魯中山地側柏人工林土壤質量評價及林分密度的影響作用

杜振宇, 葛忠強, 王清華, 梁 燕, 李宗泰, 劉桂民

(山東省林業科學研究院, 濟南 250014)

土壤是農業、林業及其他自然生態系統的基礎，是人類生存最重要的資源。土壤質量是指土壤具有維持生物的生產力、保護環境質量和促進動植物健康的能力[1]。Doran等[2]認為土壤質量和土壤健康具有相同含義。近年來，國內外許多學者針對土壤質量開展了大量研究工作，但土壤質量的定量化評價仍然沒有形成統一的標準[3]。

隨著森林生態系統健康理念的深入發展，森林土壤質量也逐漸引起人們的關注。森林土壤質量評價是森林土壤質量研究的基礎和重要內容之一，對于診斷自然或人為因素引起的林地土壤結構紊亂，森林土壤退化以及所引起的功能失調具有重要意義。國內針對人工林土壤質量評價也開展了較多研究，涉及樹種主要有油松(Pinustabulaeformis)[4]、馬尾松(Pinusmassoniana)[5]、落葉松(Larixgmelinii)[1,6]、毛竹(Phyllostachysheterocycla)[7]、檸條(Caraganakorshinskii)[8]、杉木(Cunninghamialanceolata)[9]、山楊(Populusdavidiana)[10]、紅豆杉(Taxuschinensis)等[11]。在目前針對人工林土壤質量的評價中，研究者均是選擇若干個土壤物理、化學、生物學指標組成一個指標集，對土壤肥力或整體質量進行綜合評價，未能對土壤物理、化學和生物等各類質量進行比較分析，從而影響了對林地土壤質量的深入了解，存在較大局限性。林分密度是影響土壤性質的關鍵因素，而關于林分密度對人工林土壤質量影響的研究鮮見報道。

側柏(Platycladusorientalis)耐干旱瘠薄能力強，是我國北方山區主要造林樹種，對荒山綠化、水土保持、凈化空氣等具有重要意義。山東省是我國側柏林中心分布區之一。魯中山地側柏人工林多為20世紀60年代營造，造林時密度普遍很大，由于后期缺乏間伐、更新等科學撫育措施，目前林分密度多數仍在3 000株/hm2以上，郁閉度一般為0.6～0.9，導致側柏林木生長緩慢，林下植被稀疏，水土流失嚴重。該區側柏林地處土層較薄的青石山坡地，林地土壤性狀相對較差。目前關于側柏林地土壤質量評價的研究很少，僅有李淑芬等[12]在針對蘇北低山丘陵區森林土壤健康評價中，選取了一塊側柏樣地與其他林地進行了對比研究；尚未有關于魯中山地側柏人工林土壤質量評價的研究報道。本研究對魯中山地的側柏林的土壤物理、化學、生物和綜合質量進行系統研究，并探討林分密度對各類土壤質量的影響作用，旨在為干旱瘠薄山地側柏人工林的健康管理提供理論基礎和技術依據。

1 研究區概況

魯中山區位于山東省中部，行政區劃主要有濟南、淄博、泰安等地市，山地與丘陵占總面積的70%以上，屬于山東省內地勢最高、山地最集中的區域，海拔1 000 m以上的山地有泰山、魯山、沂山等。由這些主峰向四周逐漸降低為海拔500 m 以下的低山丘陵。該區屬于暖溫帶濕潤氣候區，年平均氣溫12～14℃，極端低溫為-18～-14℃，≥10℃積溫由東向西遞增，約為4 200～4 600℃。無霜期190～210 d，年平均降水量為600～900 mm，降雨主要集中在6—9月，約占全年降水量的3/4。年平均空氣相對濕度為60%，為半濕潤狀態。由于酸性母巖與鈣質呈相間分布，區域內土壤以棕壤與褐土為主，植被以落葉闊葉林和溫性針葉林為主。其中,棕壤上以麻櫟(Quercusacutissima)、赤松(Pinusdensiflora)、油松為代表，褐土上則以側柏、榆樹(Ulmuspumila)和樸樹(Celtissinensis)為主[13]。

2 研究方法

2.1 樣地設置

在研究區選取22塊有代表性的不同密度長期側柏人工林地作為研究對象，每塊樣地面積均為20 m×20 m，其中1—6號樣地位于濟南市燕子山林場，7—14號樣地位于濟南市黑峪林場，15—22號樣地位于淄博市原山林場。所有樣地的側柏人工林均于20世紀60年代造林，林齡相近，林地的土壤類型為褐土，大多由石灰巖母質發育而成，林下植被主要有君遷子(Diospytoslotus)、胡枝子(Lespedezabicolor)、荊條(Vitexnegundovar.Heterophylla)、羊須草(Carexcallitrichos)、珍珠菜(Lysimachiaclethroides)等。調查各塊樣地的林分生長特征和立地因子，樣地調查因子包括：林分密度、胸徑、樹高、郁閉度、林下蓋度、坡度、坡向、海拔、坡位等，結果見表1。

表1 不同密度側柏人工林樣地基本概況

2.2 采樣方法

2017年6月在每塊樣地采用蛇形取樣法采集土壤樣品，隨機選取4個采樣點，用土鉆采集0—20 cm土層樣品，每個采樣點約1 kg，去除其中的植物根系、動植物殘體，混合均勻后用四分法取1 kg土樣，裝袋后帶回實驗室。將土樣置于實驗室陰涼處自然風干，分成兩份，分別過20目篩和100目篩備用。

2.3 評價指標與測定方法

2.3.1 土壤物理指標 本研究選取土壤物理指標8個，分別為土壤硬度、腐殖層厚度、容重、孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、黏粒含量。土壤硬度和腐殖層厚度分別采用硬度計和鋼尺直接測定，沿樣地對角線每隔1 m取一個測量點，取各點測量結果的平均值。由于土壤硬度受含水量影響較大，選擇近15 d內沒有降雨的日期進行測定。土壤容重采用環刀法測定，規格為100 cm3；采用環刀浸水法測定土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和毛管持水量[4]。黏粒含量采用吸管法測定[14]。

2.3.2 土壤化學指標 選取土壤化學指標7個，分別為pH值、電導率(EC)、陽離子代換量(CEC)、有機質、水解氮、有效磷、有效鉀。土壤pH值采用酸度計測定，土水比為1∶2.5；電導率采用電導率儀測定，土水比為1∶5；CEC采用EDTA-乙酸銨混合液交換法測定；采用油浴加熱—重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質含量；水解氮含量的測定采用堿解擴散法；有效磷含量采用碳酸氫鈉溶液浸提—鉬藍比色法測定；采用中性醋酸銨溶液浸提—火焰光度計法測定土壤有效鉀含量[15]。

2.3.3 土壤生物指標 選取土壤生物指標4個，分別為過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶活性和細菌數量。土壤酶活性的測定參照關松蔭[16]編著的《土壤酶及其研究法》。土壤細菌數量測定采用稀釋平板涂布法[17]。

2.4 土壤質量評價方法

由于各類土壤指標對土壤質量的影響并不一致，采用因子分析法對側柏人工林地的土壤物理、化學和生物質量分別進行評價，具體步驟見參考文獻[18—19]。首先將各指標測定數據進行標準化變換，然后通過計算提取出累計貢獻率超過80%的公因子，建立因子模型；用線性回歸方法將公因子表達成可觀測變量的函數，計算出公因子得分；再將公因子得分與公因子權重相乘，得到各樣地的因子得分；將因子得分按下式進行標準化處理，因子得分最低的樣本綜合分值為0，最高的分值為1，其余樣本分值介于0～1。

2.5 數據分析

利用Excel 2007軟件進行數據處理與圖表制作，采用statistiXL 1.8軟件進行描述性統計分析、相關性分析和因子分析。

3 結果與分析

3.1 公因子提取及貢獻率

將供試側柏人工林土壤樣品的8個物理指標、7個化學指標和4個生物指標分別進行因子分析來評價土壤物理質量、化學質量和生物質量。3類土壤指標數據經標準化后通過計算，分別選擇前4，4，3個公因子，累積方差貢獻率分別為91.43%，84.26%，92.16%(表2)，均包含了絕大部分原始數據的足夠信息，能滿足因子分析的要求。因子分析中一般要求所提取的公因子能反映全部信息的80%以上即可。

表2 土壤物理、化學和生物學性質公因子特征根及貢獻率

3.2 公因子載荷及權重確定

為突出各個主因子的典型代表變量，采用方差極大(Varimax)旋轉法，求得旋轉后公因子載荷表(表3)。由表3可以看出，在土壤物理質量評價中決定公因子1的主要是土壤容重、土壤孔隙度、非毛管孔隙度，公因子2主要反映了毛管孔隙度，公因子3和公因子4則分別主要由土壤黏粒含量和腐殖層厚度決定，這也說明土壤通氣性對物理質量具有重要影響作用；在土壤化學質量評價中，公因子1主要由CEC和水解氮決定，公因子2則主要由有效磷和有效鉀決定，公因子3和公因子4則分別由土壤EC和pH值決定，這說明土壤養分決定了土壤的化學質量。對于土壤生物質量而言，公因子1主要反映了過氧化氫酶和脲酶活性，公因子2和公因子3則分別由蔗糖酶和細菌數量決定。

由于各個公因子對土壤質量的影響程度不盡相同，因此必須對各公因子賦予不同的權重，以區分不同公因子影響作用的大小。為了更合理地確定權重，客觀突出各公因子的影響程度，以公因子特征根貢獻率作為該公因子的權重值[20]。

表3 旋轉后公因子載荷

3.3 土壤質量評價結果

按因子分析的要求計算各樣地土壤物理、化學和生物質量主要公因子得分值，然后將各公因子得分與權重值分別相乘，加合后得到各個樣地不同土壤性質的質量分值，進而計算得出土壤質量綜合得分(表4)。將土壤質量綜合得分與所有19個土壤指標進行Pearson相關分析，分析結果表明，土壤質量綜合得分與土壤硬度、有機質和過氧化氫酶活性量的相關性達到顯著水平，與毛管孔隙度、水解氮和脲酶活性達到極顯著水平(表5)。

評價結果表明，土壤物理、化學和生物質量分值最高的樣塊分別為6號、21號和22號；土壤質量綜合得分最高的樣地為22號，最低的為10號樣地。通過對各調查地點進行比較可知，3個調查地點燕子山林場、原山林場和黑峪林場的土壤質量平均得分分別為0.37，0.35，0.42，黑峪林場的土壤質量相對較好一些。由圖1可以看出，燕子山林場土壤的物理質量、原山林場的土壤化學質量和黑峪林場的土壤生物質量相對較好。

表4 不同密度側柏人工林土壤質量評分結果

3.4 林分密度對土壤質量的影響

Pearson相關分析表明，林分密度與土壤生物質量之間的相關系數為-0.438，相關性達到顯著水平(p<0.05)，而與土壤物理、化學質量及土壤綜合質量之間的相關系數分別為0.113，-0.281，-0.344，均沒有達到顯著性水平；但由圖2可以明顯看出，隨林分密度增加，土壤化學、生物質量分值和土壤質量綜合分值均呈明顯下降趨勢，而土壤物理質量分值沒有明顯變化規律。

表5 側柏人工林土壤質量綜合得分與不同指標之間的相關性

注：*和**分別代表“顯著”(p<0.05)和“極顯著”(p<0.01)水平。

圖1 不同調查地點側柏林的土壤質量分值

圖2 林分密度對土壤物理、化學、生物質量及綜合質量的影響

根據魯中山地長期側柏人工林的密度分布情況，將供試側柏林分成4組，分別為<2500，2 500～3 500，3 500～4 500,>4 500株/hm2，分別計算出各密度組林地土壤的物理質量、化學和生物質量平均分值，以及土壤綜合質量平均得分。通過對不同密度組進行比較可知(圖3)，在林分密度較低時(<2 500株/hm2)，土壤化學、生物質量和土壤綜合質量均明顯高于其他密度組；隨林分密度增加，土壤物理質量平均分值表現出先降后升的趨勢。林分密度大于2 500株/hm2的3個密度組土壤質量得分非常接近，而<2 500株/hm2密度組的土壤質量平均得分為0.67，分別是2 500～3 500，3 500～4 500和>4 500株/hm2密度組的2.11，2.02，2.27倍。研究結果表明，魯中山地長期側柏林土壤質量受林分密度影響較大，密度較低時有利于林地土壤質量的提升，化學性質和生物性質也有明顯改善。

圖3 側柏人工林不同密度分組的土壤質量分值

4 討論與結論

4.1 側柏人工林土壤質量評價指標與方法的選擇

土壤質量是一個復雜的功能體，受地形、氣候、成土母質、植被等自然因素和人為因素共同影響，不能直接測定，但可通過土壤質量指標來間接推測[4]。在進行森林土壤質量評價時，關鍵是建立合理的評價指標體系以及選擇適宜的評價方法。路鵬等[21]提出在進行土壤質量評價時應包含物理、養分和生物這3類指標。由于土壤質量主要包括物理、化學質量和生物質量，因此選擇評價指標時應從眾多土壤物理、化學和生物學指標中選取。本研究主要從可比性、適用性、代表性、易測性等多方面考慮，選取了8個土壤物理指標，分別為腐殖層厚度、容重、孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、黏粒含量和土壤硬度；7個土壤化學指標，分別為pH值、電導率、CEC、有機質、水解氮、有效磷和有效鉀，均是在土壤質量評價中被使用較多的主要指標。

土壤生物學性質主要包括土壤酶活性和微生物特性等方面，是森林生態系統中土壤質量的重要研究內容，在一定程度上反映了土壤肥力狀況。本研究選取了4個土壤生物學指標，分別為土壤過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶和細菌數量。土壤酶具有專一性強、靈敏可靠的特點，與土壤理化性質、生物多樣性等密切相關，常被運用于土壤質量評價和森林生態監測[22]。但由于酶活性受外界環境影響較大，在將土壤酶用于土壤質量評價指標時，應該從總體上考慮酶活性，而不能只著眼于單一酶類型；土壤過氧化氫酶可促進過氧化氫分解，表征土壤的生物化學活性[23]，脲酶活性可反映氮素的轉化強弱[24]，蔗糖酶能夠體現土壤中有機碳的積累、分解和轉化[25]，能夠綜合反映土壤生物學性質。

在土壤質量評價中，多數研究者基本上都是綜合土壤物理、化學、生物學3大類指標，一起去評價而得出最終結果。國內外學者們使用的評價方法通常有：質量指數法、模糊數學法、層次分析法、灰色關聯度法、主成分分析法、人工神經網絡法、因子分析法等[1,4]，這些數學方法提供了定量化手段，促進了土壤質量評價的發展。在多種方法中，國內應用最多的是模糊數學法、質量指數法和主成分分析法，而國外常用的評價方法主要是質量指數法、質量模型、多元線性回歸和相對質量法[26]。本研究選用了因子分析法對魯中山地長期側柏林不同密度林地土壤質量進行綜合評價。因子分析法能夠更大限度地降低不同指標之間相關性對評價結果的影響，比較準確反映林地土壤質量真實情況[27]。

4.2 側柏人工林林分密度對土壤質量的影響

林分密度是人工林經營的重要環節，直接影響到森林群落內水分和光、熱的合理分配，會使林下生物多樣性和林分結構發生改變[28]。目前，關于人工林密度對林木生長和養分循環影響方面的研究較多[29-31]。魯昭偉等[32]研究了北京山地不同密度側柏人工林的土壤水文效應，結果表明土壤總孔隙度隨林分密度(1 500～2 900株/hm2)增加表現為先增大而后減小，土壤有效持水能力隨林分密度增加表現為先減小后增大，以1 500株/hm2最強。康冰等[33]研究了馬尾松人工林林分密度(1 050～2 250株/hm2)對土壤性質的影響，發現在1 800株/hm2密度時林地養分總體較高，土壤物理和化學特性要優于過疏或過密林分。林分密度過大時，針葉存留時間長，以凋落物形式歸還給土壤的養分減少，不利于人工林系統內的養分再循環[34]，從而降低林地土壤質量。但尚未有人研究林分密度對林地土壤質量的綜合影響作用。

根據山東省第八次森林資源清查結果[35]，2014年側柏人工林面積為11.36萬hm2，占全省人工針葉林總面積的44.4%，是山東省栽植面積最大的針葉林樹種，是魯中山區瘠薄青石山地綠化造林的首要樹種。目前該區側柏人工林普遍存在密度過大，郁閉度過高，林木生長較差的問題。本研究采用因子分析對魯中山地長期側柏人工林土壤不同性質質量及土壤綜合質量進行了分析評價，結果表明，隨林分密度增加，土壤化學、生物質量和土壤綜合質量均呈下降趨勢，而土壤物理性質沒有明顯變化規律。林分密度與土壤生物質量之間存在顯著負相關。在林分密度較低時(<2 500株/hm2)，土壤化學性質、生物性質和土壤質量的平均分值均明顯高于其他密度組。

側柏林木在林分密度較低時生長較好，胸徑和樹高均有大幅提高(表1)，地上部生物量隨之增加，林地表層枯落物也相應較多，枯落物分解產生了更多的有機酸，同時增加了土壤有機質和養分含量；林分密度過大則會加速植物對土壤養分的吸收，而側柏林內凋落物的分解速率較低[36]，歸還給土壤的養分減少，造成植物對養分的吸收速度大于養分補償的速度，從而在長期入不敷出的情況下降低了土壤養分含量[37]，致使土壤化學和生物質量下降，進而降低了土壤綜合質量。本研究發現，側柏人工林土壤物理性質平均分值隨林分密度增加表現出先降后升的趨勢。側柏人工林在林分密度較低時，林下植被物種多樣性較好[38]，植物根系對土壤的切割作用較強，同時會產生較厚的凋落物和腐殖質，加速土壤表層團粒的形成，使土壤疏松，增加孔隙度[39]，從而提高土壤物理質量。與林分密度對土壤化學、生物質量的影響不同，密度過高并未降低土壤物理性質，其中的影響機制尚不清楚，有必要在后續研究中進行深入探討。

總得來說，魯中山地長期側柏林土壤質量受林分密度影響較大，密度較低時有利于林地土壤質量的提升。因此，應盡快對魯中山地長期側柏人工林采取合理間伐措施，降低林分密度，提高土壤質量，從而促進林分生長，以利于其更好地發揮生態效益。