開敞度調(diào)控對人工紅松闊葉林土壤理化性質(zhì)的影響

叢　健

(遼寧省林業(yè)廳 外資項目辦公室，沈陽 110036)

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開敞度調(diào)控對人工紅松闊葉林土壤理化性質(zhì)的影響

叢健

(遼寧省林業(yè)廳 外資項目辦公室，沈陽 110036)

以進行開敞度調(diào)控的人工紅松闊葉林為研究對象，通過空間代替時間的方法對比分析了兩個生長階段(開敞度調(diào)控15年的Ⅰ階段和22年的Ⅱ階段)土壤理化性質(zhì)的變化規(guī)律，評價不同強度開敞度調(diào)控對人工紅松闊葉林土壤生態(tài)效益的影響。結(jié)果表明，林分開敞度調(diào)控后，不同土層土壤容重隨著時間表現(xiàn)出均質(zhì)的趨勢；上層土壤總孔隙度、非毛管孔隙度、pH值及有機質(zhì)含量均顯著高于下層。表層土壤和下層土壤之間的速效氮含量差異顯著；Ⅱ階段速效鉀含量高出階段Ⅰ幅度為38.41%～51.88%。不同開敞度調(diào)控對土壤理化性質(zhì)影響差異僅存在于不同生長階段，現(xiàn)有開敞度調(diào)控強度在合理范圍之內(nèi)，且表現(xiàn)出一定程度的正效益，為改進和完善在“栽針保闊”思想指導(dǎo)下建立起來的紅松闊葉樹人天混交林的精準(zhǔn)化培育提供了科學(xué)依據(jù)。

次生林；紅松；開敞度調(diào)控；土壤理化性質(zhì)

0　引　言

森林土壤作為獨立完整的開放型生態(tài)系統(tǒng)，持續(xù)與周圍環(huán)境進行著物質(zhì)和能量的動態(tài)交換，是森林生態(tài)系統(tǒng)中最大的養(yǎng)分庫，是維持森林生態(tài)系統(tǒng)功能和持續(xù)性的重要資源[1]。土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的組成部分和物質(zhì)基礎(chǔ)，既是生物生存活動的場所，又是結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)各構(gòu)成要素與生命體的紐帶。森林土壤與植被互相影響、互相依存。在森林經(jīng)營過程中，可以通過光照和水分條件、枯枝落葉的歸還情況，以及微生物的活動狀況都間接影響森林土壤的性質(zhì)。土壤理化性質(zhì)是評價土壤肥力和質(zhì)量的重要指標(biāo)[2]，研究森林經(jīng)營過程中土壤理化性質(zhì)的演變可以更好地了解植被恢復(fù)的生態(tài)效應(yīng)。紅松生長與光照關(guān)系十分密切，紅松在不同的發(fā)育階段，需要的光照條件不同[3-5]，在進行人工紅松闊葉林分不同撫育強度調(diào)整的同時，也將對林地土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響。與通過分級和郁閉度等定性方法確定撫育強度相比，量化調(diào)整林分結(jié)構(gòu)更利于林分動態(tài)的描述與管理[6]。本研究以反映影響紅松生長的主導(dǎo)因子[7-8]為主要指標(biāo)，結(jié)合大小比數(shù)、混交度和角尺度[6，9]，對比分析了開敞度調(diào)控后人工紅松闊葉林下土壤理化性質(zhì)的變化規(guī)律，以期為改進和完善在“栽針保闊”思想指導(dǎo)下建立起來的紅松闊葉樹人天混交林的精準(zhǔn)化培育和合理經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)[10-12]。

1　研究區(qū)域及研究方法

1.1研究區(qū)域概況

研究地點位于黑龍江省尚志市境內(nèi)的東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實驗林場。該區(qū)屬張廣才嶺西坡小嶺余脈，地理位置127°30′～127°34′ E，45°21′～45°25′ N，平均海拔300 m，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。年平均氣溫2.8 ℃，極端最高氣溫38 ℃，極端最低氣溫-37.3 ℃，年平均濕度70%，年平均降水量723.8 mm，年蒸發(fā)量1 093.9 mm，年日照時數(shù)2 471.3 h，無霜期120～140 d。地帶性土壤為暗棕壤。

1.2研究方法

1.2.1樣地的選擇

選擇次生闊葉樹與人工紅松處于相持階段的紅松闊葉樹人天混交林作為試驗林分，其中試驗林分Ⅰ為1989年紅松林冠下造林，試驗林分Ⅱ為1982年紅松林冠下造林，紅松初植密度均為2 500株/hm2，兩個林分在造林后3 a內(nèi)均進行了幼林撫育，其中試驗林分Ⅱ在1992年曾進行過一次針對紅松解放的透光伐。本研究以空間代替時間的方法，把兩個試驗林分視為兩個連續(xù)生長階段，即距2003年開敞度調(diào)控時林齡為15 a的I階段(1989年造林)，距2003年開敞度調(diào)控時林齡為22 a的Ⅱ階段(1982年造林)。

1.2.2林分開敞度調(diào)控

2003年12月對兩階段的林分進行空間結(jié)構(gòu)開敞度調(diào)控：以對象紅松個體光環(huán)境的測度指標(biāo)-開敞度作為調(diào)整的主要參數(shù)[8]，調(diào)整強度分別：K=1，K=1.5和K=2。需要調(diào)整的相鄰木即為采伐對象，保證大小比數(shù)值為0或0.25，同時調(diào)整混交度為0.5，角尺度為0.5。在Ⅰ和Ⅱ林分內(nèi)分別設(shè)置對照樣地CK，每個調(diào)整強度水平設(shè)3個重復(fù)，每個重復(fù)樣地面積為20 m×20 m。

1.2.3土壤樣品的采集與測定

每個林分按照“之”字布設(shè)7個樣點，在每個樣點分別于0～10 cm和10～20 cm土層深度應(yīng)用環(huán)刀法(規(guī)格為100 cm3)采集原狀土壤樣品和非原狀土壤樣品，分別用于土壤水分物理性質(zhì)(容重、孔隙度)與化學(xué)性質(zhì)(pH、有機質(zhì)含量、速效氮、有效磷、速效鉀含量)的分析[13]。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤物理性質(zhì)的變化

兩個生長階段的人工紅松闊葉林土壤容重均隨著土層的加深逐漸增大，其中Ⅰ階段林分中0～10 cm和10～20 cm土層之間容重的差異達到顯著水平(p<0.05)。對于紅松生長階段Ⅰ，不同程度開敞度調(diào)控對表層土壤容重?zé)o顯著影響，但均小于對照CK；下層10～20 cm土層受開敞度調(diào)控的影響以K=1.5時最為顯著。不同程度開敞度調(diào)控對于生長階段Ⅱ的人工紅松闊葉林20 cm范圍內(nèi)的土壤容重均無顯著影響。階段Ⅰ不同開敞度水平下0～10 cm土壤容重均低于階段Ⅱ相應(yīng)的水平，而階段Ⅰ林地10～20 cm的土壤容重則均高于階段Ⅱ，并在K=2時差異達到顯著水平，由此可見，林分開敞度調(diào)控后，人工紅松闊葉林不同土層范圍內(nèi)的土壤容重隨著時間表現(xiàn)出均質(zhì)的趨勢(如圖1所示)。

紅松兩個生長階段上層土壤總孔隙度均顯著高于下層(P<0.05)，但各個土層范圍內(nèi)，不同水平的開敞度并沒有使土壤總孔隙度產(chǎn)生明顯差異；除K=1水平外，紅松生長階段Ⅰ的上層土壤總孔隙度均顯著高于紅松生長階段Ⅱ，下層土壤總空隙度則是紅松生長階段Ⅱ高于紅松生長階段Ⅰ林地，但差異不顯著(見表1)。在紅松兩個生長階段、0～10 cm和10～20 cm兩個土層范圍內(nèi)，均是在K=1時總孔隙度達到最大值，Ⅰ階段分別為70.45%、54.98%，Ⅱ階段分別為60.64%、59.75%。

(a)Ⅰ階段

(b)Ⅱ階段

注：不同大寫字母表示相同土層不同開敞度水平下差異顯著，P<0.05；不同小寫字母表示相同開敞度水平不同土層之間差異顯著，P<0.05；*表示不同階段之間差異顯著，P<0.05。下同。

除紅松生長階段Ⅱ中對照林分外，不同開敞度調(diào)控水平下上層土壤非毛管孔隙度均高于下層土壤非毛管孔隙度，并且在紅松生長階段Ⅰ差異顯著(P<0.05)。紅松生長階段Ⅰ上層土壤的非毛管孔隙度高于對照，并在K=1和K=2時達到顯著水

平(P<0.05)；紅松生長階段Ⅱ中非毛管孔隙度在兩個土層間以及在各個開敞度調(diào)控水平下差異均不顯著。開敞度調(diào)控后，對于表層土壤而言，K=1和K=2水平下紅松生長階段Ⅰ的非毛管孔隙度分別顯著高于紅松生長階段Ⅱ非毛管孔隙度64.85%和52.76%(P<0.05)；對于下層10～20 cm土壤而言，在對照以及相對較高開敞度調(diào)控水平下(K=1.5和K=2)紅松生長階段Ⅰ的非毛管孔隙度則分別顯著低于紅松生長階段Ⅱ非毛管孔隙度25.83%，29.14%和69.35%(P<0.05)。對于生長階段Ⅰ、表土層和下土層范圍內(nèi)均是在K=1時非毛管孔隙度達到最大值，分別為9.99%，5.43%，但在紅松生長階段Ⅱ的表層和下層10～20 cm土層范圍內(nèi)的非毛管孔隙度則是分別在K=1.5和對照水平下達到最大值，分別為6.25%和6.04%(見表1)。

不同開敞度調(diào)控水平下上層土壤非毛管孔隙度均高于下層土壤非毛管孔隙度，但僅在紅松生長階段Ⅰ兩個土層范圍內(nèi)差異顯著(P<0.05)。紅松生長階段Ⅰ，上層和下層土壤毛管空隙度分別在K=1.5和K=2水平下最高，但差異均不顯著；紅松生長階段Ⅱ，上層和下層土壤毛管空隙度均在K=1時達到最大值，分別為54.58%和53.86%，但仍未達到差異顯著水平。對于紅松兩個生長階段而言，表層土和下層土，毛管孔隙度在不同開敞度調(diào)控水平下間的差異均未達到顯著水平，但在對照和K=1.5水平下，生長階段Ⅰ表層土和下層土的毛管孔隙度分別顯著高于生長階段Ⅱ12.06%和11.44%(P<0.05)(見表1)。

表1　開敞度調(diào)控后土壤孔隙度的變化

注：不同大寫字母表示相同土層不同開敞度水平下差異顯著，P<0.05；不同小寫字母表示相同開敞度水平不同土層之間差異顯著，P<0.05；*表示不同階段之間差異顯著，P<0.05。下同。

(a)Ⅰ階段

(b)Ⅱ階段

2.2土壤化學(xué)性質(zhì)的變化

紅松生長階段Ⅰ，不同開敞度調(diào)控水平中上層土壤pH值均顯著高于下層(P<0.05)，上層土壤pH值在K=1時最高，為4.75，高出對照CK林分土壤pH值2.67%，但差異不顯著；對于下層土壤而言，不同開敞度水平下土壤pH值均小于對照，但差異仍未達顯著水平。紅松生長階段Ⅱ，不同開敞度調(diào)控水平下上層土壤pH值同樣均顯著高于下層(P<0.05)，上層土壤pH值在K=2時最高，為4.93，高出對照林分土壤pH值3.21%，但差異不顯著；對于下層土壤而言，不同開敞度水平下土壤pH值均小于對照，但差異仍未達顯著水平。在K=2時，紅松生長階段Ⅱ的pH值顯著高于生長階段Ⅰ，其他開敞度調(diào)控水平下，兩個階段之間無顯著差異(如圖2所示)。

(a)Ⅰ階段

(b)Ⅱ階段

兩個生長階段中在調(diào)整前后，表層土壤有機質(zhì)均顯著高于10～20 cm的土壤有機質(zhì)含量(P<0.05)。對于紅松生長階段Ⅰ，表層土壤有機質(zhì)為13.53%～14.85%，下層土壤有機質(zhì)為6.10%～6.42%，不同開敞度調(diào)控水平?jīng)]有對土壤的有機質(zhì)產(chǎn)生明顯差異；對于紅松生長階段Ⅱ，不同開敞度調(diào)控水平對表層土壤有機質(zhì)均有顯著影響，當(dāng)調(diào)整水平為1、1.5和2時，土壤有機質(zhì)分別高于對照17.62%，17.54%和34.60%(P<0.05)；對于下層土壤有機質(zhì)的影響則僅在開敞度為2時顯著高出對照47.98%。同時發(fā)現(xiàn)，近在K=1時和K=2時，兩個階段的下層和上層土壤有機質(zhì)含量差異分別達到顯著水平(P<0.05)，如圖3所示。

2.3土壤速效養(yǎng)分的變化

對于紅松兩個生長階段而言，無論是表層土壤還是下層土壤，開敞度調(diào)控均沒有對速效氮產(chǎn)生顯著影響；但是兩個生長階段各開敞度處理水平下的表層土壤和下層土壤之間的速效氮含量則達到了顯著差異，對于紅松生長階段Ⅰ和紅松生長階段Ⅱ，表層0～10 cm土壤速效氮分別平均高出下層10～20 cm 土壤速效氮含量36.97%～38.83%和26.60%～29.61%(P<0.05)；兩個階段之間，不同土壤層次、不同開敞度處理水平下的土壤速效氮也沒有受到開敞度調(diào)控的顯著影響(見表2)。

紅松兩個生長階段各開敞度水平下上層土壤有效磷含量均高于下層土壤有效磷含量，但差異不顯著；除表層土壤K=1.5和2水平以及下層土壤K=2水平，紅松生長階段Ⅱ中土壤有效磷含量均顯著高于紅松生長階段Ⅰ(P<0.05)。開敞度調(diào)控沒有對紅松生長階段Ⅰ以及生長階段Ⅱ下層10～20 cm土壤有效磷含量產(chǎn)生顯著影響，但對于生長階段Ⅱ表層0～10 cm土壤的速效磷的影響則較為顯著，K=1和2時，分別高出對照33.91%和37.12%(P<0.05)(見表2)。

表2　開敞度調(diào)控后速效養(yǎng)分的變化

對于紅松生長階段Ⅰ，上層土壤速效鉀含量在各開敞度水平均顯著高于下層土壤速效鉀含量(P<0.05)，增幅35.39%～37.35%；但在表層和下層土壤中，不同開敞度的調(diào)整并沒有對土壤速效鉀含量產(chǎn)生顯著影響。對于紅松生長階段Ⅱ，除K=1.5外其他開敞度水平下，上層土壤速效鉀含量在各開敞度水平均顯著高于下層土壤速效鉀含量(P<0.05)；紅松生長階段Ⅱ上層土壤速效鉀含量在開敞度調(diào)控以后均有所降低，并且在K=1.5時降低幅度最大，低于對照12.44%(P<0.05)；而下層土壤速效鉀含量在開敞度調(diào)控以后均有所增加，并且在K=1時增加幅度最大，高于對照8.65%(P<0.05)。對于兩個生長階段的下層土壤而言，除K=1外，其他開敞度調(diào)控水平下二者速效鉀含量差異顯著，生長階段Ⅱ速效鉀含量高出生長階段Ⅰ的幅度為38.41%～51.88%(P<0.05)(見表2)。

3　結(jié)論與討論

容重是衡量土壤質(zhì)量高低的一個重要物理指標(biāo)[14]，能綜合地反映土壤結(jié)構(gòu)、松緊度、孔隙度和土體內(nèi)生物活動[15]，影響土壤團聚體內(nèi)營養(yǎng)元素的釋放和固定[16]。本研究中開敞度調(diào)控沒有對表層土壤容重產(chǎn)生影響，僅在K=1.5時，生長階段Ⅰ下層土壤容重高于對照水平，并且在K=2時兩個生長階段下層土壤容重差異顯著(P<0.05)；當(dāng)K=1和2時，生長階段Ⅰ上層土壤非毛管孔隙度顯著高于對照(P<0.05)，其他開敞度水平?jīng)]有對孔隙度產(chǎn)生顯著影響。

土壤溶液的pH值是土壤重要的基本性質(zhì)，也是影響肥力的重要因素之一。它通過影響土壤菌類生長繁殖和土壤酶活性，直接影響土壤養(yǎng)分的存在狀態(tài)、轉(zhuǎn)化和有效性，同時還影響土壤微量元素的固定與釋放，從而影響植物的生長發(fā)育[17]。開敞度調(diào)控沒有對表層土壤pH值產(chǎn)生影響，僅在K=1.5時，生長階段Ⅱ下層土壤容重低于對照水平，并且在K=2時兩個生長階段上層土壤pH值差異顯著(P<0.05)；生長階段Ⅰ土壤有機質(zhì)沒有受到開敞度調(diào)控水平的影響，但對于生長階段Ⅱ，開敞度調(diào)控后的表層土壤有機質(zhì)均顯著高于對照，而下層土壤僅在K=2時高于對照；并且在K=2時兩個生長階段上層土壤有機質(zhì)差異顯著(P<0.05)。

氮是植物必需元素之一，也是土壤養(yǎng)分中最重要的元素之一。土壤有效性氮為銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白質(zhì)氮的總和，能較好地反映出近期內(nèi)土壤氮素供應(yīng)狀況和氨素的釋放速率[15]。開敞度調(diào)控沒有對速效氮產(chǎn)生顯著影響，均表現(xiàn)出表層土壤速效氮含量高于下層10～20 cm；磷是植物生長的主要營養(yǎng)元素之一，在土壤中95%的磷是以遲效性狀態(tài)存在，因此能被植物吸收利用的速效磷常被作為判斷土壤磷豐缺的主要指標(biāo)和施肥的一個重要依據(jù)[15]。兩個生長階段內(nèi)，表層和10～20 cm的土層范圍內(nèi)速效磷含量沒有差異，僅在K=1和2時，生長階段Ⅱ表層土壤速效磷含量顯著高于對照(P<0.05)，在對照和K=1水平下的兩個土層范圍內(nèi)，生長階段Ⅱ的速效磷含量顯著高于生長階段Ⅰ；土壤鉀的形態(tài)有速效鉀、緩效鉀和礦物鉀，土壤中能被植物直接吸收利用的養(yǎng)分稱為速效性養(yǎng)分，雖然K在植物體中移動性強，但土壤速效鉀是土壤K的現(xiàn)實供應(yīng)指標(biāo)[15，18]。在生長階段Ⅰ，速效鉀對開敞度的調(diào)整無顯著響應(yīng)，而生長階段Ⅱ則在表層土壤K=1.5和下層土壤K=1時，速效鉀的含量分別顯著低于和高于對照(P<0.05)，兩個階段下層土壤的速效鉀含量差異顯著(P<0.05)。

通過對處于相持階段的紅松次生林進行開敞度調(diào)控，比較分析了不同開敞度水平下林地土壤理化性質(zhì)的差異，研究表明開敞度等指標(biāo)能夠有效作為紅松闊葉樹人天混交林量化撫育的指標(biāo)依據(jù)，這一結(jié)果與相關(guān)的研究相一致[19-22]。

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Effect of Opening Degree Regulation on SoilPhysical and Chemical Properties in a MixedPlantation Forest of Korean Pine

Cong Jian

(Foreign Capital Project Office，Liaoning Provincial Forestry Department，Shenyang 110036)

The secondary korean pine broad-leaved forests with opening degree regulations were studied and the method of spatial sequence instead of time successional sequence was used to compare the variation laws of soil physical and chemical properties of forests at two growth stages(i.e.stage Ⅰ of 15-year opening degree regulations and stage Ⅱ of 22-year opening degree regulations)and the effect of different regulation degrees on the ecological benefits of soil of mixed korean pine plantation forest was evaluated.The results showed that the bulk density of different soil layers were homogeneous in the two korean pine plantation growth stages after the opening degree regulations； total soil porosity，soil non-capillary，pH and soil organic matter content in upper layer significantly were higher than that of in subsoil.The nitrogen content in upper layer significantly differed from the subsoil.The potassium content in the two growth stage II was 38.41%-51.88% higher than that in stage Ⅰ.The difference of effect of different opening degree regulations on soil physical and chemical properties only exited in different growth stages.The current opening degree regulation is reasonable and exhibits positive benefits.This study provides scientific basis for the accurate management in a mixed forest of korean pine planted under secondary forest.

secondary forest；korean pine；opening degree regulation；soil physical and chemical properties

2016-03-15

科技部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目(2007GB24320427);“十一五”國家科技支撐計劃項目(2006BAD03A04)

叢健，博士，工程師。研究方向：森林培育。E-mail:congjian@139.com

叢健.開敞度調(diào)控對人工紅松闊葉林土壤理化性質(zhì)的影響[J].森林工程，2016，32(5)：1-6.

S 792

A

1001-005X(2016)05-0001-06