丁 麗，許 晴，許中旗*，張 菲，張 巖，程 順，崔同祥

(1.河北農(nóng)業(yè)大學 林學院，河北省林木種質(zhì)資源與森林保護重點實驗室，河北 保定 071000；2.塞罕壩機械林場，河北 圍場 068450)

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]。土壤養(yǎng)分含量是林分立地條件的重要組成部分，對林分的生長具有重要影響[2-3]。已有研究表明，林分的徑生長更多取決于林分的密度[4-5]，而高生長則直接取決于林分的立地條件[6-8]，土壤養(yǎng)分含量是立地條件的重要方面。同時，森林會通過凋落物及根系對森林土壤養(yǎng)分含量產(chǎn)生明顯影響，這種影響對土壤肥力的維持至關(guān)重要[9-10]，因此了解林分土壤養(yǎng)分狀況，尤其是人工林的土壤養(yǎng)分狀況是森林經(jīng)營的前提。樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)是歐洲赤松的一個地理變種，主要分布在我國的大興安嶺北部，具有生長快、成材早、抗逆性強等特性，是我國諸多松樹種類中最為耐寒耐旱的樹種之一，成為我國“三北”防護林工程和治沙工程的主要造林樹種[11]。位于冀北壩上地區(qū)的塞罕壩機械林場現(xiàn)有的樟子松人工林種植面積達1萬hm2，是該地區(qū)第2大造林樹種[12]。如何實現(xiàn)這些樟子松人工林的合理經(jīng)營已成為當?shù)刎酱鉀Q的重要問題，這些樟子松分布在不同的立地條件下(如山地、曼甸等)，其生長狀況也存在明顯差異[13]，了解這些樟子松人工林的土壤狀況是實現(xiàn)其合理經(jīng)營的基礎(chǔ)。本研究以塞罕壩機械林場的樟子松人工林為對象，采用野外典型抽樣調(diào)查和室內(nèi)分析測定相結(jié)合的方法對該地樟子松人工林的土壤養(yǎng)分進行分析，探討該地區(qū)樟子松人工林土壤養(yǎng)分條件的差異及其與林分生長之間的關(guān)系，為樟子松人工林的可持續(xù)經(jīng)營提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

塞罕壩機械林場位于河北省圍場滿族蒙古族自治縣最北部，地理位置42°02′-42°36′N、116°51′-117°39′E，地處冀北山地及蒙古高原交匯地帶，地勢分為壩上、壩下2部分，壩上以丘陵、曼甸為主，壩下為山地地形。該地屬寒溫帶大陸性季風氣候，春秋兩季短暫而干燥，冬季漫長而寒冷。林區(qū)經(jīng)常有大風、干旱、風砂、霜凍等不良天氣，災(zāi)害性極大。年均氣溫-1.4℃，極端最高、最低氣溫分別為30.9℃和-42.8℃。年均日照時數(shù)2 368 h，年均無霜期60 d。年均降水量438 mm，其中6-8月占據(jù)68%，年平均降水天數(shù)134 d，年平均積雪天數(shù)169 d。年平均蒸發(fā)量1 230 mm。另外，該地區(qū)多風沙天氣，年平均大風天氣80 d左右。塞罕壩林區(qū)土壤類型主要為灰色森林土、山地棕壤和風砂土。塞罕壩機械林場總經(jīng)營面積9.507萬hm2，有林地面積7.2萬hm2，樹種主要為落葉松(Larixgmelinii)、樟子松、白樺(Betulaplatyphylla)等[14]。

根據(jù)塞罕壩林區(qū)樟子松林的分布情況，將樟子松林生長的立地分為6種類型:壩上東部曼甸砂質(zhì)土、壩上西部曼甸砂質(zhì)土、壩上山地壤質(zhì)土、壩下坡地砂質(zhì)土、壩下坡地壤質(zhì)土、壩下平地壤質(zhì)土(表1)。

表1 樣地概況

2 研究方法

2.1 標準地設(shè)置

2014年7-8月，在前期調(diào)查和實地考察的基礎(chǔ)上，針對塞罕壩林區(qū)現(xiàn)有的樟子松人工林林分情況，以地理條件和林分年齡為依據(jù)在大喚起林場、千層板林場、北曼甸林場、三道河口林場的樟子松林分內(nèi)分別設(shè)置標準地11、12、2、2塊，標準地面積根據(jù)地形、地勢、林分特征、林齡及林分面積而定，一般為600 m2(20 m×30 m)，個別樣地面積為400 m2(20 m×20 m)。

2.2 樣地調(diào)查

在設(shè)立的樣地內(nèi)進行每木檢尺，調(diào)查胸徑、樹高、林齡及冠幅。然后，選取12塊林齡相近和立地條件有代表性的樣地。其中，大喚起5塊，千層板6塊，北曼甸1塊。在每塊樣地內(nèi)選擇處于林冠上層、生長狀況良好、無病蟲害、不斷梢的優(yōu)勢木，伐倒，進行樹干解析，通過樹干解析分析其高生長過程。

2.3 土壤的采集與處理

在每一樣地內(nèi)，分別挖取2個土壤剖面，深至30 cm，然后進行分層取樣，每10 cm一層。將2個剖面的同一層的土壤混合均勻，取每層1 kg左右的混合樣品裝入布質(zhì)土壤袋中，帶回室內(nèi)備用。將野外采集的土壤樣品陰干后，揀出枯枝落葉、植物根、石子等，然后碾碎，使之通過1.00 mm土壤篩，裝入密封袋成待測樣品。

2.4 土壤養(yǎng)分分析

在實驗室內(nèi)對土壤樣品進行理化性質(zhì)分析，主要測定土壤有機質(zhì)、pH、堿解N、速效 P、速效 K、全N、全P、全K等。應(yīng)用的主要分析方法有：有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法，堿解氮用堿解擴散吸收法，全氮用半微量凱氏定氮法，速效磷用碳酸氫鈉浸提法，全磷用鉬銻抗比色法，速效鉀采用NH4OAc浸提，使用火焰光度計測定；全鉀采用火焰光度計法[15]。

2.5 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2013進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，SPSS17.0進行回歸分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同樟子松林土壤養(yǎng)分含量及pH的比較

塞罕壩地區(qū)樟子松人工林的6種立地類型的土壤養(yǎng)分含量見表2。由表2可知，樟子松人工林的土壤養(yǎng)分在不同立地間呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。各養(yǎng)分元素含量都以壩上山地壤質(zhì)土和壩下山地壤質(zhì)土為最高，其次為壩上東部曼甸和壩下山地砂質(zhì)土，壩上西部曼甸砂質(zhì)土和壩下平地壤質(zhì)土最低。以有機質(zhì)為例，壩上山地壤質(zhì)土和壩下山地壤質(zhì)土表層(0～10 cm)土壤有機質(zhì)的含量分別為61.31 g·kg-1和65.64 g·kg-1，壩上東部曼甸砂質(zhì)土和壩下山地砂質(zhì)土分別為33.81 g·kg-1和27.61 g·kg-1，壩上西部曼甸砂質(zhì)土和壩下平地壤質(zhì)土則分別為21.06 g·kg-1和17.64 g·kg-1。

表2 不同樟子松林地的土壤養(yǎng)分含量及pH值

注：括號中的數(shù)據(jù)為標準差。

總的規(guī)律是壤質(zhì)土的土壤養(yǎng)分含量都相對較高，而砂質(zhì)土則相對較低，這是由于壤質(zhì)土土壤質(zhì)地更細，對土壤養(yǎng)分元素的吸附能力更強，有更高的養(yǎng)分保持能力，而砂質(zhì)土保持養(yǎng)分的能力則相對較低[16]。壩下平地壤質(zhì)土的土壤養(yǎng)分含量較低的原因主要由于該林地臨近居民區(qū)，林內(nèi)干擾(比如放牧等)比較嚴重，影響了土壤養(yǎng)分的積累。不同樟子松林的不同立地之間pH值沒有明顯差異，均在5.17～6.68，土壤呈酸性。

塞罕壩樟子松林地中各種土壤養(yǎng)分含量都隨土層深度的增加而呈逐漸下降的趨勢，這符合一般森林土壤養(yǎng)分含量的分布格局。因為森林土壤的養(yǎng)分主要來源于地上凋落物的分解及土壤中根系的周轉(zhuǎn)。隨凋落物分解而進入土壤的養(yǎng)分隨深度的增加逐漸減少，同時，根系在土壤中的分布也隨土壤深度的增加逐漸減少，2種因素共同作用使得土壤養(yǎng)分含量隨土壤深度的增加而呈下降趨勢。而pH值則與土壤的深度沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。

另外，根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準[17]，各樟子松林土壤養(yǎng)分含量都屬于中等以上水平，說明該地區(qū)樟子松林的土壤肥力狀況相對較好。

3.2 壩上與壩下樟子松林土壤養(yǎng)分含量及pH的比較

樟子松人工林在塞罕壩機械林場的壩上和壩下地區(qū)都有分布。壩上及壩下地區(qū)樟子松人工林土壤養(yǎng)分及pH值見表3?？傮w來看，除速效磷外，各種壩上及壩下地區(qū)樟子松人工林的土壤養(yǎng)分含量較為接近(表3)。

表3 壩上與壩下樟子松林土壤養(yǎng)分含量及pH的比較

另外，盡管壩上和壩下地區(qū)土壤養(yǎng)分含量總體上較為接近，但是壩下地區(qū)樟子松人工林不同林地之間土壤養(yǎng)分含量的差異明顯>壩上地區(qū)。壩上地區(qū)各土壤養(yǎng)分含量的變異系數(shù)分別為0.49、0.40、0.44、0.34、0.35、0.22、0.23和0.06，而壩下分別為0.76、0.58、0.60、0.46、0.54、0.29、0.24和0.06。這主要是因為壩上地區(qū)為高原，地勢較為平坦，各林分之間的立地條件差異相對較小，而壩下地形為山地，地勢起伏變化比較大，立地條件的空間變異較大，因此壩下不同樟子松人工林土壤之間的差異相對較大。

3.3 不同養(yǎng)分元素與土壤有機質(zhì)的關(guān)系

由圖1可以看出，各種養(yǎng)分元素都隨土壤有機質(zhì)含量的增加而增加。土壤全氮及水解氮含量與土壤有機質(zhì)均為顯著的直線回歸關(guān)系，全氮、水解氮與土壤有機質(zhì)的回歸關(guān)系的決定系數(shù)分別達到了0.807和0.973 1，說明二者與土壤有機質(zhì)的關(guān)系非常密切，土壤有機質(zhì)對全氮及水解氮的變化解釋量分別達到了80.7%和97.31%。全磷與土壤有機質(zhì)的關(guān)系為冪函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)也達到了0.876 5，而速效磷與土壤有機質(zhì)的關(guān)系為直線，決定系數(shù)為0.382 7。全鉀與土壤有機質(zhì)的關(guān)系為對數(shù)函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)達到了0.875 2，而速效鉀與有機質(zhì)的關(guān)系為冪函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)也達到了0.765，說明鉀元素與土壤有機質(zhì)也有明顯的相關(guān)關(guān)系。以上結(jié)果說明，各種養(yǎng)分元素含量與有機質(zhì)都有緊密的數(shù)量關(guān)系，只是數(shù)量關(guān)系的形式不同，即各養(yǎng)分元素與有機質(zhì)均有不同程度的正相關(guān)關(guān)系，隨有機質(zhì)含量的升高而升高，但各養(yǎng)分含量變化的程度卻各不相同。有機質(zhì)與全氮、速效氮、全磷、全鉀、速效鉀都為顯著相關(guān)，這說明土壤有機質(zhì)含量的高低在一定程度上代表著全氮、速效氮、全磷、全鉀、速效鉀含量的高低。因此，土壤有機質(zhì)水平可作為衡量土壤養(yǎng)分狀況的指標，通過有機質(zhì)含量的測定就可以判斷其總體養(yǎng)分含量的水平。

另外，從圖中可以看出，土壤pH值隨土壤有機質(zhì)含量的增加呈逐漸下降的趨勢。這可能是因為樟子松為常綠針葉樹，其凋落物含有較多的酸性物質(zhì)，土壤有機質(zhì)含量越高，其pH越低。

圖1 不同土壤養(yǎng)分及pH值與土壤有機質(zhì)的關(guān)系

3.4 樟子松高生長與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

樹高受林分密度的影響較小，因此樹高生長能夠反映立地條件的優(yōu)劣[18-19]。塞罕壩地區(qū)樟子松人工林20 a優(yōu)勢木樹高與0～30 cm土層養(yǎng)分含量的相關(guān)關(guān)系見圖2，可以看出，20 a優(yōu)勢木樹高與各種土壤養(yǎng)分含量都沒有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，這說明，該地區(qū)樟子松的高生長受土壤養(yǎng)分含量的影響較小。這與土壤養(yǎng)分含量越高、立地條件越好，而林木高生長越大的觀點有所不同。其原因在于：一是林木的生長受多種因素的影響，除受土壤養(yǎng)分的影響之外，還受地形、土壤質(zhì)地及水分等諸多生態(tài)因子的影響；二是樟子松是耐貧瘠樹種[20]，所調(diào)查林地土壤中，即使是養(yǎng)分元素含量較低的土壤，也能滿足樟子松生長對養(yǎng)分元素的要求。

同時，從圖2也可以看出，樟子松的生長與土層厚度存在正的相關(guān)關(guān)系，說明土層越厚，樟子松的高生長量越大。說明對樟子松來說，土層厚度是比土壤養(yǎng)分含量更為重要的指標，也說明了樟子松適宜深厚的土壤，即使是養(yǎng)分含量較低的土壤。邱貴福[21]對張家口地區(qū)不同立地條件的樟子松生長的研究也表明，陽坡厚層土上的樟子松生長量最大[21]。這也在一定程度上說明了為什么樟子松多分布于土壤養(yǎng)分含量并不十分豐富的砂地上。因此，樟子松人工造林應(yīng)該選擇土層深厚的立地條件。

4 結(jié)論與討論

塞罕壩地區(qū)樟子松林土壤不同養(yǎng)分元素在各林分之間的變化呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，都以壩上山地壤質(zhì)土和壩下山地壤質(zhì)土為最高，其次為壩上東曼甸砂質(zhì)土和壩下山地砂質(zhì)土，壩上西部曼甸砂質(zhì)土和壩下平地砂質(zhì)土最低。同時，不同林分之間，土壤pH值和全鉀含量的差別相對較小，而其他養(yǎng)分元素差異則相對較大。

塞罕壩地區(qū)壩上和壩下地區(qū)土壤養(yǎng)分含量總體上較為接近，但是壩下地區(qū)樟子松人工林不同林地之間土壤養(yǎng)分含量的差異明顯>壩上地區(qū)。

圖2 樹高與土壤養(yǎng)分的相關(guān)關(guān)系

樟子松林土壤中全氮、水解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀的含量均隨有機質(zhì)的增加而增加，而且具有緊密的回歸關(guān)系，但回歸關(guān)系的形式各不同?？苫诨貧w關(guān)系通過有機質(zhì)來估測其他土壤養(yǎng)分元素的含量。

樟子松優(yōu)勢木樹高與土壤養(yǎng)分含量之間沒有表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，但優(yōu)勢木樹高與土壤厚度有正的相關(guān)關(guān)系，樟子松適宜土層深厚的立地條件，而對土壤養(yǎng)分含量要求不高。

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