e>45f>40g≤40;x轴和y轴为样地边界(m);a1～a4、b1～b4、c1～c4分别表示不同取样时期样地A(对照)、B(采
伐 50%)、C(皆伐)的土壤表层水分克立格图;其中 1～4分别代表 2002年的春、夏和 2003年的春、夏季节 a,b,c,d,e,f,gindicatedifferent
levelsofsoilmoisturepercent,xandyaxesexpressplotboundary,theunitoflengthismeter;a1～a4、b1～b4、c1～c4indicatethekriging
mapsforsoilsurfacemoistureinplotsA(control),B(cut50%)andC(cut100%)atdifferentsamplingtime.Number1～4representthe
seasonspringandsummerof2002yearandsameas2003year
3 讨论
3.1 干扰对土壤水分平均状况的影响
在植物群落中,植物与土壤资源之间相互作用是生态系统过程的重要内容[28]。一方面,植物通过生理或形态上的可塑性对
6002 生 态 学 报 25卷
土壤资源的异质性做出响应[29],另一方面,也借助树种特性、树冠覆盖(如遮荫、截流或径流)、根系吸收、演替等途径来影响土
壤资源异质性的发展[30～32]。在本试验中,采伐干扰改变了林分内植被原有的水平和垂直方向上的结构,直接影响生态因子的重
新分配,导致土壤表层水分平均含量的改变。研究表明,对照样地(A)在观测的 2年里,土壤表层水分平均含量较高,土壤环境
相对湿润(表 1)。皆伐样地(C)由于地上植被层的移出,失去了原来林木的庇荫作用,太阳净辐射增强、地表温度升高、水分蒸发
加剧,导致其土壤表层水分平均含量偏低[33]。但随着地被物层的植物逐渐恢复(如草本植物的侵占和木本植物伐桩上大量萌生
枝条的伸展),提高了地表的植被盖度,降低了蒸发强度,因此,皆伐样地(C)第 2年的土壤水分含量比第 1年同期稍高(表 1)。
采伐干扰的 50%样地(B),由于部分林木、树冠覆盖、地表植被得以保留,土壤水分平均含量因此处于样地 A和样地 C之间。以
上结果同其他研究者的结论相一致[23]。
同时期比较,土壤表层水分含量的样本方差和变异系数的关系为:对照样地 A>部分采伐样地 B>皆伐样地 C(2003年 6
月除外,这可能与土壤蒸发有关),对照样地土壤水分总变异更大,与 Guo等[23]的研究结果相反。分析原因很可能在于,他们研
究的林分为湿地松(PinuselliottiEngelm.)人工纯林,林分内树木的年龄、林木的空间分布、林分水平和垂直结构都相对均一,
这种均匀分布的格局,可能是未干扰林分土壤水分样本方差和变异系数较低的重要原因。人为的干扰(皆伐和环割处理)打破了
原来接近同质的人工林环境,增加了林分和土壤水分的异质性程度[23,34]。本研究的天然次生林,林分组成复杂,主林层下多灌
木和草本植物,且呈不均匀分布,导致土壤水分方差和变异系数较高。采伐干扰处理的结果(尤其是皆伐),导致林地覆盖不均匀
程度降低或去除,不同空间位置上土壤表层水分含量差异性减小。可见,采伐干扰对林地水分的影响与群落内原来植被的组成
结构和分布特征有关。
3.2 干扰对土壤水分空间异质性的影响
林分的采伐干扰主要是改变了林分结构和覆盖物的分布[23]。在群落尺度上,干扰常导致某些生态系统空间异质性的程度
降低[35,36],从对照样地(A)与其它两块受干扰样地(B和 C)的整个 2002年和 2003年夏季的数据比较可知(表 2),干扰确实降
低了土壤表层水分空间异质性(图 3a1～c2,图 3a4～c4)。但是,在 2003年春季,两块受干扰样地(B,C)的基台值明显大于对照样
地(A),而且干扰越强,基台值越高(表 2,图 3b3,图 3c3)。主要原因是采伐干扰后林地灌木和草本植物迅速恢复,新生长的伐桩
萌条、灌木和草本植物呈斑块状分布(样地 C春季的变程:10m,远小于同期样地 A的变程:25m)。另外,帽儿山地区春季降雨量
很少(2003年 5月总降雨量 38mm),加之表层土壤蒸发强烈(受春天季风影响),有无植物覆盖则严重影响土壤水分的分布和散
失过程。由于干扰对生态系统过程来讲是一个突发事件[37],因此,采伐干扰有导致结构方差比减小,随机方差比增加的趋势
(表 2)。
干扰对空间异质性尺度有重要影响[22],这在变异函数曲线图(图 2)中表现得尤为突出。干扰导致 2002年采伐样地上土壤
水分的平均变程(B:11.3m,C:11.5m)比对照样地(A:6m)大,但 2003年比对照样地的平均变程小(表 2),说明采伐后第 1年控
制土壤水分空间分布的一些因子(如植物的覆盖和根系吸收)在第 2年可能发生了变化。在 2002年春季到夏季,对照样地(A)
的变程(8m→4m)在减小,而干扰 50%的样地(B)和皆伐样地(C)的变程在增加(分别为 8m→14.56m,9.5m→13.5m)(表 2)。而
在 2003年春季到夏季,样地 B变程(23.8m→15.5m)与样地 A变程(25.2m→17.8m)变化规律一致。而样地 C仍保持 2002年
的变化规律,春季变程(10.4m)相对较小,夏季变程(19.2m)相对较大。干扰 50%的样地B和皆伐样地C变程在 2003年出现的
变化,反映干扰强度(采伐 50% 与采伐 100%)的差异对土壤表层水分空间异质性的影响不同,水分的空间变异是多因素调控
的过程[6]。植被的种类、盖度和空间分布等因素的差别以及这些因素的季节性变化,对植物群落内土壤表层水分变异尺度有重
要影响[11]。
3.3 干扰对土壤水分空间格局的影响
在生态系统中,空间异质性导致空间格局的存在,空间格局是空间异质性的具体表现[24,38]。树木可以增加土壤资源异质性
的程度,有无林木直接影响水分的空间格局。对于原来空间异质性强的系统,干扰降低了空间格局的强度,导致样地 A、样地 B
和样地C之间在空间格局上的差别(图 3)。如果林分结构和林地条件没有改变,土壤表层水分的空间格局应相似。因此,未受采
伐干扰的对照样地(A),春季和夏季的空间格局差别不大(如图 3a1,a2之间以及图 3a3,a4之间)。但是,干扰的样地(B,C),春季
的格局(图 3b1,c1,b3,c3)比夏季的格局(图 3b2,c2,b4,c4)明显的破碎化。帽儿山地区春季土壤水分的来源主要是冬季降雪的融
化和土壤解冻,而夏季土壤水分主要来自于降雨。采伐干扰样地(B)和皆伐样地(C)夏季降水分配趋于均匀,这可能是样地 B和
样地 C夏季空间格局有别于春季的主要原因。样地 C内土壤水分在 2003年春季格局较强(图 3c3),可能是皆伐样地土壤水热
条件适宜,迅速生长草本植物和灌木、不同空间位置上丛生草本和灌木覆盖地表,影响土壤水分春季散失所致。
采伐干扰对土壤水分空间动态的影响是一个复杂的生理生态过程,干扰改变了各样地之间地表蒸发、植物生长、根系吸收、
植株疏密程度和降水分配方式等特征。空间格局对干扰的反应不仅取决于对林分的干扰强度,还取决于系统本身对干扰的抗性
大小和恢复能力。随着干扰之后的恢复过程,采伐干扰样地土壤表层水分空间格局与未干扰样地之间的差别可能会减小,但这
70028期 谷加存 等:采伐干扰对帽儿山天然次生林土壤表层水分空间异质性的影响
需要进行长期和深入研究。
4 结论
4.1 采伐干扰对森林土壤表层水分含量有明显影响。采伐干扰的样地土壤表层平均分水分含量低于未干扰的对照样地,采伐
干扰越强,水分含量相对越低,主要原因是采伐干扰改变了原有的林地环境。对照样地A内土壤水分比采伐 50%样地B和皆伐
样地 C具有相对较高的样本方差和变异系数。
4.2 采伐干扰对林分表层土壤水分空间异质性有重要影响。采伐干扰样地与对照样地之间的变异函数曲线显著不同。两年春
季和夏季 4次取样结果表明,采伐干扰导致平均块金值和基台值降低,平均结构方差比随着采伐强度的增大而减小,变程则不
随采伐强度增大而改变。
4.3 采伐干扰对土壤表层水分空间异质性的影响引起空间格局的改变。这种影响在春季和夏季有明显不同,干扰样地春季格
局比夏季格局明显破碎化。对于原来空间格局较强的系统,干扰有降低空间格局强度的作用。干扰对春季土壤表层水分空间格
局的影响明显大于夏季。
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