不同密度人工云杉林土壤質量評價

原 源，侯亞莉，趙 陽，陳學龍，馬維偉

(1.甘肅農業大學 林學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省白龍江林業管理局 林業科學研究所，甘肅 蘭州 730046；3.甘肅白龍江森林生態系統國家定位觀測研究站，甘肅 舟曲 746300)

林分密度是影響人工林生態系統結構與功能的主要因素[1]，直接影響著人工林群落的水、熱等生態因子的分配[2-3]。土壤作為森林生態系統中物質和能量交換的重要參與者和載體，為植物生長提供必需的礦質營養和水分[5]。在人工林生態系統中，林分密度及其物種組成狀況影響著土壤發育以及養分的有效性[6]，而土壤養分質量又反過來影響人工林群落的生長[7]。定量評價不同密度林分土壤養分及質量狀況，有助于充分理解林分密度與土壤質量的關系并充分認識林地養分獲取和轉化等過程，這對林分結構化經營、提高人工林林地生產力和維持森林健康具有重要意義。

我國有人工林5 333萬hm2，居世界第1位，但是總體質量不高，人工林在發揮一定生態效應的同時也帶來一系列生態問題，如土壤退化[7]、生物多樣性下降等[8]。因此，如何提高人工林生產力，維持人工林生態系統的健康和穩定成為林學界關注的焦點[8-9]。人工云杉林作為甘肅亞高山地區生態屏障的重要組成部分，對甘肅南部的生態平衡起著重要作用，其森林質量不僅關系到該區的生態建設，對于當地的水源涵養、防止水土流失也起到不可替代的作用。目前關于人工云杉林的研究主要集中在群落結構[10]、空間結構[11]、物種多樣性[11]、林下生態位[13]以及土壤質量性狀演變[14]等方面。馮宜明等[15]認為，人工云杉林林分密度對土壤特性影響顯著，與林分結構特征密切相關[16]，而有關不同密度人工云杉林土壤質量評價的研究鮮見報道。

白龍江林區有人工云杉林約54 131.7 hm2，是20世紀80年代末在原始林采伐跡地上營造的用材林(設計密度為5 000株·hm-2)[16]，立地繼承了原始林累積的大量凋落物，土壤質量處于同一水平。但受地形及經濟條件影響，造林后的10余a管理不善，干擾破壞的存在致使云杉林密度始終處于一定的變化中，直至1998年天保工程實施。經過30多a生長到林地郁閉，形成了現有的密度。但部分林分由于密度過大，又缺乏實用的經營技術和科學理論指導，致使林分長勢弱、林況差，土壤退化嚴重，病蟲害(如云杉葉銹病、落針病等)高發[17]，森林生態服務功能不能充分發揮。因此本研究從林地土壤方面入手，選取5個密度等級的人工云杉林，分析不同密度林分土壤理化性質，揭示其變化規律，并對土壤質量進行評價，以期為今后人工云杉林的密度調控、土壤質量恢復，森林可持續經營以至生態服務功能評估提供理論依據。

1 研究區概況

沙灘林場位于甘南藏族自治州舟曲縣武坪鄉，白龍江中上游支流拱壩河流域(104°02′15″-104°22′05″ E，33°34′10″-33°46′25″ N)，屬岷山山系，境內海拔1 790～4 536 m，南高東低，為地勢陡峻的高山地貌。年均氣溫4.3℃，最熱月7月，平均氣溫20.8℃，最冷月1月，平均氣溫-13.3℃，年均無霜期96.7 d。年均降水量951 mm，多集中在7、8月，蒸發量918.8 mm，空氣相對濕度82%，年均日照時數1 394.8 h，日照率32%。土壤為山地棕色森林土[11]，區內有天然林保護面積24 228.7 hm2，人工累計造林面積7 674.8 hm2。是甘肅省“三北”防護林體系及天保工程的重要組成部分。常見的造林樹種有云杉(Piceaasperata)、油松(Pinustabuliformis)、落葉松(Larixgmelinii)等。主要喬木樹種有云杉、冷杉(Abies)、樺木(Betula)等；主要灌木有山梅花(Philadelphusincanus)、懸鉤子(Rubuscorchorifolius)、箭竹(Fargesiaspathacea)等；主要草本有東方草莓(Fragariaorientalis)、蕁麻(Urticafissa)、冷蕨(Cystopterisfragilis)等[11]。

2 研究方法

2.1 樣地設置

2018年7-8月，在對研究區進行全面踏查的基礎上，選擇立地條件基本一致，林相相對整齊，密度不同的人工云杉林設置樣地，共設置5個密度等級20 m×20 m的標準樣地20塊，每個等級4塊(表1)，記為：D1=800株·hm-2，D2=1 200株·hm-2，D3=1 600株·hm-2，D4=1 970株·hm-2，D5=2 400株·hm-2，測定樣地坡度、坡向、海拔、經緯度等因子，并對樣地內胸徑(DBH)≥5 cm的喬木樹種進行每木檢尺，調查林下灌木、草本多樣性等。

表1 樣地基本概況Table 1 General situations of the sample plots

2.2 土壤樣品的采集與測定

在各樣地內采用5點法取樣，為避免降水的影響，在連續48 h未降水的條件下于2018年7-8月完成土樣采集工作。每個樣點取樣深度均為60 cm，分3層(0～20、20～40、40～60 cm)用環刀取原狀土帶回實驗室，用室內浸水法測定土壤含水量、容重、孔隙度等物理指標[18]，并用四分法取1 kg土樣，除去石塊、根系等雜物，帶回室內自然風干、過篩后進行的測定。土壤有機質、pH值及各養分元素含量測定方法參見《土壤農業化學分析法》[19]。

2.3 數據處理

采用Office 2010進行相關數據的處理和繪圖，用SPSS21.0軟件采用單因素方差分析法(ANOVA)和差異顯著性檢驗法(Duncan)對重復測定結果分析和檢驗，并運用主成分分析法對不同密度林分的土壤質量進行評價。

2.3.1 數據標準化 由于土壤質量指標多樣、且屬性和量綱各不相同，因此在對土壤質量進行評價時，需要對各測定的指標進行標準化處理，將其轉變為0～1之間的無量綱值，實現對指標的量綱歸一化[6]。16項指標為：土壤自然含水率(X1)、土壤容重(X2)、飽和含水量(X3)、毛管持水量(X4)、田間持水量(X5)、總孔隙度(X6)、毛管孔隙度(X7)、非毛管孔隙度(X8)、pH值(X9)、有機質含量 (X10)、全N含量(X11)、全P含量(X12)、全K含量(X13)、有效N含量(X14)、有效P含量(X15)、速效K含量(X16)。

數據標準化公式為：

F(Xi)=(Ximax-Xij)/(Ximax-Ximin)

(1)

式中，F(Xi)為各土壤因子的隸屬度值，反映各評價指標的優劣；Xij為第i項因子的實測樣品平均值；Ximax為第i項因子中的最大值；Ximin為第i項因子中的最小值[6]。

2.3.2 土壤質量指數計算 由于土壤質量受不同因子影響程度不同，需予以不同的權重。用主成分分析法對經標準化的土壤指標數據進行分析，計算各因子的貢獻率和累積貢獻率，核算土壤質量指標的公因子方差，表示其對土壤質量總體變異的貢獻，將各指標公因子方差占總公因子方差的比例作為權重[6]。在評價指標因子隸屬度和權重確定的基礎上，運用式(2)計算不同密度人工云杉林土壤質量指數。

(2)

式中，F為土壤質量指數；Wi為各土壤因子的權重，反映各評價指標的重要性。

3 結果與分析

3.1 土壤物理性質

土壤容重和孔隙度反映了土壤的通氣性和透水性，是土壤質量的重要指標。由表2可知，5個密度等級的人工云杉林土壤自然含水率為24.00%～46.33%，大小依次為D3>D2>D4>D1>D5，其中D3、D2顯著大于D4(P<0.05)，D4顯著大于D1、D5。土壤容重在1.02～1.43 g·cm-3，大小為依次為D1>D5>D4>D2>D3，D2、D3顯著小于D1、D5(P<0.05)。總孔隙度在40.36%～67.70%，大小為依次為：D3>D1>D4>D1>D5。密度為1 600株·hm-2時，土壤容重最小，含水率和總孔隙度最高，其次為1 200株·hm-2。土壤總孔隙度包括毛管孔隙度和非毛管孔隙度，其變化規律與含水率一致，與土壤容重相反。土壤物理指標除容重外，均隨林分密度增大呈先增大后減小的變化趨勢，說明林分密度影響到土壤物理性質。由此可見，不同密度下長期經營能改變土壤物理性質。

表2 不同密度云杉林土壤物理性質Table 2 Soil physical properties of P.asperata plantations with different stand densities

對不同土層而言，5個密度等級不同土層土壤物理性質均出現了顯著差異(P<0.05)。相同密度下，在0～60 cm土層范圍內，隨著土層深度的增加，土壤容重逐漸增大，含水率和孔隙度逐漸降低，各物理指標均在0～20 cm最佳，說明表層土壤物理性 質最好。由此可見，在相同密度下，林地土壤物理性質的變化主要表現在表層土壤。

3.2 土壤化學性質

由表3可知，本區域人工云杉林土壤pH值為6.26～7.82。不同密度林分土壤pH值隨密度增大而減小，密度小pH值大，土壤偏堿性，密度大則pH值小，土壤偏酸性。在800株·hm-2時，pH值顯著大于(P<0.05)其他4個密度，D2、D3、D4的pH值差異不顯著，但顯著大于D5。不同密度林分土壤有機質及各養分元素含量也出現顯著差異(P<0.05)，有機質含量依次為：D3>D2>D4>D1>D5。

表3 不同密度云杉林土壤養分含量Table 3 Soil nutrient contents of P.asperata stands with different stand densities

當密度為1 600株·hm-2時，土壤有機質、全N、全P，有效N和有效P含量均達到最高。除全K和速效K外，有機質和其他養分元素含量均表現為隨著林分密度增大先增大后減小的變化趨勢。可見林分密度影響著土壤有機質及養分元素的變化。

同一密度不同土層土壤pH值差異不顯著，而有機質及各養分元素含量差異顯著(P<0.05)，在0～20 cm土層，全N、全P、有效N、有效P和速效K含量均最高，土壤有機質及各養分元素含量均隨土層深度加深而顯著減小(P<0.05)，并表現出一定的“表聚”特征，全K含量受其淋溶性的影響，隨土層深度呈不規律的變化。

3.3 土壤質量評價

3.3.1 指標權重的確定 由于土壤容重的大小與土壤質量呈反比，故對土壤質量評價時(X2)采用容重的倒數(1/Xij)，又因為本研究中土壤接近于中性土壤(6.26

按照特征值>1 的原則，提取的4個主成分(表4)的累計貢獻率為87.897%，符合主成分分析累計貢獻率≥80%的條件[6]。第1主成分的特征值為6.490，主要綜合了土壤含水率(X1)、1/土壤容重(X2)、飽和持水量(X3)、毛管持水量(X4)、田間持水量(X5)、總孔隙度(X6)的信息，解釋了總變異量的40.564%，第2主成分主要綜合了有機質含量 (X10)、全P含量(X12)、有效N含量(X14) 的信息，解釋了總變異量的23.082%，第3和第4主成分因子中，全K含量(X13)、速效K含量(X16)和土壤pH值(X9)的載荷相對較大。

表4 正交旋轉后前3個主成分的載荷矩陣、各因子公因子方差及權重Table 4 Rotated principal component matrix,communality and weight of each indicator

3.3.2 土壤質量指數 在評價指標因子隸屬度和權重確定的基礎上，運用加權綜合法和模糊數學中的加乘法則[式(2)]，計算不同密度云杉林土壤質量指數。土壤質量密度效應及土壤質量指數變化趨勢見圖1。由圖1可知，土壤質量指數隨人工云杉林密度增大呈先增大后減小的變化趨勢，5個密度等級林分土壤質量指數大小依次為1 600 株·hm-2(0.566 4)>1 200株·hm-2(0.470 8)>1 970株·hm-2(0.455 0)>800株·hm-2(0.401 5)>2 400株·hm-2(0.386 3)。即自800株·hm-2起，土壤質量指數隨著林分密度的增大逐漸提高，密度為1 600株·hm-2時，土壤質量指數最大，土壤質量最佳，密度>1 600株·hm-2時，隨著林分密度增大土壤質量指數逐漸減小，土壤質量下降。

圖1 不同密度林分土壤質量指數Fig.1 Soil quality index of different stand densities

4 結論與討論

4.1 結論

研究表明，不同密度下長期經營的人工云杉林土壤理化性質及質量出現差異，并呈一定的變化規律。在1 600株·hm-2時土壤含水率和孔隙度最高，容重最小，土壤物理性質最佳。土壤pH值隨林分密度增大而逐漸減小，有機質及各養分元素含量隨林分密度增大呈先增大后減小的變化趨勢。相同密度下隨著土層深度加深，土壤含水率、孔隙度等逐漸降低，容重逐漸增大，有機質及各養分元素呈明顯的“表聚”特征，表層土壤(0～20 cm)理化性質最佳。在800～2 400株·hm-2密度范圍內，隨著林分密度增大，土壤有機質、養分元素含量及土壤質量指數均先增大后減小，密度為1 600株·hm-2時，土壤質量最佳，1 200株·hm-2和1 970株·hm-2土壤質量差異不大，2 400株·hm-2時土壤質量最差。可見，林分密度能影響土壤質量，中密度林分利于改善土壤質量，1 600株·hm-2為本區域人工云杉林的最適經營密度。

4.2 討論

4.2.1 林分密度與土壤物理性質 已有研究表明[6,16]，土壤理化性質與林分密度密切相關，林分密度對土壤物理性質的影響主要表現在土壤容重和孔隙度上，康冰等[3]、周樹平等[20]也認為，土壤容重、孔隙度等物理性質受林分密度影響顯著。這均與本研究結論一致。本研究中，人工云杉林在1 600株·hm-2時土壤容重最小，孔隙度最大，自然含水率也顯著高于其他4個密度等級。可以認為，人工云杉林在1 600株·hm-2時，土壤物理性質最佳，大于和小于此密度土壤物理性質均會降低。究其原因，是因為密度對林地土壤物理性質的影響主要通過林內水熱狀況發揮作用[6]，密度小的林內光照強、溫度高，林地蒸發散作用強，土壤水分容易喪失；密度過大時林下植被少，但過密的立木生長及蒸騰作用吸收大量水分同樣會使土壤含水量降低，林地生物、微生物生存的水分環境受到破壞，影響土壤團粒結構的形成[20]，均不利于土壤的發育。此外，本研究雖涉及林下植被的研究，但從其蓋度等差異及相關研究也可推測[16]，林下植被、枯落物組成和分解狀況及林地微生物活動也必會影響土壤物理性質[21]。

4.2.2 林分密度與土壤化學性質 林分密度對土壤化學性質的影響同樣是通過影響林內水熱狀況而發揮作用的[6]。周樹平等[20]研究表明林分密度對土壤全N、全P、速效N、速效P含量影響顯著，林分密度過大會導致土壤酸化，從而加速土壤有機質和養分元素的消耗[21]。研究發現，不同密度云杉林土壤化學性質變化明顯，土壤pH值隨林分密度增大而減小，pH值偏大或偏小均不利于有機質及其養分元素積累[22]。密度為1 600株·hm-2時，土壤有機質、全N、全P，有效N和速效P含量均達到最高，經調查分析可知，這可能與枯落物厚度有關[5]。調查發現，密度過大時林下枯落物組成結構單一，緊實厚度大，厚厚的枯落物覆蓋在土壤表面致使土壤無氧呼吸增強而增加了酸性物質的釋放[5]，因此pH值減小，土壤的酸化又加速了有機質和各養分元素的消耗，這與孫千惠等[22]研究觀點一致。

土壤化學性質還與枯落物的養分歸還及林木對養分元素的吸收有關[23]。林分密度通過影響土壤水熱條件而影響有機質的積累，土溫過高或過低均不利于有機質的保存，土壤濕度大有利于有機質的積累[24]。當云杉密度超過1 600株·hm-2時，隨著密度增大，密集的樹冠阻擋了光照，林地能量輸入不足，較低的林地溫度影響了微生物活動及養分歸還，過密的林木生長也加速了土壤有機質及養分元素的消耗，土壤養分供不應求，從而導致土壤退化；密度過小林木占有的資源空間增大，但喬木對林下物種的抑制作用更加劇烈[2-3]，且林分密度過低時，較強的光、熱破壞了林下水分環境而使土壤相對干燥，也不利于有機物質的積累和養分循環。此外，密度大于和小于1 600株·hm-2均會使枯落物的針葉成分增加，針葉長期存留致使枯落物分解速率低，養分歸還少，土壤養分長期處于“供”大于“還”的狀態[24]，故而土壤質量下降。

研究還發現，相同密度林分，隨土層深度增加土壤容重逐漸增大，孔隙度逐漸減小，這與范少輝等[6]的研究結果一致。5個密度等級的人工云杉林表層(0～20cm)土壤物理性質最佳，有機質及養分元素含量呈明顯的“表聚”特征，這與王岳等[23]的研究結果一致，主要是由于地表凋落物的分解及有機物質淀積所致，有機質及營養物質的“表聚”提高了表層土壤理化性質。

4.2.3 林分密度與土壤質量 主成分分析顯示，在評價土壤質量的16個因子中，第1主成分均反映的是土壤物理性質，即土壤容重、孔隙度等，第2和第3主成分反映土壤化學性質，即有機質、全P、有效N，全K等養分元素含量等，第4主成分主要反映土壤酸堿度(pH值)信息。由此可見，影響人工云杉林土壤質量的主要為物理性質，也就是說，林分密度首先通過影響土壤物理性質而影響著土壤養分元素含量和酸堿度，進而響著土壤質量，這與戎宇等[25]的研究一致。

已有研究表明[26]，密度調控是人工林近自然經營的主要手段，合理經營能優化林分結構，間伐能促進林下植被生長，加速枯落物分解及土壤養分循環，改善土壤質量，而土壤質量改善可反過來促進林分生長[7]。本研究區人工云杉林的最適經營密度為1 600株·hm-2，有利于土壤的發育和林分生長，因此，今后本區域人工云杉林經營及調控中應將密度控制在1 600株·hm-2左右為宜。對過密的林分可通過間伐減小密度，對過疏的林分可人工引入闊葉樹種[11]，改善林分結構，同時加強撫育管理，改善林內及林地微環境，加快林下植被更新及土壤恢復。此外，也可人工改善土壤質量，促進人工云杉林健康生長。這對本區域人工云杉林地力恢復、結構優化及其生態服務功能的發揮有著積極意義。