胶东丘陵区典型赤松人工林的生长特征与土壤理化特性

于浦云，苗 杰，路兆军，胡海燕，李东芹，张专文，孙 倩，薛 蕾，孙太元*

（1.烟台市牟平区林业技术推广中心，山东 烟台264100；2.烟台市林业科学研究所，山东 烟台264013；3.烟台市龙口市国有林场，山东 龙口265700；4.烟台市森林资源监测保护服务中心，山东 烟台264000）

赤松（Pinus densiflora）为松科（Pinaceae）松属（P.）常绿乔木，耐干旱瘠薄，成林成材期较早，是温带和暖温带地区针叶林的主要建群树种。赤松在我国和世界上的分布区较为狭窄,主要分布在山东半岛、辽东半岛和吉林省的东部，以及朝鲜、韩国和日本等国，山东半岛为其原生地[1-3]。赤松是山东省的乡土树种,主要分布在胶东丘陵区和部分鲁中山地,在平衡区域生态、提高生物多样性、调节生态系统结构和功能方面发挥着重要作用，对荒山造林及水土保持有十分重要的意义[4]。近年来林业科研人员从林分生长、树木生理生态、种群结构、病虫害防治等多方面对赤松天然林和人工林展开了系列研究工作[5-8]。罗广军[9]通过研究分析吉林省延边地区赤松林的标准地资料,明确了赤松人工林的生长特征以及其与立地因子的关系,初步确定了赤松人工林的适宜立地条件。吴玉德[10]对吉林省龙井市天然赤松材的材积生长进行了初步研究，发现赤松材积生长可大致分成3个阶段,幼年阶段小于20年,成熟林为20-44年，过熟林大于44年。但目前对胶东丘陵区赤松林生长特征方面的研究却少见报道。

土壤是林木生长和生态功能发挥的基础，森林土壤质量对森林健康非常重要。土壤物理特性和化学特性是森林土壤质量最重要的组成部分，开展森林土壤理化特性研究，对于诊断林地土壤退化、结构紊乱，以及所导致的土壤功能失调具有重要意义。国内针对人工林土壤理化性质开展了较多研究，涉及油松（P.tabulaeformis）[11-12]、麻栎（Quercus acutissima）[12]、红豆杉（Taxus chinensis）[13]、西南桦（Betula alnoides）[14]等多个树种，相比之下，赤松林地土壤理化性质方面的研究相对较少。本研究通过对胶东丘陵区不同林龄和密度的典型赤松人工林开展土壤理化特性研究，有利于探索有效的土壤质量管理措施，为干旱瘠薄地区林地土壤质量提升和人工林可持续经营提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

胶东丘陵区位于山东省东部，北纬35°35'-38°3'，东经119°30'-122°42'。行政区划主要包括烟台、青岛、威海三地及潍坊市部分地区。该区丘陵的海拔多在500 m 以下，主要由花岗岩组成。由于受海洋的影响，与同纬度的内陆相比，气候温和，气温变幅较小，属暖温带湿润半湿润季风性气候，四季分明，气候特征明显；春秋季节气候干燥，降雨集中于夏季，约占全年降雨量的60%。年均气温11.3℃，年平均日照数2690 h，全年无霜期约207 d，年平均降水量740 mm[15]。由于成土母质以花岗岩、片麻岩和片岩等深变质结晶岩为主，区域内土壤类型以棕壤为主，主要植被类型为常绿松柏类树种和落叶阔叶类树种为主，代表树种主要有黑松（P.thunbergii）、赤松、油松、麻栎、楸（Catalpa bungei）、刺槐（Robinia pseudoacacia）等。

1.2 样地设置

在研究区内的烟台市辖区选取15块有代表性的不同林龄、不同密度赤松人工林地作为研究对象，每块样地面积均为10 m×10 m，其中1-4号样地位于牟平区神童村林场，5-8号样地位于牟平区风云林场，9-12号样地位于莱山区曲村林场，13-15号样地位于昆嵛山林场。林地的土壤类型为棕壤，林下植被主要有麻栎、胡枝子（Lespedeza bicolor）、臭椿（Ailanthus altissima）、商陆（Phytolacca acinosa）、山苜楂（Gypsophila oldhamiana）、地榆（Sanguisorbaofficinalis）等。各块样地人工林的林龄、密度、郁密度、林下盖度及立地因子等基本概况见表1。

表1 不同赤松人工林样地基本概况Table1 Summary information of forest plots of P.densiflora plantations

1.3 林分生长调查及土壤采样方法

调查及取样时间为2018年9月。对所选样地赤松人工林进行每木生长调查，调查指标包括树高、胸径和冠幅。树高测定采用测高杆或测高仪，胸径采用围尺；测量冠幅时，分别量取树冠垂直投影的南北和东西方向外沿距离，计算两者平均值。

在每块样地随机选取4个采样点，用土钻采集0-20 cm 土层的土壤样品，每个采样点约1 kg，去除其中的植物根系、动植物残体，混合均匀后用四分法取1 kg 土样，装袋后带回实验室。将土样置于实验室阴凉处自然风干，分成两份，分别过20目筛和100目筛备用。

1.4 土壤理化指标测定方法

共测定土壤物理指标8个，分别为容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、粘粒（＜0.002 mm）含量、粉砂粒（0.002～0.05 mm）含量和砂粒（0.05～2.0 mm）含量。土壤容重采用环刀法测定，所用环刀规格为100 cm3；采用环刀浸水法测定土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和毛管持水量[11]。土壤颗粒机械组成采用吸管法测定[16]。

共测定土壤化学指标8个，分别为pH值、电导率（EC）、阳离子交换量（CEC）、有机质、全氮、有效氮、有效磷、有效钾。土壤pH值采用酸度计测定（水土比为2.5:1）；电导率采用电导率仪测定（水土比为5:1）；CEC 采用EDTA-乙酸铵混合液交换法测定；采用油浴加热—重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量；全氮含量采用凯式定氮法测定；有效氮含量的测定采用碱解扩散法；有效磷含量采用0.5 mol/L 碳酸氢钠溶液浸提—钼蓝比色法测定；用1 mol/L 中性醋酸铵溶液浸提—火焰光度计法测定土壤有效钾含量[17]。

1.5 土壤理化指标分级标准

根据中国土壤pH值分级标准[18]，pH值＜4.5为极强酸性，4.5～5.5为强酸性，5.5～6.5为微酸性，6.5～7.5为中性，7.5～8.5为微碱性，＞8.5为强碱性。关于林地土壤理化指标的等级划分，目前国内外尚没有可利用的统一标准。在本研究中，土壤养分指标采用全国第二次土壤普查时土壤养分的分级标准[19]，其它指标参考全国土壤普查办公室提出的林地土壤资源评价分级指标[20]，以及前人对林地土壤指标的评价标准[21]，总结得出林地土壤主要理化指标的分级标准（表2），用于判断赤松林地土壤理化指标的丰缺状况。由于土壤粉砂粒和砂粒含量尚未有可供参考的丰缺阀值，因此没有制定这两个指标的分级标准。

表2 林地土壤主要理化指标的分级标准Table2 Classification standards of main indicators of forest soil quality

1.6 数据分析

除常规生长指标外，本研究还采用年均生长速率来比较不同林龄赤松人工林的生长情况，计算方法是分别用各样地林木的平均胸径、树高、冠幅除以林龄。鉴于样地1～12的林龄较为接近，将这12块样地作为一个林龄组进行计算，平均林龄为18 a。

利用Excel 2016软件进行数据处理与图表制作，采用SPSS 23.0软件进行描述性统计和回归分析。采用变异系数来表征土壤理化指标的变异程度，计算公式为：变异系数=(标准差/平均值)×100%。

2 结果与分析

2.1 不同赤松人工林的生长特征

树高、胸径和冠幅是表征林分生长特征的主要指标。不同密度、不同林龄赤松人工林的生长特征如表3所示。由表中结果可知，所调查15个胶东丘陵区赤松人工林的平均树高、胸径和冠幅分别为5.60 m、9.39 cm和2.71 m，而低林龄组（16-23 a）的平均树高、胸径和冠幅分别仅为4.38 m、7.37 cm和2.38 m，生长状况较差。由图1可以看出，供试赤松人工林的树高、胸径和冠幅随林分密度增加呈现逐渐下降趋势，统计分析结果表明，各生长指标与林分密度均表现出双曲线函数（Y=A+B/X）拟合关系，达到显著性水平（P ＜0.05，R=0.9591）。

表3 不同赤松人工林生长特征Table3 Growth characteristics of forest plots of P.densiflora plantations

图1 林分密度对赤松人工林生长指标的影响Figure1 Effects of density on growth indexes of P.densiflora plantations

由表4结果可以看出，赤松人工林在0-18年间的年均生长速率要明显高于18-65年间的生长速率。以胸径为例，林龄0-18年和18-65年间的年均生长速率分别为0.243 cm/a和0.130 cm/a，表明赤松人工林前期生长速度较快。

表4 赤松人工林主要生长指标的年均生长速率Table4 Annual average growth rate of main growth indexes in P.densiflora plantations

2.2 不同赤松人工林的土壤物理特性

变异系数可以用于表征指标敏感性，变异系数越大表明该指标对差异性也越敏感，低于10%为弱变异，高于100%为强变异，处于二者之间（10%～100%）的为中等变异[22]。由表5可以看出，所有土壤物理指标均属于中等变异，这说明胶东丘陵区赤松林地土壤的物理性质相对较为稳定。

赤松林土壤物理指标的描述性分析结果见表5和表6所示。调查结果表明，赤松人工林土壤容重处于0.94～1.66 g/cm3之间，其中46.67%样地的土壤容重处于“适中”等级，其余基本上都处于“较低”或“较高”水平。供试样地的土壤粘粒含量普遍较低，均处于“很低”和“较低”等级，90%以上为“很低”水平，砂粒含量较高，平均值高达63.3%。本研究中，供试土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度处于“适中”等级的分别占40%、53.33%和46.67%，均是所占百分比最高的等级，说明赤松人工林土壤的通透性较好。毛管持水量变幅为14.27%～ 39.01%，80%处于“较高”和“很高”水平，说明供试林地土壤的保水能力较强。

表5 赤松人工林土壤物理指标描述性统计结果Table5 Descriptive statistical analysis of soil physical indexes in P.densiflora plantations

表6 赤松人工林土壤物理指标不同等级所占比例Table6 Percentage of different grade of soil physical indexes in P.densiflora plantations

2.3 不同赤松人工林的土壤化学特性

土壤化学性质主要反映了土壤肥力状况，多数指标直接关系到林木生长，对于森林健康和土壤质量都有着深刻的影响。由表7可以看出，供试土壤各项化学指标中以pH值的变异系数最小，属低变异，其余指标均处于中等变异水平，说明胶东丘陵区赤松人工林地土壤化学性质整体变异不大，稳定强较强。

由分析结果可知（表7、表8）胶东丘陵区赤松林地的土壤pH值变化范围为4.81～6.05，表现为酸性，平均值为5.56，均处于“较低”等级。供试土壤EC 普遍很低，变幅为20.2～115.6 μs/cm，均处于“很低”等级。从表4可以看出，侧柏人工林地土壤CEC 平均值为9.57 cmol/kg，整体均值处于“很低”等级。统计结果表明，15块样地中土壤CEC处于“很低”和“适中”等级的分别占据整体的2/3和1/3。供试赤松林地土壤有机质平均值为25.63 g/kg，变幅为18.2～71.2 g/kg，均处于“适中”、“较高”或“很高”等级，表明胶东丘陵区赤松人工林地土壤有机质含量处于中等或以上水平。

表7 赤松人工林土壤化学指标描述性统计分析结果Table7 Descriptive statistical analysis of soil chemical indexes of P.densiflora plantations

表8 赤松人工林土壤化学指标描述性统计分析结果Table8 Percentage of different grades of soil chemical indexes of P.densiflora plantations

由测定结果可知，供试土壤全氮含量变幅为0.53～2.9 g/kg，虽然低林龄赤松林地土壤全氮含量较低，但供试林地全氮平均含量较高，这是由于昆嵛山林场的高林龄赤松林地土壤全氮含量均处于 “很高”等级的原因。有效氮含量的变幅为14.6～256 mg/kg，平均值为95.25 mg/kg，有86.66%土样的有效氮含量达到“适中”、“较高”或“很高”等级。土壤有效磷含量处于0.6～5.4 mg/kg之间，90%以上的样地处于“很低”水平，平均值仅为1.91 mg/kg；土壤有效钾含量变幅为32～91 mg/kg，53.33%的土壤属于 “适中”等级，其余均为“较低”水平。结果表明，供试赤松人工林的全氮和有效氮含量含量整体较高；而有效磷含量很低，有效钾含量整体则较为适宜。

3 结论

本文以胶东丘陵区不同林龄和密度的赤松人工林为对象，综合分析了其生长特征以及土壤理化特性，研究表明，供试赤松人工林的树高、胸径和冠幅随林分密度增加呈现逐渐下降趋势，各生长指标与林分密度均表现出双曲线函数拟合关系，达到显著性水平（P ＜0.05）。赤松人工林前期生长速度较快，在0-18 a 间的年均生长速率要明显高于18-65 a间的生长速率。

赤松人工林土壤容重处于0.94～1.66 g/cm3之间，整体较为适中，土壤粘粒含量普遍较低，90%以上为“很低”水平。赤松人工林土壤的通透性较好，保水能力较强。供试赤松林地土壤pH值均表现为酸性，土壤EC 普遍很低，变幅为20.2～115.6 μs/cm，均处于“很低”等级。林龄较高的赤松人工林土壤CEC较为适中，而低林龄赤松林地土壤CEC处于“很低”水平。胶东丘陵区赤松人工林地土壤有机质含量处于中等或以上水平；全氮和有效氮含量整体上较高，而有效磷含量很低，有效钾含量整体较为适宜。