开敞度调控对人工红松阔叶林土壤理化性质的影响

丛　健

(辽宁省林业厅 外资项目办公室，沈阳 110036)



开敞度调控对人工红松阔叶林土壤理化性质的影响

丛健

(辽宁省林业厅 外资项目办公室，沈阳 110036)

以进行开敞度调控的人工红松阔叶林为研究对象，通过空间代替时间的方法对比分析了两个生长阶段(开敞度调控15年的Ⅰ阶段和22年的Ⅱ阶段)土壤理化性质的变化规律，评价不同强度开敞度调控对人工红松阔叶林土壤生态效益的影响。结果表明，林分开敞度调控后，不同土层土壤容重随着时间表现出均质的趋势；上层土壤总孔隙度、非毛管孔隙度、pH值及有机质含量均显著高于下层。表层土壤和下层土壤之间的速效氮含量差异显著；Ⅱ阶段速效钾含量高出阶段Ⅰ幅度为38.41%～51.88%。不同开敞度调控对土壤理化性质影响差异仅存在于不同生长阶段，现有开敞度调控强度在合理范围之内，且表现出一定程度的正效益，为改进和完善在“栽针保阔”思想指导下建立起来的红松阔叶树人天混交林的精准化培育提供了科学依据。

次生林；红松；开敞度调控；土壤理化性质

0　引　言

森林土壤作为独立完整的开放型生态系统，持续与周围环境进行着物质和能量的动态交换，是森林生态系统中最大的养分库，是维持森林生态系统功能和持续性的重要资源[1]。土壤作为森林生态系统的组成部分和物质基础，既是生物生存活动的场所，又是结合生态系统各构成要素与生命体的纽带。森林土壤与植被互相影响、互相依存。在森林经营过程中，可以通过光照和水分条件、枯枝落叶的归还情况，以及微生物的活动状况都间接影响森林土壤的性质。土壤理化性质是评价土壤肥力和质量的重要指标[2]，研究森林经营过程中土壤理化性质的演变可以更好地了解植被恢复的生态效应。红松生长与光照关系十分密切，红松在不同的发育阶段，需要的光照条件不同[3-5]，在进行人工红松阔叶林分不同抚育强度调整的同时，也将对林地土壤理化性质产生影响。与通过分级和郁闭度等定性方法确定抚育强度相比，量化调整林分结构更利于林分动态的描述与管理[6]。本研究以反映影响红松生长的主导因子[7-8]为主要指标，结合大小比数、混交度和角尺度[6，9]，对比分析了开敞度调控后人工红松阔叶林下土壤理化性质的变化规律，以期为改进和完善在“栽针保阔”思想指导下建立起来的红松阔叶树人天混交林的精准化培育和合理经营提供科学依据[10-12]。

1　研究区域及研究方法

1.1研究区域概况

研究地点位于黑龙江省尚志市境内的东北林业大学帽儿山实验林场。该区属张广才岭西坡小岭余脉，地理位置127°30′～127°34′ E，45°21′～45°25′ N，平均海拔300 m，属温带大陆性季风气候区。年平均气温2.8 ℃，极端最高气温38 ℃，极端最低气温-37.3 ℃，年平均湿度70%，年平均降水量723.8 mm，年蒸发量1 093.9 mm，年日照时数2 471.3 h，无霜期120～140 d。地带性土壤为暗棕壤。

1.2研究方法

1.2.1样地的选择

选择次生阔叶树与人工红松处于相持阶段的红松阔叶树人天混交林作为试验林分，其中试验林分Ⅰ为1989年红松林冠下造林，试验林分Ⅱ为1982年红松林冠下造林，红松初植密度均为2 500株/hm2，两个林分在造林后3 a内均进行了幼林抚育，其中试验林分Ⅱ在1992年曾进行过一次针对红松解放的透光伐。本研究以空间代替时间的方法，把两个试验林分视为两个连续生长阶段，即距2003年开敞度调控时林龄为15 a的I阶段(1989年造林)，距2003年开敞度调控时林龄为22 a的Ⅱ阶段(1982年造林)。

1.2.2林分开敞度调控

2003年12月对两阶段的林分进行空间结构开敞度调控：以对象红松个体光环境的测度指标-开敞度作为调整的主要参数[8]，调整强度分别：K=1，K=1.5和K=2。需要调整的相邻木即为采伐对象，保证大小比数值为0或0.25，同时调整混交度为0.5，角尺度为0.5。在Ⅰ和Ⅱ林分内分别设置对照样地CK，每个调整强度水平设3个重复，每个重复样地面积为20 m×20 m。

1.2.3土壤样品的采集与测定

每个林分按照“之”字布设7个样点，在每个样点分别于0～10 cm和10～20 cm土层深度应用环刀法(规格为100 cm3)采集原状土壤样品和非原状土壤样品，分别用于土壤水分物理性质(容重、孔隙度)与化学性质(pH、有机质含量、速效氮、有效磷、速效钾含量)的分析[13]。

2　结果与分析

2.1土壤物理性质的变化

两个生长阶段的人工红松阔叶林土壤容重均随着土层的加深逐渐增大，其中Ⅰ阶段林分中0～10 cm和10～20 cm土层之间容重的差异达到显著水平(p<0.05)。对于红松生长阶段Ⅰ，不同程度开敞度调控对表层土壤容重无显著影响，但均小于对照CK；下层10～20 cm土层受开敞度调控的影响以K=1.5时最为显著。不同程度开敞度调控对于生长阶段Ⅱ的人工红松阔叶林20 cm范围内的土壤容重均无显著影响。阶段Ⅰ不同开敞度水平下0～10 cm土壤容重均低于阶段Ⅱ相应的水平，而阶段Ⅰ林地10～20 cm的土壤容重则均高于阶段Ⅱ，并在K=2时差异达到显著水平，由此可见，林分开敞度调控后，人工红松阔叶林不同土层范围内的土壤容重随着时间表现出均质的趋势(如图1所示)。

红松两个生长阶段上层土壤总孔隙度均显著高于下层(P<0.05)，但各个土层范围内，不同水平的开敞度并没有使土壤总孔隙度产生明显差异；除K=1水平外，红松生长阶段Ⅰ的上层土壤总孔隙度均显著高于红松生长阶段Ⅱ，下层土壤总空隙度则是红松生长阶段Ⅱ高于红松生长阶段Ⅰ林地，但差异不显著(见表1)。在红松两个生长阶段、0～10 cm和10～20 cm两个土层范围内，均是在K=1时总孔隙度达到最大值，Ⅰ阶段分别为70.45%、54.98%，Ⅱ阶段分别为60.64%、59.75%。

(a)Ⅰ阶段

(b)Ⅱ阶段

注：不同大写字母表示相同土层不同开敞度水平下差异显著，P<0.05；不同小写字母表示相同开敞度水平不同土层之间差异显著，P<0.05；*表示不同阶段之间差异显著，P<0.05。下同。

除红松生长阶段Ⅱ中对照林分外，不同开敞度调控水平下上层土壤非毛管孔隙度均高于下层土壤非毛管孔隙度，并且在红松生长阶段Ⅰ差异显著(P<0.05)。红松生长阶段Ⅰ上层土壤的非毛管孔隙度高于对照，并在K=1和K=2时达到显著水

平(P<0.05)；红松生长阶段Ⅱ中非毛管孔隙度在两个土层间以及在各个开敞度调控水平下差异均不显著。开敞度调控后，对于表层土壤而言，K=1和K=2水平下红松生长阶段Ⅰ的非毛管孔隙度分别显著高于红松生长阶段Ⅱ非毛管孔隙度64.85%和52.76%(P<0.05)；对于下层10～20 cm土壤而言，在对照以及相对较高开敞度调控水平下(K=1.5和K=2)红松生长阶段Ⅰ的非毛管孔隙度则分别显著低于红松生长阶段Ⅱ非毛管孔隙度25.83%，29.14%和69.35%(P<0.05)。对于生长阶段Ⅰ、表土层和下土层范围内均是在K=1时非毛管孔隙度达到最大值，分别为9.99%，5.43%，但在红松生长阶段Ⅱ的表层和下层10～20 cm土层范围内的非毛管孔隙度则是分别在K=1.5和对照水平下达到最大值，分别为6.25%和6.04%(见表1)。

不同开敞度调控水平下上层土壤非毛管孔隙度均高于下层土壤非毛管孔隙度，但仅在红松生长阶段Ⅰ两个土层范围内差异显著(P<0.05)。红松生长阶段Ⅰ，上层和下层土壤毛管空隙度分别在K=1.5和K=2水平下最高，但差异均不显著；红松生长阶段Ⅱ，上层和下层土壤毛管空隙度均在K=1时达到最大值，分别为54.58%和53.86%，但仍未达到差异显著水平。对于红松两个生长阶段而言，表层土和下层土，毛管孔隙度在不同开敞度调控水平下间的差异均未达到显著水平，但在对照和K=1.5水平下，生长阶段Ⅰ表层土和下层土的毛管孔隙度分别显著高于生长阶段Ⅱ12.06%和11.44%(P<0.05)(见表1)。

表1　开敞度调控后土壤孔隙度的变化

注：不同大写字母表示相同土层不同开敞度水平下差异显著，P<0.05；不同小写字母表示相同开敞度水平不同土层之间差异显著，P<0.05；*表示不同阶段之间差异显著，P<0.05。下同。

(a)Ⅰ阶段

(b)Ⅱ阶段

2.2土壤化学性质的变化

红松生长阶段Ⅰ，不同开敞度调控水平中上层土壤pH值均显著高于下层(P<0.05)，上层土壤pH值在K=1时最高，为4.75，高出对照CK林分土壤pH值2.67%，但差异不显著；对于下层土壤而言，不同开敞度水平下土壤pH值均小于对照，但差异仍未达显著水平。红松生长阶段Ⅱ，不同开敞度调控水平下上层土壤pH值同样均显著高于下层(P<0.05)，上层土壤pH值在K=2时最高，为4.93，高出对照林分土壤pH值3.21%，但差异不显著；对于下层土壤而言，不同开敞度水平下土壤pH值均小于对照，但差异仍未达显著水平。在K=2时，红松生长阶段Ⅱ的pH值显著高于生长阶段Ⅰ，其他开敞度调控水平下，两个阶段之间无显著差异(如图2所示)。

(a)Ⅰ阶段

(b)Ⅱ阶段

两个生长阶段中在调整前后，表层土壤有机质均显著高于10～20 cm的土壤有机质含量(P<0.05)。对于红松生长阶段Ⅰ，表层土壤有机质为13.53%～14.85%，下层土壤有机质为6.10%～6.42%，不同开敞度调控水平没有对土壤的有机质产生明显差异；对于红松生长阶段Ⅱ，不同开敞度调控水平对表层土壤有机质均有显著影响，当调整水平为1、1.5和2时，土壤有机质分别高于对照17.62%，17.54%和34.60%(P<0.05)；对于下层土壤有机质的影响则仅在开敞度为2时显著高出对照47.98%。同时发现，近在K=1时和K=2时，两个阶段的下层和上层土壤有机质含量差异分别达到显著水平(P<0.05)，如图3所示。

2.3土壤速效养分的变化

对于红松两个生长阶段而言，无论是表层土壤还是下层土壤，开敞度调控均没有对速效氮产生显著影响；但是两个生长阶段各开敞度处理水平下的表层土壤和下层土壤之间的速效氮含量则达到了显著差异，对于红松生长阶段Ⅰ和红松生长阶段Ⅱ，表层0～10 cm土壤速效氮分别平均高出下层10～20 cm 土壤速效氮含量36.97%～38.83%和26.60%～29.61%(P<0.05)；两个阶段之间，不同土壤层次、不同开敞度处理水平下的土壤速效氮也没有受到开敞度调控的显著影响(见表2)。

红松两个生长阶段各开敞度水平下上层土壤有效磷含量均高于下层土壤有效磷含量，但差异不显著；除表层土壤K=1.5和2水平以及下层土壤K=2水平，红松生长阶段Ⅱ中土壤有效磷含量均显著高于红松生长阶段Ⅰ(P<0.05)。开敞度调控没有对红松生长阶段Ⅰ以及生长阶段Ⅱ下层10～20 cm土壤有效磷含量产生显著影响，但对于生长阶段Ⅱ表层0～10 cm土壤的速效磷的影响则较为显著，K=1和2时，分别高出对照33.91%和37.12%(P<0.05)(见表2)。

表2　开敞度调控后速效养分的变化

对于红松生长阶段Ⅰ，上层土壤速效钾含量在各开敞度水平均显著高于下层土壤速效钾含量(P<0.05)，增幅35.39%～37.35%；但在表层和下层土壤中，不同开敞度的调整并没有对土壤速效钾含量产生显著影响。对于红松生长阶段Ⅱ，除K=1.5外其他开敞度水平下，上层土壤速效钾含量在各开敞度水平均显著高于下层土壤速效钾含量(P<0.05)；红松生长阶段Ⅱ上层土壤速效钾含量在开敞度调控以后均有所降低，并且在K=1.5时降低幅度最大，低于对照12.44%(P<0.05)；而下层土壤速效钾含量在开敞度调控以后均有所增加，并且在K=1时增加幅度最大，高于对照8.65%(P<0.05)。对于两个生长阶段的下层土壤而言，除K=1外，其他开敞度调控水平下二者速效钾含量差异显著，生长阶段Ⅱ速效钾含量高出生长阶段Ⅰ的幅度为38.41%～51.88%(P<0.05)(见表2)。

3　结论与讨论

容重是衡量土壤质量高低的一个重要物理指标[14]，能综合地反映土壤结构、松紧度、孔隙度和土体内生物活动[15]，影响土壤团聚体内营养元素的释放和固定[16]。本研究中开敞度调控没有对表层土壤容重产生影响，仅在K=1.5时，生长阶段Ⅰ下层土壤容重高于对照水平，并且在K=2时两个生长阶段下层土壤容重差异显著(P<0.05)；当K=1和2时，生长阶段Ⅰ上层土壤非毛管孔隙度显著高于对照(P<0.05)，其他开敞度水平没有对孔隙度产生显著影响。

土壤溶液的pH值是土壤重要的基本性质，也是影响肥力的重要因素之一。它通过影响土壤菌类生长繁殖和土壤酶活性，直接影响土壤养分的存在状态、转化和有效性，同时还影响土壤微量元素的固定与释放，从而影响植物的生长发育[17]。开敞度调控没有对表层土壤pH值产生影响，仅在K=1.5时，生长阶段Ⅱ下层土壤容重低于对照水平，并且在K=2时两个生长阶段上层土壤pH值差异显著(P<0.05)；生长阶段Ⅰ土壤有机质没有受到开敞度调控水平的影响，但对于生长阶段Ⅱ，开敞度调控后的表层土壤有机质均显著高于对照，而下层土壤仅在K=2时高于对照；并且在K=2时两个生长阶段上层土壤有机质差异显著(P<0.05)。

氮是植物必需元素之一，也是土壤养分中最重要的元素之一。土壤有效性氮为铵态氮、硝态氮、氨基酸、酰胺和易水解的蛋白质氮的总和，能较好地反映出近期内土壤氮素供应状况和氨素的释放速率[15]。开敞度调控没有对速效氮产生显著影响，均表现出表层土壤速效氮含量高于下层10～20 cm；磷是植物生长的主要营养元素之一，在土壤中95%的磷是以迟效性状态存在，因此能被植物吸收利用的速效磷常被作为判断土壤磷丰缺的主要指标和施肥的一个重要依据[15]。两个生长阶段内，表层和10～20 cm的土层范围内速效磷含量没有差异，仅在K=1和2时，生长阶段Ⅱ表层土壤速效磷含量显著高于对照(P<0.05)，在对照和K=1水平下的两个土层范围内，生长阶段Ⅱ的速效磷含量显著高于生长阶段Ⅰ；土壤钾的形态有速效钾、缓效钾和矿物钾，土壤中能被植物直接吸收利用的养分称为速效性养分，虽然K在植物体中移动性强，但土壤速效钾是土壤K的现实供应指标[15，18]。在生长阶段Ⅰ，速效钾对开敞度的调整无显著响应，而生长阶段Ⅱ则在表层土壤K=1.5和下层土壤K=1时，速效钾的含量分别显著低于和高于对照(P<0.05)，两个阶段下层土壤的速效钾含量差异显著(P<0.05)。

通过对处于相持阶段的红松次生林进行开敞度调控，比较分析了不同开敞度水平下林地土壤理化性质的差异，研究表明开敞度等指标能够有效作为红松阔叶树人天混交林量化抚育的指标依据，这一结果与相关的研究相一致[19-22]。

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Effect of Opening Degree Regulation on SoilPhysical and Chemical Properties in a MixedPlantation Forest of Korean Pine

Cong Jian

(Foreign Capital Project Office，Liaoning Provincial Forestry Department，Shenyang 110036)

The secondary korean pine broad-leaved forests with opening degree regulations were studied and the method of spatial sequence instead of time successional sequence was used to compare the variation laws of soil physical and chemical properties of forests at two growth stages(i.e.stage Ⅰ of 15-year opening degree regulations and stage Ⅱ of 22-year opening degree regulations)and the effect of different regulation degrees on the ecological benefits of soil of mixed korean pine plantation forest was evaluated.The results showed that the bulk density of different soil layers were homogeneous in the two korean pine plantation growth stages after the opening degree regulations； total soil porosity，soil non-capillary，pH and soil organic matter content in upper layer significantly were higher than that of in subsoil.The nitrogen content in upper layer significantly differed from the subsoil.The potassium content in the two growth stage II was 38.41%-51.88% higher than that in stage Ⅰ.The difference of effect of different opening degree regulations on soil physical and chemical properties only exited in different growth stages.The current opening degree regulation is reasonable and exhibits positive benefits.This study provides scientific basis for the accurate management in a mixed forest of korean pine planted under secondary forest.

secondary forest；korean pine；opening degree regulation；soil physical and chemical properties

2016-03-15

科技部农业科技成果转化资金项目(2007GB24320427);“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAD03A04)

丛健，博士，工程师。研究方向：森林培育。E-mail:congjian@139.com

丛健.开敞度调控对人工红松阔叶林土壤理化性质的影响[J].森林工程，2016，32(5)：1-6.

S 792

A

1001-005X(2016)05-0001-06