東北地區(qū)典型林型土壤的性狀特征

王 婷，黃功凱，李 豆，吳 迪

(東北林業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150040)

作為地球上最重要的碳匯，森林對吸收溫室氣體、穩(wěn)定大氣中碳氧的含量起著至關(guān)重要的作用[1]。有研究表明，北半球中高緯度森林植被是全球碳匯的重要承擔(dān)者，在減小碳收支不平衡中起著關(guān)鍵作用[2]。土壤是植被賴以生存的重要基礎(chǔ)，是植被所需營養(yǎng)元素的重要來源，土壤條件對植被生存具有極其重要的影響。在土壤生物化學(xué)過程中，土壤酶是積極的參與者。土壤酶活性高低能夠反映土壤養(yǎng)分，特別是碳、氮、磷轉(zhuǎn)化的強弱，能夠反映土壤生態(tài)系統(tǒng)代謝動力的強弱，是檢測土壤肥力水平高低的重要標(biāo)志。土壤理化性質(zhì)對土壤養(yǎng)分的存在形式、轉(zhuǎn)化方式、有效性等均具有極其重要的影響[3]。

土壤狀態(tài)也受到植被類型、年齡、構(gòu)成等的影響。研究發(fā)現(xiàn)，純林，特別是針葉樹純林，具有層次單一、結(jié)構(gòu)簡單、抗病蟲能力差等特征，會導(dǎo)致地力衰退[4]。經(jīng)過“針葉化現(xiàn)象”的長期作用，土壤的理化性質(zhì)和土壤酶活性必然會被改變，引起地力衰退。針葉樹和闊葉樹的枯枝落葉中化學(xué)成分背景存在差異，經(jīng)過腐殖質(zhì)化和礦物質(zhì)化過程，形成不同的腐殖質(zhì)類型；因此，混交林，特別是針闊葉混交林，可以促進土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)，改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤酶活性，維持并提高地力[5]。建立比人工純林更復(fù)雜、更穩(wěn)定的混交林，更有利于維護生態(tài)環(huán)境。林木根部區(qū)域是林木與土壤進行物質(zhì)交換的第一場所，根區(qū)土壤中養(yǎng)分元素的形態(tài)與數(shù)量能直觀地反映林木對養(yǎng)分元素吸收利用的情況[6]。本研究以我國東北地區(qū)典型林型中具有代表性的長白落葉松純林及其針闊混交林為對象，研究其生長時期土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性的動態(tài)變化，研究結(jié)果可為今后溫帶-亞寒帶地區(qū)人工生態(tài)林的大面積種植提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

研究地點為東北林業(yè)大學(xué)帽兒山林場尖砬溝森林培育實驗站(127°30′～127°34′E，45°21′～45°25′N)，該實驗站的人工林系全球同緯度地區(qū)唯一一家實驗林場。研究區(qū)海拔136～140 m，林場面積48.83 hm2，土壤類型為暗棕壤。研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫2.8 ℃，年均降水量723 mm。該實驗林場始建于20世紀50年代，東北林區(qū)十幾個主要造林樹種在此均有種植，包括紅皮云杉(Piceakoraiensis)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、白樺(Betulaplatyphylla)、長白落葉松(Larixolgensis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、黑皮油松(Pinustabulaeformisvar.mukdensis)、黃菠蘿(Phellodendronamurense)等[7]。試驗選取1986年春營建的試驗林型——長白落葉松純林、胡桃楸和長白落葉松混交林、水曲柳和長白落葉松混交林等3種試驗林型進行研究，混交方式為帶狀混交，各試驗林型之間被次生林間隔[8]。

1.2 土樣采集

于2014年5—10月取上述3種林型的5種林下[長白落葉松純林，LO；胡桃楸(胡桃楸-長白落葉松混交林)，JMLO；長白落葉松(胡桃楸-長白落葉松混交林)，LOJM；水曲柳(水曲柳-長白落葉松混交林)，F(xiàn)MLO；長白落葉松(水曲柳-長白落葉松混交林)，LOFM]土壤。每種林型隨機選取標(biāo)準地3塊，設(shè)為3次重復(fù)，每個重復(fù)10點取樣，采集0～10 cm土層的土壤樣品，帶回實驗室自然風(fēng)干，除去石塊與植物殘體等，用于測定土壤理化性質(zhì)和酶活性等。

1.3 測定指標(biāo)與方法

土壤全氮用半微量凱氏法測定，堿解氮采用擴散吸收法測定，全磷用鉬銻抗比色法測定[9]?？偺祭每傆袡C碳分析儀(Vario TOC analyzer，德國)進行測定。土壤蔗糖酶、過氧化氫酶和脲酶活性分別采用3,5-二硝基水楊酸比色法、KMnO4滴定法和苯酚鈉比色法[10]進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 16.0軟件進行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各林型土壤氮素含量

土壤全氮是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤氮庫的重要組成部分[11]。土壤全氮的微小變化就可能促使生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生氮“匯-源”之間的轉(zhuǎn)變[12]。如表1所示，不同林型的土壤全氮含量在不同月份間波動。除7月以外，5—10月不同林型間土壤全氮含量差異均達到顯著水平。整體來看，長白落葉松混交林土壤(LOJM或LOFM)全氮含量高于其純林(LO)，尤其是在8月時差異達顯著水平。

表1 不同月份各林型土壤全氮含量 mg·g-1

注：同列數(shù)據(jù)后無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。表2～4同。

堿解氮在土壤中的含量相對不穩(wěn)定，但是能夠反映出近期土壤的氮素供應(yīng)能力[13]。如表2所示，不同林型的土壤堿解氮含量在不同月份間波動，總體表現(xiàn)為8—9月土壤堿解氮含量處于較高水平。長白落葉松與水曲柳混交后(LOFM)，8—9月土壤堿解氮顯著高于同一時期純林土壤(LO)堿解氮含量，說明混交相較純林可提高土壤中堿解氮的含量。

表2 不同月份各林型土壤堿解氮含量 mg·kg-1

2.2 各林型土壤全磷含量

土壤全磷量是土壤中各種形式磷素的總和，是評價土壤磷素供應(yīng)狀況的重要指標(biāo)。如表3所示，各林型土壤全磷僅8—10月間呈顯著差異。8月，胡桃楸-長白落葉松混交林的長白落葉松下土壤(LOJM)全磷含量顯著高于純林；9月，長白落葉松混交林和純林下土壤全磷含量無顯著差異；10月，長白落葉松純林下土壤全磷含量顯著高于混交林。

2.3 各林型土壤總碳含量

土壤總碳是衡量土壤肥力水平的一個重要指標(biāo)。如表4所示，不同月份各林型土壤總碳含量均呈顯著差異。整體來看，8—9月土壤總碳含量處于較高水平。長白落葉松與水曲柳混交后土壤(LOFM)總碳含量整體高于純林。8月，長白落葉松與胡桃楸、水曲柳混交后的長白落葉松下土壤(LOJM、LOFM)總碳含量均顯著高于長白落葉松純林土壤。

表3 不同月份各林型土壤全磷含量 mg·g-1

表4 不同月份各林型土壤總碳含量 mg·g-1

2.4 各林型土壤酶活

土壤酶主要來自動植物與微生物的活體或殘體的分泌和釋放，對土壤養(yǎng)分循環(huán)至關(guān)重要[14]。土壤蔗糖酶能夠?qū)⑻妓衔锼猱a(chǎn)生的糖類進一步分解成單糖，含量越高，土壤活力越強[15]。從圖1可以看出，蔗糖酶活性隨月份變化波動較小。8、10月土壤蔗糖酶活性略低于其他月份。整體來看，土壤蔗糖酶活性表現(xiàn)為長白落葉松混交林高于其純林。脲酶在土壤有機氮的分解轉(zhuǎn)化中具有重要作用[16]。本研究中，脲酶活性隨月份變化呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢，各林型土壤脲酶活性在8月份達最高，且長白落葉松混交林土壤脲酶活性高于其純林。土壤過氧化氫酶可以促進土壤中過氧化氫分解，防止其毒害生物體[17]。本研究結(jié)果顯示，長白落葉松與胡桃楸混交后，除6、8月外，其余各月土壤過氧化氫酶活性均高于其純林，而與水曲柳混交后，各月土壤過氧化氫酶活性略低于純林。

圖1 不同月份各林型土壤酶活性變化

3 小結(jié)與討論

森林土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)中最為重要的碳、氮存儲庫，對維持大氣中溫室氣體的平衡有著極其重要的作用[18]。

土壤是影響植物群落生存、結(jié)構(gòu)和功能的重要環(huán)境因子之一[16]。研究結(jié)果表明，針葉樹純林層次單一，結(jié)構(gòu)簡單，長期采取單一樹種的純林種植模式，會導(dǎo)致地力衰退，森林生產(chǎn)力下降[19]。混交林較純林能夠增加林地空間結(jié)構(gòu)多樣性，維持生態(tài)穩(wěn)定[20]。本研究中，長白落葉松與闊葉林(胡桃楸或水曲柳)混交后土壤理化性質(zhì)及土壤酶活性在生長季節(jié)整體表現(xiàn)最佳，說明長白落葉松與闊葉林混交優(yōu)越性較為明顯，可有效改善長白落葉松純林的不良生態(tài)特性，有效增加土壤養(yǎng)分，促進林地養(yǎng)分的良性循環(huán)。李國平等[21]比較了桉樹與針闊混交林對土壤理化性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)桉樹純林的土壤全氮、全磷、有機質(zhì)等理化指標(biāo)要小于針闊葉混交林，土壤肥力較針闊葉混交林差，與本研究結(jié)果基本一致。鑒于針闊混交林在土壤改良方面的積極作用，在實際人工林的建設(shè)中建立比人工純林更復(fù)雜、更穩(wěn)定的混交林，能夠促進土壤營養(yǎng)成分的良性循環(huán)，增加森林生產(chǎn)力，取得更好的生態(tài)效益。

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