北京八达岭不同密度油松土壤团聚体特征研究

2016-04-17陈宇轩查同刚

西南林业大学学报 2016年2期

周娅陈宇轩邹瑞周玮查同刚

（1.北京林业大学林学院，北京100083；2.北京林业大学水土保持学院，北京100083；3.北京林业大学北京市水土保持工程技术研究中心，北京100083；4.安徽省水文局，安徽合肥230022）

周娅1陈宇轩2，3邹瑞4周玮2，3查同刚2，3

为研究林分密度对土壤团聚体稳定性的影响，以北京市八达岭林场3种不同密度（低密度500～800株/hm2，中密度1 000～1 200株/hm2，高密度1 400～1 600株/hm2）油松人工林为研究对象，通过野外调查采样和室内测定，系统分析了各林分分形维数、不同粒级团聚体保存率和团聚体稳定性指数。结果表明：林分密度显著影响土壤团聚体分形维数，3种不同密度油松人工林土壤团聚体分形维数（干筛）介于2.62～2.76，低密度林地分形维数最小，高密度林地分形维数最大；土壤水稳性团聚体分形维数（湿筛）与林分密度呈正相关，变化范围是2.64-2.79；低密度林分0～10 cm土层分形维数最小，高密度林分20～30 cm土层分形维数最大；各粒级团聚体保存率均大于0.5，其中0.5～0.25mm粒级团聚体保存率最大，水稳性最强，1～0.5mm粒级团聚体保存率最小，水稳性最弱；团聚体稳定性指数介于3.62～4.55，林分密度增加团聚体稳定性指数逐渐减小。低密度林分土壤团聚体稳定性更好，更有利于水土保持，建议将该区域油松人工林密度控制在500～800株/hm2。

林分密度；团聚体特征；分形维数；油松；人工林

土壤团聚体是土壤原生颗粒经各种胶结物质作用形成的土壤基本结构单位［1］，其数量和质量影响土壤理化及生物学性质［2-3］。土壤团聚体影响土壤中水分的贮存和运动［4］，能够调节土壤可蚀性，团聚体结构越稳定，土壤可蚀性越小，土壤侵蚀量越少［5-7］，越难发生水土流失［8］。影响土壤团聚体稳定性的因素众多，包括有机质、微生物、植被覆盖情况、土地利用方式和气候条件等。其中有机质及微生物代谢过程产生的酶和多糖类物质是团聚体形成的重要胶结物质；植被通过根系影响团聚体形成；土地利用方式、气候条件分别通过改变有机质含量、土壤水热条件影响团聚体的形成［9-11］。森林经营管理措施对土壤理化性质有重要影响［12］，密度调控是森林经营管理的一项重要措施，林分密度通过改变森林群落中生态因子如光、热、水分等的分配，使林下物种多样性及结构发生变化，进而影响土壤理化性质［13］。

北京八达岭林场作为长城景区所在地和密云水库的水源地，发挥着重要的景观生态效应和水源涵养功能。密度调控作为该区域重要的营林措施，对林分结构、生物多样性、碳密度及水源涵养能力等具有重要影响［14］，密度调控对该地区土壤理化性质有重要的作用，因此推测密度调控对土壤团聚体的稳定性存在重要作用。本研究旨在分析八达岭林场不同密度油松人工林土壤团聚体稳定性，进而确定土壤团聚体稳定性最高时的林分密度，为该区域水土流失防治提供科学依据。

1 研究区自然概况

八达岭林场位于北京市延庆县境内，距市区约60 km，位于东经116°01′，北纬40°20′，总面积为2 940 hm2。平均海拔为780m，山势陡峭，坡度多在30°～35°，坡向多为半阴和半阳坡。该区气候类型属大陆性季风气候，年平均气温10.8℃左右，年平均降水量454 mm，年平均相对湿度56.2%，年平均风速3.1m/s。岩石种类以花岗岩为主，主要土类型为褐土、棕壤。自20世纪50年代建场以来，逐年营造人工林，目前森林覆盖率已达60.7%，人工林有油松（Pinus tabuliformis）、华北落叶松（Larix principisrupprechtii）、侧柏（Platycladus orientalis）、刺槐（Robinia pseudoacacia）等；灌丛有山杏（Armeniac asibirica）、山桃（Prunus davidiana）、绣线菊（Spiraea Salicifolia）、黄栌（Cotinus coggygria）、胡枝子（Lespedeza bicolor）等。

2 研究方法

2.1 样地设置及取样方法

研究区油松人工林栽植于1962—1965年，1985年左右进行了不同强度的间伐，至今形成了500～800株/hm2的低密度（LD）、1 000～1 200株/hm2的中密度（MD）和1 400～1 600株/hm2的高密度（HD）林分等。2013年5月按照典型性和代表性原则，在各密度林分中分别布设3个20m×20m的标准样地，样地基本概况见表1。在各样方地中按照“S”型布设5个采样点，因八达岭林场油松人工林土层厚度略大于30 cm［15］，故本研究土壤样品采集深度为30 cm。采用机械分层法，以10 cm为1层，分3层挖掘土壤剖面，对应层次混合均匀，按四分法取200 g土样置于自封袋中用于测定理化性质；用容积为100 cm3标准环刀采集团聚体分析样，相同层次环刀样品置于同一塑料盒中（为防止土样在运送过程中受到挤压破坏团聚体结构影响团聚体稳定性测定结果，故使用塑料盒装团聚体分析样）。

2.2 样品处理及测定方法

将塑料盒中的土样取出后，用手轻轻将土块掰碎，挑去残根和各种新生体及侵入体，自然风干后，称取过5mm筛土样50 g，将土样过2、1、0.5、0.25 mm的套筛，上下振幅为3 cm筛5 min，收集筛上物称质量。湿筛时，先将套筛放入水中浸泡10min，上下振幅为3 cm筛5 min，收集筛上物，在60℃下烘干、称质量。土壤有机碳用重铬酸钾氧化外加热法测定［16］。

表1 样地基本概况Tab.1 Basic information of Pinus tabulaeformis plantation

2.3 数据处理与分析方法

各粒级团聚体质量百分含量计算公式：

上述各式中：Pi为某一粒级土壤团聚体质量百分数（%）；Wi为某一粒级土壤团聚体质量（g）；W0为团聚体总质量（g）；W（δ＜）为粒级小于的团聚体的质量（g）；为某级团聚体平均直径（mm）为最大粒级团聚体平均直径（mm）；m为土壤团聚体粒级数。

利用转移矩阵法计算各粒级团聚体保存率和团聚体稳定性指数（ASI）［17］，采用M icrosoft Excel 2013和SPSS 16.0软件对数据进行处理，采用单因素方差分析和多重比较对不同数据组间进行差异显著性比较，显著性水平设定为α= 0.05。作图软件采用Origin 8.0。

3 结果与分析

3.1 土壤有机碳含量

土壤有机碳是团聚体形成的重要胶结物质，其含量影响大团聚体数量，对团聚体稳定性起重要作用。由图1可以看出，林分密度显著影响有机碳含量，林分密度增加，有机碳含量逐渐减少，低密度林分有机碳含量是中密度林分有机碳含量1.43～1.52倍，是高密度林分有机碳含量1.76～2.01倍。相同密度下，随着土层加深，有机碳含量呈递减趋势，减少量为4.32～6.55 g/kg。

3.2 土壤团聚体数量和分布

筛分后土壤团聚体分布情况见表2。由表2可知，不同密度林分土壤团聚体各粒级组成比例差异显著，随着粒级的减小，土壤团聚体组成比例呈增加趋势。3种密度油松林各土层中，＜0.25 mm的土壤团聚体含量最高，达42.27%，显著高于其他各粒级团聚体含量。随着林分密度的增加，0.5～0.25mm、＜0.25mm粒级团聚体含量增加；5～2mm、2～1 mm及1～0.5 mm粒级团聚体含量逐渐减少。

湿筛后与干筛后相比：5～0.5 mm粒级团聚体含量减少，0.5～0.25mm、＜0.25mm粒级团聚体含量增多，即湿筛后，大团聚体的数量逐渐减少，粒径更小的团聚体和微团聚体数量明显增加。原因是只有大的团聚体能够分散为小的团聚体，而小的团聚体不能聚合成大的团聚体，在湿筛过程中，由于水的作用产生的压力梯度导致稳定性较差的大粒径团聚体逐步向较小粒径分散［4，18］。

表2 各粒径土壤团聚体百分含量Tab.2 Mass percentage of soil aggregate under different stand density

3.3 不同密度油松人工林土壤团聚体稳定性

常用来评价土壤团聚体稳定性的指标有平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和分形维数（D）［19］。MWD通过加权求和方法评价土壤结构的稳定性，GMD通过对团聚体直径取对数后加权求和，弱化团聚体直径的影响份额，提高了团聚体含量在评价指标体系中的影响份额［20］。MWD、GMD值越大，表明大团聚体含量越多，土壤结构越稳定［21-22］。土壤分形维数越大，表明粘粒含量越高，结构越紧实，质地越细［23］；分形维数越小，土壤结构越稳定［24-25］。林分密度显著影响平均质量直径，林分密度增大，MWD显著减小，低密度林地MWD约为中密度林地1.15倍，高密度林地1.30倍。几何平均直径LD＞MD＞HD，各密度间差异显著，低密度林地GMD平均高于中密度林地0.05，平均高于高密度林地0.09。林分密度与分形维数呈负相关，随着林分密度增加，分形维数显著降低，分形维数最大值（湿筛20～30 cm层HD）与最小值（干筛0～10 cm层LD）相差0.17。

表3 林分密度对质量平均直径、几何平均直径和分形维数的影响Tab.3 Effects of stand density on MWD，GMD and D

在团聚体筛分过程中，经过连续筛分，形成等效应即相同筛径团聚体。无论是上一筛径破坏形成，还是本身就是这个筛径的团聚体，都具有相同的破坏几率［25］，基于该理论，使用转移矩阵法评价团聚体稳定性。本次试验中，将＜0.25mm作为最小粒径，设定该粒级保存率为1。各粒级团聚体保存率均大于0.5，3种不同密度油松林地0.5～0.25mm团聚体保存率最大，说明该粒级团聚体水稳性最强；最小保存率均出现在1～0.5 mm粒级，说明该粒级团聚体抗水蚀性最差、水稳性最弱。团聚体稳定性指数4.00左右，其中低密度林分0～10 cm层ASI值为4.40，为最大值；高密度林地20～30 cm层ASI值为3.62，为最小值。相同土层随着林分密度增大，团聚体稳定性指数逐渐减小，说明低密度林分团聚体稳定性越强，高密度林分团聚体稳定性越弱。

表4 不同密度林分土壤团聚体保存机率随粒径范围变化Tab.4 The effectof stand density on aggregate saving probability under different diameter

4 结论与讨论

油松人工林适宜密度因主导功能和研究尺度不同往往具有一定差异。如鲁绍伟等［14］基于林分结构和功能评价，建议北京八达岭林场32年生油松人工林的适宜密度为800株/hm2，而赵广亮等［26］从养分循环角度得出该区域最适成林密度是1 500株/hm2左右。本研究从土壤团聚体稳定性角度出发，发现3种密度油松人工林中，低密度油松人工林水稳性团聚体含量最大，平均质量直径、几何平均直径和团聚体稳定性指数最大，分形维数最小，土壤团聚体稳定性高，土壤结构性好。可能因为在该经营密度下，油松林冠层枝叶疏密程度和郁闭度适宜，致使林内光照、气温和土壤温度适合植物生长发育和微生物活动［27-28］；合适的光照和温度能促进凋落物分解，增加土壤中养分含量［29］。林分密度1 000～1 200株/hm2和1 400～1 600株/hm2林地，林分郁闭度过大，林内光照条件受限，生物多样性减小，凋落物分解速度降低，并且大量的凋落物吸持较多水分，土壤中水分含量不足，植物体争夺水分和营养物质更激烈［22］；土壤中有机碳含量减少，大团聚体数量减少，土壤团聚体稳定性降低。

已有研究表明，团聚体越稳定，土壤侵蚀量越少［30-31］。因此，从利于土壤结构发育和防治水土流失角度考虑，建议将该区域油松人工林密度控制在500～800株/hm2。

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（责任编辑韩明跃）

Effect of Stand Density on Characteristics of Soil Aggregates in Pinus tabuliformis Plantation in Badaling Area，Beijing

Zhou Ya1，Chen Yuxuan2，3，Zou Rui4，Zhou Wei2，3，Zha Tonggang2，3
（1College of Forestry，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China；2.College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，Beijing 10083，China；3 Soil and Water Conservation of Beijing Engineering Research Center，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China 4 Anhui Provincial Bureau of Hydrology，Hefei Anhui230022，China）

To identify the effect of stand density on soil structure，fractal dimension，soil aggregate saving probability and aggregate stability index were analyzed based on field survey and sampling in three Pinus tabuliformis plantation with stand density of 500-800 trees/hm2（Low density，LD），1 000-1 200 trees/hm2（Middle density，MD）and 1 400-1 600 trees/hm2（High density，HD）respectively in Badaling area of Beijing.The results showed that stand density had a significant influence on fractal dimension of soil aggregate（dry sieving），it was ranged from 2.62 to 2.76 with the largest in the HD Pinus tabuliformis plantations and the smallest in the LD plantations.The fractaldimension ofwater stable aggregate（wetsieving）wasbetween 2.64 and 2.79 and positively correlated with stand density.The smallest fractal dimension was found at the 0-10 cm layer in LD plantation and the largest one was found at the 20-30 cm depth in HD plantation.All the aggregate saving probability of theforest soilwas＞0.5，the soilaggregate of0.5-0.25mm had the highest stability for the largest saving probability and soil aggregate of 1-0.5 mm was themost unstable as itwas the smallest saving probability.The aggregate stability index ranged from 3.62 to 4.55，and decreased with the increasing of stand density.In general，Soil aggregate in the LD Pinus tabuliformis plantation was the most stable and was good for soil and water conservation. Therefore，we suggested stand density of500-800 trees/hm2of the Pinus tabuliformis plantation in the research area for improving soil aggregate structure.

Stand Density；characteristics of soil aggregate；fractal dimension；Pinus tabuliformis；plantation