不同經(jīng)營模式日本落葉松人工林土壤理化性質(zhì)及綜合評價(jià)1)

孫擁康 湯景明 王怡

(湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，武漢，430075)

森林土壤和森林植被互為環(huán)境因子[1-2]，森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要樞紐，為森林植被生長發(fā)育提供所需物質(zhì)基礎(chǔ)；森林植被群落的結(jié)構(gòu)和組成又反作用于土壤的形成和發(fā)育[3]。深入研究森林植被與森林土壤的相關(guān)關(guān)系，對于科學(xué)利用林地資源、保護(hù)提高土壤肥力以及合理健康經(jīng)營森林具有重要意義[4]。近年來，有關(guān)不同林型人工林土壤理化性質(zhì)特征的研究已有很多[5-9]。雖然這些研究整體得到了較為相似的結(jié)論，即混交林可有效改善土壤結(jié)構(gòu)，土壤理化性質(zhì)明顯好于純林；但在采用何種混交方式、混交樹種、混交比例乃至何種混交樹齡才能發(fā)揮混交林培肥地力最優(yōu)，尚未取得共識(shí)，相關(guān)研究結(jié)果也不盡相同。另外，各種混交模式，其生態(tài)效應(yīng)各項(xiàng)指標(biāo)對改土培肥的各種作用，也互有優(yōu)劣，較難進(jìn)行橫向綜合比較[10]。因此，不同植被類型土壤理化性質(zhì)差異及綜合評價(jià)，作為混交模式優(yōu)選的關(guān)鍵問題一直受到國內(nèi)外學(xué)者的持續(xù)關(guān)注。

日本落葉松(Larixkaempferi)因其生長迅速、材質(zhì)優(yōu)良、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，迅速發(fā)展成為湖北省西部中高山區(qū)重要的用材和防護(hù)造林樹種，為保障區(qū)域木材供給、維護(hù)地區(qū)生態(tài)安全發(fā)揮了重要作用[11]。查閱現(xiàn)有文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，雖然該區(qū)對日本落葉松人工林開展了大量研究，也取得了很多優(yōu)秀成果，如，日本落葉松引種與優(yōu)良家系選擇[12-13]、林分立地質(zhì)量評價(jià)[14]、林分生長和結(jié)構(gòu)特征[15-16]、撫育間伐技術(shù)[17]、災(zāi)害調(diào)查與病蟲害防治[18-19]等。但這些研究較少涉及林分土壤層面，特別是對不同經(jīng)營模式下日本落葉松人工林土壤特性、土壤質(zhì)量狀態(tài)等的研究較少。

為此，本研究以湖北省恩施州建始縣國有長嶺崗林場32年生5種經(jīng)營模式日本落葉松人工林——5落∶5鵝的日本落葉松-鵝掌楸(Liriodendronchinense)混交林、7落∶3鵝的日本落葉松-鵝掌楸混交林、5落∶5檫的日本落葉松-檫木(Sassafrastzumu)混交林、7落∶3檫的日本落葉松-檫木混交林、日本落葉松純林為研究對象，每種模式林分設(shè)置3個(gè)20 m×20 m樣方，在各樣方中沿對角線分上、中、下部選擇3個(gè)樣點(diǎn)，應(yīng)用環(huán)刀取樣法采集0～20 cm深土層原狀土樣品，測定土壤理化性質(zhì)；以15個(gè)土壤理化性質(zhì)(7個(gè)物理性質(zhì)、8個(gè)化學(xué)性質(zhì))為平價(jià)指標(biāo)，應(yīng)用主成分分析法、多維空間坐標(biāo)綜合評定值累加法、模糊隸屬函數(shù)法，對各經(jīng)營模式的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行了綜合評價(jià)，探討不同經(jīng)營模式土壤理化性質(zhì)變化規(guī)律和生態(tài)差異。旨在為揭示不同森林植被與土壤性質(zhì)之間的關(guān)系、為研究區(qū)乃至全省其他區(qū)域人工林土壤養(yǎng)分管理及可持續(xù)經(jīng)營提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省恩施州建始縣國有長嶺崗林場，林場中心位置地理坐標(biāo)為30°48′N、110°3′E，海拔1 600～1 900 m，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候濕潤，雨量充沛。林場年均氣溫11.7 ℃，無霜期203 d；年降水量1 884.3 mm，年蒸發(fā)量933.3 mm，相對濕度85%；年日照時(shí)間1 533 h；土壤主要為山地黃壤、黃棕壤，成土母質(zhì)主要為石灰?guī)r、硅質(zhì)頁巖等。林場植被資源豐富，除日本落葉松(Larixkaempferi)外，主要植物資源還有榿木(AlnuscremastogyneBurk.)、漆樹(Toxicodendronvernicifluum(Stokes) F. A. Barkl.)、光皮樺(BetulaluminiferaH. Winkl)、箬竹(Indocalamustessellatus(Munro) Keng f.)、莢蒾(ViburnumdilatatumThunb.)、山胡椒(Linderaglauca(Sieb. et Zucc.) Bl)、懸鉤子(RubuscorchorifoliusL. f.)等[17]。林場從上世紀(jì)80年代逐步開始營造日本落葉松混交林，目前看，與檫木(Sassafrastzumu)和鵝掌楸(Liriodendronchinense)混交效果相對較好。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與土樣采集

在對研究區(qū)建始縣國有長嶺崗林場實(shí)地踏查和勘測基礎(chǔ)上，選取立地條件相似、經(jīng)營措施基本一致、長勢良好的32年生5種經(jīng)營模式日本落葉松人工林——模式A(5落∶5鵝的日本落葉松-鵝掌楸混交林)、模式B(7落∶3鵝的日本落葉松-鵝掌楸混交林)、模式C(5落∶5檫的日本落葉松-檫木混交林)、模式D(7落∶3檫的日本落葉松-檫木混交林)、模式E(日本落葉松純林)，采用樣方調(diào)查法，每種模式林分設(shè)置3個(gè)20 m×20 m樣方，進(jìn)行每木檢尺(見表1)。各樣地的土壤均為山地黃棕壤，成土母質(zhì)為碳酸鹽巖類，其理化性質(zhì)的差異可認(rèn)為受林型影響較大。在各經(jīng)營模式林分樣方中，沿對角線分上、中、下部選擇3個(gè)樣點(diǎn)，采集0～20 cm深土層樣品，采取環(huán)刀取樣法，采集各層原狀土用于測定土壤物理性質(zhì)；另用鏟子均勻采集各土層剖面混合土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室，用于測定土壤化學(xué)性質(zhì)。

表1 不同混交模式日本落葉松人工林林分概況

2.2 土壤理化性質(zhì)測定

本研究共測定了15個(gè)土壤理化性質(zhì)指標(biāo)。土壤密度、最大持水量、毛管持水量、最小持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、孔隙度7個(gè)物理性質(zhì)指標(biāo)，采用環(huán)刀法連續(xù)測定。土壤化學(xué)性質(zhì)8個(gè)指標(biāo)，采用室內(nèi)分析法測定——采用電位法，測定pH；采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，測定有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；采用濃硫酸-高氯酸消煮-凱氏定氮法，測定全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)；采用濃硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法，測定全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)；采用氫氧化鈉熔融-火焰光度計(jì)法，測定全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)；采用濃度為1.2 mol/L的氫氧化鈉熔融-擴(kuò)散法，測定水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)；采用濃度為0.05 mol/L的鹽酸、濃度為0.025 mol/L的硫酸溶液浸提-鉬銻抗比色法，測定有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)；采用濃度為1.0 mol/L的乙酸銨浸提-火焰光度法，測定速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)[20]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析在SPSS 20.0軟件中進(jìn)行，采用方差分析法、最小顯著性差異法(LSD法)比較不同經(jīng)營模式林分土壤理化性質(zhì)的差異性；采用皮爾遜(Pearson)相關(guān)性分析法分析土壤物理與化學(xué)性質(zhì)之間的相關(guān)性；采用主成分分析法[21]、多維空間坐標(biāo)綜合評定值累加法[22]、模糊隸屬函數(shù)法[23]對不同經(jīng)營模式土壤理化性質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)并排序。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同經(jīng)營模式日本落葉松人工林土壤物理性質(zhì)特征

由表2可見：不同經(jīng)營模式，土壤物理性質(zhì)隨混交樹種和混交比例的不同而不同，差異性隨混交樹種的不同和混交比例的增大呈逐漸增大趨勢?；旖唤?jīng)營模式與純林經(jīng)營模式相比，土壤密度以模式E為最高；除非毛管孔隙度略有不同外，其余指標(biāo)均以模式E為最低。從各經(jīng)營模式樹種組成和混交比例看，混交比例達(dá)30%時(shí)，土壤密度由大到小依次為模式E、模式B、模式D，但三者差異性不顯著；除非毛管孔隙度外，其余指標(biāo)均為模式E的最低；模式B與模式D各指標(biāo)略有起伏，但整體差異性不顯著?；旖槐壤_(dá)50%時(shí)，土壤密度由大到小依次為模式E、模式A、模式C，其余各指標(biāo)由大到小則均依次為模式C、模式A、模式E，模式A和模式C與模式E各指標(biāo)均呈顯著性差異，模式A與模式C部分指標(biāo)表現(xiàn)出一定的顯著性差異；混交比例50%的模式A和模式C，與混交比例30%的模式B和模式D相比，各指標(biāo)整體呈顯著性差異。

表2 不同經(jīng)營模式日本落葉松人工林土壤物理性質(zhì)

3.2 不同經(jīng)營模式日本落葉松人工林土壤化學(xué)性質(zhì)特征

由表3可見：不同經(jīng)營模式日本落葉松人工林，土壤化學(xué)性質(zhì)隨混交樹種和混交比例的不同而不同，差異性隨混交樹種的不同和混交比例的增大呈顯著增大趨勢，但部分指標(biāo)呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性?；旖唤?jīng)營模式與純林經(jīng)營模式相比，土壤化學(xué)性質(zhì)各指標(biāo)均以模式E為最低。從各經(jīng)營模式樹種組成和混交比例看，混交比例達(dá)30%時(shí)，pH、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由大到小依次為模式D、模式B、模式E，模式B和模式D整體差異性不顯著；除pH外，模式B和模式D與模式E則整體差異性顯著。全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由大到小則依次為模式B、模式D、模式E，三者整體差異性不顯著。混交比例達(dá)50%時(shí)，有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由大到小依次為模式A、模式C、模式E；其余指標(biāo)由大到小均依次為模式C、模式A、模式E；模式A和模式C與模式E各指標(biāo)整體呈顯著性差異，模式A與模式C部分指標(biāo)表現(xiàn)出一定的顯著性差異；混交比50%的模式A和模式C，與混交比30%的模式B和模式D相比，各指標(biāo)呈現(xiàn)一定波動(dòng)性，部分指標(biāo)呈顯著性差異。

表3 不同經(jīng)營模式日本落葉松人工林土壤化學(xué)性質(zhì)

3.3 不同經(jīng)營模式日本落葉松人工林土壤理化性質(zhì)相關(guān)性

不同經(jīng)營模式日本落葉松人工林土壤理化性質(zhì)存在不同程度的相關(guān)性。土壤物理性質(zhì)自相關(guān)性(見表4)：土壤密度，與土壤持水量、土壤孔隙度各指標(biāo)均呈負(fù)相關(guān)，與最大持水量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與毛管孔隙度、總孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)；除土壤密度外，其余土壤物理性質(zhì)間均呈正相關(guān)，部分指標(biāo)之間達(dá)顯著或極顯著正相關(guān)。土壤化學(xué)性質(zhì)自相關(guān)性(見表5)：各指標(biāo)均呈正相關(guān)，除有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)外，pH與其他指標(biāo)均呈顯著或極顯著正相關(guān)；土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤養(yǎng)分相關(guān)性密切。土壤物理與化學(xué)性質(zhì)相關(guān)性(見表6)：土壤密度，與各土壤化學(xué)性質(zhì)均呈負(fù)相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與pH、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)；除土壤密度外，其余土壤物理性質(zhì)均與土壤化學(xué)性質(zhì)呈正相關(guān)，部分指標(biāo)之間達(dá)顯著或極顯著正相關(guān)。土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性，不僅反映了土壤本身物質(zhì)組成之間的強(qiáng)烈相關(guān)關(guān)系，也反映了不同經(jīng)營模式森林植被對土壤性質(zhì)的影響。

表4 不同經(jīng)營模式日本落葉松人工林土壤物理性質(zhì)自相關(guān)系數(shù)

表5 不同經(jīng)營模式日本落葉松人工林土壤化學(xué)性質(zhì)自相關(guān)系數(shù)

表6 不同經(jīng)營模式日本落葉松人工林土壤物理與化學(xué)性質(zhì)相關(guān)系數(shù)

3.4 不同經(jīng)營模式日本落葉松人工林土壤理化性質(zhì)綜合評價(jià)

目前，國內(nèi)關(guān)于土壤質(zhì)量評價(jià)的方法、指標(biāo)及其標(biāo)準(zhǔn)尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[24]。由于森林土壤與森林植被生長和功能關(guān)系的復(fù)雜性，加之人們對森林土壤功能認(rèn)識(shí)的不同，單一的綜合評價(jià)方法往往受主客觀因素影響而與實(shí)際情況產(chǎn)生一定偏差[25]。因此，本研究分別采用主成分分析法、多維空間坐標(biāo)綜合評定值累加法、模糊隸屬函數(shù)法3種方法，對研究區(qū)5種經(jīng)營模式日本落葉松人工林土壤理化性質(zhì)進(jìn)行了綜合評價(jià)與排序(見表7)。由表7可見：3種方法評價(jià)結(jié)果的排序趨勢較一致，說明數(shù)據(jù)本身對3種方法體現(xiàn)出一致性，但3種數(shù)學(xué)方法對數(shù)據(jù)信息的分析處理不盡相同，因此在綜合評價(jià)分值上表現(xiàn)出一定的差異性。5種經(jīng)營模式日本落葉松人工林土壤理化性質(zhì)綜合評價(jià)結(jié)果，由高到低依次為模式C、模式A、模式D、模式B、模式E，表明日本落葉松-檫木、日本落葉松-鵝掌楸混交經(jīng)營模式，比純林經(jīng)營模式土壤理化性質(zhì)具有顯著的優(yōu)異性，土壤理化性質(zhì)整體質(zhì)量更高，可作為優(yōu)良混交經(jīng)營模式在研究區(qū)乃至相似立地條件的中高山區(qū)混交林營造中加以推廣應(yīng)用。

表7 不同經(jīng)營模式日本落葉松人工林土壤理化性質(zhì)綜合評價(jià)

4 討論

4.1 不同經(jīng)營模式日本落葉松人工林對土壤理化性質(zhì)的影響

本研究結(jié)果表明，不同經(jīng)營模式日本落葉松人工林土壤理化性質(zhì)具有一定的差異性，與日本落葉松純林相比，日本落葉松-檫木、日本落葉松-鵝掌楸混交經(jīng)營模式均在一定程度上降低了土壤密度和土壤pH，而反映土壤物理結(jié)構(gòu)和土壤肥力狀況的土壤持水量、孔隙度、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤養(yǎng)分等指標(biāo)得到明顯提高。不同經(jīng)營模式與土壤理化性質(zhì)也存在一定的相關(guān)性，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，與土壤孔隙度、土壤養(yǎng)分關(guān)系密切，且隨混交樹種的不同和混交比例的增大呈顯著增大趨勢；相同混交比例時(shí)，日本落葉松-檫木混交經(jīng)營模式土壤理化性質(zhì)，優(yōu)于日本落葉松-鵝掌楸、日本落葉松純林經(jīng)營模式。不同樹種混交實(shí)際是改變了植被的類型，不同植被類型在凋落物數(shù)量和質(zhì)量、林下植被豐富度和多樣性、根際環(huán)境效應(yīng)等方面有較大差異，進(jìn)而在影響土壤理化性質(zhì)方面發(fā)揮不同的作用，將混交比例控制在主導(dǎo)樹種:引入樹種為7∶3至5∶5時(shí)，最有利于林下植被的豐富度和多樣性，也更有利于土壤結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性[26-28]。本研究使用3種數(shù)學(xué)方法對不同經(jīng)營模式土壤理化性質(zhì)綜合評價(jià)的結(jié)論一致，也進(jìn)一步驗(yàn)證了合理的混交樹種和混交比例，特別是闊葉樹種的引入和比例的增加，對促進(jìn)土壤生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定發(fā)展具有重要的積極意義[29-30]。鑒于不同的混交樹種及混交比例還存在著種間競爭，這種競爭關(guān)系，不僅直接影響種間關(guān)系的發(fā)展和混交效果，也對林地土壤理化性質(zhì)存在著一定的影響[31-32]。這種競爭和影響是一個(gè)長期的過程，未來還需加強(qiáng)對混交樹種性狀指標(biāo)變化和土壤理化性質(zhì)動(dòng)態(tài)的長期監(jiān)測，只有這樣，才能更好地闡明不同經(jīng)營模式日本落葉松人工林與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系，從而為優(yōu)化日本落葉松人工林經(jīng)營提供支撐。

4.2 研究區(qū)日本落葉松人工林可持續(xù)經(jīng)營的思考與建議

研究區(qū)恩施州建始縣國有長嶺崗林場，是我國南方最大的日本落葉松人工林基地，創(chuàng)造了“北樹南移”的奇跡，也取得了一批優(yōu)秀的林業(yè)科學(xué)成果。但近年來，受氣候異常、經(jīng)營理念滯后以及經(jīng)營管理措施粗放等因素影響，研究區(qū)大面積的日本落葉松純林正在遭受冰雪自然災(zāi)害、葉峰蟲害等的威脅，林分質(zhì)量和林地生產(chǎn)力也面臨著極大的衰退風(fēng)險(xiǎn)[33-34]。盡管受高海拔山地地貌影響，研究區(qū)成熟的日本落葉松混交經(jīng)營模式仍較缺乏；但本研究結(jié)果表明，引入適宜的闊葉樹種，加強(qiáng)對針闊混交林的營造和保育，是解決現(xiàn)有純林系列生態(tài)問題的有效途徑之一。因此，在日本落葉松人工林營造和管理過程中，除要充分借鑒吸收近自然森林經(jīng)營等先進(jìn)理念和技術(shù)方法，對生態(tài)問題突出的林分實(shí)施帶狀或塊狀改造外，還應(yīng)根據(jù)不同立地條件、不同樹種的生物學(xué)特性，選擇不同的配置方式和混交比例，營造異齡復(fù)層混交林，以有效提升森林土壤質(zhì)量和土壤肥力，提高森林抗干擾和生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)森林的可持續(xù)經(jīng)營和綜合效益的最大化[35-36]。

5 結(jié)論

不同經(jīng)營模式日本落葉人工林土壤理化性質(zhì)和綜合評價(jià)結(jié)果表明，不同經(jīng)營模式日本落葉松人工林對土壤理化性質(zhì)影響不同；混交經(jīng)營模式與純林經(jīng)營模式相比，整體在一定程度上降低了土壤密度和土壤酸度，提高了土壤持水量、孔隙度等土壤物理結(jié)構(gòu)指標(biāo)和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤養(yǎng)分、速效養(yǎng)分等土壤肥力指標(biāo)；土壤理化性質(zhì)隨混交樹種的不同和混交比例的增加，呈差異性顯著增大趨勢；土壤物理與化學(xué)性質(zhì)之間存在一定的相關(guān)性；混交經(jīng)營模式土壤理化性質(zhì)優(yōu)于純林經(jīng)營模式，且以5落∶5檫混交比例的日本落葉松-檫木混交經(jīng)營模式為最優(yōu)。建議在以后的混交林經(jīng)營中，除考慮立地條件外，還要綜合考慮樹種特性、地位和作用，采用適宜的混交比例，建立共存、共優(yōu)混交群落。鑒于植被對土壤理化性質(zhì)的影響是一個(gè)長期的過程，未來還需加強(qiáng)樹種功能性狀與土壤性質(zhì)的多因素耦合機(jī)理研究，以期探索更多樣、契合實(shí)際和可操作性強(qiáng)的經(jīng)營模式。