华北落叶松人工林各龄级土壤肥力研究

刘甲午，葛兆轩，田晓敏，张志东，黄选瑞

(河北农业大学林学院，河北保定 071000)



华北落叶松人工林各龄级土壤肥力研究

刘甲午，葛兆轩，田晓敏，张志东，黄选瑞*

(河北农业大学林学院，河北保定 071000)

基于河北省塞罕坝机械林场中3个龄级(Ⅱ龄级，15～20 a、Ⅲ龄级，20～30 a、Ⅳ龄级，30～40 a)华北落叶松人工林土壤肥力调查数据，分析和比较了华北落叶松各龄级人工林土壤物理和化学性质，并分析了各因子之间的相关性。研究结果显示：该区域的土壤环境受到林龄的影响较大，土壤各相关因子之间联系紧密。采用方差分析和主成分分析等方法对土壤肥力进行评价，结果表现为：Ⅲ龄级综合得分>Ⅱ龄级综合得分>Ⅳ龄级综合得分。

华北落叶松人工林；土壤肥力评价；塞罕坝

土壤作为森林植物生存的基础，为植物生长提供了必需的矿质营养元素以及水分、空气和微生物等，对根系也具有机械支撑作用。土壤肥力的高低直接影响着植物生长发育，也影响植物群落种间竞争、物种丰富度等，进一步影响群落内的植物种类分布格局[1-2]。因此，为了高效且可持续地开发与使用森林中包括土壤在内的各种资源，促进一个良性的森林生态环境的形成，有必要对其土壤特征进行系统研究。

华北落叶松是华北林区主要用材树种之一。塞罕坝机械林场从20世纪50年代开始营造了大面积纯林，经过数年的营林、造林、抚育间伐，逐步成为河北省森林资源的重要组成部分和重要的后备森林资源。但是，长期以来，因为树木种类过少、林分构成不丰富、人工管理不善等影响，土壤肥力越来越低，贫瘠的土壤严重影响了森林资源的培育。在落叶松人工林环境中的地力衰退机制和生物碳储量[3-6]方面，我国已有一些研究，但是对不同龄级土壤肥力的研究比较少。该研究选取位于河北省塞罕坝机械林场内各龄级落叶松人工林的土壤，对其展开一系列的统计分析与成分分析，根据得到的数据来反映目前该林场中土壤的肥力状况，并由此评估对其生态圈的各种后续影响。另外，对影响肥力的生物或其他因子进行了讨论分析，从而给该区域内其他林场提供更丰富、更全面的管理建议。

1 研究区概况

研究地主要位于塞罕坝机械林场(118°06′05″～118°17′19″E，41°28′46″～41°40′40″N)，该地属于坝下、坝上过渡带和森林—草原、干旱—半干旱地区的交错带。林区气候寒冷，冬季漫长，春秋季节短，夏季不明显，属寒温带大陆性季风气候。年均气温-1.4 ℃，极端最高、最低气温分别为30.9 ℃和-43.2 ℃；年降水量490 mm，蒸发量1 229.9 mm；年均无霜期68 d，积雪时间长达7个月。土壤类型以山地棕壤、灰色森林土和风沙土为主。塞罕坝处于森林—草原交错带，植被类型多种多样，分别为落叶针叶林、常绿针叶林、针阔混交林、阔叶林、灌丛、草原与草甸和沼泽及水生群落。

2 研究方法

2.1 标准地调查为避免立地条件及人为干扰等因素对试验结果产生影响，在全面踏查的基础上，遵循立地条件一致、林地经营历史相近的原则，依据林龄来划分层次[7]，把15年以上20年以下的划作Ⅱ龄级，20年以上30年以下的划作Ⅲ龄级，30年以上40年以下的划作Ⅳ龄级，针对这3个不同的层次，选取了3个较有研究价值的林分，于2013年植物生长旺季(7月)在该研究区选择典型的华北落叶松人工林分，在每个林分设置50 m×50 m标准地3块。为了得到相似程度更高的立地指数，尽可能地选取相近的海拔、山坡朝向、土层性质。进行样地研究时，选取多种调查因子。样地概况见表1。

2.2 土壤样品的采集与处理从0至30 cm，以10 cm为1个阶梯，将采土结构分为3类，并在样地的4个角与中心分别收集这3层土壤样品，将同一层中收集的土壤置于同一容器中并充分混合，同时取1 000 g待检测的土壤样本，装入塑封袋内，标记编号，组成0

表1 华北落叶松人工林标准地概况

2.3 土壤样品基本理化性质测定土壤含水量与密度用环刀测量；酸碱性测量用电位计法；有机物质测量使用外加热重铬酸钾容量法─稀释热法；土壤单质与化合态磷的测量使用浓硫酸—高氯酸消煮—钼锑抗比色法；土壤单质与化合态钾使用氢氧化钠熔融—火焰光度计法；浓硫酸—高氯酸消煮—凯氏定氮仪法测定土壤全氮；土壤有效磷使用氟化铰—盐酸—钼锑抗比色法；土壤速效钾测量使用中性乙酸铵浸提—火焰光度计法[8]。

2.4 数据分析应用Exce12007和SPSS18.0统计分析软件对所获得的数据进行单因素方差分析、相关性分析和主成分分析[9]。

3 结果与分析

3.1 华北落叶松人工林各龄级土壤肥力因子的变化土壤紧实度可以通过土壤密度体现出来，同时它也是反映土壤肥力的一个关键性指标[10]。华北落叶松人工林各龄级土壤密度的变异系数维持在14%左右，变异程度不显著。土壤自然含水量的变异系数介于36%～52%(表2)。通过检测、比较以及单因素方差分析，结果表明：林龄是影响土壤密度和土壤含水量关键性因素，Ⅲ龄级的土壤密度在Ⅱ龄级和Ⅳ龄级水平之下，Ⅱ龄级的土壤含水量比Ⅲ龄级和Ⅳ龄级明显偏低。

表2 林龄对土壤物理性质的影响

不同龄级华北落叶松人工林土壤有机质质量分数的变化范围为5.06～71.96 g/kg；Ⅱ龄级的土壤有机质变异系数最大，为88.56%，其次是Ⅲ龄级，为51.52%，Ⅳ龄级最小，为49.15%(表3)。研究显示，伴随着龄级的增长，土壤中有机化合物的质量分数表现出先上升后下降的规律。

表3 林龄对土壤有机质百分含量的影响

酸碱度对土壤肥力的性质影响较大，它不仅影响着凋落物的分解、养分元素的释放和转化，而且对植物生长也有一定程度的影响[11]。华北落叶松人工林各龄级土壤的pH变化范围在5.08～6.14(表4)，表现为酸性土壤。各龄级的变异系数在3%左右，变异程度不显著。从各龄级土壤pH的变化值来看，Ⅲ龄级最低，其次为Ⅳ龄级，Ⅱ龄级最高。由此可见，随着龄级的逐渐增加，土壤物理性质呈现出不断酸化的趋势。

Ⅲ龄级人工林土壤全氮质量分数的变异系数最低，为43.61%，而Ⅱ龄级和Ⅳ龄级土壤全氮质量分数的变异系数相差不多，均在65%左右，Ⅲ龄级土壤全氮质量分数的变化范围最大(表5)。土壤氮素质量分数和平均值的变化随林龄的增加呈现出先升高后降低的变化趋势。

表4 林龄对土壤酸碱性的影响

表5 林龄对土壤氮素含量的影响

土壤各龄级全磷的变异系数变化范围在30.61%～33.58%，土壤有效磷的变异系数变化范围在21.44%～42.98%，Ⅲ龄级和Ⅳ龄级全磷的变异系数低于对应有效磷的变异系数(表6)。Ⅲ龄级的土壤全磷和有效磷质量分数高于Ⅱ龄级和Ⅳ龄级，土壤全磷和有效磷的变化随林龄增加都呈现出先升高后降低的变化趋势，到Ⅲ龄级时值达到最高。

表6 林龄对土壤磷素含量的影响

土壤各龄级全钾的变异系数变化范围在5.51%～14.68%，土壤各龄级速效钾的变异系数变化范围在38.89%～59.34%(表7)。由此可见，土壤全钾的变异系数明显低于速效钾的变异系数。从各个龄级全钾质量分数的平均值变化来看，除Ⅳ龄级土壤全钾质量分数平均值为19.14 g/kg外，其他龄级的土壤全钾平均质量分数均在25.50 g/kg左右，Ⅳ龄级的土壤全钾质量分数显著低于其他龄级；Ⅱ龄级土壤速效钾质量分数最高，为108.01 mg/kg。土壤全钾和速效钾的质量分数随林龄增加也呈现出先升高后降低的变化趋势。

3.2 华北落叶松人工林各龄级土壤肥力评价采用主成分分析、相关性分析等方法对华北落叶松人工林各龄级的土壤肥力状况进行综合评价，依据各个龄级3块标准地的分析结果，以各个标准地土壤肥力综合指标的平均值计算出华北落叶松人工林各龄级土壤肥力综合指数，得到Ⅱ龄级、Ⅲ龄级、Ⅳ龄级人工林土壤肥力的综合得分为：0.194、0.457、- 0.611，结果为Ⅲ龄级综合得分>Ⅱ龄级综合得分>Ⅳ龄级综合得分。

表7 林龄对土壤钾素含量的影响

4 结论与讨论

4.1 华北落叶松人工林各龄级土壤肥力华北落叶松人工林各龄级土壤密度的变异系数均在14%左右，变异差异不显著。其中，土壤密度在Ⅲ龄级时达到最小，土壤含水量随林龄的增加呈现出先升高后降低的变化趋势，同时在Ⅲ龄级时土壤含水量达到最高。华北落叶松人工林的土壤呈现出酸性，pH值的变异系数低于其他肥力因子[12]。分析其酸碱性的变化规律，得知该林区内的森林副产物存在于土壤中，并且在分解时得到有机酸性物质，这些成分对土壤层反复作用，造成该区域林地内的土壤呈现出酸性特质，而土壤养分和地表植被的营养状况受土壤酸碱度变化的极大影响，因此，可通过人工营林、造林和改变林场内树种组成等措施，来改变林下凋落物的组成，从而提高土壤的酸碱度和其他养分的有效性。

林龄的变化对有机化合物的百分含量有重要影响，具体表现为随林龄的提高，有机化合物的百分含量表现出先上升后下降的变化规律，Ⅲ龄级土壤的有机化合物的百分含量是最高的。由于该人工林场土层中的有机化合物的补充基本靠其自身，Ⅲ龄级树种的林木凋落物的量最大，因此其有机化合物的百分含量第一。

4.2 华北落叶松人工林各龄级土壤肥力状况综合评价华北落叶松人工林Ⅲ龄级的土壤肥力最高，其次为Ⅱ龄级和Ⅳ龄级。在调查研究中发现，Ⅱ龄级人工林林分过于稠密，郁闭度普遍较高，林地接受阳光照射很少，林下凋落物稀少，由于落叶松的生长需要大量养分维持，使得Ⅱ龄级人工林树种的凋落物产出远高于分解，土壤肥力的耗损与归还不成正比，导致林地土壤养分含量整体较低。Ⅲ龄级人工林树种经过抚育间伐之后，林分密度和郁闭度同比Ⅱ龄级相应减小，林地接受阳光照射增多，地温逐渐回升，地表和地下生物活动增强，地面凋落物的分解速率加快，土壤状况改善，养分提高，土壤养分收支基本维持平衡，由此，土壤肥力状况也取得了明显的改善。此时正是华北落叶松人工林中幼林抚育的最好时期。这一时期如果能够加强人工管理，恢复地表物种多样性，土壤肥力状况不仅可以保持此前状态，还可以继续提高[13]。华北落叶松Ⅳ龄级阶段，由于过度乱采滥伐，林分密度和凋落物数量急剧下降，土壤各因子之间的质量分数和微生物数量与Ⅲ龄级人工林相比发生了明显的变化。除此之外，由于过度注重经济效益，林木用材量剧增，土壤养分的收支状况严重失衡，土壤肥力明显降低。由此可见，土壤的肥力水平与人为因素有很大关系。适度的抚育间伐，不仅可以提高落叶松林地的土壤肥力，还可以实现可持续利用。

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Study on Soil Fertility inLarixprincipis-rupprechtiiPlantations of Different Stand Age

LIU Jia-wu, GE Zhao-xuan, TIAN Xiao-min, HUANG Xuan-rui*et al

(College of Forest, Agriculture University of Hebei, Baoding, Hebei 071000)

An investigation was conducted to study and evaluate soil fertility inLarixprincipis-rupprechtiiplantations of three age classes (Ⅱage class, 15-20 year-old stand; Ⅲ age class, 20-30 year-old stand; Ⅳage class,30-40year-old stand) in Saihanba Region, Hebei Province, China. The soil physico-chemical properties were carried out inLarixprincipis-rupprechtiiplantations of different stand ages. Soil fertility of these stands was further assessed by principal component analysis method. The results show that the stand age has significant effects on soil physico-chemical properties. There are close correlations among soil properties, soil fertility order ofLarixprincipis-rupprechtiiplantations: Ⅲ age class> Ⅱage class> Ⅳage class.

Larixprincipis-rupprechtiiplantations; Soil fertility assessment; Saihanba

“十二五”科技支撑计划课题(2012BAD22B0304)。

刘甲午(1989- )，男，河南汝州人，硕士研究生，研究方向：森林可持续经营。*通讯作者，教授，博士，从事森林可持续经营理论与技术等研究。

2014-11-28

S 714.5

A

0517-6611(2015)02-156-03