密度調(diào)控對杉木人工林土壤理化性質(zhì)的影響1)

汪星星 廖文海 左曉東 范福金 曹光球 曹世江

(國家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心(福建農(nóng)林大學)，福州，350002)(福建省洋口國有林場)(國家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心(福建農(nóng)林大學))

林分密度是指在單位面積中栽種的植物數(shù)量，直接或間接的影響森林生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境因素，如光照、溫度、濕度等，進而對植物生長、林下植被組成以及林內(nèi)小環(huán)境產(chǎn)生影響。適宜的林分密度不僅會促進林下植被生長、維護林地植被多樣性，還可以起到保水保肥的作用[1-2]。林分密度作為主要的營林措施，不僅對于林木的生長和形態(tài)產(chǎn)生影響[3]，而且對森林系統(tǒng)的功能產(chǎn)生重要影響。土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，為林木健康的生長發(fā)育提供必備的營養(yǎng)物質(zhì)，不同植物的生長發(fā)育對土壤的養(yǎng)分的需求具有差異，從而導致土壤養(yǎng)分產(chǎn)生不同的變化；不同植物對于土壤養(yǎng)分的吸收不同，從而影響了森林生態(tài)系統(tǒng)物種的組成，進而影響土壤養(yǎng)分的穩(wěn)定性。林分密度對于森林土壤含水率具有重要影響，隨著林分密度的增長，土壤蓄水能力越強，當林分密度達到一定閾值時，土壤的土壤蓄水能力趨于平穩(wěn)[4]。土壤的養(yǎng)分同樣受到林分密度的影響，如土壤有機質(zhì)、速效鉀、酶活性等隨著林分密度的降低呈現(xiàn)出先增后減得趨勢[5-8]。目前，關(guān)于林分密度對樹木生長和生物量影響等方面進行了研究[9-10]，由于樹種、樹齡、分布地理位置的差別，其結(jié)果存在較大的差異。尹曉雷等[11]對于不同管理模式下的茶樹的C、N、P含量和化學計量比做出研究，認為間作套種模式可以改善植物對養(yǎng)分的吸收；馮德楓等[12]對土壤C、N、P化學計量比的影響因素做出研究認為，土壤w(N)∶w(P)和w(C)∶w(P)隨土壤深度而遞減，土壤的化學計量比隨土層深度、海拔、緯度等因素的影響而產(chǎn)生不同程度的變化。因此，分析林分密度與土壤深度的交互作用對土壤C、N、P等化學計量特征產(chǎn)生的變化機制，可為土壤化學計量學的深入研究提供科學依據(jù)。

杉木(Cunninghamialanceolata)由于其生長快、病蟲害少等特點，在南方地區(qū)廣泛種植[13-14]，由于種植密度過大導致土壤肥力缺失，林木生長緩慢，水土流失嚴重等。因此，以杉木人工林為研究對象，探究不同林分密度下杉木人工林土壤理化性質(zhì)和生物量，揭示不同林分密度下土壤養(yǎng)分的變化規(guī)律，為該區(qū)域杉木人工林土壤肥力的維護提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省洋口國有林場(118°14′～118°17′E，27°32′～27°35′N)，該林場位于武夷山脈北段東南側(cè)，屬于中亞熱帶氣候，林場地形以低山丘陵為主，海拔600 m，處于黃壤、紅壤交接帶，土層肥沃，坡度25°，年均降水量2 000 mm，主要集中在3—8月份，無霜期可達310 d，夏季平均氣溫28.5 ℃；冬季平均溫度19 ℃，年均蒸發(fā)量1 400 mm。該地的優(yōu)勢樹種為杉木，林下灌木主要為鹽膚木(Rhuschinensis)、苦竹(Pleioblastusamarus)；草本主要有烏毛蕨(Blechnumorientale)、烏蕨(Stenolomachusana)五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)等。

2 研究方法

2.1 樣地設置及調(diào)查方法

該研究林地為2008年種植的杉木人工純林，其初始密度為1 500株/hm2，于2018年進行林分密度控制措施，采用完全隨機區(qū)組試驗設計，隨機設置3個區(qū)組，每個區(qū)組設置3個樣地：樣地1(林分密度為750株/hm2)、樣地2(林分密度為1 200株/hm2)、樣地3(林分密度為1 500株/hm2)，共設置9塊樣地(20 m×20 m)，各樣地的數(shù)據(jù)取3個區(qū)組的平均值(見表1)。

表1 樣地基本情況

2.2 樣品采集

林木生長指標的測定：對樣地內(nèi)的喬木層進行每木檢尺，記錄其樹高、胸徑、冠幅等。

土壤樣品采集與處理：于2020年10月進行土壤樣品采集，在每塊樣地中按照正品字型挖上、中、下坡的3個坡位的垂直土層(h)，分別取0

2.3 土壤理化測定

采用干燥法測定土壤的含水量；土壤的物理性質(zhì)采用環(huán)刀法測定；電位法測定土壤pH；土壤有機碳采用重鉻酸鉀水合加熱法測定；全氮(TN)質(zhì)量分數(shù)用凱氏法，全磷(TP)質(zhì)量分數(shù)用酸溶-鉬銻抗比色法。

2.4 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel 2019和SPSS 26.0軟件進行數(shù)據(jù)分析；采用單因素方差分析和多重比較(LSD)法分析不同林分密度下各層土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)之間的差異。用雙因素方差法分析林分密度和土壤深度及兩者的交互作用對土壤理化性質(zhì)的影響，并將其理化性質(zhì)均值進行比較。用變異系數(shù)表示土壤養(yǎng)分的變異程度，計算公式為：VC=(DS/M)×100%。式中：VC表示變異系數(shù)；DS表示各指標的標準差；M表示各指標的平均值[15]。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分密度的杉木人工林土壤養(yǎng)分特征

由表2可知,20 cm

表2 不同林分密度下杉木人工林土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)

由表3可知，按照變異等級的劃分標準(CV<10%為弱變異性，10%≤CV≤100%為中等變異性，CV>100%為強變異性)[17]，除土壤全磷在低林分密度和高林分密度的中層土壤呈現(xiàn)弱變異性之外，各林分密度下的不同深度層次土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)變異系數(shù)均大于10%，呈中等變異性。

表3 不同林分密度下杉木人工林土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)的變異系數(shù)

3.2 不同林分密度的杉木人工林土壤環(huán)境特征

土壤pH值受其氣候、地形、母質(zhì)、植被等因素的影響而產(chǎn)生變化[18]。作為土壤緊實度的敏感性指標的土壤密度與林分密度呈現(xiàn)出相反的趨勢；土壤的毛管持水量、最大持水量、最小田間持水量作為土壤含水率的水分狀況指標，常受到如氣候、地形等外界環(huán)境的影響[19]。

由表4可知，不同林分密度下土壤pH值隨林分密度增大而增大，但差異不顯著(p>0.05)；各樣地毛管持水量隨林分密度變化而減小，樣地3的毛管持水量分別與樣地1、樣地2差異顯著(p<0.05)；土壤最大持水量樣地1顯著高于樣地2和樣地3(p<0.05)，樣地2與樣地3之間差異不顯著(p>0.05)；土壤最小田間持水量也與土壤毛管持水量的趨勢一致。

表4 不同林分密度下杉木人工林土壤的環(huán)境特征

3.3 林分密度與土壤深度對杉木人工林土壤理化性質(zhì)的雙因素方差分析

由表5可知，林分密度與土壤深度對土壤其他養(yǎng)分的影響不顯著(p>0.05)，但對土壤全磷(TP)質(zhì)量分數(shù)的變化影響顯著，兩者的交互作用對土壤全磷(TP)質(zhì)量分數(shù)影響不顯著。除土壤TP和pH外，土壤深度的F值在均大于林分密度，因此，土壤深度對土壤化學性質(zhì)的影響比林分密度明顯。結(jié)合雙因素分析中均值，林分密度750株/hm-2的土壤的持水率最大。

表5 林分密度和土壤深度對杉木人工林目標樹土壤化學性質(zhì)影響的雙因素方差分析

3.4 不同林分密度對杉木人工林土壤C、N、P生態(tài)化學計量比的影響

由表6可知，各樣地土層之間土壤的w(C)∶w(N)平均值有所差異。具體而言，低林分密度的w(C)∶w(N)平均值呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，而其余兩種林分密度處理下的w(C)∶w(N)整體隨著土層的加深而減?。徊煌翆油寥乐g的w(C)∶w(N)無顯著差異；不同土層土壤w(C)∶w(P)之間也有不同趨勢，在中等林分密度處理下，土壤w(C)∶w(P)隨著土層的加深而上升，其余兩種林分密度各土層土壤的w(C)∶w(P)呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，10 cm

表6 不同林分密度的杉木人工林土壤的養(yǎng)分的生態(tài)化學計量特征

3.5 土壤環(huán)境因子對杉木人工林土壤C、N、P質(zhì)量分數(shù)及其生態(tài)化學計量比的影響

由圖1A可知，0

圖1 環(huán)境因子與杉木人工林各層土壤C、N、P質(zhì)量分數(shù)及其生態(tài)化學計量之間的主成分分析(PCA)及其相關(guān)性

由圖1B可知，10 cm

由圖1C可知，前兩個主成分累計方差貢獻率為67.1%，表明提取的前兩個主成分是影響杉木人工林20 cm

4 討論與結(jié)論

不同土層之間土壤性質(zhì)的差異反映出土壤性質(zhì)在垂直剖面上的空間變異程度[20]。同一林分密度下，不同深度的土壤養(yǎng)分隨著土層深度的增加，土壤有機碳、全氮、全磷質(zhì)量分數(shù)均隨土壤深度的增加而減小，土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)具有明顯的“表聚性”特征，不同林分密度杉木人工林各土層土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的差異不顯著(p>0.05)，但表現(xiàn)為低密度杉木人工林土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)最高，與有關(guān)的研究[21-22]結(jié)果相一致。主要原因是土壤微生物主要在表層活動，以及森林凋落物的分解、有機質(zhì)的淋溶，植物根系不斷吸收土壤中的養(yǎng)分，導致土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)隨土壤自上而下逐漸減少[15，23-24]。當林分密度增大時，0

在植物生長過程中，植物為了適應外部環(huán)境的變化以及自身生長的需求，將營養(yǎng)元素按照特定的比例分配給不同器官，形成外部環(huán)境和自身生長特性相匹配的分配規(guī)律。在本研究中，3種林分密度、林分密度與土層相互作用均對杉木人工林土壤的C、N、P分配產(chǎn)生了顯著影響，說明林分密度對杉木人工林土壤的養(yǎng)分的吸收及分配具有重要影響。土壤的養(yǎng)分含量絕大部分取決于外部供給量，土壤的淋溶作用使養(yǎng)分在各土層間移動。在各土層中，杉木人工林土壤的養(yǎng)分呈現(xiàn)出中等變異，原因是受土壤淋溶過程的影響，土壤養(yǎng)分的后效較為穩(wěn)定[27]。N、P是植物生長發(fā)育的重要大量元素，也是蛋白質(zhì)、核酸等主要大分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)成分。在正常情況下，植物體內(nèi)的N、P質(zhì)量分數(shù)及其化學計量關(guān)系維持在一個穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。高林分密度下，杉木土壤提高了對C、N的吸收，對P的吸收產(chǎn)生了小幅度的下降趨勢，除高林分密度處理下的10 cm

本研究中，同林分類型不同林分密度之間，杉木人工林各土層土壤的w(C)∶w(N)均無顯著差異，且在土層垂直分布上也無明顯規(guī)律，說明土壤w(C)∶w(N)比較穩(wěn)定，受林分密度的影響較小[29]。研究區(qū)杉木人工林在高、中、低密度下土壤的w(C)∶w(P)平均值分別為13.38、22.06、34.38；杉木人工林高密度處理比低密度處理的20 cm

通過對比不同林分密度的杉木人工林土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)的變化以及環(huán)境因子對其產(chǎn)生的影響，選擇合適的林分密度，使杉木人工林生長良好，既可以維持該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤養(yǎng)分特征，也可以獲得良好的經(jīng)濟和生態(tài)效益；土壤中的C、N、P質(zhì)量分數(shù)以及化學計量比可作為衡量土壤肥力的指標。此外，土壤的養(yǎng)分分配特征受到土壤深度和環(huán)境因素的影響，因此，不同林分密度下，不同群落特征對土壤養(yǎng)分的動態(tài)存在顯著影響。本文的研究揭示了不同林分密度下土壤的理化性質(zhì)的變化，分析林分密度對土壤養(yǎng)分的影響程度，但是實驗只設置了3個林分密度，所得出的數(shù)據(jù)和結(jié)論具有一定差異。因此，在后續(xù)研究中，應設置多個林分密度，還應考慮微生物的活動、林下植被的組成等其他環(huán)境因子對土壤養(yǎng)分的影響因素。