不同林龄长白落叶松人工林土壤肥力1)

杨晓娟 王海燕 刘 玲 李 旭 李卫松

(教育部水土保持与荒漠化防治重点实验室(北京林业大学)，北京，100083)

长期以来，土壤肥力一直是土壤学研究的重点内容之一［1-2］。土壤肥力作为土壤健康的重要组成部分，是土壤的基本属性和本质特征的反映，是土壤从营养条件与环境条件方面供应与协调植物生长的能力，表现为直接为植物生长提供必需的物质养分与机械支撑［3］。在森林生态系统中，森林土壤是维持林木健康生长的基质，其肥力特征影响并控制着林木的健康状态［4］。森林退化与土壤肥力的衰退有密切的联系［5］。因此，了解森林土壤肥力特征，可及时为森林健康经营提供依据。

东北林区是我国重要的木材生产基地，占全国森林面积的31.4%，由于长期追求木材生产，该区天然林的面积逐渐减少，人工林的面积不断增加［6］。长白落叶松(LarixolgensisHerry.)是东北林区主要用材树种之一，也是吉林省森林资源的重要组成部分，自20世纪50年代开始营造了大面积纯林。然而，由于造林树种单一，林分结构简单等原因，长白落叶松人工纯林的土壤肥力衰退趋势日益明显。以往有关落叶松的研究主要集中在落叶松人工林地力衰退机理［7-9］和生物碳储量［10-13］方面，而对长白落叶松人工林土壤肥力及其随林龄变化的研究还比较少。因此，本研究选取吉林省汪清林业局金仓林场不同林龄长白落叶松人工林进行土壤肥力特征变化研究，以期了解不同林龄长白落叶松人工林土壤理化性质，对不同林龄长白落叶松人工林的土壤肥力进行评估;探讨影响土壤肥力的生物和非生物因子，如土壤有机质、土壤全氮和土壤水分、林龄等对土壤性质变化的影响，为长白落叶松人工林的合理经营提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于吉林省汪清林业局金仓林场(130°26'～130°35'E，43°18'～43°23'N)，属于长白山系的中低丘陵区，区内的地形中部高、四周低，平均海拔为806 m。该区域地处北温带季风区，属大陆性季风气候。年平均温度3.9℃，年日照时间2 351 h，无霜期110～130 d。降水很丰富，年平均降水量547 mm，其中60%～70%集中在6—9月份。该地区的土壤分布伴其地貌、植被、气候等自然因素的变化而不同，以针叶林灰棕壤和灰棕壤为主，其次为灰化土，土壤垂直变化明显。林场内的长白落叶松人工林树种较单一，长白落叶松蓄积量占90%以上，为绝对优势树种。林下灌木主要有绣线菊(Spiraea salicifoliaL.)、野刺玫(RosadavuricaPall)、珍珠梅(Sorbariakirilowii(Regel)Maxim))、金花忍冬(LonicerachrysanthaTurcz.)、刺五加(Acanthopanax senticosus(Rupr.et Maxim.)Harms.)等，平均盖度为28%。草本主要有龙须草(PoasphondylodesTrin.)、酸浆草(OxaliscorniculataLinn.)、小叶芹(AegopodiumalpestreLedeb.)、野 草 莓 (Fragaria ananassaDuch.)、蕨(Pteridiumaguilinum(L.)Kuhn)等，平均盖度为68%。

2 材料与方法

2.1 样地调查

金仓林场内的长白落叶松人工林经过人工抚育管理及自然稀疏，林龄分布15～52 a，包括幼、中、近熟、成熟4个龄组［14］。于2011年植物生长盛季(8月)在该研究区选择典型的长白落叶松人工林分设置样地，根据海拔、坡向、土层厚度等相似的原则实现立地条件的相近。其中，中龄林、近熟林、成熟林都有不同程度的采伐。每个龄组选取3块有代表性的、面积为0.025 hm2的圆形样地。样地土壤均为针叶林灰棕壤。样地调查因子包括：林龄、坡度、海拔、株数密度、郁闭度、平均树高、平均胸径。样地基本概况见表1。

2.2 土壤样品的采集与处理

在各样地内，以“S”形路线，选取5～7个采样点，用土钻分别取0＜土壤深度(h)≤20 cm、20 cm＜h≤40 cm和40 cm＜h≤60 cm的土壤，按不同层次将各样点土壤放在塑料薄膜上混匀，四分法取1.0 kg待测土样，装入布袋，贴上标签，即为样地内0＜h≤20 cm、20 cm＜h≤40 cm 和40 cm＜h≤60 cm 的混合土样。混合土样经风干、去除杂质后，磨细过2.00、1.00、0.25 mm的土壤筛，用于测定土壤基本理化性质。

表1 长白落叶松人工林样地概况

2.3 土壤样品基本理化性质测定

环刀取样测定土壤密度及自然含水量;酸度计法(m(水)∶m(土)=2.5∶1)测定土壤 pH 值;外加热重铬酸钾氧化—容量法测定土壤有机质;硫酸—高氯酸消煮—凯氏定氮仪法测定土壤全氮;硫酸—高氯酸消煮—钼锑抗比色法测定土壤全磷;氢氧化钠熔融—火焰光度计法测定土壤全钾;氟化铵—盐酸—钼锑抗比色法测定土壤有效磷;中性乙酸铵浸提—火焰光度计法［15］测定土壤速效钾。

2.4 数据处理

应用Excel2007和SPSS18.0软件对所获得数据进行单因素方差分析、相关性分析、主成分分析［16］。

3 结果与分析

3.1 不同林龄长白落叶松人工林土壤肥力因子的变异程度

土壤物理性质的变异特点土壤密度是土壤紧实度的敏感性指标，是表征土壤肥力质量的一个重要参数［17］。不同林龄长白落叶松人工林的土壤密度的变异系数在13%左右(表2)，属于弱度变异。土壤自然含水量的变异系数介于35%～79%。方差分析及多重比较结果表明，龄组对土壤密度和含水量影响显著(P＜0.05)，其中，中龄林的土壤密度显著低于幼龄林和近熟林，其含水量显著高于幼龄林和成熟林。

土壤pH值的变异特点土壤酸碱性对土壤肥力性质有较大的影响，是影响植物生长的重要因素，土壤有机质的分解、养分元素释放与转化以及土壤元素迁移等都与酸碱度有关［18］。不同林龄长白落叶松人工林土壤的pH值分布范围为5.10～6.12(表3)，均为酸性土壤。不同龄组的变异系数在2%左右，属弱度变异。从龄组变化来看，中龄林林地的土壤pH值显著低于幼龄林，成熟林林地土壤pH值显著高于中龄林和近熟林，可见，随着林龄增加，土壤有酸化的趋势，但近熟林到成熟林pH值又有一定的上升趋势。

表2 不同林龄长白落叶松人工林土壤物理性质的描述统计

表3 不同林龄长白落叶松人工林土壤pH值的描述统计

土壤有机质的变异特点不同林龄长白落叶松人工林土壤有机质质量分数的变化范围为5.09～72.00 g·kg-1，其中最大值为最小值的 14.15 倍;幼龄林的土壤有机质变异系数最大，为88.59%，其次是成熟林，为61.75%，中龄林和近熟林的土壤有机质变异系数在50%左右，都属于中度变异(表4)。土壤有机质的平均质量分数随林龄的增加呈现先增加后减小的趋势，其中，中龄林的土壤有机质质量分数高于其他3个龄组的，且显著高于近熟林，这与陈立新的研究结果一致［19］。

表4 不同林龄长白落叶松人工林土壤有机质的描述统计

土壤氮素的变异特点除长白落叶松中龄林的土壤全氮质量分数变异系数为43.54%以外，幼龄林、近熟林和成熟林的土壤全氮变异系数均在70%左右(表5)。其平均值随着林龄的增加呈现先增加后降低的趋势，其中，中龄林的土壤全氮质量分数最高。这一变化趋势与土壤有机质的一致，但不同龄组的土壤全氮质量分数差异不显著。

表5 不同林龄长白落叶松人工林土壤氮素的描述统计

土壤磷素的变异特点不同林龄土壤全磷的变异系数为27.27%～33.33%，而土壤有效磷的变异系数为21.42%～48.10%，全磷的变异程度明显低于同一龄组的有效磷(表6)。其中，中龄林的土壤全磷质量分数显著高于近熟林，其有效磷质量分数显著高于近熟林和成熟林 ，二者随林龄增加的变化趋势相同，都先升高后降低，中龄林达到最高。

表6 不同林龄长白落叶松人工林土壤磷素的描述统计

土壤钾素的变异特点土壤全钾质量分数的变异系数为5.48%～14.64%，明显低于相应龄组土壤速效钾的变异系数(表7)。从林龄梯度来看，除近熟林土壤全钾质量分数为19.12 g·kg-1外，其他龄组的土壤全钾平均质量分数均接近于25.00 g·kg-1，近熟林的土壤全钾质量分数显著低于其他龄组;中龄林土壤速效钾质量分数最高，为110.00 mg·kg-1，高于其他3个龄组，且显著高于近熟林。全钾和速效钾质量分数随林龄增加的变化趋势相同。

3.2 土壤肥力评价因子相关性

对0～60 cm的土壤肥力评价因子进行相关性分析(表8)的结果表明：土壤因子之间有着密切关系。土壤密度与土壤含水量、土壤有机质、全氮、全磷和速效钾质量分数呈极显著负相关，与pH值呈显著正相关;土壤含水量与pH值呈极显著负相关。土壤pH值与土壤有机质、全氮和全磷质量分数呈显著负相关，说明土壤pH值明显影响土壤有机质、全氮和全磷质量分数。土壤有机质质量分数分别与全氮、全磷、全钾和速效钾质量分数呈极显著正相关，与有效磷质量分数呈显著正相关，即有机质质量分数越高，土壤的全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾质量分数也越高，从而解释了描述性分析中，土壤全氮量、土壤磷素和土壤钾素的变化趋势与土壤有机质的变化趋势一致的现象。另外，全磷、全钾、有效磷和速效钾之间也呈极显著正相关。可见，土壤中各种养分的质量分数是有相关性的，单一养分质量分数的减少，也会影响土壤中其他养分的供应。不同林龄长白落叶松人工林土壤的物理、化学因子之间存在着显著相关关系，可用来综合反映土壤肥力水平。

表7 不同林龄长白落叶松人工林土壤钾素的描述统计

表8 土壤肥力评价因子的相关系数(n=36)

3.3 不同林龄长白落叶松人工林土壤肥力综合评价

土壤肥力的评价是设计和评价持续性土壤及土地管理系统的一个基础，土壤肥力评价首先要确定有效、可靠、可重复及可接受的指标，建立全面评价土壤肥力的框架体系［20］。本研究以土壤密度、土壤含水量、pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷及速效钾这9个指标作为土壤肥力的评价体系，对土壤肥力进行综合评价。由于土壤肥力评价因子之间的相关性很强，本研究采用主成分分析法对长白落叶松人工林的土壤肥力质量进行综合评价。以各主成分特征贡献率为权重，加权计算评价指标而得到综合分值。根据主成分累积贡献率达到85%为宜的原则［21］提取主成分，获取主要信息，从而降低观测空间的维数，分析结果见表9。第1主成分的方差贡献率最大，为49.258%，第2主成分的方差贡献率为21.479%，第3主成分和第4主成分的方差贡献率分别为9.217%和7.500%，前4个主成分的累积贡献率为87.454%，因此，前4个主成分的综合指标基本能反映土壤肥力评价系统内的变异信息。即取前4个主成分基本包含了全部9个评价因子所有的信息，可以较好地反映土壤肥力质量的综合状况。最终，计算出各样地的肥力综合得分，根据每个龄组3块样地得分的平均值计算出长白落叶松人工林各龄组的土壤肥力综合指数，得出幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林的综合得分分别为：0.188、0.404、-0.599、0.006。土壤肥力由高到低为中龄林、幼龄林、成熟林、近熟林(见表10)。

表9 土壤肥力指标主成分分析

表10 不同林龄长白落叶松人工林土壤肥力水平综合得分

4 结论与讨论

4.1 不同龄组长白落叶松人工林土壤肥力因子的变化

不同龄组长白落叶松人工林土壤密度的变异系数差异不显著，均为13%左右，属于弱度变异。其中，中龄林的土壤密度最小，土壤含水量随着林龄的增加呈现先增加后降低的趋势，中龄林的土壤含水量达到最高;幼龄林和近熟林的土壤密度相对较高，对土壤的肥力状况及林木的生长有一定的影响。长白落叶松人工林的土壤为酸性，pH值的变异系数低于其他肥力因子，这与Fu等研究北京地区土壤性质的结果一致［22］，可能是由于研究样地内地上植被都比较单一，使得土壤pH值变异系数较小。从森林土壤的特点来看，针叶树种的凋落物在分解过程中可产生有机酸，并向矿质土层淋洗，使得长白落叶松林地土壤呈酸性，而土壤pH值的变化极大地影响着土壤养分的有效性和植被的营养状态，因此，可通过营林措施如保针引阔，营造针阔混交林，通过改变树种组成，间接改变凋落物组成来提高土壤pH值，进而提高长白落叶松人工林土壤其他养分的有效性。

长白落叶松人工林土壤有机质的平均质量分数随林龄的增加呈现先增加后减小的趋势，其中，中龄林的土壤有机质质量分数高于其他3个龄组的，且显著高于近熟林。由于森林土壤有机质主要来源于森林凋落物，长白落叶松中龄林的凋落物量比完全郁闭的幼龄林和林分密度过小的近熟林和成熟林都大，从而有机质质量分数也就最高。

在森林生态系统中，土壤氮素来源于土壤有机质的转化、大气干湿沉降和生物固氮等，森林土壤氮素的缺乏几乎是普遍的，而且随着造林立地质量的下降，有效氮素缺乏的程度将进一步加大［23］。本研究中长白落叶松人工林土壤全氮质量分数均低于1.30 g·kg-1，且土壤无机氮又以易淋洗的NO-3为主［24］，因此，长白落叶松人工林的土壤氮水平可能影响到植物的健康生长。4个龄组全氮质量分数的均值随着林龄的增加呈现先增加后降低的趋势，其中，中龄林的土壤全氮质量分数最高。磷也是植物生长所必需的主要元素之一，主要来源于林地凋落物的矿化以及土壤矿质颗粒的风化过程。本研究表明，所有样地全磷质量分数均低于0.60 g·kg-1，有效磷质量分数除近熟林为9.18 mg·kg-1外，其它3个龄级都超过14.00 mg·kg-1，可见，除了近熟林土壤磷素较缺乏外，其它3个龄组的土壤磷素均能满足长白落叶松的正常生长。由于土壤磷生物有效性过程缓慢［25］，通过化学肥料或菌根等生物途径促进土壤有效磷水平的提高十分必要，尤其是有效磷质量分数较低的近熟林。但钾从凋落物中释放的速度比较快，长石质岩类森林土壤矿物质所释放的钾素，可满足主要造林树种松、栎纯林的需要［26］。本研究中，除了近熟林土壤全钾质量分数为19.12 g·kg-1外，其他龄组的土壤全钾平均质量分数均接近于25.00 g·kg-1，因此，该研究区长白落叶松人工林的土壤钾相对丰富。中龄林土壤速效钾质量分数最高，为110.00 mg·kg-1，可能由于中龄林中凋落物相对较多，且经过适当的疏伐，林分郁闭度降低，光照增强，地面温度升高，使得生物活动增强，从而加快了钾从凋落物中释放的速度。由于土壤氮素、磷素和钾素质量分数与土壤有机质有极显著的相关性，因此，了解土壤有机质的动态变化有利于对土壤氮变化的监测，增加土壤有机质，可增加土壤氮、磷和钾的供应。

4.2 不同龄组长白落叶松人工林的土壤肥力质量综合分析

长白落叶松中龄人工林的土壤肥力最高，其次为幼龄林、成熟林，最低为近熟林。这与陈立新等的研究结果(近熟林最高)不同［9］，可能是由于林分密度及采伐情况的差异所导致。本研究中，幼龄林密度过大，郁闭度较高，林地光照很弱，且凋落物少，长白落叶松生长需要养分较多，使得幼龄林的凋落物产生量大于分解量，土壤肥力耗损大于归还，从而导致土壤整体肥力较低。中龄林经过间伐后，使得林分密度比幼龄林减少一半，郁闭度相对减小，林地光照增强，地面温度升高，生物活动增强，凋落物量也增加，凋落物的分解加快，这样，土壤养分质量分数提高，养分消耗与归还能够保持平衡，整体肥力状况也有所改善。可见，此时正是长白落叶松人工林小径材间伐抚育的时期，如能及时加强管理，恢复林下植被，可以维持甚至提高一定的土壤肥力水平，这与闫德仁等的研究结果一致［27］。到长白落叶松近熟林及成熟林阶段，由于过度采伐，林分密度急剧降低，凋落物也减少，土壤微生物数量、类群及土壤酶活性与中龄林相比发生了根本性变化。另外林木消耗量增加，土壤养分的消耗与归还失衡，土壤肥力水平降低。可见，经过适度抚育间伐，长白落叶松人工林林地的土壤肥力能够提高，但过度采伐也能降低其肥力水平。

4.3 经营建议及展望

在经营现有长白落叶松人工林时，要注意确定不同龄组合理的林分密度，尤其是肥力水平较低的幼龄林，应适当地抚育间伐。另外，应该加强林地管理，促进地被物的分解及其营养物质的释放，以利于地力的恢复。对于肥力水平最低的近熟林，可及时人工补植，使其向复层林方向发展，或采取林地施肥等措施，从而保证林木的正常生长和发育，提高林分的生产力。但采取林地施肥能否防止或改善长白落叶松人工林地力衰退还有待进一步研究。对于成熟林，在采伐后，应尽快更新长白落叶松人工林，以保护和改善土壤的肥力性质。同时尽量营造针阔混交林，防止针叶林地土壤酸化。

本研究采用土壤理化性质作为反映不同林龄长白落叶松人工林土壤肥力的指标，目的是为了将不同林龄的长白落叶松与土壤肥力有机地结合起来，以便研究不同林龄长白落叶松人工林的合理经营方式。但如何更好地选用与土壤肥力相关的指标，还有待于进一步研究。该研究只对金仓林场内的长白落叶松人工林地进行了一次性的取样分析，若能对该研究区不同林龄下的土壤肥力、生产力等方面进行长期定位调查分析，并结合当地林下植被类型进行综合研究，建立动态监测体系，则可以了解各龄组长白落叶松人工林土壤肥力状况的动态变化，揭示林龄对长白落叶松土壤肥力的影响，进一步得出不同林龄长白落叶松人工林的合理经营方式。

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