密度调控对杉木人工林土壤理化性质的影响1)

汪星星 廖文海 左晓东 范福金 曹光球 曹世江

(国家林业局杉木工程技术研究中心(福建农林大学)，福州，350002)(福建省洋口国有林场)(国家林业局杉木工程技术研究中心(福建农林大学))

林分密度是指在单位面积中栽种的植物数量，直接或间接的影响森林生态系统的环境因素，如光照、温度、湿度等，进而对植物生长、林下植被组成以及林内小环境产生影响。适宜的林分密度不仅会促进林下植被生长、维护林地植被多样性，还可以起到保水保肥的作用[1-2]。林分密度作为主要的营林措施，不仅对于林木的生长和形态产生影响[3]，而且对森林系统的功能产生重要影响。土壤作为森林生态系统的组成部分，为林木健康的生长发育提供必备的营养物质，不同植物的生长发育对土壤的养分的需求具有差异，从而导致土壤养分产生不同的变化；不同植物对于土壤养分的吸收不同，从而影响了森林生态系统物种的组成，进而影响土壤养分的稳定性。林分密度对于森林土壤含水率具有重要影响，随着林分密度的增长，土壤蓄水能力越强，当林分密度达到一定阈值时，土壤的土壤蓄水能力趋于平稳[4]。土壤的养分同样受到林分密度的影响，如土壤有机质、速效钾、酶活性等随着林分密度的降低呈现出先增后减得趋势[5-8]。目前，关于林分密度对树木生长和生物量影响等方面进行了研究[9-10]，由于树种、树龄、分布地理位置的差别，其结果存在较大的差异。尹晓雷等[11]对于不同管理模式下的茶树的C、N、P含量和化学计量比做出研究，认为间作套种模式可以改善植物对养分的吸收；冯德枫等[12]对土壤C、N、P化学计量比的影响因素做出研究认为，土壤w(N)∶w(P)和w(C)∶w(P)随土壤深度而递减，土壤的化学计量比随土层深度、海拔、纬度等因素的影响而产生不同程度的变化。因此，分析林分密度与土壤深度的交互作用对土壤C、N、P等化学计量特征产生的变化机制，可为土壤化学计量学的深入研究提供科学依据。

杉木(Cunninghamialanceolata)由于其生长快、病虫害少等特点，在南方地区广泛种植[13-14]，由于种植密度过大导致土壤肥力缺失，林木生长缓慢，水土流失严重等。因此，以杉木人工林为研究对象，探究不同林分密度下杉木人工林土壤理化性质和生物量，揭示不同林分密度下土壤养分的变化规律，为该区域杉木人工林土壤肥力的维护提供技术支持。

1 研究区概况

研究区位于福建省洋口国有林场(118°14′～118°17′E，27°32′～27°35′N)，该林场位于武夷山脉北段东南侧，属于中亚热带气候，林场地形以低山丘陵为主，海拔600 m，处于黄壤、红壤交接带，土层肥沃，坡度25°，年均降水量2 000 mm，主要集中在3—8月份，无霜期可达310 d，夏季平均气温28.5 ℃；冬季平均温度19 ℃，年均蒸发量1 400 mm。该地的优势树种为杉木，林下灌木主要为盐肤木(Rhuschinensis)、苦竹(Pleioblastusamarus)；草本主要有乌毛蕨(Blechnumorientale)、乌蕨(Stenolomachusana)五节芒(Miscanthusfloridulus)等。

2 研究方法

2.1 样地设置及调查方法

该研究林地为2008年种植的杉木人工纯林，其初始密度为1 500株/hm2，于2018年进行林分密度控制措施，采用完全随机区组试验设计，随机设置3个区组，每个区组设置3个样地：样地1(林分密度为750株/hm2)、样地2(林分密度为1 200株/hm2)、样地3(林分密度为1 500株/hm2)，共设置9块样地(20 m×20 m)，各样地的数据取3个区组的平均值(见表1)。

表1 样地基本情况

2.2 样品采集

林木生长指标的测定：对样地内的乔木层进行每木检尺，记录其树高、胸径、冠幅等。

土壤样品采集与处理：于2020年10月进行土壤样品采集，在每块样地中按照正品字型挖上、中、下坡的3个坡位的垂直土层(h)，分别取0

2.3 土壤理化测定

采用干燥法测定土壤的含水量；土壤的物理性质采用环刀法测定；电位法测定土壤pH；土壤有机碳采用重铬酸钾水合加热法测定；全氮(TN)质量分数用凯氏法，全磷(TP)质量分数用酸溶-钼锑抗比色法。

2.4 数据处理方法

采用Excel 2019和SPSS 26.0软件进行数据分析；采用单因素方差分析和多重比较(LSD)法分析不同林分密度下各层土壤养分质量分数之间的差异。用双因素方差法分析林分密度和土壤深度及两者的交互作用对土壤理化性质的影响，并将其理化性质均值进行比较。用变异系数表示土壤养分的变异程度，计算公式为：VC=(DS/M)×100%。式中：VC表示变异系数；DS表示各指标的标准差；M表示各指标的平均值[15]。

3 结果与分析

3.1 不同林分密度的杉木人工林土壤养分特征

由表2可知,20 cm

表2 不同林分密度下杉木人工林土壤养分质量分数

由表3可知，按照变异等级的划分标准(CV<10%为弱变异性，10%≤CV≤100%为中等变异性，CV>100%为强变异性)[17]，除土壤全磷在低林分密度和高林分密度的中层土壤呈现弱变异性之外，各林分密度下的不同深度层次土壤养分质量分数变异系数均大于10%，呈中等变异性。

表3 不同林分密度下杉木人工林土壤养分质量分数的变异系数

3.2 不同林分密度的杉木人工林土壤环境特征

土壤pH值受其气候、地形、母质、植被等因素的影响而产生变化[18]。作为土壤紧实度的敏感性指标的土壤密度与林分密度呈现出相反的趋势；土壤的毛管持水量、最大持水量、最小田间持水量作为土壤含水率的水分状况指标，常受到如气候、地形等外界环境的影响[19]。

由表4可知，不同林分密度下土壤pH值随林分密度增大而增大，但差异不显著(p>0.05)；各样地毛管持水量随林分密度变化而减小，样地3的毛管持水量分别与样地1、样地2差异显著(p<0.05)；土壤最大持水量样地1显著高于样地2和样地3(p<0.05)，样地2与样地3之间差异不显著(p>0.05)；土壤最小田间持水量也与土壤毛管持水量的趋势一致。

表4 不同林分密度下杉木人工林土壤的环境特征

3.3 林分密度与土壤深度对杉木人工林土壤理化性质的双因素方差分析

由表5可知，林分密度与土壤深度对土壤其他养分的影响不显著(p>0.05)，但对土壤全磷(TP)质量分数的变化影响显著，两者的交互作用对土壤全磷(TP)质量分数影响不显著。除土壤TP和pH外，土壤深度的F值在均大于林分密度，因此，土壤深度对土壤化学性质的影响比林分密度明显。结合双因素分析中均值，林分密度750株/hm-2的土壤的持水率最大。

表5 林分密度和土壤深度对杉木人工林目标树土壤化学性质影响的双因素方差分析

3.4 不同林分密度对杉木人工林土壤C、N、P生态化学计量比的影响

由表6可知，各样地土层之间土壤的w(C)∶w(N)平均值有所差异。具体而言，低林分密度的w(C)∶w(N)平均值呈现出先下降后上升的趋势，而其余两种林分密度处理下的w(C)∶w(N)整体随着土层的加深而减小；不同土层土壤之间的w(C)∶w(N)无显著差异；不同土层土壤w(C)∶w(P)之间也有不同趋势，在中等林分密度处理下，土壤w(C)∶w(P)随着土层的加深而上升，其余两种林分密度各土层土壤的w(C)∶w(P)呈现出先下降后上升的趋势，10 cm

表6 不同林分密度的杉木人工林土壤的养分的生态化学计量特征

3.5 土壤环境因子对杉木人工林土壤C、N、P质量分数及其生态化学计量比的影响

由图1A可知，0

图1 环境因子与杉木人工林各层土壤C、N、P质量分数及其生态化学计量之间的主成分分析(PCA)及其相关性

由图1B可知，10 cm

由图1C可知，前两个主成分累计方差贡献率为67.1%，表明提取的前两个主成分是影响杉木人工林20 cm

4 讨论与结论

不同土层之间土壤性质的差异反映出土壤性质在垂直剖面上的空间变异程度[20]。同一林分密度下，不同深度的土壤养分随着土层深度的增加，土壤有机碳、全氮、全磷质量分数均随土壤深度的增加而减小，土壤养分质量分数具有明显的“表聚性”特征，不同林分密度杉木人工林各土层土壤有机质质量分数的差异不显著(p>0.05)，但表现为低密度杉木人工林土壤有机质质量分数最高，与有关的研究[21-22]结果相一致。主要原因是土壤微生物主要在表层活动，以及森林凋落物的分解、有机质的淋溶，植物根系不断吸收土壤中的养分，导致土壤养分质量分数随土壤自上而下逐渐减少[15，23-24]。当林分密度增大时，0

在植物生长过程中，植物为了适应外部环境的变化以及自身生长的需求，将营养元素按照特定的比例分配给不同器官，形成外部环境和自身生长特性相匹配的分配规律。在本研究中，3种林分密度、林分密度与土层相互作用均对杉木人工林土壤的C、N、P分配产生了显著影响，说明林分密度对杉木人工林土壤的养分的吸收及分配具有重要影响。土壤的养分含量绝大部分取决于外部供给量，土壤的淋溶作用使养分在各土层间移动。在各土层中，杉木人工林土壤的养分呈现出中等变异，原因是受土壤淋溶过程的影响，土壤养分的后效较为稳定[27]。N、P是植物生长发育的重要大量元素，也是蛋白质、核酸等主要大分子物质的结构成分。在正常情况下，植物体内的N、P质量分数及其化学计量关系维持在一个稳定的平衡状态。高林分密度下，杉木土壤提高了对C、N的吸收，对P的吸收产生了小幅度的下降趋势，除高林分密度处理下的10 cm

本研究中，同林分类型不同林分密度之间，杉木人工林各土层土壤的w(C)∶w(N)均无显著差异，且在土层垂直分布上也无明显规律，说明土壤w(C)∶w(N)比较稳定，受林分密度的影响较小[29]。研究区杉木人工林在高、中、低密度下土壤的w(C)∶w(P)平均值分别为13.38、22.06、34.38；杉木人工林高密度处理比低密度处理的20 cm

通过对比不同林分密度的杉木人工林土壤养分质量分数的变化以及环境因子对其产生的影响，选择合适的林分密度，使杉木人工林生长良好，既可以维持该地区森林生态系统的土壤养分特征，也可以获得良好的经济和生态效益；土壤中的C、N、P质量分数以及化学计量比可作为衡量土壤肥力的指标。此外，土壤的养分分配特征受到土壤深度和环境因素的影响，因此，不同林分密度下，不同群落特征对土壤养分的动态存在显著影响。本文的研究揭示了不同林分密度下土壤的理化性质的变化，分析林分密度对土壤养分的影响程度，但是实验只设置了3个林分密度，所得出的数据和结论具有一定差异。因此，在后续研究中，应设置多个林分密度，还应考虑微生物的活动、林下植被的组成等其他环境因子对土壤养分的影响因素。