蠻漢山典型森林植被土壤理化性質(zhì)特征研究

李銀祥，季 蒙,3，曹恭祥,3，邢鈺坤，楊躍文，王志波，趙志俊，火鳳翎，趙冬苑，白高娃

(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 2. 內(nèi)蒙古鄂爾多斯森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016100； 3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)沙地(沙漠)生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 4. 涼城縣林業(yè)和草原局，內(nèi)蒙古 涼城 013750)

森林土壤是植被生存的主要環(huán)境因子，為林木正常生長(zhǎng)提供養(yǎng)分補(bǔ)給[1-2]，森林土壤的物理特性和養(yǎng)分含量更是評(píng)價(jià)森林穩(wěn)定性和林分健康狀況的重要指標(biāo)[3]。目前，針對(duì)不同地區(qū)不同樹種森林土壤理化性質(zhì)已有較多研究[4]，多數(shù)認(rèn)為，森林物種組成和結(jié)構(gòu)特征通過直接影響凋落物量和養(yǎng)分釋放速率，從而影響土壤理化性狀，是土壤物理特性和養(yǎng)分含量的重要影響因素[5-8]，而相同樹種在不同地區(qū)對(duì)土壤理化性質(zhì)影響存在較大差異，因此，想要認(rèn)識(shí)區(qū)域森林土壤對(duì)植被的響應(yīng)及其演化規(guī)律，就需要針對(duì)不同地區(qū)開展森林土壤特性研究。

涼城縣蠻漢山是內(nèi)蒙古中部地區(qū)重要的天然生態(tài)屏障，該地區(qū)森林植被具有涵養(yǎng)水源、保育土壤、改善大氣環(huán)境和減少水土流失等多種生態(tài)功能。目前已有關(guān)于蠻漢山森林狀況的相關(guān)研究，如郭艷榮等[9]對(duì)蠻漢山油松人工林健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，認(rèn)為油松人工林處于亞健康狀態(tài)。呂竟斌等[10]研究了間伐撫育對(duì)蠻漢山油松林、華北落葉松林土壤理化性質(zhì)及微生物影響，認(rèn)為間伐撫育有利于提高林地有機(jī)質(zhì)含量和促進(jìn)細(xì)菌生長(zhǎng)。楊美靈[11]、張秋良等[12]、莫日根[13]也在蠻漢山進(jìn)行了林分生長(zhǎng)規(guī)律、林分撫育、服務(wù)功能評(píng)估等相關(guān)研究，已有研究對(duì)蠻漢山森林現(xiàn)狀認(rèn)識(shí)起到了一定作用。然而，現(xiàn)有研究中仍缺乏對(duì)蠻漢山典型森林植被林地土壤性狀和養(yǎng)分含量的相關(guān)研究，在對(duì)蠻漢山森林狀況進(jìn)行綜合分析時(shí)，限制了對(duì)其生態(tài)服務(wù)功能和森林健康狀況的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。本研究以涼城縣蠻漢山林場(chǎng)典型森林植被為研究對(duì)象，利用環(huán)刀法和室內(nèi)測(cè)試分析對(duì)典型森林林地土壤物理特性和養(yǎng)分含量進(jìn)行比較分析，旨在對(duì)比不同森林結(jié)構(gòu)林分土壤理化特性差異，以期了解蠻漢山典型森林植被對(duì)土壤特性的影響作用，為涼城及周邊地區(qū)森林植被認(rèn)識(shí)、評(píng)估，以及植被恢復(fù)和生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為陰山山脈南段涼城縣蠻漢山林場(chǎng)，位于40°10′—40°50′N ，112°02′—113°02′E之間，平均海拔1 500 m。研究區(qū)地處中溫帶大陸性氣候區(qū)，屬于典型的大陸性半干旱季風(fēng)氣候，寒暑劇烈，降雨少，蒸發(fā)量大，晝夜溫差大。年均氣溫 5.9 ℃，最高氣溫 39.3 ℃，最低氣溫 -34.0 ℃?！?0 ℃的年有效積溫2 430 ℃，年均日照時(shí)數(shù)為3 026 h，無霜期80～125 d。年均降水量 4 11.4 mm，6—9月的降雨占全年降水量的 75%，4—5月的降水量占全年的 10%。年平均蒸發(fā)量2 100 mm，年平均濕度 37%，年平均風(fēng)速 2.6 m·s-1。土壤為酸性巖砂壤質(zhì)中厚淋溶灰褐土。植被為典型森林灌叢植被，天然林主要有白樺(Betulaplatyphylla)和山楊(Populusdavidiana)，人工林主要有華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)和樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)，天然灌木主要有虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、繡線菊(Spiraeasalicifolia)、山刺玫(Rosadavurica)等，草本有本氏針茅(Stipabungeana)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、胡枝子(Lespedezabicolor)、苔草(Carexspp.)、羊草(Leymuschinensis)等。

2 研究方法

2.1 觀測(cè)樣地設(shè)置

根據(jù)蠻漢山林場(chǎng)主要森林類型和空間分布特征，選擇5種典型森林植被，按照分布位置、樹種等設(shè)置樣地，喬木林樣地大小為30 m × 30 m，灌木林樣地大小為10 m × 10 m。調(diào)查樣地的海拔、坡度等立地因子，同時(shí)對(duì)觀測(cè)樣地進(jìn)行每木檢尺(調(diào)查株數(shù)、樹高、胸徑、冠幅、枝下高等)，樣地的基本特征見表1。

表1 主要森林類型樣地基本特征Tab.1 Basic characteristics of main forest type sample plot

2.2 研究方法

樣地土壤物理性質(zhì)測(cè)定：在觀測(cè)樣地內(nèi)布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)，挖掘土壤剖面，利用200 cm3環(huán)刀按0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土層取樣，利用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度。同時(shí)將根系主要分布層，分0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm采集300 g左右土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室陰干后過篩(1 mm孔隙)處理，待測(cè)化學(xué)性質(zhì)。有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法；速效氮采用堿解擴(kuò)散法；速效磷采用 0.5 mol·L-1NaHCO3法；速效鉀采用NH4OAc提取，火焰光度法測(cè)定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2010和SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤物理性質(zhì)特征

不同森林類型土壤容重變化表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。由表2可知，隨著土壤深度增加，土壤容重逐漸增大。不同森林類型土壤容重大小依次為樟子松林(1.43 g·cm-3)>山楊林(1.31 g·cm-3)>白樺林(1.28 g·cm-3)>華北落葉松林(1.24 g·cm-3)>虎榛子林(1.14 g·cm-3)，變化規(guī)律與樹種和林地起源無明顯相關(guān)性。不同森林類型土壤孔隙度變化規(guī)律基本一致，表現(xiàn)為毛管孔隙度和總孔隙度隨土層深度增加總體呈下降趨勢(shì)，非毛管孔隙度變化趨勢(shì)不明顯。毛管孔隙度大小依次為華北落葉松林(50.00%)>虎榛子林(49.83%)>白樺林(47.15%)>山楊林(46.80%)>樟子松林(43.32%)?？偪紫抖却笮∽兓c毛管孔隙度基本一致，大小依次為虎榛子林(55.42%)>華北落葉松林(53.41%)>白樺林(50.25%)>山楊林(49.75%)>樟子松林(45.94%)。通過比較不同森林類型土壤容重和孔隙度差異，可以看出，華北落葉松林和虎榛子林土壤物理性狀較好，其次是白樺和山楊林，樟子松林土壤性狀相對(duì)較差。

表2 不同林分結(jié)構(gòu)土壤物理性質(zhì)Tab.2 The physical properties of soil in different structure stand

3.2 土壤養(yǎng)分含量特征

3.2.1土壤酸堿性變化

由表3可知，不同樹種林地土壤pH值存在一定差異，其中樟子松林(pH值 8.03)、華北落葉松林(pH值 7.71)、山楊林(pH值 7.83)、虎榛子林(pH值 7.61)為微堿性土壤，白樺林(pH值 7.47)為中性土壤。各林地土壤pH值隨土層深度變化無明顯規(guī)律，且差異較小，土壤pH值變異系數(shù)大小依次為華北落葉松林(1.32%)>白樺林(1.08%)>山楊林(0.80%)>樟子松林(0.63%)>虎榛子林(0.40%)?？梢钥闯觯煌瑯浞N對(duì)土壤酸堿性影響作用較小，未造成明顯的酸化或堿化。其中，華北落葉松林對(duì)不同深度土壤pH值變化影響較大(CV：1.32%)，虎榛子林對(duì)不同深度土壤pH值影響較小(CV：0.40%)。

3.2.2土壤有機(jī)質(zhì)變化

由表3可知，不同樹種林地土壤有機(jī)質(zhì)變化呈明顯規(guī)律性，即表層土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，隨著土層深度增加，土壤有機(jī)質(zhì)逐漸減小。不同樹種林地之間土壤有機(jī)質(zhì)存在明顯差異，有機(jī)質(zhì)含量大小依次為虎榛子林(54.99 g·kg-1)>華北落葉松林(34.99g·kg-1)>山楊林(24.20 g·kg-1)>白樺林(24.02 g·kg-1)>樟子松林(8.01 g·kg-1)，表現(xiàn)為落葉樹種顯著大于常綠針葉樹種。通過對(duì)土壤物理性狀變化特征進(jìn)行分析，可以看出不同樹種土壤有機(jī)質(zhì)含量變化差異與林地土壤容重等物理性狀保持一致，說明土壤有機(jī)質(zhì)含量可有效改善林地狀況。其中山楊對(duì)不同土層有機(jī)質(zhì)含量影響較大(CV：44.25%)，華北落葉松對(duì)不同土層有機(jī)質(zhì)含量影響較小(CV：22.84%)。

3.2.3土壤全量養(yǎng)分變化

由表3可見，不同樹種林地土壤全量養(yǎng)分變化基本呈一定規(guī)律性，即隨著土層深度的增加，土壤全量養(yǎng)分逐漸減小。不同樹種林地之間土壤全量養(yǎng)分存在一定差異，全氮表現(xiàn)為虎榛子林(2.34 g·kg-1)>華北落葉松林(1.65 g·kg-1)>白樺林(1.03 g·kg-1)>山楊林(1.00 g·kg-1)>樟子松林(0.63 g·kg-1)；全磷表現(xiàn)為樟子松林(0.71 g·kg-1)>虎榛子林(0.63 g·kg-1)=華北落葉松林(0.63 g·kg-1)>山楊林(0.61 g·kg-1)>白樺林(0.54 g·kg-1)；全鉀表現(xiàn)為白樺林(27.57 g·kg-1)>山楊林(26.96 g·kg-1)>虎榛子林(26.22 g·kg-1)>華北落葉松林(26.21 g·kg-1)>樟子松林(26.08 g·kg-1)。其中全氮變化特征與有機(jī)質(zhì)含量變化基本一致，全磷、全鉀變化與有機(jī)質(zhì)變化無相關(guān)性，說明不同樹種林地對(duì)全氮影響較大，而對(duì)全磷、全鉀無明顯影響。

3.2.4土壤速效養(yǎng)分變化

由表3可見，不同樹種林地土壤速效養(yǎng)分變化呈明顯規(guī)律性，即表層土壤速效養(yǎng)分含量最高，隨著土層深度增加，土壤速效養(yǎng)分逐漸減小。不同樹種林地之間土壤速效養(yǎng)分存在一定差異，速效氮表現(xiàn)為虎榛子林(51.00 mg·kg-1)>華北落葉松林(43.73 mg·kg-1)>山楊林(39.23 mg·kg-1)>樟子松林(38.97 mg·kg-1)>白樺林(38.60 mg·kg-1)；速效磷表現(xiàn)為虎榛子林(5.85 mg·kg-1)>華北落葉松林(3.85 mg·kg-1)>白樺林(2.80 mg·kg-1)>山楊林(2.73 mg·kg-1)>樟子松林(1.33 mg·kg-1)；速效鉀表現(xiàn)為虎榛子林(264.33 mg·kg-1)>山楊林(210.23 mg·kg-1)>白樺林(160.03 mg·kg-1)>華北落葉松林(136.27 mg·kg-1)>樟子松林(70.37 mg·kg-1)。其中速效氮、速效磷變化與有機(jī)質(zhì)變化基本一致，速效鉀變化與有機(jī)質(zhì)變化無相關(guān)性，說明不同樹種林地對(duì)速效氮、速效磷影響較大。

表3 不同林分結(jié)構(gòu)林地土壤化學(xué)性質(zhì)Tab.3 The chemical properties of soil in different structure stand

表3 不同林分結(jié)構(gòu)林地土壤化學(xué)性質(zhì)(續(xù)表)Tab.3 The chemical properties of soil in different structure stand(Continued Table)

4 討論

森林土壤物理性狀是土壤通氣性、水分滲透等的直接影響因素，也是影響保育土壤、水源涵養(yǎng)功能的重要參數(shù)[14]。受森林物種組成、林分結(jié)構(gòu)等因素影響，土壤容重和孔隙度存在明顯差異。多數(shù)研究認(rèn)為天然林、混交林對(duì)土壤的改善作用大于人工純林[15-17]，如陳光水等[18]研究認(rèn)為格氏栲天然林土壤性狀優(yōu)于人工林；孫艷紅等[19]通過比較縉云山不同植被類型土壤性質(zhì)，認(rèn)為灌木林和針闊混交林的土壤特性優(yōu)于楠木純林；王曉榮等[20]研究多種森林類型土壤理化性質(zhì)，認(rèn)為常綠落葉闊葉混交林土壤理化性狀顯著高于其他森林類型；孫思怡等[21]研究認(rèn)為杉木成熟林套種闊葉樹后形成的混交復(fù)層林可顯著提高林地土壤養(yǎng)分。也有研究認(rèn)為：針葉林土壤性狀優(yōu)于闊葉林，如鄧厚銀等[22]分析和比較了粵北地區(qū)不同林分類型的林下土壤養(yǎng)分狀況，認(rèn)為杉木林土壤養(yǎng)分高于其他闊葉林；灌木林林地土壤性狀優(yōu)于喬木林，如張智勇等[23]研究認(rèn)為陜北黃土區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量為沙棘林>油松沙棘混交林>油松林。本研究結(jié)果顯示，不同森林類型土壤物理性質(zhì)和養(yǎng)分含量高低基本表現(xiàn)為虎榛子天然林>華北落葉松人工林>白樺天然次生林>山楊天然次生林>樟子松人工林，灌木林地土壤性質(zhì)顯著優(yōu)于喬木林，這與孫艷紅、張智勇等觀點(diǎn)基本一致；而針葉落葉人工林高于闊葉落葉天然林，又高于針葉常綠人工林，這又與陳光水、王曉榮、鄧厚銀等觀點(diǎn)存在一定差異。分析認(rèn)為，森林土壤性狀同時(shí)受樹種、林分起源和林分結(jié)構(gòu)等多種因素綜合影響，對(duì)特定林分土壤性狀的比較不能簡(jiǎn)單推廣到其他地區(qū)和樹種，想要認(rèn)識(shí)不同樹種對(duì)不同地區(qū)土壤理化性質(zhì)的影響，就需要擴(kuò)大研究區(qū)和樹種。

森林類型的凋落物組成對(duì)改善林地土壤性狀有直接作用，但林分結(jié)構(gòu)(垂直分層、密度、林齡)更是影響土壤性狀的重要因素，單一考慮樹種對(duì)林地土壤性狀的影響存在很大的片面性。因此，進(jìn)行森林健康狀況和服務(wù)功能評(píng)價(jià)，以及林業(yè)生態(tài)建設(shè)與林分可持續(xù)經(jīng)營(yíng)過程中，在考慮樹種的同時(shí)，更應(yīng)該考慮林分結(jié)構(gòu)的合理配置。

5 結(jié)論

通過對(duì)蠻漢山5種典型森林植被土壤物理特性和養(yǎng)分含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果顯示，不同森林類型土壤有機(jī)質(zhì)、速效和全量養(yǎng)分含量、土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度隨土層深度增加基本呈規(guī)律性變化，變化趨勢(shì)基本一致，但不同森林類型之間存在一定差異。不同森林類型土壤物理特性和全氮、速效氮、速效磷含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量變化趨勢(shì)基本一致，林地土壤質(zhì)量表現(xiàn)為虎榛子天然林>華北落葉松人工林>白樺天然次生林>山楊天然次生林>樟子松人工林，樹種、林分起源和林分結(jié)構(gòu)是森林土壤的重要影響因素。因此，為促進(jìn)林地土壤不斷改善，在蠻漢山及周邊地區(qū)進(jìn)行森林經(jīng)營(yíng)管理、林業(yè)生態(tài)建設(shè)時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮樹種選擇和林分結(jié)構(gòu)合理配置。