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吉林蛟河不同齡組紅松闊葉混交林土壤理化性質(zhì)分析*>

林文樹，邵立郡，穆丹，王麗平，吳金卓

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040)

摘要：采用調(diào)查取樣和定量分析方法對吉林省蛟河市林業(yè)實驗區(qū)管理局林場的不同齡組紅松闊葉混交林(中齡林、近熟林、成熟林和過熟林)土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：隨著林齡增加，土壤容重變化并不顯著；持水量、凋落物層的厚度以及土壤呼吸速率呈現(xiàn)上升的趨勢，土壤總孔隙度基本保持不變。不同齡組的土壤在營養(yǎng)元素等化學(xué)性質(zhì)方面，都存在明顯的差異，變化趨勢復(fù)雜，總體上與有機(jī)質(zhì)變化一致。隨著林齡增加，土壤肥力狀況變好，過熟林土壤肥力最好，并且林地土壤涵養(yǎng)水源和保持水土功能有所加強(qiáng)，對維持周圍生態(tài)系統(tǒng)有重要作用。

關(guān)鍵詞：土壤肥力；理化性質(zhì)；森林土壤；齡組

森林生態(tài)系統(tǒng)是人類和社會生存與發(fā)展必不可少的自然資源。森林土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分，為植物生存提供必不可少的營養(yǎng)物質(zhì)。長期維持并提高林地土壤肥力對于森林整體穩(wěn)定以及林業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著關(guān)鍵性的影響。研究不同齡組土壤的理化性質(zhì)對于森林撫育、更新、保護(hù)以及健康評價具有重要意義。近年來，許多研究學(xué)者對溫帶針闊混交林群落進(jìn)行了大量研究[1～6]，這些研究集中在主要樹種的光合作用[2]、生物量[3]、林木生長[4]、物種和結(jié)構(gòu)特征[5]以及功能多樣性[6]等方面。以紅松(Pinuskoraiensis)為主的溫帶針闊葉混交林是中國東北地區(qū)常見的植被類型。過去，由于大規(guī)模的采伐干擾或火燒破壞，使得這一地區(qū)的原始闊葉紅松林樹種組成發(fā)生了變化。本研究以吉林省蛟河市林業(yè)實驗區(qū)管理局林場的不同齡組紅松闊葉混交林為研究對象，通過樣地與土壤剖面取樣調(diào)查，分析不同齡組下森林土壤的理化性質(zhì)特征，探索林齡與土壤理化性質(zhì)之間的相互關(guān)系，以期為研究該地區(qū)森林經(jīng)營管理提供參考。

1研究地概況

研究區(qū)位于吉林省蛟河市林業(yè)實驗區(qū)管理局林場，其地理坐標(biāo)為北緯43°57.524′～43°58.042′,東經(jīng)127°44.111′～127°44.667′，海拔459～517 m。年平均最高氣溫為22℃，年平均最低氣溫為-18.6℃，年平均氣溫3.5℃，年平均降雨量為700～800 mm[7]。該林場屬吉林省主要林區(qū)，全區(qū)屬長白山系張廣才嶺山脈，地勢由西北向東南傾斜，北部高，東南平坦開闊，動植物資源豐富。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶陨降貧夂?。土壤為山地暗棕色森林土壤，土層平均厚度?0～100 cm，土壤形態(tài)分布層次明顯，并且所含有機(jī)質(zhì)較多[8]。研究區(qū)內(nèi)群落林分為天然針闊混交林，針葉樹種有紅松、沙松(Abiesholophylla)等，闊葉樹種有胡桃楸(Juglansmandshurica)、色木槭(Acermono)、東北槭(A.mandshuricum)、白樺(Betulaplatyphylla)、春榆(Ulmuspumila)、千金榆(Carpinuscordata)、暴馬丁香(Syringareticulatavar.amurensis)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)、紫椴(Tiliaamurensis)、裂葉榆(U.laciniata)、風(fēng)樺(B.costata)、朝鮮槐(Maackiaamurensis)等[9]。

2研究方法

2.1樣地設(shè)置

2009-2012年，以空間替代時間的方法選取能代表不同林齡階段的典型樣地[10]，在研究區(qū)內(nèi)根據(jù)齡組劃分為4個類型：中齡林、近熟林、成熟林和過熟林，林分類型為針闊混交林，其中，中齡林以胡桃楸、紅松、色木槭、東北槭、春榆、裂葉榆等占優(yōu)勢；近熟林以色木槭、春榆、胡桃楸、暴馬丁香、千金榆、紅松等占優(yōu)勢；成熟林以千金榆、紫椴、紅松、色木槭和白牛槭等占優(yōu)勢；過熟林以裂葉榆、色木槭、紫椴、紅松、風(fēng)樺、東北槭等占優(yōu)勢[9]。設(shè)置4塊樣地，共計114.96 hm2，構(gòu)成了一個由中齡林分逐漸向過熟林分轉(zhuǎn)變的過程。固定監(jiān)測樣地的概況如表1所示。由于原有樣地面積大小不一，為了方便比較，在近熟林、中齡林、成熟林、過熟林固定樣地中，分別選取20 hm2長方形樣地進(jìn)行土壤采樣。

表1　4塊固定樣地概況

2.2土壤取樣及剖面觀察

土壤取樣于2014年7月進(jìn)行，在每個樣地中以田字格的形式均勻選取9個樣點進(jìn)行剖面挖掘與取樣，共計36個取樣點。為了不破壞測試樣地的完整性，考慮到根系、凋落物等影響，選擇具有代表性的土壤制作土壤剖面，剖面位置距離樹基約0.5～1.0 m，剖面規(guī)格為寬0.8～1.0 m，長1.0～2.0 m，深度以達(dá)到母質(zhì)層為準(zhǔn)。剖面制作成功后，自上而下觀察并記錄土壤剖面的特征，包括凋落物特征、石礫含量、土壤厚度、腐殖質(zhì)層厚度等。本研究項目所測量腐殖質(zhì)層厚度為A層，土壤厚度為A+B層。對于測量土壤孔隙度、容重等物理性質(zhì)，直接用環(huán)刀在距離每個樣點0～20 cm土層處取土樣，取樣深度約為10 cm，接著在該點取1 kg混合土樣放入標(biāo)記好序號的土壤袋中，共36個樣點，取回的土樣經(jīng)過風(fēng)干、研磨、過篩后進(jìn)行化學(xué)實驗來獲得研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3土壤物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)測定

(1)土壤物理性質(zhì)

①土壤的水分-物理性質(zhì)采用環(huán)刀法測定[11]；②土壤呼吸實驗使用LCpro-CD光合作用儀監(jiān)測。

(2)土壤化學(xué)性質(zhì)

①pH值用酸度計測定，水浸，水土體積比為50：1[12]；②土壤有機(jī)質(zhì)用油浴重鉻酸鉀氧化法測量[13]；③全氮用自動凱氏法測定，儀器為VS-KT-P型全自動定氮儀[14]；④水解氮用擴(kuò)散法測定[15]；⑤全磷用酸溶-鉬銻抗比色法測量[16]；⑥有效磷用鉬銻抗比色法測量[17]；⑦全鉀用火焰光度法測量[18]；⑧速效鉀用火焰光度法測量[19]。

2.4數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel軟件進(jìn)行繪圖，利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析和相關(guān)性分析。

3結(jié)果與分析

3.1土壤理化性質(zhì)描述性統(tǒng)計分析

為了明確不同齡組針闊混交林的土壤容重、持水量、孔隙度、土壤呼吸速率、pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、水解氮、有效磷、速效鉀含量等物理與化學(xué)性質(zhì)狀況，各樣地0～20 cm土層的上述指標(biāo)的極值和平均值以及變異系數(shù)結(jié)果如表2所示。由表2可知，研究區(qū)內(nèi)的不同齡組針闊混交林的平均土壤容重為0.75 g/cm3，最大持水量85.12 %，總孔隙度59.21 %，凋落物厚度2.53 cm，土壤呼吸速率3.97μmol/(m2·s)，pH均值為5.96，有機(jī)質(zhì)含量為16.64 g/kg，全氮平均含量為0.63 g/kg，全磷的平均含量為0.26 g/kg，全鉀的平均含量為49.83 g/kg，水解氮的平均含量為70.65 mg/kg，有效磷的平均含量為27.07 mg/kg，速效鉀的平均含量為34.55 mg/kg。根據(jù)變異系數(shù)的變化可以看出，不同齡組針闊混交林的土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷以及非毛管孔隙度的變異系數(shù)均超過50 %，而全氮、土壤呼吸速率以及毛管持水量的變異系數(shù)都超過40 %，為中度變異。不同的森林經(jīng)營方式、林分密度以及養(yǎng)分的層次性都會對這些指標(biāo)產(chǎn)生影響[20]。pH值較為穩(wěn)定，均值為5.96，變異系數(shù)最小，說明研究區(qū)土壤屬于酸性土壤并且土壤穩(wěn)定。

表2　不同齡組針闊混交林的土壤理化性質(zhì)

3.2土壤物理性質(zhì)的分析

本研究中，土壤物理性質(zhì)的調(diào)查項目包括土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度、最大持水量、毛管持水量、非毛管持水量、凋落物層厚度和土壤呼吸速率共8項指標(biāo)。不同齡組的林分調(diào)查結(jié)果的平均值以及變異系數(shù)見表3。

表3　不同齡組針闊混交林的土壤物理性質(zhì)

表4　不同齡組針闊混交林的土壤容重變化

3.2.1土壤容重

土壤容重反映了土壤的結(jié)構(gòu)、通氣性和透水性以及根系在伸展時受到的阻力等[20]。由表4可知，隨著林齡增加，土壤容重的均值變化不大，在過熟林階段最小。各齡組土壤容重的變異系數(shù)都在30 %以下，屬于弱度變異。土壤的容重會受到土壤密度和土壤孔隙度的影響，隨著林齡的增加，林內(nèi)的郁閉度也變大，林下環(huán)境陰濕，可以促進(jìn)微生物的作用，從而使得土壤變得疏松。

3.2.2土壤持水量

土壤持水量是反映土壤能夠吸持水分的指標(biāo)，其中毛管持水量為最有效的水分，最大持水量是指毛管持水和非毛管持水達(dá)到最大數(shù)量時的含水量[20]。毛管孔隙度和非毛管孔隙度共同決定了土壤持水量，通過二者將地表水轉(zhuǎn)化為土壤水達(dá)到對林內(nèi)的水源涵養(yǎng)。根據(jù)表5可以看出，隨著林齡的增加，毛管持水率在逐漸增加，總持水率也在逐漸增加，但是二者的增幅并不相同，在過熟林的時候持水率達(dá)到最大。從持水率的變化可以看出，隨著林齡的增加，持水量均值穩(wěn)步增加，土壤涵養(yǎng)水分能力增強(qiáng)，能夠供應(yīng)林木所需水分，尤其在成熟林增加幅度較大。根據(jù)變異系數(shù)可以看出，土壤持水量在30 %～50 %之間，為中度變異，說明不同齡組森林土壤持水量差異較為明顯。

表5　不同齡組針闊混交林的土壤持水量

3.2.3土壤孔隙度

土壤孔隙占體積的百分比即為土壤孔隙度，孔隙度包括非毛管孔隙度和毛管孔隙度[20]。毛管孔隙度對土壤蓄水有著重要作用，而非毛管孔隙度主要起到通氣透水的作用，它的大小決定了土壤的通氣狀況和排水狀況?？紫抖扔绊懲寥乐袣怏w運(yùn)動，決定根系和微生物的活動。由表6可知，隨著林齡增加，毛管孔隙度穩(wěn)步上升，非毛管孔隙度以相同的幅度下降，使得總孔隙度基本保持不變，總孔隙度均值為59.21 %，土壤中大小孔隙均存在，土壤的通氣透水能力協(xié)調(diào)，持水較好，土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)良，土壤孔隙度良好。

表6　不同齡組針闊混交林的土壤孔隙度

表7　不同齡組針闊混交林的土壤呼吸速率

3.2.4土壤呼吸速率

土壤呼吸是指植物根部在內(nèi)部呼吸產(chǎn)生二氧化碳通過孔隙與大氣相交換，也包含土壤微生物和動物的呼吸。土壤呼吸對于碳循環(huán)有著重要的作用，影響著氣候變遷。由表7可知，隨著林齡增加，土壤呼吸速率呈現(xiàn)先變小而后增大的趨勢，過熟林的土壤呼吸速率最大。不同齡組針闊混交林土壤呼吸速率的變異系數(shù)在15 %～44 %之間，并不穩(wěn)定。

3.3土壤化學(xué)性質(zhì)分析

土壤有機(jī)質(zhì)是植物養(yǎng)分的來源，土壤的養(yǎng)分對于維持植物生命周期是必要的元素，這些都被稱為土壤的化學(xué)性質(zhì)。本研究中土壤化學(xué)性質(zhì)選取了土壤的有機(jī)質(zhì)、酸堿度、全氮、全鉀、全磷、水解氮、速效鉀、有效磷8個指標(biāo)，結(jié)果如表8所示。由表8可知，不同齡組紅松闊葉混交林的土壤化學(xué)性質(zhì)存在差異。

表8　不同齡組針闊混交林的土壤化學(xué)性質(zhì)

3.3.1土壤酸堿度

土壤的酸堿度受土壤鹽基所支配，它對土壤中微生物的活動以及有機(jī)質(zhì)的分解等都有重要的作用，影響土壤的肥力以及林地種子的發(fā)芽、幼苗及幼樹的生長。根據(jù)表9分析可知，pH值的整體范圍在5.03～6.51，整體的pH值屬于酸性到弱酸性。隨著林齡的增加，土壤逐步地向弱酸化轉(zhuǎn)變，說明植物對于土壤的酸堿性起到平衡作用。在到達(dá)過熟林的時候，pH值有所下降，這是由于有機(jī)質(zhì)在分解過程中產(chǎn)生酸性物質(zhì)，并且向淋溶層遷移，使得土壤呈現(xiàn)酸性，但變化不顯著。此時，pH值對于霉菌及酵母菌的生長及繁殖有積極作用。

表9　不同齡組針闊混交林的土壤pH值

3.3.2土壤有機(jī)質(zhì)

土壤中的有機(jī)質(zhì)主要指土壤中動植物的殘體，大部分是植物枯枝落葉以及根系分泌物。有機(jī)質(zhì)是土壤固相的主要組成部分，樹木養(yǎng)分的來源，也是土壤中最活躍物質(zhì)構(gòu)成，它不僅是評價林地土壤肥力高低的首要指標(biāo)，更對森林可持續(xù)發(fā)展有著重要作用。

表10　不同齡組針闊混交林的土壤有機(jī)質(zhì)

由表10可知，不同齡組的紅松林土壤有機(jī)質(zhì)含量的變異系數(shù)為37.85 %～69.41 %，屬中度變異，近熟林的最大，達(dá)到69.41 %。隨著林齡增長，有機(jī)質(zhì)的改變并不穩(wěn)定，中齡林到近熟林增大，近熟林到成熟林減小，但是到過熟林的時候則又超過成熟林，這與土壤的溫度、水分、通氣狀況以及凋落物和土壤的特性都有關(guān)系。

3.3.3土壤營養(yǎng)元素

土壤中林木生長發(fā)育過程中必需的元素稱為營養(yǎng)元素，由于植物對不同營養(yǎng)元素需求的差異，將氮、磷、鉀稱為大量營養(yǎng)元素，本研究主要分析氮、水解氮、磷、有效磷以及鉀和速效鉀等6種營養(yǎng)元素的變化(表11)。氮素是植物必不可少的養(yǎng)分，非生物因素提供的氮素很少，主要來源是土壤內(nèi)循環(huán)、微生物對凋落物的分解以及根系分泌物[21]。全氮素的變異系數(shù)在35 %～50 %之間，水解氮的變異系數(shù)在20 %～35 %之間。全氮和水解氮的均值隨著林齡的增加均呈先增大后減小而后又增大的趨勢，其變化趨勢與有機(jī)質(zhì)的變化趨勢相一致。其中，過熟林的土壤全氮量最高。因氮素的來源是有機(jī)質(zhì)的分解與積累，不同林齡之間差異并不顯著。磷素對于幼苗根系生長有著重要作用，有效磷是指可以被植物吸收利用的磷組分，對于植物代謝以及植物器官分化磷是重要的元素。全磷的變異系數(shù)在10 %～20 %之間，為弱度變異。有效磷的變異系數(shù)較大，近熟林為32 %，其他林分都為50 %以上。磷元素的轉(zhuǎn)變趨勢也與有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變趨勢相同。到成熟林和過熟林時期，林木不再從土壤中吸收磷，因此磷素的含量較高[20]。磷素的固定與pH值有一定的關(guān)系，酸性土壤pH值上升會減少對磷的固定作用，使得有效磷含量增加。鉀素能促進(jìn)植物光合作用和增強(qiáng)抗性，增強(qiáng)樹木體內(nèi)物質(zhì)合成與運(yùn)轉(zhuǎn)。速效鉀對于實現(xiàn)植物鉀素供給有重要作用。全鉀的變異系數(shù)不穩(wěn)定，中齡林和成熟林的變異系數(shù)都為20 %以下，近熟林為29 %，過熟林則達(dá)到41 %；速效鉀除中齡林為51 %以外，其他林分基本穩(wěn)定在35 %左右。近熟林中鉀素的指標(biāo)明顯高于其他齡組。

表11　不同齡組針闊混交林的土壤營養(yǎng)元素化學(xué)性質(zhì)

4結(jié)論與討論

本研究對吉林省蛟河市林業(yè)實驗區(qū)內(nèi)的不同齡組紅松闊葉混交林樣地(中齡林、近熟林、成熟林和過熟林)土壤的理化性質(zhì)進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

(1)不同齡級的針闊混交林土壤容重均值為0.75，這是因為林分受到的人為干擾較小，腐殖質(zhì)層厚，土壤較為疏松并且取樣的時候只取表層的土壤作為研究對象，因此土壤容重數(shù)值相對較小。隨著林齡增長，土壤容重均值的變化不是非常明顯，總體是先增加后降低，在過熟林時最小。毛管持水與總持水量都隨著林齡的增長在上升，說明土壤持水能力有所加強(qiáng)。毛管孔隙度與非毛管孔隙度二者并非同時增減，這使得總孔隙度基本保持不變。由土壤容重與持水量變化表明，林齡增加，針闊混交林在物種組成、復(fù)雜程度以及層次結(jié)構(gòu)向著更加多元化發(fā)展。凋落物層的平均厚度為2.53 cm，比較薄。不同林齡其凋落物層厚度差異不是很大，變異系數(shù)為28 %。凋落物層的厚度隨著林齡的增長而變厚，凋落物層是衡量水源涵養(yǎng)功能的重要指標(biāo)[22]。根據(jù)分析可知，隨著林齡的增長，林內(nèi)的環(huán)境有所變化，垂直結(jié)構(gòu)趨于合理，凋落物增加，土壤涵養(yǎng)水源保持水土的功能提高了，減少了水土流失以及地表徑流的產(chǎn)生。針闊混交林對于土壤物理性質(zhì)的改善效果很好，這與耿玉清[23]在北京八達(dá)嶺地區(qū)對不同林分類型土壤的研究結(jié)果相一致。

(2)土壤pH值的變異系數(shù)顯著低于其他指標(biāo)，均值為5.96，表明土壤呈弱酸性，主要是因為有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生有機(jī)酸向土壤下層淋溶，此時土壤中營養(yǎng)的溶解度高，適宜植物的生長。土壤的有機(jī)質(zhì)以及大量營養(yǎng)元素全氮、水解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀的變化都是同一個趨勢，所以土壤中的有機(jī)質(zhì)對于土壤的部分化學(xué)性質(zhì)有一定的影響，這與孟京輝等[24]的研究相一致。隨著林齡的增加，有機(jī)質(zhì)的變化是復(fù)雜的，中齡林開始先增大然后減小，在過熟林的時候再次增大，近熟林的土壤肥力狀況最好。究其原因，主要是因為近熟林是在中齡林經(jīng)過間伐后生長，此時林分密度較為適宜，尚未完全郁閉，光照增強(qiáng)土壤表層的溫度升高使得微生物活動加劇，此時的有機(jī)質(zhì)含量和土壤的持水能力明顯高于其他齡級林木，因此間伐對于林木生長很重要，能提高土壤肥力狀況。

根據(jù)以上分析可知，隨著林齡增長，過熟林的整體土壤肥力最佳，說明森林的物質(zhì)循環(huán)對于土壤的肥力增強(qiáng)和水土保持都有積極作用。其次是近熟林，究其原因，與撫育間伐有關(guān)，林分密度的降低導(dǎo)致光照增加，使得森林條件得以改善。由于林齡增長，豐富了林地中有機(jī)質(zhì)以及大量營養(yǎng)元素的含量，保持土壤肥力，增強(qiáng)通氣性，貯水能力也有所提高，因此，針闊混交林對于土壤性質(zhì)的改良效果好。通過土壤理化性質(zhì)分析，研究區(qū)內(nèi)林地土壤狀況良好，對于保持水土、維持周圍生態(tài)系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用。但是，本研究只是隨機(jī)選取，樣本數(shù)比較少，不可避免地有疏漏之處，為完成對研究區(qū)整體的概況描述，還需要擴(kuò)大取樣數(shù)量，作進(jìn)一步深入分析。

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Physical and Chemical Properties of the Soil in Korean Pine and Broad-leaved

Mixed Forest at Different Age Groups in Jiaohe of Jilin Province

LIN Wen-shu，SHAO Li-jun，MU Dan，WANG Li-ping，WU Jin-zhuo

(College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，P.R.China)

Abstract:The survey sampling and quantitative analysis method were used to analyze the physical and chemical properties of soil in korean pine and broad-leaved forests at different age groups (middle-aged forest，near-mature forest，mature forest，and over mature forest) in Forest Farm of Jiaohe Management Bureau，Jilin Province.The results showed that soil bulk density did not change significantly with the development of succession， water holding capacity，litter layer thickness and soil respiration rate showed an upward trend，and total soil porosity essentially unchanged.With regard to the soil chemical properties in nutrients for the forests at different age group，there were significant differences with complex trends.In general，the trends were consistent with that of the organic matter.After a comprehensive comparison of the physicochemical properties，it is concluded that with the succession moving forward，soil fertility status was improved，and the forest soil fertility of old growth forest was the best.In addition，soil and water conservation function was enhanced with the increasing age，and the forest were playing an very important role in maintaining the surrounding ecosystems.

Key words:soil fertility; physicochemical properties; forest soil; age groups

中圖分類號：S 714.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-8246(2015)05-0026-08

通訊作者簡介：吳金卓(1980-)，女，副教授，博士，主要從事森林作業(yè)與環(huán)境研究。E-mail：wujinzhuo1980@163.com

作者簡介：第一林文樹(1980-)，男，副教授，博士，主要從事森林作業(yè)與環(huán)境研究。E-mail：linwenshu@126.com

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(2572015CA01)，“十二五”國家科技支撐計劃專題(2012BAC01B03-3)，國家 自然科學(xué)基金項目(31400539)資助。

收稿日期：*2015-05-14

doi10.16473/j.cnki.xblykx1972.2015.05.006