落葉松、水曲柳、樟子松和農(nóng)田土壤指標(biāo)差異及其綜合比較

路嘉麗, 沈 光,2,王 瓊,裴忠雪,任蔓莉,魏晨輝,王文杰,*

1 東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150040 2 黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所, 哈爾濱 150040

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落葉松、水曲柳、樟子松和農(nóng)田土壤指標(biāo)差異及其綜合比較

路嘉麗1, 沈 光1,2,王 瓊1,裴忠雪1,任蔓莉1,魏晨輝1,王文杰1,*

1 東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150040 2 黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所, 哈爾濱 150040

東北地區(qū)以大森林和大農(nóng)業(yè)為主要特色,主要造林樹種落葉松、水曲柳、樟子松及農(nóng)田對(duì)土壤肥力、物理指標(biāo)、鹽堿度、碳截獲等的影響差異是本文研究目的。選擇秀水林場(chǎng)和帽兒山林場(chǎng)的4種植被類型進(jìn)行0—60cm分層土壤采樣,對(duì)根系密度、土壤pH、電導(dǎo)率、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、土壤真菌代謝產(chǎn)物(球囊霉素相關(guān)蛋白易提取球囊霉素EEG、總提取球囊霉素TG)、容重、比重、孔隙度、比表面積、SOC、有機(jī)碳礦化速率等17個(gè)指標(biāo)進(jìn)行研究。主要結(jié)論如下：植被類型間的差異在不同土層之間表現(xiàn)一致的指標(biāo)所占比例很大,其中秀水林場(chǎng)13個(gè)指標(biāo),帽兒山林場(chǎng)全部17個(gè)指標(biāo)。盡管不同地點(diǎn)間土壤差異較大,但也存在樹種差異一致性。土壤物理性質(zhì)(容重、比重、孔隙度、比表面積)維持方面,兩個(gè)林場(chǎng)均顯示水曲柳綜合得分最高,說(shuō)明其具有更好的土壤物理性質(zhì)維持能力,且多通過(guò)土壤容重下降來(lái)實(shí)現(xiàn)。土壤固碳能力得分最高的也是水曲柳,并且兩個(gè)研究地點(diǎn)結(jié)果類似,主要與其高根系密度有關(guān)。綜合土壤肥力維持能力(N、P、K及其有效態(tài)及真菌代謝產(chǎn)物球囊霉素相關(guān)蛋白),不同地點(diǎn)間植被類型差異排序不同。降低土壤鹽堿能力(pH和電導(dǎo)率)方面,樟子松得分最高,盡管不同地點(diǎn)不盡一致。不同植被類型對(duì)土壤影響盡管不同地點(diǎn)、不同土壤深度多不相同,但總體上存在規(guī)律性,特別是土壤物理性質(zhì)維持和土壤固碳能力方面。進(jìn)行造林綠化時(shí)應(yīng)該根據(jù)造林目的進(jìn)行樹種選擇,提升土壤物理性質(zhì)應(yīng)該考慮種植更能夠維持良好土壤物理性質(zhì)的樹種(如水曲柳、樟子松等),而提升土壤碳截獲則要考慮根系密度大的樹種(如水曲柳)。相關(guān)研究結(jié)果對(duì)國(guó)家重大生態(tài)工程(三北防護(hù)林、退耕還林)工程生態(tài)功能評(píng)價(jià)以及后續(xù)管理、樹種選擇具有支撐作用。

植被類型間差異；土壤物理性質(zhì)；土壤肥力；鹽堿度；碳截獲

東北地區(qū)植被以大森林和大農(nóng)業(yè)為特色,其中作為我國(guó)重要國(guó)有林區(qū)之一,造林樹種很多,其中落葉松(Larixgmelinii)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)是主要造林樹種,它們不僅在造林效益方面占據(jù)重要地位,而且對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能起到重要作用[1-2]。落葉松作為速生造林樹種,對(duì)于碳匯林的營(yíng)造具有重要意義,近年來(lái)已有不少學(xué)者涉足這方面的研究[3]；水曲柳在生態(tài)系統(tǒng)中具有重要意義,人們對(duì)水曲柳做了大量研究并且發(fā)現(xiàn)水曲柳幼苗對(duì)N(形態(tài)和濃度)非常敏感[4]；樟子松適應(yīng)性較強(qiáng),生長(zhǎng)迅速,是營(yíng)造防風(fēng)固沙林、農(nóng)田防護(hù)林、水土保持林的主要樹種,多年來(lái)在樟子松的研究中取得了不少的成果[5]。國(guó)家重大生態(tài)工程——三北防護(hù)林工程和退耕還林工程的生態(tài)效益均涉及林地與農(nóng)田土壤差異,而提升效益則多涉及樹種間差異分析。不同類型人工林林分對(duì)林下土壤肥力的影響及作用機(jī)理一直是森林土壤學(xué)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域之一[6-7],但是很少有文章綜合分析不同類型人工林和農(nóng)田對(duì)肥力指標(biāo)、物理指標(biāo)、鹽堿度、碳截獲等多指標(biāo)系統(tǒng)的綜合影響,特別是不同樹種或植被類型間的差異在不同深度土壤、不同地點(diǎn)間是否存在一致性的表現(xiàn)[8- 10]。如果存在一致性的差異,說(shuō)明樹種的差異具有普遍性,可以成為樹種選擇的一個(gè)依據(jù)；反之,如果不一致,則說(shuō)明地點(diǎn)或者土壤本身在土壤各指標(biāo)差異尚具有更大的決定性。對(duì)這些科學(xué)問(wèn)題的理解,有助于分析我國(guó)森林相關(guān)生態(tài)工程的土壤相關(guān)生態(tài)效益評(píng)價(jià)及服務(wù)功能提升實(shí)踐。

基于此,本文對(duì)4種植被類型的17個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),探討不同樹種造林對(duì)土壤質(zhì)量的改善程度,以期為進(jìn)一步選擇合理的造林樹種和模式提供理論依據(jù)。預(yù)期回答以下3個(gè)問(wèn)題：1)不同植被間對(duì)土壤性質(zhì)有多大的影響,有多少指標(biāo)在不同深度上表現(xiàn)一致？2)土壤養(yǎng)分維持、土壤固碳、土壤物理性質(zhì)維持以及降低土壤鹽堿度方面,4種植被類型間的差異如何？不同地點(diǎn)是否一致？3)我們的發(fā)現(xiàn)有何啟示？

1 研究地點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 研究地點(diǎn)、材料與樣品采集

本研究選擇兩個(gè)地點(diǎn),主要是為了確定種間差異是否在不同地點(diǎn)間具有一致性。研究區(qū)選擇兩個(gè)地點(diǎn)：(1)秀水林場(chǎng),位于小興安嶺南麓,屬于伊春市帶嶺林業(yè)局。地理坐標(biāo)為東經(jīng)128°59′38″—129°00′00″,北緯47°00′32″—47°03′17″,屬大陸性濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,全年平均氣溫1.4℃,無(wú)霜期115d左右,年降雨量在676—724 mm,土壤類型屬于森林暗棕壤[11-12]。(2)帽兒山林場(chǎng),位于長(zhǎng)白山系張廣才嶺的西北部,屬小嶺余脈。地理坐標(biāo)為東經(jīng)127°34′13″—127°34′48″,北緯45°15′58″—45°16′28″,屬大陸性濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,全年平均氣溫2.8 ℃,年降水量723.8 mm,土壤類型屬于暗棕壤[12-13]。

選擇地形平坦(坡度<5°),海拔比較一致的樣地類型,以保證植被類型間差異是產(chǎn)生土壤各指標(biāo)差異的主要原因。2013年8月—9月間在秀水林場(chǎng)和帽兒山林場(chǎng)選擇毗鄰的落葉松人工林、水曲柳人工林、樟子松人工林、農(nóng)田4個(gè)植被類型(表1),每個(gè)類型在兩個(gè)地點(diǎn)各選5塊樣地20m×20m,每塊樣地選擇4個(gè)點(diǎn),開(kāi)挖土壤剖面并分0—20、20—40、40—60cm 3個(gè)土層,100cm3環(huán)刀采樣。每個(gè)樣地的樹木年齡,用生長(zhǎng)錐至少采集4個(gè)樹心、查年輪并求平均值作為林齡[12]。

1.2 土壤相關(guān)17指標(biāo)的測(cè)定方法

鑒于以往研究往往對(duì)少數(shù)土壤指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,缺乏可靠性和準(zhǔn)確性。本研究選擇土壤物理指標(biāo)(容重、孔隙度、比重和比表面積)、土壤鹽堿度(pH和電導(dǎo)率EC)、土壤養(yǎng)分(土壤碳氮磷及堿解氮、速效磷、速效鉀、土壤真菌代謝產(chǎn)物——易提取及總球囊霉素相關(guān)蛋白GRSP)、土壤有機(jī)質(zhì)(有機(jī)碳及其礦化速率)與根系密度等17個(gè)指標(biāo)進(jìn)行研究。

參照鮑士旦的方法[2,13-15], SOC含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；全氮含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；全磷含量采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定；速效磷含量采用碳酸氫鈉法測(cè)定；全鉀含量的測(cè)定方法是NaOH熔融-火焰光度法；速效K含量采用NH4OAC浸提-火焰光度法測(cè)定；土壤 pH采用Sartorius PB 10型精密酸度計(jì)測(cè)定,土壤電導(dǎo)率采用DDS- 307 電導(dǎo)率測(cè)定儀測(cè)定(采用1土∶5水的土壤溶液測(cè)定)；比重采用比重瓶法進(jìn)行測(cè)定；比表面積采用CH3COOK簡(jiǎn)易吸附法進(jìn)行測(cè)定[16]；有機(jī)碳礦化速率采用Li- 6400測(cè)定[8]；測(cè)定公式如下：根系密度=根系干重/400cm3；土壤容重=風(fēng)干土樣重/體積(400cm3)；孔隙度=(1-容重/比重)×100%[17]；球囊霉素相關(guān)土壤蛋白(包括EEG和TG含量)采用的是將Wright的方法稍加修改進(jìn)行測(cè)定的[18-19]。

1.3 多因素方差分析法確定植被類型間差異一致性及在不同深度的差異

以4種植被類型和3個(gè)土壤深度為固定因子(自變量),以17個(gè)土壤相關(guān)指標(biāo)為因變量,進(jìn)行多因素方差分析。4個(gè)植被類型間存在差異顯著(P<0.05),說(shuō)明不同類型間具有顯著不同的上述土壤相關(guān)指標(biāo),否則說(shuō)明植被類型間的差異不明顯。當(dāng)植被類型間差異顯著時(shí),使用多重比較確認(rèn)植被類型間差異的大小和發(fā)生在哪些植被類型間,使用不同字母法標(biāo)示這種差異,這種標(biāo)示方法也是1.4中數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)。

類型與深度的交互作用分析(類型×深度)用于分析植被類型間差異是否在不同土壤深度表現(xiàn)一致：當(dāng)類型×深度交互作用P<0.05時(shí),說(shuō)明類型間的差異在不同深度顯著不同；反之,當(dāng)類型×深度交互作用P>0.05時(shí),說(shuō)明類型間的差異在不同土壤深度基本一致(即差異不顯著)。

1.4 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化綜合得分處理方法

植被類型間差異分析的難點(diǎn)在于不同指標(biāo)的植被類型間差異不盡一致,如何能夠綜合這些指標(biāo)獲得更為可信的結(jié)果,一般來(lái)講多是通過(guò)降維的方法,把數(shù)據(jù)歸結(jié)為幾類進(jìn)行分析。本研究在逐個(gè)對(duì)植被類型間不同指標(biāo)差異分析的基礎(chǔ)上(如1.3所述),把17個(gè)指標(biāo)分為土壤物理性質(zhì)(容重、比重、孔隙度、比表面積)、土壤肥力(全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀和EEG、TG)、鹽堿度(土壤pH和電導(dǎo)率)及土壤固碳(土壤碳、有機(jī)碳礦化速率、根系密度)等4組。首先根據(jù)1.3結(jié)果將各個(gè)指標(biāo)的數(shù)值按照從好到壞(比如肥力指標(biāo),越高越好；物理性質(zhì)：容重越低越好、孔隙度越高越好；降鹽堿能力,pH和電導(dǎo)率越低越好；固碳能力,根系密度越大,SOC含量越高、有機(jī)碳分解速率越慢越好)的順序排序并根據(jù)多重比較的結(jié)果使用順序a、b、c字母法進(jìn)行顯著性差異標(biāo)注：相同指標(biāo)植被類型間差異顯著使用不同字母標(biāo)示(P<0.05),而差異不顯著使用相同字母標(biāo)示(P>0.05)。

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理步驟：

1)首先將多重比較所標(biāo)示的字母a、b、c分別用數(shù)字3、2、1進(jìn)行轉(zhuǎn)換,當(dāng)某一指標(biāo)標(biāo)有多個(gè)字母時(shí)取其算術(shù)平均值(如ab,則取值為(3+2)/2=2.5)；

2)然后將4組指標(biāo)類型的各個(gè)指標(biāo)得分相加,相加所得和來(lái)代表這一功能(土壤物理性質(zhì)維持、肥力維持、固碳能力和降鹽堿化能力)的標(biāo)準(zhǔn)化得分；

3)上述標(biāo)準(zhǔn)化得分越高,說(shuō)明該樹種的土壤物理性質(zhì)維持、土壤肥力維持、碳截獲能力、降低土壤鹽堿度能力越好。

上述數(shù)據(jù)處理均采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行,用Excel 2007繪制相關(guān)圖表。

2 結(jié)果

2.1 3個(gè)樹種生長(zhǎng)狀態(tài)等基本情況差異

樹種的密度范圍在540—1800株/hm2之間,樹高范圍在15.8—18m之間,胸徑范圍在19.3—24.6cm之間,地徑范圍在24.3—31.4cm之間,樹基部面積比范圍在0.6—1.3之間,樹齡在35—50a之間,其中農(nóng)田多開(kāi)荒自原始森林植被,開(kāi)荒始于1960—1970年代(表 1)。

表1 不同樹種及樣地的基本情況

2.2 植被類型對(duì)17個(gè)指標(biāo)影響的多因素方差分析：植被類型間比較及其不同土深差異

兩個(gè)地點(diǎn)均表現(xiàn)7—8個(gè)指標(biāo)存在顯著的植被類型間差異；其中秀水林場(chǎng)植被類型間差異達(dá)到顯著的指標(biāo)有8個(gè)：根系密度、土壤pH、土壤電導(dǎo)率、速效磷、TG、比重、容重、孔隙度；帽兒山林場(chǎng)植被類型間差異達(dá)到顯著的指標(biāo)有7個(gè)：根系密度、土壤pH、SOC、全氮、速效磷、全磷、容重(表2)。

不同深度間土壤各指標(biāo)差異較大,秀水和帽兒山林場(chǎng)均發(fā)現(xiàn)15個(gè)指標(biāo)具有顯著的深度間差異；植被類型間的差異在不同土層之間表現(xiàn)一致的指標(biāo)所占比例很大：秀水林場(chǎng)13個(gè)指標(biāo),帽兒山林場(chǎng)全部17個(gè)指標(biāo),這些指標(biāo)均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)深度與類型間的顯著交互作用(表2)。

2.3 4個(gè)植被類型和17個(gè)指標(biāo)的差異多重比較結(jié)果

(1)植被類型差異對(duì)不同指標(biāo)的影響方式及差異大小

土壤鹽堿度的植被類型間差異主要表現(xiàn)在土壤pH和電導(dǎo)率。秀水林場(chǎng)： pH由高到低依次為落葉松、農(nóng)田、樟子松、水曲柳(表3)；水曲柳和農(nóng)田的電導(dǎo)率顯著高于樟子松和落葉松的1.25倍左右(表3)。帽兒山林場(chǎng)： pH由高到低依次為水曲柳、落葉松、農(nóng)田、樟子松(表3)；電導(dǎo)率在不同樹種及農(nóng)田間沒(méi)有差異(表2,表3)。

表2 植被類型、土壤深度對(duì)17個(gè)指標(biāo)的影響及交互作用

從全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、EEG、TG 等8個(gè)指標(biāo)探究植被類型間土壤肥力維持能力的差異。秀水林場(chǎng)：農(nóng)田的速效磷含量最高9.47 mg/kg,顯著高于其它3個(gè)樹種均值的2.37倍(表3)；TG由高到低依次是落葉松、農(nóng)田、樟子松、水曲柳(表3)；堿解氮、全氮、全磷、速效鉀、全鉀、EEG 6個(gè)指標(biāo)在不同樹種間沒(méi)有顯著差異(表2,表3)。帽兒山林場(chǎng)：水曲柳的全氮含量顯著高于其它3個(gè)類型均值的2.07倍左右(表3)；速效磷由高到低依次是水曲柳、農(nóng)田、落葉松、樟子松(表3)；水曲柳的全磷含量顯著高于其它3個(gè)類型均值的1.7倍左右(表3)；堿解氮、速效鉀、全鉀、EEG、TG 5個(gè)指標(biāo)在不同樹種間沒(méi)有差異(表2,表3)。

針對(duì)植被類型間對(duì)土壤物理性質(zhì)影響,對(duì)比了容重、孔隙度、比重、比表面積4個(gè)指標(biāo)(表2,表3)。秀水林場(chǎng)：容重由高到低依次是農(nóng)田、落葉松、水曲柳、樟子松；水曲柳的孔隙度最高,是最低值落葉松的1.7倍左右；落葉松的比重顯著低于其他3個(gè)類型；比表面積在不同樹種間沒(méi)有差異。帽兒山林場(chǎng)：容重由高到低依次是農(nóng)田、樟子松、落葉松、水曲柳(表3)；比重、孔隙度、比表面積3個(gè)指標(biāo)不同樹種間沒(méi)有差異。

土壤碳截獲的植被類型間差異主要表現(xiàn)在根系密度、SOC、有機(jī)碳礦化速率。秀水林場(chǎng)：水曲柳的根系密度顯著高于其它3個(gè)類型均值的2.52倍(表3)；SOC、有機(jī)碳礦化速率2個(gè)指標(biāo)在不同樹種間沒(méi)有差異(表2,表3)。帽兒山林場(chǎng)：水曲柳的根系密度顯著高于其它3個(gè)類型均值的2.23倍左右(表3)；SOC含量由高到低依次是水曲柳、農(nóng)田、落葉松、樟子松；有機(jī)碳礦化速率在不同樹種間沒(méi)有差異(表2,表3)。

(2)兩個(gè)林場(chǎng)綜合比較

盡管不同土壤深度間具有更普遍的差異(17指標(biāo)中的15個(gè)),但是兩個(gè)林場(chǎng)植被類型間差異均達(dá)到顯著的指標(biāo)有7—8個(gè)。在這7—8個(gè)指標(biāo)中,兩地點(diǎn)相同的指標(biāo)有 4個(gè)：根系密度、土壤pH、速效磷、容重(表3)。根系密度均表現(xiàn)為水曲柳>落葉松>樟子松>農(nóng)田；pH值在帽兒山水曲柳高于其它類型,而秀水林場(chǎng)水曲柳等顯著低于落葉松；速效磷在秀水農(nóng)田最高,而在帽兒山則是水曲柳最高；容重兩地都表現(xiàn)為水曲柳顯著低于農(nóng)田及落葉松林。類型與深度的交互作用分析顯示,大多數(shù)指標(biāo)在0—60cm間類型間差異在不同土層之間表現(xiàn)一致(13—17個(gè)指標(biāo))(沒(méi)有顯著的交互作用,表2)。

表3 樹種類型差異對(duì)不同指標(biāo)的影響方式及差異大小

從鹽堿度來(lái)說(shuō),兩個(gè)林場(chǎng)差異均達(dá)到顯著的指標(biāo)是pH,而土壤電導(dǎo)率在秀水林場(chǎng)差異顯著,在帽兒山林場(chǎng)差異不顯著。從土壤肥力維持能力來(lái)說(shuō),兩個(gè)林場(chǎng)的植被類型間差異均達(dá)到顯著的指標(biāo)是速效磷,并且有4個(gè)指標(biāo)(全鉀、堿解氮、速效鉀、EEG)在兩個(gè)林場(chǎng)的植被類型間差異不顯著,其它3個(gè)指標(biāo)至少在一個(gè)地點(diǎn)存在顯著植被類型間差異。從碳截獲來(lái)說(shuō),兩個(gè)林場(chǎng)均存在顯著差異的是根系密度,而有機(jī)碳礦化速率在兩個(gè)林場(chǎng)的植被類型間差異均不顯著。從土壤物理性質(zhì)來(lái)說(shuō),兩個(gè)林場(chǎng)均存在植被類型間差異的是容重,而比表面積在兩個(gè)林場(chǎng)的植被類型間差異均不顯著。

2.4 土壤肥力維持能力標(biāo)準(zhǔn)化得分相關(guān)樹種及農(nóng)田間比較分析

土壤肥力維持能力方面：秀水林場(chǎng)肥力維持能力得分比較高的是農(nóng)田和落葉松(26)；帽兒山林場(chǎng)肥力維持能力得分比較高的是水曲柳(27)。由此可知,不同地點(diǎn)土壤肥力維持的植被類型間差異不一致,難以確定土壤肥力維持能力比較好樹種。

秀水林場(chǎng)：土壤肥力維持能力得分比較高的是農(nóng)田(26.5)和落葉松(26),而得分比較低的是水曲柳和樟子松(25)(圖1)。對(duì)比表3(不同樹種對(duì)土壤肥力的影響),農(nóng)田和落葉松的全氮、速效磷、全磷、速效鉀、TG多高于水曲柳、樟子松的相應(yīng)值,相應(yīng)平均值分別高出20%、59.4%、12.7%、26.2%、17.3%。

帽兒山林場(chǎng)：土壤肥力維持能力得分最高的樹種是水曲柳(27),得分比較低的樹種是落葉松、農(nóng)田、樟子松(23)(圖1)。對(duì)比表3(不同樹種對(duì)土壤肥力的影響),水曲柳的堿解氮、全氮、速效磷、全磷、速效鉀、EEG、TG多高于落葉松、農(nóng)田、樟子松相應(yīng)值,相應(yīng)平均值分別高出56.7%、107%、183%、74.6%、3%、17.8%、11.1%

2.5 土壤物理性質(zhì)改良標(biāo)準(zhǔn)化得分相關(guān)樹種及農(nóng)田間比較分析

綜合土壤物理指標(biāo)來(lái)看,兩個(gè)林場(chǎng)得分比較高的樹種均是水曲柳,得分排序基本一致,總得分排序：水曲柳(22)、樟子松(21)、農(nóng)田(19)、落葉松(18),因此,水曲柳具有維持更好的土壤物理性質(zhì)的能力。其中秀水林場(chǎng)：土壤物理指標(biāo)得分比較高的樹種是水曲柳和樟子松(11),對(duì)比表3(不同樹種對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響),水曲柳和樟子松的比重、孔隙度多高于落葉松的相應(yīng)值,相應(yīng)平均值分別高出24.3%、64.6%,相應(yīng)的容重低4%。帽兒山林場(chǎng)：土壤物理指標(biāo)得分最高的樹種是水曲柳11,對(duì)比表3(不同樹種對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響),水曲柳的孔隙度高于土壤物理性質(zhì)比較差的樹種(落葉松、農(nóng)田、樟子松)的2%,相應(yīng)的容重低12%。

圖1 種間土壤肥力維持能力綜合比較分析 Fig.1 Inter-species comparison on the comprehensive scores for soil fertility sustainability

圖2 種間土壤物理性質(zhì)綜合比較分析 Fig.2 Interspecies comparison on the comprehensive scores for soil physical improvements

2.6 土壤固碳能力標(biāo)準(zhǔn)化得分相關(guān)樹種及農(nóng)田間比較分析

綜合土壤固碳指標(biāo)可知(圖3),兩個(gè)林場(chǎng)土壤固碳能力最好的樹種都是水曲柳(總得分14),而且得分高低排序一致：水曲柳、落葉松、樟子松、農(nóng)田,而且不同樹種土壤固碳能力的差異主要發(fā)生在根系密度(表3)。

秀水林場(chǎng) 土壤固碳指標(biāo)得分最高的樹種是水曲柳(7),而得分最低的類型是農(nóng)田(5)。水曲柳的得分是農(nóng)田的1.4倍左右(圖3)。對(duì)比表3(不同樹種對(duì)土壤固碳能力的影響),水曲柳的根系密度高于農(nóng)田的270%,而農(nóng)田的SOC、有機(jī)碳礦化速率高于水曲柳相應(yīng)值的15%、5%。帽兒山林場(chǎng)：土壤固碳指標(biāo)得分最高的樹種是水曲柳(7),得分最低的類型是農(nóng)田(4)。對(duì)比表3(不同樹種對(duì)土壤固碳能力的影響),水曲柳的根系密度、SOC含量多高于農(nóng)田的相應(yīng)值,相應(yīng)平均值分別高出195%、56.9%?？梢?jiàn),不同樹種土壤固碳能力的差異主要發(fā)生在根系密度,其次是SOC,而有機(jī)碳礦化速率差異很小。

2.7 土壤降鹽堿度標(biāo)準(zhǔn)化得分相關(guān)樹種及農(nóng)田間比較分析

綜合土壤鹽堿度指標(biāo)可知,兩個(gè)林場(chǎng)降鹽堿度得分最高的樹種是樟子松(7),最低的樹種是水曲柳(5),農(nóng)田和落葉松居中。具體來(lái)看：秀水林場(chǎng)：降鹽堿度得分最高的是樟子松(4),而落葉松、農(nóng)田、水曲柳得分均為3(圖4)。對(duì)比表3(不同樹種對(duì)土壤鹽堿度指標(biāo)的影響),樟子松土壤pH、土壤電導(dǎo)率多低于其它3個(gè)植被類型相應(yīng)平均值的4%和18.4%。帽兒山林場(chǎng)：降鹽堿度綜合得分最低的是水曲柳(2),而其它植被得分都是3(圖4)。對(duì)比表3(不同樹種對(duì)土壤鹽堿度指標(biāo)的影響),水曲柳的土壤pH、土壤電導(dǎo)率高于土壤鹽堿度比較差的樟子松、落葉松、農(nóng)田相應(yīng)值,相應(yīng)平均值分別高出5.9%、8.3%。綜合上述結(jié)果說(shuō)明,樟子松具有較高的降鹽堿能力,而水曲柳表現(xiàn)較差。

圖3 種間土壤固碳能力綜合比較分析 Fig.3 Interspecies comparisons on the comprehensive scores of soil carbon sequestration capacity

圖4 種間降鹽堿綜合得分的比較分析 Fig.4 Interspecies comparison on comprehensive scores of soil saline-alkali declining capacity

3 討論

3.1 植被類型間差異及其在不同深度上一致性分析：統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)與意義

造林樹種與其它作物如草本和農(nóng)作物不一樣,樹木根系較深,其具體影響的深度也可能存在樹種的差異[20- 21]。由于不同學(xué)者對(duì)土壤研究尺度大小不同,土壤本身不同土層也存在明顯差異,難以獲得準(zhǔn)確的信息,致使同一地區(qū)的研究結(jié)果常常存在較大差異[22-23]。因此,在采取土壤樣品時(shí)分土層分析具有十分重要的意義。前期對(duì)落葉松的研究發(fā)現(xiàn),土地利用對(duì)表層和深層影響差異明顯,甚至趨勢(shì)相反,需要同時(shí)考慮表層和深層土壤碳和氮等指標(biāo)變化[6,10,11,15]。李龍等研究認(rèn)為不同土層土壤SOC含量與SOC密度均隨土層深度的增加而明顯下降[23]。本研究也確認(rèn)土壤深度差異對(duì)各種土壤指標(biāo)的影響,兩個(gè)地點(diǎn)均表現(xiàn)15個(gè)指標(biāo)存在顯著的土壤深度間的差異(圖3)。在如此大的土壤層次間差異存在的情況下,植被類型間差異是否可以測(cè)定出來(lái)？我們的結(jié)果也給出了肯定的答案。

17個(gè)指標(biāo)中,兩個(gè)地點(diǎn)均顯示出植被類型間差異的指標(biāo)有一半左右(7—8個(gè)指標(biāo)),而且有4個(gè)指標(biāo)(根系密度、容重、土壤pH、速效磷)在兩個(gè)地點(diǎn)均存在顯著的植被類型間差異,其中根系密度和容重植被類型間差異在兩個(gè)地點(diǎn)間排序基本一致,水曲柳根系密度最高,土壤容重最低(表3)。此外,植被間植被類型間差異兩個(gè)地點(diǎn)一致的還包括EEG 、全鉀、速效鉀、堿解氮、土壤比表面積和有機(jī)碳礦化速率等6個(gè)指標(biāo),這幾個(gè)指標(biāo)4種植被類型間基本一致(P>0.05)(表3)。目前植被類型間差異對(duì)土壤的影響存在較大的差別[11],本研究的結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。土壤相關(guān)指標(biāo)多大程度上決定于植被,特別是在不同地點(diǎn)間表現(xiàn)一致的植被類型間差異,確實(shí)不易甄別。我們的研究確認(rèn),如果植被對(duì)土壤相關(guān)指標(biāo)存在普遍的顯著影響的話,在我們測(cè)定的17個(gè)指標(biāo)中,最可能是根系密度和土壤容重。

植被類型間差異在不同深度是否一致,基于植被類型與深度的交互作用分析,我們從統(tǒng)計(jì)學(xué)給出了可能答案。樹種類型間的差異在不同土層之間表現(xiàn)一致(類型×深度,P>0.05)的指標(biāo)占所測(cè)定的指標(biāo)比例很大76%—100%：秀水13個(gè)指標(biāo)和帽兒山全部測(cè)定指標(biāo)(17個(gè))(表2)。我們的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明,在本文研究區(qū)域,采樣確定某些指標(biāo)的植被類型間差異時(shí),如電導(dǎo)率、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效鉀、EEG、TG、比重、孔隙度、比表面積、SOC、有機(jī)碳礦化速率,采樣0—20、20—40cm和40—60cm土壤樣品中全部采樣或者只采集部分深度樣品,從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度看,所得到的植被類型間差異是一致的。前期對(duì)落葉松林生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)土壤不同層次土壤影響通過(guò)多因素協(xié)方差分析進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析[10],本文進(jìn)一步從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度進(jìn)行闡述了種間差異在不同土深的一致性問(wèn)題,是對(duì)前人研究的一個(gè)補(bǔ)充。

3.2 植被類型間差異綜合評(píng)價(jià)及啟示

土壤養(yǎng)分含量狀況是土壤肥力的重要標(biāo)志[5],而森林土壤碳截獲是森林碳匯功能的主要組成[6,24]。安靜等對(duì)東北不同地區(qū)農(nóng)田、皆伐跡地和人工林的研究也發(fā)現(xiàn)地點(diǎn)間肥力相關(guān)指標(biāo)很大的差異,可以掩蓋相關(guān)的土地利用類型間的差異[6,12,25]。綜合土壤肥力維持能力指標(biāo)來(lái)看,不同地點(diǎn)植被類型間差異并不一致,難以確定土壤肥力維持能力比較好樹種,甚至并不不比附近農(nóng)田高。兩個(gè)林場(chǎng)土壤固碳能力最好的樹種都是水曲柳,而且得分高低排序一致,主要發(fā)生在根系密度。鑒于土壤肥力及土壤碳截獲的重要性,對(duì)這些種間差異的分析有助于評(píng)價(jià)造林,特別是不同樹種及林分-農(nóng)田差異的生態(tài)功能具有科學(xué)意義。

土壤物理性質(zhì)不僅決定了土壤中水、氣、熱和生物狀況,而且對(duì)土壤蓄水保肥能力、土壤養(yǎng)分的利用和吸收具有重要的影響[13,26]。本研究所在的區(qū)域松嫩平原土壤鹽堿化趨勢(shì)嚴(yán)重,生物改良措施已經(jīng)成為戰(zhàn)略需求[27]。水曲柳對(duì)優(yōu)良土壤物理性質(zhì)具有更強(qiáng)的能力,得分最高,不同地點(diǎn)基本一致(圖2)。王新宇的研究指出：水曲柳純林土壤物理性質(zhì)表現(xiàn)出了優(yōu)于其它林分的趨勢(shì),與本文的研究結(jié)果一致[28]。在土壤降鹽堿能力方面,樟子松林得分最高,而水曲柳得分最低,盡管不同地點(diǎn)不盡一致。魏晨輝等研究表明在松嫩平原鹽堿地地區(qū)適合鹽堿地造林的樹種有榆樹、樟子松等樹種,不適合鹽堿地造林的樹種有水曲柳、黃檗等樹種[29],與的研究結(jié)果一致?？梢?jiàn),造林目的不同,在樹種選擇上應(yīng)該不同,提升土壤物理性質(zhì)和改良鹽堿土可能具有相反的選擇。

三北防護(hù)林工程已經(jīng)實(shí)施近40多年,而退耕還林工程也實(shí)施10多年,這些工程均涉及農(nóng)田和林分的比較以便準(zhǔn)確評(píng)價(jià)生態(tài)功能的價(jià)值；后續(xù)生態(tài)服務(wù)提升最為簡(jiǎn)便和可操作的方法就是適宜樹種的選擇和應(yīng)用。本文的研究選擇不同地點(diǎn)、不同樹種以及不同土壤深度對(duì)系列土壤相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析和綜合評(píng)價(jià)分析,相關(guān)數(shù)據(jù)能夠?yàn)檫@些生態(tài)工程的評(píng)價(jià)及后續(xù)管理提升提供了支撐。

此外,本文得出結(jié)論也存在一些不確定性。盡管盡量選擇了相毗鄰的3種林分和農(nóng)田進(jìn)行研究,在選擇上也盡量選擇已經(jīng)完全郁閉的工藝成熟林進(jìn)行對(duì)比研究,但是在一些具體指標(biāo)上,如造林密度不同樣地間差異較大(表1),可能影響樹種差異的可靠性。而且,植物的適用性和植物對(duì)土壤的改良性可能也存在差異[30]。在之后研究中,需要更加注重這些因素對(duì)種間差異研究的可能影響。

4 結(jié)論

對(duì)不同地點(diǎn)4個(gè)植被類型的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不同地點(diǎn)土壤物理性質(zhì)、固碳能力的植被類型間差異一致,而土壤肥力維持能力、鹽堿度的植被類型間差異不一致。從土壤物理性質(zhì)和固碳角度來(lái)說(shuō),秀水林場(chǎng)和帽兒山林場(chǎng)表現(xiàn)比較好的都是水曲柳,說(shuō)明水曲柳的土壤物理性質(zhì)和固碳能力比較好。

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Larch, ash, Scots pine, and farmland-induced differences on 17 soil parameters and their comprehensive analyses

LU Jiali1, SHEN Guang1,2, WANG Qiong1, PEI Zhongxue1, REN Manli1, WEI Chenhui1, WANG Wenjie1,*

1KeyLaboratoryofForestPlantEcologyMinistryofEducation,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China2InstituteofNaturalResourcesandEcology,HeilongjiangAcademyofSciences,Harbin150040,China

The main characteristics of Northeast China are large forests and agriculture. The effect of the primary afforestation species (larch:Larixgmelinii, ash:Fraxinusmandschurica, Scots pine:Pinussylvestrisvar.mongolica) and farmland on soil fertility, physical properties, salinity, and carbon sequestration were analyzed. In the present study, four vegetation types were selected from Xiushui Forest and Maoershan Forest Farms, and samples from 0-60 cm soils were collected for measuring 17 parameters, including root density, soil pH, electrical conductance(EC), alkali-hydrolyzed nitrogen(AN), total nitrogen(TN), available phosphorus(AP), total phosphorus(TP), available potassium(AK), total potassium(TK), glomalin related soil protein (GRSP) (including easily extracted GRSP (EEG) and total GRSP (TG)), soil bulk density, soil specific gravity, soil porosity, soil specific surface area, soil organic carbon(SOC), and organic carbon mineralization rate. The main conclusions were as follows: inter-species differences between most of the measured indicators were consistent in different soil layers, including 13 indicators in the Xiushui Forest Farm and all 17 indicators in the Maoershan Forest Farm samples. Although there were considerable differences in soil between different locations, the inter-species differences were consistent. Through comprehensive analyses, standardized comprehensive scores of two forest farm-related indicators showed that ash had the highest scores regarding its ability to maintain the physical properties of soil. Therefore, ash had the greatest ability of all the trees and farmland to maintain the physical properties of soil, and depended primarily on decreased soil bulk density. Ash also showed the highest scores for soil carbon sequestration, with similar results at both locations, mainly related to its higher root density. The comprehensive soil fertility (N, P, K, and its effective state, and fungal metabolic product GRSP) indicated inter-species differences between the different locations. Scots pine had the highest scores for reducing the soil salinity (pH and EC). The effects of different vegetation types on the soil were not the same in different locations and soil depths, but there was a general regularity, especially regarding the soil physical properties and carbon sequestration. Therefore, the selection of tree species for afforestation should be planned depending on the particular purpose of afforestation. To improve the physical properties of soil, plant species with the ability to maintain the physical properties effectively (e.g.,ash, Scots pine) should be considered; and to enhance soil carbon sequestration, plant species with large root densities (e.g., ash) should be considered. The findings in this paper will enhance the evaluation of the national ecological projects of the Three-North Shelterbelt Project and Returning Farmland to Forest Project, and forest management including tree species selections.

differences among vegetation types; soil physical properties; soil fertilities; soil salinity; carbon sequestration

國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2016YFA0600802);黑龍江省杰出青年基金(JC201401)；中央高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與重大項(xiàng)目培育資金項(xiàng)目(2572014EA01)；國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目(41373075)

2016- 03- 08; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 17

10.5846/stxb201603080412

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wjwang225@163.com

路嘉麗, 沈光,王瓊,裴忠雪,任蔓莉,魏晨輝,王文杰.落葉松、水曲柳、樟子松和農(nóng)田土壤指標(biāo)差異及其綜合比較.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(10):3543- 3552.

Lu J L, Shen G, Wang Q, Pei Z X, Ren M L, Wei C H, Wang W J.Larch, ash, Scots pine, and farmland-induced differences on 17 soil parameters and their comprehensive analyses.Acta Ecologica Sinica,2017,37(10):3543- 3552.