不同林型、不同林分密度植被下土壤养分及其化学计量比研究

梁广国， 陶建元， 郭 坤， 王子旗， 张艳明， 王金颖

(1. 延边朝鲜族自治州森林调查规划院， 吉林 延边 133001; 2. 吉林省三岔子林业局， 吉林 白山 134500; 3. 吉林省红石林业局， 吉林 吉林 132400)

由于人为干扰及破坏，现阶段我国林分主要以天然次生林为主，其中以阔叶混交林(BM)和针阔混交林(CBM)为主要林分组成[1]。虽然国内大多数学者对不同密度的单一林分类型下土壤理化性质进行了大量研究，却鲜有对不同林分密度的多种林分类型植被下土壤养分含量及其C、N、P化学计量比的研究。

土壤作为森林生态系统中的重要组成部分，一方面保证了林分内能量和物质的交换，另一方面又是生物活动的重要场所[2，3]，是森林生产力的一个重要指标[4]。C、N、P是自然界所有植物体构成的主要元素[5]，植物体对这些元素的主要获取方式是吸收土壤中的养分并进行转化，随后用于其生长发育，因此，土壤养分含量的高低直接影响林木的生长、发育、生产力水平和生态功能的发挥。化学计量比强调的是C、N、P等元素在生命体中的平衡与耦合[6]，其在一定程度上能够反映土壤元素水平和养分供给状况[7]，目前相关研究较多且比较全面，如连玉珍等对色拉山高海拔区不同植被类型下土壤C、N、P、K化学计量比的研究[8]，卢立华等对不同模式下马尾松林C、N、P化学计量比的研究[9]，以及解梦怡等对秦岭锐齿栎林土壤C、N、P化学计量比的研究等[10]。因此，研究土壤C、N、P化学计量比对揭示土壤元素循环与平衡以及提高土壤养分利用效率具有重要意义。

土壤养分含量与林分密度等因子紧密相关[11]，众多学者研究表明，林分密度可以显著影响林分内环境因子、林下植物多样性以及凋落物现存量和分解速度，进而直接或间接地作用于林下土壤，改变其理化性质[3，12-14]，因此，森林土壤养分含量的高低和森林功能的发挥与适宜的林分密度有着密不可分的关系。目前关于不同林分密度下土壤养分特征的研究主要集中在对不同密度下落叶松云冷杉林[15]、马尾松林[16]、华北落叶松人工林[17]和长白落叶松天然林[18]等单一针叶林分类型下土壤理化性质特征的研究，而对于阔叶混交林和针阔混交林2种林分类型的不同林分密度植被下土壤养分含量以及C、N、P化学计量比的研究较少。因此，本研究将2种林分类型划分为高、中、低3种林分密度，测定不同土层深度土壤养分含量，分析比较不同林分密度下不同林分类型各土层养分的变化规律、差异性以及C、N、P化学计量比情况，以期为阔叶混交林和针阔混交林的林分管理及生态恢复建设提供科学依据。

1 研究区概况

在长白山北坡选取阔叶混交林和针阔混交林2种林分类型，设置不同林分密度样地共18块，样地基本情况见表1，该区域属温带大陆季风气候，夏季温暖多雨，冬季寒冷干燥，无霜期短，冰冻期长，年平均气温3 ℃左右，年降水量700～800 mm，土壤类型为暗棕壤，该地区植被类型隶属于长白山植物区系，各样地树种组成情况见表2。

表1 样地基本情况

表2 样地树种组成

2 研究方法

2.1 样地设置

在试验区域内，挑选生长状况和立地条件基本相似的阔叶混交林和针阔混交林进行试验，分别将2种林型划分为高密度(1 300～1 600株·hm-2)、中密度(900～1 300株·hm-2)、低密度(600～900株·hm-2)3种密度林分，每种密度选择3块20 m×30 m样地，共计18块(表1)，在每个样地对角线上设置3个重复的土壤剖面，分别采集0～20 cm、20～40 cm和大于40 cm深度的土壤。

2.2 土壤养分含量测定

剔除土样中的根系、石块及杂物，分别标记装袋，带回实验室自然风干，粉碎、过筛后测定有机碳含量(SOC)、全氮含量(TN)和全磷含量(TP)。SOC采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定，TN采用半微量开氏法测定，TP采用浓硫酸-高氯酸-钼锑抗比色法测定。

2.3 数据处理

数据采用Excel 2007和SPSS 19.0进行处理和分析。

3 结果与分析

3.1 不同林型、不同林分密度植被下土壤有机碳含量

有机碳含量测定及分析结果见表3，可以看出，不同林型、不同林分密度植被下土壤有机碳含量存在差异，随着林分密度的增加，阔叶混交林和针阔混交林各土层土壤有机碳含量逐渐增加。同一林分、同一密度下，随着土层深度的增加，有机质含量逐渐减少，各林分密度植被下0～20 cm深度土层的有机质含量最高。在同等条件下，阔叶混交林内土壤有机物含量高于针阔混交林内。

表3 不同林型、不同林分密度下土壤有机碳含量

3.2 不同林型、不同林分密度植被下土壤全氮含量

全氮含量测定及分析结果见表4，可以看出，不同林型、不同林分密度植被下土壤全氮含量同样存在差异，随着林分密度的增加，阔叶混交林和针阔混交林各土层全氮含量逐渐增加。同一林分、同一密度下，随着土层深度的增加，全氮含量逐渐减少，各林分密度植被下0～20 cm深度土层的全氮含量最高。在同等条件下，阔叶混交林内土壤全氮含量高于针阔混交林内。

表4 不同林型、不同林分密度下土壤全氮含量

3.3 不同林型、不同林分密度植被下土壤全磷含量

全磷含量测定及分析结果见表5，可以看出，不同林型、不同林分密度植被下土壤全磷含量存在差异，变化规律与有机碳和全氮不同，随着林分密度的增加，阔叶混交林和针阔混交林各土层全磷含量呈现先增加后降低的趋势，在中密度林分植被下，土壤全磷含量最高。同一林分、同一密度下，随着土层深度的增加，全磷含量呈现先增加后降低的趋势，各林分密度植被下20～40 cm深度土层全磷含量最高。在同等条件下，阔叶混交林和针阔混交林内土壤全磷含量无显著差异。

表5 不同林型、不同林分密度下土壤全磷含量

3.4 不同林型、不同林分密度植被下土壤C、N、P化学计量比

植物体生长发育主要依赖于土壤养分的供给，其中C、N、P是植物体从土壤中吸收的主要元素。在不同林型、不同林分密度植被下土壤C、N、P化学计量比呈现出不同的变化趋势(表6、表7、表8)，从表6中可以看出，2种林分类型不同密度、不同土层深度之间C∶N无显著性差异且无明显变化规律。

表6 不同林型、不同林分密度下土壤C、N化学计量比

从表7中可以看出，2种林分类型植被下C∶P均在高密度林分下最大，且显著大于中密度林分和低密度林分。阔叶混交林土层在20～40 cm时中密度林分C∶P小于低密度林分，其他土层则中密度林分C∶P大于低密度林分，但相互之间差异不显著。针阔混交林土层深度在0～20 cm时，中密度林分C∶P大于低密度林分，其他土层则低密度林分C∶P大于中密度林分，但相互之间差异不显著。2种林分类型相同林分密度植被下土壤C∶P随土层深度的增加总体呈减小趋势，在0～20 cm深度土层比值最大且显著大于其他土层。

表7 不同林型、不同林分密度下土壤C、P化学计量比

从表8中可以看出，2种林分类型植被下N∶P均在高密度林分下最大，且显著大于中密度林分和低密度林分，而中密度林分和低密度林分N∶P无显著变化，且相互之间差异不显著。2种林分类型相同林分密度植被下土壤N∶P均随土层深度的增加而减小，在0～20 cm深度土层比值最大且显著大于其他土层。

表8 不同林型、不同林分密度下土壤N、P化学计量比

4 结论与讨论

众多研究表明，由于林分类型或林分密度不同，会使森林温度、土壤密度、含水率、酶活性等方面发生改变，进而使林下枯落物的积累与分解速率产生差异，同时，不同林分类型下植物多样性也同样受以上各因素的影响，从而导致枯落物构成及储量存在差异[19]，最终会造成土壤养分含量在不同林分密度和不同林分类型的影响下呈现出不同的变化规律。

本研究发现，林分类型与林分密度的不同会对土壤养分含量产生影响，阔叶混交林和针阔混交林土壤中有机碳和全氮含量会随着林分密度的增加而增大，在高密度林分其含量达到最大值；在相同林分密度下，有机碳和全氮含量会随着土层深度的增加而减小，在土壤表层含量最大，这与任丽娜等[20]对华北落叶松、范少辉等[21]对毛竹林、王岩松等[22]对油松与刺槐人工林的研究结果相一致。主要原因可能是在林分密度高的情况下，林下凋落物含量增加，加之高密度林分下林地蒸腾作用减弱，地表水会相应增加，最终使得土壤中养分随之增加[23，24]。2种林分类型植被下土壤中全磷含量变化与有机碳和全氮有所差异，土壤全磷含量随着林分密度的增加呈现出先增大后降低的趋势，在中密度林分全磷含量最大，在相同林分密度下，全磷含量同样随着土层深度的增加呈现出先增大后降低的趋势，在20～40 cm深度土层全磷含量最大，全磷含量变化与有机碳和全氮有所差异，主要是因为磷元素属于一种沉积性元素，其主要来源于岩石风化和淋洗[25]，而有机碳和全氮则主要来自地表枯落物的分解归还，在高密度林分和低密度林分内，全磷的消耗要大于中密度林分，从而使得中密度林分的全磷含量要高于高密度林分和低密度林分。此外，在相同条件下，阔叶混交林土壤中有机碳、全氮和全磷含量均高于针阔混交林，这主要是因为阔叶树积累分解的凋落物会相对高些。

本研究还发现，2种林分不同林分密度植被下，各土层之间C∶N均无显著差异性，且无明显变化趋势，说明该地区2种林分土壤C∶N受林分密度影响较小，相对比较稳定，主要是因为有机碳和全氮是植物的结构性成分，植物会以固定的比值吸收土壤中的有机碳和全氮，并且在植物凋落死亡时全部返还给土壤，因此，使得土壤中C∶N相对稳定[26，27]。土壤中C∶P是衡量土壤磷有效性的指标之一，本研究中2种林分类型下C∶P均在高密度林分下最大，且显著大于中密度林分和低密度林分，中密度林分和低密度林分C∶P相互之间差异不显著，在相同密度下土壤C∶P均随土层深度的增加而减小，在0～20 cm深度的土层比值最大且显著大于其他土层，这与张萍等、章广琦等研究结果一致[28，29]，这主要是因为在全磷含量基本保持不变情况下，有机碳含量的不断增加决定了C∶P水平。本研究中2种林分类型下N∶P均在高密度林分下最大，且显著大于中密度林分和低密度林分，而中密度林分和低密度林分N∶P无显著变化，且相互之间差异不显著，其变化趋势与C∶P变化趋势一致，主要是因为全磷含量不变，使得林分对全氮含量的影响直接影响N∶P水平。

综上所述，不同林型、不同林分密度植被下的各深度土层养分含量有所差异，阔叶混交林土壤中有机碳、全氮和全磷含量高于针阔混交林，有机碳和全氮在高密度林分植被下0～20 cm深度土层含量最大，全磷在中密度林分植被下20～40 cm深度土层含量最大。不同林分密度植被下，各土层之间C∶N均无显著差异性，C∶P和N∶P均在高密度林分下最大，且显著大于中密度林分和低密度林分，并且均随土层深度的增加而减小，在0～20 cm深度土层比值最大且显著大于其他土层。该研究结果可为阔叶混交林和针阔混交林的林分管理提供理论基础。