不同林型興安落葉松林土壤理化特征

王 冰，張鵬杰，張秋良

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

大興安嶺地處我國寒溫帶，擁有我國最大的原始林區(qū)，作為歐亞大陸北方森林帶的重要組成部分，是我國生態(tài)地位最重要的國家森林生態(tài)功能區(qū)、森林碳匯區(qū)和木材戰(zhàn)略儲備基地，同時，該區(qū)域也是全球氣候變化反應(yīng)最敏感的地區(qū)之一。興安落葉松(Larixgmelinii)是該區(qū)域的主要地帶性植被，在寒溫帶森林碳匯方面發(fā)揮著不可取代的重要作用。如何更好的保護(hù)興安落葉松，促進(jìn)其較快更新，成為亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。森林土壤是林木生長發(fā)育的載體，是維持森林生態(tài)系統(tǒng)健康的基礎(chǔ)[1-2]，土壤的理化組成決定了林分的類型與結(jié)構(gòu)，影響著植被的更新與演替[3]。而植被類型不同，其地表凋落物的組成及儲量、樹木根系的生長發(fā)育、凋落物的分解速率、土壤動物等均存在一定差異[2]，從而造成不同林分土壤理化性質(zhì)的不同。因此，研究不同植被類型的土壤理化性質(zhì)及其相互關(guān)系，成為研究的熱點(diǎn)。近年來，學(xué)者們對不同林分土壤的理化性質(zhì)開展了大量研究，如紅松林、胡楊林、蒙古櫟林、馬尾松林、杉木林、華北落葉松林、云杉林、柚木人工林、紅錐人工林等[2-10]。研究表明，不同林分類型的土壤理化性質(zhì)差異明顯。本研究分析了興安落葉松林土壤的理化特征，并比較分析了不同林型(草類、杜香、杜鵑)興安落葉松林土壤各理化指標(biāo)的含量差異，旨在探討林型對興安落葉松林土壤的影響，以期為我國興安落葉松林的可持續(xù)經(jīng)營提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古大興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站的原始林試驗(yàn)區(qū)(121°30′-121°31′E，50°49′-50°51′N)，海拔800～1 000 m，屬寒溫帶濕潤氣候區(qū)，年均氣溫-5.4℃，年降水量450～550 mm。該地區(qū)為低山山地，土壤為棕色針葉林土，并分布有大面積沼澤濕地和連續(xù)多年凍土。優(yōu)勢樹種為興安落葉松(Larixgmelinii)，并伴生有白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)等喬木。林下植物種類豐富，如杜鵑(Rhododendronsimsii)、杜香(Ledumpalustre)、柴樺(Betulafruticosa)、越橘(Vacciniumvitis-idaea)、舞鶴草(Maianthemumbifolium)、紅花鹿蹄草(Pyrolaincarnata)等[11]。因立地條件的差異及海拔高度不同，興安落葉松林呈現(xiàn)不同的森林類型，其中分布廣且具代表性的有杜鵑-興安落葉松林、杜香-興安落葉松林、草類-興安落葉松林等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 2017年7月在內(nèi)蒙古大興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站的原始林試驗(yàn)區(qū)(根河林業(yè)局境內(nèi))，按照草類、杜香、杜鵑-興安落葉松不同林型設(shè)置樣地28塊，每塊樣地大小為30 m×30 m。記錄各樣地的經(jīng)緯度、海拔高度、坡度、坡向、坡位等地形信息，并對各樣地進(jìn)行每木調(diào)查和林下植被調(diào)查。樣地基本情況見表1。

表1 不同林型興安落葉松林樣地基本情況

1.2.2 土壤樣品采集與處理 在每個樣地內(nèi)，沿對角線挖取3個土壤剖面，去除表面凋落物，以距地面0～10、10～20、20～40 cm和40～60 cm分層取樣，然后將樣地內(nèi)各點(diǎn)同一土層的土壤混合均勻并取約1 kg待測土樣，裝入標(biāo)有代號的塑封袋內(nèi)；并用環(huán)刀取土進(jìn)行土壤含水量和容重的測定。將采集的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，去除土樣表面的植物殘體及石礫，經(jīng)自然風(fēng)干、過篩后，用于土壤各指標(biāo)的測定。

1.2.3 土壤樣品測定 土壤含水量(SWC)和容重(BD)采用環(huán)刀烘干法測定。土壤pH值采用酸度計(jì)法測定(水土比為5∶1)，總磷(TP)采用酸溶光度法測定[12]，無機(jī)磷(IP)采用SMT法測定[13]，有機(jī)P由總P與無機(jī)P的差值求得。銨態(tài)氮(NH4+-N)、速效K(AK)和有效P(AP)采用聯(lián)合浸提—比色法測定(NY/T 1849-2010)，金屬氧化物含量采用X射線熒光儀(X-Ray Fluorescence，XRF)測定。

1.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析 采用單因素方差分析(One-way ANOVA)對不同林型或土層深度興安落葉松林土壤有機(jī)碳進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，采用Pearson Correlation分析方法分析土壤各理化指標(biāo)間的關(guān)系，所有統(tǒng)計(jì)分析均在IBM SPSS 22.0中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 興安落葉松林土壤理化特征

2.1.1 興安落葉松林土壤理化指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)特征 興安落葉松林各層土壤理化指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值見表2和表3。興安落葉松林土壤含水量為17.93%，容重為1.07 g/cm3，pH值為5.59，銨態(tài)氮含量為17.94 mg/kg，速效K含量為89.05 mg/kg，有效P含量為17.85 mg/kg，有機(jī)P含量為0.43 g/kg。各金屬氧化物的含量大小依次為Al2O3(13.77%)>Fe2O3(5.44%)> K2O(2.33%)>Na2O(1.80%)>MgO(1.30%)>CaO(1.25%)。由圖1可知，不同指標(biāo)間變異系數(shù)存在一定差異。pH的變異系數(shù)最小，僅為0.08，屬于弱變異，說明pH在各樣點(diǎn)間較穩(wěn)定；其次為土壤容重(0.14)；各養(yǎng)分指標(biāo)的變異系數(shù)為0.4～0.71，均為中度變異；各金屬氧化物指標(biāo)間變異系數(shù)差別不大，在0.14～0.42，均屬于中度變異。

圖1 興安落葉松林各土壤理化指標(biāo)變異系數(shù)

2.1.2 興安落葉松林土壤理化指標(biāo)的垂直分布特征 由表2可知，銨態(tài)氮、速效K、有機(jī)P含量整體表現(xiàn)為隨土壤深度增加而降低的變化特征，符合土壤養(yǎng)分變化的一般規(guī)律，表層(0～10 cm)的銨態(tài)氮、速效K和有機(jī)P含量最高，分別為25.15、147.90、0.71 g/kg。隨著土層深度的增加，土壤含水量呈現(xiàn)遞減趨勢，容重和pH呈遞增趨勢。除有效P外，其他各指標(biāo)表層含量均與其他土層間差異顯著。隨著土層深度增加，除CaO外，興安落葉松林土壤各金屬氧化物含量整體呈現(xiàn)增加趨勢(表2)，且表層含量與其他土層間差異顯著。

表2 興安落葉松林不同土層土壤理化指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

2.1.3 興安落葉松林各理化指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系 興安落葉松林各理化指標(biāo)間存在一定的相關(guān)性(表3)。土壤含水量與容重、pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與有機(jī)P呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；容重與銨態(tài)氮呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.519，P<0.01)；pH值與有效P、速效K和有機(jī)P均呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān)關(guān)系；銨態(tài)氮與速效K、有效P和有機(jī)P呈極顯著(P<0.01)或顯著(P<0.05)正相關(guān)關(guān)系；速效K與有機(jī)P呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.380，P<0.01)。

表3 興安落葉松林土壤理化指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)

2.2 不同林型興安落葉松林土壤理化性質(zhì)的比較

不同林型間土壤理化性質(zhì)存在一定差異(圖2)。土壤含水量大小依次為杜香-興安落葉松林(簡稱杜香林)>草類-興安落葉松林(簡稱草類林)>杜鵑-興安落葉松林(簡稱杜鵑林)，容重、速效K和有機(jī)P含量大小依次為杜鵑林>草類林>杜香林，pH和銨態(tài)氮含量大小依次為草類林>杜香林>杜鵑林，有效P含量大小依次為杜鵑林>杜香林>草類林。單因素方差分析顯示，杜香林的土壤含水量與草類林、杜鵑林差異顯著，草類林的pH與杜香林、杜鵑林差異顯著，草類林的銨態(tài)氮含量與杜鵑林差異顯著，草類林、杜香林的有效P含量與杜鵑林差異顯著；容重、速效K和有機(jī)P在各林型間差異均不顯著。在不同林型中，除容重和有效P外，其他指標(biāo)在表層的含量均表現(xiàn)出與其他土層的顯著性差異。在各土層，不同指標(biāo)在各林型間也存在差異，0～10 cm土層，杜香林的土壤含水量與草類林、杜鵑林差異顯著，草類林的pH與杜香林、杜鵑林差異顯著；10～20 cm土層，草類林的pH與杜香林差異顯著，草類林的有效P含量與杜鵑林差異顯著；20～40 cm，杜香林的速效K含量與杜鵑林差異顯著；40～60 cm，草類林的pH、有效P含量與杜鵑林差異顯著，杜香林的有機(jī)P含量與杜鵑林差異顯著；容重和銨態(tài)氮在各林型間差異均不顯著。

圖2 不同林型興安落葉松林土壤理化性質(zhì)

金屬氧化物含量在各林型間存在一定差異(圖3)。Na2O、MgO和Al2O3含量大小依次為草類林>杜香林>杜鵑林，K2O含量大小依次為杜香林>草類林>杜鵑林，CaO和Fe2O3含量大小依次為草類林>杜鵑林>杜香林。單因素方差分析顯示，草類林的MgO、Al2O3含量與杜鵑林差異顯著，草類林的CaO含量與杜香林差異顯著，杜香林的Fe2O3含量與草類、杜鵑林差異顯著；Na2O和K2O在各林型間差異均不顯著。在不同林型中，除Fe2O3含量外，其他金屬氧化物在表層的含量均表現(xiàn)出與其金屬氧化物在各林型間也存在差異，0～10 cm土層，草類林的CaO含量與杜香林差異顯著；10～20 cm土層，草類林的MgO和CaO含量均與杜鵑林差異顯著；20～40 cm土層，草類林的CaO含量與杜鵑林差異顯著，杜香林的Fe2O3含量與草類、杜鵑均差異顯著；40～60 cm土層，草類林、杜香林的Na2O和 MgO含量均與杜鵑林差異顯著，草類林的K2O、CaO含量與杜鵑林差異顯著；CaO在各林型間均存在顯著差異，而Al2O3在各林型間差異均不顯著。

注：小寫字母表示同一林型不同土層間差異顯著性，大寫字母表示同一土層不同林型間差異顯著性。

3 結(jié)論與討論

3.1 興安落葉松林土壤理化性質(zhì)特征

本研究顯示，興安落葉松林土壤銨態(tài)氮、速效K、有機(jī)P含量整體隨土壤深度增加而降低，符合土壤養(yǎng)分剖面變化的一般規(guī)律[14]。森林土壤表層覆蓋有大量的枯枝落葉，土壤疏松，通氣性較好，生物活動強(qiáng)烈，枯落物通過微生物的分解形成大量腐殖質(zhì)，導(dǎo)致表層土壤養(yǎng)分較高[15]。隨著土層深度增加，枯枝落葉等動植物殘體逐漸減少，養(yǎng)分含量隨之減少。pH值是限制植被類型的土壤重要化學(xué)性質(zhì)之一，隨著土層深度增加，興安落葉松林土壤pH逐漸增加，表層土壤與枯落物直接接觸，枯枝落葉分解產(chǎn)生的腐殖酸經(jīng)淋溶作用進(jìn)入土壤，導(dǎo)致表層pH值較低[16]。另外，土壤中存在的鈉、鎂等金屬氧化物多為堿性氧化物，在一定程度上也會提高土壤的pH值。土壤含水量和土壤容重是表征土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)[17]，興安落葉松林土壤含水量隨土層加深而減少，容重隨土層加深而增大。土壤容重表示土壤的孔隙度和緊實(shí)度，其大小可以反映土壤透水性、通氣性以及根系伸展時阻力的大小[18]。一般而言，容重小，土壤疏松，有利于攔滲蓄水，減緩徑流沖刷，容重大則相反[16]。森林土壤表層覆蓋有大量枯枝落葉，腐爛后進(jìn)入土壤使土壤表層變得疏松，所以容重較小，隨著土層加深，土體變得堅(jiān)實(shí)，容重逐漸增大[7]。土壤中金屬氧化物含量隨土層深度增加而增加，體現(xiàn)了酸性土壤中的灰化作用，保留著營養(yǎng)成分的粘土顆粒在上層土層中破碎，導(dǎo)致可溶性鐵、鋁等向下運(yùn)輸，沉積在更低土層中。

土壤作為一個形態(tài)和演化過程都十分復(fù)雜的自然綜合體[19]，其理化性質(zhì)相互影響、相互作用，共同影響植物的生長。土壤物理性質(zhì)直接決定土壤的透水通氣能力，而土壤養(yǎng)分要以水分為介質(zhì)被植物體吸收利用[20]。土壤理化指標(biāo)間相關(guān)關(guān)系，可作為土壤肥力的評價指標(biāo)，同時對于指導(dǎo)林木的合理經(jīng)營具有重要意義[3]。本研究中，興安落葉松林土壤理化性質(zhì)間關(guān)系密切，其中，土壤含水量與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)，與王飛等[3]的研究結(jié)果一致；土壤含水量與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與劉欣等[2]對華北落葉松土壤的研究結(jié)果一致。土壤養(yǎng)分間的相關(guān)性更為密切，在興安落葉松天然林中，土壤養(yǎng)分主要受表層凋落物及動物殘體的分解影響[20]，因此，銨態(tài)氮、速效K、有效P、有機(jī)P間存在顯著正相關(guān)性。

3.2 林型對興安落葉松林土壤理化性質(zhì)的影響

森林類型不同，其地表凋落物量及組成、根系生長發(fā)育和凋落物分解速率等均不同，造成不同林分土壤物理性質(zhì)的差異[6,10]。本研究中，林下植被的差異使得3種不同林型的興安落葉松林土壤理化性質(zhì)間存在一定差異。其中草類林的土壤理化性質(zhì)與杜鵑、杜香林間差異明顯，而杜香與杜鵑同屬杜鵑科灌木，兩者間差異顯著性不強(qiáng)。土壤水分參與土壤中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和代謝過程，并在母巖風(fēng)化和土壤形成過程中起著重要作用[6]。本研究中，草類林的含水量顯著小于杜香林，在一定程度上反映了其土壤持水能力的差異。土壤pH 值可控制和影響土壤中微生物區(qū)系的改變，影響營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化方向和過程、形態(tài)及其有效性[21]。pH值過低，土壤易酸化、板結(jié)，不利于土壤養(yǎng)分的積累。本研究中，3種林型的pH值均在5.0～6.0，其中草類林的pH值顯著大于杜香林和杜鵑林，表明草類林凋落物養(yǎng)分的分解與轉(zhuǎn)化速率較高，養(yǎng)分的快速歸還降低了其土壤的酸性。不同的林下植被特性使得各林型間土壤養(yǎng)分存在差異，其中，草類林的銨態(tài)氮含量顯著大于杜鵑林，有效P含量顯著小于杜鵑林。

綜上所述，興安落葉松林土壤理化指標(biāo)呈現(xiàn)一定的剖面特征，隨土壤深度增加，銨態(tài)氮、速效K、有機(jī)P等養(yǎng)分指標(biāo)含量和土壤含水量呈下降趨勢，pH和容重呈遞增趨勢；除CaO外，土壤各金屬氧化物含量整體呈增加趨勢，且表層含量與其他土層間差異顯著。林型對土壤含水量、pH、銨態(tài)氮、有效P、MgO、Al2O3、CaO、Fe2O3的影響顯著，而對容重、速效K、有機(jī)P、Na2O和K2O的影響不明顯。草類林的土壤理化特征顯著區(qū)別于杜香林和杜鵑林。今后可考慮對不同林型興安落葉松林土壤微環(huán)境進(jìn)行深入探討。