太岳山油松人工林土壤質(zhì)量隨林齡的演變特征

梁 洋，邵 森，馬冰倩

（1.山西省太岳山國(guó)有林管理局，山西 沁源 046501；2.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，北京100083）

土壤環(huán)境是森林生態(tài)系統(tǒng)功能持續(xù)發(fā)揮的重要物質(zhì)支撐，不僅為森林中的生物提供了必要的生存場(chǎng)所，而且也為地表植被的生長(zhǎng)供應(yīng)著各種必需養(yǎng)分［1］。近年來(lái)，以土壤載體為研究主題的地下生態(tài)學(xué)過(guò)程已成為森林生態(tài)學(xué)領(lǐng)域重要的探索方向之一。由于土壤內(nèi)部各生物及非生物過(guò)程的復(fù)雜性，土壤微生境高度的時(shí)空異質(zhì)性，森林生態(tài)學(xué)領(lǐng)域急需探索一種超越單一指標(biāo)的綜合屬性，來(lái)全面評(píng)價(jià)土壤環(huán)境變化對(duì)地下生態(tài)學(xué)過(guò)程的影響。森林生物的生長(zhǎng)既需要土壤中的無(wú)機(jī)養(yǎng)分，也需要適宜的土壤溫度、土壤氣液相物質(zhì)組成比例等等，所有這些因子都與森林的土壤質(zhì)量密切相關(guān)。土壤質(zhì)量是土壤各理化因子和生物學(xué)因子的綜合體現(xiàn)，對(duì)森林群落未來(lái)的演變進(jìn)程具有重要的調(diào)控作用。以土壤質(zhì)量變化特征為切入點(diǎn)，深入分析森林群落結(jié)構(gòu)與土壤質(zhì)量間的互作規(guī)律，對(duì)預(yù)測(cè)中國(guó)人工林未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)具有十分重要的理論意義。土壤質(zhì)量是土壤在自然生態(tài)系統(tǒng)邊界內(nèi)維持動(dòng)植物生產(chǎn)力以及水、空氣質(zhì)量和支撐人類適宜居住環(huán)境的能力［2］，是土壤物理、化學(xué)及生物學(xué)性狀的集中表現(xiàn)［3-4］。前人對(duì)森林土壤的研究多集中在土壤理化性狀、養(yǎng)分狀況和土壤微生物等。近年來(lái)，研究者把重點(diǎn)轉(zhuǎn)向土壤綜合質(zhì)量狀況［5-10］。油松Pinus tabuliformis林是中國(guó)西北地區(qū)的地帶性植被，主要分布在暖溫帶的干旱和半干旱氣候區(qū)［11］，也是山西太岳山區(qū)域的主要森林類型之一。長(zhǎng)期以來(lái)，因山區(qū)群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、種植密度過(guò)高以及后期經(jīng)營(yíng)管理措施不當(dāng)，導(dǎo)致油松人工林的營(yíng)養(yǎng)功能及生態(tài)服務(wù)功能都呈現(xiàn)衰退的跡象。同時(shí)，油松人工林的退化可能與林齡有關(guān)，因?yàn)樵搮^(qū)域的油松人工林林齡不一，在不同的生長(zhǎng)階段，土壤質(zhì)量又呈現(xiàn)出何種狀態(tài)，對(duì)油松人工林功能持續(xù)是促進(jìn)還是制約依然未知。因此，本研究基于不同發(fā)育階段（40，60和80年生）的油松人工林為研究對(duì)象，分析土壤質(zhì)量隨森林群落的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律，以期為森林的經(jīng)營(yíng)、發(fā)展以及土壤資源的可持續(xù)利用提供有價(jià)值的借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于國(guó)家林業(yè)局山西太岳山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，地處山西省長(zhǎng)治市沁源縣郭道鎮(zhèn)（36°18′～37°05′N,111°45′～112°33′E， 海拔 1 150～2 088 m）， 同時(shí)也是靈空山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)。該研究區(qū)為溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為8.6℃，1月均溫為-10.5℃，7月均溫為17.3℃。該區(qū)年均降水量為665.0 mm，主要集中在7-9月，無(wú)霜期約100.0～150.0 d。研究區(qū)海拔約1 280～1 810 m，西半部區(qū)域地勢(shì)陡峭，東半部較為緩和。土壤類型主要為棕壤、褐壤等。山體基巖則以花崗巖、石灰?guī)r、頁(yè)巖和沙頁(yè)巖為主。

該區(qū)域植被豐富，主要林分類型有油松林、華北落葉松Larix principis-rupprechti純林、華北落葉松-油松混交林、油松-遼東櫟Quercus liaotungensis混交林等。油松是林區(qū)內(nèi)主要的建群樹(shù)種，其他樹(shù)種有華北落葉松、遼東櫟、山楊Populus davidiana和白樺Betula platyphylla等樹(shù)種。灌木層植物種類主要有華北繡線菊Spiraea fritschiana，毛榛Corylus mandshurica和胡枝子Lespedeza bicolor，黃刺玫Rosa xanthina，忍冬Lonicera japonica等；草本種類主要有薹草Carex，莎草Cyperus rotundus，薯蕷Dioscorea opposita，活血丹Glechoma longituba，蛇梅Duchesnea indica等。

1.2 樣地設(shè)置與調(diào)查

2017年7月，在林區(qū)內(nèi)選取林齡為40年生（P40），60年生（P60）和80年生（P80）的油松人工林，這3種林地的前身都是天然油松林群落，在20世紀(jì)皆伐后補(bǔ)種油松幼苗后發(fā)育而成。各種林分面積約為4 hm2，在各種林分類型中，選擇地勢(shì)平坦且立地條件相似的區(qū)域設(shè)置4塊20 m×20 m的固定樣地。調(diào)查林分的林齡、郁閉度、密度、胸徑等。樣地概況見(jiàn)表1。

表1 油松人工林的基本特征Table 1 Characteristics of Pinus tabulaeformis plantations

1.3 土樣采集

于2017年8月，在12塊樣地里各按照 “S”型，選取5個(gè)點(diǎn)采集土樣，用于土壤物理、化學(xué)及生物學(xué)性狀的測(cè)定。

1.3.1 土壤物理性質(zhì)的測(cè)定 在每個(gè)樣方中用環(huán)刀選取5個(gè)點(diǎn)采集土壤樣本，采樣土層深度為0～10，10～20，20～30 cm的土層，共有20個(gè)土樣。將土樣去除雜質(zhì)，然后自然風(fēng)干，進(jìn)而過(guò)篩備用。土壤含水量用烘干法測(cè)定；土壤容重用環(huán)刀法測(cè)定。

1.3.2 土壤化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定 在各個(gè)固定樣方中使用內(nèi)徑8 cm，筒長(zhǎng)40 cm的根鉆，各個(gè)點(diǎn)按照0～10，10～20，20～30 cm不同土壤深度分次取樣，各種林分類型共60個(gè)土樣，放入寫(xiě)好編號(hào)的自封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理分析。首先剔除土壤中的雜質(zhì)，然后進(jìn)行碾碎過(guò)篩，篩孔為1 mm。稱取100 g土樣進(jìn)行風(fēng)干處理，時(shí)間為1周。風(fēng)干后土樣先用研缽研磨，再通過(guò)孔徑為0.149 mm的土篩子進(jìn)行過(guò)篩，干燥保存。土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定；土壤全氮用凱氏定氮-消煮法測(cè)定；土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮分別用靛酚藍(lán)比色法和酚二磺酸比色法測(cè)定（1 mol·L-1氯化鉀溶液浸提）；土壤速效磷用鉬銻抗比色法測(cè)定（碳酸氫鈉溶液浸提）；土壤速效鉀用火焰光度法測(cè)定（乙酸銨溶液浸提）。

1.3.3 土壤微生物性質(zhì)的測(cè)定 在各個(gè)固定樣方中按照 “S”型選取5個(gè)點(diǎn)采集土樣，各個(gè)樣點(diǎn)按照0～10，10～20，20～30 cm不同土壤深度分層取樣，共60個(gè)土樣。剔除土壤中的雜質(zhì)，然后進(jìn)行碾碎過(guò)篩，置于4℃冰箱中保存?zhèn)溆?。土壤微生物生物量碳和生物量氮采用氯仿熏蒸提?滴定法測(cè)定。

1.4 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

選取的測(cè)定指標(biāo)有土壤容重、含水率、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷以及土壤微生物量碳和土壤微生物量氮。

由于土壤因子測(cè)定值的變化具有不確定性和連續(xù)性，因此利用隸屬度函數(shù)的相同屬性來(lái)對(duì)各土壤肥力指標(biāo)測(cè)定值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。運(yùn)用主成分分析得到的因子載荷量的值具有正負(fù)性，以此來(lái)判斷所使用的隸屬度函數(shù)， 其中式（1）為降型函數(shù)， 式（2）為升型函數(shù)［12］：

式（1）和式（2）中：ximin和ximax分別代表測(cè)定土壤肥力數(shù)據(jù)的最小值和最大值；xij為土壤肥力測(cè)定值。

因?yàn)橥恋乩妙愋?、研究目的等的不同，所選擇的土壤質(zhì)量指標(biāo)具有不同的重要程度，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中一般用權(quán)重系數(shù)來(lái)反映相應(yīng)指標(biāo)的影響程度。在本實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用主成分分析得到各肥力因子的載荷量和方差貢獻(xiàn)率，然后得到各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)：

在確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)因子隸屬度和權(quán)重之后，運(yùn)用加權(quán)方法來(lái)建立土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型［13］：

其中：Ci為第i項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)的因子載荷；Q為土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；Wi為權(quán)重向量；F（xi）為隸屬度值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理和圖形建立采用SPSS 19.0和Excel 2010進(jìn)行，運(yùn)用單因素方差分析（ANOVA）和最小顯著差法（LSD）檢驗(yàn)不同林分同一土層和同一林分不同土層土壤因子間的差異顯著性（α＝0.05）。運(yùn)用雙變量相關(guān)分析得出不同林分的土壤質(zhì)量指標(biāo)間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡油松人工林的土壤物理性狀

油松林土壤的物理學(xué)特性顯著受到林齡的影響（圖1），60年生和80年生的油松人工林土壤含水率均顯著高于40年生的油松人工林，60年生和80年生油松人工林的土壤容重差異不明顯，但均顯著小于40年生的油松人工林（P＜0.05）?？梢?jiàn)隨著油松人工林的林齡增加，土壤含水率呈增加趨勢(shì)，而土壤緊實(shí)度呈下降趨勢(shì)，土壤物理狀況得到了改善。

2.2 不同林齡油松人工林的土壤化學(xué)性狀

0～10 cm土層中的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著林分林齡的增加顯著增大（P＜0.05）；10～20 cm土層中全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)也存在這種趨勢(shì)。0～10 cm土層的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著林齡的增加逐漸增大，且60年生和80年生的油松人工林土壤與40年生油松人工林土壤差異顯著（P＜0.05），10～30 cm土層的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)明顯的變化規(guī)律（表2）。

與40年生油松人工林土壤相比，60年生和80年生油松人工林土壤的0～10，10～20和20～30 cm土層的銨態(tài)氮分別增加77.78%和20.16%，82.20%和5.50%，38.53%和25.97%，硝態(tài)氮也呈類似的變化規(guī)律。

0～10 cm土層中的速效鉀和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著林齡的增加顯著增大（P＜0.05）；10～20 cm土層中的有效磷在3種林分間無(wú)明顯差異；20～30 cm土層中的速效鉀和有效磷則隨著林齡的增加逐漸顯著增大（P＜0.05）（表 2）。

圖1 不同林齡油松人工林土壤物理性質(zhì)Figure 1 Soil physical properties of Pinus tabulaeformis plantations with different ages

2.3 土壤微生物隨林齡的變化特征

隨著油松人工林林齡的增加，土壤微生物量碳（MBC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)有增大的趨勢(shì)。在0～10 cm土層，土壤微生物量碳無(wú)顯著差異；在10～20 cm土層，80年生油松人工林的土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為231.49 mg·kg-1，顯著大于60年生和80年生油松人工林（P＜0.05）。在20～30 cm土層，80年生油松人工林的土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于40年生和60年生油松人工林（P＜0.05）。土壤微生物量氮（MBN）質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨著林齡的增加逐漸提高。在0～10 cm土層，80年生油松人工林的土壤微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55.17 mg·kg-1，顯著高于40年生和60年生油松人工林（P＜0.05）；在10～20 cm土層中，80年生油松人工林的土壤微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.08 mg·kg-1，顯著高于40年生和60年生油松人工林（P＜0.05）；在20～30 cm土層中，80年生油松人工林的土壤微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于40年生和60年生的油松人工林。隨著土層深度的增加，油松人工林土壤微生物量碳和土壤微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少（圖2）。

2.4 油松人工林土壤性狀間的相關(guān)性分析

3種林分類型的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)性分析結(jié)果顯示（表3）：各指標(biāo)基本符合正態(tài)分布特征，其中土壤硝態(tài)氮僅與銨態(tài)氮呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他指標(biāo)無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系；全氮、有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀和微生物量碳、微生物量氮相互之間均呈顯著或極顯著正相關(guān)。

圖2 不同林齡不同土層下油松人工林土壤微生物量碳、微生物量氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 2 Contents of microbial biomass carbon and nitrogen in the soil under Pinus tabulaeformis plantation with different ages and different soil layers

表3 不同土壤養(yǎng)分指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient between different soil nutrients

2.5 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)體系

2.5.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度值及權(quán)重的確定 通過(guò)對(duì)各測(cè)定指標(biāo)的主成分分析，產(chǎn)生各林齡油松人工林的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值。在由各項(xiàng)數(shù)據(jù)所綜合代表的土壤質(zhì)量中，前4個(gè)組分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)85.67%，符合主成分分析累計(jì)貢獻(xiàn)率≥80%的條件［14］。依據(jù)因子負(fù)荷矩陣得出，主成分F1主要由全氮（x1）， 有機(jī)質(zhì)（x2），微生物量碳（x3），微生物量氮（x4），含水率（x5）構(gòu)成； 主成分F2軸由速效鉀（x6）和速效磷（x7）組成； 主成分F3由銨態(tài)氮（x8）和硝態(tài)氮（x9）組成； 主成分F4主要由容重（x10）構(gòu)成（表 4）。

2.5.2 不同林齡油松人工林的土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià) 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果表明：40年生、60年生和80年生油松人工林的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)分別為0.363，0.500和0.568（圖3A），即80年生油松人工林土壤質(zhì)量綜合指數(shù)最大，60年生油松人工林次之，40年生油松林最低。由此可見(jiàn)，隨著林齡增大，油松人工林土壤培肥作用增強(qiáng)，土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)也逐漸提升，不同林分同一土層的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)也遵循上述的變化規(guī)律（圖3B）。

3 討論

3.1 不同林齡油松人工林土壤性狀特征

隨著林分的不斷發(fā)展以及林齡的增加，土壤的物理性狀得到了改善。土壤容重與林齡之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系［15］。越成熟的林分郁閉度越小，而且本研究的3塊研究樣地坡度較緩，處于山地較為深入的位置，人為干擾較少，使得土壤容重隨林齡的增加逐漸降低。趙偉紅等［15］在對(duì)遼河源自然保護(hù)區(qū)不同林齡油松天然次生林的土壤含水率測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)：在土壤表層，隨著林齡的增加，土壤容重逐漸降低。土壤容重與土壤環(huán)境的通透程度有關(guān)，進(jìn)而影響降水在土壤中的滲透和保水程度［16］。本研究土壤含水率和林齡呈正相關(guān)關(guān)系，與趙偉紅等［15］的研究結(jié)果一致。主要原因是林齡較高的油松人工林的林分密度低，蒸騰作用散失的水分較少，因而含水量較高。此外，土壤容重的逐漸降低，使得土壤更加疏松，水分傳輸和通氣效果更加顯著，增加了土壤含水量［16］。

表4 不同因子載荷、權(quán)重、特征根和方差貢獻(xiàn)率Table 4 Factor load,weight,characteristic root and variance contribution rate

圖3 不同林齡油松人工林的土壤質(zhì)量綜合指數(shù)Figure 3 Composite indexof soil quality of Pinus tabulaeformis plantation with different ages

本研究中表層土壤各養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著林齡的增加而顯著增大。這是由于隨著林分林齡的增長(zhǎng)，林分密度逐漸降低以及凋落物逐年累積，更多的光照使得林下凋落物分解速度加快，土壤微生物的活力增強(qiáng)［5,17］，地表向地下有機(jī)物的輸入量也逐漸增加，且最接近地表的土層養(yǎng)分差異最為顯著［18］。凋落物對(duì)土壤養(yǎng)分的影響也體現(xiàn)在馬尾松Pinus massoniana的林分中。葛曉改等［19］研究顯示：馬尾松林土壤養(yǎng)分受基質(zhì)質(zhì)量、凋落物產(chǎn)量、養(yǎng)分年歸還量、養(yǎng)分周轉(zhuǎn)率等因素影響，土壤表面養(yǎng)分含量與凋落物基質(zhì)質(zhì)量的變化規(guī)律一致。同時(shí)，土壤團(tuán)聚體的粒徑在一定程度上影響了土壤養(yǎng)分的含量。孫嬌等［20］在對(duì)陜北黃土丘陵區(qū)不同林齡刺槐Robinia pseudoacacia林的土壤養(yǎng)分調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)：0.25～2.00 mm粒徑的土壤團(tuán)聚體提高了土壤全效養(yǎng)分的保持能力。此外，由于凋落物和根系聚集于地表附近［16］，伴隨養(yǎng)分的逐漸流失，各個(gè)林齡油松人工林的土壤養(yǎng)分隨著土層深度的增加而顯著減少。

隨著林齡的增加，土壤微生物量氮、微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈上升趨勢(shì)。微生物量大小和活性均與土壤養(yǎng)分含量密切相關(guān)，地表的凋落物可以給微生物提供豐富的能源物質(zhì)，對(duì)微生物量的變化至關(guān)重要［21］。有研究顯示：有機(jī)質(zhì)是影響土壤微生物量的重要因素，有機(jī)質(zhì)能夠?yàn)槲⑸镌谶M(jìn)行自身合成與代謝過(guò)程中提供足夠的碳、氮物質(zhì)來(lái)源以及能量來(lái)源［22］。部分實(shí)驗(yàn)證實(shí)：微生物量碳和微生物量氮與土壤養(yǎng)分存在正相關(guān)關(guān)系［22-23］。本研究也體現(xiàn)出了這樣的變化規(guī)律。同時(shí)也有相反的觀點(diǎn)，土壤微生物量和土壤養(yǎng)分之間并無(wú)相關(guān)關(guān)系，微生物量還受到生長(zhǎng)環(huán)境、凋落物數(shù)量和種類的影響［24-25］。

3.2 土壤養(yǎng)分與土壤微生物量間的相關(guān)關(guān)系

本研究所選取的各項(xiàng)指標(biāo)皆具有突出的代表性與易測(cè)性，且各指標(biāo)間相互作用顯著，能明確地反映土壤質(zhì)量的綜合情況，所以將所有評(píng)價(jià)指標(biāo)列入考慮范疇。從結(jié)果來(lái)看，微生物量碳、微生物量氮和除硝態(tài)氮之外的所有評(píng)價(jià)指標(biāo)呈顯著相關(guān)性，這說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)所選取的微生物量碳、微生物量氮2種生物因子能夠真實(shí)反映研究區(qū)土壤的生物學(xué)特性，并且和土壤的肥效以及土壤質(zhì)量有密切的聯(lián)系［26］。

3.3 不同林齡油松人工林土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

在本研究中，林齡的增加可提高油松人工林土壤質(zhì)量。依據(jù)土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)法對(duì)山西太岳山不同林齡的油松人工林土壤環(huán)境的狀況進(jìn)行分析，量化評(píng)價(jià)了不同林齡的林分土壤質(zhì)量。隨著油松人工林林齡的不斷增加，逐年累積的地表凋落物量逐漸加大，在一定程度上提升了土壤養(yǎng)分含量［17］。80年生油松人工林與40年生油松人工林相比，林內(nèi)環(huán)境逐步完善，促進(jìn)了頂極群落的形成，與此同時(shí)，地上植被的發(fā)展使得土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀不斷改善，因此土壤質(zhì)量得到提升［27-28］。本研究可以在一定程度上促進(jìn)太岳林區(qū)的土壤研究，為林分的發(fā)展提供更多的參考意見(jiàn)。總之，林分更替演變過(guò)程是一個(gè)發(fā)展變化的過(guò)程，在林分經(jīng)營(yíng)的過(guò)程中，依據(jù)其基本狀況因地制宜地增加林分年限，采取撫育措施促進(jìn)林分發(fā)展，改良土壤質(zhì)量狀況，最終促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)功能的完善。