影響油松人工林土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)

陳 雪，馬履一，賈忠奎，段 劼，王 偉，王 凱

影響油松人工林土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)

陳 雪，馬履一，賈忠奎，段 劼，王 偉，王 凱

（北京林業(yè)大學(xué) 省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室, 北京100083）

為探討影響油松人工林土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，分別對28～31年生、42年生和53年生油松人工林0～10 cm、10～20 cm、20～50 cm土層土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及生物活性進行測定和分析。結(jié)果表明：（1）不同林齡土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)存在顯著差異，隨林齡的增加，土壤水分、養(yǎng)分和交換性能逐漸增加，而容重卻下降了10.69%～12.41%；（2）不同林齡土壤生物活性存在一定差異，除多酚氧化酶外，過氧化氫酶、脲酶和微生物數(shù)量均隨林齡的增長而增加；（3）土壤養(yǎng)分、交換性能及酶活性隨土層深度的增加逐漸減低；（4）主成分分析結(jié)果顯示，土壤含水量、毛管孔隙度、有機質(zhì)、鹽基飽和度以及微生物數(shù)量可解釋83%以上的土壤信息，可作為影響油松人工林土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。

油松人工林；森林土壤；物理化學(xué)性質(zhì)；酶活性；微生物數(shù)量

隨著全球森林資源的不斷減少，森林土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其質(zhì)量的好壞對森林生長力和健康的影響受到世界各國的關(guān)注[1-3]。長期以來土壤物理和化學(xué)性質(zhì)，一直被普遍認(rèn)為是影響森林土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，特別是土壤水和養(yǎng)分對林木生長具有重要作用。近年來，國內(nèi)外對于土壤酶活性和微生物的研究也日益增多[4-5]，土壤酶系統(tǒng)是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動等生態(tài)過程中最為活躍的生物活性物質(zhì)，而土壤微生物是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的動力，與土壤呼吸密切相關(guān)[6]。一些研究證實，土壤養(yǎng)分、酶活性和微生物密切相關(guān)[7-11]，可作為影響森林土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。油松是我國特有樹種，也是我國北方溫帶地區(qū)針葉林中分布最廣的生物群落[12-13]，其林分質(zhì)量與土壤密切相關(guān)。目前我國對油松人工林土壤已經(jīng)做了許多研究，然而至今未有人總結(jié)出影響油松人工林土壤質(zhì)量的關(guān)鍵性指標(biāo)。本研究通過對河北平泉地區(qū)不同林齡油松人工林土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、酶活性和微生物數(shù)量的進行研究，深入分析了目前我國北方地區(qū)油松人工林土壤質(zhì)量，綜合森林土壤各項評價指標(biāo)，以期總結(jié)出制約油松人工林土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因子，為油松林土壤質(zhì)量的提升提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 研究地概況

研究地點為北京林業(yè)大學(xué)北方現(xiàn)代林業(yè)綜合實驗基地，位于河北省平泉縣黃土梁子林場（41°13′N，118°41′E），是冀、遼、蒙三省交界的遼河源頭，也是燕山山地生態(tài)屏障的重要組成部分。該地區(qū)海拔約660 m，屬中溫帶大陸性干旱季風(fēng)山地氣候，年平均氣溫6.6 ℃，平均降水量540 mm。土壤類型為含石礫較多的山地褐土。當(dāng)?shù)刂饕炝謽浞N為油松Pinus tabulaeformis、落葉松Pinaceae larix、刺槐Leguminosae robinia等，其中油松人工林面積達8 901.85 hm2，占當(dāng)?shù)亓址挚偯娣e的61.6%。油松人工林下主要植被類型主要為披針葉苔草 Carex lancifolia、木香薷Elsholtzia stauntoni、小檗Berberidaceae Berberis、龍牙草Agrimonia pilosa等。

2 研究方法

2.1 土樣采集

2011年5月進行外業(yè)調(diào)查，選擇立地條件基本一致的陰坡、半陰坡28～31年、42年和53年共3種林齡的典型油松人工林作為研究對象，分別設(shè)置3塊規(guī)格為50 m×60 m的樣地共9塊，樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic conditions of sample plots

按混合法采集0～10 cm、10～20 cm、20～50 cm的土壤樣本，去除石塊、根系和土壤動物，部分保存于4 ℃冰箱中用于土壤微生物的測定，其余土樣經(jīng)風(fēng)干后過篩備用。

2.2 土樣分析

土壤容重、含水量、毛管孔隙度等物理性質(zhì)的測定參照《土壤理化分析》[14]，土壤全氮、全鉀、有效磷、有機質(zhì)、pH值、交換性能的測定參照《土壤農(nóng)化分析》[15]。土壤酶活性采用關(guān)松蔭法[16]：過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法，酶活性以20 min后1 g土壤的0.1 N高錳酸鉀的毫升數(shù)表示；多酚氧化酶采用鄰苯三酚比色法，酶活性以2 h后1 g土壤中紫色沒食子素的毫克數(shù)表示；脲酶采用采用靛酚比色法，酶活性以24 h后100 g土壤中氨態(tài)氮的毫克數(shù)表示。細菌、真菌、放線菌均采用稀釋平板法，細菌采用牛肉膏瓊脂培養(yǎng)基，放線菌采用高氏1號培養(yǎng)基，真菌采用蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基。

2.3 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)采用SPSS統(tǒng)計軟件分析，主要采用單因素方差分析法和主成分分析法。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤物理性質(zhì)分析

土壤物理性質(zhì)包括土壤孔性、結(jié)構(gòu)性以及土壤水分特征，表征土壤透氣性和滲透性的好壞，直接影響林地植物對營養(yǎng)元素和水分的吸收利用。本試驗區(qū)不同林齡油松人工林表層土壤（0～10 cm、10～20 cm）的物理性質(zhì)測定結(jié)果見表2。

表2 不同林齡油松人工林的土壤物理性質(zhì)?Table 2 Soil physical properties of different age P. tabulaeformis plantations

由表2可知，不同林齡油松人工林土壤物理性質(zhì)存在明顯差異。土壤容重隨林齡的增加逐漸減小，而含水量、毛管孔隙度和毛管持水量則隨林齡的增加在0～10 cm、10～20 cm土層均有所增加。其中，以林分Ⅲ土壤含水量最大，0～10 cm和10～20 cm土層含水量分別為13.63%和15.21%，顯著高于其他兩個林分。而就不同土層各物理指標(biāo)的變化趨勢來看，土壤容重、含水量、毛管持水量以10～20cm土層較大，而土壤毛管孔隙度則剛好相反，這是由于林下草灌根系主要集中在0～10 cm土層內(nèi)，致使該層土壤容重較小、孔隙度較大，然而0～10 cm表土層水分蒸發(fā)較快，導(dǎo)致土壤水含量降低。

3.2 土壤化學(xué)性質(zhì)分析

土壤養(yǎng)分是反映土壤肥力的重要指標(biāo)，是林木生長發(fā)育所必需的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時也是土壤因子中易于被控制和調(diào)節(jié)的因子。其中，土壤有機質(zhì)是土壤養(yǎng)分的主要來源，由表3可知，林分Ⅲ:0～10 cm、10～20 cm、20～50 cm三個土層有機質(zhì)含量最高，分別是22.78 g/kg、12.18 g/kg和6.38 g/kg，高出林分Ⅰ相應(yīng)層次的127.35%、78.85%和64.43%，林分Ⅱ的21.75%、4.55%和0.16%，即林分Ⅲ土壤有機質(zhì)含量顯著高于其他林分。不同林齡土壤全氮、全鉀、有效磷含量的變化規(guī)律與土壤有機質(zhì)的變化相似。綜合分析認(rèn)為，林分Ⅲ（53年）土壤化學(xué)性質(zhì)最好，這可能與該林齡林分密度較低，光照充足使得林下植被資源豐富，增加林下凋落物種類與數(shù)量，土壤微生物活動頻繁，土壤肥力狀況較好有關(guān)。

土壤pH值是表征土壤活性酸的重要指標(biāo)，對養(yǎng)分的固定與釋放具有重要作用。由表3可知，不同林齡油松人工林土壤pH值差異顯著，即隨林齡的增長，pH值逐漸降低。林分Ⅰ0～10 cm、10～20 cm、20～50 cm土層pH值分別高于林分Ⅱ相應(yīng)土層0.12、0.14和0.12個pH值單位，高于林分Ⅲ0.43、0.39和0.39個pH值單位。在同一區(qū)域內(nèi)不同林齡間，隨著林齡的增加，林內(nèi)腐殖質(zhì)化程度較高，在針葉林中導(dǎo)致土壤酸度增加，即pH值隨林齡的增加而降低。

表3 不同林齡油松人工林土壤化學(xué)性質(zhì)Table 3 Soil chemical properties of different age P. tabulaeformis plantations

土壤交換性能是土壤膠體的屬性，因粘土礦物和腐殖質(zhì)性質(zhì)和數(shù)量的不同有所差異，決定森林土壤保肥、供肥能力。由表3可知，林分Ⅲ土壤交換性能與其他兩個林齡差異顯著，其中0～10 cm土層鹽基飽和度顯著低于林分Ⅰ相應(yīng)土層的12.62%，低于林分Ⅱ15.02%。從土層深度來看，0～10 cm土層陽離子交換量、交換性鹽基總量和鹽基飽和度均大于10～20 cm和20～50 cm，其中林分Ⅲ0～10 cm土層交換性鹽基總量和鹽基飽和度變化最為明顯，高出10～20 cm土層的41.11%和44.35%，20～50 cm土層的109.92%和107.34%。這是由于林下植被的生物富積作用使表層土壤鹽基總量有所增加。

3.3 土壤生物活性分析

3.3.1 土壤酶活性分析

森林土壤酶系統(tǒng)是森林土壤中生物活動的產(chǎn)物，其活性與土壤理化性質(zhì)和環(huán)境條件密切相關(guān)，已經(jīng)成為土壤質(zhì)量生物指標(biāo)中優(yōu)先考慮的指標(biāo)之一[4-16]。過氧化氫酶和多酚氧化酶是兩種重要的土壤氧化還原酶，前者是衡量土壤氧化過程的方向和強度指標(biāo)，通過酶促過氧化氫的分解，防止其對生物體的毒害作用，后者可以將多酚類物質(zhì)氧化分解成簡單化合物，與氮素結(jié)合，表征土壤腐殖化程度[17]。脲酶是土壤中常見的水解酶，能促進尿素的水解，用以表征土壤氮素供應(yīng)狀況[9]。

表4顯示，不同林齡油松人工林土壤酶活性存在差異。在0～10 cm土層中以林分Ⅲ過氧化氫酶和脲酶活性最強，分別達到5.74 ml/g和0.75 ml/g，林分Ⅰ最低，為5.23 ml/g和0.44 ml/g，即土壤過氧化氫酶、脲酶活性隨樹齡的增大有所增加。這可能與林分Ⅲ（53年）密度較低，光照充沛，林下生物多樣性豐富，根系分泌物和凋落物的種類和組成繁多，為土壤生物提供有利生存環(huán)境有關(guān)。國內(nèi)許多研究結(jié)果顯示，林下不同植物群落會導(dǎo)致土壤中養(yǎng)分分布不同，致使土壤酶活性表現(xiàn)出一定差異[18]。合理的林分密度，可改善林下物種多樣性，為土壤生物種群提供必需豐富的營養(yǎng)[4-5,19]。

表4 不同林齡油松人工林土壤酶活性Table 4 Soil enzyme activity in different age P. tabulaeformis plantations

而多酚氧化酶的變化剛好與前兩者相反，以林分Ⅰ活性最大，0～10 cm處為1.30 ml/g，10～20 cm處為1.13 ml/g，20～50 cm處為0.89 ml/g，分別是林分Ⅱ相應(yīng)土層的1.14倍、1.18倍和1.11倍，是林分Ⅲ的1.31倍、1.26倍和1.13倍。周禮愷[20]認(rèn)為：土壤多酚氧化酶與土壤腐殖化程度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即土壤有機質(zhì)含量越高，多酚氧化酶活性越小，樟子松林土壤多酚氧化酶也得出一致結(jié)論[21]。

研究結(jié)果還顯示，同一林齡不同土層間酶活性存在差異。由表4可知，0～10 cm土層土壤酶活性顯著高于10～20 cm和20～50 cm土層，這與呂瑞恒等人的研究結(jié)果一致[22]。其中過氧化氫酶高出12.61%～32.07%，多酚氧化酶高出10.00%～46.07%，脲酶高出加30.77%～137.93%，可見脲酶對土層環(huán)境變化較為敏感。土壤酶在0～10cm土層的“聚集效應(yīng)”可能與凋落物質(zhì)量之間的差異以及植物根系分泌狀況有關(guān)。

3.3.2 土壤微生物量分析

土壤微生物數(shù)量不但是土壤生物活性的重要指標(biāo)，對土壤質(zhì)量的變化也具有一定敏感度。由表5可知，土壤微生物在總體數(shù)量上以細菌為主，占總量的90%左右，其次是真菌，約占6%，放線菌最少，約為4%。在不同林齡油松人工林中，林分Ⅲ土壤微生物總量最多，為43.73×105個，分別是林分Ⅰ、Ⅱ的1.30、1.18倍。這是由于林分Ⅲ（53年）郁閉度較低，光照充足，林內(nèi)水熱條件適宜，林下鄉(xiāng)土植被大量生長和繁衍，生物多樣性增加，誘發(fā)了土壤微生物的增加。

表5 不同林齡油松人工林0～10 cm土層的微生物數(shù)量Table 5 Soil microbial quantity on 0～10 cm horizontal layer in different age P. tabulaeformis plantations

3.4 土壤質(zhì)量評價指標(biāo)分析

土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及土壤酶活性和微生物之間存在密切關(guān)系，為了更好地評價油松人工林土壤質(zhì)量，提出影響油松人工林土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，本文對研究區(qū)內(nèi)的土壤信息系統(tǒng)的土壤容重、含水量、土壤養(yǎng)分、交換性能、土壤酶以及微生物共18個指標(biāo)進行主成分分析（表6、7）。由表6可以看出，第1主成分方差貢獻率最大，為50.444%，對整個土壤系統(tǒng)起著主導(dǎo)作用，第2主成分方差貢獻率為16.519%，第3、4主成分方差貢獻率分別為9.454%和7.127%。這5個主成分的累積貢獻率為83.544%，且特征根均大于1，能夠反映土壤各指標(biāo)之間的關(guān)系。對各主成分進行的分權(quán)計算結(jié)果表明（表7），第1主成分主要綜合了土壤含水量、全氮、有機質(zhì)和微生物等信息，且累積貢獻率超過50%，這說明土壤含水量、全氮、有機質(zhì)和微生物數(shù)量可作為評價油松人工林土壤質(zhì)量的重要評價指標(biāo)。第2主成分綜合了毛管持水量、pH值和陽離子交換量等信息，第3主成分主要反映了土壤交換性能的好壞，第4主成分反映了毛管孔隙度。綜合分析認(rèn)為，土壤含水量、毛管孔隙度、有機質(zhì)、鹽基飽和度以及微生物數(shù)量是影響油松人工林土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。

表6 土壤信息系統(tǒng)的主成分分析Table 6 Principal component analysis of soil information system

表7 土壤質(zhì)量的特征向量分析Table 7 Eigenvectors analysis of soil quality

4 結(jié)論與討論

(1)不同林齡油松人工林土壤物理性質(zhì)性質(zhì)有顯著差異，土壤含水量、毛管孔隙度和毛管持水量隨林齡的增加而增長，容重則呈相反變化趨勢，以林分Ⅰ土壤容重最大，0～10 cm和10～20 cm土層分別高出林分Ⅱ相應(yīng)土層的14.53%和13.22%，林分Ⅲ的13.91%和14.17%。這表明，除土壤容重外，其他土壤物理指標(biāo)質(zhì)在不同林齡油松人工林的變化規(guī)律一致。

(2)不同林齡油松人工林土壤化學(xué)性質(zhì)有顯著差異。其中土壤養(yǎng)分含量隨林齡的增加而增加，以林分Ⅲ土壤養(yǎng)分含量最高，是林分Ⅰ的1.25～12.52倍，林分Ⅱ的1.13～1.90倍。油松人工林土壤交換性能在不同林齡間差異不顯著，但就不同土層而言，土壤交換性能存在一定差異，0～10 cm土層土壤交換性能明顯強于10～20 cm和20～50 cm土層，這與表層植被的生物富積作用有關(guān)。

(3)油松人工林土壤生物活性在不同林齡間差異顯著。其中過氧化氫酶、脲酶以及微生物數(shù)量隨著林齡的增加而增加，林分Ⅲ土壤微生物總量可達43.73×105個，是林分Ⅰ、Ⅱ的1.30、1.18倍。這與林分Ⅲ（53年）密度低，郁閉度小，林內(nèi)光照充足，水濕條件改善，林下鄉(xiāng)土植被大量繁衍，導(dǎo)致微生物和酶活性提高有關(guān)。因此，合理的林分密度可改善林地環(huán)境條件，促進林木生長和林分健康，對油松人工林進行合理的撫育間伐是當(dāng)前提高土壤質(zhì)量的重要途徑。

(4)在土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及生物活性構(gòu)成的土壤質(zhì)量評價體系中，土壤含水量、毛管孔隙度、有機質(zhì)、鹽基飽和度以及微生物數(shù)量所解釋的土壤信息高達83%以上，因此可將土壤含水量、毛管孔隙度、有機質(zhì)、鹽基飽和度以及微生物數(shù)量作為影響油松人工林土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。

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Study of key indexes affecting soil quality in Pinus tabulaeformis plantations

CHEN Xue, MA Lu-yi, JIA Zhong-kui, DUAN Jie, WANG Wei, WANG Kai
(Province and Ministries Co-construction Key Lab. for Silviculture and Conservation of Ministry of Education, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

In order to approach the key indexes affecting soil quality in Pinus tabulaeformis plantations, the soil physical and chemical properties and bioactivities were investigated on 0～10 cm,10～20 cm and 20～50 cm horizontal layers in 28～31-year-old,42-year-old and 53-year-old P. tabulaeformis plantations. The results are as followings: (1) the differences of soil physical and chemical properties among different ages P. tabulaeformis plantations were significant, the soil’s water content, nutrient and exchange properties increased with the rise of forest age, but the volume weight of soil reduced by 10.69%～12.41%. (2) there existed differences of bioactivities in different age forest soil, catalase content, urease content and microbial quantity increased with forest age, except polyphenol oxidase. (3) the soil’s nutrient, exchange properties and enzyme activities decreased with the depth of soil.（4）the results from principle component analysis reveal that soil water content, capillary porosity, soil organic matter, base saturation and microbial quantity could explain more than 83% of the information of soil, so they can be considered as the key indexes affecting soil quality in Pinus tabulaeformis plantations.

Pinus tabulaeformis plantation；forest soil；physical and chemical property；enzyme activity；microbial quantity

S791.254

A

1673-923X(2012)08-0046-06

2012-05-01

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（201004021）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金（BLJD200904）；林業(yè)科技成果推廣項目（2011-44）

陳 雪（1988—），女，北京人，碩士研究生，主要從事森林培育方面的研究；E-mail:game5560@sina.com

馬履一（1957—），男，云南大理人，博士，教授，主要從事森林培育方面的研究；E-mail：maluyi@bjfu.edu.cn賈忠奎(1976―)，男，遼寧鞍山人，博士，副教授，主要從事森林培育方面的研究；E-mail：jiazk@bjfu.edu.cn

[本文編校：文鳳鳴]