不同林分类型对土壤理化性质特征的影响

赵伟文，梁文俊，魏曦

(山西农业大学 林学院，山西 太谷 030801)

土壤是林业生产的基础，是植物生长的载体，其最大的特征就是具有肥力[1]。而土壤有无为植物生长提供和协调养分等能力，是判断土壤是否具有生产力的综合依据。土壤养分是土壤肥力的基础，丰缺状况直接体现土壤的肥力的高低[2]。通过研究不同林分人工林土壤肥力的消耗情况，探明引起土壤退化的因素，对我国林木的经营和管理具有重要的理论和实践意义[3]。土壤有机质是土壤的重要组成部分[4]，是土壤微生物赖以生存的能源基础，提高土壤有机质含量能够促使团聚体的形成[5]，不仅能为植被生长提供养分，而且影响土壤结构形成、土壤养分有效性的利用率以及土壤生物多样性复杂程度[6～8]。土壤全量氮磷含量情况反映土壤对植被提供养分的能力，它们和土壤有机质的动态平衡共同构成土壤肥力的指标。

目前，随着林地面积不断扩大，一些人工林出现了明显的衰退[9～13]。从目前来看，关于人工林是否会导致土壤肥力衰退尚未形成统一结论。孙嘉等[14]研究表明，东北落叶松人工林在高林分密度条件下，土壤有酸化的趋势；付志芳等[15]发现不同林分人工林都在不同程度上导致林地土壤肥力退化，还有一些研究表明营造人工林也导致明显的地力衰退[16，17]。然而，景丽等[18]研究发现，油松人工林和油松天然林两林分土壤养分状况无明显的差异，如侯庸等[19]对河北华北落叶松研究表明，随着华北落叶松人工林林龄的增加，土壤全氮、速效钾等营养元素以及有机质含量有逐渐增加的趋势；王宏星等[20]在小陇山研究表明，日本华北落叶松人工林在成熟林阶段其土壤有机质、全量氮磷钾等营养元素没有明显的下降；也有研究表明枣树土壤有机质含量与土壤含水量存在显著负相关，与枣树根系分布有密切相关[21]。

为了研究不同林分间人工林土壤养分的差异，本研究以山西农业大学林学院林业站内9块不同林分人工林林下土壤为研究对象，提示不同人工林土壤主要营养元素含量的变化规律，旨在了解林业站内人工林土壤肥力状况，为林业站后期的经营和对土壤管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验研究区位于山西省晋中市太谷县山西农业大学林学院林业站，地理坐标为112°28′～113°01′E，37°12′～37°32′N，海拔767～1 100 m左右。该研究区属温暖带大陆性气候，四季分明，冬长夏短，昼夜温差大，年平均气温约6.5 ℃；1月份气温在-7 ℃左右；7月气温在23 ℃左右，无霜期140～180 d，年降水量480～550 mm左右，主要集中在7～9月。

林地内主要乔木有侧柏(Platycladusorientalis(L.)Franco)、油松(PinustabuliformisCarrière)、青杄云杉(PiceawilsoniiMast.)、刺柏(JuniperusformosanaHayata)、白杨(PopulustomentosaCarr)、柿子树(DiospyroskakiThunb.)、枣树(ZiziphusjujubaMill.)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、文冠果(XanthocerassorbifoliumBunge)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)等。

1.2 研究方法

1.2.1 每木检尺

选取9块样地，每块样地大小为30 m×30 m，试验于2018年8月进行，每块样地每排每列每间隔2 m进行测量，对样地内的树木进行每木检尺，获得胸径、树高、冠幅、密度，同时测定土壤含水量、土壤硬度、土壤紧实度值。Ⅰ号样地为油松，Ⅱ号样地为侧柏，Ⅲ号样地为青杄云杉，Ⅳ号样地为刺槐，Ⅴ号样地为枣树，Ⅵ号样地为柿子树，Ⅶ号样地为白杨，Ⅷ号样地为刺柏，Ⅸ号样地为荒地，作为空白对照(表1)。

1.2.2 样品采集与测定

每块样地采用蛇形线采样法随机取土，用土钻取样，按0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm三个层次采集各土层的土样，各样地每个深度随机取3个重复，放入铝盒内保存带回实验室，将土样中的杂质去除，自然风干、研磨、过筛，最后进行理化性质及土壤肥力的测定。

土壤含水量测定：土壤水分仪(TDR300，美国)；土壤紧实度测定：土壤紧实度仪(TJSD-750，浙江)；土壤硬度测定：土壤硬度计(TYD-2，浙江)；

土壤有机质测定：重铬酸钾容量法-稀释热法，利用浓H2SO4和K2Cr2O7混合产生的稀释热促使有机质氧化；

土壤全磷测定：浓硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法；

土壤全氮测定：凯式定氮法[14]。

1.2.3 数据处理

采用Excel 2003统计数据、SPSS22.0进行数据的差异性分析，显著性水平设定为P<0.05。

表1 样地基本情况Table 1 The basic conditions of experimental plots

2 结果分析

2.1 不同林分间土壤物理性质的差异

不同林分类型样地土壤物理性质存在明显的差异，各林分间土壤含水量与土壤紧实度的变化最大(图1)。侧柏样地土壤含水量最大，高于荒地，侧柏样地侧根发达，同时喜生于湿润肥沃的土壤，根系对水的利用率较高；刺槐样地土壤含水量最小，低于荒地，刺槐对水分较敏感，过多水分易导致死亡，因此土壤含水量最小。柿子树样地土壤紧实度最大，高于荒地。柿子树具有深根性，根系持续向下生长导致土壤结持力增大，土粒间隙变小，从而土壤紧实度变大；刺槐样地土壤紧实度最小，小于荒地。刺槐根蘖性强，样地林分稀疏，深层根系长出的幼根向上生长，导致表层土壤劫持力减小，土壤紧实度最小；柿子树土壤硬度最大，高于荒地。土壤硬度反映土壤透水性、透气性，柿子树样地的土壤含水量高，因此土壤硬度最高；刺柏样地主侧根发达，根系间的相互作用，使得样地土壤松弛，土壤硬度最小。土壤物理性质间存在显著差异，土壤含水量与硬度、紧实度均呈现显著负相关(表2)。

2.2 不同林分间土壤肥力变化

不同林分对土壤有机质含量存在显著影响(表3)。各样地表层有机质含量明显高于20～60 cm土层，随着土壤深度的增加，有机质不断减小，有明显的表聚性。0～20 cm土层属于表层土壤，林木凋落物的分解和根系分泌物的产生和积累提供了大量的有机质。同时表层土壤聚集参与有机质分解活动的微生物，因此表层土壤有机质含量高于深层土壤。其中，侧柏土壤有机质含量最高，且高于荒地；侧柏属于针叶类植物，属浅根性，同时侧根发达，随着林木的生长，侧根向四周发展，针叶的凋落不断给该样地提供有机质，因而高于其它样地。同时，侧柏样地林分密度较高，为土壤有机质的积累与保存提供了良好的条件；枣树土壤有机质含量最低，且低于荒地土壤有机质含量。枣树属于落叶乔木，林龄较大，同时该样地林分密度较小，凋落物随环境因子影响较大，不能及时归还土壤，导致土壤有机质含量最小；荒地人为退耕后，开放系统逐渐封闭，营养物质和凋落物重新返回系统，同时无其它微生物的消耗，因此荒地的土壤有机质保持在一定的水平。油松与侧柏样地0～20 cm，20～40 cm土壤有机质变化趋势相同，但油松样地在40～60 cm有机组质含量急剧下降，主要是由于油松属深根性乔木，根系向下生长，吸取土壤中大量的有机质，导致深层土壤有机质减幅较大；侧柏根系主要分布表层，对养分吸收量较高，对深层土壤有机质消耗不大，因此0～60 cm土层减幅平稳。

图1 不同林分土壤含水量、土壤硬度、土壤紧实度差异Fig.1 Differences in soil moisture, soil hardness and soil compactness of different stands

表2 土壤主要物理特性的Pearson相关系数Table 2 Pearson correlation coefficient among soil physical properties

注：*P<0.05；**P<0.01。下同。

Note:*P<0.05;**P<0.01. The same below.

注：同列不同小写字母表示P<0.05差异显著。下同。

Note:Different small letters indicated siginificnat diffences with in the same column(P<0.05). The same below.

不同林分各层土壤全氮含量变化一致(表4)，林分与土壤全氮含量有显著性差异(P<0.05)。各林分0～20 cm土层土壤全氮含量显著高于其它土层，同时土壤全氮含量均随土层深度的增加逐渐减小。植物由于蒸腾耗养，养分向根际的转移速率增加，当速率大于植物自身对养分的吸收率时，会使土壤氮元素在根际发生积累，最终随土层深度增加土壤全氮含量呈现下降的趋势。侧柏的土壤全氮最大，高于荒地，这与侧柏的凋落物返回土壤有关。侧柏低矮，林分紧密，凋落物分解较慢，表层土壤全氮含量最高。枣树样地土壤全氮最小，低于荒地；枣树耐旱且该经常翻耕，枯落物较少，该区域土壤砂性较强，土壤保肥蓄水能力较差，因此枣树样地土壤全氮含量最小。白杨与刺柏在0～20 cm，20～40 cm土层，土壤全氮变化稳定。刺柏样地在40～60 cm土层深度，土壤全氮突降，而白杨样地土壤全氮平稳下降，刺柏样地的林分密度明显高于白杨，内部微生物的种内竞争较为激烈，因此在深层土壤全氮减幅较大；白杨林分密度最小，土壤水热条件和通气状况较好，各土层之间稳定变化。

土壤全磷含量的高低在一定程度上反映出土壤磷素的储量和潜在的供应能力，从表5可以看出，9种不同林分人工林土壤全磷含量在0.98 g·kg-1～0.14 g·kg-1之间，说明该研究区全磷含量均处于中级水平。表层土壤全磷均高于其它土层，同时随着土层深度的增加基本呈现减小的趋势。大体呈现出：不同林分土壤全磷含量在0～20 cm和40～60 cm土层上存在显著差异(P<0.05),20～40 cm土层深度各林分类型全磷间无显著差异(P>0.05)。侧柏样地土壤全磷含量最高，且高于荒地；枣树样地土壤全磷含量最小，且低于荒地。出现这种现象的原因可能是针叶类乔木大量的凋落物提供了大量的磷酸根，同时土壤有机质是全磷的主要来源，从上述研究表明侧柏样地的土壤有机质含量最高，土壤全磷最高。枣树林分密度较小，土壤有机质含量较小，土壤中的养分多用于自身及果实成熟的消耗，因而土壤全磷含量最小。侧柏样地与枣树样地在0～20 cm，20～40 cm，土壤全磷减幅程度相当，在40～60 cm枣树样地土壤全磷的增幅明显高于侧柏，可能的原因是枣树属于阔叶乔木，根系分布在中层，对深层土壤全磷消耗不大，同时林分较稀疏，磷元素在土壤移动能力增强，因此深层土壤全磷积累较多，只在0～40 cm土层上消耗大；侧柏属浅根性乔木，侧根极为发达，林分密度较高，凋落物的返还及时补充土壤养分，因此各层土壤全磷浮动较小。

表4 不同林分各层土壤全氮含量/g·kg-1Table 4 Different forest stands in soil total nitrogen content

表5 不同林分各层土壤全磷含量/g·kg-1Table 5 Different forest stands in soil total phosphorus content

2.3 土壤理化性质相关性分析

9种林分类型0～60 cm土壤理化性质的相关性分析(表6)表明，土壤有机质与土壤全氮存在显著正相关性，相关系数为0.254，土壤有机质与全磷呈极显著正相关，相关系数为0.956，土壤全氮与全磷呈显著相关性，相关系数为0.206。土壤有机质与全氮、全磷分别存在显著正相关性和极显著正相关性，表明土壤有机质在改善土壤地力和促进土壤养分循环方面起着重要的作用。

表6土壤主要化学特性的Pearson相关系数

Table6 Pearson correlation coefficient among soil properties

土壤化学性质Soil chemical properties土壤有机质SOC土壤全氮TD土壤全磷TP土壤有机质1.000土壤全氮0.254∗1.000土壤全磷0.956∗∗0.206∗1.000

3 讨论

土壤是由地形和植被等多种环境因子相互作用形成的[22]，不同林分会对土壤养分含量的分布产生影响，不同林分和其所处的立地条件不同。本研究发现，不同林分土壤含水量存在明显的差异，这与纪文婧等[23]研究山西太岳林分类型土壤理化性质结果一致，但与方伟东等[24]研究长白山土壤水源涵养能力的结果不同。该研究结果受时间、空间等环境因素较小。土壤含水量能够反映一定区域的水分情况，土壤的物质转化和代谢过程与水分有密切关系[25]。侧柏样地土壤含水量最高，原因是由于该样地表层土壤积累的凋落物较厚，同时土壤孔隙度较大，有利于雨水的累积，大量的凋落物覆盖在土壤表面，减少了土壤的增发量，因此该样地土壤的含水量要明显高于其它样地，这与李嘉等[26]对北方典型样地得出的结论相似。土壤中毛管孔隙能够储存一定量的水，一般来说，毛管孔隙度随土层深度的增加而呈现减小趋势。土壤的孔隙度和毛管孔隙度不同造成了不同林分间土壤持水力的差异性[23]。研究还表明，土壤紧实度和土壤硬度与土壤含水量存在显著相关性，含水量的减小，使土壤土粒间结持力增大，发生紧实，从而导致土壤紧实度、土壤硬度的增大，这与祝飞华等[27]对耕作区土壤紧实度和土壤含水量关系的研究的结果相同。

土壤有机质对土壤理化性质都有很重要的作用，土壤有机质在一定深度上体现土壤肥力情况。本研究表明，土壤有机质均随土层深度的增加而减小，与程瑞梅等[28]研究的三峡库区植被土壤有机质含量变化结果相同。由于表层聚集的凋落物和表层浅根系分布较多，导致土壤表层有机质的含量高于深层。所有样地中侧柏样地土壤有机质含量最高，侧柏有机质明显高于其它8种林分类型，这与王勋曜等[29]关于侧柏根系发达，土壤中分布较多，对土壤有机质的利用率高于其它林分的研究结果一致；枣树样地土壤有机质含量最低，魏国良等[21]对枣树根系的分布及土壤养分的研究表明，枣树根系较发达，该林分土壤养分较低，与本研究的结果一致。可能是由于枣树样地常年人为翻耕，地表原生植被遭到严重破坏，土壤极度退化，导致有机质含量较低。

不同林分土壤全氮与土壤有机质含量的变化规律大致相似，与耿玉清等[30]对北京森林土壤养分的分析结果具有相似性。土壤氮元素主要来源于地表凋落物的分解，还取决于生物量的累积，最终导致氮元素表聚性明显，表层的氮元素通过雨水渗透和其它方式向土壤深层转移，最终导致土壤全氮含量随土层深度的增加而减小。研究表明9块样地中侧柏样地的全氮含量最高，与石利军等[31]对不同土地利用方式下土壤养分特征的研究结果一致，该研究结果表明侧柏样地容重小，孔隙度打，有利于作物所需空气及营养物质的输送；枣树样地土壤全氮含量最小，有研究表明枣树养分与根系分布有密切相关[21]，本试验研究表明可能是枣树常年经过人工翻耕，凋落物得不到保存，因此土壤全氮含量最小。

土壤全磷与土壤有机质含量和土壤类型也存在着联系,土壤全磷含量在0～20 cm和40～60 cm土层差异性显著，与20～40 cm土层没有差异变化，土壤全磷受土壤成土作用和母质对其影响很大，这与刘兴诏等[32]对森林土壤理化性质得出的结果不同。土壤全磷的来源相对固定，主要来源于及岩石的风化和凋落物的矿化，但矿化和风化过程耗时较长[22]，从而导致土壤全磷含量在土壤中变化不同，不同植被间差异性显著。侧柏的土壤全磷含量最高，枣树土壤全磷含量最小，这与冯天骄等[33]对黄土高原典型小流域土壤养分的研究结果相似。土壤理化性质各指标间存在一定的相关性[34]，土壤有机质与土壤全氮呈显著正相关，土壤中C：N相对稳定，这系列研究表明，土壤有机质是树木生长发育所需的必要养分，影响土壤理化性质，对改善土壤物理结构等方面具有积极的作用。

4 结论

(1)研究区不同林分类型土壤物理性质变化存在明显差异，侧柏样地土壤含水量最高(27.21%)，刺槐样地土壤含水量最小(16.85%)；侧柏样地土壤硬度最小(400.75 kg·cm-2)，柿子树样地土壤硬度、紧实度最大(529.41 kg·cm-2、14.27 Pa)，刺槐样地土壤紧实度最小(5.37 Pa)。研究表明土壤含水量与土壤硬度、土壤紧实度呈显著负相关，土壤硬度与土壤紧实度呈显著正相关。

(2)不同林分土壤有机质、土壤全氮含量均随土层深度的增加呈减小的趋势，表层大量的凋落物及微生物提供了大量的土壤养分；土壤全磷含量随土层变化不明显，0～20 cm,20～40 cm土层全磷含量减小，20～40 cm,40～60 cm土壤全磷含量增加，可能是磷元素在土壤转移能力较差所致。同时土壤有机质与土壤全氮、土壤全磷分别呈现正相关性和极显著正相关性，土壤全氮与土壤全磷呈显著正相关，养分含量规律很大程度上归结于植被本身生长发育的需求，反映了这块样地不同林分类型土壤养分分布特征。

(3)侧柏样地土壤理化性质含量最高，高于其他样地；枣树样地土壤理化性质含量最小，低于其他样地。侧柏样地凋落物较多，枯落物返还给土壤，导致侧柏样地土壤含水量、土壤全氮、土壤全磷含量明显高于其他样地；枣树样地林分密度较小，同时属于落叶乔木，该样地凋落物受人为干扰影响较大，样地内养分的归还较少，土壤养分低于其他样地。

综上所述，该地区土壤肥力一般，白杨、油松和枣树样地土壤养分明显低于荒地，说明样地内营养元素储备能力不强。林业站通过人工种植及抚育等措施，改善林分内生境条件，进而改善凋落物的组成和性质，同时增加根系丰富度，充分保护土壤中的养分，并通过提高生物多样性，促使地表凋落物快速分解，提高土壤养分储备并恢复该地区地力，减少水土及养分的大量流失。本研究只对一段时间内的各林地养分进行研究，要进一步系统研究土壤养分消耗情况，后期还需对不同林龄各林分样地土壤养分随时间变化消耗情况进行细致研究，以期为不同林分类型样地人工恢复土壤肥力提供科学的依据及有效的措施。