影响油松人工林土壤质量的关键指标

陈 雪，马履一，贾忠奎，段 劼，王 伟，王 凯

影响油松人工林土壤质量的关键指标

陈 雪，马履一，贾忠奎，段 劼，王 伟，王 凯

（北京林业大学 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室, 北京100083）

为探讨影响油松人工林土壤质量的关键指标，分别对28～31年生、42年生和53年生油松人工林0～10 cm、10～20 cm、20～50 cm土层土壤物理性质、化学性质及生物活性进行测定和分析。结果表明：（1）不同林龄土壤的物理和化学性质存在显著差异，随林龄的增加，土壤水分、养分和交换性能逐渐增加，而容重却下降了10.69%～12.41%；（2）不同林龄土壤生物活性存在一定差异，除多酚氧化酶外，过氧化氢酶、脲酶和微生物数量均随林龄的增长而增加；（3）土壤养分、交换性能及酶活性随土层深度的增加逐渐减低；（4）主成分分析结果显示，土壤含水量、毛管孔隙度、有机质、盐基饱和度以及微生物数量可解释83%以上的土壤信息，可作为影响油松人工林土壤质量的关键指标。

油松人工林；森林土壤；物理化学性质；酶活性；微生物数量

随着全球森林资源的不断减少，森林土壤作为森林生态系统的重要组成部分，其质量的好坏对森林生长力和健康的影响受到世界各国的关注[1-3]。长期以来土壤物理和化学性质，一直被普遍认为是影响森林土壤质量的重要指标，特别是土壤水和养分对林木生长具有重要作用。近年来，国内外对于土壤酶活性和微生物的研究也日益增多[4-5]，土壤酶系统是森林生态系统物质循环和能量流动等生态过程中最为活跃的生物活性物质，而土壤微生物是土壤养分转化和循环的动力，与土壤呼吸密切相关[6]。一些研究证实，土壤养分、酶活性和微生物密切相关[7-11]，可作为影响森林土壤质量的重要指标。油松是我国特有树种，也是我国北方温带地区针叶林中分布最广的生物群落[12-13]，其林分质量与土壤密切相关。目前我国对油松人工林土壤已经做了许多研究，然而至今未有人总结出影响油松人工林土壤质量的关键性指标。本研究通过对河北平泉地区不同林龄油松人工林土壤物理性质、化学性质、酶活性和微生物数量的进行研究，深入分析了目前我国北方地区油松人工林土壤质量，综合森林土壤各项评价指标，以期总结出制约油松人工林土壤质量的关键因子，为油松林土壤质量的提升提供基础数据和理论依据。

1 研究地概况

研究地点为北京林业大学北方现代林业综合实验基地，位于河北省平泉县黄土梁子林场（41°13′N，118°41′E），是冀、辽、蒙三省交界的辽河源头，也是燕山山地生态屏障的重要组成部分。该地区海拔约660 m，属中温带大陆性干旱季风山地气候，年平均气温6.6 ℃，平均降水量540 mm。土壤类型为含石砾较多的山地褐土。当地主要造林树种为油松Pinus tabulaeformis、落叶松Pinaceae larix、刺槐Leguminosae robinia等，其中油松人工林面积达8 901.85 hm2，占当地林分总面积的61.6%。油松人工林下主要植被类型主要为披针叶苔草 Carex lancifolia、木香薷Elsholtzia stauntoni、小檗Berberidaceae Berberis、龙牙草Agrimonia pilosa等。

2 研究方法

2.1 土样采集

2011年5月进行外业调查，选择立地条件基本一致的阴坡、半阴坡28～31年、42年和53年共3种林龄的典型油松人工林作为研究对象，分别设置3块规格为50 m×60 m的样地共9块，样地基本情况见表1。

表1 样地基本情况Table 1 Basic conditions of sample plots

按混合法采集0～10 cm、10～20 cm、20～50 cm的土壤样本，去除石块、根系和土壤动物，部分保存于4 ℃冰箱中用于土壤微生物的测定，其余土样经风干后过筛备用。

2.2 土样分析

土壤容重、含水量、毛管孔隙度等物理性质的测定参照《土壤理化分析》[14]，土壤全氮、全钾、有效磷、有机质、pH值、交换性能的测定参照《土壤农化分析》[15]。土壤酶活性采用关松荫法[16]：过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法，酶活性以20 min后1 g土壤的0.1 N高锰酸钾的毫升数表示；多酚氧化酶采用邻苯三酚比色法，酶活性以2 h后1 g土壤中紫色没食子素的毫克数表示；脲酶采用采用靛酚比色法，酶活性以24 h后100 g土壤中氨态氮的毫克数表示。细菌、真菌、放线菌均采用稀释平板法，细菌采用牛肉膏琼脂培养基，放线菌采用高氏1号培养基，真菌采用蛋白胨琼脂培养基。

2.3 数据处理

实验数据采用SPSS统计软件分析，主要采用单因素方差分析法和主成分分析法。

3 结果与分析

3.1 土壤物理性质分析

土壤物理性质包括土壤孔性、结构性以及土壤水分特征，表征土壤透气性和渗透性的好坏，直接影响林地植物对营养元素和水分的吸收利用。本试验区不同林龄油松人工林表层土壤（0～10 cm、10～20 cm）的物理性质测定结果见表2。

表2 不同林龄油松人工林的土壤物理性质†Table 2 Soil physical properties of different age P. tabulaeformis plantations

由表2可知，不同林龄油松人工林土壤物理性质存在明显差异。土壤容重随林龄的增加逐渐减小，而含水量、毛管孔隙度和毛管持水量则随林龄的增加在0～10 cm、10～20 cm土层均有所增加。其中，以林分Ⅲ土壤含水量最大，0～10 cm和10～20 cm土层含水量分别为13.63%和15.21%，显著高于其他两个林分。而就不同土层各物理指标的变化趋势来看，土壤容重、含水量、毛管持水量以10～20cm土层较大，而土壤毛管孔隙度则刚好相反，这是由于林下草灌根系主要集中在0～10 cm土层内，致使该层土壤容重较小、孔隙度较大，然而0～10 cm表土层水分蒸发较快，导致土壤水含量降低。

3.2 土壤化学性质分析

土壤养分是反映土壤肥力的重要指标，是林木生长发育所必需的物质基础，同时也是土壤因子中易于被控制和调节的因子。其中，土壤有机质是土壤养分的主要来源，由表3可知，林分Ⅲ:0～10 cm、10～20 cm、20～50 cm三个土层有机质含量最高，分别是22.78 g/kg、12.18 g/kg和6.38 g/kg，高出林分Ⅰ相应层次的127.35%、78.85%和64.43%，林分Ⅱ的21.75%、4.55%和0.16%，即林分Ⅲ土壤有机质含量显著高于其他林分。不同林龄土壤全氮、全钾、有效磷含量的变化规律与土壤有机质的变化相似。综合分析认为，林分Ⅲ（53年）土壤化学性质最好，这可能与该林龄林分密度较低，光照充足使得林下植被资源丰富，增加林下凋落物种类与数量，土壤微生物活动频繁，土壤肥力状况较好有关。

土壤pH值是表征土壤活性酸的重要指标，对养分的固定与释放具有重要作用。由表3可知，不同林龄油松人工林土壤pH值差异显著，即随林龄的增长，pH值逐渐降低。林分Ⅰ0～10 cm、10～20 cm、20～50 cm土层pH值分别高于林分Ⅱ相应土层0.12、0.14和0.12个pH值单位，高于林分Ⅲ0.43、0.39和0.39个pH值单位。在同一区域内不同林龄间，随着林龄的增加，林内腐殖质化程度较高，在针叶林中导致土壤酸度增加，即pH值随林龄的增加而降低。

表3 不同林龄油松人工林土壤化学性质Table 3 Soil chemical properties of different age P. tabulaeformis plantations

土壤交换性能是土壤胶体的属性，因粘土矿物和腐殖质性质和数量的不同有所差异，决定森林土壤保肥、供肥能力。由表3可知，林分Ⅲ土壤交换性能与其他两个林龄差异显著，其中0～10 cm土层盐基饱和度显著低于林分Ⅰ相应土层的12.62%，低于林分Ⅱ15.02%。从土层深度来看，0～10 cm土层阳离子交换量、交换性盐基总量和盐基饱和度均大于10～20 cm和20～50 cm，其中林分Ⅲ0～10 cm土层交换性盐基总量和盐基饱和度变化最为明显，高出10～20 cm土层的41.11%和44.35%，20～50 cm土层的109.92%和107.34%。这是由于林下植被的生物富积作用使表层土壤盐基总量有所增加。

3.3 土壤生物活性分析

3.3.1 土壤酶活性分析

森林土壤酶系统是森林土壤中生物活动的产物，其活性与土壤理化性质和环境条件密切相关，已经成为土壤质量生物指标中优先考虑的指标之一[4-16]。过氧化氢酶和多酚氧化酶是两种重要的土壤氧化还原酶，前者是衡量土壤氧化过程的方向和强度指标，通过酶促过氧化氢的分解，防止其对生物体的毒害作用，后者可以将多酚类物质氧化分解成简单化合物，与氮素结合，表征土壤腐殖化程度[17]。脲酶是土壤中常见的水解酶，能促进尿素的水解，用以表征土壤氮素供应状况[9]。

表4显示，不同林龄油松人工林土壤酶活性存在差异。在0～10 cm土层中以林分Ⅲ过氧化氢酶和脲酶活性最强，分别达到5.74 ml/g和0.75 ml/g，林分Ⅰ最低，为5.23 ml/g和0.44 ml/g，即土壤过氧化氢酶、脲酶活性随树龄的增大有所增加。这可能与林分Ⅲ（53年）密度较低，光照充沛，林下生物多样性丰富，根系分泌物和凋落物的种类和组成繁多，为土壤生物提供有利生存环境有关。国内许多研究结果显示，林下不同植物群落会导致土壤中养分分布不同，致使土壤酶活性表现出一定差异[18]。合理的林分密度，可改善林下物种多样性，为土壤生物种群提供必需丰富的营养[4-5,19]。

表4 不同林龄油松人工林土壤酶活性Table 4 Soil enzyme activity in different age P. tabulaeformis plantations

而多酚氧化酶的变化刚好与前两者相反，以林分Ⅰ活性最大，0～10 cm处为1.30 ml/g，10～20 cm处为1.13 ml/g，20～50 cm处为0.89 ml/g，分别是林分Ⅱ相应土层的1.14倍、1.18倍和1.11倍，是林分Ⅲ的1.31倍、1.26倍和1.13倍。周礼恺[20]认为：土壤多酚氧化酶与土壤腐殖化程度呈负相关关系，即土壤有机质含量越高，多酚氧化酶活性越小，樟子松林土壤多酚氧化酶也得出一致结论[21]。

研究结果还显示，同一林龄不同土层间酶活性存在差异。由表4可知，0～10 cm土层土壤酶活性显著高于10～20 cm和20～50 cm土层，这与吕瑞恒等人的研究结果一致[22]。其中过氧化氢酶高出12.61%～32.07%，多酚氧化酶高出10.00%～46.07%，脲酶高出加30.77%～137.93%，可见脲酶对土层环境变化较为敏感。土壤酶在0～10cm土层的“聚集效应”可能与凋落物质量之间的差异以及植物根系分泌状况有关。

3.3.2 土壤微生物量分析

土壤微生物数量不但是土壤生物活性的重要指标，对土壤质量的变化也具有一定敏感度。由表5可知，土壤微生物在总体数量上以细菌为主，占总量的90%左右，其次是真菌，约占6%，放线菌最少，约为4%。在不同林龄油松人工林中，林分Ⅲ土壤微生物总量最多，为43.73×105个，分别是林分Ⅰ、Ⅱ的1.30、1.18倍。这是由于林分Ⅲ（53年）郁闭度较低，光照充足，林内水热条件适宜，林下乡土植被大量生长和繁衍，生物多样性增加，诱发了土壤微生物的增加。

表5 不同林龄油松人工林0～10 cm土层的微生物数量Table 5 Soil microbial quantity on 0～10 cm horizontal layer in different age P. tabulaeformis plantations

3.4 土壤质量评价指标分析

土壤物理性质、化学性质以及土壤酶活性和微生物之间存在密切关系，为了更好地评价油松人工林土壤质量，提出影响油松人工林土壤质量的关键指标，本文对研究区内的土壤信息系统的土壤容重、含水量、土壤养分、交换性能、土壤酶以及微生物共18个指标进行主成分分析（表6、7）。由表6可以看出，第1主成分方差贡献率最大，为50.444%，对整个土壤系统起着主导作用，第2主成分方差贡献率为16.519%，第3、4主成分方差贡献率分别为9.454%和7.127%。这5个主成分的累积贡献率为83.544%，且特征根均大于1，能够反映土壤各指标之间的关系。对各主成分进行的分权计算结果表明（表7），第1主成分主要综合了土壤含水量、全氮、有机质和微生物等信息，且累积贡献率超过50%，这说明土壤含水量、全氮、有机质和微生物数量可作为评价油松人工林土壤质量的重要评价指标。第2主成分综合了毛管持水量、pH值和阳离子交换量等信息，第3主成分主要反映了土壤交换性能的好坏，第4主成分反映了毛管孔隙度。综合分析认为，土壤含水量、毛管孔隙度、有机质、盐基饱和度以及微生物数量是影响油松人工林土壤质量的关键指标。

表6 土壤信息系统的主成分分析Table 6 Principal component analysis of soil information system

表7 土壤质量的特征向量分析Table 7 Eigenvectors analysis of soil quality

4 结论与讨论

(1)不同林龄油松人工林土壤物理性质性质有显著差异，土壤含水量、毛管孔隙度和毛管持水量随林龄的增加而增长，容重则呈相反变化趋势，以林分Ⅰ土壤容重最大，0～10 cm和10～20 cm土层分别高出林分Ⅱ相应土层的14.53%和13.22%，林分Ⅲ的13.91%和14.17%。这表明，除土壤容重外，其他土壤物理指标质在不同林龄油松人工林的变化规律一致。

(2)不同林龄油松人工林土壤化学性质有显著差异。其中土壤养分含量随林龄的增加而增加，以林分Ⅲ土壤养分含量最高，是林分Ⅰ的1.25～12.52倍，林分Ⅱ的1.13～1.90倍。油松人工林土壤交换性能在不同林龄间差异不显著，但就不同土层而言，土壤交换性能存在一定差异，0～10 cm土层土壤交换性能明显强于10～20 cm和20～50 cm土层，这与表层植被的生物富积作用有关。

(3)油松人工林土壤生物活性在不同林龄间差异显著。其中过氧化氢酶、脲酶以及微生物数量随着林龄的增加而增加，林分Ⅲ土壤微生物总量可达43.73×105个，是林分Ⅰ、Ⅱ的1.30、1.18倍。这与林分Ⅲ（53年）密度低，郁闭度小，林内光照充足，水湿条件改善，林下乡土植被大量繁衍，导致微生物和酶活性提高有关。因此，合理的林分密度可改善林地环境条件，促进林木生长和林分健康，对油松人工林进行合理的抚育间伐是当前提高土壤质量的重要途径。

(4)在土壤物理性质、化学性质以及生物活性构成的土壤质量评价体系中，土壤含水量、毛管孔隙度、有机质、盐基饱和度以及微生物数量所解释的土壤信息高达83%以上，因此可将土壤含水量、毛管孔隙度、有机质、盐基饱和度以及微生物数量作为影响油松人工林土壤质量的关键指标。

[1] Schoenholti S H, Vanmiegroeth, Burger J A. Areview of chemical and physical properties as indicators of forest soil quality:Challenges and opportunity [J].Forest Ecology and Management, 2000, 138: 335-356.

[2] Power R F,Andrew S D,Sanchez F G, et al. The North American long term soil productivity experiment:Findings from the first decade of research[J]. Forest Ecology and Management, 2005,220:31-50.

[3] 陆元昌.森林健康状态监测技术体系综述[J].世界林业研究,2003,16(1): 20-25.

[4] 杨万勤,王开运.森林土壤酶的研究进展[J].林业科学,2004,40(2):152-159.

[5] 李国雷,刘 勇,甘 敬,等.飞播油松林地土壤酶活性对间伐强度的季节响应[J].北京林业大学学报:2008,30(2):82-88.

[6] 唐 洁,李志辉,汤玉喜,等.洞庭湖滩地土壤微生物与土壤呼吸特征分析[J].中南林业科技大学学报,2011,31(4):20-24.

[7] Aon M A, Colaneri A C. Temporal and spatial evolution of enzyme activities and physio-chemical properties in an agricultural soil [J].Applied Soil Ecology, 2001,18(3):255.

[8] Rosm, Hermandez T, Carcia C. Soil microbial activity afterrestoration of a semiarid soil by organic amendents[J].Soil Biology & Biochemistry, 2003, 35(3):463-469.

[9] 付 刚,刘增文,崔芳芳.秦岭山区典型人工林土壤酶活性、微生物及其与土壤养分的关系[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2008,36(10):88-94.

[10] 许景伟,王卫东,李 成.不同类型黑松混交林土壤微生物、酶及其与土壤养分关系的研究[J].北京林业大学学报, 2000,22(1): 51-55.

[11] 陈彩虹, 叶道碧. 4种人工林土壤酶活性与养分的相关性研究[J].中南林业科技大学学报,2010,30(6): 64-68.

[12] 吴 刚,冯宗炜.中国油松林群落特征及生物量的研究[J].生态学报,1994,14(4): 415-422.

[13] 李国雷,刘 勇,于海群,等.油松人工林林下植被发育对油松生长节律的响应[J].生态学报,2003,29 (3):1264-1275.

[14] 中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海:上海科学技术出版社,1980:68-69.

[15] Bao S D.Soil and agricultural chemistry analysis[M].Beijing:China Agricultural Press, 2005:34-110.

[16] 关松荫.土壤酶及其研究法[M].北京:农业出版社,1986.

[17] 中国科学院南京土壤研究所微生物室.土壤微生物研究法[M].北京:科学出版社,1985:265-267.

[18] 胡 斌,段昌群,王震洪,等.植被恢复措施对退化生态系统土壤酶活性及肥力的影响[J].土壤学报, 2002,39(4):604-608.[19] 张鼎华,叶章发,范必有,等.抚育间伐对人工林土壤肥力的影响[J].应用生态学报,2001,12(5):672-676.

[20] 周礼恺.土壤酶学[M].北京:科学出版社,1987.

[21] 杨 涛,徐 慧,李 慧,等.樟子松人工林土壤养分、微生物及酶活性的研究[J].水土保持学报,2005,19(3):50-53.

[22] 吕瑞恒,刘 勇,于海群,等.北京山区不同林分类型土壤肥力的研究[J].北京林业大学学报,:2009,31(6):159-163.

Study of key indexes affecting soil quality in Pinus tabulaeformis plantations

CHEN Xue, MA Lu-yi, JIA Zhong-kui, DUAN Jie, WANG Wei, WANG Kai
(Province and Ministries Co-construction Key Lab. for Silviculture and Conservation of Ministry of Education, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

In order to approach the key indexes affecting soil quality in Pinus tabulaeformis plantations, the soil physical and chemical properties and bioactivities were investigated on 0～10 cm,10～20 cm and 20～50 cm horizontal layers in 28～31-year-old,42-year-old and 53-year-old P. tabulaeformis plantations. The results are as followings: (1) the differences of soil physical and chemical properties among different ages P. tabulaeformis plantations were significant, the soil’s water content, nutrient and exchange properties increased with the rise of forest age, but the volume weight of soil reduced by 10.69%～12.41%. (2) there existed differences of bioactivities in different age forest soil, catalase content, urease content and microbial quantity increased with forest age, except polyphenol oxidase. (3) the soil’s nutrient, exchange properties and enzyme activities decreased with the depth of soil.（4）the results from principle component analysis reveal that soil water content, capillary porosity, soil organic matter, base saturation and microbial quantity could explain more than 83% of the information of soil, so they can be considered as the key indexes affecting soil quality in Pinus tabulaeformis plantations.

Pinus tabulaeformis plantation；forest soil；physical and chemical property；enzyme activity；microbial quantity

S791.254

A

1673-923X(2012)08-0046-06

2012-05-01

林业公益性行业科研专项经费项目（201004021）；中央高校基本科研业务费专项资金（BLJD200904）；林业科技成果推广项目（2011-44）

陈 雪（1988—），女，北京人，硕士研究生，主要从事森林培育方面的研究；E-mail:game5560@sina.com

马履一（1957—），男，云南大理人，博士，教授，主要从事森林培育方面的研究；E-mail：maluyi@bjfu.edu.cn贾忠奎(1976―)，男，辽宁鞍山人，博士，副教授，主要从事森林培育方面的研究；E-mail：jiazk@bjfu.edu.cn

[本文编校：文凤鸣]