吉林蛟河不同龄组红松阔叶混交林土壤理化性质分析*>



吉林蛟河不同龄组红松阔叶混交林土壤理化性质分析*>

林文树，邵立郡，穆丹，王丽平，吴金卓

(东北林业大学 工程技术学院，黑龙江哈尔滨150040)

摘要：采用调查取样和定量分析方法对吉林省蛟河市林业实验区管理局林场的不同龄组红松阔叶混交林(中龄林、近熟林、成熟林和过熟林)土壤的理化性质进行分析。结果表明：随着林龄增加，土壤容重变化并不显著；持水量、凋落物层的厚度以及土壤呼吸速率呈现上升的趋势，土壤总孔隙度基本保持不变。不同龄组的土壤在营养元素等化学性质方面，都存在明显的差异，变化趋势复杂，总体上与有机质变化一致。随着林龄增加，土壤肥力状况变好，过熟林土壤肥力最好，并且林地土壤涵养水源和保持水土功能有所加强，对维持周围生态系统有重要作用。

关键词：土壤肥力；理化性质；森林土壤；龄组

森林生态系统是人类和社会生存与发展必不可少的自然资源。森林土壤作为森林生态系统的重要组成成分，为植物生存提供必不可少的营养物质。长期维持并提高林地土壤肥力对于森林整体稳定以及林业可持续发展有着关键性的影响。研究不同龄组土壤的理化性质对于森林抚育、更新、保护以及健康评价具有重要意义。近年来，许多研究学者对温带针阔混交林群落进行了大量研究[1～6]，这些研究集中在主要树种的光合作用[2]、生物量[3]、林木生长[4]、物种和结构特征[5]以及功能多样性[6]等方面。以红松(Pinuskoraiensis)为主的温带针阔叶混交林是中国东北地区常见的植被类型。过去，由于大规模的采伐干扰或火烧破坏，使得这一地区的原始阔叶红松林树种组成发生了变化。本研究以吉林省蛟河市林业实验区管理局林场的不同龄组红松阔叶混交林为研究对象，通过样地与土壤剖面取样调查，分析不同龄组下森林土壤的理化性质特征，探索林龄与土壤理化性质之间的相互关系，以期为研究该地区森林经营管理提供参考。

1研究地概况

研究区位于吉林省蛟河市林业实验区管理局林场，其地理坐标为北纬43°57.524′～43°58.042′,东经127°44.111′～127°44.667′，海拔459～517 m。年平均最高气温为22℃，年平均最低气温为-18.6℃，年平均气温3.5℃，年平均降雨量为700～800 mm[7]。该林场属吉林省主要林区，全区属长白山系张广才岭山脉，地势由西北向东南倾斜，北部高，东南平坦开阔，动植物资源丰富。该区域属于温带大陆性山地气候。土壤为山地暗棕色森林土壤，土层平均厚度为20～100 cm，土壤形态分布层次明显，并且所含有机质较多[8]。研究区内群落林分为天然针阔混交林，针叶树种有红松、沙松(Abiesholophylla)等，阔叶树种有胡桃楸(Juglansmandshurica)、色木槭(Acermono)、东北槭(A.mandshuricum)、白桦(Betulaplatyphylla)、春榆(Ulmuspumila)、千金榆(Carpinuscordata)、暴马丁香(Syringareticulatavar.amurensis)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)、紫椴(Tiliaamurensis)、裂叶榆(U.laciniata)、风桦(B.costata)、朝鲜槐(Maackiaamurensis)等[9]。

2研究方法

2.1样地设置

2009-2012年，以空间替代时间的方法选取能代表不同林龄阶段的典型样地[10]，在研究区内根据龄组划分为4个类型：中龄林、近熟林、成熟林和过熟林，林分类型为针阔混交林，其中，中龄林以胡桃楸、红松、色木槭、东北槭、春榆、裂叶榆等占优势；近熟林以色木槭、春榆、胡桃楸、暴马丁香、千金榆、红松等占优势；成熟林以千金榆、紫椴、红松、色木槭和白牛槭等占优势；过熟林以裂叶榆、色木槭、紫椴、红松、风桦、东北槭等占优势[9]。设置4块样地，共计114.96 hm2，构成了一个由中龄林分逐渐向过熟林分转变的过程。固定监测样地的概况如表1所示。由于原有样地面积大小不一，为了方便比较，在近熟林、中龄林、成熟林、过熟林固定样地中，分别选取20 hm2长方形样地进行土壤采样。

表1　4块固定样地概况

2.2土壤取样及剖面观察

土壤取样于2014年7月进行，在每个样地中以田字格的形式均匀选取9个样点进行剖面挖掘与取样，共计36个取样点。为了不破坏测试样地的完整性，考虑到根系、凋落物等影响，选择具有代表性的土壤制作土壤剖面，剖面位置距离树基约0.5～1.0 m，剖面规格为宽0.8～1.0 m，长1.0～2.0 m，深度以达到母质层为准。剖面制作成功后，自上而下观察并记录土壤剖面的特征，包括凋落物特征、石砾含量、土壤厚度、腐殖质层厚度等。本研究项目所测量腐殖质层厚度为A层，土壤厚度为A+B层。对于测量土壤孔隙度、容重等物理性质，直接用环刀在距离每个样点0～20 cm土层处取土样，取样深度约为10 cm，接着在该点取1 kg混合土样放入标记好序号的土壤袋中，共36个样点，取回的土样经过风干、研磨、过筛后进行化学实验来获得研究的基础数据。

2.3土壤物理性质及化学性质测定

(1)土壤物理性质

①土壤的水分-物理性质采用环刀法测定[11]；②土壤呼吸实验使用LCpro-CD光合作用仪监测。

(2)土壤化学性质

①pH值用酸度计测定，水浸，水土体积比为50：1[12]；②土壤有机质用油浴重铬酸钾氧化法测量[13]；③全氮用自动凯氏法测定，仪器为VS-KT-P型全自动定氮仪[14]；④水解氮用扩散法测定[15]；⑤全磷用酸溶-钼锑抗比色法测量[16]；⑥有效磷用钼锑抗比色法测量[17]；⑦全钾用火焰光度法测量[18]；⑧速效钾用火焰光度法测量[19]。

2.4数据处理方法

采用Excel软件进行绘图，利用SPSS 19.0软件进行统计分析和相关性分析。

3结果与分析

3.1土壤理化性质描述性统计分析

为了明确不同龄组针阔混交林的土壤容重、持水量、孔隙度、土壤呼吸速率、pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、水解氮、有效磷、速效钾含量等物理与化学性质状况，各样地0～20 cm土层的上述指标的极值和平均值以及变异系数结果如表2所示。由表2可知，研究区内的不同龄组针阔混交林的平均土壤容重为0.75 g/cm3，最大持水量85.12 %，总孔隙度59.21 %，凋落物厚度2.53 cm，土壤呼吸速率3.97μmol/(m2·s)，pH均值为5.96，有机质含量为16.64 g/kg，全氮平均含量为0.63 g/kg，全磷的平均含量为0.26 g/kg，全钾的平均含量为49.83 g/kg，水解氮的平均含量为70.65 mg/kg，有效磷的平均含量为27.07 mg/kg，速效钾的平均含量为34.55 mg/kg。根据变异系数的变化可以看出，不同龄组针阔混交林的土壤有机质、有效磷以及非毛管孔隙度的变异系数均超过50 %，而全氮、土壤呼吸速率以及毛管持水量的变异系数都超过40 %，为中度变异。不同的森林经营方式、林分密度以及养分的层次性都会对这些指标产生影响[20]。pH值较为稳定，均值为5.96，变异系数最小，说明研究区土壤属于酸性土壤并且土壤稳定。

表2　不同龄组针阔混交林的土壤理化性质

3.2土壤物理性质的分析

本研究中，土壤物理性质的调查项目包括土壤容重、毛管孔隙度、总孔隙度、最大持水量、毛管持水量、非毛管持水量、凋落物层厚度和土壤呼吸速率共8项指标。不同龄组的林分调查结果的平均值以及变异系数见表3。

表3　不同龄组针阔混交林的土壤物理性质

表4　不同龄组针阔混交林的土壤容重变化

3.2.1土壤容重

土壤容重反映了土壤的结构、通气性和透水性以及根系在伸展时受到的阻力等[20]。由表4可知，随着林龄增加，土壤容重的均值变化不大，在过熟林阶段最小。各龄组土壤容重的变异系数都在30 %以下，属于弱度变异。土壤的容重会受到土壤密度和土壤孔隙度的影响，随着林龄的增加，林内的郁闭度也变大，林下环境阴湿，可以促进微生物的作用，从而使得土壤变得疏松。

3.2.2土壤持水量

土壤持水量是反映土壤能够吸持水分的指标，其中毛管持水量为最有效的水分，最大持水量是指毛管持水和非毛管持水达到最大数量时的含水量[20]。毛管孔隙度和非毛管孔隙度共同决定了土壤持水量，通过二者将地表水转化为土壤水达到对林内的水源涵养。根据表5可以看出，随着林龄的增加，毛管持水率在逐渐增加，总持水率也在逐渐增加，但是二者的增幅并不相同，在过熟林的时候持水率达到最大。从持水率的变化可以看出，随着林龄的增加，持水量均值稳步增加，土壤涵养水分能力增强，能够供应林木所需水分，尤其在成熟林增加幅度较大。根据变异系数可以看出，土壤持水量在30 %～50 %之间，为中度变异，说明不同龄组森林土壤持水量差异较为明显。

表5　不同龄组针阔混交林的土壤持水量

3.2.3土壤孔隙度

土壤孔隙占体积的百分比即为土壤孔隙度，孔隙度包括非毛管孔隙度和毛管孔隙度[20]。毛管孔隙度对土壤蓄水有着重要作用，而非毛管孔隙度主要起到通气透水的作用，它的大小决定了土壤的通气状况和排水状况。孔隙度影响土壤中气体运动，决定根系和微生物的活动。由表6可知，随着林龄增加，毛管孔隙度稳步上升，非毛管孔隙度以相同的幅度下降，使得总孔隙度基本保持不变，总孔隙度均值为59.21 %，土壤中大小孔隙均存在，土壤的通气透水能力协调，持水较好，土壤结构优良，土壤孔隙度良好。

表6　不同龄组针阔混交林的土壤孔隙度

表7　不同龄组针阔混交林的土壤呼吸速率

3.2.4土壤呼吸速率

土壤呼吸是指植物根部在内部呼吸产生二氧化碳通过孔隙与大气相交换，也包含土壤微生物和动物的呼吸。土壤呼吸对于碳循环有着重要的作用，影响着气候变迁。由表7可知，随着林龄增加，土壤呼吸速率呈现先变小而后增大的趋势，过熟林的土壤呼吸速率最大。不同龄组针阔混交林土壤呼吸速率的变异系数在15 %～44 %之间，并不稳定。

3.3土壤化学性质分析

土壤有机质是植物养分的来源，土壤的养分对于维持植物生命周期是必要的元素，这些都被称为土壤的化学性质。本研究中土壤化学性质选取了土壤的有机质、酸碱度、全氮、全钾、全磷、水解氮、速效钾、有效磷8个指标，结果如表8所示。由表8可知，不同龄组红松阔叶混交林的土壤化学性质存在差异。

表8　不同龄组针阔混交林的土壤化学性质

3.3.1土壤酸碱度

土壤的酸碱度受土壤盐基所支配，它对土壤中微生物的活动以及有机质的分解等都有重要的作用，影响土壤的肥力以及林地种子的发芽、幼苗及幼树的生长。根据表9分析可知，pH值的整体范围在5.03～6.51，整体的pH值属于酸性到弱酸性。随着林龄的增加，土壤逐步地向弱酸化转变，说明植物对于土壤的酸碱性起到平衡作用。在到达过熟林的时候，pH值有所下降，这是由于有机质在分解过程中产生酸性物质，并且向淋溶层迁移，使得土壤呈现酸性，但变化不显著。此时，pH值对于霉菌及酵母菌的生长及繁殖有积极作用。

表9　不同龄组针阔混交林的土壤pH值

3.3.2土壤有机质

土壤中的有机质主要指土壤中动植物的残体，大部分是植物枯枝落叶以及根系分泌物。有机质是土壤固相的主要组成部分，树木养分的来源，也是土壤中最活跃物质构成，它不仅是评价林地土壤肥力高低的首要指标，更对森林可持续发展有着重要作用。

表10　不同龄组针阔混交林的土壤有机质

由表10可知，不同龄组的红松林土壤有机质含量的变异系数为37.85 %～69.41 %，属中度变异，近熟林的最大，达到69.41 %。随着林龄增长，有机质的改变并不稳定，中龄林到近熟林增大，近熟林到成熟林减小，但是到过熟林的时候则又超过成熟林，这与土壤的温度、水分、通气状况以及凋落物和土壤的特性都有关系。

3.3.3土壤营养元素

土壤中林木生长发育过程中必需的元素称为营养元素，由于植物对不同营养元素需求的差异，将氮、磷、钾称为大量营养元素，本研究主要分析氮、水解氮、磷、有效磷以及钾和速效钾等6种营养元素的变化(表11)。氮素是植物必不可少的养分，非生物因素提供的氮素很少，主要来源是土壤内循环、微生物对凋落物的分解以及根系分泌物[21]。全氮素的变异系数在35 %～50 %之间，水解氮的变异系数在20 %～35 %之间。全氮和水解氮的均值随着林龄的增加均呈先增大后减小而后又增大的趋势，其变化趋势与有机质的变化趋势相一致。其中，过熟林的土壤全氮量最高。因氮素的来源是有机质的分解与积累，不同林龄之间差异并不显著。磷素对于幼苗根系生长有着重要作用，有效磷是指可以被植物吸收利用的磷组分，对于植物代谢以及植物器官分化磷是重要的元素。全磷的变异系数在10 %～20 %之间，为弱度变异。有效磷的变异系数较大，近熟林为32 %，其他林分都为50 %以上。磷元素的转变趋势也与有机质转变趋势相同。到成熟林和过熟林时期，林木不再从土壤中吸收磷，因此磷素的含量较高[20]。磷素的固定与pH值有一定的关系，酸性土壤pH值上升会减少对磷的固定作用，使得有效磷含量增加。钾素能促进植物光合作用和增强抗性，增强树木体内物质合成与运转。速效钾对于实现植物钾素供给有重要作用。全钾的变异系数不稳定，中龄林和成熟林的变异系数都为20 %以下，近熟林为29 %，过熟林则达到41 %；速效钾除中龄林为51 %以外，其他林分基本稳定在35 %左右。近熟林中钾素的指标明显高于其他龄组。

表11　不同龄组针阔混交林的土壤营养元素化学性质

4结论与讨论

本研究对吉林省蛟河市林业实验区内的不同龄组红松阔叶混交林样地(中龄林、近熟林、成熟林和过熟林)土壤的理化性质进行研究，得出以下结论：

(1)不同龄级的针阔混交林土壤容重均值为0.75，这是因为林分受到的人为干扰较小，腐殖质层厚，土壤较为疏松并且取样的时候只取表层的土壤作为研究对象，因此土壤容重数值相对较小。随着林龄增长，土壤容重均值的变化不是非常明显，总体是先增加后降低，在过熟林时最小。毛管持水与总持水量都随着林龄的增长在上升，说明土壤持水能力有所加强。毛管孔隙度与非毛管孔隙度二者并非同时增减，这使得总孔隙度基本保持不变。由土壤容重与持水量变化表明，林龄增加，针阔混交林在物种组成、复杂程度以及层次结构向着更加多元化发展。凋落物层的平均厚度为2.53 cm，比较薄。不同林龄其凋落物层厚度差异不是很大，变异系数为28 %。凋落物层的厚度随着林龄的增长而变厚，凋落物层是衡量水源涵养功能的重要指标[22]。根据分析可知，随着林龄的增长，林内的环境有所变化，垂直结构趋于合理，凋落物增加，土壤涵养水源保持水土的功能提高了，减少了水土流失以及地表径流的产生。针阔混交林对于土壤物理性质的改善效果很好，这与耿玉清[23]在北京八达岭地区对不同林分类型土壤的研究结果相一致。

(2)土壤pH值的变异系数显著低于其他指标，均值为5.96，表明土壤呈弱酸性，主要是因为有机质分解产生有机酸向土壤下层淋溶，此时土壤中营养的溶解度高，适宜植物的生长。土壤的有机质以及大量营养元素全氮、水解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾的变化都是同一个趋势，所以土壤中的有机质对于土壤的部分化学性质有一定的影响，这与孟京辉等[24]的研究相一致。随着林龄的增加，有机质的变化是复杂的，中龄林开始先增大然后减小，在过熟林的时候再次增大，近熟林的土壤肥力状况最好。究其原因，主要是因为近熟林是在中龄林经过间伐后生长，此时林分密度较为适宜，尚未完全郁闭，光照增强土壤表层的温度升高使得微生物活动加剧，此时的有机质含量和土壤的持水能力明显高于其他龄级林木，因此间伐对于林木生长很重要，能提高土壤肥力状况。

根据以上分析可知，随着林龄增长，过熟林的整体土壤肥力最佳，说明森林的物质循环对于土壤的肥力增强和水土保持都有积极作用。其次是近熟林，究其原因，与抚育间伐有关，林分密度的降低导致光照增加，使得森林条件得以改善。由于林龄增长，丰富了林地中有机质以及大量营养元素的含量，保持土壤肥力，增强通气性，贮水能力也有所提高，因此，针阔混交林对于土壤性质的改良效果好。通过土壤理化性质分析，研究区内林地土壤状况良好，对于保持水土、维持周围生态系统有着至关重要的作用。但是，本研究只是随机选取，样本数比较少，不可避免地有疏漏之处，为完成对研究区整体的概况描述，还需要扩大取样数量，作进一步深入分析。

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Physical and Chemical Properties of the Soil in Korean Pine and Broad-leaved

Mixed Forest at Different Age Groups in Jiaohe of Jilin Province

LIN Wen-shu，SHAO Li-jun，MU Dan，WANG Li-ping，WU Jin-zhuo

(College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，P.R.China)

Abstract:The survey sampling and quantitative analysis method were used to analyze the physical and chemical properties of soil in korean pine and broad-leaved forests at different age groups (middle-aged forest，near-mature forest，mature forest，and over mature forest) in Forest Farm of Jiaohe Management Bureau，Jilin Province.The results showed that soil bulk density did not change significantly with the development of succession， water holding capacity，litter layer thickness and soil respiration rate showed an upward trend，and total soil porosity essentially unchanged.With regard to the soil chemical properties in nutrients for the forests at different age group，there were significant differences with complex trends.In general，the trends were consistent with that of the organic matter.After a comprehensive comparison of the physicochemical properties，it is concluded that with the succession moving forward，soil fertility status was improved，and the forest soil fertility of old growth forest was the best.In addition，soil and water conservation function was enhanced with the increasing age，and the forest were playing an very important role in maintaining the surrounding ecosystems.

Key words:soil fertility; physicochemical properties; forest soil; age groups

中图分类号：S 714.2

文献标识码：A

文章编号：1672-8246(2015)05-0026-08

通讯作者简介：吴金卓(1980-)，女，副教授，博士，主要从事森林作业与环境研究。E-mail：wujinzhuo1980@163.com

作者简介：第一林文树(1980-)，男，副教授，博士，主要从事森林作业与环境研究。E-mail：linwenshu@126.com

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助(2572015CA01)，“十二五”国家科技支撑计划专题(2012BAC01B03-3)，国家 自然科学基金项目(31400539)资助。

收稿日期：*2015-05-14

doi10.16473/j.cnki.xblykx1972.2015.05.006