劉甲午，葛兆軒，田曉敏，張志東，黃選瑞

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北保定 071000)

?

華北落葉松人工林各齡級(jí)土壤肥力研究

劉甲午，葛兆軒，田曉敏，張志東，黃選瑞*

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北保定 071000)

基于河北省塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)中3個(gè)齡級(jí)(Ⅱ齡級(jí)，15～20 a、Ⅲ齡級(jí)，20～30 a、Ⅳ齡級(jí)，30～40 a)華北落葉松人工林土壤肥力調(diào)查數(shù)據(jù)，分析和比較了華北落葉松各齡級(jí)人工林土壤物理和化學(xué)性質(zhì)，并分析了各因子之間的相關(guān)性。研究結(jié)果顯示：該區(qū)域的土壤環(huán)境受到林齡的影響較大，土壤各相關(guān)因子之間聯(lián)系緊密。采用方差分析和主成分分析等方法對(duì)土壤肥力進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表現(xiàn)為：Ⅲ齡級(jí)綜合得分>Ⅱ齡級(jí)綜合得分>Ⅳ齡級(jí)綜合得分。

華北落葉松人工林；土壤肥力評(píng)價(jià)；塞罕壩

土壤作為森林植物生存的基礎(chǔ)，為植物生長(zhǎng)提供了必需的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素以及水分、空氣和微生物等，對(duì)根系也具有機(jī)械支撐作用。土壤肥力的高低直接影響著植物生長(zhǎng)發(fā)育，也影響植物群落種間競(jìng)爭(zhēng)、物種豐富度等，進(jìn)一步影響群落內(nèi)的植物種類分布格局[1-2]。因此，為了高效且可持續(xù)地開(kāi)發(fā)與使用森林中包括土壤在內(nèi)的各種資源，促進(jìn)一個(gè)良性的森林生態(tài)環(huán)境的形成，有必要對(duì)其土壤特征進(jìn)行系統(tǒng)研究。

華北落葉松是華北林區(qū)主要用材樹(shù)種之一。塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始營(yíng)造了大面積純林，經(jīng)過(guò)數(shù)年的營(yíng)林、造林、撫育間伐，逐步成為河北省森林資源的重要組成部分和重要的后備森林資源。但是，長(zhǎng)期以來(lái)，因?yàn)闃?shù)木種類過(guò)少、林分構(gòu)成不豐富、人工管理不善等影響，土壤肥力越來(lái)越低，貧瘠的土壤嚴(yán)重影響了森林資源的培育。在落葉松人工林環(huán)境中的地力衰退機(jī)制和生物碳儲(chǔ)量[3-6]方面，我國(guó)已有一些研究，但是對(duì)不同齡級(jí)土壤肥力的研究比較少。該研究選取位于河北省塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)內(nèi)各齡級(jí)落葉松人工林的土壤，對(duì)其展開(kāi)一系列的統(tǒng)計(jì)分析與成分分析，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)來(lái)反映目前該林場(chǎng)中土壤的肥力狀況，并由此評(píng)估對(duì)其生態(tài)圈的各種后續(xù)影響。另外，對(duì)影響肥力的生物或其他因子進(jìn)行了討論分析，從而給該區(qū)域內(nèi)其他林場(chǎng)提供更豐富、更全面的管理建議。

1 研究區(qū)概況

研究地主要位于塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)(118°06′05″～118°17′19″E，41°28′46″～41°40′40″N)，該地屬于壩下、壩上過(guò)渡帶和森林—草原、干旱—半干旱地區(qū)的交錯(cuò)帶。林區(qū)氣候寒冷，冬季漫長(zhǎng)，春秋季節(jié)短，夏季不明顯，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年均氣溫-1.4 ℃，極端最高、最低氣溫分別為30.9 ℃和-43.2 ℃；年降水量490 mm，蒸發(fā)量1 229.9 mm；年均無(wú)霜期68 d，積雪時(shí)間長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月。土壤類型以山地棕壤、灰色森林土和風(fēng)沙土為主。塞罕壩處于森林—草原交錯(cuò)帶，植被類型多種多樣，分別為落葉針葉林、常綠針葉林、針闊混交林、闊葉林、灌叢、草原與草甸和沼澤及水生群落。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查為避免立地條件及人為干擾等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，在全面踏查的基礎(chǔ)上，遵循立地條件一致、林地經(jīng)營(yíng)歷史相近的原則，依據(jù)林齡來(lái)劃分層次[7]，把15年以上20年以下的劃作Ⅱ齡級(jí)，20年以上30年以下的劃作Ⅲ齡級(jí)，30年以上40年以下的劃作Ⅳ齡級(jí)，針對(duì)這3個(gè)不同的層次，選取了3個(gè)較有研究?jī)r(jià)值的林分，于2013年植物生長(zhǎng)旺季(7月)在該研究區(qū)選擇典型的華北落葉松人工林分，在每個(gè)林分設(shè)置50 m×50 m標(biāo)準(zhǔn)地3塊。為了得到相似程度更高的立地指數(shù)，盡可能地選取相近的海拔、山坡朝向、土層性質(zhì)。進(jìn)行樣地研究時(shí)，選取多種調(diào)查因子。樣地概況見(jiàn)表1。

2.2 土壤樣品的采集與處理從0至30 cm，以10 cm為1個(gè)階梯，將采土結(jié)構(gòu)分為3類，并在樣地的4個(gè)角與中心分別收集這3層土壤樣品，將同一層中收集的土壤置于同一容器中并充分混合，同時(shí)取1 000 g待檢測(cè)的土壤樣本，裝入塑封袋內(nèi)，標(biāo)記編號(hào)，組成0

表1 華北落葉松人工林標(biāo)準(zhǔn)地概況

2.3 土壤樣品基本理化性質(zhì)測(cè)定土壤含水量與密度用環(huán)刀測(cè)量；酸堿性測(cè)量用電位計(jì)法；有機(jī)物質(zhì)測(cè)量使用外加熱重鉻酸鉀容量法─稀釋熱法；土壤單質(zhì)與化合態(tài)磷的測(cè)量使用濃硫酸—高氯酸消煮—鉬銻抗比色法；土壤單質(zhì)與化合態(tài)鉀使用氫氧化鈉熔融—火焰光度計(jì)法；濃硫酸—高氯酸消煮—?jiǎng)P氏定氮儀法測(cè)定土壤全氮；土壤有效磷使用氟化鉸—鹽酸—鉬銻抗比色法；土壤速效鉀測(cè)量使用中性乙酸銨浸提—火焰光度計(jì)法[8]。

2.4 數(shù)據(jù)分析應(yīng)用Exce12007和SPSS18.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析、相關(guān)性分析和主成分分析[9]。

3 結(jié)果與分析

3.1 華北落葉松人工林各齡級(jí)土壤肥力因子的變化土壤緊實(shí)度可以通過(guò)土壤密度體現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)它也是反映土壤肥力的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)[10]。華北落葉松人工林各齡級(jí)土壤密度的變異系數(shù)維持在14%左右，變異程度不顯著。土壤自然含水量的變異系數(shù)介于36%～52%(表2)。通過(guò)檢測(cè)、比較以及單因素方差分析，結(jié)果表明：林齡是影響土壤密度和土壤含水量關(guān)鍵性因素，Ⅲ齡級(jí)的土壤密度在Ⅱ齡級(jí)和Ⅳ齡級(jí)水平之下，Ⅱ齡級(jí)的土壤含水量比Ⅲ齡級(jí)和Ⅳ齡級(jí)明顯偏低。

表2 林齡對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

不同齡級(jí)華北落葉松人工林土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化范圍為5.06～71.96 g/kg；Ⅱ齡級(jí)的土壤有機(jī)質(zhì)變異系數(shù)最大，為88.56%，其次是Ⅲ齡級(jí)，為51.52%，Ⅳ齡級(jí)最小，為49.15%(表3)。研究顯示，伴隨著齡級(jí)的增長(zhǎng)，土壤中有機(jī)化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出先上升后下降的規(guī)律。

表3 林齡對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)百分含量的影響

酸堿度對(duì)土壤肥力的性質(zhì)影響較大，它不僅影響著凋落物的分解、養(yǎng)分元素的釋放和轉(zhuǎn)化，而且對(duì)植物生長(zhǎng)也有一定程度的影響[11]。華北落葉松人工林各齡級(jí)土壤的pH變化范圍在5.08～6.14(表4)，表現(xiàn)為酸性土壤。各齡級(jí)的變異系數(shù)在3%左右，變異程度不顯著。從各齡級(jí)土壤pH的變化值來(lái)看，Ⅲ齡級(jí)最低，其次為Ⅳ齡級(jí)，Ⅱ齡級(jí)最高。由此可見(jiàn)，隨著齡級(jí)的逐漸增加，土壤物理性質(zhì)呈現(xiàn)出不斷酸化的趨勢(shì)。

Ⅲ齡級(jí)人工林土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變異系數(shù)最低，為43.61%，而Ⅱ齡級(jí)和Ⅳ齡級(jí)土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變異系數(shù)相差不多，均在65%左右，Ⅲ齡級(jí)土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化范圍最大(表5)。土壤氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和平均值的變化隨林齡的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì)。

表4 林齡對(duì)土壤酸堿性的影響

表5 林齡對(duì)土壤氮素含量的影響

土壤各齡級(jí)全磷的變異系數(shù)變化范圍在30.61%～33.58%，土壤有效磷的變異系數(shù)變化范圍在21.44%～42.98%，Ⅲ齡級(jí)和Ⅳ齡級(jí)全磷的變異系數(shù)低于對(duì)應(yīng)有效磷的變異系數(shù)(表6)。Ⅲ齡級(jí)的土壤全磷和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于Ⅱ齡級(jí)和Ⅳ齡級(jí)，土壤全磷和有效磷的變化隨林齡增加都呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì)，到Ⅲ齡級(jí)時(shí)值達(dá)到最高。

表6 林齡對(duì)土壤磷素含量的影響

土壤各齡級(jí)全鉀的變異系數(shù)變化范圍在5.51%～14.68%，土壤各齡級(jí)速效鉀的變異系數(shù)變化范圍在38.89%～59.34%(表7)。由此可見(jiàn)，土壤全鉀的變異系數(shù)明顯低于速效鉀的變異系數(shù)。從各個(gè)齡級(jí)全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值變化來(lái)看，除Ⅳ齡級(jí)土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為19.14 g/kg外，其他齡級(jí)的土壤全鉀平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在25.50 g/kg左右，Ⅳ齡級(jí)的土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于其他齡級(jí)；Ⅱ齡級(jí)土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為108.01 mg/kg。土壤全鉀和速效鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨林齡增加也呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì)。

3.2 華北落葉松人工林各齡級(jí)土壤肥力評(píng)價(jià)采用主成分分析、相關(guān)性分析等方法對(duì)華北落葉松人工林各齡級(jí)的土壤肥力狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，依據(jù)各個(gè)齡級(jí)3塊標(biāo)準(zhǔn)地的分析結(jié)果，以各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地土壤肥力綜合指標(biāo)的平均值計(jì)算出華北落葉松人工林各齡級(jí)土壤肥力綜合指數(shù)，得到Ⅱ齡級(jí)、Ⅲ齡級(jí)、Ⅳ齡級(jí)人工林土壤肥力的綜合得分為：0.194、0.457、- 0.611，結(jié)果為Ⅲ齡級(jí)綜合得分>Ⅱ齡級(jí)綜合得分>Ⅳ齡級(jí)綜合得分。

表7 林齡對(duì)土壤鉀素含量的影響

4 結(jié)論與討論

4.1 華北落葉松人工林各齡級(jí)土壤肥力華北落葉松人工林各齡級(jí)土壤密度的變異系數(shù)均在14%左右，變異差異不顯著。其中，土壤密度在Ⅲ齡級(jí)時(shí)達(dá)到最小，土壤含水量隨林齡的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì)，同時(shí)在Ⅲ齡級(jí)時(shí)土壤含水量達(dá)到最高。華北落葉松人工林的土壤呈現(xiàn)出酸性，pH值的變異系數(shù)低于其他肥力因子[12]。分析其酸堿性的變化規(guī)律，得知該林區(qū)內(nèi)的森林副產(chǎn)物存在于土壤中，并且在分解時(shí)得到有機(jī)酸性物質(zhì)，這些成分對(duì)土壤層反復(fù)作用，造成該區(qū)域林地內(nèi)的土壤呈現(xiàn)出酸性特質(zhì)，而土壤養(yǎng)分和地表植被的營(yíng)養(yǎng)狀況受土壤酸堿度變化的極大影響，因此，可通過(guò)人工營(yíng)林、造林和改變林場(chǎng)內(nèi)樹(shù)種組成等措施，來(lái)改變林下凋落物的組成，從而提高土壤的酸堿度和其他養(yǎng)分的有效性。

林齡的變化對(duì)有機(jī)化合物的百分含量有重要影響，具體表現(xiàn)為隨林齡的提高，有機(jī)化合物的百分含量表現(xiàn)出先上升后下降的變化規(guī)律，Ⅲ齡級(jí)土壤的有機(jī)化合物的百分含量是最高的。由于該人工林場(chǎng)土層中的有機(jī)化合物的補(bǔ)充基本靠其自身，Ⅲ齡級(jí)樹(shù)種的林木凋落物的量最大，因此其有機(jī)化合物的百分含量第一。

4.2 華北落葉松人工林各齡級(jí)土壤肥力狀況綜合評(píng)價(jià)華北落葉松人工林Ⅲ齡級(jí)的土壤肥力最高，其次為Ⅱ齡級(jí)和Ⅳ齡級(jí)。在調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，Ⅱ齡級(jí)人工林林分過(guò)于稠密，郁閉度普遍較高，林地接受陽(yáng)光照射很少，林下凋落物稀少，由于落葉松的生長(zhǎng)需要大量養(yǎng)分維持，使得Ⅱ齡級(jí)人工林樹(shù)種的凋落物產(chǎn)出遠(yuǎn)高于分解，土壤肥力的耗損與歸還不成正比，導(dǎo)致林地土壤養(yǎng)分含量整體較低。Ⅲ齡級(jí)人工林樹(shù)種經(jīng)過(guò)撫育間伐之后，林分密度和郁閉度同比Ⅱ齡級(jí)相應(yīng)減小，林地接受陽(yáng)光照射增多，地溫逐漸回升，地表和地下生物活動(dòng)增強(qiáng)，地面凋落物的分解速率加快，土壤狀況改善，養(yǎng)分提高，土壤養(yǎng)分收支基本維持平衡，由此，土壤肥力狀況也取得了明顯的改善。此時(shí)正是華北落葉松人工林中幼林撫育的最好時(shí)期。這一時(shí)期如果能夠加強(qiáng)人工管理，恢復(fù)地表物種多樣性，土壤肥力狀況不僅可以保持此前狀態(tài)，還可以繼續(xù)提高[13]。華北落葉松Ⅳ齡級(jí)階段，由于過(guò)度亂采濫伐，林分密度和凋落物數(shù)量急劇下降，土壤各因子之間的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和微生物數(shù)量與Ⅲ齡級(jí)人工林相比發(fā)生了明顯的變化。除此之外，由于過(guò)度注重經(jīng)濟(jì)效益，林木用材量劇增，土壤養(yǎng)分的收支狀況嚴(yán)重失衡，土壤肥力明顯降低。由此可見(jiàn)，土壤的肥力水平與人為因素有很大關(guān)系。適度的撫育間伐，不僅可以提高落葉松林地的土壤肥力，還可以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)利用。

[1] 劉宏文.山西省龐泉溝森林群落特征與景觀格局特征分析的研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2007.

[2] FISHER R F，BINKLEY D.Ecology and management of forest soils [M].3rd ed.New York：John Wiley and Sons，2000：282-284.

[3] 楊凱，朱教君，張金鑫，等.不同林齡落葉松人工林土壤微生物生物量碳氮的季節(jié)變化[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29(10)：5500-5508.

[4] 史長(zhǎng)婷，王恩姮，陳祥偉.黑土區(qū)落葉松人工林土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳及動(dòng)態(tài)變化[J].水土保持學(xué)報(bào)，2010，24(5)：208-212.

[5] 魏文俊，尤文忠，張慧東，等.遼寧省落葉松人工林生物量碳庫(kù)特征[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，39(6)：26-29.

[6] 耿麗君，許中旗，張興銳，等.燕山北部山地華北落葉松人工林生物碳貯量[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，38(6)：43-45，52.

[7] 《中國(guó)森林》編輯委員會(huì).中國(guó)森林[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2003：215-216.

[8] 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].3版.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2000：14-111.

[9] 盧紋岱.SPSS for Windows統(tǒng)計(jì)分析[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2000：336-374.

[10] 郝廣明，許忠學(xué)，楊帆，等.采伐林地土壤養(yǎng)分研究[J].北華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，3(5)：441-444.

[11] ACOATA-MARTINEZ V， REICHER Z，BISCHOFF M，et al.The role of tree leaf mulch and nitrogen fertilizer on turfgrass soil quality[J].Biology and Fertility of Soi1s，1999，29：55-61.

[12] FU B J，LIU S L，MA K M， et al.Relationships between soil characteristics，topography and plant diversity in a heterogeneous deciduous broad-leaved forest near Beijing，China[J].Plant and Soi1，2004，261(1)：47-54.

[13] RICHTER D D，ALLEN H L，LI J，et al.Bioavailability of slowly cycling soil phosphorus：major restructuring of soil P fractions over four decades in an aggrading forest[J].Oecologia，2006，150(2)：259-271.

Study on Soil Fertility inLarixprincipis-rupprechtiiPlantations of Different Stand Age

LIU Jia-wu, GE Zhao-xuan, TIAN Xiao-min, HUANG Xuan-rui*et al

(College of Forest, Agriculture University of Hebei, Baoding, Hebei 071000)

An investigation was conducted to study and evaluate soil fertility inLarixprincipis-rupprechtiiplantations of three age classes (Ⅱage class, 15-20 year-old stand; Ⅲ age class, 20-30 year-old stand; Ⅳage class,30-40year-old stand) in Saihanba Region, Hebei Province, China. The soil physico-chemical properties were carried out inLarixprincipis-rupprechtiiplantations of different stand ages. Soil fertility of these stands was further assessed by principal component analysis method. The results show that the stand age has significant effects on soil physico-chemical properties. There are close correlations among soil properties, soil fertility order ofLarixprincipis-rupprechtiiplantations: Ⅲ age class> Ⅱage class> Ⅳage class.

Larixprincipis-rupprechtiiplantations; Soil fertility assessment; Saihanba

“十二五”科技支撐計(jì)劃課題(2012BAD22B0304)。

劉甲午(1989- )，男，河南汝州人，碩士研究生，研究方向：森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。*通訊作者，教授，博士，從事森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)理論與技術(shù)等研究。

2014-11-28

S 714.5

A

0517-6611(2015)02-156-03