不同密度華北落葉松林天然林土壤養分特征研究

賀志龍，張蕓香，郭躍東，楊三紅，任達，丁繼偉，郭晉平

1. 山西農業大學林學院，山西 太谷 030801；2. 山西農業大學研究生院，山西 太谷 030801

不同密度華北落葉松林天然林土壤養分特征研究

賀志龍1，張蕓香1，郭躍東1，楊三紅1，任達1，丁繼偉1，郭晉平2*

1. 山西農業大學林學院，山西 太谷 030801；2. 山西農業大學研究生院，山西 太谷 030801

采用樣地調查和土壤采樣分析方法，對五臺山地區華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）天然林土壤養分特征進行研究，探討不同林分密度華北落葉松天然林土壤養分特征，旨在為華北落葉松天然林的可持續經營提供理論依據。結果表明，林下土壤總碳、銨態氮和速效鉀含量在0～10、10～20、20～30 cm土層之間的差異顯著，表現出明顯的由上到下遞減的趨勢；土壤硝態氮和速效鉀含量在土層之間的差異不顯著，但土壤硝態氮含量也在一定程度上表現出土層之間由上到下遞減的趨勢；土壤速效磷含量在各土層之間的差異最不顯著，但中層略高于表層和下層。在不同土層中，不同林分密度的土壤養分特征存在差異。在0～10、10～20、20～30 cm土層中，土壤總碳、硝態氮、銨態氮、速效鉀含量在576～1 568 plant·hm-2密度范圍內都表現為隨林分密度的增大而先增加后降低的總體變化趨勢；速效磷含量則分別表現為：表層先增加后減少，中層緩慢減少，下層先減少后增加。林分密度對表層土壤養分影響最為明顯，隨著土壤深度加深，營養元素對林分密度的響應發生改變。當華北落葉松天然林林分密度為896～1 216 plant·hm-2時，0～30 cm深度土壤的總碳、硝態氮、銨態氮、速效鉀、速效磷保持在相對較高的水平，以土壤養分為評價指標，研究地區華北落葉松天然林適宜的保留密度為896～1 216 plant·hm-2。

華北落葉松天然林；土壤養分特征；林分密度；養分垂直分布

森林土壤是森林生態系統中環境與生物相互作用的產物，也是能量和物質交換的重要場所（楊承棟，2008）。森林土壤養分含量直接影響森林生長及林分質量（鄭姍姍等，2014）。掌握森林土壤養分特征，可以為提高林地生產力，合理利用土壤資源，實現森林可持續經營提供科學依據。國內外大量研究表明，環境變量對林地土壤養分特征表現出不同的影響，土壤養分分布可能與樣地海拔、坡度、坡位、土壤類型、土壤質地、林齡、林分密度、林下植被以及優勢樹種組成等多種因素有關（杜虎等，2016；Kardol et al.，2010）。林分密度通過直接或間接作用影響森林土壤養分特征，林分密度適中的馬尾松（Pinus massoniana）林可以在一定程度上改善林下土壤肥力（趙汝東等，2012）；40年生華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）人工林林分密度在1500～2000 plant·hm-2時，可以維持林地土壤健康（孫嘉等，2011）；長白山落葉松天然林林分密度為800～880 plant·hm-2，土壤多種養分質量分數高于其他林分密度的（劉玲等，2013）。

華北落葉松是我國暖溫帶地區亞高山森林類型的主要樹種之一，其天然林在華北地區分布廣泛，研究和掌握不同林分密度華北落葉松天然林土壤養分特征，對實現華北落葉松天然林可持續經營，提高我國華北地區天然林生態恢復速度和質量，維持森林生態系統穩定性具有重要意義。本文以五臺山地區伯強林場華北落葉松天然林為研究對象，采用樣地調查與土壤樣品室內分析相結合的方法，通過在不同密度林分中設置調查樣地，分層取樣測定林下土壤全碳、硝態氮、銨態氮、速效鉀、速效磷含量，探討不同林分密度華北落葉松天然林土壤養分的分布特征，以期為華北落葉松天然林林分密度調控和林地養分管理提供理論依據。

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于山西省五臺山國有林管理局伯強林場的太平溝作業區（39°04′N，113°38′E），處于太行山北段的五臺山北坡，海拔1950～2450 m，屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均溫度8 ℃，年降水量500～600 mm，霜凍期10月上旬—次年4月中旬，無霜期160 d。土壤以褐土為主，有少量棕壤分布。主要森林植被為華北落葉松林、云杉（Picea asperata mast）林、油松（Pinus tabulaeformis）林和楊樺林等，喬木樹種主要有華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）、云杉、油松、白樺（Betula platyphylla）、青楊（Populus cathayana）、山楊（Populus davidiana），主要灌木樹種有繡線菊（Spiraea salicifolia）、虎榛子（Ostryopsis davidiana）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、黃刺玫（Rosa xanthina）、荊條（Vitex negundo）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、照山白（Rhododendron micranthum）和螞蚱腿子（Myripnois dioica）等，主要草本為苔草（Carex sp.）、蒿草（Kobresia sp.）、羊草（Leymus chinensis）和太行菊（Opisthopappus taihangensis）等（張光燦等，2007）。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置與采樣

2015年9月中旬，在研究區華北落葉松天然林中，選擇成土母質和土壤發育狀況基本相同，坡向、坡位和坡度等地形條件基本一致，林齡為60～74 a、林分密度為576～1568 plant·hm-2的林分設置9塊試驗標準地，面積25 m×25 m，樣地具體情況見表1。在每塊標準地內按“品”形布設3個采樣點，每個采樣點挖掘3個土壤剖面，按0～10、10～20、20～30 cm分層采集土壤樣品，并將每個采樣點的3個土壤剖面的分層樣品混合，然后用四分法取樣500 g，用塑封袋帶回實驗室待測（杜有新等，2013）。共采集土樣81份。

1.2.2 樣品處理與分析

待測土樣置于陰涼通風處自然風干，磨細后過60目篩待測。土壤總碳采用K2Cr2O7外加熱法；新鮮土樣銨態氮和硝態氮含量分別采用2 mol·L-1KCL浸提-靚粉藍比色法和酚二磺酸比色法測定；土壤pH測定采用pH計法，土水質量比為1∶2.5；速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀含量采用醋酸銨浸提-火焰光度計法測定（耿玉清等，2007）。

1.2.3 數據處理

運用Excel進行數據處理，采用SPSS 17.0單因素方差分析（ANOVA）和多重比較（Turkey法）評價不同土層土壤理化性質和不同林分密度土壤養分特征。

2 結果與分析

2.1 土壤養分的垂直分布特征

對土樣養分測定數據，按不同土層進行統計分析，結果見表2。

由表2可知，林下土壤總碳、銨態氮和速效鉀含量在3個土層之間的差異顯著，表現出明顯的由上到下遞減的趨勢；土壤硝態氮和速效鉀含量在土層之間的差異不顯著，但土壤硝態氮含量也在一定程度上表現出土層之間由上到下遞減的趨勢；土壤速效磷含量在各土層之間的差異最不顯著，但顯示中層略高于表層和下層。具體來說，0～10 cm與20～30 cm土層的總碳含量差異顯著（P＜0.05），0～10 cm土層的銨態氮含量顯著（P＜0.05）高于10～20 cm和20～30 cm土層，而硝態氮、速效鉀、速效磷含量在土層間的差異不顯著（P＞0.05）。

表1 樣地概況Table 1 General information of test plots

表2 不同土層的土壤養分含量Table 2 Soil nutrients in different soil layers

2.2 林分密度對土壤養分含量和分布的影響

分別對3個土層的土壤養分含量按林分密度進行統計分析，結果見表3～表5。

在土壤表層（0～10 cm），土壤總碳、硝態氮、銨態氮、速效鉀和速效磷含量在576～1568 plant·hm-2密度范圍內都表現為隨林分密度的增大而先增加后降低的總體變化趨勢。其中，總碳和硝態氮都以林分密度896 plant·hm-2最高，速效鉀含量以林分密度848 plant·hm-2最高，銨態氮含量以林分密度1216 plant·hm-2最高，速效磷含量以林分密度848～896 plant·hm-2最高。

在土壤中層（10～20 cm），土壤總碳、硝態氮、銨態氮、速效鉀含量在576～1568 plant·hm-2密度范圍內都表現為隨林分密度的增大而先增加后降低的總體變化趨勢。其中，總碳、硝態氮和速效鉀含量都以林分密度896 plant·hm-2最高，銨態氮含量以林分密度1216 plant·hm-2最高。速效磷含量在576～1568 plant·hm-2林分密度范圍內表現為隨密度增大而緩慢降低的趨勢，最高值出現在576～656 plant·hm-2的低密度林分中。

在土壤下層（20～30 cm），土壤總碳、硝態氮、銨態氮、速效鉀含量在576～1568 plant·hm-2密度范圍內都表現為隨林分密度的增大而先增加后降低的總體變化趨勢。其中，總碳含量以林分密度1216plant·hm-2最高，硝態氮和銨態氮含量均以林分密度896 plant·hm-2最高，速效鉀含量以林分密度1072 plant·hm-2最高；速效磷含量在576～1568 plant·hm-2密度范圍內表現為中等密度較低，高密度略有增加。

表3 不同林分密度華北落葉松天然林表層（0～10 cm）土壤養分含量Table 3 Nutrient contents in (0～10 cm) soil layers of different stand densities of natural Larix principis-rupprechtii

表4 不同林分密度華北落葉松天然林中層（10～20 cm）土壤養分含量Table 4 Nutrient contents in (10～20 cm) soil layers of different stand densities of natural Larix principis-rupprechtii

表5 不同林分密度華北落葉松林下層（20～30 cm）土壤養分含量Table 5 Nutrient contents in (20～30 cm) soil layers of different stand densities of natural Larix principis-rupprechtii

對不同林分密度華北落葉松林下0～30 cm土層的土壤總碳、硝態氮、銨態氮、速效鉀、速效磷含量進行方差分析和多重比較，結果見表6。

在0～30 cm土壤中層，土壤總碳、硝態氮、銨態氮、速效鉀含量在576～1568 plant·hm-2密度范圍內都表現為隨林分密度的增大而先增加后降低的總體變化趨勢。其中，總碳、硝態氮和速效鉀含量都以林分密度896 plant·hm-2最高，銨態氮含量以林分密度1216 plant·hm-2最高；速效磷含量在576～1568 plant·hm-2密度范圍內變化不大，隨著林分密度的增加略有下降。

3 結論與討論

3.1 討論

森林生態系統土壤有機質和養分常表現出明顯的垂直分布特征，且因營養成分的屬性不同而具有顯著差異（鄧小軍等，2014），故其能反映森林群落變化對林下土壤的影響和土壤發育進程，但因區域自然地理條件和森林類型的差異，具體表現會有很大變化（黃承標等，2009；宋乃平等，2012）。把握不同地區具體森林類型的變化規律和成因，對優化森林經營模式，提高森林可持續性具有現實指導意義。本研究表明，華北落葉松天然林下土壤養分的垂直分布特征表現為隨著土層深度的增加，土壤總碳、硝態氮、銨態氮、速效鉀含量減少，許多地區的各類林分都表現出類似的格局（康冰等，2009；樊蘭英等，2012；楊振意等，2013；任麗娜等，2012a；張景等，2013）。但速效磷含量沒有表現出類似的變化規律，這與任麗娜等（2012b）、王胤等（2010）的研究結果有所差異，可能是由于研究林分類型或土壤分層不一致所致。土壤總碳、硝態氮、銨態氮、速效鉀含量的這種分層垂直分布特征與凋落物的分解和根系分布對土壤有機質的歸還作用有關（Li et al.，2013）。

表6 不同林分密度華北落葉松天然林（0～30 cm）土壤養分含量Table 6 Soil nutrients in (0～30 cm) soil layers of different stand densities of natural larix principis-rupprechtii

同一類型的森林，林分密度的差異也會導致林下土壤養分含量及其分層垂直分布格局的差異（張蘇峻等，2010；林培松等，2009）。對此問題的研究成果還存在很大的不確定性，各類森林的表現也明顯不同。本研究表明華北落葉松天然林在576～1568 plant·hm-2密度范圍內，土壤表層（0～10 cm）總碳、硝態氮、銨態氮、速效鉀和速效磷含量表現為隨林分密度的增大而先增加后降低；在土壤中層（10～20 cm），土壤總碳、硝態氮、銨態氮、速效鉀含量表現為隨林分密度的增大而先增加后降低的總體變化趨勢，速效磷含量則表現為隨密度增大而緩慢降低的趨勢，；在土壤下層（20～30 cm），土壤總碳、硝態氮、銨態氮、速效鉀含量表現為隨林分密度的增大而先增加后降低的總體變化趨勢，速效磷含量在576～1568 plant·hm-2密度范圍內表現為中等密度較低，高密度略有增加。有的學者在對毛竹（Phyllostachys edulis）、馬尾松等樹種的研究中發現土壤營養元素含量隨著林分密度的增加呈先逐漸增加后有所下降的趨勢（趙汝東等，2012；范少輝等，2015）；而有些學者在對油松、大葉相思（Acacia auriculiformis）等樹種的研究中，發現土壤養分隨著林分密度的增加而降低（劉勇等，2008；許松葵等，2008）。這一差異可能與所研究的林分類型以及林分密度的范圍有關。

本研究中林分密度對不同土層土壤養分特征的影響，表現為表層土壤養分對林分密度的響應最為明顯，隨著林分密度的增加，總碳、硝態氮、銨態氮、速效鉀、速效磷先增加后減少，隨著土壤深度加深，營養元素對林分密度的響應發生改變。這與有些學者對近天然落葉松云冷杉林、人工檸條（Caragana korshinskii）灌叢等的研究結果相一致（王岳等，2014；楊陽等，2014）。這是因為不同土壤層次的養分含量受到多種因素的共同影響（Hernández et al.，2016），而每一土層影響因素存在一定差異。隨著土壤深度的增加，養分含量可能由于不同土層根系分布的差異和土壤養分的淋溶、礦化的影響而產生變化（Yanai et al.，2003）。具體的影響機理有待進一步深入研究。

3.2 結論

通過對五臺山地區576～1568 plant·hm-2不同林分密度華北落葉松天然林林下各層次土壤養分含量進行研究，分析不同密度、不同層次土壤養分特征，得出如下結論：

（1）研究區華北落葉松天然林下壤養分的垂直分布特征表現為：隨著土層深度的增加，土壤總碳、銨態氮、速效鉀、硝態氮含量減少，而速效磷含量表現為中層略高于表層和下層。

（2）不同土層林分密度對土壤養分特征的影響有所差異。在0～10、10～20、20～30 cm土層中，土壤總碳、硝態氮、銨態氮、速效鉀含量在576～1568 plant·hm-2密度范圍內都表現為隨林分密度的增大而先增加后降低的總體變化趨勢；速效磷含量則分別表現為：表層先增加后減少，中層緩慢減少，下層先減少后增加。

（3）林分密度對表層土壤養分影響規律最為明顯，隨著林分密度的增加，總碳、硝態氮、銨態氮、速效鉀、速效磷先增加后減少，隨著土壤深度加深，營養元素對林分密度的響應發生改變。

（4）當華北落葉松天然林林分密度為896～1216 plant·hm-2時，0～30 cm深度土壤的總碳、硝態氮、銨態氮、速效鉀、速效磷保持在相對較高的水平，以土壤養分為評價指標，研究地區華北落葉松天然林適宜的保留密度為896～1216 plant·hm-2。

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Soil Nutrient Characteristics of Natural Larix principis-rupprechtii in Different Stand Density

HE Zhilong1, ZHANG Yunxiang1, GUO Yuedong1, YANG Sanhong1, REN Da1, DING Jiwei1, GUO Jinping2
1. College of Forestry, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China;
2. Graduate School of Shanxi Agricultural University, Taigui 030801, China

By using plot investigation and sampling analysis methods, soil nutrient characteristics of natural larix principis-rupprechtii in different stand density were studied in Mount Wutai ,and to provide some theoretical basis for the sustainable management of natural larix principis-rupprechtii. The results showed that: there were significant differences in the contents of total carbon, ammonium nitrogen and available potassium in 0～10, 10～20 and 20～30 cm soil layers, showing a clear downward trend from top to bottom. There was no significant difference in the content of soil nitrate and available potassium in the soil layer, but the soil nitrate content showed a downward trend from top to bottom. There was no significant difference in the content of available phosphorus in soil layers too, but the middle layer was slightly higher than that of the surface layer and the lower layer. The soil nutrient characteristics of different stand densities were different in diffferent soil layers. The contents of soil total carbon, nitrate nitrogen, ammonium nitrogen and available potassium from 576～1 568 plant·hm-2showed that increased first and then decreased with the increase of the density in diffferent soil layers. The content of available phosphorus was as follows: first decreased and then increased in the surface layer, decreased slowly in the middle layer, and decreased first and then increased at the bottom. The effect of stand density on surface soil nutrients was the most obvious. With the increase of soil depth, the response of nutrients to stand density changed.The total carbon, nitrate nitrogen, ammonium nitrogen, available potassium and available phosphorus in the stand density of 896～1 216 plant·hm-2in 0～30 cm depth soil were maintained at a relatively high level. With the soil nutrient as the evaluation index, the suitable density of natural Larix principis-rupprechtii was 896～1 216 plant·hm-2.

natural larix principis-rupprechtii; soil nutrient characteristics; stand density; vertical distribution of nutrients

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.01.007

S714; X144

A

1674-5906（2017）01-0043-06

賀志龍, 張蕓香, 郭躍東, 楊三紅, 任達, 丁繼偉, 郭晉平. 2017. 不同密度華北落葉松林天然林土壤養分特征研究[J]. 生態環境學報, 26(1): 43-48.

HE Zhilong, ZHANG Yunxiang, GUO Yuedong, YANG Sanhong, REN Da, DING Jiwei, GUO Jinping. 2017. Soil nutrient characteristics of natural Larix principis-rupprechtii in different stand density [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(1): 43-48.

國家林業公益性行業科研專項項目（201404417）

賀志龍（1994年生），男，碩士研究生，主要研究方向為森林生態與植被恢復。E-mail: 924869884@qq.com *通信作者：郭晉平（1963年生），男，教授，研究方向為景觀生態、森林恢復生態、城市景觀生態、森林生態系統經營、森林資源培育、森林資源經營基礎等。E-mail: jinpguo@126.com

2016-12-25