不同林龄杉木纯林林下生物量与土壤理化性质的相关性1)

郭 琦 王新杰 衣晓丹

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

杉木是我国南方特有的速生丰产树种。目前杉木人工林的面积已达768.31 万hm2，占南方人工林面积的60% ～80%［1］。由于杉木林全垦整地、炼山、纯林短期轮伐、多代栽植，以及该树种特有的生物学特性等，导致土壤逐渐板结，养分含量急剧下降，生物学活性显著降低，致使林地生产力不断下降，地力衰退日趋严重［1－4］。20 世纪50年代至今，蓄积量从63 m3/hm2减少到22 m3/hm2，林地肥力下降了1 ～2 个地位级指数［5］。

林下生物量包括林下植被和林下凋落物。林下生物是森林生态系统中的一个重要组成部分，促进人工林养分循环和维护林地地力具有不可忽视的作用［6－7］。凋落物作为养分的基本载体，在养分循环中是连接植物与土壤的纽带，因而，凋落物在养分循环和维持土壤肥力方面，凋落物有着特别重要的作用［8］。

通过研究林下生物量，分析不同林龄杉木人工林土壤理化性质的变化，探讨林下生物与杉木人工林土壤理化性质的关系及影响，为杉木人工林地力恢复提供更多思路。

1 调查地概况

研究地位于福建省三明市将乐县，地理坐标东经117°05' ～117°40'，北纬26°26' ～27°04'，属中亚热带季风气候。海拔400 ～800 m，土壤为山地红壤。平均气温18.8 ℃，年均降水量1 600 mm，降水大多集中在3—8月份。无霜期为171 d，年均相对湿度为83%。主要乔木树种有:杉木(Cunninghamia lanceolata)、马尾松(Pinus massoniana Lamb.)、火力楠(Michelia macclurei Dandy)、樟树(Cinnamomum camphora (L.)Presl)等。林下灌木种类主要有:苦竹(Pleioblastus amarus)、粗叶榕(Ficus hirta Vahl)、黄毛楤木(Aralia decaisneana Hance)、黄瑞木(Adinandra millettii)、短尾越橘(Vaccinium carlesii Dunn)、檵木(Loropetalum chinensis)等。草本种类有:乌毛蕨(Blechnum orientale Linn.)、乌蕨(Stenoloma chusanum)、芒萁(Dicranopteris dichotoma)、狗脊蕨(Woodwardia japonica)、黑莎草(Gahnia tristis nees)、铁线蕨(Adiantum capillus-veneris Linn.)等。

2 研究方法

2.1 试验地设置

2012年分别在杉木幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林内设置标准地，每种类型设置3 个标准样地，标准地面积为20 m ×30 m。在标准地4 个角设置4 个面积为5 m×5 m 的灌木样方，在灌木样方4 个角和中央设置5 个面积为1 m ×1 m 的草本样方;在标准地靠近四角和中央位置设置5 个1 m×1 m 凋落物样方。

2.2 林下生物量测定

植被生物量测定:在灌木样方内调查灌木种类、数量、株高、地径等内容;每个5 m×5 m 灌木样方内每种灌木选取样株分为茎、叶、根3 部分测定生物量，称取各部分质量;在标准地设置的1 m ×1 m 草本样方内，测定草本的种类、盖度、数量等，收获全部草本，按地上和地下2 部分称取质量。灌草称取质量后，各部分均匀取样并称取质量。将样品在105℃烘干至恒质量，之后称取样品干质量。

凋落物生物量测定:在标准地的凋落物样方内按照未分解叶、未分解枝、半分解层和完全分解层4部分全部收取并称重，均匀取样，105 ℃烘干至恒质量，称取样品干质量。

2.3 土壤测定

在标准地边挖土壤剖面，每个标准地挖一个剖面，按0 ～5、＞5 ～10、＞10 ～20、＞20 ～30、＞30 ～40 cm 分层用环刀取样，每层用环刀3 次取样，称土壤湿质量，105 ℃烘干至恒质量，称取土壤干质量。土壤密度和孔隙度采用环刀法测定［9］。土壤元素N用凯氏消煮法;碱解氮用半微量凯氏法;有效磷用碳酸氢钠浸提－钼锑抗比色法;速效钾用中性醋酸钠提取土壤样品后，用火焰光度计测定;有机质用重铬酸钾氧化－外加热法［9－10］。

3 结果与分析

3.1 不同林龄杉木纯林林下植被生物量

不同林龄阶段的杉木纯林，林下植被生物量均随着杉木纯林林龄的增加先增后减，近熟林最高。灌木生物量成熟林最高，过熟林明显下降。草本生物量幼龄林最低，在近熟林阶段达到最大，成过熟林阶段有部分下降。

林下植被生物量很大程度上由林分覆盖度和树冠结构决定［11］，幼龄林密度高林内光照条件差，随着林木生长自然整枝和稀疏，林内光线逐渐增加［12］，成过熟林阶段林内郁闭度又提高，所以呈现以上的变化趋势。但是几种林分间均未达到显著差异(表1)。

表1 不同林龄杉木人工纯林林下植被生物量kg·hm －2

3.2 林下凋落物存储量

3.2.1 林下凋落物的质量

各个林龄杉木纯林凋落物质量(表2)除幼龄林，由大到小的顺序均为:未分解叶、未分解枝、半分解、完全分解，幼龄林未分解枝大于未分解叶。幼龄林凋落物除未分解枝均为最少。半分解和完全分解层随林龄呈增加趋势，完全分解层由0.10 t/hm2增长到1.09 t/hm2;凋落物总量成熟林最高5.01 t/hm2，幼龄林最低2.08 t/hm2。

表2 不同林龄杉木人工纯林凋落物质量 t·hm －2

不同林龄阶段完全分解层质量，幼龄林与近、成、过熟林差异显著，其他均无显著差异。幼龄林存量最低是由于杉木的枯枝宿存［13］。随杉木生长，林内凋落物总量、半分解和完全分解层质量逐渐增加，在成过熟林阶段达到稳定。说明随杉木人工纯林生长，林分结构更加完整［13］，更多凋落物被分解，养分将释放到土壤中去，补充土壤养分。

3.2.2 林下凋落物生物量比例

不同林龄杉木凋落物各组成部分比例(表3)，幼龄林阶段未分解枝最多为48.06%，完全分解层仅占4.81%;成熟林未分解枝大于完全分解。其余由大到小的顺序为:未分解叶、半分解、完全分解、未分解枝。

表3 不同林龄杉木人工纯林林下凋落物各组成成分的比例 %

杉木不同林龄阶段凋落物组成除幼龄林阶段外，各部分比例均无显著差异，成熟林未分解枝比例略高，为22.54%。幼龄林到中龄林阶段凋落物分解速率快速提高;成熟林到过熟林阶段凋落物总质量不变，但半分解和完全分解层比例提高，说明在成熟林到过熟林的阶段中更多的未分解物进入到完全分解层，分解速率加强，将有更多的凋落物养分回归到土壤养分。

3.3 不同林龄杉木纯林土壤物理性质

3.3.1 土壤密度

各林龄阶段的杉木纯林土壤密度(表4)。各林龄土壤密度随土壤深度增加基本呈现增加趋势。土壤密度幼龄林阶段最低，土壤密度随着林龄增加先升高后下降再升高。成熟林时期恢复到与幼龄林相似的土壤密度(1.36 g/cm3)，过熟林时期又迅速增加到1.61 g/cm3，远高于其它林龄阶段。

表4 不同土层不同林龄杉木人工纯林土壤密度 g·cm －3

3.3.2 土壤总孔隙度、毛管孔隙度

土壤毛管孔隙度是评价土壤结构特征的重要指标，其大小、数量及分配是土壤物理性质的基础［14］。土壤总孔隙度(表5)和毛管孔隙度(表6)随土壤深度增加基本呈现逐渐递减的趋势，随着林龄的增加先下降后上升再下降。总孔隙度中龄林＞30 ～40 cm 土层最低，为40.63%，成熟林上升到46.32%，过熟林阶段又迅速降至36.65.5%;毛管孔隙度＞10 ～20 cm 处幼龄林30.06%、中龄林为25.94%、成熟林恢复到30.05%、过熟林急剧降至14.28%。说明土壤结构得到了一定程度的恢复。

表5 不同土层不同林龄杉木人工纯林土壤总孔隙度 %

3.4 不同林龄杉木纯林土壤养分

3.4.1 土壤全氮

幼龄林土壤N 元素(表7)的质量分数最高，随林龄增加N 元素的质量分数逐渐下降。近熟林阶段土壤N 元素质量分数最低，在成熟林阶段稍有上升。全氮质量分数随着土壤深度增加没有显著变化规律。不同林龄、不同土壤深度的N 元素的质量分数没有显著差异，说明随着林龄的增加，土壤N 元素的质量分数比较稳定。

表6 不同土层不同林龄杉木人工纯林土壤毛管孔隙度 %

表7 不同土层不同林龄杉木人工纯林土壤全氮质量分数 g·kg －1

3.4.2 土壤碱解氮

幼龄林土壤碱解氮质量分数(表8)最高，表层为0.227 4 g/kg，随林龄增加土壤内碱解氮质量分数下降明显，近熟林表层仅为0.129 4 g/kg，到过熟林回升但并不显著;碱解氮质量分数随土壤深度增加与全氮相似。碱解氮与土壤微生物相关，从近熟林到过熟林，随着林木密度及郁闭度下降［15］，提高了林内透光度，土壤内微生物活跃，提高了土壤内碱解氮的质量分数。

表8 不同土层不同林龄杉木人工纯林土壤碱解氮质量分数 g·kg －1

3.4.3 土壤速效钾、有效磷

各层土壤有效磷质量分数中龄林最高，近熟林降到最低(表9)。速效钾质量分数随杉木生长在不同阶段呈现出先升高再降低后升高的变化趋势(表10)。有效磷质量分数随土壤深度增加各林龄没有一致的变化规律，速效钾质量分数随土壤深度增加呈现逐渐降低的趋势。

3.4.4 土壤有机碳

土壤有机碳是反映土壤肥力的一个重要指标，对保持土壤肥力具有重要意义［16］。有机碳含量主要集中于土壤表层(表11)。各林龄随土壤深度增加有机碳质量分数呈现较明显的递减趋势;各林龄间，幼龄林阶段表层有机碳质量分数为63.22 g/kg，近熟林有机碳质量分数最低为25.50 g/kg，过熟林有机碳质量分数恢复到35.04 g/kg，呈先下降后上升的趋势。

表9 不同土层不同林龄杉木人工纯林土壤有效磷质量分数 mg·kg －1

表10 不同土层不同林龄杉木人工纯林土壤速效钾质量分数 mg·kg －1

表11 不同土层不同林龄杉木人工纯林土壤有机碳质量分数 g·kg －1

3.5 相关性

3.5.1 凋落物相关性

对凋落物进行相关性分析(表12)，可以看出未分解枝与其他部分无显著相关性;未分解叶与半分解和完全分阶层均有极显著正相关;完全分解层与半分解层极显著正相关。说明凋落物叶的质量对半分解和完全分解层的积累有重要的影响，而完全分解层会将分解的养分释放到土壤，补充因林木生长所吸收的养分。所以，林内凋落叶的比例决定了林地土壤养分回归的程度。

表12 凋落物相关系数

3.5.2 凋落物及土壤理化性质的相关性

分析凋落物与土壤理化性质间的相关性(表13)，除有效磷外，其他元素均与土壤密度呈负相关;总孔隙度和毛管孔隙度呈正相关，但均无显著相关性;毛管孔隙度与有效磷显著负相关。说明除有效磷以外土壤结构的改善有利于土壤养分的形成，土壤养分的提高也有利于土壤结构的改善，两者相辅相成。

林内凋落物中半分解和完全分解层质量与(除有效磷外)土壤元素呈负相关，其中与有机碳呈现显著负相关;与土壤密度呈正相关，与总孔隙度和毛管孔隙度呈负相关。其中完全分解层质量与土壤密度呈显著正相关，与总孔隙度呈显著负相关。可能是由于凋落物中的养分要经过半分解和完全分解过程之后释放到土壤，养分归还存在滞后性，所以当半分解和完全分解层质量减少时养分才释放到土壤中。有机碳主要集中在土壤表层，凋落物分解释放的养分也主要集中在土壤表层，所以显著负相关，养分的归还影响土壤团粒结构的形成［16］，从而影响土壤结构，完全分解层对土壤的作用更为直接。

表13 凋落物及土壤理化性质的相关系数

3.5.3 林下植被生物量及土壤物理性质相关性

林下植被各部分及总体生物量与土壤物理性质均无显著相关性(表14)。对比凋落物生物量，说明杉木人工纯林林下植被生物量对土壤物理性质的影响力小于凋落物。

表14 林下植被生物量与土壤物理性质相关系数

4 结论

杉木人工纯林林下植被生物量随林龄增长先增加后降低，在近、成熟林阶段达到最大。林下植被生物量与林内光照等条件密切，随着杉木纯林自然稀疏、整枝和郁闭，林下植被才会出现上述趋势。

凋落物随着林龄的增长会逐渐增加。杉木幼龄林到中龄林阶段，成熟林到过熟林阶段凋落物分解速率提高，更多的未分解枝叶进入半分解和完全分解层，更多的养分将会归还土壤。

杉木人工纯林在幼龄林阶段土壤结构最好，有机养分及有效养分的质量分数较高［17］，养分归还速度相对较慢，归还与吸收相比，存在时间上的滞后性。前期生长阶段地力逐渐衰退，在杉木林培育营造过程中，适当的延长造林时间，土壤理化性质会得到一定程度的恢复，但生长期延长时间还有待进一步研究。

凋落叶所占比例决定了林分内养分归还土壤的多少，所以保留林下凋落物，促进凋落物的分解对于林地地力保持和恢复有一定的积极意义。现有的人工清理凋落物等措施会加速人工杉木林土壤地力的衰退。

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