不同林齡長白落葉松人工林土壤肥力1)

楊曉娟 王海燕 劉 玲 李 旭 李衛(wèi)松

(教育部水土保持與荒漠化防治重點實驗室(北京林業(yè)大學)，北京，100083)

長期以來，土壤肥力一直是土壤學研究的重點內容之一［1-2］。土壤肥力作為土壤健康的重要組成部分，是土壤的基本屬性和本質特征的反映，是土壤從營養(yǎng)條件與環(huán)境條件方面供應與協(xié)調植物生長的能力，表現(xiàn)為直接為植物生長提供必需的物質養(yǎng)分與機械支撐［3］。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，森林土壤是維持林木健康生長的基質，其肥力特征影響并控制著林木的健康狀態(tài)［4］。森林退化與土壤肥力的衰退有密切的聯(lián)系［5］。因此，了解森林土壤肥力特征，可及時為森林健康經營提供依據。

東北林區(qū)是我國重要的木材生產基地，占全國森林面積的31.4%，由于長期追求木材生產，該區(qū)天然林的面積逐漸減少，人工林的面積不斷增加［6］。長白落葉松(LarixolgensisHerry.)是東北林區(qū)主要用材樹種之一，也是吉林省森林資源的重要組成部分，自20世紀50年代開始營造了大面積純林。然而，由于造林樹種單一，林分結構簡單等原因，長白落葉松人工純林的土壤肥力衰退趨勢日益明顯。以往有關落葉松的研究主要集中在落葉松人工林地力衰退機理［7-9］和生物碳儲量［10-13］方面，而對長白落葉松人工林土壤肥力及其隨林齡變化的研究還比較少。因此，本研究選取吉林省汪清林業(yè)局金倉林場不同林齡長白落葉松人工林進行土壤肥力特征變化研究，以期了解不同林齡長白落葉松人工林土壤理化性質，對不同林齡長白落葉松人工林的土壤肥力進行評估;探討影響土壤肥力的生物和非生物因子，如土壤有機質、土壤全氮和土壤水分、林齡等對土壤性質變化的影響，為長白落葉松人工林的合理經營提供理論依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省汪清林業(yè)局金倉林場(130°26'～130°35'E，43°18'～43°23'N)，屬于長白山系的中低丘陵區(qū)，區(qū)內的地形中部高、四周低，平均海拔為806 m。該區(qū)域地處北溫帶季風區(qū)，屬大陸性季風氣候。年平均溫度3.9℃，年日照時間2 351 h，無霜期110～130 d。降水很豐富，年平均降水量547 mm，其中60%～70%集中在6—9月份。該地區(qū)的土壤分布伴其地貌、植被、氣候等自然因素的變化而不同，以針葉林灰棕壤和灰棕壤為主，其次為灰化土，土壤垂直變化明顯。林場內的長白落葉松人工林樹種較單一，長白落葉松蓄積量占90%以上，為絕對優(yōu)勢樹種。林下灌木主要有繡線菊(Spiraea salicifoliaL.)、野刺玫(RosadavuricaPall)、珍珠梅(Sorbariakirilowii(Regel)Maxim))、金花忍冬(LonicerachrysanthaTurcz.)、刺五加(Acanthopanax senticosus(Rupr.et Maxim.)Harms.)等，平均蓋度為28%。草本主要有龍須草(PoasphondylodesTrin.)、酸漿草(OxaliscorniculataLinn.)、小葉芹(AegopodiumalpestreLedeb.)、野 草 莓 (Fragaria ananassaDuch.)、蕨(Pteridiumaguilinum(L.)Kuhn)等，平均蓋度為68%。

2 材料與方法

2.1 樣地調查

金倉林場內的長白落葉松人工林經過人工撫育管理及自然稀疏，林齡分布15～52 a，包括幼、中、近熟、成熟4個齡組［14］。于2011年植物生長盛季(8月)在該研究區(qū)選擇典型的長白落葉松人工林分設置樣地，根據海拔、坡向、土層厚度等相似的原則實現(xiàn)立地條件的相近。其中，中齡林、近熟林、成熟林都有不同程度的采伐。每個齡組選取3塊有代表性的、面積為0.025 hm2的圓形樣地。樣地土壤均為針葉林灰棕壤。樣地調查因子包括：林齡、坡度、海拔、株數(shù)密度、郁閉度、平均樹高、平均胸徑。樣地基本概況見表1。

2.2 土壤樣品的采集與處理

在各樣地內，以“S”形路線，選取5～7個采樣點，用土鉆分別取0＜土壤深度(h)≤20 cm、20 cm＜h≤40 cm和40 cm＜h≤60 cm的土壤，按不同層次將各樣點土壤放在塑料薄膜上混勻，四分法取1.0 kg待測土樣，裝入布袋，貼上標簽，即為樣地內0＜h≤20 cm、20 cm＜h≤40 cm 和40 cm＜h≤60 cm 的混合土樣?；旌贤翗咏涳L干、去除雜質后，磨細過2.00、1.00、0.25 mm的土壤篩，用于測定土壤基本理化性質。

表1 長白落葉松人工林樣地概況

2.3 土壤樣品基本理化性質測定

環(huán)刀取樣測定土壤密度及自然含水量;酸度計法(m(水)∶m(土)=2.5∶1)測定土壤 pH 值;外加熱重鉻酸鉀氧化—容量法測定土壤有機質;硫酸—高氯酸消煮—凱氏定氮儀法測定土壤全氮;硫酸—高氯酸消煮—鉬銻抗比色法測定土壤全磷;氫氧化鈉熔融—火焰光度計法測定土壤全鉀;氟化銨—鹽酸—鉬銻抗比色法測定土壤有效磷;中性乙酸銨浸提—火焰光度計法［15］測定土壤速效鉀。

2.4 數(shù)據處理

應用Excel2007和SPSS18.0軟件對所獲得數(shù)據進行單因素方差分析、相關性分析、主成分分析［16］。

3 結果與分析

3.1 不同林齡長白落葉松人工林土壤肥力因子的變異程度

土壤物理性質的變異特點土壤密度是土壤緊實度的敏感性指標，是表征土壤肥力質量的一個重要參數(shù)［17］。不同林齡長白落葉松人工林的土壤密度的變異系數(shù)在13%左右(表2)，屬于弱度變異。土壤自然含水量的變異系數(shù)介于35%～79%。方差分析及多重比較結果表明，齡組對土壤密度和含水量影響顯著(P＜0.05)，其中，中齡林的土壤密度顯著低于幼齡林和近熟林，其含水量顯著高于幼齡林和成熟林。

土壤pH值的變異特點土壤酸堿性對土壤肥力性質有較大的影響，是影響植物生長的重要因素，土壤有機質的分解、養(yǎng)分元素釋放與轉化以及土壤元素遷移等都與酸堿度有關［18］。不同林齡長白落葉松人工林土壤的pH值分布范圍為5.10～6.12(表3)，均為酸性土壤。不同齡組的變異系數(shù)在2%左右，屬弱度變異。從齡組變化來看，中齡林林地的土壤pH值顯著低于幼齡林，成熟林林地土壤pH值顯著高于中齡林和近熟林，可見，隨著林齡增加，土壤有酸化的趨勢，但近熟林到成熟林pH值又有一定的上升趨勢。

表2 不同林齡長白落葉松人工林土壤物理性質的描述統(tǒng)計

表3 不同林齡長白落葉松人工林土壤pH值的描述統(tǒng)計

土壤有機質的變異特點不同林齡長白落葉松人工林土壤有機質質量分數(shù)的變化范圍為5.09～72.00 g·kg-1，其中最大值為最小值的 14.15 倍;幼齡林的土壤有機質變異系數(shù)最大，為88.59%，其次是成熟林，為61.75%，中齡林和近熟林的土壤有機質變異系數(shù)在50%左右，都屬于中度變異(表4)。土壤有機質的平均質量分數(shù)隨林齡的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，其中，中齡林的土壤有機質質量分數(shù)高于其他3個齡組的，且顯著高于近熟林，這與陳立新的研究結果一致［19］。

表4 不同林齡長白落葉松人工林土壤有機質的描述統(tǒng)計

土壤氮素的變異特點除長白落葉松中齡林的土壤全氮質量分數(shù)變異系數(shù)為43.54%以外，幼齡林、近熟林和成熟林的土壤全氮變異系數(shù)均在70%左右(表5)。其平均值隨著林齡的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其中，中齡林的土壤全氮質量分數(shù)最高。這一變化趨勢與土壤有機質的一致，但不同齡組的土壤全氮質量分數(shù)差異不顯著。

表5 不同林齡長白落葉松人工林土壤氮素的描述統(tǒng)計

土壤磷素的變異特點不同林齡土壤全磷的變異系數(shù)為27.27%～33.33%，而土壤有效磷的變異系數(shù)為21.42%～48.10%，全磷的變異程度明顯低于同一齡組的有效磷(表6)。其中，中齡林的土壤全磷質量分數(shù)顯著高于近熟林，其有效磷質量分數(shù)顯著高于近熟林和成熟林 ，二者隨林齡增加的變化趨勢相同，都先升高后降低，中齡林達到最高。

表6 不同林齡長白落葉松人工林土壤磷素的描述統(tǒng)計

土壤鉀素的變異特點土壤全鉀質量分數(shù)的變異系數(shù)為5.48%～14.64%，明顯低于相應齡組土壤速效鉀的變異系數(shù)(表7)。從林齡梯度來看，除近熟林土壤全鉀質量分數(shù)為19.12 g·kg-1外，其他齡組的土壤全鉀平均質量分數(shù)均接近于25.00 g·kg-1，近熟林的土壤全鉀質量分數(shù)顯著低于其他齡組;中齡林土壤速效鉀質量分數(shù)最高，為110.00 mg·kg-1，高于其他3個齡組，且顯著高于近熟林。全鉀和速效鉀質量分數(shù)隨林齡增加的變化趨勢相同。

3.2 土壤肥力評價因子相關性

對0～60 cm的土壤肥力評價因子進行相關性分析(表8)的結果表明：土壤因子之間有著密切關系。土壤密度與土壤含水量、土壤有機質、全氮、全磷和速效鉀質量分數(shù)呈極顯著負相關，與pH值呈顯著正相關;土壤含水量與pH值呈極顯著負相關。土壤pH值與土壤有機質、全氮和全磷質量分數(shù)呈顯著負相關，說明土壤pH值明顯影響土壤有機質、全氮和全磷質量分數(shù)。土壤有機質質量分數(shù)分別與全氮、全磷、全鉀和速效鉀質量分數(shù)呈極顯著正相關，與有效磷質量分數(shù)呈顯著正相關，即有機質質量分數(shù)越高，土壤的全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀質量分數(shù)也越高，從而解釋了描述性分析中，土壤全氮量、土壤磷素和土壤鉀素的變化趨勢與土壤有機質的變化趨勢一致的現(xiàn)象。另外，全磷、全鉀、有效磷和速效鉀之間也呈極顯著正相關。可見，土壤中各種養(yǎng)分的質量分數(shù)是有相關性的，單一養(yǎng)分質量分數(shù)的減少，也會影響土壤中其他養(yǎng)分的供應。不同林齡長白落葉松人工林土壤的物理、化學因子之間存在著顯著相關關系，可用來綜合反映土壤肥力水平。

表7 不同林齡長白落葉松人工林土壤鉀素的描述統(tǒng)計

表8 土壤肥力評價因子的相關系數(shù)(n=36)

3.3 不同林齡長白落葉松人工林土壤肥力綜合評價

土壤肥力的評價是設計和評價持續(xù)性土壤及土地管理系統(tǒng)的一個基礎，土壤肥力評價首先要確定有效、可靠、可重復及可接受的指標，建立全面評價土壤肥力的框架體系［20］。本研究以土壤密度、土壤含水量、pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀、有效磷及速效鉀這9個指標作為土壤肥力的評價體系，對土壤肥力進行綜合評價。由于土壤肥力評價因子之間的相關性很強，本研究采用主成分分析法對長白落葉松人工林的土壤肥力質量進行綜合評價。以各主成分特征貢獻率為權重，加權計算評價指標而得到綜合分值。根據主成分累積貢獻率達到85%為宜的原則［21］提取主成分，獲取主要信息，從而降低觀測空間的維數(shù)，分析結果見表9。第1主成分的方差貢獻率最大，為49.258%，第2主成分的方差貢獻率為21.479%，第3主成分和第4主成分的方差貢獻率分別為9.217%和7.500%，前4個主成分的累積貢獻率為87.454%，因此，前4個主成分的綜合指標基本能反映土壤肥力評價系統(tǒng)內的變異信息。即取前4個主成分基本包含了全部9個評價因子所有的信息，可以較好地反映土壤肥力質量的綜合狀況。最終，計算出各樣地的肥力綜合得分，根據每個齡組3塊樣地得分的平均值計算出長白落葉松人工林各齡組的土壤肥力綜合指數(shù)，得出幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林的綜合得分分別為：0.188、0.404、-0.599、0.006。土壤肥力由高到低為中齡林、幼齡林、成熟林、近熟林(見表10)。

表9 土壤肥力指標主成分分析

表10 不同林齡長白落葉松人工林土壤肥力水平綜合得分

4 結論與討論

4.1 不同齡組長白落葉松人工林土壤肥力因子的變化

不同齡組長白落葉松人工林土壤密度的變異系數(shù)差異不顯著，均為13%左右，屬于弱度變異。其中，中齡林的土壤密度最小，土壤含水量隨著林齡的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，中齡林的土壤含水量達到最高;幼齡林和近熟林的土壤密度相對較高，對土壤的肥力狀況及林木的生長有一定的影響。長白落葉松人工林的土壤為酸性，pH值的變異系數(shù)低于其他肥力因子，這與Fu等研究北京地區(qū)土壤性質的結果一致［22］，可能是由于研究樣地內地上植被都比較單一，使得土壤pH值變異系數(shù)較小。從森林土壤的特點來看，針葉樹種的凋落物在分解過程中可產生有機酸，并向礦質土層淋洗，使得長白落葉松林地土壤呈酸性，而土壤pH值的變化極大地影響著土壤養(yǎng)分的有效性和植被的營養(yǎng)狀態(tài)，因此，可通過營林措施如保針引闊，營造針闊混交林，通過改變樹種組成，間接改變凋落物組成來提高土壤pH值，進而提高長白落葉松人工林土壤其他養(yǎng)分的有效性。

長白落葉松人工林土壤有機質的平均質量分數(shù)隨林齡的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，其中，中齡林的土壤有機質質量分數(shù)高于其他3個齡組的，且顯著高于近熟林。由于森林土壤有機質主要來源于森林凋落物，長白落葉松中齡林的凋落物量比完全郁閉的幼齡林和林分密度過小的近熟林和成熟林都大，從而有機質質量分數(shù)也就最高。

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤氮素來源于土壤有機質的轉化、大氣干濕沉降和生物固氮等，森林土壤氮素的缺乏幾乎是普遍的，而且隨著造林立地質量的下降，有效氮素缺乏的程度將進一步加大［23］。本研究中長白落葉松人工林土壤全氮質量分數(shù)均低于1.30 g·kg-1，且土壤無機氮又以易淋洗的NO-3為主［24］，因此，長白落葉松人工林的土壤氮水平可能影響到植物的健康生長。4個齡組全氮質量分數(shù)的均值隨著林齡的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其中，中齡林的土壤全氮質量分數(shù)最高。磷也是植物生長所必需的主要元素之一，主要來源于林地凋落物的礦化以及土壤礦質顆粒的風化過程。本研究表明，所有樣地全磷質量分數(shù)均低于0.60 g·kg-1，有效磷質量分數(shù)除近熟林為9.18 mg·kg-1外，其它3個齡級都超過14.00 mg·kg-1，可見，除了近熟林土壤磷素較缺乏外，其它3個齡組的土壤磷素均能滿足長白落葉松的正常生長。由于土壤磷生物有效性過程緩慢［25］，通過化學肥料或菌根等生物途徑促進土壤有效磷水平的提高十分必要，尤其是有效磷質量分數(shù)較低的近熟林。但鉀從凋落物中釋放的速度比較快，長石質巖類森林土壤礦物質所釋放的鉀素，可滿足主要造林樹種松、櫟純林的需要［26］。本研究中，除了近熟林土壤全鉀質量分數(shù)為19.12 g·kg-1外，其他齡組的土壤全鉀平均質量分數(shù)均接近于25.00 g·kg-1，因此，該研究區(qū)長白落葉松人工林的土壤鉀相對豐富。中齡林土壤速效鉀質量分數(shù)最高，為110.00 mg·kg-1，可能由于中齡林中凋落物相對較多，且經過適當?shù)氖璺?，林分郁閉度降低，光照增強，地面溫度升高，使得生物活動增強，從而加快了鉀從凋落物中釋放的速度。由于土壤氮素、磷素和鉀素質量分數(shù)與土壤有機質有極顯著的相關性，因此，了解土壤有機質的動態(tài)變化有利于對土壤氮變化的監(jiān)測，增加土壤有機質，可增加土壤氮、磷和鉀的供應。

4.2 不同齡組長白落葉松人工林的土壤肥力質量綜合分析

長白落葉松中齡人工林的土壤肥力最高，其次為幼齡林、成熟林，最低為近熟林。這與陳立新等的研究結果(近熟林最高)不同［9］，可能是由于林分密度及采伐情況的差異所導致。本研究中，幼齡林密度過大，郁閉度較高，林地光照很弱，且凋落物少，長白落葉松生長需要養(yǎng)分較多，使得幼齡林的凋落物產生量大于分解量，土壤肥力耗損大于歸還，從而導致土壤整體肥力較低。中齡林經過間伐后，使得林分密度比幼齡林減少一半，郁閉度相對減小，林地光照增強，地面溫度升高，生物活動增強，凋落物量也增加，凋落物的分解加快，這樣，土壤養(yǎng)分質量分數(shù)提高，養(yǎng)分消耗與歸還能夠保持平衡，整體肥力狀況也有所改善?？梢姡藭r正是長白落葉松人工林小徑材間伐撫育的時期，如能及時加強管理，恢復林下植被，可以維持甚至提高一定的土壤肥力水平，這與閆德仁等的研究結果一致［27］。到長白落葉松近熟林及成熟林階段，由于過度采伐，林分密度急劇降低，凋落物也減少，土壤微生物數(shù)量、類群及土壤酶活性與中齡林相比發(fā)生了根本性變化。另外林木消耗量增加，土壤養(yǎng)分的消耗與歸還失衡，土壤肥力水平降低。可見，經過適度撫育間伐，長白落葉松人工林林地的土壤肥力能夠提高，但過度采伐也能降低其肥力水平。

4.3 經營建議及展望

在經營現(xiàn)有長白落葉松人工林時，要注意確定不同齡組合理的林分密度，尤其是肥力水平較低的幼齡林，應適當?shù)負嵊g伐。另外，應該加強林地管理，促進地被物的分解及其營養(yǎng)物質的釋放，以利于地力的恢復。對于肥力水平最低的近熟林，可及時人工補植，使其向復層林方向發(fā)展，或采取林地施肥等措施，從而保證林木的正常生長和發(fā)育，提高林分的生產力。但采取林地施肥能否防止或改善長白落葉松人工林地力衰退還有待進一步研究。對于成熟林，在采伐后，應盡快更新長白落葉松人工林，以保護和改善土壤的肥力性質。同時盡量營造針闊混交林，防止針葉林地土壤酸化。

本研究采用土壤理化性質作為反映不同林齡長白落葉松人工林土壤肥力的指標，目的是為了將不同林齡的長白落葉松與土壤肥力有機地結合起來，以便研究不同林齡長白落葉松人工林的合理經營方式。但如何更好地選用與土壤肥力相關的指標，還有待于進一步研究。該研究只對金倉林場內的長白落葉松人工林地進行了一次性的取樣分析，若能對該研究區(qū)不同林齡下的土壤肥力、生產力等方面進行長期定位調查分析，并結合當?shù)亓窒轮脖活愋瓦M行綜合研究，建立動態(tài)監(jiān)測體系，則可以了解各齡組長白落葉松人工林土壤肥力狀況的動態(tài)變化，揭示林齡對長白落葉松土壤肥力的影響，進一步得出不同林齡長白落葉松人工林的合理經營方式。

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