黃土丘陵區不同密度刺槐和油松人工林土壤理化性質與化學計量特征

朱 燕, 翟博超, 孫美美, 羅伶書, 王 瑛, 杜 盛,

(1.西北農林科技大學 林學院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

森林土壤作為森林生態系統水分養分循環的重要載體,為林木提供生長所必需的水分和礦物質,具有重要的生態功能[1]。土壤質量的優劣受立地條件、環境因素和土壤理化性質等共同影響[2]。土壤理化性質已成為評價土壤質量和肥力的基礎指標,對于林木生長發育具有重要影響[3]。

林分密度會對林下小環境、灌草的多樣性以及凋落物儲存和分解速度產生影響,并進一步作用于林下土壤,改變土壤的理化性質[4]。合理的林分密度有助于人工林結構優化,使其逐步向天然林群落演替。董威等[5]研究發現,油松(Robiniapseudoacacia)土壤含水量、全碳和全磷隨林分密度變化呈先增后減的趨勢,但土壤理化性質的垂直分布格局不受林分密度影響。王凱等[6]發現,林分密度對樟子松人工林土壤有機碳、全氮、全磷和C∶N隨林分密度變化呈先增后減趨勢,對土壤理化性質的垂直分布格局影響較小。可以看出林分密度對不同林型的土壤理化性質影響具有普遍性和特異性。目前研究多集中于單一林分的不同密度對土壤理化性質特征的影響上,而對于多種林分類型下的林分密度等經營管理措施對土壤性質的影響以及碳、氮、磷等元素在森林生態系統中的循環與平衡和各元素間的耦合關系的研究相對較少。因此,需要對不同人工林在不同密度下土壤理化性質的垂直和水平地帶性特征以及植被與土壤之間的相互作用和機理進行更深入的探討研究。

黃土丘陵區地處季節性干旱生態脆弱地帶,水土流失嚴重,生態環境脆弱。作為水土保持和植被恢復的重要措施,多年來營造了大面積的人工林。刺槐(Pinustabuliformis)具有速生性好、易繁殖、耐旱、耐貧瘠等特點;油松作為中國特有樹種,是華北地區代表性針葉林類型[7],都是黃土丘陵區主要的造林樹種[5]。為探明該區域人工林與水土資源的耦合關系,為提高植被恢復效益和生態系統的穩定性提供理論支撐,本研究選擇黃土丘陵區刺槐林和油松林的土壤理化性質對林分密度和林分類型的響應展開研究。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省延安市寶塔區南部和甘泉縣北部(109°16′—109°33′E,36°9′—36°29′N),年均氣溫為10.0℃,年均降雨量為537.9 mm[8],屬于溫帶半干旱氣候區,海拔高度范圍為1 150～1 295 m。該區位于森林—森林草原過渡帶,地貌類型屬于黃土丘陵溝壑區,土壤類型以黃綿土為主。研究區的刺槐林、油松林樣地為人工純林,喬木層樹種單一,林下灌木叢和草本生長稀疏。刺槐林林下草本主要有鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、蒙古蒿(Artemisiamongolica)等;油松林林下灌木有陜西莢蒾(Viburnumschensianum)等,草本植物主要有委陵菜(Potentillachinensis)、鐵桿蒿等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置 選擇研究區內典型的油松林和刺槐林作為研究對象,設置立地條件大致相同且具有一定代表性的樣地,每種林型劃分為3個密度梯度,每個密度梯度設置2塊樣地,樣地規格均為20 m×20 m。樣地基本信息見表1。

表1 樣地基本信息Table 1 Basic information of the sampling area

1.2.2 樣品采集與測定 為便于比較,選擇2018年3月非生長季較為穩定的時間段集中采集土樣。在每個樣地內對角線上設置3個重復的土壤剖面,分為(0—20 cm,20—40 cm,40—60 cm,60—100 cm)土層采集土樣。土樣采集主要分兩部分,一部分利用環刀取各土層的原狀土,用于測定土壤容重和含水量指標;另一部分是將土壤中的植物、細根、石塊挑出后,同一土層樣品按質量比例混勻,在陰涼處自然風干,過0.15 mm的土篩,用于測定土壤有機碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)含量。

土壤容重采用環刀法測定,土壤含水量采用烘干法測定,SOC采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定,TN采用凱氏定氮酸溶法測定,TP采用鉬藍比色法測定。

1.2.3 數據處理 采用Excel對野外調查和室內試驗所得數據進行初期整理,其中0—100 cm土層數據通過各土層數據加權平均計算得出,權重為對應的土層深度。采用SPSS 22.0軟件對試驗數據統計分析,LSD法對土壤理化性質及化學計量比進行平均數差異顯著性分析及事后檢驗。相關繪圖由Origin和R4.1.0軟件完成。

2 結果與分析

2.1 土壤物理性質特征

刺槐林土壤容重隨土層深度和林分密度變化差異均不顯著(p>0.05)。土壤含水量隨土層深度的增大呈先增加后降低的趨勢,且20—40 cm土層含水量明顯高于其他土層。0—100 cm土層的平均土壤含水量隨著林分密度增加呈現先降低后增加趨勢,且RⅢ的土壤含水量高于RⅠ,RⅡ(圖1)。

注:不同大寫字母表示同林分不同土層間差異顯著(p<0.05),不同小寫字母表示同土層不同林分之間差異顯著(p<0.05);0—100 cm土層中不同大寫字母表示各自林分內不同密度間的差異顯著性,不同小寫字母表示兩林分之間的差異顯著性。下同。圖1 林地土壤容重和含水量特征Fig. 1 Characteristics of soil bulk density and moisture content in plantations

油松林的土壤容重隨土層深度變化無明顯規律且無顯著性差異(p>0.05),但低密度油松林的表層土壤容重顯著小于其他密度(p<0.05)。油松林土壤含水量隨土層深度的增大先增加后降低,20—40 cm土層含水量明顯高于其他土層。0—100 cm土層的平均土壤含水量則隨著密度增加逐漸降低,且PⅠ的土壤含水量顯著高于PⅡ,PⅢ(p<0.05)。

刺槐林0—40 cm土層的容重顯著高于油松林(p<0.05),增幅分別為1.91%～20.38%和0.91%～7.77%,說明林齡較大的油松林對于降低土壤容重作用明顯,整體上改善了土壤質地。刺槐林0—100 cm土層的平均土壤含水量顯著高于油松林(p<0.05),增幅分別為8.09%,11.54%,20.77%,應該與刺槐林均為幼齡林有關。

2.2 土壤化學性質及其計量比特征

2.2.1 林地土壤化學性質對密度的響應特征 刺槐和油松林的SOC和TN含量均隨土層深度增加而顯著降低,但TP含量無明顯的垂直變化規律(圖2)。刺槐林0—20 cm土層的SOC和TN含量在0—100 cm土層中的貢獻率分別為58.62%,60.69%,58.91%和58.64%,59.76%,55.75%;油松林0—20 cm土層的SOC和TN含量在0—100 cm土層中的貢獻率分別為65.97%,70.13%,65.89%和63.79%,65.59%,61.46%。

圖2 林地土壤養分特征Fig. 2 Soil nutrient characteristics of plantations

刺槐林0—100 cm土層SOC平均含量隨林分密度的增加而降低,RⅠ密度顯著高于其他密度(p<0.05),增幅分別達32.05%,37.17%;0—100 cm土層TN,TP平均含量均隨密度增加先降低后略有增加,RⅠ密度顯著高于其他密度(p<0.05),增幅分別達12.17%～15.44%和7.86%～8.18%。

油松林0—100 cm土層的SOC,TN和TP平均含量均隨密度增加呈現先降低后增加的趨勢,且PⅢ均顯著高于PⅠ和PⅡ(p<0.05),增幅分別達到18.98%～28.80%,12.91%～17.47%,19.49%～27.15%油松林SOC和TN平均含量總體上均顯著高于刺槐林(p<0.05);TP含量在兩林分間差異不顯著(p>0.05)。

2.2.2 刺槐和油松林生態化學計量比變化特征 不同密度刺槐林和油松林在0—100 cm土層的土壤C∶N變化范圍為4.40～6.13;C∶P變化范圍為2.59～5.59;N∶P變化范圍在0.57～0.95。刺槐林C∶N大小依次為RⅠ>RⅡ>RⅢ,C∶P依次為RⅠ>RⅡ>RⅢ,N∶P依次為RⅠ>RⅢ>RⅡ;油松林C∶N大小依次為PⅢ>PⅠ>PⅡ,C∶P依次為PⅢ>PⅠ>PⅡ,N∶P依次為PⅡ>PⅠ>PⅢ。刺槐林各土層的C∶N,C∶P,N∶P均顯著小于油松林(圖3)。

圖3 林地土壤化學計量比特征Fig. 3 Soil stoichiometric characteristics of plantations

2.3 土壤理化性質相關性分析

對刺槐和油松人工林在不同密度下的土壤理化性質結果進行相關性分析得出,土壤容重與SOC,TN,C∶P,N∶P之間呈極顯著負相關(p<0.001);SOC和TN與C∶N,C∶P,N∶P之間呈極顯著正相關(p<0.001),與TP含量呈顯著正相關(p<0.05)(表2)。

表2 土壤理化性質相關性分析Table 2 Correlation relationship of soil physicochemical properties

3 討 論

3.1 土壤理化性質特征

土壤理化性質受土壤發育過程影響,植被年限增加和有機質積累都具有改善土壤質地的作用。本研究結果表明,刺槐和油松人工林的土壤理化性質垂直分布具有明顯差異,而總體上各指標呈表聚性和波動性。兩林分0—40 cm土層的土壤含水量,SOC,TN,C∶P,N∶P等指標均大于深層土壤,與王巖松等[9]的研究結果相似,這與土壤表層的有機質補充相關聯,植物和土壤之間的交互作用主要集中在表層土壤中,有利于土壤養分的截留和積累[10]。兩林分0—20 cm表層土壤容重均低于其他土層土壤。譚學進等[11]研究發現,植被對土壤物理性質的影響在垂直方向上逐漸減弱。說明刺槐和油松對表層土壤容重的改善作用更為明顯。

不同林分類型的土壤所表現的理化特征有所差異。本研究對比分析了刺槐和油松人工林的土壤理化性質發現,刺槐人工林0—40 cm土層容重顯著大于油松人工林(p<0.05),與隋聚艷等[12]的研究結果一致,說明油松人工林對于降低土壤容重作用較刺槐人工林明顯,整體上改善了土壤質地。刺槐人工林土壤平均含水量略高于油松林,與常譯方等[13]對晉西黃土區刺槐林和油松林的研究結果一致,這除了林地立地條件的影響外,應該還存在兩方面原因,一方面是刺槐樹種葉片面積較大,冠層較強的降雨截留能力影響了降水的再分配過程[14];另一方面是刺槐林均為幼齡林而油松林林齡較大的原因。另外,刺槐林SOC,TN平均含量均顯著低于油松林(p<0.01),與章廣琦等[15]的研究結果相似,可能是土壤有機物質積累及積累年限綜合作用的結果[16]。

作為衡量土壤質量的重要參數,不同的計量比表征的土壤特性有所不同。研究區土壤C∶N,C∶P平均值遠小于全國平均值(10～12,61)[17],與溫晨等[18]的研究結果一致,說明研究區土壤有機質礦化作用較快,不利于土壤有機質積累,且土壤P有效性較高,土壤微生物受P的限制作用較小。另外,土壤滿足C∶N<30,N∶P<14條件,同時N∶P遠低于中國陸地平均水平(9.3)[17],表明研究區植物生長主要受土壤N限制。

本研究相關性分析表明,黃土丘陵區0—100 cm土層的土壤理化性質及化學計量比在空間分布上具有良好的耦合關系[19]。其中,土壤養分各指標之間呈正相關關系,SOC和TN之間的相關系數最高,說明這二者之間的關系最為密切。土壤容重和SOC,TN含量之間呈負相關關系,可能是與森林的土壤發育有關。在森林發育過程中,凋落物的分解引起C,N元素積累的同時,會導致土壤疏松多孔,進而降低土壤容重,增加土壤孔隙度,提高土壤的通透性能[20]。這與張昊等[21]的研究結果一致。

3.2 土壤理化性質對林分密度的響應

林分密度不僅決定林木個體獲取土壤養分水分等資源的平均水平,而且可通過冠層對水分和光照的調控來改變森林溫度、林內通風透光條件、根系發育及酶活性,進而影響枯落物積累和分解速率,使得土壤養分含量存在差異[22]。

刺槐和油松人工林在不同的密度范圍內,土壤的物理性質和化學性質均呈現出一定的異質性[5]。本研究中,刺槐林的SOC,TN,TP等養分含量均在低密度時最大,與王巖松等[9]對晉西不同密度刺槐林研究一致。原因可能是刺槐人工林隨林分密度增加過程中對土壤養分的需求逐漸大于刺槐樹種對土壤養分的改善能力,出現刺槐及其林下植被爭奪養分及其生存空間的現象;也可能是因為密度的增加,導致刺槐人工林土壤干化現象加劇,植被生長受限,凋落物減少,養分含量也隨之下降[23]。潘復靜等[24]對不同密度馬尾松林的土壤性質研究表明,高密度馬尾松林的SOC和銨態氮含量顯著高于低密度。王巖松等[9]認為高密度油松林的SOC和TN含量高于其他密度。與本研究高密度油松林SOC,TN,TP含量高于其他密度的結果相似。在針葉樹人工林中,喬木層樹種單一且其凋落物分解速度較慢,林下灌草層對土壤養分貢獻更為重要[25]。但針葉樹對光照的競爭相對較小,高密度下喬木層對林下植被生長限制不強;另外,油松林在高密度時可能存在地表蒸騰作用減弱和林木凋落物量增加的綜合作用,使得土壤養分含量的累積程度大于林木對養分的消耗程度[26]。另外,兩林分TP含量隨密度變化差異均不顯著(p>0.05),這一結果與趙汝東等[27]對馬尾松林的研究結果一致。原因可能是TP作為一種沉積性元素,其含量主要受土壤母質影響[28],分布較為均勻且不易受環境影響。

4 結 論

對不同密度下刺槐和油松人工林土壤理化性質綜合分析結果表明,林分密度和林分類型對土壤理化性質影響不同。兩林分表層土壤容重小于深層土壤,SOC和TN等養分指標在垂直方向上存在明顯的“表聚效應”,均對表層土壤理化性質的改善作用更明顯。低密度刺槐林的SOC,TN,TP,C∶N等土壤養分指標、受氮素的限制等方面較優;而油松林則是中高密度時較優。刺槐和油松兩林分類型間的土壤理化指標表現不同,刺槐林的土壤容重、含水量大于油松林,而SOC,TN,C∶N,C∶P,N∶P等養分指標均低于油松林。