商洛地區(qū)不同林齡油松人工林土壤理化性質(zhì)研究

張 洋，劉 華，王得祥，王宇超，吳 昊，張麗楠，黃青平

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.陜西商南金絲峽管委會(huì)，陜西 商南726300）

油松（Pinus tabulae formis）為常綠喬木，是我國(guó)特有種，因其耐干旱、根系發(fā)達(dá)、抵御不利環(huán)境強(qiáng)的特點(diǎn)，在我國(guó)的華北、西北廣大地區(qū)都有分布，成為防風(fēng)和水土保持林營(yíng)造的主要樹(shù)種之一。油松也是我國(guó)暖溫帶濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)地帶性植被，在山地植被恢復(fù)中占據(jù)著極其重要的位置［1］，但是由于其造林密度偏大、經(jīng)營(yíng)管理粗放等原因，油松林分生長(zhǎng)衰退和地力退化現(xiàn)象嚴(yán)重［2－3］。秦嶺林區(qū)廣泛分布著油松天然次生林和人工林［4］，目前有關(guān)油松水分生理特征［5－7］、林分防止侵蝕功能［3，8－11］和水文生態(tài)特征［12－15］方面的研究報(bào)道較多，但是，有關(guān)油松人工林土壤養(yǎng)分時(shí)空特征的研究還并不多見(jiàn)。本研究以秦嶺南坡商洛地區(qū)油松人工林為研究對(duì)象，調(diào)查和測(cè)定不同林齡土壤養(yǎng)分特征的變化規(guī)律，旨在揭示油松林在演替過(guò)程中養(yǎng)分變化的動(dòng)態(tài)特征，為該地區(qū)油松人工林的地力恢復(fù)、科學(xué)經(jīng)營(yíng)和管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西商洛地區(qū)，屬秦嶺南坡，地理位置在東經(jīng)108°34′20″—111°1′25″，北緯33°2′30″—34°24′40″，總面積19 293km2，地跨長(zhǎng)江黃河兩大流域［16］，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，呈現(xiàn)出四季分明，雨熱同季，冬干夏濕，干濕分明的氣候特征。年平均氣溫7.8～13.9℃，極端最高氣溫40.8℃，極端最低氣溫－21.6℃。降水量年均710～930mm，日照1 860～2 130h，無(wú)霜期為210d。植被具有從南向北過(guò)渡的特征，主要有落葉闊葉混交林、松櫟混交林等，人工林有油松林、栓皮櫟林、板栗林及藥用木本植物等。土壤類型以黃棕壤為主。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

2009年5月至6月于商洛地區(qū)商南、洛南、丹鳳三縣設(shè)置立地條件相似的20m×20m油松人工林樣地12塊，林齡分別為16，19，22，27，30，33a，進(jìn)行群落結(jié)構(gòu)調(diào)查以及土壤采集和分析。試驗(yàn)樣地概況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)地概況

2.2 森林群落結(jié)構(gòu)調(diào)查

在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)對(duì)所有喬木進(jìn)行每木檢尺，測(cè)定各株胸徑、樹(shù)高、枝下高、冠幅和群落郁閉度等林分特征，對(duì)林下植被做生物學(xué)調(diào)查。記錄樣方內(nèi)灌木和草本的物種組成、數(shù)量、蓋度、高度和地徑。

2.3 土壤樣品采集與測(cè)定

在每個(gè)樣地進(jìn)行每木檢尺的基礎(chǔ)上找出標(biāo)準(zhǔn)木，并在標(biāo)準(zhǔn)木下挖掘采樣的土壤剖面。每個(gè)樣地選取3個(gè)剖面，由上向下分3個(gè)層次（0—20cm，20—40 cm，40—60cm）取樣，取完土樣依次回填。將取回的土樣在自然條件下陰干，除去石塊、根系和土壤動(dòng)物等雜物后磨碎，然后分別過(guò)篩，用于土壤養(yǎng)分的測(cè)定。

按常規(guī)方法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效氮、速效鉀含量［17］以及pH值。有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；全氮采用硫酸消解—流動(dòng)注射測(cè)定；全磷采用硫酸消解—流動(dòng)注射分析儀測(cè)定；全鉀采用硫酸消解—火焰光度計(jì)測(cè)定；速效氮采用1mol氯化鉀浸提流動(dòng)注射分析儀測(cè)定；速效磷采用0.5mol／L碳酸氫鈉—722分光光度計(jì)測(cè)定；速效鉀采用1mol乙酸氨浸提—火焰光度計(jì)法測(cè)定；pH值用梅特勒pH計(jì)測(cè)定。

2.4 數(shù)據(jù)處理方法

運(yùn)用SPSS 17.0軟件對(duì)不同林齡油松人工林土壤理化性質(zhì)進(jìn)行單因素方差分析；用Correlate的Bivariate分析各理化性質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤理化性質(zhì)與林齡的關(guān)系

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是森林生態(tài)過(guò)程的物質(zhì)基礎(chǔ)［18－19］，其理化性質(zhì)是表征土壤肥力的重要指標(biāo)，對(duì)森林生產(chǎn)力具有重要影響。

3.1.1 0—20cm土壤理化性質(zhì)變化規(guī)律 由表2可知，16，19，22，27，30，33a生油松人工林0—20cm土壤有機(jī)質(zhì)、全氮的平均含量以及pH值均呈逐漸遞減趨勢(shì)，而全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀的平均含量則表現(xiàn)出一定的波動(dòng)。其中，有機(jī)質(zhì)和全氮含量的變化較為明顯，33a生林分較16a生分別減少了28.62%和30.77%，土壤pH值則變化輕微，只減小了13.89%。

由方差分析可知，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀的含量以及pH值（p值均小于0.01）隨林齡均有顯著性差異。經(jīng)回歸分析和統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)，除全鉀含量與林齡不相關(guān)外（p＞0.05），其他各指標(biāo)均與林齡顯著相關(guān)。

3.1.2 20—40cm土壤理化性質(zhì)變化規(guī)律 由表2可知，16，19，22，27，30，33a生油松人工林20—40cm土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和pH值隨林齡逐漸減少，三個(gè)指標(biāo)33a生林分分別較16a生減少了20.20%，46.99%和12.45%，其他各指標(biāo)則表現(xiàn)出一定的波動(dòng)。經(jīng)方差分析，除速效鉀（p＝0.045）隨林齡未達(dá)到極顯著

的差異外，其他各指標(biāo)均達(dá)到極顯著的差異，速效鉀含量與林齡相關(guān)性不顯著（p＞0.05）。

3.1.3 40—60cm土壤理化性質(zhì)變化規(guī)律 由表2可知，16，19，22，27，30，33a生油松人工林40—60 cm土壤各指標(biāo)均未呈現(xiàn)明顯變化規(guī)律，方差分析結(jié)果顯示，除全鉀（p值為0.098）外，速效氮、速效鉀隨林齡呈現(xiàn)顯著差異，其余各指標(biāo)達(dá)到極顯著水平。但經(jīng)回歸分析和統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)，只有全氮、速效氮和pH與林齡顯著相關(guān)，其余各指標(biāo)與林齡相關(guān)性不顯著（p＞0.05）。

表2 0－60cm土壤理化性質(zhì)

3.2 土壤各理化性質(zhì)之間的相關(guān)性分析

土壤是植物群落的主要環(huán)境因子之一，其理化性質(zhì)影響著植被發(fā)生、發(fā)育和演替的速度，同時(shí)也會(huì)隨著植被的演替而發(fā)生變化。土壤的酸堿度及有機(jī)質(zhì)含量直接或間接影響著土壤其他各種營(yíng)養(yǎng)元素的有效性。由表3可知，有機(jī)質(zhì)與全氮以及pH之間存在著顯著（0.05水平）正相關(guān)關(guān)系，全氮與pH之間相關(guān)性則達(dá)到極顯著（0.01水平）。其他各指標(biāo)之間無(wú)明顯的相關(guān)性。

表3 土壤養(yǎng)分與pH值之間的相關(guān)性

4 結(jié)論與討論

林地生產(chǎn)主要靠土壤自然肥力，一方面土壤為林木生長(zhǎng)提供養(yǎng)分，另一方面林木生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中通過(guò)凋落物和根系分泌物等的作用，對(duì)林地土壤肥力產(chǎn)生明顯的作用［20］。由研究結(jié)果可知，隨林齡的增加，油松人工林土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量及pH值在0—40cm土層深度下呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，40—60cm土層深度下，全氮含量及pH值也呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。原因可能是表層為土壤動(dòng)物和微生物種群數(shù)量最多、植物根系密度最大的一層，土層越深，微環(huán)境越差，越不利于土壤動(dòng)物、微生物生存及植物根系的生長(zhǎng)，因此從表層到深層，有機(jī)養(yǎng)分產(chǎn)生量逐漸減少，生物固氮作用減弱和生物殘?bào)w減少，致使土壤有機(jī)質(zhì)、氮素含量減少。

隨著林齡的增加，有機(jī)質(zhì)、全氮等營(yíng)養(yǎng)元素的含量逐漸減少，這與李國(guó)雷等［1］以及展軍禮等［21］的研究結(jié)果一致。從油松生活周期來(lái)看，16，19，22a生的油松人工林還基本上處于幼齡林階段，林分前一段的發(fā)育是由單株向郁閉方向發(fā)展，個(gè)體間競(jìng)爭(zhēng)較為平緩，林分對(duì)土壤肥力要求較低。而27，30，33a生油松土壤養(yǎng)分降低的最直接原因可能有兩個(gè)：其一是27，30，33a生油松造林密度較幼齡林大，養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)激烈，經(jīng)過(guò)近30a的生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)土壤肥力消耗過(guò)大導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降；其次，油松中齡林、近熟林的針葉中與分解速率密切相關(guān)的木質(zhì)素／N或C／N增大，導(dǎo)致凋落物分解速度緩慢，養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程漫長(zhǎng)，養(yǎng)分的補(bǔ)給速度慢于植物吸收的速度，從而最終導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)元素含量的降低。pH值隨林齡的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，這可能是由于林地內(nèi)物種過(guò)于單一，針葉樹(shù)種比例太大，土壤表層的枯枝落葉以針葉為主，這些凋落物在長(zhǎng)期的分解過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生大量單寧、有機(jī)酸等酸性物質(zhì)，降低了土壤的pH值，這一變化趨勢(shì)與李國(guó)雷等［1］、耿曾超等［22］的研究結(jié)果一致。但李國(guó)雷、耿增超等的研究結(jié)果并未出現(xiàn)土壤酸化，這可能有兩方面的原因：首先，研究區(qū)所處的地理環(huán)境不同，土壤質(zhì)地本身存在差異，加上氣候條件的不同造成土壤表層微生物活動(dòng)的差異，而最終導(dǎo)致pH值的變化趨勢(shì)不同；其次，人工林不同的經(jīng)營(yíng)措施和人為干擾也會(huì)造成土壤pH值的差異。

土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)關(guān)系對(duì)于分析土壤肥力有重要的意義，可作為土壤肥力觀測(cè)和評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)對(duì)指導(dǎo)森林的合理經(jīng)營(yíng)具有重要作用。對(duì)油松人工林土壤養(yǎng)分指標(biāo)之間相關(guān)分析結(jié)果表明，有機(jī)質(zhì)、全氮、pH值之間均有不同程度的相關(guān)性。這與劉世全等［23］、張振國(guó)等［24］的分析研究結(jié)果較為一致。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中各種營(yíng)養(yǎng)元素特別是氮的重要來(lái)源，表層凋落物以及動(dòng)物殘?bào)w的分解會(huì)在一定程度上增加N的水平，因此，有機(jī)質(zhì)與全N表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性。酸堿度的大小影響土壤表層微生物酶的活性，進(jìn)而影響到其對(duì)土壤表層凋落物和動(dòng)物殘?bào)w的分解，因此，有機(jī)質(zhì)、全氮均表現(xiàn)出與pH值的顯著相關(guān)性。

本文按照傳統(tǒng)習(xí)慣將林分按年齡分組進(jìn)行討論，發(fā)現(xiàn)不同林齡油松人工林之間土壤的理化性質(zhì)存在顯著性差異，并呈現(xiàn)出不同變化規(guī)律。這為我們今后對(duì)油松人工林近自然經(jīng)營(yíng)與改造提供了理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。但是，林齡對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，本文只是從宏觀尺度認(rèn)識(shí)它們之間的變化規(guī)律，還未涉及它們之間的深入關(guān)系，如林齡是怎樣造成土壤微生物活動(dòng)和枯枝落葉分解的不同，從而進(jìn)一步造成土壤肥力不同。關(guān)于這些問(wèn)題，還需要廣大科研工作者繼續(xù)深入探討。

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