带状改造对柏木林土壤性质的影响

雷静品，李 璐，王鹏程，肖文发，庞晓瑜，黄志霖

（1.中国林业科学研究院 林业研究所，北京100091；2.华中农业大学 园艺林学学院，湖北 武汉430070；3.中国林业科学研究院 森林生态环境与保护研究所，北京100091）

土壤是森林生态系统的重要组成部分，为森林生长提供所需的养分，土壤性质直接关系到森林土壤的功能以及森林土壤生产力的可持续发展［1］。良好的土壤状况有利于林地长期生产力的维持，而长期种植林分组成单一、群落结构简单的人工林会使土壤状况恶化，如土壤容重增加，孔隙度降低，土壤结构恶化［2-3］，林地土壤肥力下降［4］，土壤养分含量降低［5］。影响土壤性质的因素包括：成土母质［6］、林分密度［7］、林龄［8］、树种组成［9］、群落类型［10］、凋落物分解［11］、人类的干扰活动［12-13］等，其中人类活动对土壤性质的影响较为明显［14］。通过林分改造改善土壤状况、保持土壤健康已经成为了森林土壤的研究热点，有学者已经就如何对纯林进行改造以提高土壤肥力进行了相关研究［15-16］，带状改造明显改变林内环境，改造效果好于择伐改造和间伐改造［17］，而在纯林改造时补植阔叶树种，形成针阔混交林能够改善林地土壤［18］。但是，对改造带的形式和树种选择的理论依据比较贫乏［19］。本研究通过研究柏木（Cupressus funebris）纯林、不同宽度改造的林分和补植不同阔叶树种后的林分土壤理化性质变化，对土壤特性进行了对比分析，了解不同带状改造对土壤性质的影响，为今后柏木人工林以及人工针叶林的改造提供科学依据。

1 研究地概况与研究方法

1.1 研究地概况

试验地点位于重庆市云阳县长江林场，地处108°24′-109°14′E，30°34′-31°27′N，属于大巴山脉，海拔250～800m，属于中亚热带湿润气候，年平均气温17.4℃，年平均降雨量1 100mm，无霜期332d，植被属亚热带常绿阔叶林区，主要林分是郁闭度0.60到0.85不等的柏木人工林，林分营造于20世纪60年代，现在平均胸径为9cm，平均树高8m。因造林密度较大且树种单一，20世纪90年代初受柏木叶蜂危害严重［20］。

1.2 研究方法

1.2.1 改造带处理方法 为了减缓虫害，保证林分健康，2006年对长江防护林带的柏木人工林用皆伐的方式进行了林分改造。具体方法为在柏木林中连续设置宽10、15、20m与25m，长50m的带状改造带，4种宽度的改造带长度平行于长江，宽度随山势向上向柏木林内延伸，分别称为10m改造带、15m改造带、20m改造带和25m改造带。改造带中的柏木皆伐后，保留原有物种，使其自然生长。同时在柏木林中设置了2个20m×100m的改造带，长度方向平行于等高线，宽度沿山体向上。把改造带内的柏木全部除去，留下其他物种后，分别补栽刺桐（Erythrina variegata）和 刺 槐 （Robinia pseucdoacacia），使其自然生长，分别称为刺桐改造带和刺槐改造带。

1.2.2 土壤样品采集方法 2008年分别在各改造带及其相邻的上林缘处、与各改造带相邻的下林缘处、与改造带相距5m的柏木林内和与改造带相邻10m的柏木林内，对0～20（含20）cm、20～40（含40）cm 2个土层，沿长度方向分别随机采集土样3次，每次取1kg土样带回。同时，在6个改造带内、各改造带相邻的上林缘处、下林缘处、与改造带相距5m以及10m的柏木林内，对上下2个土层分别用环刀取样法取样3次，将样品带回。

1.2.3 土壤性质测定方法 根据森林土壤国家行业标准［21］，土壤容重环刀法测土壤容重；电位法测土壤酸碱度；重铬酸钾氧化-外加热法测土壤有机碳含量；流动注射法测土壤全N含量；碱解-扩散法测土壤水解N含量；流动注射法测土壤全P含量；碳酸氢钠浸提法测土壤有效P含量；火焰光度计法测土壤全K含量和土壤有效K含量。

使用Office 2007进行相应数据处理和制图、SPSS 17.0软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同宽度带状改造对土壤性质的影响

2.1.1 对土壤pH值与有机质的影响 不同土层的土壤有机质含量在不同带宽的带状改造后均有所提高（表1），其中，10m改造带0～20cm和20～40 cm土层的有机质含量分别升高了62.3%和67.8%，15m改造带上下土层的有机质含量提高了37.7%和14.1%，20m改造带2个土层的有机质含量提高了39.1%和21.5%，25m改造带上下土层的有机质含量则提高了55.4%和10.3%。改造带宽度对0～20cm和20～40cm 2层土壤有机质含量无显著影响（p＜0.05）。

4个带宽不同土层的土壤pH值与柏木林相比都有所降低（表1），其中0～20cm层的土壤pH值分别降低了0.1个单位、0.23个单位、0.74个单位和0.02个单位，4种带宽0～20cm土层的土壤pH值均＞20～40cm土层的土壤pH值。

表1 不同宽度改造不同土层土壤有机质和pH值分析Table 1 Soil organic matter and pH value in different soil layers with different widths strip reform

2.1.2 对土壤容重和孔隙度的影响 10、15、20m和25m改造带中，0～20cm土层的土壤容重分别降低了3.56%、11.3%、10.21%和9.8%，20～40 cm土层土壤容重分别降低了7.14%、9.35%、8.95%和7.43%。可见，改造带宽度对土壤容重的变化具有一定的影响，上层土壤的容重降幅均大于下层土壤，15m改造带土壤容重变化最大，20m改造带次之，10m改造带土壤容重降幅最小。

柏木纯林经不同宽度的带状改造后，土壤孔隙度有不同程度的改变（图2），10、15、20m和25m改造带0～20cm土层的土壤孔隙度与柏木林相比分别增加了11.53、16.19、9.99和0.86。20～40 cm层土壤孔隙度变化趋势不一，10m改造带与20 m改造带20～40cm层的土壤孔隙度比柏木纯低了5.03和8.58，15m改造带和25m改造带却高了9.1和2.27，上下2层土壤的孔隙度受改造宽度的影响并无显著差异 （p＜0.05）。

图1 不同宽度改造带不同土层土壤容重的变化Fig.1 Soil bulk density of different soil layers wtih different widths strip reform

图2 不同宽度改造带不同土层土壤孔隙度的变化Fig.2 Soil total porosity in different soil layers with different widths strip reform

2.1.3 对土壤养分的影响 土壤养分受不同宽度带状改造的影响（表2），10m和20m带宽改造带0～20cm层土壤全P含量分别比柏木林减少了0.139g·kg-1和0.079g·kg-1，15m和25m带宽改造带0～20cm层土壤全P含量分别比柏木林增加了0.1g·kg-1和0.006g·kg-1，而各改造带经过林分改造后20～40cm层土壤的全P含量均低于柏木纯林。不同宽度改造带上下2层土壤的有效P含量经过带状改造后均有所增加，10m改造带0～20cm和20～40cm土层有效P含量比柏木纯林高了3.47mg·kg-1和1.2mg·kg-1，15m改造带上下土层有效P含量比柏木纯林增加了1.62mg·kg-1和0.5mg·kg-1，20m改造带2个土层的土壤有效P含量比柏木纯林高3.34mg·kg-1和4 mg·kg-1，25m改造带的2个土层有效P含量则提高了3.2mg·kg-1和0.9mg·kg-1。不同带宽之间的土壤全P含量差异显著；改造带宽度在0～20cm土层对有效P含量影响显著，在20～40cm层土壤对有效P含量却无显著影响。经过改造后，土壤pH值趋向于中性，磷的有效性有所增加，同时土壤有机质含量的提高也增加了磷的有效性，这些因素都可能促使土壤中有效P含量的提高。

10、20m和25m3个带宽改造带的土壤全N含量分别比柏木林高0.62、0.3g·kg-1和0.33g·kg-1；而15m改造带土壤全N含量却低了0.13 g·kg-1。10m改造带、25m改造带0～20cm和20～40cm层土壤的水解N含量均比柏木林高，其中0～20cm土层的土壤水解N含量分别比柏木林高了40.6%和53.2%；15m带宽改造带0～20cm和20～40cm层土壤水解N含量比柏木林低，带状改造后20m改造带上层土壤水解N含量升高了1.02mg·kg-1，下层土壤的水解N含量却降低了14.3%。不同宽度的改造带内土壤的全N含量和水解N含量具有显著差异。

10、25m带宽改造带和20m带宽改造带0～20cm土层的土壤全K含量分别比柏木林低了22.3%、6.12%和14.9%，15m带宽改造带和20m带宽改造带20～40层的土壤全K含量与柏木林比有所增加，其中15m带宽改造带土壤全K含量提高了12.6%。林分改造后土壤速效K的含量均低于柏木纯林，速效K含量在10、15、20m和25m改造带上层土壤中分别减少了24.72、29.84、21.48 mg·kg-1和19.67mg·kg-1，土壤全K含量和土壤速效K含量在不同宽度的改造带中差异显著。

表2 不同宽度改造土壤养分分析Table 2 Soil nutrition of different soil layers with different strip widths reform

2.2 不同树种带状改造对土壤性质的影响

2.2.1 不同树种带状改造对土壤有机质与pH值的影响 在改造带内种植不同树种致使土壤有机质含量产生变化，与柏木林相比，刺桐改造带0～20 cm和20～40cm层的土壤有机质含量分别上升了9.16%和63.1%，而刺槐改造带则降低了28.49%和28.46%。刺桐、刺槐改造带的土壤pH值相比柏木林都有提高，刺桐改造带和刺槐改造带0～20 cm层的土壤酸碱度分别增加了0.2个单位和0.3个单位，20～40cm层则提高了0.16个单位和0.27个单位（表3）。

表3 不同树种改造带土壤有机质和pH值分析Table 3 Soil organic matter and pH value of different soil layers with different tree species reform

2.2.2 不同树种带状改造对土壤孔隙度和容重的影响 在改造带内引入阔叶树种后，土壤孔隙度有所改变（图3），补植刺桐后，改造带0～20cm和20～40cm 2个土层的土壤孔隙度分别比柏木纯林提高了4.85和8.67。与柏木林相比，刺槐改造带0～20cm土层的土壤孔隙度下降了0.44，而20～40 cm土层的土壤孔隙度则增加了2.16，刺桐改造带2土层的土壤孔隙度都高于刺槐改造带。补植的树种种类对改造带内土壤孔隙度的影响并不显著。

与土壤孔隙度的相反，引入阔叶树种后，刺桐改造带2个土层的土壤容重均呈降低的趋势，刺槐改造带0～20cm层的土壤容重有所上升，20～40cm层的土壤容重有所下降。补植树种的物种对土壤容重的影响不显著。改造带间土壤孔隙度和容重的不同也许是因为林分物种组成影响了土壤有机质含量，不同群落下土壤动物和微生物的种类与活动也有所不同。

2.2.3 不同树种带状改造对土壤养分的影响 不同树种带状改造对土壤养分的影响不同（表4），改造带内引入刺桐后，0～20cm土层的全P含量比柏木纯林减少了0.006g·kg-1，20～40cm层的全P含量则升高了0.03g·kg-1，但引入刺槐后上下2个土层的土壤全P含量比柏木纯林减少了0.041 g·kg-1和0.01g·kg-1。而不同树种改造带土壤有效P含量均呈上升趋势，刺桐改造带0～20cm和20～40cm层土壤有效P含量分别增加9.2mg·kg-1和24.4mg·kg-1，刺槐改造带0～20cm和20～40cm层土壤有效P含量分别升高了49.9mg·kg-1和47.6mg·kg-1，补植的树种种类对改造带20～40cm层土壤的有效P含量具有显著影响。

图3 不同树种改造带不同土层土壤孔隙度的变化Fig.3 Soil total porosity of different soil layers wtih different tree species plots

2种不同树种改造带与柏木林相比土壤全N含量均有增加，刺桐改造带0～20cm土层和20～40 cm土层的土壤全N含量增长了28.5%和22.8%，刺槐改造带0～20cm土层和20～40cm土层的土壤全N含量增幅为5.6%和1.27%。引入刺桐后改造带内上下2层土壤的水解N含量分别减少了24.6%和41.7%，与柏木林相比刺槐改造带0～20 cm层的土壤水解N含量降低10.6%，20～40cm层含量则提高了0.68%，刺桐、刺槐改造带0～20 cm和20～40cm层土壤水解N含量差异显著。

图4 不同树种改造带不同土层土壤容重的变化Fig.4 Soil bulk density of different soil layers with different tree species reform strip

改造带内上下2层土壤的全K含量在引入刺桐后增加了3.03g·kg-1和2.92g·kg-1，引入刺槐后则降低了0.92g·kg-1和1.49g·kg-1。2种树种改造带不同土层的速效K含量相比柏木林都有所降低，其中刺槐改造带上下2层土壤的速效K含量分别比柏木林低了56.7mg·kg-1和35.8mg·kg-1。不同树种0～20cm和20～40cm层土壤全K含量差异显著，且速效K含量差异显著。

表4 不同树种改造不同土层土壤养分分析Table 4 Soil organic matter of different soil layers with different tree species reform strip

3 结论与讨论

不同的林分改造对土壤的理化性质有不同的影响，不同宽度的带状改造对土壤性质影响不同。不同宽度改造带的土壤孔隙度均有所增加，土壤容重有所下降，与王树力［22］等的研究一致。不同宽度改造带内有机质含量升高，表层有机质含量与柏木林有明显差异，改造带内pH值降低，更接近中性，与柏木林相比差异不明显，与毛波［17］等的研究相同。带状改造对土壤全N、全P、全K含量和土壤养分的影响因带宽的差异而有所不同，4种带宽改造带上下土层土壤的养分含量变化有显著差异，与毛波［17］等、张春雨［23］等对林隙的研究结果一致。10cm和20cm带宽改造带上下土层的土壤全P含量与柏木林相比都有降低，15cm和25cm带宽改造带0～20 cm层的土壤全P含量与柏木林相比有所增加，而20～40cm层的土壤全P含量则有所降低；土壤有效P含量与柏木林相比都有增加；20m带宽改造带的土壤全N含量上下2个土层相比柏木林都有增加，水解N含量0～20cm层有所增加而20～40cm层却有所降低；10、15m带宽改造带和20m带宽改造带0～20cm层的土壤全K含量相比柏木林有所降低，而15m带宽改造带和20m带宽改造带20～40cm层的土壤全K含量却有所增加；4种带宽改造带的土壤速效K含量与柏木林相比都有所降低。从对土壤性质的影响考虑，20m带宽改造带的总体结果要好于其他宽度的改造带。

经过带状改造后，改造带内的光照条件和通气状况都得到了不同程度的改善，小气候条件、土壤水气状况有所差异，使得新形成的林分在物种组成上有所差异，改变了原有的植被类型，从而影响了地表凋落物和土壤根系，同时，凋落物的分解条件、土壤微生物的生活状况都发生了不同程度的变化，分解速度也会有相应的变化，枯落物的分解对土壤的性质产生影响［11，24-25］。不同的地面凋落物和土壤水热状况影响了土壤的有机质含量，而土壤有机质是土壤的重要组成成分，不仅对保持土壤肥力有着重要的意义［26］，在土壤形成和土壤性质的改良中也起重要作用［27］。同时土壤有机质的含量对土壤容重也有影响，土壤有机质有利于土壤团聚，而改造措施的实施影响了土壤有机质的含量，从而改变了土壤孔隙度［18］和土壤容重。土壤容重的变化程度因改造带宽度和土壤层次的不同而不同，上层土壤的容重比下层土壤低，这与王树力［22］等的研究一样。0～20cm层土壤容重降低的原因可能是由于改造后，上层土壤有机质含量明显升高，这降低了0～20cm土层的容重，另外林内生物种类有所改变，植物根系发生了变化，也使得土壤容重发生变化；但随着时间的增加，20～40cm层土壤容重在带状改造作用下的变化规律还需要进一步的研究。去除柏木后，林内光照强度增加，通气状况改善，腐殖质分解速度加快，酸性物质生成增多，使土壤pH值下降，而腐殖质的分解对土壤上层的影响比下层大，使得0～20 cm层土壤的酸性高于下层土壤。上述经带状改造后发生变化的条件都会对土壤肥力产生影响，使土壤养分含量发生变化。

不同的植被类型和人为经营措施都会影响土壤中的养分含量［22，28-30］，在改造带内引入阔叶树种后2个土层的土壤结构均发生了变化。土壤容重在不同的植被类型中表现出了明显差异［31-32］，刺桐改造带土壤孔隙度有所增大、土壤容重都有所下降，这与邓仕坚［12］等对不同树种混交林及其纯林的土壤孔隙度和容重的研究结果一致；刺槐改造带0～20cm层土壤容重增大、孔隙度下降，而0～40cm层土壤容量下降、孔隙度增大。在引入刺槐后，改造带内土壤的有机质含量显著升高，而引入刺槐后却有所降低，在改造带内引入不同的阔叶树种会使地面凋落物有所不同、也会引起根系分泌物和根系残体的差异，使得土壤腐殖质成分和分解速度有所差异，同时土壤的水热条件也因树种的不同而不同，这些因素都可能是不同树种改造带土壤有机质含量不同的原因。刺桐改造带和刺槐改造带的土壤酸碱度皆呈上升趋势，不同树种对盐离子在种类和量上的选择性吸收可能会使土壤酸碱度在不同程度上升高。刺桐改造带内0～20cm层和20～40cm层的土壤全N含量、全K含量和有效P含量均呈上升趋势，水解N和速效的K含量却有所减少，全P含量0～20cm层有所下降，20～40cm层却有所提高；刺槐改造带土壤养分的变化差异较大。不同树种改造带N、P、K含量的差异可能是因为引入不同树种后土壤养分积累，林分的群落结构和林内小气候发生了不同的变化，地面枯枝落叶和土壤腐殖质的性质也有所差异，因此土壤养分的积累和消耗有所不同，这些因素都会影响改造带土壤养分的含量。这与李靖［8］等、邓仕坚［9］等和王树力［22］等的研究结果有些差别，可能是因为李靖［8］等研究的对照组是农田，邓仕坚［9］等和王树力［22］等则是马尾松林和落叶松林，不同林地的理化性质不同。刺槐改造带表层土壤容重的升高、孔隙度和有机质含量的降低说明了在进行林分改造时，选择合适的树种营造混交林是很重要的。比较2个树种改造带的土壤特性变化，在柏木纯林内引入刺桐的改造效果要优于刺槐。

对人工纯林进行改造时补栽不同的阔叶树种，有利于生态系统的回复和群落演替的演变。林分中的植物与土壤互相作用，植被是影响土壤发育的重要因素，营造针阔混交林能提高土壤孔隙度，从而改变土壤的水、热、气、肥，增强土壤生产力等［9］。本试验持续的时间较短，并未充分考虑群落发育和土壤状况的联系，结论在时间尺度上有一定的局限，随着时间的推移、群落演替的进行，土壤特性的变化还需要进一步的监测和分析研究。

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