太岳山油松人工林土壤质量随林龄的演变特征

梁 洋，邵 森，马冰倩

（1.山西省太岳山国有林管理局，山西 沁源 046501；2.北京林业大学 林学院，北京100083）

土壤环境是森林生态系统功能持续发挥的重要物质支撑，不仅为森林中的生物提供了必要的生存场所，而且也为地表植被的生长供应着各种必需养分［1］。近年来，以土壤载体为研究主题的地下生态学过程已成为森林生态学领域重要的探索方向之一。由于土壤内部各生物及非生物过程的复杂性，土壤微生境高度的时空异质性，森林生态学领域急需探索一种超越单一指标的综合属性，来全面评价土壤环境变化对地下生态学过程的影响。森林生物的生长既需要土壤中的无机养分，也需要适宜的土壤温度、土壤气液相物质组成比例等等，所有这些因子都与森林的土壤质量密切相关。土壤质量是土壤各理化因子和生物学因子的综合体现，对森林群落未来的演变进程具有重要的调控作用。以土壤质量变化特征为切入点，深入分析森林群落结构与土壤质量间的互作规律，对预测中国人工林未来的发展趋势具有十分重要的理论意义。土壤质量是土壤在自然生态系统边界内维持动植物生产力以及水、空气质量和支撑人类适宜居住环境的能力［2］，是土壤物理、化学及生物学性状的集中表现［3-4］。前人对森林土壤的研究多集中在土壤理化性状、养分状况和土壤微生物等。近年来，研究者把重点转向土壤综合质量状况［5-10］。油松Pinus tabuliformis林是中国西北地区的地带性植被，主要分布在暖温带的干旱和半干旱气候区［11］，也是山西太岳山区域的主要森林类型之一。长期以来，因山区群落结构简单、种植密度过高以及后期经营管理措施不当，导致油松人工林的营养功能及生态服务功能都呈现衰退的迹象。同时，油松人工林的退化可能与林龄有关，因为该区域的油松人工林林龄不一，在不同的生长阶段，土壤质量又呈现出何种状态，对油松人工林功能持续是促进还是制约依然未知。因此，本研究基于不同发育阶段（40，60和80年生）的油松人工林为研究对象，分析土壤质量随森林群落的动态演变规律，以期为森林的经营、发展以及土壤资源的可持续利用提供有价值的借鉴意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究区位于国家林业局山西太岳山森林生态系统国家定位观测研究站，地处山西省长治市沁源县郭道镇（36°18′～37°05′N,111°45′～112°33′E， 海拔 1 150～2 088 m）， 同时也是灵空山国家级自然保护区。该研究区为温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温为8.6℃，1月均温为-10.5℃，7月均温为17.3℃。该区年均降水量为665.0 mm，主要集中在7-9月，无霜期约100.0～150.0 d。研究区海拔约1 280～1 810 m，西半部区域地势陡峭，东半部较为缓和。土壤类型主要为棕壤、褐壤等。山体基岩则以花岗岩、石灰岩、页岩和沙页岩为主。

该区域植被丰富，主要林分类型有油松林、华北落叶松Larix principis-rupprechti纯林、华北落叶松-油松混交林、油松-辽东栎Quercus liaotungensis混交林等。油松是林区内主要的建群树种，其他树种有华北落叶松、辽东栎、山杨Populus davidiana和白桦Betula platyphylla等树种。灌木层植物种类主要有华北绣线菊Spiraea fritschiana，毛榛Corylus mandshurica和胡枝子Lespedeza bicolor，黄刺玫Rosa xanthina，忍冬Lonicera japonica等；草本种类主要有薹草Carex，莎草Cyperus rotundus，薯蓣Dioscorea opposita，活血丹Glechoma longituba，蛇梅Duchesnea indica等。

1.2 样地设置与调查

2017年7月，在林区内选取林龄为40年生（P40），60年生（P60）和80年生（P80）的油松人工林，这3种林地的前身都是天然油松林群落，在20世纪皆伐后补种油松幼苗后发育而成。各种林分面积约为4 hm2，在各种林分类型中，选择地势平坦且立地条件相似的区域设置4块20 m×20 m的固定样地。调查林分的林龄、郁闭度、密度、胸径等。样地概况见表1。

表1 油松人工林的基本特征Table 1 Characteristics of Pinus tabulaeformis plantations

1.3 土样采集

于2017年8月，在12块样地里各按照 “S”型，选取5个点采集土样，用于土壤物理、化学及生物学性状的测定。

1.3.1 土壤物理性质的测定 在每个样方中用环刀选取5个点采集土壤样本，采样土层深度为0～10，10～20，20～30 cm的土层，共有20个土样。将土样去除杂质，然后自然风干，进而过筛备用。土壤含水量用烘干法测定；土壤容重用环刀法测定。

1.3.2 土壤化学性质的测定 在各个固定样方中使用内径8 cm，筒长40 cm的根钻，各个点按照0～10，10～20，20～30 cm不同土壤深度分次取样，各种林分类型共60个土样，放入写好编号的自封袋中，带回实验室进行处理分析。首先剔除土壤中的杂质，然后进行碾碎过筛，筛孔为1 mm。称取100 g土样进行风干处理，时间为1周。风干后土样先用研钵研磨，再通过孔径为0.149 mm的土筛子进行过筛，干燥保存。土壤有机质用重铬酸钾氧化法测定；土壤全氮用凯氏定氮-消煮法测定；土壤铵态氮和硝态氮分别用靛酚蓝比色法和酚二磺酸比色法测定（1 mol·L-1氯化钾溶液浸提）；土壤速效磷用钼锑抗比色法测定（碳酸氢钠溶液浸提）；土壤速效钾用火焰光度法测定（乙酸铵溶液浸提）。

1.3.3 土壤微生物性质的测定 在各个固定样方中按照 “S”型选取5个点采集土样，各个样点按照0～10，10～20，20～30 cm不同土壤深度分层取样，共60个土样。剔除土壤中的杂质，然后进行碾碎过筛，置于4℃冰箱中保存备用。土壤微生物生物量碳和生物量氮采用氯仿熏蒸提取-滴定法测定。

1.4 土壤质量评价

选取的测定指标有土壤容重、含水率、有机质、全氮、速效钾、铵态氮、硝态氮、速效磷以及土壤微生物量碳和土壤微生物量氮。

由于土壤因子测定值的变化具有不确定性和连续性，因此利用隶属度函数的相同属性来对各土壤肥力指标测定值进行标准化处理。运用主成分分析得到的因子载荷量的值具有正负性，以此来判断所使用的隶属度函数， 其中式（1）为降型函数， 式（2）为升型函数［12］：

式（1）和式（2）中：ximin和ximax分别代表测定土壤肥力数据的最小值和最大值；xij为土壤肥力测定值。

因为土地利用类型、研究目的等的不同，所选择的土壤质量指标具有不同的重要程度，在数据处理过程中一般用权重系数来反映相应指标的影响程度。在本实验中，运用主成分分析得到各肥力因子的载荷量和方差贡献率，然后得到各指标的权重系数：

在确定了评价指标因子隶属度和权重之后，运用加权方法来建立土壤质量的综合评价数学模型［13］：

其中：Ci为第i项土壤肥力指标的因子载荷；Q为土壤质量综合评价指数；Wi为权重向量；F（xi）为隶属度值。

1.5 数据处理

数据处理和图形建立采用SPSS 19.0和Excel 2010进行，运用单因素方差分析（ANOVA）和最小显著差法（LSD）检验不同林分同一土层和同一林分不同土层土壤因子间的差异显著性（α＝0.05）。运用双变量相关分析得出不同林分的土壤质量指标间的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同林龄油松人工林的土壤物理性状

油松林土壤的物理学特性显著受到林龄的影响（图1），60年生和80年生的油松人工林土壤含水率均显著高于40年生的油松人工林，60年生和80年生油松人工林的土壤容重差异不明显，但均显著小于40年生的油松人工林（P＜0.05）。可见随着油松人工林的林龄增加，土壤含水率呈增加趋势，而土壤紧实度呈下降趋势，土壤物理状况得到了改善。

2.2 不同林龄油松人工林的土壤化学性状

0～10 cm土层中的全氮质量分数随着林分林龄的增加显著增大（P＜0.05）；10～20 cm土层中全氮质量分数也存在这种趋势。0～10 cm土层的有机质质量分数随着林龄的增加逐渐增大，且60年生和80年生的油松人工林土壤与40年生油松人工林土壤差异显著（P＜0.05），10～30 cm土层的有机质质量分数无明显的变化规律（表2）。

与40年生油松人工林土壤相比，60年生和80年生油松人工林土壤的0～10，10～20和20～30 cm土层的铵态氮分别增加77.78%和20.16%，82.20%和5.50%，38.53%和25.97%，硝态氮也呈类似的变化规律。

0～10 cm土层中的速效钾和有效磷质量分数随着林龄的增加显著增大（P＜0.05）；10～20 cm土层中的有效磷在3种林分间无明显差异；20～30 cm土层中的速效钾和有效磷则随着林龄的增加逐渐显著增大（P＜0.05）（表 2）。

图1 不同林龄油松人工林土壤物理性质Figure 1 Soil physical properties of Pinus tabulaeformis plantations with different ages

2.3 土壤微生物随林龄的变化特征

随着油松人工林林龄的增加，土壤微生物量碳（MBC）质量分数有增大的趋势。在0～10 cm土层，土壤微生物量碳无显著差异；在10～20 cm土层，80年生油松人工林的土壤微生物量碳质量分数为231.49 mg·kg-1，显著大于60年生和80年生油松人工林（P＜0.05）。在20～30 cm土层，80年生油松人工林的土壤微生物量碳质量分数显著高于40年生和60年生油松人工林（P＜0.05）。土壤微生物量氮（MBN）质量分数也随着林龄的增加逐渐提高。在0～10 cm土层，80年生油松人工林的土壤微生物量氮质量分数为55.17 mg·kg-1，显著高于40年生和60年生油松人工林（P＜0.05）；在10～20 cm土层中，80年生油松人工林的土壤微生物量氮质量分数为36.08 mg·kg-1，显著高于40年生和60年生油松人工林（P＜0.05）；在20～30 cm土层中，80年生油松人工林的土壤微生物量氮质量分数大于40年生和60年生的油松人工林。随着土层深度的增加，油松人工林土壤微生物量碳和土壤微生物量氮质量分数逐渐减少（图2）。

2.4 油松人工林土壤性状间的相关性分析

3种林分类型的土壤质量评价指标的相关性分析结果显示（表3）：各指标基本符合正态分布特征，其中土壤硝态氮仅与铵态氮呈显著负相关，与其他指标无显著相关关系；全氮、有机质、铵态氮、有效磷、速效钾和微生物量碳、微生物量氮相互之间均呈显著或极显著正相关。

图2 不同林龄不同土层下油松人工林土壤微生物量碳、微生物量氮质量分数Figure 2 Contents of microbial biomass carbon and nitrogen in the soil under Pinus tabulaeformis plantation with different ages and different soil layers

表3 不同土壤养分指标间的相关系数Table 3 Correlation coefficient between different soil nutrients

2.5 土壤质量评价体系

2.5.1 评价指标隶属度值及权重的确定 通过对各测定指标的主成分分析，产生各林龄油松人工林的土壤质量评价指标的隶属度值。在由各项数据所综合代表的土壤质量中，前4个组分的累计方差贡献率达85.67%，符合主成分分析累计贡献率≥80%的条件［14］。依据因子负荷矩阵得出，主成分F1主要由全氮（x1）， 有机质（x2），微生物量碳（x3），微生物量氮（x4），含水率（x5）构成； 主成分F2轴由速效钾（x6）和速效磷（x7）组成； 主成分F3由铵态氮（x8）和硝态氮（x9）组成； 主成分F4主要由容重（x10）构成（表 4）。

2.5.2 不同林龄油松人工林的土壤质量综合评价 土壤质量综合评价的结果表明：40年生、60年生和80年生油松人工林的土壤质量综合指数分别为0.363，0.500和0.568（图3A），即80年生油松人工林土壤质量综合指数最大，60年生油松人工林次之，40年生油松林最低。由此可见，随着林龄增大，油松人工林土壤培肥作用增强，土壤质量评价指数也逐渐提升，不同林分同一土层的土壤质量综合指数也遵循上述的变化规律（图3B）。

3 讨论

3.1 不同林龄油松人工林土壤性状特征

随着林分的不断发展以及林龄的增加，土壤的物理性状得到了改善。土壤容重与林龄之间呈负相关关系［15］。越成熟的林分郁闭度越小，而且本研究的3块研究样地坡度较缓，处于山地较为深入的位置，人为干扰较少，使得土壤容重随林龄的增加逐渐降低。赵伟红等［15］在对辽河源自然保护区不同林龄油松天然次生林的土壤含水率测量时发现：在土壤表层，随着林龄的增加，土壤容重逐渐降低。土壤容重与土壤环境的通透程度有关，进而影响降水在土壤中的渗透和保水程度［16］。本研究土壤含水率和林龄呈正相关关系，与赵伟红等［15］的研究结果一致。主要原因是林龄较高的油松人工林的林分密度低，蒸腾作用散失的水分较少，因而含水量较高。此外，土壤容重的逐渐降低，使得土壤更加疏松，水分传输和通气效果更加显著，增加了土壤含水量［16］。

表4 不同因子载荷、权重、特征根和方差贡献率Table 4 Factor load,weight,characteristic root and variance contribution rate

图3 不同林龄油松人工林的土壤质量综合指数Figure 3 Composite indexof soil quality of Pinus tabulaeformis plantation with different ages

本研究中表层土壤各养分质量分数随着林龄的增加而显著增大。这是由于随着林分林龄的增长，林分密度逐渐降低以及凋落物逐年累积，更多的光照使得林下凋落物分解速度加快，土壤微生物的活力增强［5,17］，地表向地下有机物的输入量也逐渐增加，且最接近地表的土层养分差异最为显著［18］。凋落物对土壤养分的影响也体现在马尾松Pinus massoniana的林分中。葛晓改等［19］研究显示：马尾松林土壤养分受基质质量、凋落物产量、养分年归还量、养分周转率等因素影响，土壤表面养分含量与凋落物基质质量的变化规律一致。同时，土壤团聚体的粒径在一定程度上影响了土壤养分的含量。孙娇等［20］在对陕北黄土丘陵区不同林龄刺槐Robinia pseudoacacia林的土壤养分调查时发现：0.25～2.00 mm粒径的土壤团聚体提高了土壤全效养分的保持能力。此外，由于凋落物和根系聚集于地表附近［16］，伴随养分的逐渐流失，各个林龄油松人工林的土壤养分随着土层深度的增加而显著减少。

随着林龄的增加，土壤微生物量氮、微生物量碳质量分数呈上升趋势。微生物量大小和活性均与土壤养分含量密切相关，地表的凋落物可以给微生物提供丰富的能源物质，对微生物量的变化至关重要［21］。有研究显示：有机质是影响土壤微生物量的重要因素，有机质能够为微生物在进行自身合成与代谢过程中提供足够的碳、氮物质来源以及能量来源［22］。部分实验证实：微生物量碳和微生物量氮与土壤养分存在正相关关系［22-23］。本研究也体现出了这样的变化规律。同时也有相反的观点，土壤微生物量和土壤养分之间并无相关关系，微生物量还受到生长环境、凋落物数量和种类的影响［24-25］。

3.2 土壤养分与土壤微生物量间的相关关系

本研究所选取的各项指标皆具有突出的代表性与易测性，且各指标间相互作用显著，能明确地反映土壤质量的综合情况，所以将所有评价指标列入考虑范畴。从结果来看，微生物量碳、微生物量氮和除硝态氮之外的所有评价指标呈显著相关性，这说明本实验所选取的微生物量碳、微生物量氮2种生物因子能够真实反映研究区土壤的生物学特性，并且和土壤的肥效以及土壤质量有密切的联系［26］。

3.3 不同林龄油松人工林土壤质量综合评价

在本研究中，林龄的增加可提高油松人工林土壤质量。依据土壤质量综合评价法对山西太岳山不同林龄的油松人工林土壤环境的状况进行分析，量化评价了不同林龄的林分土壤质量。随着油松人工林林龄的不断增加，逐年累积的地表凋落物量逐渐加大，在一定程度上提升了土壤养分含量［17］。80年生油松人工林与40年生油松人工林相比，林内环境逐步完善，促进了顶极群落的形成，与此同时，地上植被的发展使得土壤物理、化学和生物学性状不断改善，因此土壤质量得到提升［27-28］。本研究可以在一定程度上促进太岳林区的土壤研究，为林分的发展提供更多的参考意见。总之，林分更替演变过程是一个发展变化的过程，在林分经营的过程中，依据其基本状况因地制宜地增加林分年限，采取抚育措施促进林分发展，改良土壤质量状况，最终促进生态系统功能的完善。