不同林型、不同林分密度植被下土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量比研究

梁廣國(guó)， 陶建元， 郭 坤， 王子旗， 張艷明， 王金穎

(1. 延邊朝鮮族自治州森林調(diào)查規(guī)劃院， 吉林 延邊 133001; 2. 吉林省三岔子林業(yè)局， 吉林 白山 134500; 3. 吉林省紅石林業(yè)局， 吉林 吉林 132400)

由于人為干擾及破壞，現(xiàn)階段我國(guó)林分主要以天然次生林為主，其中以闊葉混交林(BM)和針闊混交林(CBM)為主要林分組成[1]。雖然國(guó)內(nèi)大多數(shù)學(xué)者對(duì)不同密度的單一林分類(lèi)型下土壤理化性質(zhì)進(jìn)行了大量研究，卻鮮有對(duì)不同林分密度的多種林分類(lèi)型植被下土壤養(yǎng)分含量及其C、N、P化學(xué)計(jì)量比的研究。

土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，一方面保證了林分內(nèi)能量和物質(zhì)的交換，另一方面又是生物活動(dòng)的重要場(chǎng)所[2，3]，是森林生產(chǎn)力的一個(gè)重要指標(biāo)[4]。C、N、P是自然界所有植物體構(gòu)成的主要元素[5]，植物體對(duì)這些元素的主要獲取方式是吸收土壤中的養(yǎng)分并進(jìn)行轉(zhuǎn)化，隨后用于其生長(zhǎng)發(fā)育，因此，土壤養(yǎng)分含量的高低直接影響林木的生長(zhǎng)、發(fā)育、生產(chǎn)力水平和生態(tài)功能的發(fā)揮。化學(xué)計(jì)量比強(qiáng)調(diào)的是C、N、P等元素在生命體中的平衡與耦合[6]，其在一定程度上能夠反映土壤元素水平和養(yǎng)分供給狀況[7]，目前相關(guān)研究較多且比較全面，如連玉珍等對(duì)色拉山高海拔區(qū)不同植被類(lèi)型下土壤C、N、P、K化學(xué)計(jì)量比的研究[8]，盧立華等對(duì)不同模式下馬尾松林C、N、P化學(xué)計(jì)量比的研究[9]，以及解夢(mèng)怡等對(duì)秦嶺銳齒櫟林土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比的研究等[10]。因此，研究土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比對(duì)揭示土壤元素循環(huán)與平衡以及提高土壤養(yǎng)分利用效率具有重要意義。

土壤養(yǎng)分含量與林分密度等因子緊密相關(guān)[11]，眾多學(xué)者研究表明，林分密度可以顯著影響林分內(nèi)環(huán)境因子、林下植物多樣性以及凋落物現(xiàn)存量和分解速度，進(jìn)而直接或間接地作用于林下土壤，改變其理化性質(zhì)[3，12-14]，因此，森林土壤養(yǎng)分含量的高低和森林功能的發(fā)揮與適宜的林分密度有著密不可分的關(guān)系。目前關(guān)于不同林分密度下土壤養(yǎng)分特征的研究主要集中在對(duì)不同密度下落葉松云冷杉林[15]、馬尾松林[16]、華北落葉松人工林[17]和長(zhǎng)白落葉松天然林[18]等單一針葉林分類(lèi)型下土壤理化性質(zhì)特征的研究，而對(duì)于闊葉混交林和針闊混交林2種林分類(lèi)型的不同林分密度植被下土壤養(yǎng)分含量以及C、N、P化學(xué)計(jì)量比的研究較少。因此，本研究將2種林分類(lèi)型劃分為高、中、低3種林分密度，測(cè)定不同土層深度土壤養(yǎng)分含量，分析比較不同林分密度下不同林分類(lèi)型各土層養(yǎng)分的變化規(guī)律、差異性以及C、N、P化學(xué)計(jì)量比情況，以期為闊葉混交林和針闊混交林的林分管理及生態(tài)恢復(fù)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

在長(zhǎng)白山北坡選取闊葉混交林和針闊混交林2種林分類(lèi)型，設(shè)置不同林分密度樣地共18塊，樣地基本情況見(jiàn)表1，該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懠撅L(fēng)氣候，夏季溫暖多雨，冬季寒冷干燥，無(wú)霜期短，冰凍期長(zhǎng)，年平均氣溫3 ℃左右，年降水量700～800 mm，土壤類(lèi)型為暗棕壤，該地區(qū)植被類(lèi)型隸屬于長(zhǎng)白山植物區(qū)系，各樣地樹(shù)種組成情況見(jiàn)表2。

表1 樣地基本情況

表2 樣地樹(shù)種組成

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，挑選生長(zhǎng)狀況和立地條件基本相似的闊葉混交林和針闊混交林進(jìn)行試驗(yàn)，分別將2種林型劃分為高密度(1 300～1 600株·hm-2)、中密度(900～1 300株·hm-2)、低密度(600～900株·hm-2)3種密度林分，每種密度選擇3塊20 m×30 m樣地，共計(jì)18塊(表1)，在每個(gè)樣地對(duì)角線上設(shè)置3個(gè)重復(fù)的土壤剖面，分別采集0～20 cm、20～40 cm和大于40 cm深度的土壤。

2.2 土壤養(yǎng)分含量測(cè)定

剔除土樣中的根系、石塊及雜物，分別標(biāo)記裝袋，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，粉碎、過(guò)篩后測(cè)定有機(jī)碳含量(SOC)、全氮含量(TN)和全磷含量(TP)。SOC采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測(cè)定，TN采用半微量開(kāi)氏法測(cè)定，TP采用濃硫酸-高氯酸-鉬銻抗比色法測(cè)定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 19.0進(jìn)行處理和分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林型、不同林分密度植被下土壤有機(jī)碳含量

有機(jī)碳含量測(cè)定及分析結(jié)果見(jiàn)表3，可以看出，不同林型、不同林分密度植被下土壤有機(jī)碳含量存在差異，隨著林分密度的增加，闊葉混交林和針闊混交林各土層土壤有機(jī)碳含量逐漸增加。同一林分、同一密度下，隨著土層深度的增加，有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少，各林分密度植被下0～20 cm深度土層的有機(jī)質(zhì)含量最高。在同等條件下，闊葉混交林內(nèi)土壤有機(jī)物含量高于針闊混交林內(nèi)。

表3 不同林型、不同林分密度下土壤有機(jī)碳含量

3.2 不同林型、不同林分密度植被下土壤全氮含量

全氮含量測(cè)定及分析結(jié)果見(jiàn)表4，可以看出，不同林型、不同林分密度植被下土壤全氮含量同樣存在差異，隨著林分密度的增加，闊葉混交林和針闊混交林各土層全氮含量逐漸增加。同一林分、同一密度下，隨著土層深度的增加，全氮含量逐漸減少，各林分密度植被下0～20 cm深度土層的全氮含量最高。在同等條件下，闊葉混交林內(nèi)土壤全氮含量高于針闊混交林內(nèi)。

表4 不同林型、不同林分密度下土壤全氮含量

3.3 不同林型、不同林分密度植被下土壤全磷含量

全磷含量測(cè)定及分析結(jié)果見(jiàn)表5，可以看出，不同林型、不同林分密度植被下土壤全磷含量存在差異，變化規(guī)律與有機(jī)碳和全氮不同，隨著林分密度的增加，闊葉混交林和針闊混交林各土層全磷含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在中密度林分植被下，土壤全磷含量最高。同一林分、同一密度下，隨著土層深度的增加，全磷含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，各林分密度植被下20～40 cm深度土層全磷含量最高。在同等條件下，闊葉混交林和針闊混交林內(nèi)土壤全磷含量無(wú)顯著差異。

表5 不同林型、不同林分密度下土壤全磷含量

3.4 不同林型、不同林分密度植被下土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比

植物體生長(zhǎng)發(fā)育主要依賴(lài)于土壤養(yǎng)分的供給，其中C、N、P是植物體從土壤中吸收的主要元素。在不同林型、不同林分密度植被下土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)(表6、表7、表8)，從表6中可以看出，2種林分類(lèi)型不同密度、不同土層深度之間C∶N無(wú)顯著性差異且無(wú)明顯變化規(guī)律。

表6 不同林型、不同林分密度下土壤C、N化學(xué)計(jì)量比

從表7中可以看出，2種林分類(lèi)型植被下C∶P均在高密度林分下最大，且顯著大于中密度林分和低密度林分。闊葉混交林土層在20～40 cm時(shí)中密度林分C∶P小于低密度林分，其他土層則中密度林分C∶P大于低密度林分，但相互之間差異不顯著。針闊混交林土層深度在0～20 cm時(shí)，中密度林分C∶P大于低密度林分，其他土層則低密度林分C∶P大于中密度林分，但相互之間差異不顯著。2種林分類(lèi)型相同林分密度植被下土壤C∶P隨土層深度的增加總體呈減小趨勢(shì)，在0～20 cm深度土層比值最大且顯著大于其他土層。

表7 不同林型、不同林分密度下土壤C、P化學(xué)計(jì)量比

從表8中可以看出，2種林分類(lèi)型植被下N∶P均在高密度林分下最大，且顯著大于中密度林分和低密度林分，而中密度林分和低密度林分N∶P無(wú)顯著變化，且相互之間差異不顯著。2種林分類(lèi)型相同林分密度植被下土壤N∶P均隨土層深度的增加而減小，在0～20 cm深度土層比值最大且顯著大于其他土層。

表8 不同林型、不同林分密度下土壤N、P化學(xué)計(jì)量比

4 結(jié)論與討論

眾多研究表明，由于林分類(lèi)型或林分密度不同，會(huì)使森林溫度、土壤密度、含水率、酶活性等方面發(fā)生改變，進(jìn)而使林下枯落物的積累與分解速率產(chǎn)生差異，同時(shí)，不同林分類(lèi)型下植物多樣性也同樣受以上各因素的影響，從而導(dǎo)致枯落物構(gòu)成及儲(chǔ)量存在差異[19]，最終會(huì)造成土壤養(yǎng)分含量在不同林分密度和不同林分類(lèi)型的影響下呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。

本研究發(fā)現(xiàn)，林分類(lèi)型與林分密度的不同會(huì)對(duì)土壤養(yǎng)分含量產(chǎn)生影響，闊葉混交林和針闊混交林土壤中有機(jī)碳和全氮含量會(huì)隨著林分密度的增加而增大，在高密度林分其含量達(dá)到最大值；在相同林分密度下，有機(jī)碳和全氮含量會(huì)隨著土層深度的增加而減小，在土壤表層含量最大，這與任麗娜等[20]對(duì)華北落葉松、范少輝等[21]對(duì)毛竹林、王巖松等[22]對(duì)油松與刺槐人工林的研究結(jié)果相一致。主要原因可能是在林分密度高的情況下，林下凋落物含量增加，加之高密度林分下林地蒸騰作用減弱，地表水會(huì)相應(yīng)增加，最終使得土壤中養(yǎng)分隨之增加[23，24]。2種林分類(lèi)型植被下土壤中全磷含量變化與有機(jī)碳和全氮有所差異，土壤全磷含量隨著林分密度的增加呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)，在中密度林分全磷含量最大，在相同林分密度下，全磷含量同樣隨著土層深度的增加呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)，在20～40 cm深度土層全磷含量最大，全磷含量變化與有機(jī)碳和全氮有所差異，主要是因?yàn)榱自貙儆谝环N沉積性元素，其主要來(lái)源于巖石風(fēng)化和淋洗[25]，而有機(jī)碳和全氮?jiǎng)t主要來(lái)自地表枯落物的分解歸還，在高密度林分和低密度林分內(nèi)，全磷的消耗要大于中密度林分，從而使得中密度林分的全磷含量要高于高密度林分和低密度林分。此外，在相同條件下，闊葉混交林土壤中有機(jī)碳、全氮和全磷含量均高于針闊混交林，這主要是因?yàn)殚熑~樹(shù)積累分解的凋落物會(huì)相對(duì)高些。

本研究還發(fā)現(xiàn)，2種林分不同林分密度植被下，各土層之間C∶N均無(wú)顯著差異性，且無(wú)明顯變化趨勢(shì)，說(shuō)明該地區(qū)2種林分土壤C∶N受林分密度影響較小，相對(duì)比較穩(wěn)定，主要是因?yàn)橛袡C(jī)碳和全氮是植物的結(jié)構(gòu)性成分，植物會(huì)以固定的比值吸收土壤中的有機(jī)碳和全氮，并且在植物凋落死亡時(shí)全部返還給土壤，因此，使得土壤中C∶N相對(duì)穩(wěn)定[26，27]。土壤中C∶P是衡量土壤磷有效性的指標(biāo)之一，本研究中2種林分類(lèi)型下C∶P均在高密度林分下最大，且顯著大于中密度林分和低密度林分，中密度林分和低密度林分C∶P相互之間差異不顯著，在相同密度下土壤C∶P均隨土層深度的增加而減小，在0～20 cm深度的土層比值最大且顯著大于其他土層，這與張萍等、章廣琦等研究結(jié)果一致[28，29]，這主要是因?yàn)樵谌缀炕颈３植蛔兦闆r下，有機(jī)碳含量的不斷增加決定了C∶P水平。本研究中2種林分類(lèi)型下N∶P均在高密度林分下最大，且顯著大于中密度林分和低密度林分，而中密度林分和低密度林分N∶P無(wú)顯著變化，且相互之間差異不顯著，其變化趨勢(shì)與C∶P變化趨勢(shì)一致，主要是因?yàn)槿缀坎蛔?，使得林分?duì)全氮含量的影響直接影響N∶P水平。

綜上所述，不同林型、不同林分密度植被下的各深度土層養(yǎng)分含量有所差異，闊葉混交林土壤中有機(jī)碳、全氮和全磷含量高于針闊混交林，有機(jī)碳和全氮在高密度林分植被下0～20 cm深度土層含量最大，全磷在中密度林分植被下20～40 cm深度土層含量最大。不同林分密度植被下，各土層之間C∶N均無(wú)顯著差異性，C∶P和N∶P均在高密度林分下最大，且顯著大于中密度林分和低密度林分，并且均隨土層深度的增加而減小，在0～20 cm深度土層比值最大且顯著大于其他土層。該研究結(jié)果可為闊葉混交林和針闊混交林的林分管理提供理論基礎(chǔ)。