天然次生林轉(zhuǎn)變成長白落葉松人工林后土壤養(yǎng)分的變化1)

吳慧 王樹力

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

土壤供給植物生長發(fā)育所必須的養(yǎng)分，植物通過與土壤間的養(yǎng)分循環(huán)恢復(fù)或維持土壤的養(yǎng)分條件[1-2]。森林類型間營養(yǎng)循環(huán)特點的差異，導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)間養(yǎng)分元素的分配形式不同，從而影響著植物對土壤養(yǎng)分的反饋方向[3]。若植物與土壤間的養(yǎng)分動態(tài)失衡，養(yǎng)分長期向同一方向傾斜，將會對土壤養(yǎng)分造成積極或消極的影響。碳(C)、氮(N)、磷(P)是土壤的主要養(yǎng)分元素，它們的含量被作為判斷土壤質(zhì)量及林地生產(chǎn)力的重要指標(biāo)。土壤水解N、有效P是能被植物直接吸收利用的養(yǎng)分，而N、P元素又是常見的限制性元素[4]。了解森林類型改變后土壤養(yǎng)分的變化，可有的放矢經(jīng)營現(xiàn)有森林，為高質(zhì)量森林的恢復(fù)與培育提供重要依據(jù)。

長白落葉松是東北地區(qū)重要的鄉(xiāng)土樹種，也是人工造林效果非常優(yōu)良的樹種[5]。在天然次生林采伐后的森林恢復(fù)過程中，長白落葉松一直起著非常重要的作用，是人工林面積比例排名靠前的樹種[6]。有研究表明，人工純林樹種單一、對病蟲害抵御能力低[7]、土壤極化[8]、地力容易衰退[9]；針闊混交林無論在系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面，還是在理化性質(zhì)方面，都優(yōu)于針葉純林[10]。近年來，有關(guān)長白落葉松人工林土壤營養(yǎng)的全量養(yǎng)分、有效養(yǎng)分及影響因素方面的研究，也得到了全面進(jìn)展[11-13]。本文以東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實驗林場尖砬溝森林培育實驗站原有天然次生林以及1987年營造的長白落葉松(Larixolgensis)純林、長白落葉松水曲柳(Fraxinusmandshurica)混交林、長白落葉松胡桃楸(Juglansmandshurica)混交林為研究對象，分析天然次生林轉(zhuǎn)化為人工林后土壤養(yǎng)分的變化情況，比較長白落葉松純林與其混交林間土壤有機C、全N、全P、水解N、有效P的差異，探索天然次生林轉(zhuǎn)變?yōu)殚L白落葉松人工林后土壤養(yǎng)分的變化特征，可為區(qū)域森林的恢復(fù)和長白落葉松人工林的科學(xué)經(jīng)營提供進(jìn)一步的參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省尚志市西側(cè)東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實驗林場尖砬溝森林培育實驗站(127°26′～127°39′E，45°23′～45°26′N)，屬長白山系張廣才嶺西坡小嶺余脈，為松嫩平原向張廣才嶺過渡的低山丘陵區(qū)[14]。年均氣溫2.8 ℃，≥10°積溫2 000～2 500 ℃；無霜期120～140 d，年均降水量723 mm；地帶性土壤為暗棕壤。主要喬木有水曲柳(Fraxinusmandshurica)、長白落葉松(Larixolgensis)、紅皮云杉(Piceakoraiensis)、紅松(Pinuskoraiensis)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、黃檗(Phellodendronamurense)、榆樹(Ulmuspumila)、白樺(Betulaplatyphylla)、楊樹(Populus)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在研究區(qū)內(nèi)選取天然次生林樣地及天然次生林帶狀皆伐后營造的31年生的長白落葉松純林樣地、長白落葉松水曲柳混交林樣地、長白落葉松胡桃楸混交林樣地(見表1)。天然次生林樹種，現(xiàn)有組成為2水曲柳2胡核楸2春榆1蒙古櫟1紫椴1白樺+1楓樺。長白落葉松混交林均為帶狀混交，混交行數(shù)比為5∶3，林分位置相近，立地條件基本一致[14]。

表1 樣地林分狀況

2.2 樣品采集及指標(biāo)測定

2017年8月，在選取的4種林分中分別設(shè)置3條20 m長的樣帶。各樣帶內(nèi)以“S”形選取5個點，取土層(h)0

土壤有機C，采用碳氮分析儀(Elementar，Vario EL cube，Germany)測定；土壤全N，采用德國布朗盧比公司的連續(xù)流動分析儀測定；土壤全P，采用硫酸-高氯酸消化-鉬銻抗比色法測定；土壤水解N，采用堿解擴(kuò)散法測定；土壤有效P，采用HCl-H2SO4浸提法測定[15]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2007和SPSS19.0進(jìn)行整理分析實驗數(shù)據(jù)。對各樣帶內(nèi)土壤樣品的有機C、全N、全P、水解N、有效P質(zhì)量分?jǐn)?shù)及有效養(yǎng)分與全量養(yǎng)分的比率，進(jìn)行單因素及雙因素方差分析，并做最小顯著性差異法(a=0.05)多重比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 林地土壤養(yǎng)分的影響因素

影響林地土壤養(yǎng)分有機C、全N、水解N的主要因素均為林型，其次為土層，林型與土層交互作用的影響最?。挥绊懥值赝寥鲤B(yǎng)分全P、有效P的主要因素均為土層，其次為林型，林型與土層交互作用的影響最小(見表2)。

表2 各因素對土壤養(yǎng)分影響的方差分析

注：表中“林型×土層”表示土層與林型的交互作用。

3.2 長白落葉松人工林與天然次生林間土壤養(yǎng)分的差異

在土層深度(h)0

在土層深度(h)10 cm

在土層深度(h)20 cm

表3 長白落葉松人工林與天然次生林0～30 cm土層土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

注：LP為長白山落葉松純林；LFM為長白落葉松水曲柳混交林；LJM為長白落葉松胡桃楸混交林；NF為天然次生林；同列不同小寫字母表示同一土層不同林型間差異顯著(P<0.05)，同列不同大寫字母表示同一林型不同土層間差異顯著(P<0.05)。

王彥梅等[16]研究認(rèn)為，天然次生林轉(zhuǎn)化為人工林后，土壤表層有機C、全N均降低。黃清麟等[17]研究發(fā)現(xiàn)，人工杉木林土壤有機質(zhì)、全N、全P均低于天然闊葉林。天然次生林凋落物量大、養(yǎng)分歸還率高[18]、樹種多樣性遠(yuǎn)大于人工林[19]，為養(yǎng)分的良性循環(huán)提供了便利條件，使得天然次生林比人工林更易積累養(yǎng)分與保持養(yǎng)分，其土壤也具有較高的自我培肥能力[20]。長白落葉松為速生豐產(chǎn)型樹種，短時間內(nèi)會汲取大量土壤養(yǎng)分以滿足自身的生長需求。相對于天然次生林而言，長白落葉松凋落物量較少、分解速率緩慢[21]，導(dǎo)致土壤酸化[22]，抑制了土壤微生物的活動[23]，從而降低了土壤養(yǎng)分的輸入數(shù)量及速率[24]。土壤養(yǎng)分的輸入與輸出失調(diào)導(dǎo)致養(yǎng)分長期向林木傾斜，削弱了林分土壤的自肥能力，土壤養(yǎng)分的過度消耗造成地力衰退[25]。因此，本研究中長白落葉松人工林的土壤養(yǎng)分，基本低于天然次生林。

表4 長白落葉松人工林較天然次生林土壤養(yǎng)分降低率

注：LP為長白山落葉松純林；LFM為長白落葉松水曲柳混交林；LJM為長白落葉松胡桃楸混交林；*表示差異顯著(P<0.05)。

3.3 長白落葉松混交林與長白落葉松純林間土壤養(yǎng)分的差異

長白落葉松水曲柳混交林與長白落葉松純林相比：在土層深度(h)0

長白落葉松胡桃楸混交林與長白落葉松純林相比：在土層深度(h)0

表5 長白落葉松人工混交林比其純林土壤養(yǎng)分提高率

注：LFM為長白落葉松水曲柳混交林；LJM為長白落葉松胡桃楸混交林；*為差異顯著(P<0.05)。

以往大部分研究顯示，針闊混交林在土壤理化性質(zhì)方面都優(yōu)于針葉純林[10]。但由于長白落葉松為落葉針葉樹種，與其他常綠針葉樹種相比，不僅光照條件較好，而且養(yǎng)分歸還周期短，其混交林與純林間土壤營養(yǎng)保育能力大小差異尚值得商榷。一方面，本研究中，長白落葉松水曲柳混交林各個土層土壤有效P均顯著低于長白落葉松純林；長白落葉松胡桃楸混交林各個土層土壤全P均顯著低于長白落葉松純林；長白落葉松水曲柳混交林各個土層土壤有效P與全P的比率(0

3.4 長白落葉松水曲柳混交林與長白落葉松胡桃楸混交林間土壤養(yǎng)分的差異

各層土壤的有機C、全N、全P、水解N，多表現(xiàn)為長白落葉松水曲柳混交林高于長白落葉松胡桃楸混交林(見表3、表5)，且長白落葉松水曲柳混交林各層土壤水解N與全N的比率(0

4 結(jié)論

天然次生林轉(zhuǎn)變成長白落葉松人工林后，各層土壤的有機C、全N、水解N，0

長白落葉松水曲柳混交林各層土壤的有機C、全N、水解N及N元素活化能力，長白落葉松胡桃楸混交林各層土壤的有效P及P元素活化能力，均高于長白落葉松純林。但長白落葉松水曲柳混交林有效P的供給能力及P元素的活化能力，低于長白落葉松純林；長白落葉松胡桃楸混交林的土壤全P低于長白落葉松純林。

與長白落葉松胡桃楸混交林相比，長白落葉松水曲柳混交林更能有效緩解土壤多數(shù)營養(yǎng)元素的衰減，其各層土壤的有機C、水解N的供給能力及N元素的活化能力更強，但其各層土壤有效P的供給能力及P元素的活化能力較差。從土壤營養(yǎng)保育角度決策，長白落葉松混交樹種可優(yōu)先選擇水曲柳；培育長白落葉松水曲柳混交林時，應(yīng)注意有效P肥的及時施用。