不同林分密度油松天然林土壤理化性質(zhì)及微生物量碳氮特征研究

董 威，劉泰瑞，覃志杰，郭晉平，張蕓香*

1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西 太谷 030801；2. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生院，山西 太谷 030801

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，也是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)能量循環(huán)及微生物作用的重要環(huán)節(jié)和載體（劉世榮等，2011；肖好燕等，2016）。研究森林土壤屬性及其在不同條件下的橫縱向分異規(guī)律成為了近年來(lái)森林生態(tài)學(xué)者的研究熱點(diǎn)。林分密度作為人為可調(diào)控因子，直接影響著林下的光照、溫度、濕度等林分內(nèi)環(huán)境因子（楊三紅等，2015；丁繼偉等，2018）并作用于森林土壤使其屬性發(fā)生變化（馮宜明等，2018；胡小燕等，2018）。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多種森林類(lèi)型不同密度林下土壤理化性質(zhì)、養(yǎng)分特征、酶活性、碳儲(chǔ)量等進(jìn)行的大量研究（Wojciech，2009；Noh et al.，2010；向元彬等，2014；Jorge et al.，2016），證實(shí)了林分密度對(duì)林下土壤屬性影響的普遍性和特異性。在大青山馬尾松（Pinus massoniana）人工林（康冰等，2009）、木蘭圍場(chǎng)華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）人工林（任麗娜等，2012a）、長(zhǎng)白山近天然落葉松（Larix olgensis var. changpaiensis）-云杉（Picea asperata）-冷杉（Abies nephrolepis）混交林（王岳等，2014）、火地塘林區(qū)油松（Pinus tabulaeformis）-華山松（Pinus armandii）-銳齒櫟（Quercus aliena Blume var．a(chǎn)cutiserrata Maximowicz ex Wenzig）混交林（陳莉莉等，2013a）、秦嶺西段油松人工林（陳莉莉等，2013b）等森林類(lèi)型的研究中，林下土壤屬性垂直分布規(guī)律及其隨林分密度的變化成為了研究重點(diǎn)。然而，上述研究結(jié)果具有較強(qiáng)的地域性，普遍性偏弱，且林分密度近自然調(diào)整對(duì)森林土壤屬性及其垂直分異格局的影響和作用規(guī)律還不明確，需進(jìn)一步研究。

油松是中國(guó)的特有樹(shù)種，是黃土高原地區(qū)最主要的造林樹(shù)種之一。油松林是華北地區(qū)代表性針葉林類(lèi)型（趙偉紅等，2014），油松天然林在山西分布廣泛。本研究以山西省關(guān)帝山林區(qū)孝文山林場(chǎng)油松天然林為研究對(duì)象，采用樣地調(diào)查與實(shí)驗(yàn)室土壤樣品分析相結(jié)合的方法，通過(guò)對(duì)不同林分密度油松天然林下土壤理化性質(zhì)及微生物量碳氮指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定和分析，探明土壤屬性對(duì)林分密度變化的響應(yīng)特征，為森林質(zhì)量精準(zhǔn)提升及森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。

1 研究對(duì)象和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于關(guān)帝林區(qū)孝文山林場(chǎng)的五十溝（37°44′N(xiāo)，111°30′E），海拔 1460－1610 m，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫4.2 ℃，年平均降水量822.6 mm，年平均相對(duì)濕度70.9%。土壤為淋溶褐土，腐殖質(zhì)層厚約3－7 cm。主要喬木樹(shù)種為油松，偶有伴生的少數(shù)華北落葉松和白樺（Betula platyphlla）等；主要灌木樹(shù)種有繡線菊（Spiraea salicifolia）、黃刺玫（Rosa xanthina）和胡枝子（Lespedeza bicolor）等。

1.2 樣地設(shè)置與土壤樣品采集方法

2017年9月初，在油松天然林林齡為56－71 a，坡向、坡度、海拔、坡位相近的地段，分別在立木密度為 725、750、925、975、1050、1175、1200、1225、1375 plant·hm-2的林分設(shè)置 1 個(gè) 20 m×20 m的樣地（共設(shè)9個(gè)樣地），對(duì)各個(gè)樣地進(jìn)行概況調(diào)查，設(shè)9塊樣地，樣地概況見(jiàn)表1。在每個(gè)樣地的對(duì)角線上等距離布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)附近設(shè)3個(gè)重復(fù)取樣點(diǎn)，分上層（0－10 cm）、中層（10－20 cm）和下層（20－30 cm）分別取樣，重復(fù)取樣點(diǎn)的土壤分層樣品混勻后采用四分法留取適量土樣，裝入塑封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，共采集元素土樣81份。在每個(gè)樣地的3個(gè)采樣點(diǎn)挖剖面后分3層采用環(huán)刀法采集土壤樣品，共計(jì)81份。

1.3 土壤屬性指標(biāo)測(cè)定

采用氯仿熏蒸浸提法測(cè)定鮮土中土壤微生物量碳、微生物量氮；將風(fēng)干土研磨后過(guò) 60目篩，用酸度計(jì)法測(cè)定土壤pH（水土質(zhì)量比為 1∶2.5），TOC分析儀（multi N/C 2100分析儀，德國(guó)耶拿）測(cè)定土壤總碳，凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮，濃硫酸-高氯酸消煮結(jié)合鉬銻抗比色法測(cè)定土壤全磷。環(huán)刀土樣用恒溫箱烘干法測(cè)定土壤含水量并計(jì)算土壤容重（鮑士旦，2000）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)土壤理化性質(zhì)及微生物量碳氮數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用SPSS 17.0單因素方差分析（AVOVA）和多重比較（Duncan法）判斷差異性顯著水平（P＜0.05）。以上下層土壤指標(biāo)差值與上層土壤指標(biāo)值的比值（Mi）為依據(jù)分析土壤理化性質(zhì)及微生物量碳氮含量在土層之間的差異是否因林分密度的變化而呈現(xiàn)異質(zhì)性（王輝，2007）：

式中，Siu為上層土壤屬性指標(biāo)值，Sil為下層土壤屬性指標(biāo)值。

表1 樣地概況Table1 General information of sample plots

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分密度土壤屬性指標(biāo)差異性分析

如表2所示，1050 plant·hm-2林分土壤含水量，總碳、全氮含量分別為34.27%，29.44、2.14 g·kg-1，均顯著（P＜0.05）高于其他林分密度，并隨林分密度變化呈先增后減的變化規(guī)律；除1225 plant·hm-2林分外，pH值在其他密度林分之間差異不顯著（P＞0.05）；975 plant·hm-2林分土壤全磷含量為0.3 g·kg-1，顯著高于除 1225、1375 plant·hm-2外的其他林分（P＜0.05）；1050 plant·hm-2林分土壤容重、微生物量碳、微生物量氮含量與 725 plant·hm-2林分、1375 plant·hm-2林分呈顯著性差異（P＜0.05）。

表2 不同林分密度下土壤屬性Table2 Soil properties under different densities

圖1 不同密度林下土壤物理屬性指標(biāo)的變化Fig.1 Changes in soil physical properties indexes under different densities

2.2 不同林分密度土壤屬性指標(biāo)變化趨勢(shì)分析

2.2.1 土壤物理屬性指標(biāo)隨林分密度的變化

如圖1所示，0－10、10－20、20－30 cm土層土壤含水量、容重都因林分密度的差異而呈一致性變化。受密度影響，3個(gè)土層土壤含水量均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，以1050 plant·hm-2林分最高，分別為 44.13%、34.49%、27.49%；容重則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，在0－20 cm土壤中以1050 plant·hm-2林分最低，隨土層加深受林分密度的影響減弱，該趨勢(shì)有所緩和。各土層間含水量表現(xiàn)出明顯的由上及下遞減的趨勢(shì)，容重則相反，表明研究區(qū)土壤上層疏松，下層致密。

2.2.2 土壤化學(xué)屬性指標(biāo)隨林分密度的變化

如圖2所示，3個(gè)土層土壤的pH值，總碳、全氮、全磷含量隨林分密度變化的趨勢(shì)一致：山西地區(qū)土壤pH本底值偏高，無(wú)植被覆蓋區(qū)達(dá)7－8，有植被覆蓋區(qū)隨林分密度增加呈降低的趨勢(shì)；總碳、全氮含量呈先增后減的趨勢(shì)，均以 1050 plant·hm-2林分為最高，其3個(gè)土層總碳含量分別為32.41、29.87、26.03 g·kg-1，全氮含量分別為 2.60、2.22、1.62 g·kg-1；全磷含量隨林分密度變化較為復(fù)雜，700－1175 plant·hm-2范圍內(nèi)隨密度變化3個(gè)土層均呈先增后減的趨勢(shì)，以975 plant·hm-2林分為最高，當(dāng)林分密度高于1175 plant·hm-2時(shí)，全磷含量略有增加。各土層間總碳、全氮、全磷含量表現(xiàn)出明顯的由上及下遞減的趨勢(shì)，pH值則呈相反趨勢(shì)。

2.2.3 土壤生物學(xué)指標(biāo)隨林分密度的變化

如圖3所示，3個(gè)土層土壤微生物量碳、微生物量氮含量均隨林分密度變化呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，以1050 plant·hm-2林分為最高，其中各層微生物量碳含量分別為2410.74、1668.88、1045.56 mg·kg-1，微生物量氮含量分別為384.75、213.76、132.87 mg·kg-1，并表現(xiàn)出隨土層加深微生物量碳氮含量下降的趨勢(shì)。

圖2 不同密度林下土壤化學(xué)屬性指標(biāo)的變化Fig.2 Changes in soil chemical properties indexes under different densities

圖3 不同密度林下土壤生物學(xué)指標(biāo)的變化Fig.3 Changes of soil biological indexes under different densities

2.3 林分密度對(duì)土壤屬性垂直分異的影響

對(duì)不同密度林下土壤理化性質(zhì)及微生物量碳氮指標(biāo)在3個(gè)土層間的變化進(jìn)行分析，可知林分密度變化沒(méi)有改變土壤屬性垂直分異的基本規(guī)律，都表現(xiàn)為隨土層深度的增加，含水量下降、容重增大、pH由弱酸性變?yōu)槿鯄A性，土壤總碳、全氮、全磷、微生物量碳、微生物量氮含量降低。

因研究區(qū)土層較薄，土壤分層現(xiàn)象明顯，中層土壤過(guò)渡性較強(qiáng)，垂直分異的代表性較弱且隨林分密度的變化不明顯，因此以上下層指標(biāo)差值與上層指標(biāo)值的比值為依據(jù)，分析土壤理化性質(zhì)及微生物量碳氮含量在土層之間的差異是否因林分密度的變化而呈現(xiàn)異質(zhì)性。由圖4可知，土壤含水量、總碳、全氮、全磷的垂直變異隨密度增加呈先減小后增大的趨勢(shì)，在1050－1175 plant·hm-2范圍內(nèi)取得最小值，Mi分別為0.18、0.19、0.31、0.04。土壤容重的垂直變異則相反，Mi的最大值（0.47）出現(xiàn)在1050 plant·hm-2林分中；pH值的垂直變異隨密度增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，較高密度時(shí)則不再下降，1175 plant·hm-2林分 Mi最?。?.02）；微生物量碳、微生物量氮含量的垂直變異規(guī)律不明顯。

圖4 不同密度林下土壤屬性的垂直分異Fig.4 Vertical differentiation of soil properties under different densities

3 討論

林分密度變化導(dǎo)致林內(nèi)環(huán)境發(fā)生變化，對(duì)土壤理化性質(zhì)及微生物量碳氮也產(chǎn)生影響。油松天然林在 700－1400 plant·hm-2密度范圍內(nèi)，土壤物理屬性、化學(xué)屬性、生物學(xué)指標(biāo)均隨密度差異而呈現(xiàn)異質(zhì)性。1050 plant·hm-2林分土壤含水量，總碳、全氮、微生物量碳、微生物量氮含量均顯著高于低密度和較高密度林分；容重隨林分密度增加呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)；全磷含量隨密度變化而先增后減，但在林分密度高于1175 plant·hm-2時(shí)不減反增。這一結(jié)果與其他學(xué)者的研究結(jié)果相似卻又有差別：在毛竹（Phyllostachys edulis）林（范少輝等，2015）、華北落葉松林（賀志龍等，2017）、油松林（韓恩賢，2007；任麗娜，2012b）的研究結(jié)果顯示，土壤含水量，總碳、全氮、全磷含量隨林分密度增加而呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)；而在馬尾松林（趙汝?yáng)|等，2012）的研究中發(fā)現(xiàn)中等密度林下土壤全磷含量小于較高和較低密度林分。造成此差異的原因可能是全磷的分布受成土母質(zhì)的影響較大（王淑平等，2002）。

油松天然林土壤屬性的垂直格局表現(xiàn)出與其他許多森林類(lèi)型同樣的總體特征。廣西貓兒山自然保護(hù)區(qū)（鄧小軍等，2014）、長(zhǎng)沙城市森林（高述超等，2010）、黑龍江山嬌林場(chǎng)（邵英男等，2017）、龐泉溝自然保護(hù)區(qū)（樊蘭英等，2012）等地不同類(lèi)型林下土壤均表現(xiàn)出相似的垂直格局。就本研究而言，土壤屬性指標(biāo)垂直格局的總體特征不受林分密度的影響，但林分密度變化顯著改變垂直變異強(qiáng)度，土壤屬性的垂直分異規(guī)律隨林分密度的變化呈現(xiàn)一定的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為：在林分密度適中時(shí)，土壤含水量層間差異性弱，在密度為975－1175 plant·hm-2，Mi分別為 0.21、0.24、0.18；土壤營(yíng)養(yǎng)元素垂直結(jié)構(gòu)較為均勻，Mi值均在適中密度取得最小值，相較于低密度和高密度林分，其土壤肥力縱向下降趨勢(shì)變緩，在垂直層面上更具有穩(wěn)定性。

相關(guān)研究表明，低密度華北落葉松人工林林下草本灌木數(shù)量顯著增加（劉紅炎等，2017），消耗氮素多，需求量大。中密度長(zhǎng)白落葉松天然林林下枯落物分解效果最好，自然高密度林分會(huì)導(dǎo)致土壤退化（劉玲等，2013），制約林地蓄積量；中密度林下土壤理化性質(zhì)優(yōu)于低密度和高密度林分，林分密度可以調(diào)節(jié)土壤肥力（侯瑞萍等，2015；孫千惠等，2018）。本研究表明：林分密度適中（975－1175 plant·hm-2）時(shí)，水分條件和通氣狀況較好，微生物量碳氮含量高，總碳、全氮、全磷含量較高。無(wú)論人工林還是天然林都需要通過(guò)撫育措施調(diào)整林分密度，改善和保持林地屬性。

4 結(jié)論

（1）林分密度的變化間接影響土壤水分、容重、pH值，總碳、全氮、全磷、微生物量碳、微生物量氮含量，除容重、pH值、全磷含量外，其他指標(biāo)隨密度變化均呈現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律。

（2）土壤屬性指標(biāo)垂直分布規(guī)律：土壤含水量、總碳、全氮、全磷、微生物量碳、微生物量氮含量隨土層深度增加而下降，土壤容重和pH值卻呈相反趨勢(shì)；林分密度不改變總體格局，但土壤垂直分異程度在中密度林分中（975－1175 plant·hm-2）最小，更為均一穩(wěn)定。

（3）當(dāng)油松天然林林分密度適中（975－1175 plant·hm-2）時(shí)，0－30 cm深度的土壤水分，總碳、全氮、全磷、微生物量碳、微生物量氮含量保持在較高水平。

綜上，認(rèn)為研究地區(qū)油松天然林適宜的保留密度為 975－1175 plant·hm-2。