華北落葉松人工林各齡級土壤肥力研究

劉甲午，葛兆軒，田曉敏，張志東，黃選瑞

(河北農(nóng)業(yè)大學林學院，河北保定 071000)

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華北落葉松人工林各齡級土壤肥力研究

劉甲午，葛兆軒，田曉敏，張志東，黃選瑞*

(河北農(nóng)業(yè)大學林學院，河北保定 071000)

基于河北省塞罕壩機械林場中3個齡級(Ⅱ齡級，15～20 a、Ⅲ齡級，20～30 a、Ⅳ齡級，30～40 a)華北落葉松人工林土壤肥力調(diào)查數(shù)據(jù)，分析和比較了華北落葉松各齡級人工林土壤物理和化學性質(zhì)，并分析了各因子之間的相關(guān)性。研究結(jié)果顯示：該區(qū)域的土壤環(huán)境受到林齡的影響較大，土壤各相關(guān)因子之間聯(lián)系緊密。采用方差分析和主成分分析等方法對土壤肥力進行評價，結(jié)果表現(xiàn)為：Ⅲ齡級綜合得分>Ⅱ齡級綜合得分>Ⅳ齡級綜合得分。

華北落葉松人工林；土壤肥力評價；塞罕壩

土壤作為森林植物生存的基礎(chǔ)，為植物生長提供了必需的礦質(zhì)營養(yǎng)元素以及水分、空氣和微生物等，對根系也具有機械支撐作用。土壤肥力的高低直接影響著植物生長發(fā)育，也影響植物群落種間競爭、物種豐富度等，進一步影響群落內(nèi)的植物種類分布格局[1-2]。因此，為了高效且可持續(xù)地開發(fā)與使用森林中包括土壤在內(nèi)的各種資源，促進一個良性的森林生態(tài)環(huán)境的形成，有必要對其土壤特征進行系統(tǒng)研究。

華北落葉松是華北林區(qū)主要用材樹種之一。塞罕壩機械林場從20世紀50年代開始營造了大面積純林，經(jīng)過數(shù)年的營林、造林、撫育間伐，逐步成為河北省森林資源的重要組成部分和重要的后備森林資源。但是，長期以來，因為樹木種類過少、林分構(gòu)成不豐富、人工管理不善等影響，土壤肥力越來越低，貧瘠的土壤嚴重影響了森林資源的培育。在落葉松人工林環(huán)境中的地力衰退機制和生物碳儲量[3-6]方面，我國已有一些研究，但是對不同齡級土壤肥力的研究比較少。該研究選取位于河北省塞罕壩機械林場內(nèi)各齡級落葉松人工林的土壤，對其展開一系列的統(tǒng)計分析與成分分析，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)來反映目前該林場中土壤的肥力狀況，并由此評估對其生態(tài)圈的各種后續(xù)影響。另外，對影響肥力的生物或其他因子進行了討論分析，從而給該區(qū)域內(nèi)其他林場提供更豐富、更全面的管理建議。

1 研究區(qū)概況

研究地主要位于塞罕壩機械林場(118°06′05″～118°17′19″E，41°28′46″～41°40′40″N)，該地屬于壩下、壩上過渡帶和森林—草原、干旱—半干旱地區(qū)的交錯帶。林區(qū)氣候寒冷，冬季漫長，春秋季節(jié)短，夏季不明顯，屬寒溫帶大陸性季風氣候。年均氣溫-1.4 ℃，極端最高、最低氣溫分別為30.9 ℃和-43.2 ℃；年降水量490 mm，蒸發(fā)量1 229.9 mm；年均無霜期68 d，積雪時間長達7個月。土壤類型以山地棕壤、灰色森林土和風沙土為主。塞罕壩處于森林—草原交錯帶，植被類型多種多樣，分別為落葉針葉林、常綠針葉林、針闊混交林、闊葉林、灌叢、草原與草甸和沼澤及水生群落。

2 研究方法

2.1 標準地調(diào)查為避免立地條件及人為干擾等因素對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，在全面踏查的基礎(chǔ)上，遵循立地條件一致、林地經(jīng)營歷史相近的原則，依據(jù)林齡來劃分層次[7]，把15年以上20年以下的劃作Ⅱ齡級，20年以上30年以下的劃作Ⅲ齡級，30年以上40年以下的劃作Ⅳ齡級，針對這3個不同的層次，選取了3個較有研究價值的林分，于2013年植物生長旺季(7月)在該研究區(qū)選擇典型的華北落葉松人工林分，在每個林分設(shè)置50 m×50 m標準地3塊。為了得到相似程度更高的立地指數(shù)，盡可能地選取相近的海拔、山坡朝向、土層性質(zhì)。進行樣地研究時，選取多種調(diào)查因子。樣地概況見表1。

2.2 土壤樣品的采集與處理從0至30 cm，以10 cm為1個階梯，將采土結(jié)構(gòu)分為3類，并在樣地的4個角與中心分別收集這3層土壤樣品，將同一層中收集的土壤置于同一容器中并充分混合，同時取1 000 g待檢測的土壤樣本，裝入塑封袋內(nèi)，標記編號，組成0

表1 華北落葉松人工林標準地概況

2.3 土壤樣品基本理化性質(zhì)測定土壤含水量與密度用環(huán)刀測量；酸堿性測量用電位計法；有機物質(zhì)測量使用外加熱重鉻酸鉀容量法─稀釋熱法；土壤單質(zhì)與化合態(tài)磷的測量使用濃硫酸—高氯酸消煮—鉬銻抗比色法；土壤單質(zhì)與化合態(tài)鉀使用氫氧化鈉熔融—火焰光度計法；濃硫酸—高氯酸消煮—凱氏定氮儀法測定土壤全氮；土壤有效磷使用氟化鉸—鹽酸—鉬銻抗比色法；土壤速效鉀測量使用中性乙酸銨浸提—火焰光度計法[8]。

2.4 數(shù)據(jù)分析應用Exce12007和SPSS18.0統(tǒng)計分析軟件對所獲得的數(shù)據(jù)進行單因素方差分析、相關(guān)性分析和主成分分析[9]。

3 結(jié)果與分析

3.1 華北落葉松人工林各齡級土壤肥力因子的變化土壤緊實度可以通過土壤密度體現(xiàn)出來，同時它也是反映土壤肥力的一個關(guān)鍵性指標[10]。華北落葉松人工林各齡級土壤密度的變異系數(shù)維持在14%左右，變異程度不顯著。土壤自然含水量的變異系數(shù)介于36%～52%(表2)。通過檢測、比較以及單因素方差分析，結(jié)果表明：林齡是影響土壤密度和土壤含水量關(guān)鍵性因素，Ⅲ齡級的土壤密度在Ⅱ齡級和Ⅳ齡級水平之下，Ⅱ齡級的土壤含水量比Ⅲ齡級和Ⅳ齡級明顯偏低。

表2 林齡對土壤物理性質(zhì)的影響

不同齡級華北落葉松人工林土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的變化范圍為5.06～71.96 g/kg；Ⅱ齡級的土壤有機質(zhì)變異系數(shù)最大，為88.56%，其次是Ⅲ齡級，為51.52%，Ⅳ齡級最小，為49.15%(表3)。研究顯示，伴隨著齡級的增長，土壤中有機化合物的質(zhì)量分數(shù)表現(xiàn)出先上升后下降的規(guī)律。

表3 林齡對土壤有機質(zhì)百分含量的影響

酸堿度對土壤肥力的性質(zhì)影響較大，它不僅影響著凋落物的分解、養(yǎng)分元素的釋放和轉(zhuǎn)化，而且對植物生長也有一定程度的影響[11]。華北落葉松人工林各齡級土壤的pH變化范圍在5.08～6.14(表4)，表現(xiàn)為酸性土壤。各齡級的變異系數(shù)在3%左右，變異程度不顯著。從各齡級土壤pH的變化值來看，Ⅲ齡級最低，其次為Ⅳ齡級，Ⅱ齡級最高。由此可見，隨著齡級的逐漸增加，土壤物理性質(zhì)呈現(xiàn)出不斷酸化的趨勢。

Ⅲ齡級人工林土壤全氮質(zhì)量分數(shù)的變異系數(shù)最低，為43.61%，而Ⅱ齡級和Ⅳ齡級土壤全氮質(zhì)量分數(shù)的變異系數(shù)相差不多，均在65%左右，Ⅲ齡級土壤全氮質(zhì)量分數(shù)的變化范圍最大(表5)。土壤氮素質(zhì)量分數(shù)和平均值的變化隨林齡的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢。

表4 林齡對土壤酸堿性的影響

表5 林齡對土壤氮素含量的影響

土壤各齡級全磷的變異系數(shù)變化范圍在30.61%～33.58%，土壤有效磷的變異系數(shù)變化范圍在21.44%～42.98%，Ⅲ齡級和Ⅳ齡級全磷的變異系數(shù)低于對應有效磷的變異系數(shù)(表6)。Ⅲ齡級的土壤全磷和有效磷質(zhì)量分數(shù)高于Ⅱ齡級和Ⅳ齡級，土壤全磷和有效磷的變化隨林齡增加都呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢，到Ⅲ齡級時值達到最高。

表6 林齡對土壤磷素含量的影響

土壤各齡級全鉀的變異系數(shù)變化范圍在5.51%～14.68%，土壤各齡級速效鉀的變異系數(shù)變化范圍在38.89%～59.34%(表7)。由此可見，土壤全鉀的變異系數(shù)明顯低于速效鉀的變異系數(shù)。從各個齡級全鉀質(zhì)量分數(shù)的平均值變化來看，除Ⅳ齡級土壤全鉀質(zhì)量分數(shù)平均值為19.14 g/kg外，其他齡級的土壤全鉀平均質(zhì)量分數(shù)均在25.50 g/kg左右，Ⅳ齡級的土壤全鉀質(zhì)量分數(shù)顯著低于其他齡級；Ⅱ齡級土壤速效鉀質(zhì)量分數(shù)最高，為108.01 mg/kg。土壤全鉀和速效鉀的質(zhì)量分數(shù)隨林齡增加也呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢。

3.2 華北落葉松人工林各齡級土壤肥力評價采用主成分分析、相關(guān)性分析等方法對華北落葉松人工林各齡級的土壤肥力狀況進行綜合評價，依據(jù)各個齡級3塊標準地的分析結(jié)果，以各個標準地土壤肥力綜合指標的平均值計算出華北落葉松人工林各齡級土壤肥力綜合指數(shù)，得到Ⅱ齡級、Ⅲ齡級、Ⅳ齡級人工林土壤肥力的綜合得分為：0.194、0.457、- 0.611，結(jié)果為Ⅲ齡級綜合得分>Ⅱ齡級綜合得分>Ⅳ齡級綜合得分。

表7 林齡對土壤鉀素含量的影響

4 結(jié)論與討論

4.1 華北落葉松人工林各齡級土壤肥力華北落葉松人工林各齡級土壤密度的變異系數(shù)均在14%左右，變異差異不顯著。其中，土壤密度在Ⅲ齡級時達到最小，土壤含水量隨林齡的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢，同時在Ⅲ齡級時土壤含水量達到最高。華北落葉松人工林的土壤呈現(xiàn)出酸性，pH值的變異系數(shù)低于其他肥力因子[12]。分析其酸堿性的變化規(guī)律，得知該林區(qū)內(nèi)的森林副產(chǎn)物存在于土壤中，并且在分解時得到有機酸性物質(zhì)，這些成分對土壤層反復作用，造成該區(qū)域林地內(nèi)的土壤呈現(xiàn)出酸性特質(zhì)，而土壤養(yǎng)分和地表植被的營養(yǎng)狀況受土壤酸堿度變化的極大影響，因此，可通過人工營林、造林和改變林場內(nèi)樹種組成等措施，來改變林下凋落物的組成，從而提高土壤的酸堿度和其他養(yǎng)分的有效性。

林齡的變化對有機化合物的百分含量有重要影響，具體表現(xiàn)為隨林齡的提高，有機化合物的百分含量表現(xiàn)出先上升后下降的變化規(guī)律，Ⅲ齡級土壤的有機化合物的百分含量是最高的。由于該人工林場土層中的有機化合物的補充基本靠其自身，Ⅲ齡級樹種的林木凋落物的量最大，因此其有機化合物的百分含量第一。

4.2 華北落葉松人工林各齡級土壤肥力狀況綜合評價華北落葉松人工林Ⅲ齡級的土壤肥力最高，其次為Ⅱ齡級和Ⅳ齡級。在調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，Ⅱ齡級人工林林分過于稠密，郁閉度普遍較高，林地接受陽光照射很少，林下凋落物稀少，由于落葉松的生長需要大量養(yǎng)分維持，使得Ⅱ齡級人工林樹種的凋落物產(chǎn)出遠高于分解，土壤肥力的耗損與歸還不成正比，導致林地土壤養(yǎng)分含量整體較低。Ⅲ齡級人工林樹種經(jīng)過撫育間伐之后，林分密度和郁閉度同比Ⅱ齡級相應減小，林地接受陽光照射增多，地溫逐漸回升，地表和地下生物活動增強，地面凋落物的分解速率加快，土壤狀況改善，養(yǎng)分提高，土壤養(yǎng)分收支基本維持平衡，由此，土壤肥力狀況也取得了明顯的改善。此時正是華北落葉松人工林中幼林撫育的最好時期。這一時期如果能夠加強人工管理，恢復地表物種多樣性，土壤肥力狀況不僅可以保持此前狀態(tài)，還可以繼續(xù)提高[13]。華北落葉松Ⅳ齡級階段，由于過度亂采濫伐，林分密度和凋落物數(shù)量急劇下降，土壤各因子之間的質(zhì)量分數(shù)和微生物數(shù)量與Ⅲ齡級人工林相比發(fā)生了明顯的變化。除此之外，由于過度注重經(jīng)濟效益，林木用材量劇增，土壤養(yǎng)分的收支狀況嚴重失衡，土壤肥力明顯降低。由此可見，土壤的肥力水平與人為因素有很大關(guān)系。適度的撫育間伐，不僅可以提高落葉松林地的土壤肥力，還可以實現(xiàn)可持續(xù)利用。

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Study on Soil Fertility inLarixprincipis-rupprechtiiPlantations of Different Stand Age

LIU Jia-wu, GE Zhao-xuan, TIAN Xiao-min, HUANG Xuan-rui*et al

(College of Forest, Agriculture University of Hebei, Baoding, Hebei 071000)

An investigation was conducted to study and evaluate soil fertility inLarixprincipis-rupprechtiiplantations of three age classes (Ⅱage class, 15-20 year-old stand; Ⅲ age class, 20-30 year-old stand; Ⅳage class,30-40year-old stand) in Saihanba Region, Hebei Province, China. The soil physico-chemical properties were carried out inLarixprincipis-rupprechtiiplantations of different stand ages. Soil fertility of these stands was further assessed by principal component analysis method. The results show that the stand age has significant effects on soil physico-chemical properties. There are close correlations among soil properties, soil fertility order ofLarixprincipis-rupprechtiiplantations: Ⅲ age class> Ⅱage class> Ⅳage class.

Larixprincipis-rupprechtiiplantations; Soil fertility assessment; Saihanba

“十二五”科技支撐計劃課題(2012BAD22B0304)。

劉甲午(1989- )，男，河南汝州人，碩士研究生，研究方向：森林可持續(xù)經(jīng)營。*通訊作者，教授，博士，從事森林可持續(xù)經(jīng)營理論與技術(shù)等研究。

2014-11-28

S 714.5

A

0517-6611(2015)02-156-03