不同密度华北落叶松林天然林土壤养分特征研究

贺志龙，张芸香，郭跃东，杨三红，任达，丁继伟，郭晋平

1. 山西农业大学林学院，山西 太谷 030801；2. 山西农业大学研究生院，山西 太谷 030801

不同密度华北落叶松林天然林土壤养分特征研究

贺志龙1，张芸香1，郭跃东1，杨三红1，任达1，丁继伟1，郭晋平2*

1. 山西农业大学林学院，山西 太谷 030801；2. 山西农业大学研究生院，山西 太谷 030801

采用样地调查和土壤采样分析方法，对五台山地区华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）天然林土壤养分特征进行研究，探讨不同林分密度华北落叶松天然林土壤养分特征，旨在为华北落叶松天然林的可持续经营提供理论依据。结果表明，林下土壤总碳、铵态氮和速效钾含量在0～10、10～20、20～30 cm土层之间的差异显著，表现出明显的由上到下递减的趋势；土壤硝态氮和速效钾含量在土层之间的差异不显著，但土壤硝态氮含量也在一定程度上表现出土层之间由上到下递减的趋势；土壤速效磷含量在各土层之间的差异最不显著，但中层略高于表层和下层。在不同土层中，不同林分密度的土壤养分特征存在差异。在0～10、10～20、20～30 cm土层中，土壤总碳、硝态氮、铵态氮、速效钾含量在576～1 568 plant·hm-2密度范围内都表现为随林分密度的增大而先增加后降低的总体变化趋势；速效磷含量则分别表现为：表层先增加后减少，中层缓慢减少，下层先减少后增加。林分密度对表层土壤养分影响最为明显，随着土壤深度加深，营养元素对林分密度的响应发生改变。当华北落叶松天然林林分密度为896～1 216 plant·hm-2时，0～30 cm深度土壤的总碳、硝态氮、铵态氮、速效钾、速效磷保持在相对较高的水平，以土壤养分为评价指标，研究地区华北落叶松天然林适宜的保留密度为896～1 216 plant·hm-2。

华北落叶松天然林；土壤养分特征；林分密度；养分垂直分布

森林土壤是森林生态系统中环境与生物相互作用的产物，也是能量和物质交换的重要场所（杨承栋，2008）。森林土壤养分含量直接影响森林生长及林分质量（郑姗姗等，2014）。掌握森林土壤养分特征，可以为提高林地生产力，合理利用土壤资源，实现森林可持续经营提供科学依据。国内外大量研究表明，环境变量对林地土壤养分特征表现出不同的影响，土壤养分分布可能与样地海拔、坡度、坡位、土壤类型、土壤质地、林龄、林分密度、林下植被以及优势树种组成等多种因素有关（杜虎等，2016；Kardol et al.，2010）。林分密度通过直接或间接作用影响森林土壤养分特征，林分密度适中的马尾松（Pinus massoniana）林可以在一定程度上改善林下土壤肥力（赵汝东等，2012）；40年生华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）人工林林分密度在1500～2000 plant·hm-2时，可以维持林地土壤健康（孙嘉等，2011）；长白山落叶松天然林林分密度为800～880 plant·hm-2，土壤多种养分质量分数高于其他林分密度的（刘玲等，2013）。

华北落叶松是我国暖温带地区亚高山森林类型的主要树种之一，其天然林在华北地区分布广泛，研究和掌握不同林分密度华北落叶松天然林土壤养分特征，对实现华北落叶松天然林可持续经营，提高我国华北地区天然林生态恢复速度和质量，维持森林生态系统稳定性具有重要意义。本文以五台山地区伯强林场华北落叶松天然林为研究对象，采用样地调查与土壤样品室内分析相结合的方法，通过在不同密度林分中设置调查样地，分层取样测定林下土壤全碳、硝态氮、铵态氮、速效钾、速效磷含量，探讨不同林分密度华北落叶松天然林土壤养分的分布特征，以期为华北落叶松天然林林分密度调控和林地养分管理提供理论依据。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西省五台山国有林管理局伯强林场的太平沟作业区（39°04′N，113°38′E），处于太行山北段的五台山北坡，海拔1950～2450 m，属于温带大陆性季风气候，年平均温度8 ℃，年降水量500～600 mm，霜冻期10月上旬—次年4月中旬，无霜期160 d。土壤以褐土为主，有少量棕壤分布。主要森林植被为华北落叶松林、云杉（Picea asperata mast）林、油松（Pinus tabulaeformis）林和杨桦林等，乔木树种主要有华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）、云杉、油松、白桦（Betula platyphylla）、青杨（Populus cathayana）、山杨（Populus davidiana），主要灌木树种有绣线菊（Spiraea salicifolia）、虎榛子（Ostryopsis davidiana）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、黄刺玫（Rosa xanthina）、荆条（Vitex negundo）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、照山白（Rhododendron micranthum）和蚂蚱腿子（Myripnois dioica）等，主要草本为苔草（Carex sp.）、蒿草（Kobresia sp.）、羊草（Leymus chinensis）和太行菊（Opisthopappus taihangensis）等（张光灿等，2007）。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与采样

2015年9月中旬，在研究区华北落叶松天然林中，选择成土母质和土壤发育状况基本相同，坡向、坡位和坡度等地形条件基本一致，林龄为60～74 a、林分密度为576～1568 plant·hm-2的林分设置9块试验标准地，面积25 m×25 m，样地具体情况见表1。在每块标准地内按“品”形布设3个采样点，每个采样点挖掘3个土壤剖面，按0～10、10～20、20～30 cm分层采集土壤样品，并将每个采样点的3个土壤剖面的分层样品混合，然后用四分法取样500 g，用塑封袋带回实验室待测（杜有新等，2013）。共采集土样81份。

1.2.2 样品处理与分析

待测土样置于阴凉通风处自然风干，磨细后过60目筛待测。土壤总碳采用K2Cr2O7外加热法；新鲜土样铵态氮和硝态氮含量分别采用2 mol·L-1KCL浸提-靓粉蓝比色法和酚二磺酸比色法测定；土壤pH测定采用pH计法，土水质量比为1∶2.5；速效磷含量采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法；速效钾含量采用醋酸铵浸提-火焰光度计法测定（耿玉清等，2007）。

1.2.3 数据处理

运用Excel进行数据处理，采用SPSS 17.0单因素方差分析（ANOVA）和多重比较（Turkey法）评价不同土层土壤理化性质和不同林分密度土壤养分特征。

2 结果与分析

2.1 土壤养分的垂直分布特征

对土样养分测定数据，按不同土层进行统计分析，结果见表2。

由表2可知，林下土壤总碳、铵态氮和速效钾含量在3个土层之间的差异显著，表现出明显的由上到下递减的趋势；土壤硝态氮和速效钾含量在土层之间的差异不显著，但土壤硝态氮含量也在一定程度上表现出土层之间由上到下递减的趋势；土壤速效磷含量在各土层之间的差异最不显著，但显示中层略高于表层和下层。具体来说，0～10 cm与20～30 cm土层的总碳含量差异显著（P＜0.05），0～10 cm土层的铵态氮含量显著（P＜0.05）高于10～20 cm和20～30 cm土层，而硝态氮、速效钾、速效磷含量在土层间的差异不显著（P＞0.05）。

表1 样地概况Table 1 General information of test plots

表2 不同土层的土壤养分含量Table 2 Soil nutrients in different soil layers

2.2 林分密度对土壤养分含量和分布的影响

分别对3个土层的土壤养分含量按林分密度进行统计分析，结果见表3～表5。

在土壤表层（0～10 cm），土壤总碳、硝态氮、铵态氮、速效钾和速效磷含量在576～1568 plant·hm-2密度范围内都表现为随林分密度的增大而先增加后降低的总体变化趋势。其中，总碳和硝态氮都以林分密度896 plant·hm-2最高，速效钾含量以林分密度848 plant·hm-2最高，铵态氮含量以林分密度1216 plant·hm-2最高，速效磷含量以林分密度848～896 plant·hm-2最高。

在土壤中层（10～20 cm），土壤总碳、硝态氮、铵态氮、速效钾含量在576～1568 plant·hm-2密度范围内都表现为随林分密度的增大而先增加后降低的总体变化趋势。其中，总碳、硝态氮和速效钾含量都以林分密度896 plant·hm-2最高，铵态氮含量以林分密度1216 plant·hm-2最高。速效磷含量在576～1568 plant·hm-2林分密度范围内表现为随密度增大而缓慢降低的趋势，最高值出现在576～656 plant·hm-2的低密度林分中。

在土壤下层（20～30 cm），土壤总碳、硝态氮、铵态氮、速效钾含量在576～1568 plant·hm-2密度范围内都表现为随林分密度的增大而先增加后降低的总体变化趋势。其中，总碳含量以林分密度1216plant·hm-2最高，硝态氮和铵态氮含量均以林分密度896 plant·hm-2最高，速效钾含量以林分密度1072 plant·hm-2最高；速效磷含量在576～1568 plant·hm-2密度范围内表现为中等密度较低，高密度略有增加。

表3 不同林分密度华北落叶松天然林表层（0～10 cm）土壤养分含量Table 3 Nutrient contents in (0～10 cm) soil layers of different stand densities of natural Larix principis-rupprechtii

表4 不同林分密度华北落叶松天然林中层（10～20 cm）土壤养分含量Table 4 Nutrient contents in (10～20 cm) soil layers of different stand densities of natural Larix principis-rupprechtii

表5 不同林分密度华北落叶松林下层（20～30 cm）土壤养分含量Table 5 Nutrient contents in (20～30 cm) soil layers of different stand densities of natural Larix principis-rupprechtii

对不同林分密度华北落叶松林下0～30 cm土层的土壤总碳、硝态氮、铵态氮、速效钾、速效磷含量进行方差分析和多重比较，结果见表6。

在0～30 cm土壤中层，土壤总碳、硝态氮、铵态氮、速效钾含量在576～1568 plant·hm-2密度范围内都表现为随林分密度的增大而先增加后降低的总体变化趋势。其中，总碳、硝态氮和速效钾含量都以林分密度896 plant·hm-2最高，铵态氮含量以林分密度1216 plant·hm-2最高；速效磷含量在576～1568 plant·hm-2密度范围内变化不大，随着林分密度的增加略有下降。

3 结论与讨论

3.1 讨论

森林生态系统土壤有机质和养分常表现出明显的垂直分布特征，且因营养成分的属性不同而具有显著差异（邓小军等，2014），故其能反映森林群落变化对林下土壤的影响和土壤发育进程，但因区域自然地理条件和森林类型的差异，具体表现会有很大变化（黄承标等，2009；宋乃平等，2012）。把握不同地区具体森林类型的变化规律和成因，对优化森林经营模式，提高森林可持续性具有现实指导意义。本研究表明，华北落叶松天然林下土壤养分的垂直分布特征表现为随着土层深度的增加，土壤总碳、硝态氮、铵态氮、速效钾含量减少，许多地区的各类林分都表现出类似的格局（康冰等，2009；樊兰英等，2012；杨振意等，2013；任丽娜等，2012a；张景等，2013）。但速效磷含量没有表现出类似的变化规律，这与任丽娜等（2012b）、王胤等（2010）的研究结果有所差异，可能是由于研究林分类型或土壤分层不一致所致。土壤总碳、硝态氮、铵态氮、速效钾含量的这种分层垂直分布特征与凋落物的分解和根系分布对土壤有机质的归还作用有关（Li et al.，2013）。

表6 不同林分密度华北落叶松天然林（0～30 cm）土壤养分含量Table 6 Soil nutrients in (0～30 cm) soil layers of different stand densities of natural larix principis-rupprechtii

同一类型的森林，林分密度的差异也会导致林下土壤养分含量及其分层垂直分布格局的差异（张苏峻等，2010；林培松等，2009）。对此问题的研究成果还存在很大的不确定性，各类森林的表现也明显不同。本研究表明华北落叶松天然林在576～1568 plant·hm-2密度范围内，土壤表层（0～10 cm）总碳、硝态氮、铵态氮、速效钾和速效磷含量表现为随林分密度的增大而先增加后降低；在土壤中层（10～20 cm），土壤总碳、硝态氮、铵态氮、速效钾含量表现为随林分密度的增大而先增加后降低的总体变化趋势，速效磷含量则表现为随密度增大而缓慢降低的趋势，；在土壤下层（20～30 cm），土壤总碳、硝态氮、铵态氮、速效钾含量表现为随林分密度的增大而先增加后降低的总体变化趋势，速效磷含量在576～1568 plant·hm-2密度范围内表现为中等密度较低，高密度略有增加。有的学者在对毛竹（Phyllostachys edulis）、马尾松等树种的研究中发现土壤营养元素含量随着林分密度的增加呈先逐渐增加后有所下降的趋势（赵汝东等，2012；范少辉等，2015）；而有些学者在对油松、大叶相思（Acacia auriculiformis）等树种的研究中，发现土壤养分随着林分密度的增加而降低（刘勇等，2008；许松葵等，2008）。这一差异可能与所研究的林分类型以及林分密度的范围有关。

本研究中林分密度对不同土层土壤养分特征的影响，表现为表层土壤养分对林分密度的响应最为明显，随着林分密度的增加，总碳、硝态氮、铵态氮、速效钾、速效磷先增加后减少，随着土壤深度加深，营养元素对林分密度的响应发生改变。这与有些学者对近天然落叶松云冷杉林、人工柠条（Caragana korshinskii）灌丛等的研究结果相一致（王岳等，2014；杨阳等，2014）。这是因为不同土壤层次的养分含量受到多种因素的共同影响（Hernández et al.，2016），而每一土层影响因素存在一定差异。随着土壤深度的增加，养分含量可能由于不同土层根系分布的差异和土壤养分的淋溶、矿化的影响而产生变化（Yanai et al.，2003）。具体的影响机理有待进一步深入研究。

3.2 结论

通过对五台山地区576～1568 plant·hm-2不同林分密度华北落叶松天然林林下各层次土壤养分含量进行研究，分析不同密度、不同层次土壤养分特征，得出如下结论：

（1）研究区华北落叶松天然林下壤养分的垂直分布特征表现为：随着土层深度的增加，土壤总碳、铵态氮、速效钾、硝态氮含量减少，而速效磷含量表现为中层略高于表层和下层。

（2）不同土层林分密度对土壤养分特征的影响有所差异。在0～10、10～20、20～30 cm土层中，土壤总碳、硝态氮、铵态氮、速效钾含量在576～1568 plant·hm-2密度范围内都表现为随林分密度的增大而先增加后降低的总体变化趋势；速效磷含量则分别表现为：表层先增加后减少，中层缓慢减少，下层先减少后增加。

（3）林分密度对表层土壤养分影响规律最为明显，随着林分密度的增加，总碳、硝态氮、铵态氮、速效钾、速效磷先增加后减少，随着土壤深度加深，营养元素对林分密度的响应发生改变。

（4）当华北落叶松天然林林分密度为896～1216 plant·hm-2时，0～30 cm深度土壤的总碳、硝态氮、铵态氮、速效钾、速效磷保持在相对较高的水平，以土壤养分为评价指标，研究地区华北落叶松天然林适宜的保留密度为896～1216 plant·hm-2。

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Soil Nutrient Characteristics of Natural Larix principis-rupprechtii in Different Stand Density

HE Zhilong1, ZHANG Yunxiang1, GUO Yuedong1, YANG Sanhong1, REN Da1, DING Jiwei1, GUO Jinping2
1. College of Forestry, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China;
2. Graduate School of Shanxi Agricultural University, Taigui 030801, China

By using plot investigation and sampling analysis methods, soil nutrient characteristics of natural larix principis-rupprechtii in different stand density were studied in Mount Wutai ,and to provide some theoretical basis for the sustainable management of natural larix principis-rupprechtii. The results showed that: there were significant differences in the contents of total carbon, ammonium nitrogen and available potassium in 0～10, 10～20 and 20～30 cm soil layers, showing a clear downward trend from top to bottom. There was no significant difference in the content of soil nitrate and available potassium in the soil layer, but the soil nitrate content showed a downward trend from top to bottom. There was no significant difference in the content of available phosphorus in soil layers too, but the middle layer was slightly higher than that of the surface layer and the lower layer. The soil nutrient characteristics of different stand densities were different in diffferent soil layers. The contents of soil total carbon, nitrate nitrogen, ammonium nitrogen and available potassium from 576～1 568 plant·hm-2showed that increased first and then decreased with the increase of the density in diffferent soil layers. The content of available phosphorus was as follows: first decreased and then increased in the surface layer, decreased slowly in the middle layer, and decreased first and then increased at the bottom. The effect of stand density on surface soil nutrients was the most obvious. With the increase of soil depth, the response of nutrients to stand density changed.The total carbon, nitrate nitrogen, ammonium nitrogen, available potassium and available phosphorus in the stand density of 896～1 216 plant·hm-2in 0～30 cm depth soil were maintained at a relatively high level. With the soil nutrient as the evaluation index, the suitable density of natural Larix principis-rupprechtii was 896～1 216 plant·hm-2.

natural larix principis-rupprechtii; soil nutrient characteristics; stand density; vertical distribution of nutrients

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.01.007

S714; X144

A

1674-5906（2017）01-0043-06

贺志龙, 张芸香, 郭跃东, 杨三红, 任达, 丁继伟, 郭晋平. 2017. 不同密度华北落叶松林天然林土壤养分特征研究[J]. 生态环境学报, 26(1): 43-48.

HE Zhilong, ZHANG Yunxiang, GUO Yuedong, YANG Sanhong, REN Da, DING Jiwei, GUO Jinping. 2017. Soil nutrient characteristics of natural Larix principis-rupprechtii in different stand density [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(1): 43-48.

国家林业公益性行业科研专项项目（201404417）

贺志龙（1994年生），男，硕士研究生，主要研究方向为森林生态与植被恢复。E-mail: 924869884@qq.com *通信作者：郭晋平（1963年生），男，教授，研究方向为景观生态、森林恢复生态、城市景观生态、森林生态系统经营、森林资源培育、森林资源经营基础等。E-mail: jinpguo@126.com

2016-12-25