晋西黄土区不同密度油松人工林保育土壤功能评价

兰道云，毕华兴，2，3，4，5，赵丹阳，王 宁，云慧雅，王珊珊，崔艳红

(1.北京林业大学水土保持学院，北京 100083；2.山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站，北京 100083；3.水土保持国家林业局重点实验室(北京林业大学)，北京 100083；4.北京市水土保持工程技术研究中心(北京林业大学)，北京 100083；5.林业生态工程教育部工程研究中心(北京林业大学)，北京 100083)

晋西黄土区严重的土壤侵蚀导致大量的土壤和养分流失，使该地区的自然土壤遭到破坏。植被恢复是改善土壤环境最有效的方法。国内外研究表明，植被的生长发育与土壤性状的演变之间是互馈作用，土壤为植物生长提供水分和养分，其含量不仅影响植被个体发育，也进一步决定植物群落的类型和分布，同时植被也是土壤有机质最主要的来源，对土壤理化性质有着深刻的影响。土壤是生态系统诸多生态过程的载体，植物的生长对土壤结构与养分状况起着关键作用。

油松()是黄土区主要造林树种之一，具有保育土壤、涵养水源、固碳释氧等功能。保育土壤功能是指森林中活地被物和凋落物截留降水、降低水滴对表土的冲击和地表径流的侵蚀作用；同时林木根系固持土壤，从而减少土壤肥力损失，以及改善土壤结构的功能，是森林生态系统中重要的服务功能之一。油松林地的固土保肥能力反映了油松林地抵抗水土流失、改善土壤肥力的能力。近年来诸多学者对林地的保育土壤功能进行了研究，田宁宁等使用固土量公式和保肥量公式对晋西黄土区退耕还林地的保育土壤功能进行评价；张向峰等使用模糊综合评价法对缙云山水源涵养林的保育土壤功能进行了评价。目前对林地保育土壤功能客观评价方法的研究还较少，熵权法是一种客观计算各指标权重的数学方法，能够剔除主观因素的影响，客观地判断评价指标的相对重要性。在面对土壤保育功能指标本身涉及到的数据多且复杂，熵权法解决了因各层次内涵不同、不能相加的弊端。近年来，熵权法已成功运用于土壤抗蚀性评价和水源涵养评价，说明熵权法在保育土壤方面也同样具有可行性与科学性。

关于不同林分密度对林分土壤及其影响因素早有报道，主要集中在不同地区、不同植被类型对其土壤养分、物理性质或者土壤抗蚀性单独进行研究，缺少有关林分密度对保育土壤功能的影响及综合评价方面的研究。本文以晋西黄土区4种不同密度的油松人工林为研究对象，对研究区的土壤理化性质、坡面产流产沙进行分析，运用熵权法客观评价油松人工林的保育土壤功能，拟从林分密度对晋西黄土区油松人工林保育土壤功能角度出发，选择林分经营密度。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西省临汾市吉县蔡家川流域(36°14′27′′—36°18′23′′N，110°39′45′′—110°47′45′′E)，流域面积40 km，海拔900～1 590 m，属黄土高原东南部暖温带半湿润区，年平均气温10 ℃，多年平均降水量574.8 mm，年平均蒸发量1 726.3 mm。属于典型的黄土残塬沟壑区，土壤类型为微碱性褐土，黄土母质。该地区主要乔木树种有油松(Carr.)、刺槐(L.)、侧柏((L.)Franco)、山杨(Dode)、辽东栎(Mary)等；主要灌木树种有沙棘(Linn)、虎榛子(Decne.)、黄刺玫(Lindl)、胡枝子(Turcz.)等；主要的草本植物有艾蒿(H.Lév.&Vaniot)、草地早熟禾(L.)、黄花蒿(Linn.)等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择 研究区于1991年开始大面积栽植油松。基于大量实际调查，在研究区选择林龄为29年、成土母质基本相同、坡度、坡位、坡向等立地条件基本一致的油松林为研究对象，设置低密度(925株/hm)、中密度(1 325，1 750株/hm)和高密度(2 250株/hm)3个密度梯度，每个密度梯度3个重复。布设20 m×20 m标准样地，并对样地内的乔木每木检尺，记录样地内所有树木的胸径、树高等生长指标；根据“五点法”布设5 m×5 m灌木样方5个，1 m×1 m草本样方5个，记录林下植被的生长情况。使用地质罗盘测定坡向和坡度；使用GPS数据采集仪定位测定海拔高度。不同密度油松人工林地基本特征见表1。

表1 不同密度油松人工林样地基本特征

1.2.2 土壤取样与测定方法 在不同密度油松林地(各3块样地)中心点处选择1个土壤剖面采样点，沿着土壤剖面0—10，10—20，20—30，30—40，40—50，50—60 cm分层取样，每层3个重复，带回实验室，待其风干后研磨过筛装袋，用于测定土壤化学指标。土壤容重、孔隙度等采用环刀法测定；土壤化学性质的测定指标主要有土壤有机质、全氮、全磷、铵态氮、硝态氮和速效磷等。土壤有机质采用重铬酸钾—外加热法测定，土壤全氮采用半微量凯式法测定，土壤全磷采用硫酸—混合加速剂消煮—蒸馏法测定，土壤铵态氮、硝态氮采用碱解扩散法和氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法测定，土壤速效磷采用NHF—HCL浸提—钼锑抗比色法测定。

在油松林地坡度相近的坡面布设8个标准径流小区(每种密度各2个)，对4种密度油松林地进行天然降雨条件下产流产沙的观测，并记录场降雨条件下的降雨量(林内降雨)、径流量和泥沙含量。

1.2.3 数据处理与分析 试验取得的数据采用Excel 2019进行处理，各指标间数据分析采用SPSS 26.0软件分析，其中以林分密度为自变量，以不同层次容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、有机质、全氮、全磷、铵态氮、硝态氮和速效磷作为因变量进行单因素方差分析(One-way Anova)，采用Duncan多重比较进行差异性分析。

1.2.4 保育土壤功能评价方法 依据保育土壤功能的定义，结合前人的研究成果，按照科学性、可操作性的原则，选取能够反映油松人工林保育土壤功能(土壤结构改良、土壤肥力改善、截流减沙)的12指标，包括容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、有机质、全氮、全磷、铵态氮、硝态氮、速效磷、径流量和泥沙量，建立油松人工林保育土壤功能评价体系。采用熵权法(the entropy weight method, EWM)评价林分保育土壤能力，该方法属于客观赋权法，通过调查数据结果提供的信息大小来确定权重。一般对于某项指标可以用熵值来判断其离散程度，其信息熵越小，离散程度越大，说明该指标的权重越大。利用信息熵计算出各指标的权重，为多指标综合评价提供依据。

(1)数据标准化处理。由于选取的评价指标单位不同，需要进行无量纲化处理，具体分为2种情况：

式中：为第个评价对象对应第个指标；为标准化后对应的指标值。

(4)信息熵冗余度计算公式为：=1-。

式中：为指标个数。

2 结果与分析

2.1 不同密度油松林对土壤物理特性的影响

土壤容重和孔隙度是反映土壤物理结构的重要参数，容重是土壤紧实度指标，反映土壤透水通气性的大小。由表2可知，在垂直剖面上，随着土层深度增加，不同密度油松林地土壤容重均呈增大趋势，深层可达1.30 g/cm。在0—60 cm土层，油松林地土壤平均容重为1.21 g/cm，变化范围为0.94～1.35 g/cm。不同密度油松林地土壤平均容重从小到大依次为1 750株/hm<1 325株/hm<2 250株/hm<925株/hm。差异性检验结果表明，中密度(1 325，1 750株/hm)油松林地土壤容重与低密度(925株/hm)和高密度(2 250株/hm)油松林地间均存在显著差异(<0.05)。随着密度的增大，土壤容重的总体趋势表现为先减小后增大。

表2 不同密度油松人工林地土壤容重

土壤孔隙可以为植物提供水和空气，包括毛管孔隙和非毛管孔隙2种，体现了土壤贮蓄和调节水分能力的大小。在垂直剖面上，不同密度油松林地土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙孔隙度均随土层深度的增加而减小(表3)。0—60 cm土层土壤平均总孔隙度为52.04%，变化范围为49.41%～55.69%，不同密度油松林地土壤平均总孔隙度从小到大依次为925株/hm<1 750株/hm<1 325株/hm<2 250株/hm。差异检验结果表明，密度为1 750株/hm油松林地土壤平均总孔隙度与其他密度油松林地之间差异显著(<0.05)。0—60 cm土层土壤平均毛管孔隙度为48.13%，变化范围为44.78%～51.83%，不同密度油松林地土壤平均毛管孔隙度从小到大依次为925/hm<1 750株/hm<1 325株/hm<2 250株/hm，差异检验结果表明，密度为1 750株/hm的油松林地土壤平均毛管孔隙度和925株/hm油松林地之间无显著差异，而与1 325，2 250株/hm油松林地之间差异显著(<0.05)。在0—60 cm土层土壤平均非毛管孔隙度为3.91%，变化范围为3.01%～4.64%，不同密度油松林地平均非毛管孔隙度从小到大依次为925株/hm<1 325株/hm<2 250株/hm<1 750株/hm，差异检验结果表明，密度为1 750株/hm油松林地土壤平均非毛管孔隙度与其他林分密度之间差异显著(<0.05)。

表3 不同密度油松人工林地土壤孔隙状况

2.2 不同密度对油松林土壤肥力的影响

表4为不同密度油松林地全量养分状况。土壤全量养分主要包括全氮和全磷，其含量主要受到森林生态系统植被养分循环过程和土壤成土母质的影响。土壤有机质是土壤养分的主要来源，影响土壤的潜在生产力，是土壤肥力状况的重要指标，一般指存在于土壤中的所有含碳有机物。0—60 cm土层不同密度油松林地土壤平均有机质含量为7.29 g/kg，变化范围为3.04～15.94 g/kg，且随着土层深度的增加而减少。不同密度油松林地土壤平均有机质含量从大到小依次是1 325株/hm>1 750株/hm>925株/hm>2 250株/hm。差异性检验结果表明，密度为1 750株/hm的油松林地土壤平均有机质含量分别与925，2 250株/hm油松林地差异显著(<0.05)。

表4 不同密度油松人工林地土壤全量养分状况

0—60 cm土层土壤平均全氮含量为0.32 g/kg，变化范围为0.16～0.55 g/kg。不同密度油松林土壤平均全氮含量从大到小依次为1 750株/hm>1 325株/hm>925株/hm>2 250株/hm。差异检验结果表明，林分密度为1 750株/hm油松林地土壤平均全氮含量与其他林分密度之间差异显著(<0.05)。0—60 cm土层土壤平均全磷含量为0.51 g/kg，变化范围0.48～0.54 g/kg，不同密度油松林土壤平均全磷含量从大到小依次为1 750株/hm>2 250株/hm>1 325株/hm>925株/hm。差异检验结果表明，密度为1 750株/hm油松林地土壤全磷含量与其他林分密度之间差异显著(<0.05)。土壤全量养分含量最大的为密度1 750株/hm油松林地，且随着密度增大呈先增大后减少的趋势。

土壤速效类养分(铵态氮、硝态氮、速效磷)含量高低直接关系土壤肥力的高低。0—60 cm土层土壤铵态氮平均含量为10.63 mg/kg，变化范围为7.76～14.71 mg/kg(表5)。不同密度油松林地土壤铵态氮平均含量从大到小依次为2 250株/hm>1 325株/hm>1 750株/hm>925株/hm。差异性检验结果表明，4种不同密度油松林地之间土壤铵态氮平均含量差异显著(<0.05)。0—60 cm土层土壤硝态氮平均含量为13.33 mg/kg，变化范围为7.76～18.03 mg/kg，不同密度油松林地土壤硝态氮平均含量从大到小依次为1 750株/hm>1 325株/hm>925株/hm>2 250株/hm，差异检验结果表明，密度为1 750株/hm油松林地土壤硝态氮平均含量与其他林分密度之间差异显著(<0.05)。0—60 cm土层土壤速效磷平均含量为2.89 mg/kg，变化范围为2.19～3.42 mg/kg，各密度林分速效磷平均含量从大到小依次为1 750株/hm>925株/hm>1 325株/hm>2 250株/hm，密度为1 750株/hm的油松林地分别与1 325，2 250株/hm油松林地之间土壤平均速效磷差异显著(<0.05)。密度为1 750株/hm油松林地土壤速效类养分含量最大。

表5 不同密度油松人工林地速效养分状况

2.3 不同密度对油松林坡面产流产沙的影响

在林地上由于活地被物对降雨截流和枯落物的拦截，降雨并不能直接到达林地表面形成径流，只有满足活地被物截流量和枯落物的吸水量对降雨的再分配后，降雨才能到达土壤表面，对土壤表面产生冲击，当到达地面的净雨强度大于土壤的渗透强度，地表产生径流，对土壤产生侵蚀。从表6可以看出，油松林地径流量总体表现为随着林分密度增大呈先减小后增大趋势。4种不同密度油松人工林径流量为7.90～9.01 L/100 m，不同密度油松林径流量从小到大依次为1 750株/hm<2 250株/hm<1 325株/hm<925株/hm，其中1 750株/hm油松林地的地表径流量最小。泥沙量表现为随着林分密度增大呈先减小后增大趋势，4种不同密度油松林泥沙量为38.49～121.88 g/100 m，不同密度油松林泥沙量从小到大依次为1 750株/hm<2 250株/hm<1 325株/hm<925株/hm，1 750株/hm密度的油松林地泥沙量最小。

表6 不同密度油松人工林降雨径流泥沙含量

2.4 不同密度油松林保育土壤功能评价

森林生态系统的保育土壤功能主要体现在活地被物对土壤结构改良、土壤肥力改善及截流减沙的能力，表征林分保育土壤能力的评价指标较多，指标间相互依赖或排斥，且林分保育土壤能力受到各指标的影响大小不同，因此综合采用多个指标评价林分保育土壤能力时需要对指标权重进行赋值，本研究运用熵权法对不同密度油松林地指标权重赋值(表7)。

由表7可知，各项指标的权重为0.059 9～0.110 1。通过熵权法计算得出的结果，结合权重与各指标标准化后数值，计算各密度林分保育土壤能力的综合评价结果为1 750株/hm(0.77)>1 325株/hm(0.52)>2 250株/hm(0.45)>925株/hm(0.25)。随着林分密度增大，油松林保育土壤的功能先增强后减弱，密度为1 750株/hm的林地土壤结构、土壤肥力和林地截流减沙能力的效果较好。

表7 不同密度油松人工林各指标权重

3 讨 论

通过对晋西黄土区4种不同密度油松林地土壤物理特性进行研究发现，随着土层深度增加，土壤容重逐渐增大；随着林分密度增大，土壤容重先减小后增大，1 750株/hm密度下油松林地土壤容重最小。陈莉莉等对秦岭不同密度油松土壤特性的研究表明，林分密度对土壤容重具有显著影响，且随林分密度增大土壤容重先减小后增大，与本研究结果相同。一般情况下，土壤中大小孔隙同时存在，总孔隙度在50%左右，其中非毛管孔隙占1/5～2/5为最好，此种情况下土壤孔隙通透性比较协调。本研究中4种林分密度林地土壤总孔隙度具有显著的差异性，且都在50%左右，但非毛管孔隙度偏小(3.41%～4.40%)，原因在于土壤孔隙状况除了受林分密度影响外，还可能与林下植被、土壤动物有关。过小或过大的林分密度均使土壤物理性质降低，这可能是由于土壤物理性质受土壤质地、结构和有机质等众多因素的影响，相较于低密度林分而言，中密度的林分植被根系对土壤结构具有更好的改善作用，林下水热条件适中，枯落物层丰厚，有利于水分和养分循环。但植被对土壤物理性质的改善作用有限，林分密度过大时，林木间竞争增强，反而不利于土壤发育。

不同密度油松林地间土壤养分含量均存在差异，且随着林分密度增大，土壤有机质和土壤氮、磷元素均表现为先增多后减少的趋势。其原因可能是林分密度通过改变光照和土壤微环境影响土壤有机质的输入输出，同时有机质的分解产生氮元素和磷元素，以供植物生长。随着林分密度增大，枯落物增多，凋落物的腐殖化过程能分解更多的有机质、氮元素和磷元素，土壤养分含量也随之增加。但林分密度过大时，针叶凋落物分解较慢，土壤养分的消耗速率大于补偿速率，导致土壤养分含量减小，这与任丽娜等的研究结果基本一致。土壤养分除全磷外，均存在表聚现象，即富集在0—30 cm土层，全磷含量随土层深度增加无明显变化，与王岩松等的研究结果一致。这可能是由于磷元素主要来自于岩石的风化淋溶，受到土壤母质的影响，在土壤中分布比较均匀；同时，林分密度还对坡面径流泥沙产生影响，王晓康等的研究表明，径流泥沙量随林分密度的增大呈先减小后增大趋势，与本研究结果一致。林分密度增大，郁闭度也随之增大，因为林内生境状况改变，植物对光照、水分、养分条件的利用方式发生变化，从而导致林下物种组成和结构差异；林分密度过大时，灌草覆盖度不一定大，强降雨条件下对土壤侵蚀的防治作用较差。

保育土壤功能是森林生态系统重要的生态服务功能之一，卢妮妮等对杉木及其混交林保育土壤功能研究时，以土壤养分的总含量作为林分保育土壤的指标，对土壤养分元素运用主成分分析法进行评价；贺山峰等对科尔沁沙地小叶锦鸡儿群落保育土壤功能的研究中，通过对比栽植前后理化性质对保育土壤功能进行判断，但并未量化指标。与前2位学者的研究不同，本研究在土壤物理结构和土壤养分的基础上加入径流泥沙量这一新的监测指标，采用熵权法对土壤保育功能进行量化评价，为探究保育土壤功能的指标选取及量化评价提供了尝试。本研究结果显示，随着林分密度的增大，保育土壤功能先增强后减弱，与已有研究结果一致。评价结果表明，中等种植密度(1 750株/hm)比较适合作为研究的经营密度。也有研究分别在土壤物理性质、养分循环、径流泥沙方面对不同密度的油松进行探索表明，中等密度(1 500，1 675株/hm)有利于提高土壤物理结构和养分积累，与本研究结果一致。贺康宁等的研究也表明，1 900株/hm的油松林具有较好的拦蓄径流、固持土壤能力。综上所述，密度为1 750株/hm的油松人工林作为经营密度能够改善土壤结构，提高土壤肥力，减少径流泥沙，并且能为晋西黄土区的水土保持林经营管理提供一定参考。

4 结 论

(1)不同密度油松林地之间土壤容重、土壤孔隙度、有机质、土壤全量养分和速效养分含量均存在显著差异(<0.05)，且林分密度变化不同程度地改变土壤理化性质和径流泥沙等12项指标。随着林分密度增大，土壤结构改良状况和土壤肥力整体呈先上升后下降的趋势，径流泥沙量呈先减小后增大趋势。

(2)通过熵权法分析评价认为，密度为1 750株/hm油松林地得分最高。中等种植密度是研究区比较合适的营林密度，有利于改善土壤结构，增强土壤肥力，提高林地截流减沙能力，使林地具有更好的保育土壤功能。针对研究区现状，建议在油松人工林管护过程中，对林分密度进行调控，以达到加强林分改良土壤、截流减沙的目的。

(3)保育土壤功能是多个因素的综合反映，其变化是一个长期的过程，受林分密度、林分生长、外界干扰等多因素影响。今后可进一步对林分保育土壤功能进行探究，进行长时间序列的定位观测，综合考虑多方面因素，找出影响林分保育土壤功能的关键因子。