梁廣國， 陶建元， 郭 坤， 王子旗， 張艷明， 王金穎

(1. 延邊朝鮮族自治州森林調(diào)查規(guī)劃院， 吉林 延邊 133001; 2. 吉林省三岔子林業(yè)局， 吉林 白山 134500; 3. 吉林省紅石林業(yè)局， 吉林 吉林 132400)

由于人為干擾及破壞，現(xiàn)階段我國林分主要以天然次生林為主，其中以闊葉混交林(BM)和針闊混交林(CBM)為主要林分組成[1]。雖然國內(nèi)大多數(shù)學(xué)者對不同密度的單一林分類型下土壤理化性質(zhì)進(jìn)行了大量研究，卻鮮有對不同林分密度的多種林分類型植被下土壤養(yǎng)分含量及其C、N、P化學(xué)計量比的研究。

土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，一方面保證了林分內(nèi)能量和物質(zhì)的交換，另一方面又是生物活動的重要場所[2，3]，是森林生產(chǎn)力的一個重要指標(biāo)[4]。C、N、P是自然界所有植物體構(gòu)成的主要元素[5]，植物體對這些元素的主要獲取方式是吸收土壤中的養(yǎng)分并進(jìn)行轉(zhuǎn)化，隨后用于其生長發(fā)育，因此，土壤養(yǎng)分含量的高低直接影響林木的生長、發(fā)育、生產(chǎn)力水平和生態(tài)功能的發(fā)揮?；瘜W(xué)計量比強調(diào)的是C、N、P等元素在生命體中的平衡與耦合[6]，其在一定程度上能夠反映土壤元素水平和養(yǎng)分供給狀況[7]，目前相關(guān)研究較多且比較全面，如連玉珍等對色拉山高海拔區(qū)不同植被類型下土壤C、N、P、K化學(xué)計量比的研究[8]，盧立華等對不同模式下馬尾松林C、N、P化學(xué)計量比的研究[9]，以及解夢怡等對秦嶺銳齒櫟林土壤C、N、P化學(xué)計量比的研究等[10]。因此，研究土壤C、N、P化學(xué)計量比對揭示土壤元素循環(huán)與平衡以及提高土壤養(yǎng)分利用效率具有重要意義。

土壤養(yǎng)分含量與林分密度等因子緊密相關(guān)[11]，眾多學(xué)者研究表明，林分密度可以顯著影響林分內(nèi)環(huán)境因子、林下植物多樣性以及凋落物現(xiàn)存量和分解速度，進(jìn)而直接或間接地作用于林下土壤，改變其理化性質(zhì)[3，12-14]，因此，森林土壤養(yǎng)分含量的高低和森林功能的發(fā)揮與適宜的林分密度有著密不可分的關(guān)系。目前關(guān)于不同林分密度下土壤養(yǎng)分特征的研究主要集中在對不同密度下落葉松云冷杉林[15]、馬尾松林[16]、華北落葉松人工林[17]和長白落葉松天然林[18]等單一針葉林分類型下土壤理化性質(zhì)特征的研究，而對于闊葉混交林和針闊混交林2種林分類型的不同林分密度植被下土壤養(yǎng)分含量以及C、N、P化學(xué)計量比的研究較少。因此，本研究將2種林分類型劃分為高、中、低3種林分密度，測定不同土層深度土壤養(yǎng)分含量，分析比較不同林分密度下不同林分類型各土層養(yǎng)分的變化規(guī)律、差異性以及C、N、P化學(xué)計量比情況，以期為闊葉混交林和針闊混交林的林分管理及生態(tài)恢復(fù)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

在長白山北坡選取闊葉混交林和針闊混交林2種林分類型，設(shè)置不同林分密度樣地共18塊，樣地基本情況見表1，該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懠撅L(fēng)氣候，夏季溫暖多雨，冬季寒冷干燥，無霜期短，冰凍期長，年平均氣溫3 ℃左右，年降水量700～800 mm，土壤類型為暗棕壤，該地區(qū)植被類型隸屬于長白山植物區(qū)系，各樣地樹種組成情況見表2。

表1 樣地基本情況

表2 樣地樹種組成

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在試驗區(qū)域內(nèi)，挑選生長狀況和立地條件基本相似的闊葉混交林和針闊混交林進(jìn)行試驗，分別將2種林型劃分為高密度(1 300～1 600株·hm-2)、中密度(900～1 300株·hm-2)、低密度(600～900株·hm-2)3種密度林分，每種密度選擇3塊20 m×30 m樣地，共計18塊(表1)，在每個樣地對角線上設(shè)置3個重復(fù)的土壤剖面，分別采集0～20 cm、20～40 cm和大于40 cm深度的土壤。

2.2 土壤養(yǎng)分含量測定

剔除土樣中的根系、石塊及雜物，分別標(biāo)記裝袋，帶回實驗室自然風(fēng)干，粉碎、過篩后測定有機碳含量(SOC)、全氮含量(TN)和全磷含量(TP)。SOC采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定，TN采用半微量開氏法測定，TP采用濃硫酸-高氯酸-鉬銻抗比色法測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 19.0進(jìn)行處理和分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林型、不同林分密度植被下土壤有機碳含量

有機碳含量測定及分析結(jié)果見表3，可以看出，不同林型、不同林分密度植被下土壤有機碳含量存在差異，隨著林分密度的增加，闊葉混交林和針闊混交林各土層土壤有機碳含量逐漸增加。同一林分、同一密度下，隨著土層深度的增加，有機質(zhì)含量逐漸減少，各林分密度植被下0～20 cm深度土層的有機質(zhì)含量最高。在同等條件下，闊葉混交林內(nèi)土壤有機物含量高于針闊混交林內(nèi)。

表3 不同林型、不同林分密度下土壤有機碳含量

3.2 不同林型、不同林分密度植被下土壤全氮含量

全氮含量測定及分析結(jié)果見表4，可以看出，不同林型、不同林分密度植被下土壤全氮含量同樣存在差異，隨著林分密度的增加，闊葉混交林和針闊混交林各土層全氮含量逐漸增加。同一林分、同一密度下，隨著土層深度的增加，全氮含量逐漸減少，各林分密度植被下0～20 cm深度土層的全氮含量最高。在同等條件下，闊葉混交林內(nèi)土壤全氮含量高于針闊混交林內(nèi)。

表4 不同林型、不同林分密度下土壤全氮含量

3.3 不同林型、不同林分密度植被下土壤全磷含量

全磷含量測定及分析結(jié)果見表5，可以看出，不同林型、不同林分密度植被下土壤全磷含量存在差異，變化規(guī)律與有機碳和全氮不同，隨著林分密度的增加，闊葉混交林和針闊混交林各土層全磷含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在中密度林分植被下，土壤全磷含量最高。同一林分、同一密度下，隨著土層深度的增加，全磷含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，各林分密度植被下20～40 cm深度土層全磷含量最高。在同等條件下，闊葉混交林和針闊混交林內(nèi)土壤全磷含量無顯著差異。

表5 不同林型、不同林分密度下土壤全磷含量

3.4 不同林型、不同林分密度植被下土壤C、N、P化學(xué)計量比

植物體生長發(fā)育主要依賴于土壤養(yǎng)分的供給，其中C、N、P是植物體從土壤中吸收的主要元素。在不同林型、不同林分密度植被下土壤C、N、P化學(xué)計量比呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(表6、表7、表8)，從表6中可以看出，2種林分類型不同密度、不同土層深度之間C∶N無顯著性差異且無明顯變化規(guī)律。

表6 不同林型、不同林分密度下土壤C、N化學(xué)計量比

從表7中可以看出，2種林分類型植被下C∶P均在高密度林分下最大，且顯著大于中密度林分和低密度林分。闊葉混交林土層在20～40 cm時中密度林分C∶P小于低密度林分，其他土層則中密度林分C∶P大于低密度林分，但相互之間差異不顯著。針闊混交林土層深度在0～20 cm時，中密度林分C∶P大于低密度林分，其他土層則低密度林分C∶P大于中密度林分，但相互之間差異不顯著。2種林分類型相同林分密度植被下土壤C∶P隨土層深度的增加總體呈減小趨勢，在0～20 cm深度土層比值最大且顯著大于其他土層。

表7 不同林型、不同林分密度下土壤C、P化學(xué)計量比

從表8中可以看出，2種林分類型植被下N∶P均在高密度林分下最大，且顯著大于中密度林分和低密度林分，而中密度林分和低密度林分N∶P無顯著變化，且相互之間差異不顯著。2種林分類型相同林分密度植被下土壤N∶P均隨土層深度的增加而減小，在0～20 cm深度土層比值最大且顯著大于其他土層。

表8 不同林型、不同林分密度下土壤N、P化學(xué)計量比

4 結(jié)論與討論

眾多研究表明，由于林分類型或林分密度不同，會使森林溫度、土壤密度、含水率、酶活性等方面發(fā)生改變，進(jìn)而使林下枯落物的積累與分解速率產(chǎn)生差異，同時，不同林分類型下植物多樣性也同樣受以上各因素的影響，從而導(dǎo)致枯落物構(gòu)成及儲量存在差異[19]，最終會造成土壤養(yǎng)分含量在不同林分密度和不同林分類型的影響下呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。

本研究發(fā)現(xiàn)，林分類型與林分密度的不同會對土壤養(yǎng)分含量產(chǎn)生影響，闊葉混交林和針闊混交林土壤中有機碳和全氮含量會隨著林分密度的增加而增大，在高密度林分其含量達(dá)到最大值；在相同林分密度下，有機碳和全氮含量會隨著土層深度的增加而減小，在土壤表層含量最大，這與任麗娜等[20]對華北落葉松、范少輝等[21]對毛竹林、王巖松等[22]對油松與刺槐人工林的研究結(jié)果相一致。主要原因可能是在林分密度高的情況下，林下凋落物含量增加，加之高密度林分下林地蒸騰作用減弱，地表水會相應(yīng)增加，最終使得土壤中養(yǎng)分隨之增加[23，24]。2種林分類型植被下土壤中全磷含量變化與有機碳和全氮有所差異，土壤全磷含量隨著林分密度的增加呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢，在中密度林分全磷含量最大，在相同林分密度下，全磷含量同樣隨著土層深度的增加呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢，在20～40 cm深度土層全磷含量最大，全磷含量變化與有機碳和全氮有所差異，主要是因為磷元素屬于一種沉積性元素，其主要來源于巖石風(fēng)化和淋洗[25]，而有機碳和全氮則主要來自地表枯落物的分解歸還，在高密度林分和低密度林分內(nèi)，全磷的消耗要大于中密度林分，從而使得中密度林分的全磷含量要高于高密度林分和低密度林分。此外，在相同條件下，闊葉混交林土壤中有機碳、全氮和全磷含量均高于針闊混交林，這主要是因為闊葉樹積累分解的凋落物會相對高些。

本研究還發(fā)現(xiàn)，2種林分不同林分密度植被下，各土層之間C∶N均無顯著差異性，且無明顯變化趨勢，說明該地區(qū)2種林分土壤C∶N受林分密度影響較小，相對比較穩(wěn)定，主要是因為有機碳和全氮是植物的結(jié)構(gòu)性成分，植物會以固定的比值吸收土壤中的有機碳和全氮，并且在植物凋落死亡時全部返還給土壤，因此，使得土壤中C∶N相對穩(wěn)定[26，27]。土壤中C∶P是衡量土壤磷有效性的指標(biāo)之一，本研究中2種林分類型下C∶P均在高密度林分下最大，且顯著大于中密度林分和低密度林分，中密度林分和低密度林分C∶P相互之間差異不顯著，在相同密度下土壤C∶P均隨土層深度的增加而減小，在0～20 cm深度的土層比值最大且顯著大于其他土層，這與張萍等、章廣琦等研究結(jié)果一致[28，29]，這主要是因為在全磷含量基本保持不變情況下，有機碳含量的不斷增加決定了C∶P水平。本研究中2種林分類型下N∶P均在高密度林分下最大，且顯著大于中密度林分和低密度林分，而中密度林分和低密度林分N∶P無顯著變化，且相互之間差異不顯著，其變化趨勢與C∶P變化趨勢一致，主要是因為全磷含量不變，使得林分對全氮含量的影響直接影響N∶P水平。

綜上所述，不同林型、不同林分密度植被下的各深度土層養(yǎng)分含量有所差異，闊葉混交林土壤中有機碳、全氮和全磷含量高于針闊混交林，有機碳和全氮在高密度林分植被下0～20 cm深度土層含量最大，全磷在中密度林分植被下20～40 cm深度土層含量最大。不同林分密度植被下，各土層之間C∶N均無顯著差異性，C∶P和N∶P均在高密度林分下最大，且顯著大于中密度林分和低密度林分，并且均隨土層深度的增加而減小，在0～20 cm深度土層比值最大且顯著大于其他土層。該研究結(jié)果可為闊葉混交林和針闊混交林的林分管理提供理論基礎(chǔ)。