北京八達嶺不同密度油松土壤團聚體特征研究

周 婭 陳宇軒 鄒 瑞 周 瑋 查同剛

（1.北京林業(yè)大學林學院，北京100083；2.北京林業(yè)大學水土保持學院，北京100083；3.北京林業(yè)大學北京市水土保持工程技術研究中心，北京100083；4.安徽省水文局，安徽合肥230022）

北京八達嶺不同密度油松土壤團聚體特征研究

周 婭1陳宇軒2，3鄒 瑞4周 瑋2，3查同剛2，3

（1.北京林業(yè)大學林學院，北京100083；2.北京林業(yè)大學水土保持學院，北京100083；3.北京林業(yè)大學北京市水土保持工程技術研究中心，北京100083；4.安徽省水文局，安徽合肥230022）

為研究林分密度對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響，以北京市八達嶺林場3種不同密度（低密度500～800株/hm2，中密度1 000～1 200株/hm2，高密度1 400～1 600株/hm2）油松人工林為研究對象，通過野外調(diào)查采樣和室內(nèi)測定，系統(tǒng)分析了各林分分形維數(shù)、不同粒級團聚體保存率和團聚體穩(wěn)定性指數(shù)。結(jié)果表明：林分密度顯著影響土壤團聚體分形維數(shù)，3種不同密度油松人工林土壤團聚體分形維數(shù)（干篩）介于2.62～2.76，低密度林地分形維數(shù)最小，高密度林地分形維數(shù)最大；土壤水穩(wěn)性團聚體分形維數(shù)（濕篩）與林分密度呈正相關，變化范圍是2.64-2.79；低密度林分0～10 cm土層分形維數(shù)最小，高密度林分20～30 cm土層分形維數(shù)最大；各粒級團聚體保存率均大于0.5，其中0.5～0.25mm粒級團聚體保存率最大，水穩(wěn)性最強，1～0.5mm粒級團聚體保存率最小，水穩(wěn)性最弱；團聚體穩(wěn)定性指數(shù)介于3.62～4.55，林分密度增加團聚體穩(wěn)定性指數(shù)逐漸減小。低密度林分土壤團聚體穩(wěn)定性更好，更有利于水土保持，建議將該區(qū)域油松人工林密度控制在500～800株/hm2。

林分密度；團聚體特征；分形維數(shù)；油松；人工林

土壤團聚體是土壤原生顆粒經(jīng)各種膠結(jié)物質(zhì)作用形成的土壤基本結(jié)構單位［1］，其數(shù)量和質(zhì)量影響土壤理化及生物學性質(zhì)［2-3］。土壤團聚體影響土壤中水分的貯存和運動［4］，能夠調(diào)節(jié)土壤可蝕性，團聚體結(jié)構越穩(wěn)定，土壤可蝕性越小，土壤侵蝕量越少［5-7］，越難發(fā)生水土流失［8］。影響土壤團聚體穩(wěn)定性的因素眾多，包括有機質(zhì)、微生物、植被覆蓋情況、土地利用方式和氣候條件等。其中有機質(zhì)及微生物代謝過程產(chǎn)生的酶和多糖類物質(zhì)是團聚體形成的重要膠結(jié)物質(zhì)；植被通過根系影響團聚體形成；土地利用方式、氣候條件分別通過改變有機質(zhì)含量、土壤水熱條件影響團聚體的形成［9-11］。森林經(jīng)營管理措施對土壤理化性質(zhì)有重要影響［12］，密度調(diào)控是森林經(jīng)營管理的一項重要措施，林分密度通過改變森林群落中生態(tài)因子如光、熱、水分等的分配，使林下物種多樣性及結(jié)構發(fā)生變化，進而影響土壤理化性質(zhì)［13］。

北京八達嶺林場作為長城景區(qū)所在地和密云水庫的水源地，發(fā)揮著重要的景觀生態(tài)效應和水源涵養(yǎng)功能。密度調(diào)控作為該區(qū)域重要的營林措施，對林分結(jié)構、生物多樣性、碳密度及水源涵養(yǎng)能力等具有重要影響［14］，密度調(diào)控對該地區(qū)土壤理化性質(zhì)有重要的作用，因此推測密度調(diào)控對土壤團聚體的穩(wěn)定性存在重要作用。本研究旨在分析八達嶺林場不同密度油松人工林土壤團聚體穩(wěn)定性，進而確定土壤團聚體穩(wěn)定性最高時的林分密度，為該區(qū)域水土流失防治提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)自然概況

八達嶺林場位于北京市延慶縣境內(nèi)，距市區(qū)約60 km，位于東經(jīng)116°01′，北緯40°20′，總面積為2 940 hm2。平均海拔為780m，山勢陡峭，坡度多在30°～35°，坡向多為半陰和半陽坡。該區(qū)氣候類型屬大陸性季風氣候，年平均氣溫10.8℃左右，年平均降水量454 mm，年平均相對濕度56.2%，年平均風速3.1m/s。巖石種類以花崗巖為主，主要土類型為褐土、棕壤。自20世紀50年代建場以來，逐年營造人工林，目前森林覆蓋率已達60.7%，人工林有油松（Pinus tabuliformis）、華北落葉松（Larix principisrupprechtii）、側(cè)柏（Platycladus orientalis）、刺槐（Robinia pseudoacacia）等；灌叢有山杏（Armeniac asibirica）、山桃（Prunus davidiana）、繡線菊（Spiraea Salicifolia）、黃櫨（Cotinus coggygria）、胡枝子（Lespedeza bicolor）等。

2 研究方法

2.1 樣地設置及取樣方法

研究區(qū)油松人工林栽植于1962—1965年，1985年左右進行了不同強度的間伐，至今形成了500～800株/hm2的低密度（LD）、1 000～1 200株/hm2的中密度（MD）和1 400～1 600株/hm2的高密度（HD）林分等。2013年5月按照典型性和代表性原則，在各密度林分中分別布設3個20m×20m的標準樣地，樣地基本概況見表1。在各樣方地中按照“S”型布設5個采樣點，因八達嶺林場油松人工林土層厚度略大于30 cm［15］，故本研究土壤樣品采集深度為30 cm。采用機械分層法，以10 cm為1層，分3層挖掘土壤剖面，對應層次混合均勻，按四分法取200 g土樣置于自封袋中用于測定理化性質(zhì)；用容積為100 cm3標準環(huán)刀采集團聚體分析樣，相同層次環(huán)刀樣品置于同一塑料盒中（為防止土樣在運送過程中受到擠壓破壞團聚體結(jié)構影響團聚體穩(wěn)定性測定結(jié)果，故使用塑料盒裝團聚體分析樣）。

2.2 樣品處理及測定方法

將塑料盒中的土樣取出后，用手輕輕將土塊掰碎，挑去殘根和各種新生體及侵入體，自然風干后，稱取過5mm篩土樣50 g，將土樣過2、1、0.5、0.25 mm的套篩，上下振幅為3 cm篩5 min，收集篩上物稱質(zhì)量。濕篩時，先將套篩放入水中浸泡10min，上下振幅為3 cm篩5 min，收集篩上物，在60℃下烘干、稱質(zhì)量。土壤有機碳用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定［16］。

表1 樣地基本概況Tab.1 Basic information of Pinus tabulaeformis plantation

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

各粒級團聚體質(zhì)量百分含量計算公式：

上述各式中：Pi為某一粒級土壤團聚體質(zhì)量百分數(shù)（%）；Wi為某一粒級土壤團聚體質(zhì)量（g）；W0為團聚體總質(zhì)量（g）；W（δ＜）為粒級小于的團聚體的質(zhì)量（g）；為某級團聚體平均直徑（mm）為最大粒級團聚體平均直徑（mm）；m為土壤團聚體粒級數(shù)。

利用轉(zhuǎn)移矩陣法計算各粒級團聚體保存率和團聚體穩(wěn)定性指數(shù)（ASI）［17］，采用M icrosoft Excel 2013和SPSS 16.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理，采用單因素方差分析和多重比較對不同數(shù)據(jù)組間進行差異顯著性比較，顯著性水平設定為α= 0.05。作圖軟件采用Origin 8.0。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤有機碳含量

土壤有機碳是團聚體形成的重要膠結(jié)物質(zhì)，其含量影響大團聚體數(shù)量，對團聚體穩(wěn)定性起重要作用。由圖1可以看出，林分密度顯著影響有機碳含量，林分密度增加，有機碳含量逐漸減少，低密度林分有機碳含量是中密度林分有機碳含量1.43～1.52倍，是高密度林分有機碳含量1.76～2.01倍。相同密度下，隨著土層加深，有機碳含量呈遞減趨勢，減少量為4.32～6.55 g/kg。

3.2 土壤團聚體數(shù)量和分布

篩分后土壤團聚體分布情況見表2。由表2可知，不同密度林分土壤團聚體各粒級組成比例差異顯著，隨著粒級的減小，土壤團聚體組成比例呈增加趨勢。3種密度油松林各土層中，＜0.25 mm的土壤團聚體含量最高，達42.27%，顯著高于其他各粒級團聚體含量。隨著林分密度的增加，0.5～0.25mm、＜0.25mm粒級團聚體含量增加；5～2mm、2～1 mm及1～0.5 mm粒級團聚體含量逐漸減少。

濕篩后與干篩后相比：5～0.5 mm粒級團聚體含量減少，0.5～0.25mm、＜0.25mm粒級團聚體含量增多，即濕篩后，大團聚體的數(shù)量逐漸減少，粒徑更小的團聚體和微團聚體數(shù)量明顯增加。原因是只有大的團聚體能夠分散為小的團聚體，而小的團聚體不能聚合成大的團聚體，在濕篩過程中，由于水的作用產(chǎn)生的壓力梯度導致穩(wěn)定性較差的大粒徑團聚體逐步向較小粒徑分散［4，18］。

表2 各粒徑土壤團聚體百分含量Tab.2 Mass percentage of soil aggregate under different stand density

3.3 不同密度油松人工林土壤團聚體穩(wěn)定性

常用來評價土壤團聚體穩(wěn)定性的指標有平均質(zhì)量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）和分形維數(shù)（D）［19］。MWD通過加權求和方法評價土壤結(jié)構的穩(wěn)定性，GMD通過對團聚體直徑取對數(shù)后加權求和，弱化團聚體直徑的影響份額，提高了團聚體含量在評價指標體系中的影響份額［20］。MWD、GMD值越大，表明大團聚體含量越多，土壤結(jié)構越穩(wěn)定［21-22］。土壤分形維數(shù)越大，表明粘粒含量越高，結(jié)構越緊實，質(zhì)地越細［23］；分形維數(shù)越小，土壤結(jié)構越穩(wěn)定［24-25］。林分密度顯著影響平均質(zhì)量直徑，林分密度增大，MWD顯著減小，低密度林地MWD約為中密度林地1.15倍，高密度林地1.30倍。幾何平均直徑LD＞MD＞HD，各密度間差異顯著，低密度林地GMD平均高于中密度林地0.05，平均高于高密度林地0.09。林分密度與分形維數(shù)呈負相關，隨著林分密度增加，分形維數(shù)顯著降低，分形維數(shù)最大值（濕篩20～30 cm層HD）與最小值（干篩0～10 cm層LD）相差0.17。

表3 林分密度對質(zhì)量平均直徑、幾何平均直徑和分形維數(shù)的影響Tab.3 Effects of stand density on MWD，GMD and D

在團聚體篩分過程中，經(jīng)過連續(xù)篩分，形成等效應即相同篩徑團聚體。無論是上一篩徑破壞形成，還是本身就是這個篩徑的團聚體，都具有相同的破壞幾率［25］，基于該理論，使用轉(zhuǎn)移矩陣法評價團聚體穩(wěn)定性。本次試驗中，將＜0.25mm作為最小粒徑，設定該粒級保存率為1。各粒級團聚體保存率均大于0.5，3種不同密度油松林地0.5～0.25mm團聚體保存率最大，說明該粒級團聚體水穩(wěn)性最強；最小保存率均出現(xiàn)在1～0.5 mm粒級，說明該粒級團聚體抗水蝕性最差、水穩(wěn)性最弱。團聚體穩(wěn)定性指數(shù)4.00左右，其中低密度林分0～10 cm層ASI值為4.40，為最大值；高密度林地20～30 cm層ASI值為3.62，為最小值。相同土層隨著林分密度增大，團聚體穩(wěn)定性指數(shù)逐漸減小，說明低密度林分團聚體穩(wěn)定性越強，高密度林分團聚體穩(wěn)定性越弱。

表4 不同密度林分土壤團聚體保存機率隨粒徑范圍變化Tab.4 The effectof stand density on aggregate saving probability under different diameter

4 結(jié)論與討論

油松人工林適宜密度因主導功能和研究尺度不同往往具有一定差異。如魯紹偉等［14］基于林分結(jié)構和功能評價，建議北京八達嶺林場32年生油松人工林的適宜密度為800株/hm2，而趙廣亮等［26］從養(yǎng)分循環(huán)角度得出該區(qū)域最適成林密度是1 500株/hm2左右。本研究從土壤團聚體穩(wěn)定性角度出發(fā)，發(fā)現(xiàn)3種密度油松人工林中，低密度油松人工林水穩(wěn)性團聚體含量最大，平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑和團聚體穩(wěn)定性指數(shù)最大，分形維數(shù)最小，土壤團聚體穩(wěn)定性高，土壤結(jié)構性好?？赡芤驗樵谠摻?jīng)營密度下，油松林冠層枝葉疏密程度和郁閉度適宜，致使林內(nèi)光照、氣溫和土壤溫度適合植物生長發(fā)育和微生物活動［27-28］；合適的光照和溫度能促進凋落物分解，增加土壤中養(yǎng)分含量［29］。林分密度1 000～1 200株/hm2和1 400～1 600株/hm2林地，林分郁閉度過大，林內(nèi)光照條件受限，生物多樣性減小，凋落物分解速度降低，并且大量的凋落物吸持較多水分，土壤中水分含量不足，植物體爭奪水分和營養(yǎng)物質(zhì)更激烈［22］；土壤中有機碳含量減少，大團聚體數(shù)量減少，土壤團聚體穩(wěn)定性降低。

已有研究表明，團聚體越穩(wěn)定，土壤侵蝕量越少［30-31］。因此，從利于土壤結(jié)構發(fā)育和防治水土流失角度考慮，建議將該區(qū)域油松人工林密度控制在500～800株/hm2。

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（責任編輯 韓明躍）

Effect of Stand Density on Characteristics of Soil Aggregates in Pinus tabuliformis Plantation in Badaling Area，Beijing

Zhou Ya1，Chen Yuxuan2，3，Zou Rui4，Zhou Wei2，3，Zha Tonggang2，3
（1College of Forestry，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China；2.College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，Beijing 10083，China；3 Soil and Water Conservation of Beijing Engineering Research Center，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China 4 Anhui Provincial Bureau of Hydrology，Hefei Anhui230022，China）

To identify the effect of stand density on soil structure，fractal dimension，soil aggregate saving probability and aggregate stability index were analyzed based on field survey and sampling in three Pinus tabuliformis plantation with stand density of 500-800 trees/hm2（Low density，LD），1 000-1 200 trees/hm2（Middle density，MD）and 1 400-1 600 trees/hm2（High density，HD）respectively in Badaling area of Beijing.The results showed that stand density had a significant influence on fractal dimension of soil aggregate（dry sieving），it was ranged from 2.62 to 2.76 with the largest in the HD Pinus tabuliformis plantations and the smallest in the LD plantations.The fractaldimension ofwater stable aggregate（wetsieving）wasbetween 2.64 and 2.79 and positively correlated with stand density.The smallest fractal dimension was found at the 0-10 cm layer in LD plantation and the largest one was found at the 20-30 cm depth in HD plantation.All the aggregate saving probability of theforest soilwas＞0.5，the soilaggregate of0.5-0.25mm had the highest stability for the largest saving probability and soil aggregate of 1-0.5 mm was themost unstable as itwas the smallest saving probability.The aggregate stability index ranged from 3.62 to 4.55，and decreased with the increasing of stand density.In general，Soil aggregate in the LD Pinus tabuliformis plantation was the most stable and was good for soil and water conservation. Therefore，we suggested stand density of500-800 trees/hm2of the Pinus tabuliformis plantation in the research area for improving soil aggregate structure.

Stand Density；characteristics of soil aggregate；fractal dimension；Pinus tabuliformis；plantation

S714.8

A

2095-1914（2016）02-0025-06

10.11929/j.issn.2095-1914.2016.02.004

2015-12-28

林業(yè)公益性專項項目（201204102）資助；國際科技合作專項項目（2012DFA60830）資助。

第1作者：周婭（1990—），女，碩士生。研究方向：土壤生態(tài)。Email：lydia1033@163.com。

查同剛（1973—），男，博士，副教授。研究方向：土壤退化與生態(tài)修復。Email：zhtg73@bjfu.edu.cn。