帶狀改造對柏木林土壤性質(zhì)的影響

雷靜品，李 璐，王鵬程，肖文發(fā)，龐曉瑜，黃志霖

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)研究所，北京100091；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝林學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430070；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京100091）

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，為森林生長提供所需的養(yǎng)分，土壤性質(zhì)直接關(guān)系到森林土壤的功能以及森林土壤生產(chǎn)力的可持續(xù)發(fā)展［1］。良好的土壤狀況有利于林地長期生產(chǎn)力的維持，而長期種植林分組成單一、群落結(jié)構(gòu)簡單的人工林會使土壤狀況惡化，如土壤容重增加，孔隙度降低，土壤結(jié)構(gòu)惡化［2-3］，林地土壤肥力下降［4］，土壤養(yǎng)分含量降低［5］。影響土壤性質(zhì)的因素包括：成土母質(zhì)［6］、林分密度［7］、林齡［8］、樹種組成［9］、群落類型［10］、凋落物分解［11］、人類的干擾活動［12-13］等，其中人類活動對土壤性質(zhì)的影響較為明顯［14］。通過林分改造改善土壤狀況、保持土壤健康已經(jīng)成為了森林土壤的研究熱點(diǎn)，有學(xué)者已經(jīng)就如何對純林進(jìn)行改造以提高土壤肥力進(jìn)行了相關(guān)研究［15-16］，帶狀改造明顯改變林內(nèi)環(huán)境，改造效果好于擇伐改造和間伐改造［17］，而在純林改造時補(bǔ)植闊葉樹種，形成針闊混交林能夠改善林地土壤［18］。但是，對改造帶的形式和樹種選擇的理論依據(jù)比較貧乏［19］。本研究通過研究柏木（Cupressus funebris）純林、不同寬度改造的林分和補(bǔ)植不同闊葉樹種后的林分土壤理化性質(zhì)變化，對土壤特性進(jìn)行了對比分析，了解不同帶狀改造對土壤性質(zhì)的影響，為今后柏木人工林以及人工針葉林的改造提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況與研究方法

1.1 研究地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于重慶市云陽縣長江林場，地處108°24′-109°14′E，30°34′-31°27′N，屬于大巴山脈，海拔250～800m，屬于中亞熱帶濕潤氣候，年平均氣溫17.4℃，年平均降雨量1 100mm，無霜期332d，植被屬亞熱帶常綠闊葉林區(qū)，主要林分是郁閉度0.60到0.85不等的柏木人工林，林分營造于20世紀(jì)60年代，現(xiàn)在平均胸徑為9cm，平均樹高8m。因造林密度較大且樹種單一，20世紀(jì)90年代初受柏木葉蜂危害嚴(yán)重［20］。

1.2 研究方法

1.2.1 改造帶處理方法 為了減緩蟲害，保證林分健康，2006年對長江防護(hù)林帶的柏木人工林用皆伐的方式進(jìn)行了林分改造。具體方法為在柏木林中連續(xù)設(shè)置寬10、15、20m與25m，長50m的帶狀改造帶，4種寬度的改造帶長度平行于長江，寬度隨山勢向上向柏木林內(nèi)延伸，分別稱為10m改造帶、15m改造帶、20m改造帶和25m改造帶。改造帶中的柏木皆伐后，保留原有物種，使其自然生長。同時在柏木林中設(shè)置了2個20m×100m的改造帶，長度方向平行于等高線，寬度沿山體向上。把改造帶內(nèi)的柏木全部除去，留下其他物種后，分別補(bǔ)栽刺桐（Erythrina variegata）和 刺 槐 （Robinia pseucdoacacia），使其自然生長，分別稱為刺桐改造帶和刺槐改造帶。

1.2.2 土壤樣品采集方法 2008年分別在各改造帶及其相鄰的上林緣處、與各改造帶相鄰的下林緣處、與改造帶相距5m的柏木林內(nèi)和與改造帶相鄰10m的柏木林內(nèi)，對0～20（含20）cm、20～40（含40）cm 2個土層，沿長度方向分別隨機(jī)采集土樣3次，每次取1kg土樣帶回。同時，在6個改造帶內(nèi)、各改造帶相鄰的上林緣處、下林緣處、與改造帶相距5m以及10m的柏木林內(nèi)，對上下2個土層分別用環(huán)刀取樣法取樣3次，將樣品帶回。

1.2.3 土壤性質(zhì)測定方法 根據(jù)森林土壤國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［21］，土壤容重環(huán)刀法測土壤容重；電位法測土壤酸堿度；重鉻酸鉀氧化-外加熱法測土壤有機(jī)碳含量；流動注射法測土壤全N含量；堿解-擴(kuò)散法測土壤水解N含量；流動注射法測土壤全P含量；碳酸氫鈉浸提法測土壤有效P含量；火焰光度計(jì)法測土壤全K含量和土壤有效K含量。

使用Office 2007進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理和制圖、SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同寬度帶狀改造對土壤性質(zhì)的影響

2.1.1 對土壤pH值與有機(jī)質(zhì)的影響 不同土層的土壤有機(jī)質(zhì)含量在不同帶寬的帶狀改造后均有所提高（表1），其中，10m改造帶0～20cm和20～40 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量分別升高了62.3%和67.8%，15m改造帶上下土層的有機(jī)質(zhì)含量提高了37.7%和14.1%，20m改造帶2個土層的有機(jī)質(zhì)含量提高了39.1%和21.5%，25m改造帶上下土層的有機(jī)質(zhì)含量則提高了55.4%和10.3%。改造帶寬度對0～20cm和20～40cm 2層土壤有機(jī)質(zhì)含量無顯著影響（p＜0.05）。

4個帶寬不同土層的土壤pH值與柏木林相比都有所降低（表1），其中0～20cm層的土壤pH值分別降低了0.1個單位、0.23個單位、0.74個單位和0.02個單位，4種帶寬0～20cm土層的土壤pH值均＞20～40cm土層的土壤pH值。

表1 不同寬度改造不同土層土壤有機(jī)質(zhì)和pH值分析Table 1 Soil organic matter and pH value in different soil layers with different widths strip reform

2.1.2 對土壤容重和孔隙度的影響 10、15、20m和25m改造帶中，0～20cm土層的土壤容重分別降低了3.56%、11.3%、10.21%和9.8%，20～40 cm土層土壤容重分別降低了7.14%、9.35%、8.95%和7.43%。可見，改造帶寬度對土壤容重的變化具有一定的影響，上層土壤的容重降幅均大于下層土壤，15m改造帶土壤容重變化最大，20m改造帶次之，10m改造帶土壤容重降幅最小。

柏木純林經(jīng)不同寬度的帶狀改造后，土壤孔隙度有不同程度的改變（圖2），10、15、20m和25m改造帶0～20cm土層的土壤孔隙度與柏木林相比分別增加了11.53、16.19、9.99和0.86。20～40 cm層土壤孔隙度變化趨勢不一，10m改造帶與20 m改造帶20～40cm層的土壤孔隙度比柏木純低了5.03和8.58，15m改造帶和25m改造帶卻高了9.1和2.27，上下2層土壤的孔隙度受改造寬度的影響并無顯著差異 （p＜0.05）。

圖1 不同寬度改造帶不同土層土壤容重的變化Fig.1 Soil bulk density of different soil layers wtih different widths strip reform

圖2 不同寬度改造帶不同土層土壤孔隙度的變化Fig.2 Soil total porosity in different soil layers with different widths strip reform

2.1.3 對土壤養(yǎng)分的影響 土壤養(yǎng)分受不同寬度帶狀改造的影響（表2），10m和20m帶寬改造帶0～20cm層土壤全P含量分別比柏木林減少了0.139g·kg-1和0.079g·kg-1，15m和25m帶寬改造帶0～20cm層土壤全P含量分別比柏木林增加了0.1g·kg-1和0.006g·kg-1，而各改造帶經(jīng)過林分改造后20～40cm層土壤的全P含量均低于柏木純林。不同寬度改造帶上下2層土壤的有效P含量經(jīng)過帶狀改造后均有所增加，10m改造帶0～20cm和20～40cm土層有效P含量比柏木純林高了3.47mg·kg-1和1.2mg·kg-1，15m改造帶上下土層有效P含量比柏木純林增加了1.62mg·kg-1和0.5mg·kg-1，20m改造帶2個土層的土壤有效P含量比柏木純林高3.34mg·kg-1和4 mg·kg-1，25m改造帶的2個土層有效P含量則提高了3.2mg·kg-1和0.9mg·kg-1。不同帶寬之間的土壤全P含量差異顯著；改造帶寬度在0～20cm土層對有效P含量影響顯著，在20～40cm層土壤對有效P含量卻無顯著影響。經(jīng)過改造后，土壤pH值趨向于中性，磷的有效性有所增加，同時土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高也增加了磷的有效性，這些因素都可能促使土壤中有效P含量的提高。

10、20m和25m3個帶寬改造帶的土壤全N含量分別比柏木林高0.62、0.3g·kg-1和0.33g·kg-1；而15m改造帶土壤全N含量卻低了0.13 g·kg-1。10m改造帶、25m改造帶0～20cm和20～40cm層土壤的水解N含量均比柏木林高，其中0～20cm土層的土壤水解N含量分別比柏木林高了40.6%和53.2%；15m帶寬改造帶0～20cm和20～40cm層土壤水解N含量比柏木林低，帶狀改造后20m改造帶上層土壤水解N含量升高了1.02mg·kg-1，下層土壤的水解N含量卻降低了14.3%。不同寬度的改造帶內(nèi)土壤的全N含量和水解N含量具有顯著差異。

10、25m帶寬改造帶和20m帶寬改造帶0～20cm土層的土壤全K含量分別比柏木林低了22.3%、6.12%和14.9%，15m帶寬改造帶和20m帶寬改造帶20～40層的土壤全K含量與柏木林比有所增加，其中15m帶寬改造帶土壤全K含量提高了12.6%。林分改造后土壤速效K的含量均低于柏木純林，速效K含量在10、15、20m和25m改造帶上層土壤中分別減少了24.72、29.84、21.48 mg·kg-1和19.67mg·kg-1，土壤全K含量和土壤速效K含量在不同寬度的改造帶中差異顯著。

表2 不同寬度改造土壤養(yǎng)分分析Table 2 Soil nutrition of different soil layers with different strip widths reform

2.2 不同樹種帶狀改造對土壤性質(zhì)的影響

2.2.1 不同樹種帶狀改造對土壤有機(jī)質(zhì)與pH值的影響 在改造帶內(nèi)種植不同樹種致使土壤有機(jī)質(zhì)含量產(chǎn)生變化，與柏木林相比，刺桐改造帶0～20 cm和20～40cm層的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別上升了9.16%和63.1%，而刺槐改造帶則降低了28.49%和28.46%。刺桐、刺槐改造帶的土壤pH值相比柏木林都有提高，刺桐改造帶和刺槐改造帶0～20 cm層的土壤酸堿度分別增加了0.2個單位和0.3個單位，20～40cm層則提高了0.16個單位和0.27個單位（表3）。

表3 不同樹種改造帶土壤有機(jī)質(zhì)和pH值分析Table 3 Soil organic matter and pH value of different soil layers with different tree species reform

2.2.2 不同樹種帶狀改造對土壤孔隙度和容重的影響 在改造帶內(nèi)引入闊葉樹種后，土壤孔隙度有所改變（圖3），補(bǔ)植刺桐后，改造帶0～20cm和20～40cm 2個土層的土壤孔隙度分別比柏木純林提高了4.85和8.67。與柏木林相比，刺槐改造帶0～20cm土層的土壤孔隙度下降了0.44，而20～40 cm土層的土壤孔隙度則增加了2.16，刺桐改造帶2土層的土壤孔隙度都高于刺槐改造帶。補(bǔ)植的樹種種類對改造帶內(nèi)土壤孔隙度的影響并不顯著。

與土壤孔隙度的相反，引入闊葉樹種后，刺桐改造帶2個土層的土壤容重均呈降低的趨勢，刺槐改造帶0～20cm層的土壤容重有所上升，20～40cm層的土壤容重有所下降。補(bǔ)植樹種的物種對土壤容重的影響不顯著。改造帶間土壤孔隙度和容重的不同也許是因?yàn)榱址治锓N組成影響了土壤有機(jī)質(zhì)含量，不同群落下土壤動物和微生物的種類與活動也有所不同。

2.2.3 不同樹種帶狀改造對土壤養(yǎng)分的影響 不同樹種帶狀改造對土壤養(yǎng)分的影響不同（表4），改造帶內(nèi)引入刺桐后，0～20cm土層的全P含量比柏木純林減少了0.006g·kg-1，20～40cm層的全P含量則升高了0.03g·kg-1，但引入刺槐后上下2個土層的土壤全P含量比柏木純林減少了0.041 g·kg-1和0.01g·kg-1。而不同樹種改造帶土壤有效P含量均呈上升趨勢，刺桐改造帶0～20cm和20～40cm層土壤有效P含量分別增加9.2mg·kg-1和24.4mg·kg-1，刺槐改造帶0～20cm和20～40cm層土壤有效P含量分別升高了49.9mg·kg-1和47.6mg·kg-1，補(bǔ)植的樹種種類對改造帶20～40cm層土壤的有效P含量具有顯著影響。

圖3 不同樹種改造帶不同土層土壤孔隙度的變化Fig.3 Soil total porosity of different soil layers wtih different tree species plots

2種不同樹種改造帶與柏木林相比土壤全N含量均有增加，刺桐改造帶0～20cm土層和20～40 cm土層的土壤全N含量增長了28.5%和22.8%，刺槐改造帶0～20cm土層和20～40cm土層的土壤全N含量增幅為5.6%和1.27%。引入刺桐后改造帶內(nèi)上下2層土壤的水解N含量分別減少了24.6%和41.7%，與柏木林相比刺槐改造帶0～20 cm層的土壤水解N含量降低10.6%，20～40cm層含量則提高了0.68%，刺桐、刺槐改造帶0～20 cm和20～40cm層土壤水解N含量差異顯著。

圖4 不同樹種改造帶不同土層土壤容重的變化Fig.4 Soil bulk density of different soil layers with different tree species reform strip

改造帶內(nèi)上下2層土壤的全K含量在引入刺桐后增加了3.03g·kg-1和2.92g·kg-1，引入刺槐后則降低了0.92g·kg-1和1.49g·kg-1。2種樹種改造帶不同土層的速效K含量相比柏木林都有所降低，其中刺槐改造帶上下2層土壤的速效K含量分別比柏木林低了56.7mg·kg-1和35.8mg·kg-1。不同樹種0～20cm和20～40cm層土壤全K含量差異顯著，且速效K含量差異顯著。

表4 不同樹種改造不同土層土壤養(yǎng)分分析Table 4 Soil organic matter of different soil layers with different tree species reform strip

3 結(jié)論與討論

不同的林分改造對土壤的理化性質(zhì)有不同的影響，不同寬度的帶狀改造對土壤性質(zhì)影響不同。不同寬度改造帶的土壤孔隙度均有所增加，土壤容重有所下降，與王樹力［22］等的研究一致。不同寬度改造帶內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量升高，表層有機(jī)質(zhì)含量與柏木林有明顯差異，改造帶內(nèi)pH值降低，更接近中性，與柏木林相比差異不明顯，與毛波［17］等的研究相同。帶狀改造對土壤全N、全P、全K含量和土壤養(yǎng)分的影響因帶寬的差異而有所不同，4種帶寬改造帶上下土層土壤的養(yǎng)分含量變化有顯著差異，與毛波［17］等、張春雨［23］等對林隙的研究結(jié)果一致。10cm和20cm帶寬改造帶上下土層的土壤全P含量與柏木林相比都有降低，15cm和25cm帶寬改造帶0～20 cm層的土壤全P含量與柏木林相比有所增加，而20～40cm層的土壤全P含量則有所降低；土壤有效P含量與柏木林相比都有增加；20m帶寬改造帶的土壤全N含量上下2個土層相比柏木林都有增加，水解N含量0～20cm層有所增加而20～40cm層卻有所降低；10、15m帶寬改造帶和20m帶寬改造帶0～20cm層的土壤全K含量相比柏木林有所降低，而15m帶寬改造帶和20m帶寬改造帶20～40cm層的土壤全K含量卻有所增加；4種帶寬改造帶的土壤速效K含量與柏木林相比都有所降低。從對土壤性質(zhì)的影響考慮，20m帶寬改造帶的總體結(jié)果要好于其他寬度的改造帶。

經(jīng)過帶狀改造后，改造帶內(nèi)的光照條件和通氣狀況都得到了不同程度的改善，小氣候條件、土壤水氣狀況有所差異，使得新形成的林分在物種組成上有所差異，改變了原有的植被類型，從而影響了地表凋落物和土壤根系，同時，凋落物的分解條件、土壤微生物的生活狀況都發(fā)生了不同程度的變化，分解速度也會有相應(yīng)的變化，枯落物的分解對土壤的性質(zhì)產(chǎn)生影響［11，24-25］。不同的地面凋落物和土壤水熱狀況影響了土壤的有機(jī)質(zhì)含量，而土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成成分，不僅對保持土壤肥力有著重要的意義［26］，在土壤形成和土壤性質(zhì)的改良中也起重要作用［27］。同時土壤有機(jī)質(zhì)的含量對土壤容重也有影響，土壤有機(jī)質(zhì)有利于土壤團(tuán)聚，而改造措施的實(shí)施影響了土壤有機(jī)質(zhì)的含量，從而改變了土壤孔隙度［18］和土壤容重。土壤容重的變化程度因改造帶寬度和土壤層次的不同而不同，上層土壤的容重比下層土壤低，這與王樹力［22］等的研究一樣。0～20cm層土壤容重降低的原因可能是由于改造后，上層土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯升高，這降低了0～20cm土層的容重，另外林內(nèi)生物種類有所改變，植物根系發(fā)生了變化，也使得土壤容重發(fā)生變化；但隨著時間的增加，20～40cm層土壤容重在帶狀改造作用下的變化規(guī)律還需要進(jìn)一步的研究。去除柏木后，林內(nèi)光照強(qiáng)度增加，通氣狀況改善，腐殖質(zhì)分解速度加快，酸性物質(zhì)生成增多，使土壤pH值下降，而腐殖質(zhì)的分解對土壤上層的影響比下層大，使得0～20 cm層土壤的酸性高于下層土壤。上述經(jīng)帶狀改造后發(fā)生變化的條件都會對土壤肥力產(chǎn)生影響，使土壤養(yǎng)分含量發(fā)生變化。

不同的植被類型和人為經(jīng)營措施都會影響土壤中的養(yǎng)分含量［22，28-30］，在改造帶內(nèi)引入闊葉樹種后2個土層的土壤結(jié)構(gòu)均發(fā)生了變化。土壤容重在不同的植被類型中表現(xiàn)出了明顯差異［31-32］，刺桐改造帶土壤孔隙度有所增大、土壤容重都有所下降，這與鄧仕堅(jiān)［12］等對不同樹種混交林及其純林的土壤孔隙度和容重的研究結(jié)果一致；刺槐改造帶0～20cm層土壤容重增大、孔隙度下降，而0～40cm層土壤容量下降、孔隙度增大。在引入刺槐后，改造帶內(nèi)土壤的有機(jī)質(zhì)含量顯著升高，而引入刺槐后卻有所降低，在改造帶內(nèi)引入不同的闊葉樹種會使地面凋落物有所不同、也會引起根系分泌物和根系殘體的差異，使得土壤腐殖質(zhì)成分和分解速度有所差異，同時土壤的水熱條件也因樹種的不同而不同，這些因素都可能是不同樹種改造帶土壤有機(jī)質(zhì)含量不同的原因。刺桐改造帶和刺槐改造帶的土壤酸堿度皆呈上升趨勢，不同樹種對鹽離子在種類和量上的選擇性吸收可能會使土壤酸堿度在不同程度上升高。刺桐改造帶內(nèi)0～20cm層和20～40cm層的土壤全N含量、全K含量和有效P含量均呈上升趨勢，水解N和速效的K含量卻有所減少，全P含量0～20cm層有所下降，20～40cm層卻有所提高；刺槐改造帶土壤養(yǎng)分的變化差異較大。不同樹種改造帶N、P、K含量的差異可能是因?yàn)橐氩煌瑯浞N后土壤養(yǎng)分積累，林分的群落結(jié)構(gòu)和林內(nèi)小氣候發(fā)生了不同的變化，地面枯枝落葉和土壤腐殖質(zhì)的性質(zhì)也有所差異，因此土壤養(yǎng)分的積累和消耗有所不同，這些因素都會影響改造帶土壤養(yǎng)分的含量。這與李靖［8］等、鄧仕堅(jiān)［9］等和王樹力［22］等的研究結(jié)果有些差別，可能是因?yàn)槔罹福?］等研究的對照組是農(nóng)田，鄧仕堅(jiān)［9］等和王樹力［22］等則是馬尾松林和落葉松林，不同林地的理化性質(zhì)不同。刺槐改造帶表層土壤容重的升高、孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量的降低說明了在進(jìn)行林分改造時，選擇合適的樹種營造混交林是很重要的。比較2個樹種改造帶的土壤特性變化，在柏木純林內(nèi)引入刺桐的改造效果要優(yōu)于刺槐。

對人工純林進(jìn)行改造時補(bǔ)栽不同的闊葉樹種，有利于生態(tài)系統(tǒng)的回復(fù)和群落演替的演變。林分中的植物與土壤互相作用，植被是影響土壤發(fā)育的重要因素，營造針闊混交林能提高土壤孔隙度，從而改變土壤的水、熱、氣、肥，增強(qiáng)土壤生產(chǎn)力等［9］。本試驗(yàn)持續(xù)的時間較短，并未充分考慮群落發(fā)育和土壤狀況的聯(lián)系，結(jié)論在時間尺度上有一定的局限，隨著時間的推移、群落演替的進(jìn)行，土壤特性的變化還需要進(jìn)一步的監(jiān)測和分析研究。

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