楊樹不同林分密度和林分結(jié)構(gòu)對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

馬亞峰， 侯 銀， 張煥朝

(南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，江蘇南京 210037)

我國是楊樹產(chǎn)業(yè)大國[1]，楊樹資源分布、品種數(shù)量及其人工林面積都處于世界領(lǐng)先地位，隨著國家天然林保護(hù)工程的實(shí)施，人工林木材的利用己成為解決木材供需矛盾的重要途徑[2]。楊樹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有效緩解了我國用材供應(yīng)的緊張狀況，改善了我國森林資源結(jié)構(gòu)。然而，長期以來人工林的經(jīng)營目標(biāo)只是最大限度地獲取木材，對(duì)林下生物多樣性的生態(tài)功能考慮甚少，人工林生產(chǎn)力下降、樹種單一、林分結(jié)構(gòu)簡單或不合理，導(dǎo)致生物多樣性銳減、地力衰退等諸多問題，嚴(yán)重影響了人工林的可持續(xù)經(jīng)營[3-4]。

土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)中生命活動(dòng)的主要場所，為林木的生長提供養(yǎng)分，是森林生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化的重要樞紐，其生產(chǎn)力水平直接決定著森林的生物產(chǎn)量和功能的發(fā)揮[5]。研究表明，營林措施對(duì)人工林的發(fā)展有很大的影響，其中混交林能夠增加林地生物物種的多樣性，提高林地養(yǎng)分水平和生產(chǎn)力，改善林分養(yǎng)分狀況，從而能有效改良土壤，提高林分結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從根本上改善林分的生態(tài)環(huán)境[6]；林分密度除了對(duì)土壤性質(zhì)、養(yǎng)分循環(huán)等有顯著影響外，還參與林地生態(tài)系統(tǒng)的諸多方面[7-8]。通過選擇合理的林分密度或合適的樹種與楊樹混交，可以達(dá)到改善土壤結(jié)構(gòu)，提高生物產(chǎn)量的目標(biāo)。

土壤理化性質(zhì)制約著土壤的肥力水平，與植物群落的組成結(jié)構(gòu)和植物多樣性有著密切的關(guān)系[9]。土壤理化性質(zhì)無論在時(shí)間上還是空間上都呈現(xiàn)異質(zhì)性分布的特征[10]。因此，研究不同林分結(jié)構(gòu)下土壤的理化性質(zhì)對(duì)詳細(xì)了解森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力、養(yǎng)分循環(huán)等內(nèi)容有著重要的意義。筆者通過對(duì)3種林分密度的楊樹人工林、楊樹紫荊人工混交林土壤理化性質(zhì)的測定，探究不同林分密度和林分結(jié)構(gòu)下土壤理化性質(zhì)變化的情況，分析林分密度和林分結(jié)構(gòu)對(duì)土壤性質(zhì)和土壤質(zhì)量的影響，以期找到提高楊樹人工林生產(chǎn)力最適宜的林分栽植模式，為今后楊樹人工林的合理經(jīng)營和管理提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

不同林分密度的楊樹林試驗(yàn)地位于江蘇省泗洪陳圩林場(地理位置：35°15′N，118°18′E)，屬東亞季風(fēng)區(qū)，四季分明；年均氣溫14.6 ℃，年均降水量960.4 mm，主要集中在7、8月份；土壤質(zhì)地為黏壤土，結(jié)構(gòu)良好。試驗(yàn)材料為南林-895楊無性系(Populus×euramericanacv.“Nanlin-895”)，造林時(shí)間為2007年，造林面積為12 hm2。

楊樹混交林試驗(yàn)地位于鹽城射陽林場(地理位置：33°37′N，120°24′E)，屬季風(fēng)氣候區(qū)，夏季炎熱，冬季較冷；年均氣溫13.8 ℃，年均降水量1 000.2 mm，受季風(fēng)氣候影響，雨量季節(jié)分布不均，夏季降水集中，冬季降水較少；土壤質(zhì)地為沙壤土。其中純林樹種為南林-95楊無性系(Populus×euramericanacv. “Nanlin-95”)，混交林樹種為南林-95楊無性系與紫荊(CercischinensisBunge)(1 ∶1行間混交)，造林時(shí)間為2006年，造林面積為12 hm2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 樣地選取 陳圩林場管轄區(qū)域中，選取3種不同林分密度、相同樹齡的楊樹人工林作為試驗(yàn)樣地，造林株行距分別為6 m×6 m、5 m×5 m、3 m×8 m。試驗(yàn)地林分基本情況見表1。在射陽林場中選取了楊樹純林、楊樹×紫荊混交林2種人工林作為試驗(yàn)樣地。

1.2.2 土壤樣品采集與處理 土壤樣品采集于2012年2月(冬)和8月(夏)。土壤樣品的采集用多點(diǎn)混勻法。每塊試驗(yàn)地作為一個(gè)大區(qū)，每個(gè)大區(qū)劃分為3個(gè)小區(qū)作為3次重復(fù)。每個(gè)小區(qū)采樣規(guī)則一致，按照“S”形樣點(diǎn)分布采集3～5個(gè)點(diǎn)，混勻后作為小區(qū)樣品。根據(jù)人工林土壤剖面劃分標(biāo)準(zhǔn)及所栽植樹齡樹種的根系扎根深度，避免枯枝落葉層的干擾，取樣深度為0～10 cm(上層)、10～20 cm(中層)、20～40 cm(下層)，每個(gè)樣點(diǎn)分別采集袋裝土和環(huán)刀土。采集土樣時(shí)，避開樹的根系和小區(qū)的邊緣部分。采集土樣后，將袋裝土和環(huán)刀土帶回實(shí)驗(yàn)室，其中袋裝土經(jīng)過風(fēng)干、磨碎供土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量等指標(biāo)的測定；環(huán)刀土供土壤容重、孔隙度的測定。

表1 不同林分密度試驗(yàn)地林分概況

1.3 測定指標(biāo)與方法

土壤物理性質(zhì)主要測定指標(biāo)及方法：土壤容重、孔隙度采用環(huán)刀法。

土壤化學(xué)性質(zhì)主要測定指標(biāo)及方法：土壤pH值采用電位法；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；全氮含量采用半微量凱氏法；水解氮含量采用堿解擴(kuò)散法；速效磷含量采用鉬銻抗比色法；速效鉀含量采用火焰光度法。

上述具體測定方法參考《森林土壤實(shí)驗(yàn)教程》[11]和《土壤農(nóng)化分析》[12]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2003與SPSS 19.0進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分密度和林分結(jié)構(gòu)對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

林分密度和林分結(jié)構(gòu)不同，土壤物理性質(zhì)有所差異(圖1和圖2)。不同林分密度和林分結(jié)構(gòu)土壤容重均從表層向下逐漸增大，孔隙度均從表層向下逐漸減小。說明表層土壤疏松，土壤通氣性、透水性良好。這主要與林地表層枯枝落葉的積累與分解有關(guān)。不同季節(jié)，3種林分密度及林分混交林土壤容重均表現(xiàn)為冬季大于夏季，孔隙度均表現(xiàn)為夏季大于冬季，這主要是因?yàn)橄募緶囟冗m宜，促進(jìn)了土壤動(dòng)物或微生物的活動(dòng)，從而提高了土壤的通透性，改善了土壤的結(jié)構(gòu)。

不同林分密度下，土壤容重在上、中層土層中冬季均表現(xiàn)為6 m×6 m>3 m×8 m>5 m×5 m，夏季均為3 m×8 m>5 m×5 m>6 m×6 m；不同林分密度的土壤孔隙度在3個(gè)土層中，冬季均表現(xiàn)為6 m×6 m>3 m×8 m>5 m×5 m，夏季表現(xiàn)為5 m×5 m>6 m×6 m>3 m×8 m，這說明在不同的季節(jié)，林分密度是影響土壤容重和孔隙度的一個(gè)重要因素，合理的林分密度或混交模式影響下會(huì)形成良好土壤結(jié)構(gòu)，從而更好地供應(yīng)植物生長。不同林分混交下，土壤容重純林>混交林；冬、夏兩季混交林土壤孔隙度較純林增加了1.23%～19.08%，表明采取混交措施在一定程度上能夠降低土壤容重，增加孔隙度。與純林比較，混交林增加了林分生態(tài)系統(tǒng)的多樣性以及凋落物的積累量，在凋落物分解過程中土壤得到了更好的改良。

2.2 不同林分結(jié)構(gòu)對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.2.1 土壤pH值的變化 pH值代表土壤的酸堿度，是土壤的重要化學(xué)指標(biāo)之一。它對(duì)土壤養(yǎng)分的釋放、土壤礦物的轉(zhuǎn)化和土壤生物學(xué)性質(zhì)有顯著影響。不同林分密度和林分結(jié)構(gòu)土壤pH值變化在7.09～8.73，偏堿性，無明顯差異(圖3)， 這說明了林分密度和林分混交在改善土壤酸堿性方面作用不明顯。不同季節(jié)，3種林分密度及林分混交林地土壤pH值均為夏季小于冬季，這主要是因?yàn)橄募緶囟冗m宜，植物根系生長代謝活動(dòng)強(qiáng)，分泌大量酸類物質(zhì)，導(dǎo)致pH值降低。土壤酸性的增加意味著土壤肥力得到提高，這有利于森林更新[13]。

2.2.2 土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的變化 土壤有機(jī)質(zhì)是反映土壤肥力的主要指標(biāo)之一，它是土壤中各種營養(yǎng)元素特別是氮、磷的重要來源，也是土壤微生物生長繁殖的能源物質(zhì)，在改善土壤物理性質(zhì)，提高土壤肥力和促進(jìn)林木生長發(fā)育上起著重要作用。全國各地的大量資料分析結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤全氮量之間呈正相關(guān)[14]。由圖4、圖5可知，不同林分密度和林分結(jié)構(gòu)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量均從表層向下降低，這主要與林地表層枯枝落葉的積累量有關(guān)。不同季節(jié)，林地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量夏季均高于冬季，且差異顯著(P<0.05)，說明夏季時(shí)期土壤更肥沃，能夠更好地供應(yīng)植物生長所需要的養(yǎng)分。林分密度5 m×5 m和6 m×6 m林地表層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量均高于3 m×8 m，且5 m×5 m與 3 m×8 m這2種林分密度林地土壤有機(jī)質(zhì)含量差異顯著(P<0.05)， 6 m×6 m與3 m×8 m這2種林分密度的土壤全氮含量差異顯著(P<0.05)。這說明5 m×5 m和6 m×6 m 這2種林分密度在提高林地肥力水平上更優(yōu)于3 m×8 m林分密度。但是20～40 cm土層有機(jī)質(zhì)和全氮含量差異并不顯著，說明隨著土層的加深，林分密度對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的影響減弱。不同林分混交下，混交林林地表層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量均高于純林，且差異顯著(P<0.05)。數(shù)據(jù)分析表明，表層土壤有機(jī)質(zhì)含量混交林比純林在冬季、夏季分別提高了57%、51%，這與混交林的生物多樣性及大量枯枝落葉凋落物的增加密切相關(guān)，同時(shí)也說明了混交模式下能大大提高土壤的肥力狀況。

2.2.3 土壤速效氮、有效磷和速效鉀含量的變化 土壤速效氮、有效磷、速效鉀是土壤中易被植物較快吸收利用的元素形態(tài)，其含量的高低是判斷土壤元素營養(yǎng)豐缺的重要指標(biāo)。不同林分密度和林分結(jié)構(gòu)下土壤速效氮、有效磷、速效鉀含量均隨著土壤土層深度的加深呈下降的趨勢(shì)(圖6、圖7、圖8)，這與有機(jī)質(zhì)的變化趨勢(shì)是一致的，說明不同的林分密度和林分結(jié)構(gòu)都能提高表層土壤肥力，使土壤能夠提供更多林木生長所需要的養(yǎng)分。在不同季節(jié)，3種有效養(yǎng)分的含量均表現(xiàn)出夏季高于冬季，且差異顯著(P<0.05)，主要原因可能是夏季大量有機(jī)質(zhì)被分解，及時(shí)補(bǔ)充了土壤氮、磷、鉀營養(yǎng)庫。方差分析表明，不同林分密度下林地表層土壤速效氮、速效鉀含量均表現(xiàn)出林分密度 5 m×5 m高于其他2種林分密度，且差異顯著(P<0.05)。說明以5 m×5 m的林分密度模式栽植楊樹會(huì)在一定程度上提高有效養(yǎng)分氮、鉀的含量，且效果好于 3 m×8 m與6 m×6 m 2種林分密度。但是，0～20 cm土層冬季林地土壤有效磷含量呈現(xiàn)出了相反的趨勢(shì)：3 m×8 m>6 m×6 m>5 m×5 m，且差異顯著(P<0.05)。不同林分混交下，混交林中3種有效養(yǎng)分含量較純林增高，且差異顯著(P<0.05)。冬季，混交林林地表層土壤有效磷、速效鉀含量較純林分別提高4%、16%，夏季分別提高8%、41%。這說明在不同的季節(jié)，混交林在提高鉀含量的水平要強(qiáng)于提高磷含量的水平，這主要與鉀、磷2個(gè)元素存在的形態(tài)有關(guān)。

3 討論

森林類型不同，導(dǎo)致地表凋落物儲(chǔ)量及其構(gòu)成、樹木根系生長發(fā)育和凋落物分解速率等均存在一定差異，從而導(dǎo)致不同林分土壤物理性質(zhì)的不同[15]。土壤容重和孔隙度是土壤的基本物理性質(zhì)，對(duì)土壤的蓄水性能和通氣性具有直接的作用，同時(shí)能間接影響到土壤肥力和作物生長狀況[16-17]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同林分密度和林分結(jié)構(gòu)土壤容重均隨著土層深度的增加呈下降的趨勢(shì)，這與許多學(xué)者研究的林地土壤容重變化規(guī)律[18-21]一致。隨著季節(jié)變化，土壤容重冬季大于夏季，這主要與土壤動(dòng)物活動(dòng)、土壤微生物新陳代謝有關(guān)，夏季溫度較冬季高且適宜土壤動(dòng)物與微生物活動(dòng)，造成土壤疏松多孔，容重減小。純林的土壤容重大于混交林，說明較純林而言，混交林可有效降低林地土壤的容重，特別是表層土壤最為明顯，從而改善土壤的通氣狀況，這種變化有利于植物根系進(jìn)行更好的呼吸[20]。這主要原因是相對(duì)于樹種單一的楊樹純林，混交林引入了新的物種，增加了物種的多樣性，林地凋落物大量增加，土壤堅(jiān)實(shí)度隨著凋落物的分解逐漸被降低，改善了土壤結(jié)構(gòu)。土壤容重與土壤孔隙度關(guān)系密切，土壤容重小，表明土壤比較疏松，孔隙多。反之，土壤容重大，表明土壤比較緊實(shí)，結(jié)構(gòu)性差，孔隙少[22]。一般情況下，當(dāng)總孔隙度大于35%，而其中非毛管孔隙約占1/5時(shí)，土壤的通氣性、透水性和持水能力會(huì)比較協(xié)調(diào)，利于多數(shù)林木的生長。本研究對(duì)土壤孔隙度的分析結(jié)果與上述孔隙度和容重的關(guān)系一致。不同林分密度和林分結(jié)構(gòu)土壤孔隙度呈現(xiàn)了與容重相似的趨勢(shì)，且總孔隙度達(dá)到了35%以上，有利于林木良好生長。但是3種林分密度中，隨著季節(jié)變化孔隙度的大小呈現(xiàn)出了6 m×6 m>3 m×8 m>5 m×5 m 的規(guī)律性，這說明在營造人工林時(shí)，選擇良好的密度模式有利于保持較好的土壤通氣性。

土壤化學(xué)性質(zhì)是表征土壤肥力狀況的重要指標(biāo)，直接影響著植物的生長發(fā)育和土壤微生物的活動(dòng)[23]。土壤pH值是土壤重要的化學(xué)性質(zhì)，但是pH值不能直接反映土壤中某種養(yǎng)分的含量，但其大小可控制和影響土壤中微生物區(qū)系的改變，從而左右絕大多數(shù)營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化方向、轉(zhuǎn)化過程、形態(tài)及其有效性[24]。本研究中，不同林分結(jié)構(gòu)土壤的pH值 7.09～8.73，偏堿性，3種林分密度及不同林分混交間pH值差異不顯著。但隨著季節(jié)變化，不同林分密度和林分結(jié)構(gòu)土壤pH值平均值均呈現(xiàn)出夏季低于冬季的趨勢(shì)。由于土壤pH值與土壤微生物活性、土壤肥力以及作物生長等密切相關(guān)，土壤微生物和植物根系呼吸產(chǎn)生CO2，植物根系生長及其代謝活動(dòng)過程中向根外分泌氨基酸、脂肪酸，以及有機(jī)質(zhì)礦化生成的簡單有機(jī)酸等均能降低土壤pH值，這與相關(guān)研究結(jié)論[25]統(tǒng)一。

本研究表明，不同林分密度和林分結(jié)構(gòu)林地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量均隨土層深度的增加呈下降趨勢(shì)，這與許多研究對(duì)不同類型森林土壤養(yǎng)分狀況的影響結(jié)果[24，26]一致。森林土壤養(yǎng)分狀況反映了森林對(duì)土壤的影響結(jié)果，又是衡量土壤肥力質(zhì)量的主要因素，它的主要養(yǎng)分來源一方面是土壤本身經(jīng)微生物分解、礦化得到，另一方面便是林地表面植物凋落物及樹木、草本植物等的根系[27]。一般植物的根系主要分布于土壤表層，而林地植物的凋落物也主要集中在土壤表層，這些枯枝落葉可以釋放大量的養(yǎng)分元素，導(dǎo)致土壤表層有機(jī)質(zhì)積累量較多，隨著土層深度的增加，植物根系分布減少，有機(jī)質(zhì)來源減少，故而呈現(xiàn)出大多數(shù)土壤養(yǎng)分含量隨土層深度的增加而遞減的趨勢(shì)[20]。3種林分密度中，表層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量均為 3 m×8 m最低，主要原因可能是其密度過小，地表覆蓋物較少，缺少養(yǎng)分來源，因此在營造人工林時(shí)要考慮控制密度因素，提高生物多樣性，增加養(yǎng)分來源?；旖涣至值赝寥烙袡C(jī)質(zhì)與全氮含量要高于純林，且表層土壤含量差異顯著。但隨著土層深度的加深，改變林分密度或采用林分混交時(shí)其含量差異不顯著。土壤有效養(yǎng)分含量與土壤母質(zhì)類型、所處的氣候環(huán)境以及植被類型等多種因素關(guān)系密切。研究發(fā)現(xiàn)，不同林分密度和林分結(jié)構(gòu)中土壤有效養(yǎng)分氮、磷、鉀含量均隨土層深度的增加而降低，這是因?yàn)樯蠈油寥乐泻写罅坑袡C(jī)質(zhì)，氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素來源豐富的緣故。3種林分密度林地表層土壤速效氮和速效鉀含量呈現(xiàn)出了相似的規(guī)律性，5 m×5 m均高于3 m×8 m 與6 m×6 m，且5 m×5 m與3 m×8 m 之間差異顯著。土壤速效磷冬季含量上、中層土層中表現(xiàn)出3 m×8 m>5 m×5 m，且差異顯著，夏季及其他土層差異不顯著。不同林分混交中，有效養(yǎng)分氮、磷、鉀含量均表現(xiàn)為混交林大于純林，且速效氮與速效鉀含量均差異顯著。

4 結(jié)論

綜上所述，不同林分密度和林分結(jié)構(gòu)對(duì)土壤理化性質(zhì)影響有差異，3種林分密度林地土壤容重均從表層向下增加，孔隙度相應(yīng)減小，土壤pH值差異不顯著，土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、有效養(yǎng)分氮磷鉀含量均隨土層的增加而降低，表層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量在林分密度3 m×8 m與6 m×6 m、5 m×5 m之間差異顯著，表層土壤速效氮和速效鉀含量在林分密度5 m×5 m 與3 m×8 m之間差異顯著，不同林分密度的速效磷含量僅冬季在0～10 cm、10～20 cm土層中3 m×8 m>5 m×5 m，且差異顯著。從養(yǎng)分的角度出發(fā)，營造人工林需要控制栽植密度，從而使土壤達(dá)到良好的養(yǎng)分供應(yīng)能力。不同林分混交林地土壤在理化性質(zhì)上混交林優(yōu)于純林，這是由于混交林克服了樹種單一的缺點(diǎn)，增加了林地生態(tài)系統(tǒng)多樣性，有更多的枯枝落葉歸還到土壤中作為養(yǎng)分來源，從而改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，利于林木生長。