小隴山林區(qū)3種林分類型對土壤理化性質(zhì)的影響

李惠萍，鄭子龍，劉小林，馬建偉，楊海裕

(甘肅省小隴山林業(yè)科學研究所，甘肅小隴山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，甘肅省次生林培育重點實驗室，甘肅 天水 741022)

森林土壤是陸地植被賴以生存的基礎，植被生長所需要的水分及礦質(zhì)營養(yǎng)均與土壤理化性質(zhì)有密不可分的關系[1].森林土壤理化性狀是多種因素共同作用的結果，其中林分類型是其中重要的影響因子之一[2].不同林分的植被凋落物性質(zhì)及其組成不同，是造成其林下土壤理化性質(zhì)不同的主要原因，也是森林生態(tài)學研究的一個重要方向[3]，客觀評價不同林分類型的林下土壤肥力狀況是充分保護和利用好森林土壤資源的關鍵前提，對林地生產(chǎn)力和森林經(jīng)營的研究有重要意義.因此，針對不同林分對土壤理化性狀影響的研究引起了廣大科研工作者的關注[2,4-10].

小隴山林區(qū)地處黃河、長江中上游分水嶺，也是我國華北、華中、喜瑪拉雅、蒙新四大自然植被區(qū)系的交匯處，地形情況復雜、多變，土層淺薄貧瘠，生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失較嚴重，且大部分林區(qū)森林質(zhì)量低下[11]，急需科學的經(jīng)營管理措施來提高森林質(zhì)量，充分發(fā)揮小隴山林區(qū)的森林生態(tài)效益.目前，有關小隴山林區(qū)土壤方面的研究較多集中在土壤水分特征等土壤物理性質(zhì)[2,11-12]，反映了不同林分類型的土壤持水量及涵養(yǎng)水源能力.然而對土壤固碳能力及土壤理化性質(zhì)綜合研究較少.本文通過對小隴山生態(tài)站亂石窖溝集水區(qū)的銳齒櫟林、闊葉混交林、日本落葉松林3種不同林分類型進行土壤理化性質(zhì)特征的研究，分析不同林分類型對土壤固碳能力及理化性質(zhì)特征與差異的影響，為小隴山林區(qū)森林的經(jīng)營及土壤資源的科學管理提供基礎數(shù)據(jù)和決策依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于小隴山林業(yè)科學研究所生態(tài)定位研究站觀測區(qū)，隸屬天水市秦州區(qū)娘娘壩鎮(zhèn)李子園鄉(xiāng)，地理坐標N 34°07′，E 105°54′，海拔1 550～2 100 m，總面積2 117.0 hm2.大陸性季風氣候，年均降水量757 mm，年蒸發(fā)量1 012.2mm，相對濕度78%，年日照時數(shù)1 520～2 313 h，≥10 ℃有效積溫2 480 ℃，無霜期120～218 d.林分類型以銳齒櫟為主的天然次生林、日本落葉松、闊葉混交林和油松人工林為主.境內(nèi)山體較低，地勢起伏較小，坡度36°～40°，土壤以山地褐土和山地棕壤為主[12].

1.2 研究方法

1.2.1 標準地設置 在亂石窖溝142.61 hm2集水區(qū)選取3種林分—闊葉混交天然次生林、銳齒櫟天然次生林及日本落葉松人工林，選擇典型地段設置標準地6塊，標準地面積為20 m×30 m[13].對標準地用GPS確定地理位置、海拔高度，用羅盤儀和紅外線測距儀進行樣木定位，同時進行每木檢尺，實測林木胸徑、樹高等，各林分標準地概況見表1.

表1 標準地基本情況表

1.2.2 樣品采集與處理 每個標準地內(nèi)隨機采集3個土壤剖面，每個剖面按照0～10、10～20、20～30、30～40 cm等4個土層采集樣品，每層用100 cm3的環(huán)刀采集原狀土2份，測定不同林型各層土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度物理性狀.同時采集500 g左右土樣，帶回實驗室風干后測定pH、有機碳、全氮、全磷、全鉀化學性狀.pH采用電位法測定，有機碳重鉻酸鉀外加熱法測定，全氮采用凱氏法測定，全磷采用氫氧化鈉堿熔鉬銻抗比色法測定，全鉀含量四酸消解火焰光度法測定.

1.2.3 土壤有機碳密度與全氮密度的計算[14]土壤有機碳密度(SOCD，t/hm2)與全氮密度(STND，t/hm2)計算公式如下：

SOCD=∑Ci×Di×Ti×0.1

(1)

STND=∑Ni×Di×Ti×0.1

(2)

式中：Ci、Ni分別為第i層土壤的有機碳含量(g/kg)與全氮含量(g/kg)；Di為第i層土壤容重(g/cm3)；Ti為第i層土壤厚度(cm).

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010與SigmaPlot 12.0進行統(tǒng)計分析與作圖.

2 結果與分析

2.1 不同林分土壤物理特性

2018年對亂石窖溝集水區(qū)3種林分不同深度土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及毛管孔隙度/非毛管孔隙度物理性狀進行測定，結果如表2所示.

由表可知，3種林分土壤容重與總孔隙度均隨土層呈現(xiàn)有規(guī)律的變化.土壤容重均隨土層加深而增大，0～10 cm表層與10～20 cm亞表層土壤容重均明顯低于20～30 cm與30～40 cm土層(P<0.05)；而總孔隙度則正好相反，均隨土層加深呈下降趨勢，0～10 cm與10～20 cm土層總孔隙度明顯大于下面2個層次(P<0.05).與總孔隙度相似，3種林分土壤毛管孔隙度也均隨土層加深降低(20～30 cm闊葉混交林除外)，而非毛管孔隙度則呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，導致二者比值也隨土層加深而降低(30～40 cm闊葉混交林除外)，0～10 cm表層毛管孔隙度/非毛管孔隙度比值與30～40 cm土層最高相差3.2倍(銳齒櫟林).

3種林分類型土壤容重和總孔隙度分別為：銳齒櫟為1.27 g/cm3、52.8%，日本落葉松為1.38 g/cm3、48.0%，闊葉混交林為1.39 g/cm3、47.6%；闊葉混交林與日本落葉松林土壤容重、總孔隙度及毛管孔差異不大，二者土壤容重均大于銳齒櫟林，主要是差異出現(xiàn)在20～30 cm與30～40 cm土層；而二者總孔隙度與毛管孔均小于后者.闊葉混交林非毛管孔隙度小，但其毛管孔隙度/非毛管孔隙度比值最大.

2.2 不同林分土壤化學特征

2.2.1 不同林分土壤主要化學指標變化狀況 2018年對亂石窖溝集水區(qū)3種林分不同土層pH、有機碳、全氮、全磷與全鉀含量進行測定，結果如表3所示.

由表可知，3種林分土壤pH、有機碳與全氮均隨土層呈垂向規(guī)律性的變化.相比該地區(qū)偏堿性的土壤pH背景，3種林分類型均會導致pH下降，但下降幅度隨土層加深而逐漸降低，0～10 cm表層與30～40 cm底層間差異均達到5%顯著水平，其中日本落葉松變化最為明顯，表層與底層相差達0.71個單位；有機碳表聚特征明顯，3種林分0～10 cm表層含量均明顯高于10～20 cm亞表層，差異達到顯著水平，并隨土層加深而下降，表層含量為30～40 cm底層的2.74～4.64倍；全氮與有機碳變化規(guī)律相同，表層顯著高于其他土層(P<0.05)，也隨土層加深而下降，表層含量為30～40 cm底層的3.11～4.33倍.除闊葉混交林全磷含量隨土層加深下降外，其他林分全磷及所有林分全鉀隨土層變化規(guī)律不明顯，各土層間差異沒有達到顯著水平.說明3種林分類型均對土壤pH、有機碳與全氮的累積產(chǎn)生影響，其影響力隨土層加深而逐漸下降，但對全磷與全鉀的累積影響不明顯.

表2 不同林分土壤物理特性現(xiàn)狀

表3 不同林分土壤化學性狀

比較3種林分土壤化學性狀，pH為闊葉混交林(6.75)>銳齒櫟林(6.14)>日本落葉松林(6.03)，其中闊葉混交林土壤pH均大于同層次銳齒櫟林與日本落葉松林，日本落葉松林對土壤pH的影響最大，尤其是表層0～10 cm土壤，分別較銳齒櫟林與闊葉混交林低0.39與0.86個單位；有機碳與全氮均表現(xiàn)為銳齒櫟林(19.8、1.82 g/kg)>日本落葉松林(14.2、1.26 g/kg)>闊葉混交林(9.54、0.72 g/kg)，其中銳齒櫟林與日本落葉松林0～10 cm有機碳與全氮含量明顯高于闊葉混交林(P<0.05)，而10～20 cm土層也有類似的規(guī)律，但20 cm以下土層則差異不明顯；全磷與全鉀則表現(xiàn)為日本落葉松林(0.413、26.63 g/kg)>闊葉混交林(0.360、23.67 g/kg)>銳齒櫟林(0.247、22.96 g/kg)，但差異未達到顯著水平.

2.2.2 不同林分土壤有機碳密度、全氮密度與C/N 由圖1可以知，不同林分0～40 cm土層土壤有機碳及全氮密度與土壤有機碳及全氮濃度分布規(guī)律相同，也表現(xiàn)為銳齒櫟林>日本落葉松林>闊葉混交林，而且0～10 cm的土層與0～40 cm的土層均存在顯著差異(P<0.05)；3種林分土壤有機碳密度分別為93.98、73.62與49.65 t/hm2，土壤全氮密度分別為8.67、6.57與3.70 t/hm2，表明銳齒櫟林最有利于土壤總有機碳與全氮的累積.同樣，3種0～10 cm土層有機碳密度與全氮密度含量最高，占0～40 cm土層比例分別為33.9%～46.9%(有機碳密度)與37.6%～45.1%(全氮密度)，占比大小排序均為銳齒櫟林>日本落葉松林>闊葉混交林，說明銳齒櫟林土壤養(yǎng)分表聚特征更為明顯.

不同小寫字母與大寫字母分別代表3種樹種0～10 cm與0～40 cmSOCD與STND含量顯著性差異.Different lowercase letters and uppercase letters respectively represent the significant differences in the contents of 0～10 cm and 0～40 cmSOCD and STND in the three tree species.圖1 銳齒櫟林(RCL)、闊葉混交林(KYH)與日本落葉松林(RBL)土壤有機碳密度與土壤總氮密度Figure 1 SOCD and STND in Quercus acuteserrata,Broad-leaved mixed forest and Larix kaempferi

圖2顯示，土壤C/N值闊葉混交林最高(13.25)，銳齒櫟林最低(10.88)，日本落葉松林(11.27)略高于銳齒櫟林，每個層次均呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律，說明闊葉混交林有機碳最不容易降解.在10～40 cm不同土層間3種林分的土壤C/N值均存在顯著差異(P<0.05)，銳齒櫟林與日本落葉松林各層土壤C/N值變幅很小，闊葉混交林變幅較大，0～10 cm土層最高(12.1)，10～20 cm土層最低(16.8)，相差達4.7，說明闊葉混交林表層有機碳相比其他土層容易降解.

2.3 不同林分土壤有機碳與其他理化指標的關系

森林根系及凋落物是森林土壤養(yǎng)分主要來源，因此通過分析與土壤有機碳的相關性可以判斷森林土壤各項理化指標與森林生長的關系.

由表4可知，3種林分土壤有機碳與其他指標間的相關性比較一致，均與全氮、全磷、總孔隙度及毛管孔隙度等4項指標呈正相關關系，其中與全氮的相關性達到極顯著水平，與總孔隙度與毛管孔隙度的相關性達到顯著水平；3種林分土壤有機碳均與pH、全鉀、容重及非毛管孔隙度等4項指標呈負相關關系，其中與容重的相關性達到顯著水平.說明土壤全氮、容重、總孔隙度與毛管孔隙度主要受林木生長影響，而土壤pH、全磷、全鉀及非毛管孔隙度則更多受土壤母質(zhì)影響.

不同小寫字母代表3種樹種在同一層次間C/N顯著性差異.Different lowercase letters represent significant C/N differences between the three trees at the same level.圖2 不同林分土壤C/NFigure 2 C/N of soil in different forest types

表4 不同林分土壤有機碳與其他指標的相關系數(shù)(R)

3 討論

3.1 不同林分對容重、孔隙度與毛管孔隙度的影響

本研究中3種林分土壤容重與土壤有機碳之間呈顯著負相關關系，這種現(xiàn)象是大部分森林土壤的共同特征[2,15]，主要是由于森林的凋落物密度小于土壤礦物顆粒，且疏松多孔，導致森林土壤容重下降，凋落物越多，有機碳含量越高，而容重也越低；另一方面樹木根系的疏松作用也會降低森林土壤容重[15-16].由于森林凋落物與樹木根系具有明顯的層次結構，主要聚集在表層，并隨土層深度而逐漸下降，這就造成促成了了本研究及其他研究者土壤容重隨土層深度逐漸增大的垂向變化趨勢[2,4,15-16].銳齒櫟林土壤容重較其他2種林分低，與其相對較高的有機碳含量有關.孔隙度及毛管孔隙度與土壤容重呈顯著負相關[4-5]，因此，二者與土壤有機碳呈正相關，并隨土層加深而逐漸減小[2,4-5]，本研究3種林分也表現(xiàn)出上述特征.同樣由于較高的有機碳含量，銳齒櫟林土壤孔隙度及毛管孔隙度均較其他2種林分高.

土壤容重、總孔隙度與毛管孔隙度影響土壤透水性與儲水量[17].土壤容重越小、總孔隙度與毛管孔隙度越大，土壤儲水量越大，越有利于森林土壤的水源涵養(yǎng)能力[7,18].本研究中，銳齒櫟林土壤容重較闊葉混交林與日本落葉松林小，而總孔隙度與毛管孔隙度較后兩者大，表明其儲水量及水源涵養(yǎng)能力較闊葉混交林與日本落葉松林強，主要是因為銳齒櫟林地枯落物較多且易分解腐爛，有利于形成土壤團粒結構，從而增加了土壤孔隙度，增強了土壤的蓄水能力.

3.2 不同林分對土壤有機碳及土壤全氮積累的影響

森林土壤是地球重要的有機碳庫，在全球碳循環(huán)及減緩氣候變暖中發(fā)揮著重要作用，森林生長是土壤有機碳積累的過程，這是普遍的共識.森林土壤有機碳的積累受成土氣候、地形、林分類型、林齡等因素影響，存在較大的地區(qū)差異性[19-20].因此，同樣是銳齒櫟林，本研究0～10 cm土層有機碳含量低于小隴山黨川林場[14]，也低于秦嶺山地[20]；同樣是闊葉混交林，本研究0～10 cm土層有機碳含量遠低于長白山地區(qū)[21]，土壤碳密度也呈同樣的規(guī)律.除林齡[14]及區(qū)域[20-21]等因素，本地區(qū)林地坡度較大(均為35°以上陡坡，見表1)，地表有機碳易遭受徑流損失也可能是重要原因之一.森林有機碳主要來源于森林壞死根系與樹葉、枝條、樹皮等凋落物經(jīng)微生物分解后的腐殖質(zhì)[22]，本研究闊葉混交林土壤有機碳含量明顯低于銳齒櫟林與日本落葉松林，主要是由于闊葉混交林葉片等凋落物體積較大，不易保存水分，降解緩慢，腐殖質(zhì)形成量較少所致.森林土壤有機碳含量與密度的垂向分布則不受氣候、地形、林分類型、林齡等因素影響，包括本研究的所有結果均表現(xiàn)為自上而下降低的規(guī)律[3-6,8-10]，這與森林根系與凋落物主要分布在土壤表面并隨土壤深度下降有關.

森林土壤全氮主要為有機氮，與有機碳呈極顯著正相關[19-21]，因此，森林土壤全氮含量與密度垂向分布也呈現(xiàn)自上而下減少的趨勢[3-6,8-10]，土壤全氮具有表聚性在本研究也非常明顯，3種林分0～10 cm土壤氮密度占0～40 cm土層的1/3～1/2.本研究闊葉混交林土壤有機碳含量明顯低于銳齒櫟林與日本落葉松林，與闊葉混交林凋落物體積較大、C/N比較較高，不易被微生物分解，生成較少土壤含氮腐殖質(zhì)有關.由于林齡、坡向、氣候特征等因素的差異，該研究區(qū)與太白山、秦嶺等同種林分森林土壤相比，闊葉混交林與落葉松林土壤總氮含量低于長白山[19]，銳齒櫟林高于秦嶺[20].3種林分土壤C/N比與長白山與秦嶺差異不大，均介于10～20，均屬易降解有機物.

3.3 不同林分對土壤pH、全磷與全鉀含量的影響

森林生長導致土壤pH下降，即使在土壤母質(zhì)呈堿性的北方地區(qū)，其多年生森林土壤pH也呈酸性[2,4,9]，而土壤母質(zhì)為酸性的南方地區(qū)，森林土壤pH甚至低至4.06[15].與其他森林一樣，本研究3種林分土壤pH也均呈弱酸性，低于當?shù)赝寥辣尘爸?，說明3種林分均可導致pH下降.究其原因，是由于pH與土壤有機碳含量呈負相關[4,15]，森林生長產(chǎn)生大量凋落物，提高了土壤有機質(zhì)含量，有機質(zhì)分解產(chǎn)生小分子酸降低了土壤pH.本研究中闊葉混交林土壤pH高于銳齒櫟林與日本落葉松林，與其相對較低的土壤有機碳有關；另一方面，也與闊葉混交林土壤C/N較高，大分子有機碳降解速率較小，使得土壤中小分子有機酸產(chǎn)生量較小有關[8,22].與其他大多數(shù)研究結果相同[3-6,8-10,15-16]，本研究3種林分土壤pH均表現(xiàn)為自上而下逐漸增加的規(guī)律，一方面由于土壤有機碳含量隨土層加深而減少，另一方面隨土層加深，表層小分子酸淋溶量越少，這與劉欣等[4]、邵國棟等[5]的研究結果一致.

不同于全氮，森林土壤全磷隨土層深度變化規(guī)律性不強，目前主要存在兩種說法：土壤全磷含量隨土層加深下降[10,15,23]與土壤全磷含量隨土層無明顯變化規(guī)律[2,24-25].本研究3種林分土壤全磷含量與土層深度的關系并不相同，闊葉混交林與前者相同，而銳齒櫟林與日本落葉松林則與后者相同.森林土壤全磷含量與林分類型有關[6]，而本研究中3種林分土壤全磷與有機碳含量均呈弱正相關，研究結果中銳齒櫟林土壤全磷較其他2種林分低，可能是由于其凋落物中磷含量較其他樹種低所致.

本研究3種林型土壤全鉀含量介于21.88～27.34 g/kg，高于大多數(shù)其他地區(qū)森林土壤[6,23,25]，歸因于本地區(qū)土壤較高的鉀背景值.與全磷一樣，關于土壤全鉀與土層深度關系，也存在多種不同的說法，隨土層加深減小[4-5]、增大[6]以及無變化[2,24,26]等現(xiàn)象均有報導，而本研究與其他多數(shù)研究人員在秦嶺地區(qū)所得結果相同，即土壤全鉀含量與土層深度無關[2,24,26]，這可能與研究區(qū)域土壤全鉀含量高有關，高背景值弱化了森林生長對土壤全鉀變化產(chǎn)生的影響.關于土壤有機碳與全鉀的相關性也沒有統(tǒng)一的規(guī)律[2,5]，本研究認為森林土壤與全鉀呈弱負相關，與魏強等[27]研究結果相同.

4 結論

1) 3種林分土壤容重均隨土層加深而增大，總孔隙度與毛管孔隙度均隨土層加深而下降；闊葉混交林與日本落葉松林土壤容重、總孔隙度及毛管孔相當，二者土壤容重大于銳齒櫟林，總孔隙度與毛管孔小于后者.

2) 3種林分土壤pH隨土層加深而上升，有機碳與全氮含量隨土層加深而下降，全磷與全鉀無明顯垂向變化規(guī)律； pH為闊葉混交林(6.75)>銳齒櫟林(6.14)>日本落葉松林(6.03)，有機碳與全氮均表現(xiàn)為銳齒櫟林(19.8、1.82 g/kg)>日本落葉松林(14.2、1.26 g/kg)>闊葉混交林(9.54、0.72 g/kg)，磷與全鉀則表現(xiàn)為日本落葉松林(0.413、26.63 g/kg)>闊葉混交林(0.360、23.67 g/kg)>銳齒櫟林(0.247、22.96 g/kg).

3) 土壤C/N為闊葉混交林>日本落葉松林>銳齒櫟林；3種林分土壤有機碳與全氮、總孔隙度及毛管孔隙度呈顯著正相關關系，與容重呈顯著負相關關系.

4) 綜合分析3種林分類型土壤的固碳性能與土壤理化性質(zhì)，銳齒櫟林為小隴山林區(qū)較好的經(jīng)營樹種和經(jīng)營模式.