黃土高原子午嶺不同發(fā)育階段油松人工林土壤理化性質(zhì)的變化

黨 鵬，王乃江，王娟婷，章文佳，黃 耀

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院 西部環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

土壤是植物群落更新演替過程的重要載體[1]，而植物的出現(xiàn)和生長也影響著土壤的形成和發(fā)育[2]。土壤物理性質(zhì)是土壤蓄水保肥的基礎(chǔ)，并影響著林木對養(yǎng)分的吸收利用[3]。土壤養(yǎng)分含量的多少是評價土壤肥力水平的重要指標(biāo)，影響著物種多樣性和植被的生長[4]，其中碳、氮、磷元素作為土壤養(yǎng)分循環(huán)的核心驅(qū)動著其他養(yǎng)分元素的循環(huán)與轉(zhuǎn)化[5]。研究林分的土壤理化性質(zhì)有助于了解林分的土壤質(zhì)量狀況，為進一步實施合理的經(jīng)營措施提供依據(jù)。

人工林在我國植被恢復(fù)和林業(yè)建設(shè)中有著重要的地位，其不僅具有顯著的水土保持功能，而且能明顯改善土壤肥力狀況[6-7]。黃土高原子午嶺林區(qū)有較大面積的人工純林，在區(qū)域水土保持和經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮著巨大的生態(tài)作用[8]。此前，有關(guān)該地區(qū)森林土壤性質(zhì)的研究主要集中在不同植被類型土壤水分和土壤氮素的變化特征[9-10]、不同植被恢復(fù)階段土壤有機碳和土壤養(yǎng)分的特征[11-12]、人工林和天然林養(yǎng)分循環(huán)[13]以及植物葉片和土壤養(yǎng)分庫的變化規(guī)律[14]等方面，也有研究探討了土壤水分、肥力與生物量的關(guān)系[15-16]。而針對該地區(qū)不同發(fā)育階段人工林土壤理化性質(zhì)的研究還相對較少，僅見耿增超等[17]研究了陜西耀縣油松人工林土壤養(yǎng)分和化學(xué)性質(zhì)的時空效應(yīng)，但黃土高原地區(qū)地理環(huán)境復(fù)雜，區(qū)域間差異性較大，針對甘肅子午嶺林區(qū)不同發(fā)育階段人工林土壤理化性質(zhì)的變化規(guī)律也有待研究。

油松是黃土高原地區(qū)人工林建設(shè)的主要樹種之一，同時也是子午嶺林區(qū)重要的造林樹種。本研究對甘肅省子午嶺林區(qū)中灣林場10～50年生油松人工林發(fā)育過程中土壤理化性質(zhì)的變化情況進行了調(diào)查，旨在了解油松人工林在發(fā)育過程中土壤理化性質(zhì)的動態(tài)變化，為該地區(qū)油松人工林的合理經(jīng)營提供理論依據(jù)。

1 研究地概況

研究地位于黃土高原中部子午嶺林區(qū)南段的甘肅省正寧縣中灣林場(108°27′E,35°17′N)，海拔 1 246～1 756 m，該區(qū)處于森林草原和半干旱草原的過渡區(qū)，氣候溫和濕潤，屬于溫帶半濕潤氣候類型，年均氣溫9.3 ℃，極端最高氣溫36.17 ℃，極端最低氣溫-27.17 ℃，≥10 ℃積溫2 645.3 ℃；年降水量588.2 mm，年蒸發(fā)量1 228.3 mm，相對濕度60%～70%，干燥度0.72，無霜期163 d，年日照時數(shù)2 200～2 400 h。油松人工林林下主要灌木有土莊繡線菊(Spiraeapubescens)、灰荀子(Cotoneasteracutifolius)、黃刺玫(Rosaxanthina)、胡枝子(Lespedezabicolor)、紅瑞木(Cornusalba)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、茶條槭(Acertataricumsubsp.ginnala)、忍冬(Lonicerajaponica)、衛(wèi)矛(Euonymusalatus)、陜西莢蒾(Viburnumschensianum)和北京丁香(Syringapekinensis)等，草本層主要有披針苔草(Carexlanceolata)、唐松草(Thalictrumaquilegifolium)、糙蘇(Phlomisumbrosa)、茜草(Rubiacordifolia)、卷葉黃精(Polygonatumcirrhifolium)、異葉敗醬(Patriniaheterophylla)和大火草(Anemonetomentosa)等。

2 研究方法

2.1 樣地的選擇

2013-08在甘肅省正寧縣中灣林場設(shè)置油松人工林樣地并進行土壤理化性質(zhì)的調(diào)查，油松人工林的林齡根據(jù)當(dāng)?shù)卦炝钟涗洸⒔Y(jié)合樣芯年輪數(shù)確定。根據(jù)立地條件相似的原則，設(shè)置油松人工林標(biāo)準(zhǔn)樣地12塊，每塊面積20 m×20 m。人工林林齡分別是10年(幼齡林)、23年(中齡林)、32年(近熟林)和50年(成熟林)，4種林齡的油松人工林地造林前均是坡耕地，且造林方式相同。另外在荒坡地設(shè)置3塊樣地，進行群落結(jié)構(gòu)調(diào)查及土壤采集和分析。試驗樣地概況見表1。

2.2 土樣的采集與測定

2.2.1 土樣的采集 在每個樣地內(nèi)挖取3個土壤剖面，沿土壤剖面0～10，10～20和20～30 cm分別用環(huán)刀取樣，測定土壤體積質(zhì)量、含水量和毛管孔隙度。同時，在每個樣地內(nèi)按“S”形設(shè)置9個采樣點，在0～10，10～20和20～30 cm處用土鉆分層取樣，不同樣點間土樣分層混合后裝入布袋，風(fēng)干后過篩，用于土壤pH及養(yǎng)分指標(biāo)測定。

表1 子午嶺林區(qū)中灣林場油松人工林樣地基本概況

2.2.2 土壤理化性質(zhì)的測算 土壤物理性質(zhì)計算公式分別為：

式中：m1為鋁盒和鮮土的總質(zhì)量，m2為鋁盒和干土的總質(zhì)量，m為鋁盒質(zhì)量，V為鋁盒體積，土壤比重約為2.65 g/cm3。

土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，土壤全氮采用凱氏定氮法測定，速效磷采用鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用火焰光度法測定，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮用AA3連續(xù)流動分析儀測定，pH采用電位法測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2003軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理，用SPSS18.0軟件進行單因素方差分析和相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同發(fā)育階段油松人工林的土壤物理性質(zhì)

土壤水分是土壤肥力的重要促動因素，體積質(zhì)量和孔隙度分別是反映土壤松緊度、通透性的重要指標(biāo)[18]。由表2可知，荒坡和不同發(fā)育階段油松人工林的土壤含水量、孔隙度總體上隨著土壤深度的增加而減小，土壤體積質(zhì)量則隨著土壤深度的增加而增大。方差分析結(jié)果表明，在中齡林、近熟林中，0～10 cm土層土壤含水量顯著高于10～20和20～30 cm土層，荒坡、幼齡林、成熟林各土層之間土壤含水量差異不顯著；在近熟林、成熟林，0～10 cm土層土壤體積質(zhì)量和孔隙度均顯著低于10～20和 20～30 cm土層，而荒坡、幼齡林、中齡林各土層土壤體積質(zhì)量和孔隙度無顯著差異。

表2 子午嶺林區(qū)不同發(fā)育階段油松人工林土壤物理性質(zhì)的變化

不同發(fā)育階段油松人工林各土層土壤含水量變化不明顯，變化幅度為3.35%；土壤體積質(zhì)量隨著林齡的增長，總體呈現(xiàn)下降的趨勢，變化幅度為 9.38%；土壤孔隙度隨著林齡的增長逐步變大，變化幅度為14.2%。方差分析結(jié)果表明，不同發(fā)育階段林分各土層土壤含水量均無顯著差異；成熟林 0～10 和20～30 cm土層的土壤體積質(zhì)量、孔隙度與荒坡和其余各發(fā)育階段存在顯著差異。

3.2 不同發(fā)育階段油松人工林的土壤化學(xué)性質(zhì)

3.2.1 不同土層土壤化學(xué)性質(zhì)的比較 由表3可以看出，荒坡和不同發(fā)育階段油松人工林的土壤有機質(zhì)、全氮、速效鉀、銨態(tài)氮含量均隨采樣深度的增加而降低，土壤pH則隨采樣深度的增加而增大，速效磷、硝態(tài)氮含量隨采樣深度的增加無明顯變化規(guī)律。由方差分析結(jié)果可知，油松人工林發(fā)育到中齡林階段及以后，土壤有機質(zhì)在各土層之間差異顯著，0～10 cm土層土壤全氮、速效磷、速效鉀與10～20和20～30 cm土層有顯著性差異，10～20 cm與 20～30 cm土層之間則差異不顯著；幼齡林、中齡林在0～10 cm土層硝態(tài)氮、銨態(tài)氮與10～20和20～30 cm土層之間有顯著差異，10～20 cm與20～30 cm土層之間則無顯著差異；不同發(fā)育階段林分土壤pH在各土層間差異不顯著。

3.2.2 不同發(fā)育階段林分土壤化學(xué)性質(zhì)的比較 由表3可知，不同發(fā)育階段油松人工林各土層土壤有機質(zhì)、全氮含量均隨林齡的增長呈現(xiàn)上升趨勢，而土壤pH則表現(xiàn)出下降趨勢。在0～10 cm土層，成熟林土壤有機質(zhì)含量較荒坡、幼齡林分別提高了411.3%和142.5%，全氮含量較荒坡、幼齡林分別提高了325.0%和155.8%；在10～20 cm土層，成熟林土壤有機質(zhì)含量較荒坡、幼齡林分別提高了318.2%和123.9%，全氮含量較荒坡、幼齡林分別提高了224.1%和126.5%；在20～30 cm土層，成熟林土壤有機質(zhì)含量較荒坡、幼齡林分別提高了183.2%和140.8%，全氮含量較荒坡、幼齡林分別提高了175.5%和151.7%。

表3 子午嶺林區(qū)不同發(fā)育階段油松人工林土壤化學(xué)性質(zhì)的變化

由方差分析結(jié)果可知，不同發(fā)育階段油松人工林土壤有機質(zhì)、全氮含量在各土層的差異均達到顯著水平，成熟林高于其他發(fā)育階段，荒坡最低；土壤速效磷含量在0～10 cm土層表現(xiàn)為成熟林顯著高于荒坡和其他各發(fā)育階段，在10～20和20～30 cm土層各發(fā)育階段間差異不顯著；在中齡林階段及以后，各土層土壤速效鉀含量均顯著高于荒坡和幼齡林；土壤硝態(tài)氮含量在各土層表現(xiàn)為成熟林顯著高于荒坡和其他各發(fā)育階段；不同發(fā)育階段油松人工林各土層土壤銨態(tài)氮含量均顯著高于荒坡，土壤pH均低于荒坡。

3.3 油松人工林不同發(fā)育階段土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

子午嶺林區(qū)不同發(fā)育階段油松人工林土壤主要理化性質(zhì)的Pearson相關(guān)系數(shù)見表4。由表4可以看出，土壤有機質(zhì)除與pH和土壤體積質(zhì)量呈顯著負相關(guān)外，與其余各項指標(biāo)均呈正相關(guān)，土壤pH除與土壤體積質(zhì)量呈正相關(guān)外，與其余各項理化指標(biāo)均呈負相關(guān)，說明土壤pH對土壤養(yǎng)分有一定的指示作用。土壤有機質(zhì)、pH和全氮之間具有顯著相關(guān)性，其中有機質(zhì)與全氮極顯著正相關(guān)，pH與有機質(zhì)、全氮顯著負相關(guān)。土壤體積質(zhì)量與有機質(zhì)、全氮均呈顯著負相關(guān)，與土壤孔隙度呈極顯著負相關(guān)。

表4 子午嶺林區(qū)不同發(fā)育階段油松人工林土壤主要理化性質(zhì)的Pearson相關(guān)系數(shù)

4 討論與結(jié)論

從本研究結(jié)果可以看出，油松人工林不同發(fā)育階段土壤體積質(zhì)量逐漸下降，并且總體低于荒坡，土壤孔隙度逐漸增大，并且總體高于荒坡。與荒坡相比，油松人工林林木根系和枯枝落葉層的作用增加了油松林地土壤的疏松性、通氣性及透水性。成熟林土壤體積質(zhì)量、孔隙度明顯優(yōu)于荒坡和幼齡林，這與王宏星等[4]和李曉東等[19]的研究結(jié)果一致。隨著林齡的增長，林分地表凋落物不斷累積而增厚，土壤有機質(zhì)也隨之增加，因此土壤體積質(zhì)量和孔隙度得到明顯改善。

不同發(fā)育階段油松人工林土壤有機質(zhì)、全氮隨土壤深度的增加而逐漸減小，具有明顯的表聚效應(yīng)，這與程瑞梅等[20]、劉鴻雁等[21]、劉興詔等[22]和耿玉清等[23]的研究結(jié)果一致。土壤0～10 cm土層受凋落物、土壤動物和微生物種群數(shù)量影響較大，生物殘體和有機養(yǎng)分產(chǎn)生量較多，生物固氮作用也較強，致使0～10 cm土層有機質(zhì)含量明顯高于下層，而全氮主要來源于凋落物的歸還，這導(dǎo)致氮素聚集在土壤表層，然后再隨水分或其他介質(zhì)向下遷移。在幼齡林-中齡林階段，土壤有機質(zhì)、全氮等營養(yǎng)元素的含量逐漸上升，這與王宏星等[4]、耿增超等[17]和李國雷等[24]的研究結(jié)果一致。在中齡林-成熟林階段，土壤養(yǎng)分得到持續(xù)改善，這可能與子午嶺林區(qū)的氣候條件和管護措施有關(guān)，使林下植物能得以很好地生長和發(fā)育，進而增加了枯枝落葉層的儲量，為林下土壤養(yǎng)分的積累和富集提供了良好條件。

不同發(fā)育階段油松人工林土壤有機質(zhì)與全氮含量之間表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)性，土壤pH與有機質(zhì)、全氮均表現(xiàn)出顯著負相關(guān)性，這與魏強等[25]、張振國等[26]的分析結(jié)果較為一致。隨著林分地表枯枝落葉層的大量增多，腐殖化作用逐步增強，表層土壤有機質(zhì)含量相應(yīng)逐漸提高，有機質(zhì)的礦化和生物固氮作用逐步加強，土壤表層全氮含量也相應(yīng)提高。土壤酸堿性對土壤微生物的活性、礦物質(zhì)和有機質(zhì)的分解有重要作用，從而影響土壤養(yǎng)分元素的釋放、固定和遷移等[27]，因此土壤pH值與有機質(zhì)、全氮含量均表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。

與荒坡地相比，子午嶺林區(qū)不同發(fā)育階段油松人工林土壤主要養(yǎng)分含量有所提高，從可持續(xù)發(fā)育的角度來看，該地區(qū)油松人工林能夠有效改善土壤理化性狀。這為今后對油松人工林進行近自然經(jīng)營提供了理論基礎(chǔ)，同時，在黃土高原子午嶺地區(qū)油松人工林不同發(fā)育階段，應(yīng)避免人為干擾對林分的破壞，確保林地土壤的可持續(xù)發(fā)展，以充分發(fā)揮油松人工林的生態(tài)效益。

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