大兴安岭低质林补植改造对土壤肥力的影响1)

唐国华 董希斌 张甜 曲杭峰 马晓波 管惠文

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)



大兴安岭低质林补植改造对土壤肥力的影响1)

唐国华 董希斌 张甜 曲杭峰 马晓波 管惠文

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

以大兴安岭阔叶混交低质林补植改造2 a后土壤肥力为研究对象，采用主成分分析法建立补植改造后土壤肥力指标的评价体系，计算土壤肥力的综合得分。结果表明：不同样地补植改造后土壤肥力的综合得分由大到小为BZ5(0.895)、BZ4(0.823)、BZ3(0.144)、BZ2(-0.336)、BZ1(-0.426)、CK(-0.536)、BZ6(-0.565)。其中BZ5样地的综合得分最高，表明补植密度为800株·hm-2的改造样地最有利于土壤肥力的积累，适宜大兴安岭阔叶混交低质林的改造。各样地的综合得分先是随着补植密度的增大而升高，当补植密度大于800株·hm-2后，样地土壤肥力不佳。

大兴安岭；补植改造；土壤肥力；阔叶混交低质林

土壤是森林生态系统的重要组成部分，具有保持水土、涵养水源、为植物生长提供养分、为生物繁衍提供物质基础等重要作用[1-3]。土壤的改变会使森林生态系统发生变化，同时，森林生态系统的变化又会引起土壤的演变，土壤在森林生态系统的物质和能量传输中有着不可或缺的作用，土壤肥力状况直接影响到林木的分布、生长和产量[4-7]。土壤养分和土壤理化性质息息相关，而且也对森林群落内植物种类的分布格局具有重要影响[8]。因此，土壤肥力的研究对于森林可持续经营和森林生态安全具有重要的意义[9]。林地土壤肥力变化的研究，是当前国内土壤学领域的前沿课题[10],有关低质林土壤肥力的研究，已见诸多报道。毛波等[11]研究了大兴安岭低质山杨林的带状改造，认为不同带宽的带状改造对土壤肥力均有改善作用，且以带宽14 m的诱导改造效果最佳。吕海龙等[12]通过对小兴安岭低质林进行不同面积的块状改造，认为25 m2的块状改造模式最适宜，且土壤肥力的综合得分随着面积的变化未呈现规律性。高明等[13]通过对大兴安岭用材林进行不同采伐强度的改造，得出采伐强度为19%～21%的中等强度抚育间伐方式有利于土壤肥力改善的结论。

目前国内外学者采用模糊数学方法、灰色关联度法、层次分析法、系统评价模型、主成分分析法等对土壤肥力质量进行综合评价[14-15]，主要从不同带宽带状改造、不同面积块状改造和不同采伐强度改造等方面研究对土壤肥力的影响，但关于补植改造对土壤肥力的影响和综合评价研究较少。笔者以大兴安岭阔叶混交低质林为研究对象，对试验样地进行实地勘察，选取兴安落叶松作为补植苗木，采用块状补植补造法进行改造[16]，探讨不同补植改造密度对林地土壤肥力的影响；利用主成分分析法对补植改造后的土壤肥力进行综合评价，得出最佳的土壤肥力改造模式，即最佳的低质林补植改造密度，可为大兴安岭低质林补植改造提供参考和依据。

1 试验区自然概况

试验区设在加格达奇林业局翠峰林场，黑龙江省大兴安岭(124°22′47.8″～124°24′35.2″E，50°34′9.15″～50°34′32″N)山脉的东南坡，属于低山丘陵地带。海拔高度370～420 m，林下土壤主要是暗棕壤和棕色针叶林土，土壤厚度15～30 cm；地势平缓，立地条件较好，坡度多在15°以下；无霜期为85～130 d，年平均降水量为494.8 mm，降水多集中于夏季的6—8月份。该区属寒温带大陆性季风气候，冬长夏短，冬季气候寒冷干燥，年平均气温-1.3 ℃，最髙气温37.3 ℃，最低气温-45.4 ℃。该地区的阔叶混交低质林乔木树种主要有蒙古栎(Xylosmaracemosuz)、山杨(PopulusdavidianaDode)、白桦(BetulaplatyphyllaSuk)和少许枫桦(Ribbedbirch)；下木以榛子(Coryluschinensis)、胡枝子(Lespedezabicolor)等为主，盖度15%；地被物以铃兰(Convallariamajalis)、水莎草(CrperusserotinusRottob)、鹿蹄草(Pyroladahurica)等为主，盖度27%；林分郁闭度0.4。

2 研究方法

2.1 样地设置

于2014年5月经过实地勘察设计，在加格达奇林业局翠峰林场设立试验样地，改造样地编号为BZ1—BZ6，对照样地为CK，其中7块样地的大小为20 m×20 m。在改造样地补植兴安落叶松(Larixgmelinii)，通过块状补植法对试验样地进行改造，分别在6个不同的样地补植不同密度的兴安落叶松(Larixgmelinii)，原有林分平均密度为3 200株·hm-2左右。BZ1—BZ6样地的补植密度分别为400、500、600、700、800、900株·hm-2，CK作为空白对照样地，不进行补植作业，在改造试验区相邻处，选取林分和立地条件接近的保留地作为对照样地CK，且改造样地横山排列。大兴安岭阔叶混交低质林补植改造完成后，须对补植树种进行基本的管理和维护，并对其进行科学合理的抚育。当年的抚育工作主要有：浇水、扩穴、扶正、培土、踏实、除草[17]。

2.2 土壤肥力指标的收集与测定

于2016年6月进行野外取样，在每块改造样地和对照样地上，按照“S”型混合采样法进行取样，取土壤厚度为0～10 cm的土壤样本[18]，质量为1 kg，将土壤样本带回实验室，经过自然风干、研磨过筛，然后分析化学性质，土壤化学性质的测定方法如表1所示。土壤的物理性质采用环刀法进行测量，环刀容积为100 cm3。

表1 土壤化学性质测定方法

2.3 土壤肥力的综合评价方法

将实验所得的数据录入到Excel2010中，进行标准化处理，采用主成分分析法对低质林补植改造2 a后土壤肥力进行综合评价，求出各指标的权重；然后利用SPSS19.0计算出低质林补植改造后土壤肥力的综合得分。综合得分越高，说明补植改造后的土壤肥力越佳。

3 结果与分析

3.1 补植改造对土壤肥力的影响

通过试验测定的土壤肥力指标见表2—表5。由表2可知，BZ1、BZ2、BZ3、BZ4、BZ5、BZ6样地，土壤含水率均高于对照样地，方差分析表明差异性显著(P<0.05)；在不同补植密度中的变异程度相差较小，变异系数均小于20%，属于弱度变异；随着补植密度的增大，土壤含水率无显著性变化趋势。BZ1、BZ2、BZ3、BZ4、BZ5、BZ6样地，土壤密度均高于对照样地，方差分析表明差异性显著(P<0.05)；变异系数均小于对照样地；BZ3样地的土壤密度最高，不利于植被生长，BZ2样地的土壤密度最低，有利于植被生长。BZ1、BZ2、BZ3、BZ4、BZ5、BZ6样地，最大持水量均高于对照样地，方差分析表明差异性显著(P<0.05)，BZ3样地的变异系数最大。

由表3可知，BZ2、BZ3、BZ4、BZ5样地，总孔隙度高于对照样地，方差分析表明差异性显著(P<0.05)；不同模式改造后，变异程度较小，BZ3样地的变异系数最大。随着补植密度的增大，土壤总孔隙度呈现出先增加后下降的趋势。BZ2、BZ3、BZ4、BZ5、BZ6样地有机质高于对照样地；其中BZ3、BZ4、BZ5样地与对照样地差异性显著(P<0.05)；BZ6样地的变异系数大于20%，属于中强度变异，其余样地属于弱度变异；BZ5改造样地的有机质质量分数最高，高于对照样地19.344 g·kg-1；BZ1改造样地的有机质质量分数最低，低于对照样地3.933 g·kg-1。BZ1、BZ2、BZ3、BZ4、BZ6样地pH值低于对照样地，方差分析表明差异性不显著(P≥0.05)；BZ5样地的pH值最高，高于对照样地0.050；BZ3样地的pH值最低，不利于林下植被的生长和发育；BZ5样地的pH值最高，接近中性，此时的土壤比较有利于植被生长。

表2 各样地土壤含水率、土壤密度和最大持水量实测值

注：表中数据为“平均值±标准差”；同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

表3 各样地总孔隙度、有机质质量分数和pH实测值

注：表中数据为“平均值±标准差”；同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

由表4可知：BZ1、BZ2、BZ3、BZ4、BZ5、BZ6样地，全氮质量分数均低于对照样地。通过方差分析发现，除了BZ2样地，其余样地与对照样地之间差异性显著(P<0.05)；样地的变异系数均小于20%，属于弱度变异；BZ6样地的变异系数最大，BZ4样地的变异系数最小。所有改造样地的全磷质量分数均低于对照样地，且与对照样地差异性显著(P<0.05)；随着补植密度的增大，土壤全磷质量分数无显著性变化趋势，BZ4样地的全磷质量分数最低，低于对照样地8.146 g·kg-1。BZ—BZ6样地的全钾质量分数均低于对照样地，方差分析表明差异性显著(P<0.05)，且变异系数均小于对照样地，BZ2样地全钾质量分数最高。

表4 各样地全氮、全磷和全钾质量分数实测值

注：表中数据为“平均值±标准差”；同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

由表5可知：BZ1、BZ2、BZ3、BZ6样地，速效氮质量分数低于对照样地，与对照样地差异性显著(P<0.05)，BZ4和BZ5样地的速效氮质量分数高于对照样地，且与对照样地差异性显著(P<0.05)；BZ5样地的速效氮质量分数最高，BZ2样地的速效氮质量分数最低；BZ2样地的变异系数大于20%，属于中强度变异。所有样地的速效磷质量分数均高于对照样地，方差分析表明差异性显著(P<0.05)；BZ1样地的变异系数最大，所有样地均属于弱度变异。BZ3、BZ4、BZ5样地，速效钾质量分数均低于对照样地，且与对照样地存在显著性差异(P<0.05)；BZ1、BZ2和BZ6样地的速效钾质量分数均低于对照样地，方差分析表明，差异性不显著(P≥0.05)。随着补植密度的增大，土壤速效钾质量分数呈现先增加后下降的趋势，BZ3样地速效钾质量分数最高，高于对照样地22.706 mg·kg-1，BZ6样地速效钾质量分数最低，BZ5样地的变异系数最大。

表5 各样地速效氮、速效磷和速效钾质量分数实测值

注：表中数据为“平均值±标准差”；同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

3.2 补植改造后土壤肥力的综合评价

利用Excel2010对土壤肥力各指标的实测值进行标准化处理。大兴安岭阔叶混交低质林的土壤呈弱酸性，其pH值均低于7；pH值越大即越靠近7，对林内的植被生长越有利，可见pH值为正向指标[19]；土壤密度越大，说明土壤板结程度严重，土壤越紧实，不利于植被根部呼吸和植被生长，土壤持水性下降。土壤密度是逆向指标，其他土壤肥力的各个指标均为正向指标，标准化处理后的结果见表6。

表6 各样地土壤肥力指标标准化处理

利用SPSS19.0分析软件，将标准化后的数据进行主成分分析(见表7)。可知：前3个主成分的累计贡献率为86.306%，前3个主成分就可以反映基础数据的信息，即可满足描述大兴安岭低质林补植改造后的土壤肥力。

表7 各样地土壤肥力指标总方差分析

提取前3个主成分的因子载荷见表8，其中第1主成分在全磷、土壤含水率、总孔隙度、速效钾质量分数、速效磷质量分数和最大持水量指标上有较大因子载荷，第2主成分在全钾质量分数、最大持水量、有机质质量分数、全氮质量分数、速效氮质量分数和速效钾质量分数指标上有较大因子载荷，第3主成分在pH、速效氮质量分数、速效磷质量分数、速效钾质量分数、全氮质量分数和有机质质量分数指标上有较大因子载荷。计算出各改造模式选取的前3个主成分的因子得分，然后确定每个主成分的权重，分别为0.538、0.274、0.188，最后求出各个样地补植改造效果的综合得分(见表9)。

表8 各样地土壤肥力指标因子载荷

可知：综合得分最高的是样地BZ5，得分是0.895，优于其他改造样地，说明对大兴安岭阔叶混交低质林进行补植改造，补植密度为800株·hm-2对低质林的改造最适宜，最有利于土壤肥力的积累和改善；对土壤肥力指标进行主成分分析，其综合得分由大到小依次是BZ5、BZ4、BZ3、BZ2、BZ、CK、BZ6；各样地的综合得分先是随着补植密度的增大而升高，当补植密度大于800株·hm-2后，样地综合得分开始下降，低于对照样地得分，土壤肥力质量不佳。

表9 各样地补植改造效果综合评价结果

4 结论与讨论

与对照样地相比，土壤含水率、最大持水量、总孔隙度均有不同程度的升高，且差异性显著(P<0.05)。土壤密度有不同程度的下降，说明样地经过不同密度的补植改造后，土壤板结程度下降，土壤变得松散，有利于林下植被生长。改造样地的物理性质指标变异系数均小于20%，属于弱度变异；随着补植密度的增大，土壤总孔隙度呈现出先增加后下降的趋势，其他物理指标没有显著性变化趋势。对大兴安岭阔叶混交低质林进行补植改造后，BZ5样地土壤中有机质质量分数最高，除了BZ1样地，其他样地有机质质量分数均高于对照样地。对改造样地pH值与对照样地进行方差分析发现，差异性不显著(P≥0.05)；本试验林区土壤呈弱酸性，大兴安岭地区降雨丰沛，年平均气温较低，有利于有机质的积累，同时弱酸性的土壤有利于微生物生长繁殖和有机质的分解。有机质的数量与质量能够反映土壤肥力和环境质量状况，是制约土壤理化性质的关键因素。对低质林进行补植改造后，与对照样地相比，土壤中全氮、全磷、全钾质量分数均有不同程度的下降，方差分析表明差异性显著(P<0.05)，且属于弱度变异。补植改造后，改造样地土壤速效氮质量分数与对照样地相比，无显著性差异(P≥0.05)；随着补植密度的增大，土壤中速效钾质量分数呈现出先增加后下降的趋势。

通过主成分分析法，对大兴安岭阔叶混交低质林补植改造2年后的土壤肥力进行综合评价分析，不同样地的综合得分从大到小依次为：BZ5、BZ4、BZ3、BZ2、BZ1、CK、BZ6。BZ5样地的综合得分最高，表明当补植密度为800株·hm-2时，土壤肥力最优，改造效果最佳。随着补植密度的增大，土壤肥力的综合得分升高，土壤肥力质量趋向于变好；当补植密度大于800株·hm-2后，土壤肥力的综合得分开始下降，土壤肥力质量不佳。对低质林进行补植改造后，随着林分密度持续增大，林下植被水土保持能力也随之增强，加速了凋落物分解，有助于土壤肥力的增加；当补植密度过大后，林下植被对土壤养分的需求量增加，造成改造样地土壤肥力的质量不佳。大兴安岭阔叶混交低质林补植改造后对土壤肥力的影响及综合评价，不仅与补植密度有关，还与光照、经济和社会等因素有关，形成了现有的土壤肥力和现实生产力，这几个方面有待探讨。同时，笔者只对大兴安岭阔叶混交低质林补植改造2 a后的土壤肥力进行了研究，而补植改造效果还需要更加长期的定位观测和分析。

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Effects of Replanting Alterations of Low-quality Forest on Soil Fertility in Daxing’an Mountains//

Tang Guohua, Dong Xibin, Zhang Tian, Qu Hangfeng, Ma Xiaobo, Guan Huiwen(Key Laboratory of Forest Sustainable Management and Environmental Microorganism Engineering of Heilongjiang Province, Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//

Journal of Northeast Forestry University，2017,45(4)：70-74.

We studied the soil fertility of the low-quality mixed forest of Daxing’an Mountains after 2-a replanting. We established the evaluation system of soil fertility with principal component analysis, and comprehensive evaluation of soil fertility. The comprehensive scores of soil fertility in different plots were BZ5(0.895), BZ4(0.823), BZ3(0.144), BZ2(-0.336), BZ1(-0.426), CK(-0.536) and BZ6(-0.565). The comprehensive score of BZ5 was the highest, which indicated that the integrated density of 800 tree·hm-2was the most suitable one for the alterations of broad-leaved mixed forest in Daxing’an Mountains. With the increase of replanting density, the comprehensive score of all plot was increased accordingly. However, the soil fertility was low when the replanting density was higher than 800 tree·hm-2.

Daxing’an Mountains； Replanting alterations； Soil fertility； Broad-leaved mixed low-quality forest

1)“十二五”农村领域国家科技计划课题(2012BAD22B0202-3)；国家自然科学基金项目(31400539)。

唐国华，男，1991年2月生，森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，硕士研究生。E-mail：652095437@qq.com。

董希斌，森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，教授。E-mail：xibindong@163.com。

2016年12月6日。

S714.2

责任编辑：戴芳天。