不同植被恢復(fù)模式對(duì)紫金山森林土壤理化性質(zhì)的影響1)

袁在翔 關(guān)慶偉 李俊杰 韓夢(mèng)豪 金雪梅 陳霞

(南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心(南京林業(yè)大學(xué))，南京，210037) (中山陵園管理局)

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]，它包含了與林木生長(zhǎng)密切相關(guān)的水、肥、氣、熱等非生物要素[2]，是森林可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)?？臻g異質(zhì)性是森林土壤的固有屬性[3]，具體表現(xiàn)為土壤理化性質(zhì)的差異性，并且這種差異性受植被類型、樹種組成和演替階段的影響較為顯著[4-5]。吳敏敏等[6]研究表明，植被恢復(fù)過程中，天然次生林的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于以馬尾松恢復(fù)的人工林，并且銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨植被恢復(fù)年限增加而顯著增大；Stanek et al.[7]研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于本地植物群落，外來紅櫟群落的土壤含水率以及有機(jī)碳、全氮、全磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低；唐靚茹等[8]研究表明，相對(duì)于純林，紅錐混交林能夠有效提高土壤養(yǎng)分，改善土壤質(zhì)地；楊亞輝等[9]研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原不同人工造林方式間土壤密度差異顯著；吳鵬等[10]研究表明，喀斯特地區(qū)森林群落正向演替，有利于土壤養(yǎng)分的積累。因此，了解植被與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系，對(duì)于造林中“適地適樹”、森林經(jīng)營(yíng)與管理具有重要意義。

紫金山森林植被曾因戰(zhàn)爭(zhēng)而遭到嚴(yán)重破壞，經(jīng)過保護(hù)和在部分地段營(yíng)造馬尾松(PinusmassonianaLamb.)純林，在人為干擾相對(duì)較弱的情況下，經(jīng)過森林演替，形成了帶有常綠成分的不同類型落葉闊葉林、針闊混交林、馬尾松林等森林群落，在北亞熱帶過渡帶地區(qū)具有一定的代表性[11]。而以往對(duì)紫金山森林植被的研究主要集中在群落特征、種群動(dòng)態(tài)、空間結(jié)構(gòu)、物種多樣性、土壤碳庫(kù)等[12-17]方面，對(duì)典型植被恢復(fù)模式下土壤理化性質(zhì)差異研究較少。因此，本試驗(yàn)以紫金山馬尾松-櫟樹混交林(Pinusmassoniana×Quercusvariabilis, PQ)、馬尾松-楓香混交林(Pinusmassoniana×Liquidamabarformosana, PL)、樸樹-糙葉樹混交林(Celtissinensis×Aphanantheaspera, CA)、櫟樹-楓香混交林(Quercusvariabilis×Liquidamabarformosana, QL)和楓香純林(Liquidamabarformosana, LF)等5種近成熟林為研究對(duì)象，比較分析典型林分下土壤質(zhì)地、全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分等差異，旨在闡明植被恢復(fù)模式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，以期為城市森林生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建和經(jīng)營(yíng)管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于南京市紫金山國(guó)家森林公園(118°48′24″～118°53′4″E，32°1′57″～32°16′15″N)，屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，年降水量1 000～1 050 mm，年均氣溫15.4 ℃，年均日照2 213 h，全年無霜期322 d。土壤類型以山地黃棕壤和灰棕壤為主，土壤為酸性至微酸性。林分類型為以楓香、栓皮櫟、麻櫟(QuercusacutissimaCarruth.)、樸樹、糙葉樹以及馬尾松等為主，并帶有常綠成分的落葉林、闊葉林和針闊混交林[17]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2016年4月在紫金山南坡5種典型林分(見表1)中，分別隨機(jī)設(shè)置3個(gè)立地條件相似，面積為20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)采樣區(qū)，為了避免邊際效應(yīng)，使每個(gè)典型群落內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)取樣區(qū)互不相鄰。在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)采樣區(qū)內(nèi)，除去地面凋落物和草本植物，按“S”型選7個(gè)采樣點(diǎn)，用土鉆取土層深度(h)為0

表1 5種典型森林群落的基本概況

2.2 土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定

采用濃度為1 mol·L-1的HCl充分去除風(fēng)干土樣中的無機(jī)碳，烘干并研磨，過0.149 mm鋼篩后，用元素分析儀(Elementar Vario EL，德國(guó))測(cè)定土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)[18]。土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)用重鉻酸鉀氧化-分光光度法測(cè)定。土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法測(cè)定，有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)用浸提法測(cè)定；土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)用氫氧化鈉堿熔-火焰光度計(jì)法測(cè)定，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)用乙酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測(cè)定；土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)用浸提-靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)則用雙波長(zhǎng)(紫外)分光光度計(jì)法測(cè)定[19]。pH用電位法測(cè)定；土壤含水率用烘干法測(cè)定；土壤粒徑(以美國(guó)制土壤顆粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn))采用Mastersizer 2000型激光粒度儀測(cè)定。將帶有土樣的環(huán)刀置于烘箱中105 ℃烘干48 h后至恒質(zhì)量。取出環(huán)刀內(nèi)的土樣并置于2 mm篩并用水沖洗，剩余非土壤顆粒部分，烘干并稱質(zhì)量，用精度為0.5 mL量筒通過排水法測(cè)定其體積，計(jì)算土壤密度和礫石質(zhì)量比[19]。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

用Excel 2003、SPSS 19.0、Canoco 5.0和Origin 8.5統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖表處理。其中，土壤理化性質(zhì)指標(biāo)在不同典型林分之間的差異，用單因素方法進(jìn)行方差分析；在SPSS19.0中用K-均值聚類方法對(duì)五種典型林分的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行聚類分析；在Canoco 5.0中對(duì)土壤基本理化性質(zhì)與林分概況之間的關(guān)系進(jìn)行冗余分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同典型林分不同土層土壤的物理特征及pH

由表2可知，紫金山馬尾松-櫟樹、馬尾松-楓香、樸樹-糙葉樹和櫟樹-楓香等混交林土壤屬于酸性粉壤土，楓香純林為酸性壤土。土壤的pH、含水率、密度和顆粒組成在不同林分之間有一定的差異(P<0.05)。在整個(gè)土層(0

表2 不同典型林分土壤的物理特征及pH

3.2 不同典型林分不同土層土壤養(yǎng)分特征

由表3可知，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同林分之間的分布趨勢(shì)具有一定相似性。在整個(gè)土層(0

表3 不同典型林分土壤養(yǎng)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀等土壤速效養(yǎng)分在典型林分之間的差異性主要出現(xiàn)在馬尾松-櫟樹混交林、馬尾松-楓香混交林和樸樹-糙葉樹混交林等3種林分與櫟樹-楓香混交林、楓香純林的對(duì)比，具體表現(xiàn)為，土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在馬尾松-櫟樹、馬尾松-楓香、樸樹-糙葉樹等混交林中相較于櫟樹-楓香混交林、楓香純林中整體較低；土壤硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀等質(zhì)量分?jǐn)?shù)則相反。此外，土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在各林分之間的異質(zhì)性主要在底層土壤(20 cm

3.3 土壤養(yǎng)分與黏粉粒比例、碳氮比之間的回歸關(guān)系

土壤養(yǎng)分中僅有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤黏粉粒比例及碳氮比之間存在顯著的線性回歸關(guān)系(見圖1)。由圖1可知，紫金山森林土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和硝態(tài)氮等質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別隨土壤黏粉粒比例及碳氮比的增加而增加。根據(jù)線性回歸模型R2大小可知，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和硝態(tài)氮與土壤碳氮比之間的線性回歸模型均優(yōu)于與土壤黏粉粒比例之間的線性回歸模型。

圖1 土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和硝態(tài)氮分別與黏粉粒比例及碳氮比之間的線性回歸關(guān)系

3.4 林分特征對(duì)土壤基本理化性質(zhì)的影響

通過對(duì)典型林分的林分特征及理化性質(zhì)進(jìn)行聚類分析，5種典型林分可分為3類：馬尾松櫟樹混交林、馬尾松楓香混交林和樸樹糙葉樹混交林為一類，并賦值為1；櫟樹楓香混交林賦值為2；楓香純林賦值為3。此外，0

由圖2可知，在RDA限制性排序分析中，第1軸和第2軸的特征值較大，分別為0.66和0.11，可累計(jì)貢獻(xiàn)其信息量的77.42%，而土壤理化性質(zhì)-林分概況的關(guān)系方差累計(jì)貢獻(xiàn)率為79.7%，故采用前兩個(gè)排序軸作二維排序圖。林分類型、土層深度和林分密度對(duì)土壤基本理化性質(zhì)的貢獻(xiàn)率分別為45.3%、24.5%、5.8%(P<0.01)，林齡對(duì)土壤基本理化性質(zhì)的貢獻(xiàn)率為3.4%(P<0.05)，樹高對(duì)土壤基本理化性質(zhì)的貢獻(xiàn)率0.7%(p=0.43)，表明林分類型、土層深度、林分密度和林齡是影響土壤理化性質(zhì)的顯著性因素，且效應(yīng)程度依次遞減。此外，在冗余分析二維排序圖中，因子變量和因變量之間夾角的余弦值可以表示二者之間的相關(guān)性。因此，林分類型與土壤pH、土壤密度、土壤砂粒比例和銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)，與土壤黏粒比例、土壤粉粒比例、土壤含水率、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、硝態(tài)氮和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)；土層深度與土壤密度、黏粒比例和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)，與土壤pH、土壤含水率、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷以及速效養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)；林分密度和林齡與含水率、黏粉粒比例、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)，與pH、土壤密度、砂粒比例、全鉀和銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)。

A.林齡，AK.速效鉀，AP.速效磷，BD.土壤密度，C.黏粒，D.林分密度，F(xiàn)T.林分類型，MC.含水率，銨態(tài)氮，硝態(tài)氮，pH.氫離子濃度指數(shù)，Sd.砂粒，SD.土壤深度，SOM.土壤有機(jī)質(zhì)，St.粉粒，TH.樹高，TK.全鉀，TN.全氮，TP.全磷。

4 討論

4.1 林分類型對(duì)土壤質(zhì)地、容重、pH和含水率的影響

林分類型對(duì)土壤質(zhì)地、土壤密度、pH和含水率有一定的影響。一般來說，林木根系分布、凋落物量與質(zhì)、凋落物層厚度、根系分泌物及相關(guān)的微生物等存在一定的差異，進(jìn)而造成典型林分土壤理化性質(zhì)的不同，并且進(jìn)展性演替能逐漸顯現(xiàn)這一情況。研究中混交林比楓香純林具有更低的土壤pH、密度，較高的含水率、粉粒比例，這與唐靚茹等[8]和秦娟等[20]的研究結(jié)果類似，是因?yàn)榛旖涣种脖欢鄻有载S富，具有更多的凋落物和更為龐大的根系，能夠較快的疏松土壤并改善其團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[8，20-21]，而純林林下植被較為單一，穩(wěn)定性弱，林分水源涵養(yǎng)和水土保持功能差，易發(fā)生土壤退化[1]。此外，以馬尾松為先鋒樹種進(jìn)行的植被恢復(fù)，不僅能使土壤酸化[22]，而且其林分凋落物周轉(zhuǎn)緩慢，易在土壤表面形成較厚的凋落物層，而較厚的凋落物層能有效減弱降雨對(duì)土壤的擊濺、侵蝕以及地表徑流的沖刷，減少土壤中水分蒸發(fā)，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，改善土壤理化特性[23-24]；而楓香純林的凋落物分解較快[20]，導(dǎo)致凋落物層較薄，對(duì)土壤的防護(hù)作用較小，且林分處于山麓，土壤受地表徑流影響較大，顆粒組成以不易流失的砂粒居多，土壤密度較大。

4.2 林分類型對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

參照全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[25]，PQ、PL和CA土壤有機(jī)質(zhì)、全氮均處于極高(1級(jí))水平，而QL和LF則為中上(3級(jí))水平；并且，典型林分土壤全磷處于極低(6級(jí))水平，全鉀則為低(5級(jí))水平，表明各林分生長(zhǎng)可能顯著受到土壤磷素和鉀素的限制。研究中PQ、PL和CA等林分土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于QL和LF等林分，這可能與土壤中黏粉粒比例以及碳氮比有關(guān)(圖1)。研究表明，土壤顆粒中黏粉粒比例越高，越易與有機(jī)質(zhì)形成礦質(zhì)復(fù)合體，進(jìn)而有利于土壤中碳、氮、磷素的固定與保存[26-27]；而碳氮比則與土壤礦化密切相關(guān)，低碳氮比的土壤礦化作用強(qiáng)烈，不利于有機(jī)質(zhì)的固存[28]。此外，土壤中鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同典型林分之間異質(zhì)性較小，可能是因?yàn)橥寥廊浿饕艹赏聊笌r的影響，易隨徑流損失，而來自林木選擇性吸收及凋落物歸還等差異的影響較小[29]。

土壤速效養(yǎng)分雖然含量較低，但能有效表征養(yǎng)分的可利用性。參照全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[25]，試驗(yàn)地速效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別處于中至極低(4～6級(jí))和極低(6級(jí))水平，表明典型林分土壤磷、鉀的可利用性較差。研究中PQ、PL和CA等林分土壤銨態(tài)氮含量低于QL和LF等林分，硝態(tài)氮?jiǎng)t剛好相反，這可能與土壤密度和林木的吸收偏好性有關(guān)。密度越大，總孔隙度就越小，土壤的通氣狀況就越差，導(dǎo)致了硝化抑制，利于銨態(tài)氮的累積，反之則利于硝態(tài)氮的累積[2，30]；另外，在酸性土壤中，一些針葉先鋒樹種(如馬尾松)具有對(duì)銨態(tài)氮的吸收偏好性[30-31]。

4.3 影響土壤理化性質(zhì)的其他因素

除林分類型外，林分密度和林齡也是影響土壤理化性質(zhì)的顯著性因素。賀志龍等[32]研究發(fā)現(xiàn)，在0～30 cm土層中，總碳、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在576～1 568株·hm-2的密度范圍內(nèi)均表現(xiàn)為隨林分(華北落葉松Larixprincipis-rupprechtii)密度增大而先增加后降低的總體變化趨勢(shì)。董聿森等[33]研究表明，在鹽堿海岸帶，中高密度(3 600～4 900株·hm-2)檉柳林(Tamarixchinensis)的土壤含水率、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和速效養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于低密度(2 200株·hm-2)檉柳林。邱新彩等[34]研究表明，在半干旱地區(qū)，油松(Pinustabulaeformis)人工林0～30 cm土壤含水率、有機(jī)質(zhì)、氮磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨林齡增大而逐漸增加，pH呈逐漸減小，并且土壤鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在14 a和28 a林分中顯著高于36 a與51 a林分。王飛等[35]研究表明，在干旱地區(qū)，隨林齡增加，胡楊林(Populuseuphratica)土壤含水率、黏粒含量、有機(jī)質(zhì)和全氮含量呈逐漸增加，粗砂粒含量則逐漸減少。這些研究表明，在合理的林分密度范圍內(nèi)，土壤某些理化性質(zhì)可隨林分密度和林齡的增加而得到改善。本研究中，所有典型林分的密度均為較長(zhǎng)時(shí)間(≥50 a)次生演替的結(jié)果，可認(rèn)為是當(dāng)前演替階段的合理林分密度，故而在相同氣候條件及相似的立地狀況下，擁有較大林分密度和林齡的典型林分一般具有較高的郁閉度、較厚的凋落物層以及更多的凋落物養(yǎng)分輸入，因而可能有利于土壤水分和某些養(yǎng)分(如有機(jī)質(zhì)、全氮和硝態(tài)氮等)維持在相對(duì)較高的水平。

5 結(jié)論

相比于地帶性櫟樹楓香落葉闊葉林與楓香純林，由馬尾松為先鋒樹種演替形成的馬尾松櫟樹、馬尾松楓香等針闊混交林，與地帶性樸樹糙葉樹混交林相似，具有良好的土壤質(zhì)地、養(yǎng)分狀況及其可利用性。冗余分析表明，林分類型、土層深度、林分密度和林齡是影響紫金山土壤理化性質(zhì)的關(guān)鍵因子。試驗(yàn)地土壤磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，可利用性較差，可能成為影響典型林分生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素。