邵英男，劉延坤 ，李云紅 ，陳 瑤 ，田松巖

（1.黑龍江省森林工程與環(huán)境研究所，黑龍江 哈爾濱 150081；2.黑龍江省森林生態(tài)與林業(yè)生態(tài)工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150081；3.黑龍江牡丹江森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，黑龍江 牡丹江 157500）

不同林分密度長白落葉松人工林土壤養(yǎng)分特征

邵英男1，2，劉延坤1，3，李云紅1，3，陳 瑤1，2，田松巖1，3

（1.黑龍江省森林工程與環(huán)境研究所，黑龍江 哈爾濱 150081；2.黑龍江省森林生態(tài)與林業(yè)生態(tài)工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150081；3.黑龍江牡丹江森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，黑龍江 牡丹江 157500）

以3種不同林分密度長白落葉松人工林為研究對象，研究不同林分密度長白落葉松人工林的土壤養(yǎng)分特征，結果表明：同一林分密度條件下，土壤養(yǎng)分含量（有機質、全氮、全磷、C/N）均隨土層深度的增加呈降低的趨勢，呈現(xiàn)明顯的“表聚”現(xiàn)象；不同林分密度下，土壤養(yǎng)分含量的變化規(guī)律不盡一致；對土壤養(yǎng)分含量與環(huán)境要素（凋落量、現(xiàn)存量、林分密度、土壤溫度和土壤含水率）進行回歸分析，發(fā)現(xiàn)凋落量、現(xiàn)存量和林分密度與土壤養(yǎng)分含量的關系密切；林分密度為750～900株·hm-2時，土壤多種養(yǎng)分含量顯著高于其他林分密度養(yǎng)分含量，有利于該地區(qū)林地系統(tǒng)土壤養(yǎng)分特征的維持，以獲得更好的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。

長白落葉松人工林；土壤養(yǎng)分；林分密度

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，森林土壤是維持林木健康生長的基質，土壤養(yǎng)分為植物生長提供必需的物質養(yǎng)分與機械支撐[1]，直接影響并控制著林木的健康狀態(tài)[2]。土壤養(yǎng)分狀況取決于輸入和輸出兩個過程[3-5]，與生態(tài)系統(tǒng)的物種組成[6]、群落結構[7]密切相關。林分密度作為影響林木生長的重要因子，決定了林分的空間結構，進而影響到森林植物群落中的光、熱、水分等環(huán)境因子的分配，使林下物種的結構及多樣性發(fā)生變化，一方面改變凋落物的輸入數(shù)量與質量，從而影響到養(yǎng)分輸入；另一方面會影響到群落生產力及生物量分配格局，從而影響到植被對土壤養(yǎng)分的吸收[8]，最終對土壤養(yǎng)分狀況產生深刻影響[9]，并對森林更新、森林的恢復與重建等都具有重要意義[10]。

長白落葉松Larix olgensis具有抗逆性強、材質好、生長快、用途廣、經(jīng)濟價值高和對土壤質量要求較低等特點[11-14]，是東北地區(qū)主要造林樹種。自20世紀50年代以來，東北地區(qū)大量次生林通過更新改造、皆伐基地造林等經(jīng)營活動形成大面積長白落葉松林，落葉松林的生態(tài)功能及地位也越來越重要[15-17]。目前關于不同林分密度下土壤養(yǎng)分特征的研究主要側重不同密度對近天然落葉松云冷杉林[18]、馬尾松林[19]、華北落葉松人工林[9]和長白落葉松天然林[20]土壤理化性質特征研究，而對長白落葉松人工林土壤養(yǎng)分含量及其隨林分密度變化的研究還需進一步開展。黑龍江省江山嬌實驗林場是典型的東北次生林恢復區(qū)，經(jīng)過半個世紀的經(jīng)營管理逐漸形成了大面積不同密度的落葉松人工林，為探明不同林分密度下土壤的養(yǎng)分特征提供了良好的實驗條件。本研究以江山嬌實驗林場的長白落葉松人工林為研究對象，對不同林分密度長白落葉松人工林進行土壤養(yǎng)分特征變化研究，以探明不同林分密度長白落葉松人工林土壤養(yǎng)分特征，揭示不同林分密度下土壤養(yǎng)分含量的變化規(guī)律，為該區(qū)域生態(tài)恢復過程中人工林土壤肥力的維持以及森林可持續(xù)經(jīng)營管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究區(qū)設在位于黑龍江省東南部寧安縣境內的江山嬌實驗林場（43°44′54″～ 43°54′12″N，128°53′16″～ 129°12′42″E）， 地 處 張 廣 才 嶺南端，是典型的東北次生林恢復區(qū)。該區(qū)域山脈東西走向，整個地勢東高西低，北高南低，海拔在356～890 m之間，為典型的低山丘陵地貌。該區(qū)氣候屬亞寒帶大陸性氣候，年均氣溫為3.5℃，年均降水量在450～550 mm之間，積雪期為150 d，無霜期為116～125 d。地帶性土壤為暗棕壤。該地區(qū)的植被屬于長白山植物區(qū)系。原地帶性頂級群落為紅松闊葉林，由于開發(fā)較早，原生頂極群落已所剩無幾，被大面積長白落葉松人工林及楊Populusspp.、樺Betulaspp.、柞Quercusspp.及硬闊葉林次生林所替代。

1.2 樣點布設與方法

本研究以長白落葉松人工林為研究對象，根據(jù)林分密度劃分為3種林型，每種林型設置3個重復樣地，共9塊典型樣地，3種林型林分密度分別為200～350、500～650和750～900 株·hm-2（見表1）。標準樣地為20 m×20 m，每塊樣地隨機布設9個采樣點分別挖取土壤剖面，按0～10、10～20、20～30 cm分層取樣，共采集土樣243個。土樣經(jīng)風干、研磨、過篩后，用于土壤理化性質的測定：土壤溫度采用電子土溫計，測定5 cm土層的土壤溫度；土壤含水率用TDR測定；土壤有機質采用重鉻酸鉀加熱法[21]；土壤全氮含量采用凱氏定氮法[21]；土壤全磷含量采用堿熔-鉬銻抗比色法[21]。

表1 樣地概況?Table 1 Summary information of experimental forest plots

1.3 分析方法

采用Excel 2007和 SPSS 19.0 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和檢驗。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和多重比較（LSD法）分析不同林分密度下各層土壤養(yǎng)分含量之間的差異。采用曲線估計法（Curve estimation）對土壤養(yǎng)分含量與環(huán)境要素進行回歸分析。采用變異系數(shù)分析土壤養(yǎng)分的變異程度，計算公式為：

式中：VC為變異系數(shù)；DS為標準差；M為平均值。

2 結果與分析

2.1 不同林分密度長白落葉松人工林土壤養(yǎng)分含量的變化

同一林分密度下各層土壤有機質、全氮、全磷和C/N變化規(guī)律基本一致。隨著土層深度的增加，土壤有機質、全氮、全磷和C/N均呈降低的趨勢，除C/N差異不顯著（p＞0.05）外，其他養(yǎng)分含量均差異顯著（p＜0.05）（見表2）。

林分密度顯著影響各土層土壤有機質含量（p＜0.05），表現(xiàn)為：高密度＞低密度＞中密度。各土層土壤全氮含量變化規(guī)律一致，表現(xiàn)為：低密度＞高密度＞中密度；林分密度對0～10 cm和10～20 cm土層的土壤全氮含量影響顯著（p＜0.05），對20～30 cm土層的土壤全氮含量影響不顯著（p＞0.05）。林分密度對各土層土壤全磷含量影響顯著（p＜0.05），在0～10 cm和10～20 cm土層表現(xiàn)為土壤全磷含量隨林分密度增大而降低，在20～30 cm土層土壤全磷含量表現(xiàn)為：低密度＞高密度＞中密度。林分密度對各土層土壤C/N（p＜0.05）影響顯著，表現(xiàn)為土壤C/N隨林分密度增大而增大（見表2）。

對不同林分密度下各層土壤養(yǎng)分含量的變異系數(shù)進行分析，按照變異系數(shù)的劃分等級：VC＜10%時，為弱變異性； 10%≤VC≤100%時，為中等變異性；VC＞100%時，為強變異性[22]。結果表明，不同林分密度下各層土壤養(yǎng)分含量變異系數(shù)均小于10%，屬于弱變異性（見表3）。

表2 不同林分密度下土壤養(yǎng)分含量?Table 2 The soil nutrient content with different stand densities

表3 不同林分密度下土壤養(yǎng)分含量的變異系數(shù)Table 3 Coefficient of variation of soil nutrient content with different stand densities %

2.2 不同林分密度下主要環(huán)境要素特征

不同林分密度下主要環(huán)境要素特征表現(xiàn)為：凋落量隨林分密度增大而增大，中、高林分密度下凋落量顯著高于低密度（p＜0.05），而二者之間差異不顯著（p＞0.05）；現(xiàn)存量隨林分密度增大而增大，且不同林分密度之間差異顯著（p＜0.05）；土壤溫度隨林分密度變化差異不顯著（p＞0.05）。低密度下土壤含水率顯著高于中、高林分密度土壤含水率（p＜0.05），而二者之間差異不顯著（p＞0.05）（見表4）。

表4 環(huán)境要素特征Table 4 Characteristics of environmental factors

2.3 土壤養(yǎng)分與主要環(huán)境要素的相關關系

對土壤養(yǎng)分與主要環(huán)境要素進行回歸分析，結果表明，各環(huán)境要素對土壤全氮和全磷含量的影響十分顯著（p＜0.05），決定系數(shù)R2分別為0.232～0.686（全氮）和0.392～0.711（全磷）；土壤溫度和土壤含水率對有機質含量的影響不顯著（p＞0.05），而其他環(huán)境要素對有機質含量影響顯著（p＜0.05）；土壤溫度對C/N影響不顯著（p＞0.05），而其他環(huán)境要素對C/N的影響十分顯著（p＜0.01），可見，凋落量、現(xiàn)存量和林分密度與土壤養(yǎng)分含量的關系密切（見表5）。

3 討論和結論

不同土層之間土壤性質的差異反映出土壤性質在垂直剖面上的空間變異程度[23]。通過對同一林分密度下不同土層土壤養(yǎng)分含量的研究發(fā)現(xiàn)，隨著土層深度的增加，土壤有機質、全氮、全磷和C/N均隨土壤深度的增加而減小，這表明土壤養(yǎng)分含量具有明顯的“表聚性”特征，這與李櫟等[24]及朱凱等[25]的研究結果相一致，這主要取決于土壤腐殖質和地表凋落物的分解及有機物質淀積、遷移和淋溶的過程[26]；同時，植物根系不斷吸收土壤中的養(yǎng)分，導致向下遷移的養(yǎng)分變少，因此土壤養(yǎng)分主要集中在土壤表層[27]。

表5 土壤養(yǎng)分與環(huán)境要素的關系?Table 5 Relationship between soil nutrient and environmental factors

林分密度能夠影響到人工林群落的光、熱、水分等生態(tài)因子的分配，使林下物種的多樣性及結構發(fā)生改變，而林下植被是調整林分結構及恢復地力的主導因子[28]。本研究發(fā)現(xiàn)，林分密度顯著影響各土層土壤有機質含量（p＜0.05），表現(xiàn)為：高密度＞低密度＞中密度。這是由于森林土壤有機質來源于森林凋落物，林分密度高的凋落物量比林分密度低得多，進而有機質含量也就最高。林分密度顯著影響0～10 cm和10～20 cm土層土壤全氮含量（p＜0.05），表現(xiàn)為：低密度＞高密度＞中密度，并且當林分密度增大時，0～10 cm土層的土壤全磷含量也顯著降低（p＜0.05），這與劉玲等[20]的研究結果相一致。究其原因在于，密度大的林分會加速對土壤養(yǎng)分的吸收，同時落葉松林內枯枝落葉分解緩慢，導致林木對養(yǎng)分的吸收速度大于養(yǎng)分補償?shù)乃俣?，且磷素又不能通過光合作用產生，進而在長期入不敷出的情況下導致了土壤磷素的匱乏[29]。林分密度顯著影響各土層土壤C/N（p＜0.05），表現(xiàn)為土壤C/N隨林分密度增大而增大。綜合分析不同林分密度下長白落葉松人工林土壤養(yǎng)分含量，總體上表現(xiàn)為高密度（750～900 株·hm-2）時土壤養(yǎng)分含量最高，這與劉玲等[20]的研究結果相似，即當林分密度為800～880 株·hm-2時，土壤多種養(yǎng)分質量分數(shù)明顯高于其他林分密度養(yǎng)分質量分數(shù)。

土壤中養(yǎng)分含量變異系數(shù)取決于該養(yǎng)分是否由施肥補充、施用量的多少和養(yǎng)分在土壤中的可移動性。本文中，不同林分密度下各層土壤養(yǎng)分含量變異系數(shù)均小于10%，屬于弱變異性，原因可能在于土壤養(yǎng)分元素移動性大，后效較低[30]。回歸分析表明，凋落量、現(xiàn)存量和林分密度與土壤養(yǎng)分的關系密切，可以對土壤養(yǎng)分狀況進行調節(jié)。

通過比較不同林分密度條件下長白落葉松人工林土壤養(yǎng)分含量，發(fā)現(xiàn)選擇適中的林分密度或合理的間伐強度能為長白落葉松人工林提供良好的植株生長空間，當林分密度為750～900株·hm-2時，較適合作為該地區(qū)的森林經(jīng)營林分密度，這將有利于該地區(qū)林地系統(tǒng)土壤養(yǎng)分特征的維持，以獲得更好的生態(tài)和經(jīng)濟效益。

本研究旨在說明長白落葉松人工林土壤養(yǎng)分含量對不同林分密度變化的響應程度，揭示不同林分密度下土壤養(yǎng)分含量的變化規(guī)律。但是由于本研究只設置了3個林分密度進行分析比較，所得數(shù)據(jù)極為有限，導致結論具有一定局限性，因此還需要進一步擴大林分密度設置范圍加以驗證。此外，土壤養(yǎng)分含量受多因素的影響，如微生物、復雜的地形、多樣的植被類型和人類活動的不確定性等對土壤養(yǎng)分的影響亟待進一步研究。

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[本文編校：謝榮秀]

Soil nutrient characteristics inLarix olgensisplantation with different stand densities

SHAO Yingnan1,2, LIU Yankun1,3, LI Yunhong1,3, CHEN Yao1,2, TIAN Songyan1,3
(1.Forest Engineering and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province, Key Laboratory of Sustainable Forest Management and Environmental Microbiology Engineering of Heilongjiang Province, Harbin 150081, Heilongjiang, China; 2.Key laboratory of Forest Ecology and Forestry Ecological Engineering of Heilongjiang Province, Harbin 150081, Heilongjiang, China; 3.National Positioning observation Station of Mudanjiang Forest Ecosystem in Heilongjiang Province, Mudanjiang 157500, Heilongjiang, China)

The soil nutrient Characteristics ofLarix olgensisplantation with different stand densities were studied. The result showed that the content of soil nutrientsin the same stand densityhad the surface accumulation characteristic, and was decreased with the increased of soil depth; The content of soil nutrients were not consistent with different stand densities. Soil nutrient and environmental factors(litter, biomass, stand density, soil temperature and soil moisture) through to regression analysis, the result showed that the relationship with litter、biomass、stand density and stand density were very close. The stand density between 750 ～ 900 trees·hm-2with higher the content of soil nutrients is suggested to be benefit to gain greater ecological and economic benefits.

Larix olgensisplantation; soil nutrient; stand density

S714.2

A

1673-923X(2017)09-0027-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.09.005

2016-05-12

黑龍江省科技攻關項目（GC12C203）；黑龍江省林業(yè)科學院青年基金項目（N201414）

邵英男，助理研究員，碩士研究生

田松巖，研究員；E-mail：tiansongyan2011@126.com

邵英男，劉延坤，李云紅，等. 不同林分密度長白落葉松人工林土壤養(yǎng)分特征[J].中南林業(yè)科技大學學報，2017, 37(9):27-31.