不同林齡華北落葉松人工林林分生長與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

孫國龍，冀盼盼，葛兆軒

(1河北省塞罕壩機(jī)械林場總場，河北 圍場068466;2河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定071000)

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不同林齡華北落葉松人工林林分生長與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

孫國龍1，冀盼盼2，葛兆軒2

(1河北省塞罕壩機(jī)械林場總場，河北 圍場068466;2河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定071000)

為了給森林經(jīng)營和資源保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，基于塞罕壩機(jī)械林場不同林齡(12 a生幼齡林，27 a生中齡林，40 a生近熟林)華北落葉松人工林標(biāo)準(zhǔn)地的調(diào)查資料，采用Pearson相關(guān)分析對林分生長與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系進(jìn)行探討，結(jié)果表明：隨著華北落葉松人工林林齡的增加，土壤pH值由5.76降到5.52，土壤酸性逐漸增強(qiáng)，速效磷含量變化范圍為4.67～7.64 mg/kg，與pH值變化一致，呈逐漸降低趨勢；土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀以及全鉀含量在中齡林中最高，分別為39.02 g/kg、2.32 g/kg、130.56 mg/kg和17.6 g/kg，近熟林次之，幼齡林最低。其中，全氮含量在各個林齡階段差異顯著(P< 0.05)，全鉀含量差異極顯著(P< 0.01)；土壤全磷含量和堿解氮含量隨著華北落葉松人工林林齡的增加而增加，且在各個林齡階段全磷含量差異顯著(P< 0.05)、堿解氮含量差異極顯著(P< 0.01)?？偟膩碚f,不同林齡華北落葉松土壤養(yǎng)分含量差異較大，幼齡林和中齡林對土壤養(yǎng)分的需求較高。

林齡；土壤養(yǎng)分；林分生長狀況；華北落葉松；人工林

華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr)是我國中山以上地帶的主要造林樹種，具有生長迅速、材質(zhì)優(yōu)良、繁殖容易、成活率高的特點(diǎn)。華北落葉松人工林主要分布在山西和河北的北部地區(qū), 以及北京和內(nèi)蒙古的一小部分地區(qū)，對冀北山地涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙以及林區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的形成與維護(hù)發(fā)揮著不可替代的作用。它不僅緩解了來自內(nèi)蒙古高原渾善達(dá)克沙地沙塵暴對京津地區(qū)的侵襲，同時也凈化了灤河上游的水質(zhì)，成為京津生態(tài)安全的綠色屏障[1]。土壤養(yǎng)分作為評價(jià)土壤肥力的重要內(nèi)容之一，是供應(yīng)和協(xié)調(diào)植物生長的營養(yǎng)元素與環(huán)境條件，對土地的可持續(xù)利用具有重要作用[2]。近幾年來，華北落葉松人工林出現(xiàn)了生產(chǎn)力下降等問題[3]。因此，森林的經(jīng)營管理成為迫切需要予以關(guān)注的重要問題。許多學(xué)者對華北落葉松人工林生態(tài)適應(yīng)性及生產(chǎn)力、 間伐技術(shù)、 養(yǎng)分循環(huán)、 群落特征等方面進(jìn)行了研究[4-6]。目前，有關(guān)土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性的研究是在不同氣候區(qū)域和時空尺度上進(jìn)行的[7-9]，也有很多學(xué)者研究過植被群落、凋落物、土壤微生物、酶活性以及其他環(huán)境因子與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系[10-13]。

塞罕壩機(jī)械林場全場總經(jīng)營面積9.33萬hm2，有林地面積7.46萬hm2，其中幼齡林面積2.37萬hm2，占有林地的31.7%，中齡林2.61萬hm2，占有林地的35.0%，近熟林2.25萬hm2，占有林地的30.2%，成熟林0.23萬hm2，占有林地的3.1%。通過對資源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以看出，在樹種結(jié)構(gòu)上是以華北落葉松為主的人工同齡林，樹種單一，林分抗逆能力較低，病蟲害頻發(fā)，森林系統(tǒng)不穩(wěn)定，資源健康狀況弱化；在“十二五”期間將有1.62萬hm2的中齡人工林集中進(jìn)階近熟階段，這導(dǎo)致了近熟以上林分比例上升至51.9%，林齡結(jié)構(gòu)嚴(yán)重失衡，不利于可持續(xù)經(jīng)營[14]，出現(xiàn)了大量林木提前進(jìn)入衰老期等現(xiàn)象。為此，擬以塞罕壩機(jī)械林場華北落葉松人工林為對象，對不同林齡林分的生長狀況與土壤養(yǎng)分狀況進(jìn)行研究，通過Pearson相關(guān)分析得到不同林齡林分生長與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系，旨在了解不同林齡華北落葉松人工林的土壤養(yǎng)分及林分生長狀況，為華北落葉松人工林經(jīng)營提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)概況與研究方法

1.1 研究地概況

塞罕壩機(jī)械林場位于河北省最北部的承德市圍場縣境內(nèi)，地處河北、內(nèi)蒙古交界處，地理坐標(biāo)為北緯42°02′～42°36′、東經(jīng)116°51′～ 117°39′，是陰山山脈、大興安嶺余脈向西南延伸與燕山余脈的結(jié)合點(diǎn)，地形上分南部壩下和北部壩上兩部分。壩下是典型的山地地形，海拔1 010～1 500 m；壩上主要以丘陵曼甸為主，海拔1 500～1 940 m。林區(qū)氣候寒冷，冬季長，春秋短，夏季不明顯，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫-1.40℃，年平均降水量438 mm、蒸發(fā)量1 230 mm。研究以塞罕壩機(jī)械林場幼齡、中齡、近熟華北落葉松人工林為對象，林下植被多由草地老鸛草(GeraniumwilfordiiMaxim.)、叉分蓼(PolygonumdivaricatumL.)、稠李(PadusaviumMill.)、地榆(SanguisorbaofficinalisL.)、華北忍冬(LoniceratatarinowiiMaxim.)、黃花柳(SalixcapreaL.)、林木賊(EquisetumsylvaticumL.)、柳蘭(EpilobiumangustifoliumL.)、龍芽草(AgrimoniapilosaLedeb.)等組成。

1.2 調(diào)查方法

調(diào)查于2013年7—9月進(jìn)行，分別在不同林齡華北落葉松人工林中選擇3個具有代表性的林分進(jìn)行樣地設(shè)置。其中，在幼齡林內(nèi)設(shè)置2塊 70 m×70 m的樣地，在每個樣地內(nèi)利用全站儀將其分割為49個10 m×10 m的小樣方。在中齡林和近熟林內(nèi)分別設(shè)置50 m×50 m的樣地3塊，在每個樣地內(nèi)利用全站儀將其分割為25個10 m×10 m的小樣方。對所有樣方內(nèi)的華北落葉松活立木進(jìn)行每木檢尺，得到不同林齡林分的平均樹高、平均胸徑及林分平均密度，用這3個指標(biāo)代表人工林的生長狀況。

在不同林齡華北落葉松人工林下選取具有代表性的大小為 1 m ×1 m 的小樣方各 6 個，進(jìn)行土壤取樣，分3層取樣，深度分別為 0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm，隨機(jī)將 2 個樣方的同層土壤充分混合為 1 個土樣，每種林齡共 9 個樣品。

土壤養(yǎng)分含量測定采用常規(guī)方法, 其中有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；pH值用電極電位法測定[15]；全氮含量用半微量開氏法測定； 全磷含量用 NaOH 熔融-鉬銻抗比色法測定；全鉀含量用 NaOH 熔融-火焰光度法測定；堿解氮含量用擴(kuò)散吸收法測定；速效磷含量用 0.5 mol/L NaHCO3提取-鉬銻抗顯色-紫外分光光度法測定； 速效鉀含量用中性醋酸銨提取-原子吸收測定[16-17]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 16.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析( ANOVA) 的最小顯著差異法( LSD)進(jìn)行土壤各變量間的顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平設(shè)定為P= 0.05 。利用Pearson相關(guān)分析對林分生長與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系進(jìn)行探討。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分特征

不同林齡華北落葉松人工林土壤養(yǎng)分含量見表1。

表1 不同林齡華北落葉松人工林土壤養(yǎng)分含量
Table 1 Soil nutrient contents in artificialLarixprincipis-rupprechtiistands with different ages(mean±SE)

齡級AgeclasspH有機(jī)質(zhì)含量/(g·kg-1)Organiccontent全磷含量/(g·kg-1)TotalPcontent速效磷含量/(mg·kg-1)AvailablePcontent全氮含量/(g·kg-1)TotalNcontent堿解氮含量/(mg·kg-1)AvailableNcontent全鉀含量/(g·kg-1)TotalKcontent速效鉀含量/(mg·kg-1)AvailableKcontent幼齡5.76±0.0835.95±1.830.22±0.02*7.64±0.701.66±0.21*141.36±7.93**6.42±0.22**77.38±5.08中齡5.61±0.1239.02±3.830.31±0.02*6.52±0.862.32±0.11*219.93±15.04**17.60±0.77**130.56±12.31近熟5.52±0.0337.69±3.190.37±0.03*4.67±0.832.29±0.14*223.29±6.54**13.88±1.22**114.16±11.63

注：*表示P<0.05，**表示P<0.01。

由表1可知，不同林齡華北落葉松人工林的土壤養(yǎng)分含量存在很大差別。幼齡林土壤pH值和土壤速效磷含量分別為5.76和7.64 mg/kg，高于中林齡和近熟林，但差異不顯著。中齡林土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、全鉀和速效鉀含量分別為39.02 g/kg、2.32 g/kg、17.60 g/kg和130.56 mg/kg，高于幼齡林和近熟林，全氮含量在各個林齡階段差異顯著(P< 0.05)，全鉀含量在各個林齡階段差異極顯著(P< 0.01)。近熟林土壤全磷含量和堿解氮含量分別為0.37 g/kg和223.29 mg/kg，高于幼齡林和中熟林，全磷含量在各個林齡階段差異顯著(P< 0.05)，堿解氮含量在各個林齡階段差異極顯著(P< 0.01)。研究顯示，伴隨著林齡增長，土壤pH減小，土壤酸性增加，土壤速效磷含量降低，說明隨著林齡的增加，華北落葉松凋落物在分解過程中積累了大量的酸性物質(zhì)，使pH值在近熟林階段降到最低，土壤的供磷能力逐漸降低；而土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、速效鉀含量及全鉀含量均表現(xiàn)為中齡林最高，近熟林次之，幼齡林最低。華北落葉松幼齡林階段有機(jī)質(zhì)含量低可能是由于在華北落葉松造林前需要對造林地進(jìn)行全面清理整地，土壤中大量的營養(yǎng)物質(zhì)被帶走；在中林齡階段，林分內(nèi)自然環(huán)境好，林分郁閉度適中，林下凋落物中的營養(yǎng)物質(zhì)分解速度快，土壤中的有機(jī)質(zhì)得到大量積累，所以有機(jī)質(zhì)的含量在中林齡階段達(dá)到最高；但在華北落葉松近熟林階段，林分郁閉度增大，林中凋落物分解速度變慢，有機(jī)質(zhì)的輸入量小于分解量，土壤內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量減少。土壤全氮有90%以上來源于有機(jī)質(zhì)[18]。因此，土壤中全氮、全鉀、速效鉀含量隨有機(jī)質(zhì)含量變化而變化。

2.2 人工林生長狀況

不同林齡華北落葉松人工林生長狀況見圖1。

圖1 不同林齡華北落葉松林分的平均樹高(a)、平均胸徑(b)Fig.1 Average height (a) and average DBH(b) of artificial Larix principis-rupprechtii stands in different forest ages

由圖1可知，華北落葉松的平均樹高和平均胸徑隨著林齡的增加表現(xiàn)為逐漸增大趨勢， 幼齡林的平均樹高和平均胸徑分別為5.27 m和7.32 cm，中齡林的平均樹高和平均胸徑分別為12.04 m和15.53 cm，極顯著高于幼齡林(P<0.01)，近熟林的平均樹高和平均胸徑分別為14.67 m和23.97 cm，顯著高于中齡林(P<0.05)。由此可知，中齡林林分平均樹高和平均胸徑生長量極顯著高于幼齡林林分。這可能是由于華北落葉松幼齡林階段積累了豐富的土壤養(yǎng)分，因此促進(jìn)了華北落葉松中齡林階段林分的快速生長。有研究顯示，土壤養(yǎng)分與林分生長是相互作用、相互影響的[19-20]。

2.3 不同林齡林木生長與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

不同林齡華北落葉松人工林土壤養(yǎng)分與林木生長的相關(guān)分析結(jié)果見表2。

表2 不同林齡華北落葉松人工林土壤養(yǎng)分與林木生長的相關(guān)分析Table 2 Pearson correlation analysis between soil nutrients contents and growth situation of artificial Larix principis-rupprechtii stands

注:*表示P<0.05。

由表2可知，不同林齡的華北落葉松人工林中土壤養(yǎng)分與林分生長因子的相關(guān)關(guān)系有很大差別。在幼齡林中，各土壤因子與林分的平均胸徑、平均樹高、平均密度關(guān)系均不顯著。在中齡林中，土壤pH值與林分的平均樹高呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，土壤速效磷含量與林分的平均樹高呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，土壤pH值和土壤全磷含量與林分平均密度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。在近熟林中，土壤全磷含量與林分的平均樹高呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，林分平均密度與土壤速效磷含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)、與堿解氮呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。在本研究中，幼齡林和中齡林時期，土壤全鉀含量與林分平均胸徑(-0.958、-0.514)、平均樹高(-0.994、-0.509)呈負(fù)相關(guān)，而到了近熟期，則呈現(xiàn)正相關(guān)(0.324、0.507)。這可能是由于在幼齡期與中齡期林木對土壤養(yǎng)分的需求量很大，使土壤養(yǎng)分迅速下降，因此導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)值呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)效應(yīng)。所以，在林木的近熟期，可以適當(dāng)施用鉀肥，促進(jìn)人工林的健康生長。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，幼齡林土壤pH值為5.76，近熟林土壤pH為5.52，隨著華北落葉松人工林林齡的增加，土壤酸性增強(qiáng)；土壤速效磷含量變化范圍為4.67～7.64 mg/kg，與土壤pH值變化一致，表現(xiàn)為伴隨林齡增加呈現(xiàn)下降趨勢；土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀及速效鉀含量在中齡林達(dá)到最高，分別為39.02 g/kg、2.32 g/kg、17.60 g/kg和130.56 mg/kg，而且其含量隨林齡增加表現(xiàn)為先上升后下降趨勢；土壤的全磷含量和堿解氮含量在近熟林達(dá)到最高，分別為0.37 g/kg和223.29 mg/kg，隨林齡增加有上升趨勢。研究結(jié)果表明，不同林齡不同土壤養(yǎng)分含量差別很大，土壤養(yǎng)分是影響林分生長的重要因素。以往有關(guān)華北落葉松人工林土壤pH的研究中得到的數(shù)值一般在5.7～8.8之間[21-23]，然而本研究中土壤pH值在5.5～5.8之間，明顯偏小。造成這種結(jié)果的原因可能是本研究區(qū)的水熱狀況同其他地區(qū)相比有明顯不同。這種微氣候造成凋落物的分解速率以及土壤微生物的活動有很大差異。

本研究中，在幼齡林和中齡林時期，土壤全鉀含量與林分平均胸徑(-0.958、-0.514)、平均樹高(-0.994、-0.509)呈負(fù)相關(guān)，而到了近熟期(0.324、0.507)，呈現(xiàn)正相關(guān)。因此，適當(dāng)采取間伐、擇伐對林分土壤養(yǎng)分的保持有重要作用，且在近熟期合理施用鉀肥有利于人工林的健康生長。

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(編輯 潘秀華)

Study on relationship of soil nutrients and stand growth ofLarixprincipis-rupprechtiiplantations with different ages

SUN Guolong1，JI Panpan2,GE Zhaoxuan2

(1SaihanbaMechanicalForestFarmofHebeiProvince,Weichang068466，China; 2CollegeofForestry,HebeiAgriculturalUniversity,Baoding071000，China)

In order to provide scientific basis for forest management and resource conservation, and based on the survey ofLarixprincipis-rupprechtiiplantations with different ages (a young-aged class, 12 year-old stand; a middle-aged class, 27 year-old stand; a near-mature class, 40 year-old stand), the Pearson correlation analysis was applied to study the relationship between soil nutrients and stand growth in larch plantation plots. The results showed that with the increase of the stand age inLarixprincipis-rupprechtiiplantations, the soil pH decreased from 5.76 to 5.52, showing the soil acidity is increased. The available P content ranged from 4.67 to 7.64 mg/kg, showing a trend of gradual decrease. The soil organic matter, total nitrogen, available potassium and total potassium content were the highest in middle-aged class, which were 39.02 g/kg, 2.32 g/kg, 130.56 mg/kg and 17.6 g/kg respectively,after which was the near-mature class, and the young stand had the lowest values.The total nitrogen content was significantly different at each age stage(P<0.05),and the total potassium content was very significantly different (P< 0.01) among different ages. The content of total phosphorus and alkaline hydrolysable nitrogen of soils increased with the increase of age ofLarixprincipis-rupprechtiiplantation, and the total phosphorus content was significantly different at each stage (P< 0.05), while the content of alkaline hydrolysable nitrogen was very significant different (P<0.01). In general, the soil nutrient content ofLarixprincipis-rupprechtiiin different ages is different, and the demand for soil nutrients is higher in young and middle-aged plants.

stand age; soil nutrients;Larixprincipis-rupprechtii; stand growth; plantation

2016-12-14；

2017-05-09

孫國龍(1963-)，男，河北圍場人，碩士，高級工程師，研究方向：森林經(jīng)理 。

1007 - 4961(2017)02 - 0129 - 05

10.13320/j.cnki.hjfor.2017.0024

S 791.229

A