張廣才嶺典型森林土壤養(yǎng)分特征與綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)

劉玉龍,陳 瑤,劉延坤,李云紅*

(1.黑龍江省生態(tài)研究所 森林生態(tài)與林業(yè)生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150081;2.黑龍江牡丹江森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站,黑龍江 牡丹江 157500)

0 引言

【研究意義】土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供必備的營(yíng)養(yǎng)元素,同時(shí)也提供植物生長(zhǎng)所需的水分,是森林生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)、生物等生態(tài)過(guò)程等重要載體[1]。張廣才嶺林區(qū)是我國(guó)重要的林區(qū)之一,是我國(guó)北方東部地區(qū)重要的生態(tài)屏障,對(duì)其不同森林類型土壤養(yǎng)分特征進(jìn)行研究,有助于揭示該區(qū)森林植被與土壤的關(guān)系以及土壤肥力的維持機(jī)制?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】在林分尺度上,植物是影響土壤養(yǎng)分資源異質(zhì)性的重要生物組分[2-3]。植物通過(guò)其凋落物的數(shù)量和質(zhì)量在影響土壤養(yǎng)分空間分布的同時(shí)也對(duì)土壤養(yǎng)分異質(zhì)性做出反應(yīng),土壤養(yǎng)分的變化則直接影響植物的更新生長(zhǎng)[4]。有研究發(fā)現(xiàn),天然林土壤養(yǎng)分含量高于人工林[5],混交林土壤養(yǎng)分含量?jī)?yōu)于純林[6],而同一人工林林分隨林齡增大土壤養(yǎng)分含量降低后,林下植被生物量也隨之降低[7-8],表明土壤養(yǎng)分與地上植被呈相互依存的關(guān)系。【研究切入點(diǎn)】張廣才嶺林區(qū)經(jīng)過(guò)采伐干擾,原生地帶性頂級(jí)植被群落闊葉紅松林大面積減少,根據(jù)干擾程度、人工更新不同,形成次生闊葉林和針葉純林,但此區(qū)域各林分類型的土壤養(yǎng)分特征與頂級(jí)群落的差異鮮有報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】依據(jù)張廣才嶺區(qū)域地帶性植被分布及演替特征,選取闊葉紅松林、楊樺林、蒙古櫟林、落葉松林、云冷杉林5種典型林分為研究對(duì)象,對(duì)比分析各林分土壤養(yǎng)分含量特征,綜合評(píng)估各林分土壤養(yǎng)分狀況,為該區(qū)域森林可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于黑龍江牡丹江森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站(130°03′36"～130°12′15"E,43°56′50"～44°12′38"N),站區(qū)位于烏蘇里江主要支流穆棱河的源頭即黑龍江省東南部的牡丹江市穆陵林業(yè)局有限公司雙寧林場(chǎng)內(nèi),該區(qū)域位于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),屬于長(zhǎng)白山-小興安嶺過(guò)渡帶區(qū)域的張廣才嶺,區(qū)內(nèi)森林類型典型多樣,對(duì)全球氣候變化具有很強(qiáng)的敏感性和鮮明的代表性。

1.2 樣地設(shè)置

根據(jù)所選研究區(qū)域地帶性植被分布及演替特征,選取在闊葉紅松林、闊葉混交林、落葉松林、蒙古櫟林、云冷杉林5種不同森林覆被類型設(shè)置樣地。每種森林類型隨機(jī)設(shè)置3塊樣地,樣地面積為20 m×20 m,樣地詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)樣地的基本信息Table 1 Basic information of tested plots

1.3 土壤樣品采集與分析

1.3.1 樣品采集 在樣地內(nèi)按對(duì)角線蛇形取樣,每個(gè)樣地內(nèi)采集12個(gè)樣點(diǎn)。每個(gè)樣點(diǎn)用土鉆分0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm3層采集土樣。將采集的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室,4個(gè)樣點(diǎn)做1個(gè)混合樣,風(fēng)干后過(guò)100目篩,用于土壤養(yǎng)分測(cè)定。

1.3.2 指標(biāo)測(cè)定 土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)采用Multi N/C2100分析儀(Analytik Jena AG,Germany)測(cè)定,土壤全氮(TN)含量采用半微量凱氏法利用全自動(dòng)凱氏定氮儀,土壤全磷(TP)含量采用鉬銻抗比色法利用紫外分光度計(jì)測(cè)定,土壤速效氮(AN)采用堿解蒸餾法測(cè)定,土壤有效磷(AP)采用鹽酸-氟化銨法測(cè)定。

1.3.3 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法 土壤養(yǎng)分可以反應(yīng)土壤質(zhì)量,選取SOM、TN、TP、AN、AP 5個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)不同林分土壤質(zhì)量。評(píng)價(jià)方法采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法[9],土壤綜合質(zhì)量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2。

表2 土壤綜合質(zhì)量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Grade standard of soil comprehensive quality

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Excel 2007和SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。采用方差分析(ANOVA)判斷各林型間土壤養(yǎng)分的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林型土壤養(yǎng)分的分布特征

由圖1可見(jiàn),不同林型土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效氮和速效磷的分布特征。

2.1.1 有機(jī)質(zhì) 張廣才嶺5種森林類型土壤表層(0～10 cm)有機(jī)質(zhì)含量(SOM)為86.83～215.67 g/kg,其中,闊葉混交林顯著高于其他林分(P<0.05),比云冷杉林、闊葉紅松林、落葉松林和蒙古櫟林分別高68.30%、82.28%、118.83%和148.38%。亞表層(10～20 cm),各林型SOM含量為42.76～82.24 g/kg,但差異不顯著(P>0.05)。底層(20～30 cm)闊葉混交林(141.02 g/kg)與蒙古櫟林(70.63 g/kg)差異不顯著(P>0.05),但顯著高于其他3個(gè)林型(P<0.05)。5種林型的不同土層間均表現(xiàn)出隨土層加深而降低的趨勢(shì),其中闊葉紅松林和闊葉混交林土壤表層(0～10 cm)顯著高于亞表層和底層(P<0.05)。

2.1.2 全氮 5種森林類型土壤表層(0～10 cm)全氮(TN)含量為1.21～5.51 g/kg,其中,闊葉混交林顯著高于其他林分(P<0.05),比云冷杉林、闊葉紅松林、蒙古櫟林和落葉松林分別高94.79%、113.24%、158.03%和358.58%。亞表層(10～20 cm)和底層(20～30 cm)各林型土壤TN含量范圍分別為0.87～2.06 g/kg和0.74～2.62 g/kg,但差異不顯著(P>0.05)。5種林型的不同土層間均表現(xiàn)隨土層加深而降低的趨勢(shì),其中,闊葉混交林土壤表層(0～10 cm)顯著高于亞表層和底層(P<0.05)。

注:不同柱子上大小寫(xiě)字母分別表示不同林型間差異顯著(P<0.05)和同一林型不同土層差異顯著(P<0.05)。Note:Different capital and lowercase letters indicate significance of difference between different forest types and between different soil layers under the same forest type at P<0.05 level,respectively.圖1 不同林型的土壤養(yǎng)分含量Fig.1 Nutrient content of soil in different types of forest

2.1.3 全磷 5種森林類型土壤表層(0～10 cm)全磷(TP)含量范圍為0.93～1.83 g/kg,其中,云冷杉林顯著高于其他林分(P<0.05),比闊葉混交林、闊葉紅松林、落葉松林和蒙古櫟林分別高73.96%、84.51%、88.01%和95.84%,其他4種林型差異不顯著(P>0.05)。亞表層(10～20 cm)各林型土壤TP含量為0.69～1.29 g/kg,但差異不顯著(P>0.05)。底層(20～30 cm)各林型土壤TP含量范圍為0.57～1.51 g/kg,闊葉紅松林與云冷杉紅松林土壤TP含量最高,且差異不顯著(P>0.05),二者顯著高于落葉松林(P<0.05)。云冷杉林土壤TP含量表現(xiàn)出隨土層加深而降低的趨勢(shì),其中土壤表層(0～10 cm)顯著高于底層(P<0.05),其他4個(gè)林型TP含量在土壤剖面上未表現(xiàn)出明顯規(guī)律性。

2.1.4 速效氮 5種森林類型土壤表層(0～10 cm)、亞表層(10～20 cm)和底層(20～30 cm)速效氮(AN)含量分別為314.53～436.30 mg/kg、135.80～237.83 mg/kg和109.77～160.27 mg/kg,3個(gè)土層各林型AN含量差異均不顯著(P>0.05)。5種林型的不同土層之間均表現(xiàn)出隨土層加深而降低的趨勢(shì),其中,闊葉紅松林、闊葉混交林、落葉松和云冷杉林土壤表層(0～10 cm)AN含量顯著高于亞表層和底層(P<0.05),蒙古櫟林土壤表層AN含量顯著高于底層,二者均與亞表層差異不顯著(P>0.05)。

2.1.5 速效磷 5種森林類型土壤表層(0～10 cm)、亞表層(10～20 cm)和底層(20～30 cm)速效磷(AP)含量分別為12.29～82.83 mg/kg、19.82～78.19 mg/kg和19.19～86.02 mg/kg。云冷杉林和蒙古櫟林土壤表層(0～10 cm)AP含量差異不顯著(P>0.05),但二者顯著高于其他3種林型(P<0.05);云冷杉林與蒙古櫟林土壤亞表層(10～20 cm)AP含量差異不顯著(P>0.05),但比闊葉紅松林、闊葉混交林和落葉松林分別顯著高112.46%、219.64%和294.57%(P<0.05);云冷杉林土壤底層(20～30 cm)AP含量顯著高于其他4種林型(P<0.05),落葉松林土壤AP含量顯著低于其他4種林型(P<0.05)。5種林型的不同土層間未表現(xiàn)明顯規(guī)律性,但各土層之間差異均不顯著(P>0.05)。

2.2 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

由表3可見(jiàn),5種林型土壤綜合質(zhì)量指數(shù)為1.399～2.390,介于優(yōu)和中之間,其中,云冷杉林(2.390)、闊葉混交林(2.122)和蒙古櫟林(2.092)土壤綜合質(zhì)量屬于優(yōu)級(jí),闊葉紅松林(1.874)土壤綜合質(zhì)量屬于良級(jí),落葉松林土壤綜合質(zhì)量指數(shù)最低(1.399),處于中級(jí),受TN、TP和AP的限制。處于優(yōu)級(jí)的云冷杉林主要受TN的限制,闊葉混交林主要受TP和AP的限制,蒙古櫟林主要受TN和TP的限制,處于中級(jí)的闊葉紅松主要受TN的限制。

表3 不同林型土壤的質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù) Table 3 Quality assessment index of soils in different types of forest

3 討論

SOM是土壤固相部分的重要組分,其含量是表征和衡量土壤肥力的重要指標(biāo),在森林土壤中,小尺度范圍內(nèi)土壤養(yǎng)分狀況主要受森林類型影響。不同林型的枯落物數(shù)量、物質(zhì)組成、水分含量和分解程度受立地條件和林分優(yōu)勢(shì)樹(shù)種組成的影響而產(chǎn)生差異,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生物地球化學(xué)循環(huán),形成特定的土壤養(yǎng)分環(huán)境特征,繼而導(dǎo)致不同森林類型的SOM含量差異[10-11]。研究結(jié)果表明,不同林型間SOM含量總體表現(xiàn)為闊葉混交林>云冷杉林>蒙古櫟林>闊葉紅松林>落葉松林。森林SOM主要來(lái)源于喬木、灌木、草本的凋落物的分解和淋溶,由于闊葉混交林植被凋落物豐富且含水量高、油脂類含量較低,因此其凋落物分解速率高,養(yǎng)分釋放快[12],使得闊葉混交林SOM含量高于針葉林和針闊混交林。蒙古櫟林雖為闊葉林,但其葉片表面為革質(zhì),不易分解,此外,凋落物的分解與地形和土壤pH有關(guān),蒙古櫟林坡度大使得凋落物不易蓄積,加之土壤pH高于其他林分,使得凋落物很難分解而不利于SOM的形成[13],最終導(dǎo)致蒙古櫟林分SOM含量偏低。由于表層土壤受凋落物分解的影響更大,因此,不同林型間SOM含量差異在表層土壤中更明顯。同一林型SOM含量在不同土層間表現(xiàn)不同,表層含量最高而底層含量最低,這主要是因?yàn)楸韺油寥懒己玫耐馔杆?有利于土壤微生物的活動(dòng),加之豐富的凋落物為土壤微生物提供了源源不斷的分解底物所致,隨土層加深,土壤透氣性下降,微生物分解底物減少,使得養(yǎng)分循環(huán)變慢而導(dǎo)致SOM含量降低。

5種林型土壤TN含量變化與SOM變化趨勢(shì)基本一致,這與王芳等[9,14]的研究結(jié)果基本一致。TN的來(lái)源主要是SOM[15],因此土壤結(jié)構(gòu)性好、SOM含量高的闊葉混交林更有利于氮素循環(huán),其土壤TN含量高于其他4種林型。土壤TP含量在各林型間的分布特征與土壤TN和SOM略有差異,主要是云冷杉林中含量最高,且表層土壤中的含量顯著高于底層,而其他林分各土層之間差異均不顯著,這是因?yàn)榱自厥且环N沉積性元素,主要來(lái)源于巖石的風(fēng)化和淋洗[16],受母質(zhì)影響大而受植被和微生物等因素的影響較小[17]。梁廣國(guó)等[18]對(duì)比研究闊葉混交林和針闊混交林土壤養(yǎng)分發(fā)現(xiàn),闊葉混交林土壤TN和SOM高于針闊混交林,而土壤TP則表現(xiàn)出相反的規(guī)律,這與本研究結(jié)果相似。土壤AN和AP能夠反映土壤近期氮磷元素供應(yīng)能力[19],研究中土壤AN在5中林型間無(wú)顯著差異,土壤綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果表明,各林型土壤AN評(píng)價(jià)結(jié)果均為優(yōu),并不是研究區(qū)森林土壤影響植物生長(zhǎng)的限制性因素。土壤AP在云冷杉林中含量最高,蒙古櫟林和闊葉紅松林的土壤AP含量分別位居第2位和第3位,落葉松林含量最低。李紅麗[14]研究發(fā)現(xiàn),落葉松純林較高的土壤酸性活化了AP,使得其含量高于次生混交林。但研究結(jié)果中并未發(fā)現(xiàn)此規(guī)律,可能是落葉松林中雖土壤pH最低,但并未與其他林型達(dá)到顯著水平。

5種林型土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,云冷杉林(2.390)、闊葉混交林(2.122)和蒙古櫟林(2.092)土壤綜合質(zhì)量屬于優(yōu)級(jí),土壤肥力高;闊葉紅松林(1.874)屬于良級(jí),土壤肥力較高;落葉松林由于其為針葉純林,總凋落物量小且不易分解,通過(guò)多年的地球化學(xué)循環(huán),使養(yǎng)分吸收量與歸還量之間產(chǎn)生不平衡,引起土壤養(yǎng)分虧缺[20-21],受到TN、TP和AP的限制,評(píng)價(jià)結(jié)果處于中級(jí)。

4 結(jié)論

張廣才嶺林區(qū)土壤的SOM、TN、TP、AP在不同林型間差異顯著,SOM、TN 2種土壤養(yǎng)分的總體分布是闊葉混交林最高,其次是云冷杉林和闊葉紅松林,蒙古櫟林和落葉松林最低;TP和AP均在云冷杉林土壤中最高,落葉松林中最低;AN在各個(gè)林型內(nèi)差異不顯著。張廣才嶺林區(qū)土壤SOM和AN含量特別豐富,不同林型土壤養(yǎng)分總體處于優(yōu)良水平,但TN比較缺乏,成為該林區(qū)土壤質(zhì)量的主要限制因素。