不同林分密度长白落叶松人工林土壤养分特征

邵英男，刘延坤 ，李云红 ，陈 瑶 ，田松岩

（1.黑龙江省森林工程与环境研究所，黑龙江 哈尔滨 150081；2.黑龙江省森林生态与林业生态工程重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150081；3.黑龙江牡丹江森林生态系统国家定位观测研究站，黑龙江 牡丹江 157500）

不同林分密度长白落叶松人工林土壤养分特征

邵英男1，2，刘延坤1，3，李云红1，3，陈 瑶1，2，田松岩1，3

（1.黑龙江省森林工程与环境研究所，黑龙江 哈尔滨 150081；2.黑龙江省森林生态与林业生态工程重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150081；3.黑龙江牡丹江森林生态系统国家定位观测研究站，黑龙江 牡丹江 157500）

以3种不同林分密度长白落叶松人工林为研究对象，研究不同林分密度长白落叶松人工林的土壤养分特征，结果表明：同一林分密度条件下，土壤养分含量（有机质、全氮、全磷、C/N）均随土层深度的增加呈降低的趋势，呈现明显的“表聚”现象；不同林分密度下，土壤养分含量的变化规律不尽一致；对土壤养分含量与环境要素（凋落量、现存量、林分密度、土壤温度和土壤含水率）进行回归分析，发现凋落量、现存量和林分密度与土壤养分含量的关系密切；林分密度为750～900株·hm-2时，土壤多种养分含量显著高于其他林分密度养分含量，有利于该地区林地系统土壤养分特征的维持，以获得更好的生态效益和经济效益。

长白落叶松人工林；土壤养分；林分密度

在森林生态系统中，森林土壤是维持林木健康生长的基质，土壤养分为植物生长提供必需的物质养分与机械支撑[1]，直接影响并控制着林木的健康状态[2]。土壤养分状况取决于输入和输出两个过程[3-5]，与生态系统的物种组成[6]、群落结构[7]密切相关。林分密度作为影响林木生长的重要因子，决定了林分的空间结构，进而影响到森林植物群落中的光、热、水分等环境因子的分配，使林下物种的结构及多样性发生变化，一方面改变凋落物的输入数量与质量，从而影响到养分输入；另一方面会影响到群落生产力及生物量分配格局，从而影响到植被对土壤养分的吸收[8]，最终对土壤养分状况产生深刻影响[9]，并对森林更新、森林的恢复与重建等都具有重要意义[10]。

长白落叶松Larix olgensis具有抗逆性强、材质好、生长快、用途广、经济价值高和对土壤质量要求较低等特点[11-14]，是东北地区主要造林树种。自20世纪50年代以来，东北地区大量次生林通过更新改造、皆伐基地造林等经营活动形成大面积长白落叶松林，落叶松林的生态功能及地位也越来越重要[15-17]。目前关于不同林分密度下土壤养分特征的研究主要侧重不同密度对近天然落叶松云冷杉林[18]、马尾松林[19]、华北落叶松人工林[9]和长白落叶松天然林[20]土壤理化性质特征研究，而对长白落叶松人工林土壤养分含量及其随林分密度变化的研究还需进一步开展。黑龙江省江山娇实验林场是典型的东北次生林恢复区，经过半个世纪的经营管理逐渐形成了大面积不同密度的落叶松人工林，为探明不同林分密度下土壤的养分特征提供了良好的实验条件。本研究以江山娇实验林场的长白落叶松人工林为研究对象，对不同林分密度长白落叶松人工林进行土壤养分特征变化研究，以探明不同林分密度长白落叶松人工林土壤养分特征，揭示不同林分密度下土壤养分含量的变化规律，为该区域生态恢复过程中人工林土壤肥力的维持以及森林可持续经营管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本研究区设在位于黑龙江省东南部宁安县境内的江山娇实验林场（43°44′54″～ 43°54′12″N，128°53′16″～ 129°12′42″E）， 地 处 张 广 才 岭南端，是典型的东北次生林恢复区。该区域山脉东西走向，整个地势东高西低，北高南低，海拔在356～890 m之间，为典型的低山丘陵地貌。该区气候属亚寒带大陆性气候，年均气温为3.5℃，年均降水量在450～550 mm之间，积雪期为150 d，无霜期为116～125 d。地带性土壤为暗棕壤。该地区的植被属于长白山植物区系。原地带性顶级群落为红松阔叶林，由于开发较早，原生顶极群落已所剩无几，被大面积长白落叶松人工林及杨Populusspp.、桦Betulaspp.、柞Quercusspp.及硬阔叶林次生林所替代。

1.2 样点布设与方法

本研究以长白落叶松人工林为研究对象，根据林分密度划分为3种林型，每种林型设置3个重复样地，共9块典型样地，3种林型林分密度分别为200～350、500～650和750～900 株·hm-2（见表1）。标准样地为20 m×20 m，每块样地随机布设9个采样点分别挖取土壤剖面，按0～10、10～20、20～30 cm分层取样，共采集土样243个。土样经风干、研磨、过筛后，用于土壤理化性质的测定：土壤温度采用电子土温计，测定5 cm土层的土壤温度；土壤含水率用TDR测定；土壤有机质采用重铬酸钾加热法[21]；土壤全氮含量采用凯氏定氮法[21]；土壤全磷含量采用碱熔-钼锑抗比色法[21]。

表1 样地概况†Table 1 Summary information of experimental forest plots

1.3 分析方法

采用Excel 2007和 SPSS 19.0 软件进行数据统计分析和检验。采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和多重比较（LSD法）分析不同林分密度下各层土壤养分含量之间的差异。采用曲线估计法（Curve estimation）对土壤养分含量与环境要素进行回归分析。采用变异系数分析土壤养分的变异程度，计算公式为：

式中：VC为变异系数；DS为标准差；M为平均值。

2 结果与分析

2.1 不同林分密度长白落叶松人工林土壤养分含量的变化

同一林分密度下各层土壤有机质、全氮、全磷和C/N变化规律基本一致。随着土层深度的增加，土壤有机质、全氮、全磷和C/N均呈降低的趋势，除C/N差异不显著（p＞0.05）外，其他养分含量均差异显著（p＜0.05）（见表2）。

林分密度显著影响各土层土壤有机质含量（p＜0.05），表现为：高密度＞低密度＞中密度。各土层土壤全氮含量变化规律一致，表现为：低密度＞高密度＞中密度；林分密度对0～10 cm和10～20 cm土层的土壤全氮含量影响显著（p＜0.05），对20～30 cm土层的土壤全氮含量影响不显著（p＞0.05）。林分密度对各土层土壤全磷含量影响显著（p＜0.05），在0～10 cm和10～20 cm土层表现为土壤全磷含量随林分密度增大而降低，在20～30 cm土层土壤全磷含量表现为：低密度＞高密度＞中密度。林分密度对各土层土壤C/N（p＜0.05）影响显著，表现为土壤C/N随林分密度增大而增大（见表2）。

对不同林分密度下各层土壤养分含量的变异系数进行分析，按照变异系数的划分等级：VC＜10%时，为弱变异性； 10%≤VC≤100%时，为中等变异性；VC＞100%时，为强变异性[22]。结果表明，不同林分密度下各层土壤养分含量变异系数均小于10%，属于弱变异性（见表3）。

表2 不同林分密度下土壤养分含量†Table 2 The soil nutrient content with different stand densities

表3 不同林分密度下土壤养分含量的变异系数Table 3 Coefficient of variation of soil nutrient content with different stand densities %

2.2 不同林分密度下主要环境要素特征

不同林分密度下主要环境要素特征表现为：凋落量随林分密度增大而增大，中、高林分密度下凋落量显著高于低密度（p＜0.05），而二者之间差异不显著（p＞0.05）；现存量随林分密度增大而增大，且不同林分密度之间差异显著（p＜0.05）；土壤温度随林分密度变化差异不显著（p＞0.05）。低密度下土壤含水率显著高于中、高林分密度土壤含水率（p＜0.05），而二者之间差异不显著（p＞0.05）（见表4）。

表4 环境要素特征Table 4 Characteristics of environmental factors

2.3 土壤养分与主要环境要素的相关关系

对土壤养分与主要环境要素进行回归分析，结果表明，各环境要素对土壤全氮和全磷含量的影响十分显著（p＜0.05），决定系数R2分别为0.232～0.686（全氮）和0.392～0.711（全磷）；土壤温度和土壤含水率对有机质含量的影响不显著（p＞0.05），而其他环境要素对有机质含量影响显著（p＜0.05）；土壤温度对C/N影响不显著（p＞0.05），而其他环境要素对C/N的影响十分显著（p＜0.01），可见，凋落量、现存量和林分密度与土壤养分含量的关系密切（见表5）。

3 讨论和结论

不同土层之间土壤性质的差异反映出土壤性质在垂直剖面上的空间变异程度[23]。通过对同一林分密度下不同土层土壤养分含量的研究发现，随着土层深度的增加，土壤有机质、全氮、全磷和C/N均随土壤深度的增加而减小，这表明土壤养分含量具有明显的“表聚性”特征，这与李栎等[24]及朱凯等[25]的研究结果相一致，这主要取决于土壤腐殖质和地表凋落物的分解及有机物质淀积、迁移和淋溶的过程[26]；同时，植物根系不断吸收土壤中的养分，导致向下迁移的养分变少，因此土壤养分主要集中在土壤表层[27]。

表5 土壤养分与环境要素的关系†Table 5 Relationship between soil nutrient and environmental factors

林分密度能够影响到人工林群落的光、热、水分等生态因子的分配，使林下物种的多样性及结构发生改变，而林下植被是调整林分结构及恢复地力的主导因子[28]。本研究发现，林分密度显著影响各土层土壤有机质含量（p＜0.05），表现为：高密度＞低密度＞中密度。这是由于森林土壤有机质来源于森林凋落物，林分密度高的凋落物量比林分密度低得多，进而有机质含量也就最高。林分密度显著影响0～10 cm和10～20 cm土层土壤全氮含量（p＜0.05），表现为：低密度＞高密度＞中密度，并且当林分密度增大时，0～10 cm土层的土壤全磷含量也显著降低（p＜0.05），这与刘玲等[20]的研究结果相一致。究其原因在于，密度大的林分会加速对土壤养分的吸收，同时落叶松林内枯枝落叶分解缓慢，导致林木对养分的吸收速度大于养分补偿的速度，且磷素又不能通过光合作用产生，进而在长期入不敷出的情况下导致了土壤磷素的匮乏[29]。林分密度显著影响各土层土壤C/N（p＜0.05），表现为土壤C/N随林分密度增大而增大。综合分析不同林分密度下长白落叶松人工林土壤养分含量，总体上表现为高密度（750～900 株·hm-2）时土壤养分含量最高，这与刘玲等[20]的研究结果相似，即当林分密度为800～880 株·hm-2时，土壤多种养分质量分数明显高于其他林分密度养分质量分数。

土壤中养分含量变异系数取决于该养分是否由施肥补充、施用量的多少和养分在土壤中的可移动性。本文中，不同林分密度下各层土壤养分含量变异系数均小于10%，属于弱变异性，原因可能在于土壤养分元素移动性大，后效较低[30]。回归分析表明，凋落量、现存量和林分密度与土壤养分的关系密切，可以对土壤养分状况进行调节。

通过比较不同林分密度条件下长白落叶松人工林土壤养分含量，发现选择适中的林分密度或合理的间伐强度能为长白落叶松人工林提供良好的植株生长空间，当林分密度为750～900株·hm-2时，较适合作为该地区的森林经营林分密度，这将有利于该地区林地系统土壤养分特征的维持，以获得更好的生态和经济效益。

本研究旨在说明长白落叶松人工林土壤养分含量对不同林分密度变化的响应程度，揭示不同林分密度下土壤养分含量的变化规律。但是由于本研究只设置了3个林分密度进行分析比较，所得数据极为有限，导致结论具有一定局限性，因此还需要进一步扩大林分密度设置范围加以验证。此外，土壤养分含量受多因素的影响，如微生物、复杂的地形、多样的植被类型和人类活动的不确定性等对土壤养分的影响亟待进一步研究。

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[本文编校：谢荣秀]

Soil nutrient characteristics inLarix olgensisplantation with different stand densities

SHAO Yingnan1,2, LIU Yankun1,3, LI Yunhong1,3, CHEN Yao1,2, TIAN Songyan1,3
(1.Forest Engineering and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province, Key Laboratory of Sustainable Forest Management and Environmental Microbiology Engineering of Heilongjiang Province, Harbin 150081, Heilongjiang, China; 2.Key laboratory of Forest Ecology and Forestry Ecological Engineering of Heilongjiang Province, Harbin 150081, Heilongjiang, China; 3.National Positioning observation Station of Mudanjiang Forest Ecosystem in Heilongjiang Province, Mudanjiang 157500, Heilongjiang, China)

The soil nutrient Characteristics ofLarix olgensisplantation with different stand densities were studied. The result showed that the content of soil nutrientsin the same stand densityhad the surface accumulation characteristic, and was decreased with the increased of soil depth; The content of soil nutrients were not consistent with different stand densities. Soil nutrient and environmental factors(litter, biomass, stand density, soil temperature and soil moisture) through to regression analysis, the result showed that the relationship with litter、biomass、stand density and stand density were very close. The stand density between 750 ～ 900 trees·hm-2with higher the content of soil nutrients is suggested to be benefit to gain greater ecological and economic benefits.

Larix olgensisplantation; soil nutrient; stand density

S714.2

A

1673-923X(2017)09-0027-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.09.005

2016-05-12

黑龙江省科技攻关项目（GC12C203）；黑龙江省林业科学院青年基金项目（N201414）

邵英男，助理研究员，硕士研究生

田松岩，研究员；E-mail：tiansongyan2011@126.com

邵英男，刘延坤，李云红，等. 不同林分密度长白落叶松人工林土壤养分特征[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(9):27-31.