不同人工林對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響*

張金旺,李鋼鐵,2*,宋向陽(yáng),王鵬飛,4,馬海波,董慧龍

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2.北京林業(yè)大學(xué),北京 100083；3.內(nèi)蒙古草原勘察設(shè)計(jì)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；4.內(nèi)蒙古氣象局,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；5.內(nèi)蒙古萬(wàn)戈監(jiān)理公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

引言

國(guó)外對(duì)人工林土壤質(zhì)量的研究已有100多年的歷史,主要集中于土壤質(zhì)量變化的研究〔1〕。1833年和1869年德國(guó)對(duì)第二代云杉人工林進(jìn)行了調(diào)查,發(fā)現(xiàn)連栽導(dǎo)致了林木生產(chǎn)力下降；1923年Weide-mann報(bào)道薩克松地區(qū)第二、三代云杉林產(chǎn)量下降非常嚴(yán)重；20世紀(jì)40年代,Rosa和Kasa發(fā)現(xiàn)瑞士和挪威也有類(lèi)似情況發(fā)生〔2〕。然而,通過(guò)科學(xué)的管理和合理造林技術(shù)的實(shí)施,連栽不一定必然導(dǎo)致土壤質(zhì)量衰退,只要經(jīng)營(yíng)措施得當(dāng),土壤質(zhì)量還是有可能維持的〔3〕。另外,在某些情況下,人工林地的土壤質(zhì)量高于其他類(lèi)型的林地,甚至有助于土壤質(zhì)量的提高。例如,印度喜馬拉雅森林研究所Verma的研究表明,人工林林下土壤肥力明顯好于退化林〔4〕。烏蘭察布市后山地區(qū)豆科草灌木的建植有助于土壤氮素的積累〔5〕。SuYongzhong在科爾沁沙地對(duì)不同年齡的小葉錦雞兒進(jìn)行了土壤質(zhì)量研究〔6〕,發(fā)現(xiàn)人工小葉錦雞兒的栽植有利于土壤水分的保持、可以提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量、全氮的積累、減少pH值和疏松土壤。

我國(guó)關(guān)于人工林土壤質(zhì)量變化的研究始于上世紀(jì)五六十年代。通常營(yíng)造人工林的土壤肥力較低,養(yǎng)分比例失調(diào),不少造林樹(shù)種出現(xiàn)了生產(chǎn)力衰退現(xiàn)象,如杉木、桉樹(shù)、馬尾松、楊樹(shù)、長(zhǎng)白落葉松、華山松林〔7〕。近10年來(lái),我國(guó)研究認(rèn)為人工林長(zhǎng)期連續(xù)經(jīng)營(yíng)會(huì)導(dǎo)致土壤質(zhì)量的下降〔8,9,10〕。盛煒彤對(duì)人工林地力衰退的原因及防治技術(shù)的研究成果進(jìn)行了總結(jié),發(fā)現(xiàn)不同樹(shù)種的人工林都不同程度地存在著林地土壤退化,生產(chǎn)力持續(xù)下降的趨勢(shì)〔11〕。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地選在內(nèi)蒙古烏蘭察布市察哈爾右翼后旗(簡(jiǎn)稱(chēng)察右后旗)國(guó)有土牧爾臺(tái)林場(chǎng)。察右后旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部,烏蘭察布市北部,地理坐標(biāo)為 E:112°41°′～ 113°30′,N:40°04′～ 41°59′。察右后旗屬中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,是典型的風(fēng)蝕沙化干旱區(qū)。光資源豐富,熱量不足,晝夜溫差大,多風(fēng)少雨,寒冷干旱,年均氣溫 1.3～4.7℃〔5〕,極端最高氣溫 34.5℃,極端最低氣溫 -35.2℃,年有效積溫2662～2804℃。歷年平均日照時(shí)數(shù)2986.2h。歷年平均降水量327.9mm,且降水主要集中在 7～9月份,占全年降水量的79.2%。歷年平均蒸發(fā)量2186.1mm,是降水量的6.5倍。歷年平均相對(duì)濕度54%。主風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng),歷年平均大風(fēng)日數(shù)61.3d,集中在 3～5月份,年平均風(fēng)速 4～5.5米/秒〔5〕,最大風(fēng)速 30.3米/秒。無(wú)霜期平均110d,最長(zhǎng)132d,最短 84d。林場(chǎng)共包括14個(gè)斑塊狀林帶,總占地1200hm2。種植年份為1958～1961年,建植初始株行距為1m×2m,后經(jīng)間伐變?yōu)?m×4m。最初林場(chǎng)在建植人工林時(shí)首選樹(shù)種是小葉楊,后因成活率低而改為榆樹(shù),所以在一些榆樹(shù)林地內(nèi)有部分存活下來(lái)的小葉楊呈帶狀或零星狀分布,小葉楊1958年種植,當(dāng)年建植時(shí)株行距為1m×2m,后由于間伐,且林帶自身發(fā)生自疏現(xiàn)象,株行距很不規(guī)則。

1.2 樣地的設(shè)置

在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)共設(shè)6個(gè)采樣區(qū),每個(gè)采樣區(qū)設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)。A區(qū)設(shè)在低密度榆樹(shù)林地內(nèi)(林內(nèi)有楊樹(shù)帶穿插分布于其中),密度為940株/hm2；B區(qū)設(shè)在楊樹(shù)林帶內(nèi)(穿插分布于榆樹(shù)林地內(nèi))密度為560株/hm2；C區(qū)設(shè)在楊樹(shù)林帶外緣(外緣為楊樹(shù)與錦雞兒帶的帶間空地)；D區(qū)設(shè)在大片分布規(guī)則的高密度榆樹(shù)林地內(nèi),榆樹(shù)林密度為 2500株/hm2；E區(qū)設(shè)在2個(gè)小林帶的帶間空地上；F區(qū)設(shè)在天然草地上,作為對(duì)照。

1.3 土樣的采集與分析

土壤剖面深度為50cm,分五層取土樣,即0～10cm、10cm ～ 20cm、20cm ～30cm 、30cm ～40cm 、40cm～50cm,取樣順序按照由下而上的順序按層次取樣,分別在各個(gè)土層的中間部分取土,每個(gè)土層取三個(gè)平行樣。所有樣品全部帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)風(fēng)干,分出雜物處理后進(jìn)行各指標(biāo)的測(cè)定。分析指標(biāo)包括土壤有機(jī)質(zhì)含量、機(jī)械組成、pH值、全氮、速效氮、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀。測(cè)定方法〔12〕如表 1 。

表1 土壤性狀的測(cè)定方法

2 結(jié)果與分析

2.1 物理性質(zhì)

土壤機(jī)械組成中砂粒、中粉粒和細(xì)粉粒含量在不同試驗(yàn)區(qū)沒(méi)有顯著差異(P＞0.05)。土壤粗粉粒含量及細(xì)粘粒含量在不同試驗(yàn)區(qū)有顯著差異。粗粉粒含量中,榆樹(shù)林帶間空地的最大,為24.11%,楊樹(shù)帶外緣的最小,為 19.01%,這兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)存在顯著差異(P＜0.05)；細(xì)粘粒含量中楊樹(shù)帶內(nèi)的最大,為 13.1%,草地內(nèi)的最小,為10.59%,這兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)存在顯著差異(P＜0.05)(表2)。

各試驗(yàn)區(qū)土壤隨粒級(jí)的降低而降低,土壤砂粒含量最高,細(xì)粘粒含量最低。除粗粉粒含量中,榆樹(shù)林帶間空地明顯高于楊樹(shù)帶外緣；細(xì)粘粒含量中楊樹(shù)帶內(nèi)明顯高于草地內(nèi),其他試驗(yàn)區(qū)含量相差不明顯。根據(jù)中國(guó)土壤質(zhì)地分類(lèi):細(xì)粘粒含量 ＜30%,粗粉粒含量＜40%,且砂粒含量＞20%,土壤質(zhì)地屬于砂壤。

表2 不同試驗(yàn)區(qū)土壤粒徑百分含量(%)

2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)

2.2.1 土壤有機(jī)質(zhì)和PH值

土壤有機(jī)質(zhì)含量變化在各試驗(yàn)區(qū)存在顯著差異。土壤有機(jī)質(zhì)含量分析中,A、D、E、F、與B、C區(qū)有顯著差異(P＜0.05)(圖1),即A 、D、E、F區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯高于B、C的土壤有機(jī)質(zhì)含量?？梢?jiàn)楊樹(shù)林樣地的土壤有機(jī)質(zhì)含量比其他研究區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯低,楊樹(shù)林的生長(zhǎng)使土壤有機(jī)質(zhì)含量降低。楊樹(shù)林的平均土壤有機(jī)質(zhì)含量為10.10g/kg,而對(duì)照草地的平均土壤有機(jī)質(zhì)含量為17.97g/kg,相比較于對(duì)照草地,楊樹(shù)林的土壤有機(jī)質(zhì)含量降幅為43.80%。全試驗(yàn)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量基本在10～20g/kg,在含量豐缺度〔13〕上屬于稍缺。由圖2可知,各試驗(yàn)區(qū)都是隨著土層的深入有機(jī)質(zhì)含量一直下降。D區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量降幅最大,其在第一土層的有機(jī)質(zhì)含量為29.02g/kg,在第五土層的有機(jī)質(zhì)含量為 7.15g/kg,降幅為75.36%。

表3 土壤養(yǎng)分各指標(biāo)的等級(jí)劃分

土壤PH值在各試驗(yàn)區(qū)也存在明顯差異。A區(qū)土壤PH值與B、D、E、F區(qū)存在顯著差異(P＜0.05)；C區(qū)與B、E、F區(qū)的土壤PH 值存在顯著差異(P＜0.05)(圖3)。意即低密度榆樹(shù)林帶內(nèi)土壤PH值顯著高于楊樹(shù)林帶內(nèi)、大片榆樹(shù)林帶內(nèi)、榆樹(shù)林帶間空地、天然草地的土壤PH值,楊樹(shù)林帶外緣土壤PH值顯著高于楊樹(shù)林帶內(nèi)、榆樹(shù)林帶間空地及天然草地的土壤PH值。就低密度榆樹(shù)林和楊樹(shù)林帶外緣與對(duì)照草地比較,可以說(shuō)低密度榆樹(shù)林與楊樹(shù)林帶外緣均使土壤PH值升高；根據(jù)中國(guó)土壤的酸堿度劃分級(jí)別,該地區(qū)的土壤屬于堿性土壤。由圖4可知,在第1～2土層,土壤PH 值除F區(qū)外,其他各區(qū)均一致下降；在第 2～3土層,土壤PH值除B、C區(qū)外,其余各區(qū)均下降；在第3～4土層,各試驗(yàn)區(qū)土壤PH值均升高；在第4～5土層,土壤PH值除C區(qū)外,其他各區(qū)均一致升高。

圖3 各試驗(yàn)區(qū)土壤PH值差異性

圖4 各試驗(yàn)區(qū)土壤不同深度PH值

2.2.2 土壤全氮和速效氮

土壤全氮和速效氮在各試驗(yàn)區(qū)不存在顯著差異。土壤全氮含量隨土層深度的增加而降低。其中降幅最大的為D區(qū),其在第l土層的全氮含量為0.34g/kg,在第5土層的全氮含量為0.09g/kg,降幅為 73.87%。全氮含量基本在 0.09～0.34g/kg之間,各試驗(yàn)區(qū)從A到F的平均值分別為:0.22g/kg、0.12g/kg、0.11g/kg、0.21g/kg、0.19g/kg、0.20g/kg?？傮w上看全氮含量很低,在含量豐缺度上屬于極缺〔13〕。土壤速效氮含量在第1～2土層,除B、D區(qū)外,其他各試驗(yàn)區(qū)均下降；在第2～3土層,A 、C、D區(qū)速效氮含量升高,B、E、F區(qū)速效氮含量下降；在第3～4土層,除 B、C區(qū)外,其他各試驗(yàn)區(qū)均下降；在第4～5土層,除B、C外,其他各試驗(yàn)區(qū)均升高。土壤速效氮含量基本在3～6mg/kg之間,各試驗(yàn)區(qū)從A到F的平均值分別為:6.80mg/kg、3.51mg/kg、4.48mg/kg、3.78mg/kg、5.09mg/kg、5.30mg/kg?？傮w上看速氮含量也是很低,在含量豐缺度上屬于缺〔13〕。

圖5 各試驗(yàn)區(qū)土壤不同深度全氮含量

圖6 各試驗(yàn)區(qū)土壤不同深度速氮含量

2.2.3 土壤全磷和速效磷

土壤全磷和速效磷在各試驗(yàn)區(qū)不存在顯著差異。土壤全磷在第1～2土層,C、D、E區(qū)降低,A、B、F區(qū)升高；在第2～3土層,除C區(qū)外,其他各試驗(yàn)區(qū)均降低；在第3～4土層,除B、F區(qū)外,其他各試驗(yàn)區(qū)均升高；在第4～5土層,除B區(qū)外,其他各試驗(yàn)區(qū)均降低。土壤全磷含量基本在0.18～0.47g/kg之間,各試驗(yàn)區(qū)從A到F的平均值分別為:0.38g/kg、0.33g/kg、0.25g/kg、0.35g/kg、0.36g/kg、0.29g/kg?？傮w看全磷含量很低,在含量豐缺度上屬于缺〔13〕。速效磷含量除在 30～40cm處有小的波動(dòng),整體趨勢(shì)是降低,且在第1～2土層降幅最大,其中E區(qū)從29.06mg/kg降到6.27mg/kg,降幅為78.44%。土壤速效磷含量基本在2.47mg/kg～12.22mg/kg之間,各試驗(yàn)區(qū)從A到F的平均值分別為:4.38mg/kg、4.21mg/kg、6.23mg/kg 、3.55mg/kg 、8.55mg/kg 、5.91mg/kg 。速磷含量也很低,在含量豐缺度上屬于稍缺或缺〔13〕。

圖7 各試驗(yàn)區(qū)土壤不同深度全磷含量

圖8 各試驗(yàn)區(qū)土壤不同深度速磷含量

2.2.4 土壤全鉀和速效鉀

土壤全鉀和速效鉀在各試驗(yàn)區(qū)不存在顯著差異。土壤全鉀在第1～2土層,除B、E區(qū)升高,其余各試驗(yàn)區(qū)均下降；在第 2～3土層,除C、D區(qū)升高,其余各試驗(yàn)區(qū)均下降；在第3～4土層,除 E區(qū)升高,其余各試驗(yàn)區(qū)均下降；在第4～5土層,除 E、F區(qū)下降,其余各試驗(yàn)區(qū)均升高；全鉀含量基本在16.61g/kg～30.71g/kg之間,各試驗(yàn)區(qū)從A到F的平均值分別為:25.86g/kg、23.58g/kg、21.58g/kg 、22.99g/kg 、21.31g/kg 、22.95g/kg 在含量豐缺度上屬于稍豐〔13〕。速效鉀含量除在第1～2土層,A區(qū)有所升高,整體趨勢(shì)還是隨著土層深度的增加,各試驗(yàn)區(qū)速效鉀含量下降。其中在第1～2土層,速效鉀含量下降幅度最大,降幅都在80%左右。速效鉀整體含量基本在 43.20mg/kg～246.98mg/kg之間,各試驗(yàn)區(qū)從A到F的平均值分別為 :110.45mg/kg、63.98mg/kg、67.67mg/kg 、103.18mg/kg、73.16mg/kg、89.62mg/kg。在含量豐缺度上屬于中等〔13〕。

圖9 各試驗(yàn)區(qū)土壤不同深度全鉀含量

圖10 各試驗(yàn)區(qū)土壤不同深度速鉀含量

3 討論與結(jié)論

上述分析表明,不同種類(lèi)、密度的人工林對(duì)土壤各營(yíng)養(yǎng)元素有不同影響,其中,在有顯著差異的分析中,低密度榆樹(shù)林帶內(nèi)(A區(qū))土壤PH值顯著高于楊樹(shù)林帶內(nèi)(B區(qū))、高密度榆樹(shù)林帶內(nèi)(D區(qū))、榆樹(shù)林帶間空地(E區(qū))、天然草地(F區(qū))的土壤PH值,楊樹(shù)林帶外緣(C區(qū))土壤PH值顯著高于楊樹(shù)林帶內(nèi)(B區(qū))、榆樹(shù)林帶間空地(E區(qū))及天然草地(F區(qū))的土壤PH值。就低密度榆樹(shù)林和楊樹(shù)林帶外緣與對(duì)照草地比較,可以說(shuō)低密度榆樹(shù)林與楊樹(shù)林帶外緣均使土壤PH值升高；根據(jù)中國(guó)土壤的酸堿度劃分級(jí)別,該地區(qū)的土壤屬于堿性土壤。土壤有機(jī)質(zhì)含量分析中,即低密度榆樹(shù)林帶內(nèi)(A區(qū))、高密度榆樹(shù)林帶內(nèi)(D區(qū))、榆樹(shù)林帶間空地(E區(qū))、天然草地(F區(qū))的土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯高于楊樹(shù)林帶內(nèi)(B區(qū))、楊樹(shù)林帶外緣(C區(qū))的土壤有機(jī)質(zhì)含量。可見(jiàn)楊樹(shù)林樣地的土壤有機(jī)質(zhì)含量比其他研究區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯低,相比較于對(duì)照草地,楊樹(shù)林的生長(zhǎng)使土壤有機(jī)質(zhì)含量降低。在氮、磷、鉀方面,各研究區(qū)含量沒(méi)有顯著差異,基本是在第1～2土層降幅最大；除了全鉀含量屬于稍豐,速鉀含量屬于中等外,其他營(yíng)養(yǎng)元素均低于全區(qū)平均水平。

通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙古察哈爾右翼后旗國(guó)有土木爾臺(tái)林場(chǎng)土壤理化性質(zhì)的研究,結(jié)果表明:

(1)土壤粗粉粒含量中,榆樹(shù)林帶間空地的土壤粒徑明顯高于楊樹(shù)帶外緣；楊樹(shù)帶使土壤細(xì)粘粒含量增加,其他試驗(yàn)區(qū)土壤粒徑含量相差不明顯。

(2)高密度榆樹(shù)林下及草地的土壤有機(jī)質(zhì)要明顯高于楊樹(shù)林下的土壤有機(jī)質(zhì),但其有機(jī)質(zhì)含量都低于全區(qū)非耕地土壤平均水平；楊樹(shù)林的生長(zhǎng)使土壤有機(jī)質(zhì)降低。

(3)高密度榆樹(shù)林下草地的土壤PH值明顯低于楊樹(shù)及小密度榆樹(shù)林帶的土壤PH值；低密度榆樹(shù)林與楊樹(shù)林帶外緣使土壤PH值升高。

(4)土壤氮、磷、鉀含量只有鉀含量相對(duì)可觀,氮、磷含量都處于全區(qū)非耕地土壤養(yǎng)分含量較低水平。

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