鄭 穎,馮 健,于世河,卜鵬圖,王月嬋,黃 夏,鄭 璐
(1.遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院,遼寧 沈陽(yáng) 110032;2.遼寧省旱地農(nóng)林研究所,遼寧 朝陽(yáng) 122000)
林分密度是林分合理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),是人工用材林實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的關(guān)鍵技術(shù)之一。初植密度又是人工林培育過(guò)程中重要的技術(shù)環(huán)節(jié),初植密度對(duì)現(xiàn)實(shí)林分密度有決定性作用。初植密度影響林分生長(zhǎng)[1-2]、材性[2-3]、生物量[4-5]、碳儲(chǔ)量[6]、林內(nèi)環(huán)境[7]以及直接或間接作用影響森林土壤養(yǎng)分特性。許多學(xué)者研究認(rèn)為初植密度對(duì)林分平均胸徑、單株材積、冠幅、高徑比、枝下高和林分蓄積量影響較大,而對(duì)樹(shù)高生長(zhǎng)的影響較小[7-11]。林木生長(zhǎng)狀況與土壤密切相關(guān),土壤是森林的主要生態(tài)因子,是林木生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境,土壤養(yǎng)分含量對(duì)林木生長(zhǎng)和林分質(zhì)量起著重大作用,同時(shí),森林影響著土壤的理化性質(zhì),影響著土壤微生物的種類(lèi)、數(shù)量及生活情況,所以林木的組成和結(jié)構(gòu)能改變土壤性質(zhì)。諸多學(xué)者在研究落葉松Larixspp.、油松Pinus tabulaeformis、馬尾松Pinus massoniana等樹(shù)種不同密度林分對(duì)土壤養(yǎng)分的影響研究中表明,適宜的人工林林分密度利于維持林地土壤健康、提高土壤養(yǎng)分含量,并認(rèn)為林分密度與土壤養(yǎng)分表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性[12-17]。
我國(guó)現(xiàn)有落葉松人工林面積達(dá)316.28 萬(wàn)hm2,其中80%的落葉松人工林分布在東北地區(qū),落葉松作為遼寧省重要的造林和用材樹(shù)種,諸多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛且深入的研究,目前,對(duì)落葉松人工林培育方面的研究,主要集中在落葉松育苗、造林[18]、生物量[19]、間伐對(duì)落葉松人工林的影響[20]以及落葉松混交林植被多樣性和土壤特征研究等[21],但針對(duì)該地區(qū)落葉松人工林林分密度對(duì)林木生長(zhǎng)和土壤特性的影響相關(guān)研究較缺乏。因此,本研究以遼東山區(qū)落葉松無(wú)性系人工幼齡林為研究對(duì)象,調(diào)查了3 種初植密度(1 600、2 500、3 300 株/hm2)的林分生長(zhǎng)和土壤特性,分析林分密度對(duì)落葉松生長(zhǎng)、土壤特性的影響,探究落葉松生長(zhǎng)與土壤特性的相關(guān)性,明確落葉松人工林合理的栽培密度,為落葉松人工林林分結(jié)構(gòu)改造和經(jīng)營(yíng)管理提供理論依據(jù)。
研究區(qū)位于遼寧省撫順市清原滿(mǎn)族自治縣,地理坐標(biāo)為124°20′06″~125°28′58″E,41°47′52″~42°28′28″N,屬長(zhǎng)白山龍崗支脈,海拔400~600 m。該區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,冬寒夏熱,年平均氣溫5.3℃,極端最高氣溫37.2℃,極端最低氣溫-37.6℃,無(wú)霜期130 d左右,全年總?cè)照諘r(shí)數(shù)為2 419 h,年平均降水量806.5 mm。土壤以暗棕壤為主,土層厚達(dá)50 cm。
試驗(yàn)林位于大孤家林場(chǎng),于2006年春季營(yíng)造,選用日本落葉松Larix kaempferi、日本落葉松×長(zhǎng)白落葉松雜種L.kaempferi×L.olgensis2 個(gè)無(wú)性系為試驗(yàn)材料,所用無(wú)性系均為2年生優(yōu)良無(wú)性系扦插苗。采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),設(shè)置3 種初植密度(1 600、2 500、3 300 株/hm2),行向?yàn)闁|西向,行距為2 m,列向?yàn)槟媳毕?,列距分別為3、2、1.5 m。3 次重復(fù),每次重復(fù)栽植200 株樹(shù),共9 塊樣地,面積為0.78 hm2,重復(fù)內(nèi)立地條件基本一致,坡向?yàn)楸逼?,坡?5°左右。重復(fù)試驗(yàn)間以及試驗(yàn)林四周設(shè)保護(hù)行。在造林當(dāng)年和第2年進(jìn)行2 次撫育,第3年進(jìn)行1 次撫育。
于2019年生長(zhǎng)季結(jié)束后對(duì)15年生落葉松逐株測(cè)量樹(shù)木胸徑、樹(shù)高和冠幅指標(biāo),樹(shù)高采用超聲波測(cè)高儀進(jìn)行測(cè)量,精度為0.1 m。胸徑采用測(cè)樹(shù)圍尺測(cè)量,精度為0.1 cm。3 種初植密度1 600、2 500、3 300 株/hm2在15年生時(shí)所保留的林分密度分別為1 300、1 800、3 000 株/hm2。在3 種密度林分內(nèi)采用“S”形取樣法分別布設(shè)3 個(gè)采樣點(diǎn),每個(gè)采樣點(diǎn)分0~20 cm 和20~40 cm土層采集土壤樣品0.5 kg,混勻、風(fēng)干、磨細(xì)后過(guò)篩,密封貯放,作為土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)試樣品。
土壤pH 值采用電位法,用水浸提測(cè)定(水土比2.5:1);有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定;全氮含量用硫酸鉀-硫酸銅-硒粉消煮,定氮儀自動(dòng)分析法測(cè)定;全磷、有效磷含量用NaOH 熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定;全鉀含量采用NaOH 熔融-火焰光度計(jì)法測(cè)定;速效鉀含量用火焰光度計(jì)法測(cè)定;硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量采用擴(kuò)散法測(cè)定[22]。所有指標(biāo)測(cè)定重復(fù)3 次。
利用Excel 2007軟件進(jìn)行初始數(shù)據(jù)處理、作圖。分別對(duì)不同初植密度林分林木生長(zhǎng)和土壤養(yǎng)分含量(土層0~20 cm 和20~40 cm)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,運(yùn)用SPSS 22.0 軟件分別對(duì)3 次重復(fù)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行單因素方差分析和差異顯著性檢驗(yàn)(Duncan 法),對(duì)不同初植密度林分林木生長(zhǎng)與不同土層土壤化學(xué)特性等指標(biāo)采用Pearson 相關(guān)性分析進(jìn)行研究,分析樹(shù)木生長(zhǎng)與土壤因子的相關(guān)性。單株材積計(jì)算公式[23]為。
V=0.000 051 269 179D1.8169987H1.1034146。
式中:V、D、H分別表示單株材積、胸徑和樹(shù)高。
林分平均胸徑、樹(shù)高、冠幅和單株材積均隨密度增大而減小,而蓄積量和高徑比則隨密度增大而增大(表1)。方差分析表明,不同初植密度間胸徑、冠幅、單株材積和高徑比均達(dá)到顯著差異(P<0.05),蓄積量達(dá)極顯著差異(P<0.01),而不同初植密度間樹(shù)高差異不顯著(P>0.05)。進(jìn)一步多重比較表明,胸徑和高徑比之間的差異均表現(xiàn)在低密度(1 600 株/hm2)與高、中密度(3 300、2 500 株/hm2)之間,低密度林分胸徑為14.43 cm,比高、中密度分別高出了21.5%、13.8%;冠幅和單株材積之間的差異均表現(xiàn)在低密度與高密度之間,低密度林分冠幅、單株材積分別為3.18 m、0.126 m3,分別比高密度高出了21.4%、47.2%;蓄積量間的差異主要表現(xiàn)在高密度與中、低密度之間,高密度林分蓄積量為222.28 m3/hm2,比中、低密度分別高出了56.9%、64.8%。
表1 不同初植密度林分林木生長(zhǎng)情況?Table 1 Tree growth of stands with different initial planting densities
圖1表明,落葉松林分不同土層間土壤養(yǎng)分含量差異較大,除了低密度(1 600 株/hm2)林下的全鉀外,含水率、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀和全磷含量均隨土層的加深而降低,其中硝態(tài)氮含量降幅最大,全磷含量降幅最小,而pH 值則表現(xiàn)為隨土層的加深而升高。方差分析表明,硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、有效磷含量在不同土層之間的差異均達(dá)顯著(P<0.05)或極顯著差異(P<0.01),其他指標(biāo)差異不顯著(P>0.05)。不同初植密度間土壤養(yǎng)分比較表明,在0~20 cm 土層中,硝態(tài)氮、全鉀、速效鉀含量隨密度的增大而增加,銨態(tài)氮含量隨密度的增大而減小,全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)和有效磷均表現(xiàn)為高密度>低密度>中密度,含水率和pH 值則表現(xiàn)為低密度>高密度>中密度;在20~40 cm土層中,速效鉀、全氮和有機(jī)質(zhì)含量隨密度增大而增加,硝態(tài)氮、有效磷、全鉀和pH 值表現(xiàn)為低密度>高密度>中密度,全磷表現(xiàn)為高密度>低密度>中密度,銨態(tài)氮和含水率均表現(xiàn)為中密度>高密度>低密度。方差分析表明,不同初植密度間各土壤養(yǎng)分含量差異均不顯著(P>0.05)。
圖1 不同初植密度落葉松人工林土壤特性Fig.1 Soil characteristics of larch plantation with different initial planting densities
續(xù)圖1Continuation of Fig.1
從表2相關(guān)性分析結(jié)果可以看出,1 600 株/hm2密度下,在0~20 cm 土層,落葉松人工林平均高徑比與含水率呈顯著正相關(guān),而與全磷和有效磷均呈顯著負(fù)相關(guān);在20~40 cm 土層,林木平均單株材積與硝態(tài)氮呈顯著正相關(guān),林木平均蓄積量與含水率、全磷分別呈顯著、極顯著負(fù)相關(guān)。2 500 株/hm2密度下,在0~20 cm 土層,林木平均胸徑與銨態(tài)氮、平均樹(shù)高與全氮和全磷、平均單株材積與有效磷均呈顯著正相關(guān);在20~40 cm土層,林木平均胸徑與有效磷呈顯著正相關(guān),林木平均樹(shù)高與含水率呈極顯著負(fù)相關(guān),與有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān),林木平均冠幅與速效鉀分別呈顯著負(fù)相關(guān),與單株材積顯著正相關(guān);3 300 株/hm2密度下,在0~20 cm 土層,林木平均樹(shù)高與銨態(tài)氮呈極顯著正相關(guān),與速效鉀呈顯著正相關(guān),林木平均單株材積與全磷呈顯著正相關(guān),林分平均蓄積量與pH 值呈顯著負(fù)相關(guān);在20~40 cm土層,林木平均胸徑、冠幅均與全氮呈顯著正相關(guān),林木平均單株材積與速效鉀呈顯著正相關(guān)。
表2 不同初植密度落葉松人工林土壤性質(zhì)與林木生長(zhǎng)的相關(guān)分析?Table 2 Correlation analysis of soil properties and forest growth in larch plantation with different initial planting densities
本研究表明,林分平均胸徑、樹(shù)高、冠幅和單株材積均隨密度增大而減小,而蓄積量和高徑比則隨密度增大而增大,密度對(duì)樹(shù)高的影響不顯著,這與祁萬(wàn)宜等[11]對(duì)15年生日本落葉松紙漿用材林初植密度研究、董健等[24]對(duì)8年生日本落葉松紙漿林造林密度研究、王宏全等[25]對(duì)17年生日本落葉松紙漿用材林初植密度研究以及諶紅輝等[8]對(duì)11年生馬尾松造林密度效應(yīng)的研究結(jié)果均一致。這主要是由于密度大的林分,林木個(gè)體之間對(duì)營(yíng)養(yǎng)空間競(jìng)爭(zhēng)激烈,抑制林木生長(zhǎng),相反,密度小的林分,林木個(gè)體營(yíng)養(yǎng)空間大,有利于林木生長(zhǎng),而林分蓄積量則隨林分密度的增大而增大的原因主要是密度大的林分單位面積林木株數(shù)多。已有研究結(jié)果表明,在暖溫帶中山區(qū)營(yíng)造日本落葉松短周期紙漿用材林時(shí)建議采用3 300 株/hm2的密度[25],在北亞熱帶高山區(qū)營(yíng)建短周期紙漿用材林應(yīng)適當(dāng)密植,初植密度采用4 050 株/hm2或3 333 株/hm2,15年生時(shí)蓄積量最高,收益最大[11]。本研究表明,在3 300 株/hm2密度下,15年生落葉松人工林平均蓄積量比低密度林高出64.8%,而低密度林分胸徑、冠幅和單株材積分別比高密度高出21.5%、21.4%、47.2%,由此可見(jiàn),遼東地區(qū)培育短周期紙漿用材林應(yīng)采用3 300 株/hm2的初植密度;培育大、中徑材應(yīng)采用1 600 株/hm2的初植密度。此外,林木高徑比反映樹(shù)干的圓滿(mǎn)程度,是與樹(shù)干出材率、材質(zhì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值密切相關(guān)的重要形質(zhì)指標(biāo),本研究中高徑比隨著密度的增大而增大,主要是由于落葉松在11年生以前,表現(xiàn)出由低密度到高密度,樹(shù)高增加[26],但隨著林齡的增加,到13~15年生時(shí),林分超過(guò)一定密度,樹(shù)高反而降低,胸徑則一直表現(xiàn)為隨密度增大而減小,因此,15年生時(shí),高徑比依然表現(xiàn)為隨密度增大而增大。由此可見(jiàn),若培育大、中徑材應(yīng)維持在一個(gè)適宜的密度范圍內(nèi),以降低樹(shù)高的尖削度。
本研究表明,除了全鉀外,落葉松人工林不同土層硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀和全磷含量均隨土層加深而降低,土壤養(yǎng)分含量在0~20 cm 土層大于在20~40 cm 土層,說(shuō)明這些土壤養(yǎng)分指標(biāo)具有“表聚性”特征,這與一些學(xué)者[15,27-30]的研究結(jié)果相似。這可能由于落葉松為淺根性樹(shù)種,根系多集中在表土層,細(xì)根生產(chǎn)主要集中在土層表層(0~20 cm),表層生產(chǎn)量占全部生產(chǎn)量的71.44%[31]。地下根系殘?bào)w、根系分泌物以及地上枯枝落葉的分解為表層土壤提供的養(yǎng)分多于深層土壤。
本研究中,在0~20 cm 土層,銨態(tài)氮和pH 值以1 600 株/hm2最高,當(dāng)初植密度為2 500 株/hm2時(shí)pH 值最低,呈現(xiàn)明顯的酸化趨勢(shì),當(dāng)密度增加到3 300 株/hm2時(shí),pH 值增大,硝態(tài)氮、全磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、全鉀、全氮和有效磷含量均最高,其中,高密度土壤有機(jī)質(zhì)含量最高,為39.63 g/kg,更多的有機(jī)質(zhì)在微生物作用下轉(zhuǎn)化為含氮和含磷化合物,導(dǎo)致土壤中全氮、全磷含量增加,這與王凱等[27]的研究結(jié)果一致,同時(shí),趙偉文等[15]也證實(shí)了這一結(jié)論,即林分密度較高的樣地土壤含氮量最高。而另一些學(xué)者研究表明,在5 種林分密度(1 100、950、800、650、500 株/hm2)中,土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀和速效鉀在密度650 株/hm2林分中含量最高[32];華北落葉松Larix principisrupprechtii人工林表層土壤全氮、有效磷、有效鉀含量均在低造林密度(1 470 株/hm2)時(shí)最高[33]??傮w來(lái)看,本研究土壤養(yǎng)分含量在各密度林分中最優(yōu)的是高密度(3 300 株/hm2),其次是低密度(1 600 株/hm2),養(yǎng)分含量最低的是中密度(2 500 株/hm2),高密度林分土壤養(yǎng)分含量最高的可能原因在于密度大的林分根系數(shù)量多,樹(shù)木根系死亡和分解釋放的大量養(yǎng)分歸還到土壤中的含量超過(guò)地上部分[34];細(xì)根分解快,土壤中大部分的營(yíng)養(yǎng)元素是由細(xì)根周轉(zhuǎn)產(chǎn)生的,只有小部分來(lái)源于地上的凋落物[31]。而低密度林分土壤養(yǎng)分含量?jī)?yōu)于中密度土壤養(yǎng)分含量的可能原因在于密度小的林分林下灌木、草本數(shù)量多,而且林下凋落物層的溫度、濕度更有利于凋落物分解,加快養(yǎng)分循環(huán)??萋湮锸巧稚鷳B(tài)系統(tǒng)的組成部分和森林土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ),枯落物的數(shù)量、組成及其分解速率影響土壤有機(jī)質(zhì)的生成,進(jìn)而影響對(duì)植物養(yǎng)分的供應(yīng)[35-36]。土壤中氮含量的增加,有利于枯落物的分解,本研究中,0~40 cm 土層中,全氮、硝態(tài)氮含量均以3 300 株/hm2最高、銨態(tài)氮以1 600 株/hm2最高。有研究表明,針葉中混入草灌,可以加速枯落物分解、促進(jìn)養(yǎng)分釋放,并認(rèn)為溫帶地區(qū)不同組成枯落物總分解率表現(xiàn)為低密度林分大于高密度林分[37];針葉與草灌混合分解中,草灌比例較大的枯落物分解速率較快[38]。林分密度對(duì)枯落物儲(chǔ)量的影響不同,研究者們得出的結(jié)論也不同,有研究表明,隨著林分密度的增加華北落葉松枯落物儲(chǔ)量增加[39];落葉松人工林枯落物儲(chǔ)量按林分密度排序?yàn)? 800 株/hm2>900 株/hm2>500 株/hm2>1 100 株/hm2[40];而也有研究表明,隨著林分密度的減小,對(duì)落葉松凋落物分解有促進(jìn)作用,并且林分密度減小,枯落物增多[41-42]。此外,本研究中,pH 值在0~40 cm 土層中,表現(xiàn)出低密度高于高、中等密度,各密度林分土壤pH 值在5.64~5.78 之間,整體水平偏酸性。多數(shù)植物都適宜生長(zhǎng)在中性土壤中,pH 值在5.5~7.0 之間,由此可見(jiàn),該區(qū)域落葉松人工林土壤存在酸化現(xiàn)象,因此,可通過(guò)改變林分密度和林木的組成,從而改變土壤性質(zhì),如通過(guò)撫育間伐、補(bǔ)植或營(yíng)造異齡、針闊混交、多層次結(jié)構(gòu)的森林,實(shí)現(xiàn)人工林的可持續(xù)發(fā)展。已有研究表明,營(yíng)造針闊混交林有利于提高土壤肥力,針闊混交林土壤pH 值大于落葉松純林[43];劉曼麗[44]開(kāi)展了4 種典型林分類(lèi)型的土壤理化特征研究,表明針闊混交林有利于提高土壤肥力,提高土壤透氣性,涵養(yǎng)水源。
本研究表明,落葉松各密度人工林林木生長(zhǎng)指標(biāo)與土壤養(yǎng)分特性存在一定相關(guān)性,在0~20 cm土層的全磷、有效磷、銨態(tài)氮與林木生長(zhǎng)指標(biāo)關(guān)系更為密切,而在20~40 cm 土層的速效鉀與林木生長(zhǎng)指標(biāo)關(guān)系更為密切。在0~20 cm 土層,1 600 株/hm2密度下,雖然除了高徑比與土壤養(yǎng)分含量相關(guān)外,其他生長(zhǎng)指標(biāo)均與土壤養(yǎng)分不相關(guān),但林分表層土壤缺少磷、鉀元素,應(yīng)適當(dāng)施磷、鉀肥,更有利于林木生長(zhǎng)。當(dāng)林分密度增加到2 500 株/hm2時(shí),林木胸徑、樹(shù)高、單株材積與氮、磷含量關(guān)系密切,土壤養(yǎng)分制約林木生長(zhǎng),導(dǎo)致落葉松人工林地土壤酸化與全氮、全磷、有效磷、有機(jī)質(zhì)的加速消耗,可見(jiàn),在這一密度下,應(yīng)適當(dāng)增施氮、磷肥,促進(jìn)樹(shù)高和胸徑生長(zhǎng)。當(dāng)林分密度達(dá)到3 300 株/hm2時(shí),林木樹(shù)高、單株材積與氮磷鉀含量呈正相關(guān),由于高密度林分根系數(shù)量增多,土壤中大部分的營(yíng)養(yǎng)元素是由細(xì)根周轉(zhuǎn)產(chǎn)生的,同時(shí),林分蓄積量與pH 值呈顯著負(fù)相關(guān),即密度越大,落葉松人工林土壤酸化現(xiàn)象越嚴(yán)重,可見(jiàn),高密度林分土壤養(yǎng)分對(duì)林木生長(zhǎng)影響較大。本研究?jī)H開(kāi)展了不同密度落葉松人工幼齡林林木生長(zhǎng)和土壤養(yǎng)分特性的研究,后續(xù)應(yīng)開(kāi)展不同密度落葉松人工林土壤物理特性、土壤呼吸特征、土壤微生物特征等研究。此外,應(yīng)繼續(xù)開(kāi)展不同密度落葉松中齡林、近熟林及成熟林林木生長(zhǎng)和土壤特性的研究工作,為落葉松人工林的合理經(jīng)營(yíng)提供數(shù)據(jù)支撐。
1)林分平均胸徑、樹(shù)高、冠幅和單株材積均隨密度增大而減小,而蓄積量和高徑比則隨密度的增大而增大,密度對(duì)樹(shù)高影響很小。低密度林分胸徑、冠幅和單株材積比高密度分別高了21.5%、21.4%、47.2%,而蓄積量則表現(xiàn)為高密度比低密度高了64.8%。
2)在不同土層間,除了全鉀外,落葉松人工林土壤養(yǎng)分總體表現(xiàn)為隨土層加深而降低的規(guī)律,而pH 值則相反;不同初植密度間,在落葉松根系集中的0~20 cm 土層中,銨態(tài)氮、含水率和pH值以初植密度為1 600 株/hm2最高,當(dāng)株數(shù)密度為2 500 株/hm2時(shí)pH 值最低,呈現(xiàn)明顯的酸化趨勢(shì),當(dāng)密度增加到3 300 株/hm2時(shí),pH 值增大,硝態(tài)氮、全磷、速效鉀、全鉀、全氮、有機(jī)質(zhì)和有效磷含量最高。
3)初植密度與林木生長(zhǎng)和林地土壤特性密切相關(guān),同本研究其他初植密度相比,當(dāng)林分初植密度為3 300 株/hm2時(shí),0~40 cm 土層中土壤氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量保持在相對(duì)較高水平,且蓄積量最大,適宜培育長(zhǎng)周期工業(yè)用材林,隨著林齡的增大,應(yīng)根據(jù)不同培育目標(biāo)采取適宜的撫育間伐措施。