不同人工林對土壤理化性質的影響*

張金旺,李鋼鐵,2*,宋向陽,王鵬飛,4,馬海波,董慧龍

(1.內蒙古農業大學,內蒙古 呼和浩特 010019；2.北京林業大學,北京 100083；3.內蒙古草原勘察設計院,內蒙古 呼和浩特 010051；4.內蒙古氣象局,內蒙古 呼和浩特 010051；5.內蒙古萬戈監理公司,內蒙古 呼和浩特 010010)

引言

國外對人工林土壤質量的研究已有100多年的歷史,主要集中于土壤質量變化的研究〔1〕。1833年和1869年德國對第二代云杉人工林進行了調查,發現連栽導致了林木生產力下降；1923年Weide-mann報道薩克松地區第二、三代云杉林產量下降非常嚴重；20世紀40年代,Rosa和Kasa發現瑞士和挪威也有類似情況發生〔2〕。然而,通過科學的管理和合理造林技術的實施,連栽不一定必然導致土壤質量衰退,只要經營措施得當,土壤質量還是有可能維持的〔3〕。另外,在某些情況下,人工林地的土壤質量高于其他類型的林地,甚至有助于土壤質量的提高。例如,印度喜馬拉雅森林研究所Verma的研究表明,人工林林下土壤肥力明顯好于退化林〔4〕。烏蘭察布市后山地區豆科草灌木的建植有助于土壤氮素的積累〔5〕。SuYongzhong在科爾沁沙地對不同年齡的小葉錦雞兒進行了土壤質量研究〔6〕,發現人工小葉錦雞兒的栽植有利于土壤水分的保持、可以提高土壤有機質的含量、全氮的積累、減少pH值和疏松土壤。

我國關于人工林土壤質量變化的研究始于上世紀五六十年代。通常營造人工林的土壤肥力較低,養分比例失調,不少造林樹種出現了生產力衰退現象,如杉木、桉樹、馬尾松、楊樹、長白落葉松、華山松林〔7〕。近10年來,我國研究認為人工林長期連續經營會導致土壤質量的下降〔8,9,10〕。盛煒彤對人工林地力衰退的原因及防治技術的研究成果進行了總結,發現不同樹種的人工林都不同程度地存在著林地土壤退化,生產力持續下降的趨勢〔11〕。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

試驗地選在內蒙古烏蘭察布市察哈爾右翼后旗(簡稱察右后旗)國有土牧爾臺林場。察右后旗位于內蒙古自治區中部,烏蘭察布市北部,地理坐標為 E:112°41°′～ 113°30′,N:40°04′～ 41°59′。察右后旗屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候,是典型的風蝕沙化干旱區。光資源豐富,熱量不足,晝夜溫差大,多風少雨,寒冷干旱,年均氣溫 1.3～4.7℃〔5〕,極端最高氣溫 34.5℃,極端最低氣溫 -35.2℃,年有效積溫2662～2804℃。歷年平均日照時數2986.2h。歷年平均降水量327.9mm,且降水主要集中在 7～9月份,占全年降水量的79.2%。歷年平均蒸發量2186.1mm,是降水量的6.5倍。歷年平均相對濕度54%。主風向為西北風,歷年平均大風日數61.3d,集中在 3～5月份,年平均風速 4～5.5米/秒〔5〕,最大風速 30.3米/秒。無霜期平均110d,最長132d,最短 84d。林場共包括14個斑塊狀林帶,總占地1200hm2。種植年份為1958～1961年,建植初始株行距為1m×2m,后經間伐變為1m×4m。最初林場在建植人工林時首選樹種是小葉楊,后因成活率低而改為榆樹,所以在一些榆樹林地內有部分存活下來的小葉楊呈帶狀或零星狀分布,小葉楊1958年種植,當年建植時株行距為1m×2m,后由于間伐,且林帶自身發生自疏現象,株行距很不規則。

1.2 樣地的設置

在試驗區內共設6個采樣區,每個采樣區設3個采樣點。A區設在低密度榆樹林地內(林內有楊樹帶穿插分布于其中),密度為940株/hm2；B區設在楊樹林帶內(穿插分布于榆樹林地內)密度為560株/hm2；C區設在楊樹林帶外緣(外緣為楊樹與錦雞兒帶的帶間空地)；D區設在大片分布規則的高密度榆樹林地內,榆樹林密度為 2500株/hm2；E區設在2個小林帶的帶間空地上；F區設在天然草地上,作為對照。

1.3 土樣的采集與分析

土壤剖面深度為50cm,分五層取土樣,即0～10cm、10cm ～ 20cm、20cm ～30cm 、30cm ～40cm 、40cm～50cm,取樣順序按照由下而上的順序按層次取樣,分別在各個土層的中間部分取土,每個土層取三個平行樣。所有樣品全部帶回實驗室進行室內風干,分出雜物處理后進行各指標的測定。分析指標包括土壤有機質含量、機械組成、pH值、全氮、速效氮、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀。測定方法〔12〕如表 1 。

表1 土壤性狀的測定方法

2 結果與分析

2.1 物理性質

土壤機械組成中砂粒、中粉粒和細粉粒含量在不同試驗區沒有顯著差異(P＞0.05)。土壤粗粉粒含量及細粘粒含量在不同試驗區有顯著差異。粗粉粒含量中,榆樹林帶間空地的最大,為24.11%,楊樹帶外緣的最小,為 19.01%,這兩個試驗區存在顯著差異(P＜0.05)；細粘粒含量中楊樹帶內的最大,為 13.1%,草地內的最小,為10.59%,這兩個試驗區存在顯著差異(P＜0.05)(表2)。

各試驗區土壤隨粒級的降低而降低,土壤砂粒含量最高,細粘粒含量最低。除粗粉粒含量中,榆樹林帶間空地明顯高于楊樹帶外緣；細粘粒含量中楊樹帶內明顯高于草地內,其他試驗區含量相差不明顯。根據中國土壤質地分類:細粘粒含量 ＜30%,粗粉粒含量＜40%,且砂粒含量＞20%,土壤質地屬于砂壤。

表2 不同試驗區土壤粒徑百分含量(%)

2.2 土壤化學性質

2.2.1 土壤有機質和PH值

土壤有機質含量變化在各試驗區存在顯著差異。土壤有機質含量分析中,A、D、E、F、與B、C區有顯著差異(P＜0.05)(圖1),即A 、D、E、F區的土壤有機質含量明顯高于B、C的土壤有機質含量。可見楊樹林樣地的土壤有機質含量比其他研究區的土壤有機質含量明顯低,楊樹林的生長使土壤有機質含量降低。楊樹林的平均土壤有機質含量為10.10g/kg,而對照草地的平均土壤有機質含量為17.97g/kg,相比較于對照草地,楊樹林的土壤有機質含量降幅為43.80%。全試驗區土壤有機質含量基本在10～20g/kg,在含量豐缺度〔13〕上屬于稍缺。由圖2可知,各試驗區都是隨著土層的深入有機質含量一直下降。D區的有機質含量降幅最大,其在第一土層的有機質含量為29.02g/kg,在第五土層的有機質含量為 7.15g/kg,降幅為75.36%。

表3 土壤養分各指標的等級劃分

土壤PH值在各試驗區也存在明顯差異。A區土壤PH值與B、D、E、F區存在顯著差異(P＜0.05)；C區與B、E、F區的土壤PH 值存在顯著差異(P＜0.05)(圖3)。意即低密度榆樹林帶內土壤PH值顯著高于楊樹林帶內、大片榆樹林帶內、榆樹林帶間空地、天然草地的土壤PH值,楊樹林帶外緣土壤PH值顯著高于楊樹林帶內、榆樹林帶間空地及天然草地的土壤PH值。就低密度榆樹林和楊樹林帶外緣與對照草地比較,可以說低密度榆樹林與楊樹林帶外緣均使土壤PH值升高；根據中國土壤的酸堿度劃分級別,該地區的土壤屬于堿性土壤。由圖4可知,在第1～2土層,土壤PH 值除F區外,其他各區均一致下降；在第 2～3土層,土壤PH值除B、C區外,其余各區均下降；在第3～4土層,各試驗區土壤PH值均升高；在第4～5土層,土壤PH值除C區外,其他各區均一致升高。

圖3 各試驗區土壤PH值差異性

圖4 各試驗區土壤不同深度PH值

2.2.2 土壤全氮和速效氮

土壤全氮和速效氮在各試驗區不存在顯著差異。土壤全氮含量隨土層深度的增加而降低。其中降幅最大的為D區,其在第l土層的全氮含量為0.34g/kg,在第5土層的全氮含量為0.09g/kg,降幅為 73.87%。全氮含量基本在 0.09～0.34g/kg之間,各試驗區從A到F的平均值分別為:0.22g/kg、0.12g/kg、0.11g/kg、0.21g/kg、0.19g/kg、0.20g/kg?？傮w上看全氮含量很低,在含量豐缺度上屬于極缺〔13〕。土壤速效氮含量在第1～2土層,除B、D區外,其他各試驗區均下降；在第2～3土層,A 、C、D區速效氮含量升高,B、E、F區速效氮含量下降；在第3～4土層,除 B、C區外,其他各試驗區均下降；在第4～5土層,除B、C外,其他各試驗區均升高。土壤速效氮含量基本在3～6mg/kg之間,各試驗區從A到F的平均值分別為:6.80mg/kg、3.51mg/kg、4.48mg/kg、3.78mg/kg、5.09mg/kg、5.30mg/kg。總體上看速氮含量也是很低,在含量豐缺度上屬于缺〔13〕。

圖5 各試驗區土壤不同深度全氮含量

圖6 各試驗區土壤不同深度速氮含量

2.2.3 土壤全磷和速效磷

土壤全磷和速效磷在各試驗區不存在顯著差異。土壤全磷在第1～2土層,C、D、E區降低,A、B、F區升高；在第2～3土層,除C區外,其他各試驗區均降低；在第3～4土層,除B、F區外,其他各試驗區均升高；在第4～5土層,除B區外,其他各試驗區均降低。土壤全磷含量基本在0.18～0.47g/kg之間,各試驗區從A到F的平均值分別為:0.38g/kg、0.33g/kg、0.25g/kg、0.35g/kg、0.36g/kg、0.29g/kg?？傮w看全磷含量很低,在含量豐缺度上屬于缺〔13〕。速效磷含量除在 30～40cm處有小的波動,整體趨勢是降低,且在第1～2土層降幅最大,其中E區從29.06mg/kg降到6.27mg/kg,降幅為78.44%。土壤速效磷含量基本在2.47mg/kg～12.22mg/kg之間,各試驗區從A到F的平均值分別為:4.38mg/kg、4.21mg/kg、6.23mg/kg 、3.55mg/kg 、8.55mg/kg 、5.91mg/kg 。速磷含量也很低,在含量豐缺度上屬于稍缺或缺〔13〕。

圖7 各試驗區土壤不同深度全磷含量

圖8 各試驗區土壤不同深度速磷含量

2.2.4 土壤全鉀和速效鉀

土壤全鉀和速效鉀在各試驗區不存在顯著差異。土壤全鉀在第1～2土層,除B、E區升高,其余各試驗區均下降；在第 2～3土層,除C、D區升高,其余各試驗區均下降；在第3～4土層,除 E區升高,其余各試驗區均下降；在第4～5土層,除 E、F區下降,其余各試驗區均升高；全鉀含量基本在16.61g/kg～30.71g/kg之間,各試驗區從A到F的平均值分別為:25.86g/kg、23.58g/kg、21.58g/kg 、22.99g/kg 、21.31g/kg 、22.95g/kg 在含量豐缺度上屬于稍豐〔13〕。速效鉀含量除在第1～2土層,A區有所升高,整體趨勢還是隨著土層深度的增加,各試驗區速效鉀含量下降。其中在第1～2土層,速效鉀含量下降幅度最大,降幅都在80%左右。速效鉀整體含量基本在 43.20mg/kg～246.98mg/kg之間,各試驗區從A到F的平均值分別為 :110.45mg/kg、63.98mg/kg、67.67mg/kg 、103.18mg/kg、73.16mg/kg、89.62mg/kg。在含量豐缺度上屬于中等〔13〕。

圖9 各試驗區土壤不同深度全鉀含量

圖10 各試驗區土壤不同深度速鉀含量

3 討論與結論

上述分析表明,不同種類、密度的人工林對土壤各營養元素有不同影響,其中,在有顯著差異的分析中,低密度榆樹林帶內(A區)土壤PH值顯著高于楊樹林帶內(B區)、高密度榆樹林帶內(D區)、榆樹林帶間空地(E區)、天然草地(F區)的土壤PH值,楊樹林帶外緣(C區)土壤PH值顯著高于楊樹林帶內(B區)、榆樹林帶間空地(E區)及天然草地(F區)的土壤PH值。就低密度榆樹林和楊樹林帶外緣與對照草地比較,可以說低密度榆樹林與楊樹林帶外緣均使土壤PH值升高；根據中國土壤的酸堿度劃分級別,該地區的土壤屬于堿性土壤。土壤有機質含量分析中,即低密度榆樹林帶內(A區)、高密度榆樹林帶內(D區)、榆樹林帶間空地(E區)、天然草地(F區)的土壤有機質含量明顯高于楊樹林帶內(B區)、楊樹林帶外緣(C區)的土壤有機質含量。可見楊樹林樣地的土壤有機質含量比其他研究區的土壤有機質含量明顯低,相比較于對照草地,楊樹林的生長使土壤有機質含量降低。在氮、磷、鉀方面,各研究區含量沒有顯著差異,基本是在第1～2土層降幅最大；除了全鉀含量屬于稍豐,速鉀含量屬于中等外,其他營養元素均低于全區平均水平。

通過對內蒙古察哈爾右翼后旗國有土木爾臺林場土壤理化性質的研究,結果表明:

(1)土壤粗粉粒含量中,榆樹林帶間空地的土壤粒徑明顯高于楊樹帶外緣；楊樹帶使土壤細粘粒含量增加,其他試驗區土壤粒徑含量相差不明顯。

(2)高密度榆樹林下及草地的土壤有機質要明顯高于楊樹林下的土壤有機質,但其有機質含量都低于全區非耕地土壤平均水平；楊樹林的生長使土壤有機質降低。

(3)高密度榆樹林下草地的土壤PH值明顯低于楊樹及小密度榆樹林帶的土壤PH值；低密度榆樹林與楊樹林帶外緣使土壤PH值升高。

(4)土壤氮、磷、鉀含量只有鉀含量相對可觀,氮、磷含量都處于全區非耕地土壤養分含量較低水平。

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