冀北山地华北落叶松人工林与杨桦次生林的土壤养分差异

李晓莎 ，李倩茹 ，2，许中旗 ，贾彦龙 ，2，庞 瑞

（1.河北农业大学 林学院， 河北 保定 071000；2.中国科学院 地理科学与资源研究所，北京 100101）

冀北山地华北落叶松人工林与杨桦次生林的土壤养分差异

李晓莎1，李倩茹1，2，许中旗1，贾彦龙1，2，庞 瑞1

（1.河北农业大学 林学院， 河北 保定 071000；2.中国科学院 地理科学与资源研究所，北京 100101）

为了了解冀北山地华北落叶松人工林对土壤肥力的影响，采用野外调查和室内分析相结合的方法，研究了当地华北落叶松人工林（9、18、33 a）和杨桦天然次生林（9、18、28 a）2种林型下的土壤养分状况。结果表明：（1）2种林型土壤有机质及氮的差异在不同的林龄阶段表现出不同的特点，总体上幼龄和中龄阶段，华北落叶松人工林高于杨桦天然次生林，而近熟林则相反；在多数年龄阶段的多数土层中，华北落叶松人工林土壤磷元素含量高于杨桦天然次生林；除近熟林0～40 cm土层土壤全钾略低于杨桦天然次生林外，华北落叶松人工林其他年龄及土层的速效钾及全钾含量均高于杨桦天然次生林。（2）在各种养分的垂直分布上，2种林型的有机质、氮、速效钾均随土层深度的增加而呈下降的趋势，全钾及全磷下降趋势不明显，或只有较小下降幅度；同时，华北落叶松人工林有效磷含量在垂直方向上存在先下降后上升的趋势。（3）总体上，从2种林型3个年龄段土壤养分含量的比较来看，华北落叶松人工林的营造并未导致土壤出现明显的衰退。

华北落叶松；人工林；天然次生林；土壤养分

为了满足人类对木材的需求，一些天然林，主要是天然次生林逐渐被转化为人工林。随着人工林面积的不断扩大，一些人工林的生长出现了明显的衰退问题，人工林对土壤的影响逐渐成为人们关注的重要科学问题，相关的研究不断涌现[1-5]。但是目前来看，不同研究的研究结果有很大差异，关于人工林是否导致土壤的衰退尚未形成一致的结论。落叶松是我国中高纬度地区人工造林的主要树种，一些研究表明营造落叶松人工林导致了明显的地力衰退，并影响到了二代林的生长[6-9]。但同时，也有不同的研究结果不断被报道出来，如秦岭南坡引种的华北落叶松人工林与同相似条件下天然华山松林相比，其土壤理化性状没有明显的改变，栽植华北落叶松人工林未造成地力衰退[10]。侯庸等[11]对河北省驼梁山的华北落叶松人工林的研究表明，随着华北落叶松人工林林分年龄的增长，表层土壤速效磷、碱解氮、全氮等养分元素及有机质含量都有逐渐增加的趋势。王宏星等[12]在小陇山的研究结果也表明，日本落叶松人工林在成熟林阶段其土壤有机质、氮、磷、钾等养分元素含量均为最高，没有出现明显的下降。因此，人工林对土壤肥力的影响可能受到地理位置、经营方式以及气候等因素的影响。华北落叶松Larix principis-rupprechtii人工林和杨Pobulus davidiana桦Betula platyphlla天然次生林是燕山北部山地分布面积最广的2种森林类型。该地区的杨桦天然次生林是在原有森林遭采伐、放牧和自然灾害等干扰破坏后形成的次生林类型，由于生产力低下，部分杨桦天然次生林被改造为华北落叶松人工林[13]。本研究拟通过对华北落叶松人工林与杨桦天然次生林的对比分析，了解该地区营造的华北落叶松人工林是否导致了林下土壤养分含量的变化，为该地区森林土壤肥力的维持及森林的可持续经营提供科学依据。

1 研究区概况

研究地位于河北省承德市围场县孟滦林场，该林场地处浑善达克沙地南缘，滦河上游地区，属阴山、大兴安岭、燕山余脉的汇接地带，地理坐 标 为 41°35′～ 42°40′N，116°32′～ 117°14′E，海拔750～1 998 m。该地区属半干旱-半湿润、寒温带-中温带、大陆性季风型山地气候，无霜期67～128 d，年平均气温-1.4～4.7 ℃，极端最高气温38.9 ℃，极端最低气温-42.9 ℃，年均降水量380～560 mm，主要集中在7—9月。

围场县森林资源丰富，全县现有森林面积43.2万hm2，在河北省位居首位。杨桦天然次生林是该地主要的天然林类型之一，华北落叶松人工林是该地区主要的人工林类型。本研究中的华北落叶松人工林和杨桦天然次生林两种林分类型之前的土地利用类型均为杨桦天然林。

2 研究方法

在孟滦林场选择立地条件相似、林龄相近的华北落叶松人工林和杨桦天然次生林。华北落叶松人工林林龄分别为9、18和33 a，杨桦天然次生林则分别为9、18和28 a，共6块样地。在每一样地分上、中、下3个坡位，分别进行土壤取样。每个坡位上随机设3个取样点，挖取土壤剖面，每一样地共9个土壤剖面。在每一土壤剖面的0～50 cm深土层中，按10 cm一层进行分层取样。将所取土壤样品放进土壤袋中，带回室内进行处理和分析。在室内对土壤进行阴干，然后过1 mm土壤筛，去除土壤中的杂物及细根，装入密封袋待用。土壤有机质采用重铬酸钾稀释热法；碱解氮采用碱解扩散吸收法；有效磷采用碳酸氢钠浸提法；速效钾采用醋酸铵浸提火焰光度法；全氮采用半微量凯氏定氮法；全磷采用钼锑抗比色法；全钾采用火焰原子吸收分光光度计法。

使用Excel 2010进行数据统计，使用SPSS17.0对数据进行方差分析。

3 结果与分析

3.1 华北落叶松人工林与杨桦天然次生林土壤有机质的比较

华北落叶松人工林与杨桦天然次生林土壤有机质含量的差异在不同的年龄上表现出不同的特点，但均未表现出显著差异（P＞0.05）（见图1）。幼龄林（9 a）及中龄林（18 a）的华北落叶松人工林在多数土层上，土壤有机质含量略低于杨桦天然次生林，但近熟（33 a）的华北落叶松人工林又高于杨桦天然次生林。以20～30 cm土层为例，9年生华北落叶松人工林土壤有机质含量（52.71 g/kg）低于杨桦天然次生林（60.30 g/kg），18年生华北落叶松人工林土壤有机质含量（37.99 g/kg）低于杨桦天然次生林（47.39 g/kg），而33年生则相反， 华北落叶松人工林有机质含量（50.60 g/kg）高于28年生杨桦林（39.70 g/kg）。以上结果说明，在华北落叶松人工林的早期阶段，土壤有机质含量相对较低，但随着林分年龄的增加，土壤有机质含量逐渐增加，最后甚至会超过杨桦天然次生林。

图1 华北落叶松人工林和杨桦天然次生林土壤有机质含量Fig.1 Contents of soil organic matter between Larix principis-rupprechtii plantations and secondary poplar-birch forests

空间分布上，两种林型土壤有机质含量随土层深度的增加均呈下降趋势，尤其是在0～20 cm土层中，有机质含量下降明显，随后下降幅度趋缓。这主要是由于林下凋落物分解所形成的有机物首先进入浅层土壤[14-15]，且作为土壤有机质重要来源的地下根系及微生物生物量也都随土壤深度的增加而减少，从而使浅层土壤的有机质含量明显高于深层土壤。

3.2 华北落叶松人工林与杨桦天然次生林碱解氮及全氮的比较

与土壤有机质类似，华北落叶松人工林与杨桦天然次生林土壤碱解氮的差异也在不同的林分年龄上表现出不同的特点（见图2），且各层的差异均未达到显著水平（P＞0.05）。幼龄（9年生）华北落叶松人工林0～20 cm土层及30～50 cm土层土壤碱解氮含量均高于杨桦天然次生林，中龄（18年生）华北落叶松人工林10～20 cm土层及40～50 cm土层土壤碱解氮含量高于杨桦天然次生林，近熟（33 a）华北落叶松人工林0～40 cm土层土壤碱解氮含量均高于杨桦天然次生林。以上结果说明，尽管没有显著性差异，但总体上，华北落叶松人工林土壤碱解氮含量有高于杨桦天然次生林的趋势。

图2 华北落叶松人工林和杨桦天然次生林土壤水解氮含量Fig.2 Contents of Alkaline nitrogen between Larix principis-rupprechtii plantations and secondary poplar-birch forest

从全氮的情况来看，幼龄（9 a）及中龄（18 a）华北落叶松人工林土壤全氮含量略低于杨桦天然次生林，而近熟（33 a）华北落叶松人工林土壤全氮含量则高于杨桦天然次生林。并且，除近熟（33 a）华北落叶松人工林40～50 cm土层外，在绝大多数土层中，2种林分之间均未达到显著差异（P＞0.05）（见图3）。以上研究结果说明，华北落叶松人工林土壤的碱解氮及全氮含量均未表现出明显的下降。

另外，随着土层的变化，碱解氮与全氮表现出与有机质相同的趋势，均随土层深度的增加而降低，造成这种现象的原因可能是由于土壤中碱解氮及全氮主要来源于有机质的分解，有机质含量高，氮含量也高，反之，则氮含量低[18]，而参与分解有机质的微生物数量也随着土层深度的加深而减少。

图3 杨桦天然次生林和华北落叶松人工林土壤全氮含量Fig.3 Contents of Total nitrogen between Larix principisrupprechtii plantations and secondary poplar-birch forests

3.2.2 华北落叶松人工林与杨桦天然次生林有效磷及全磷的比较

由图4和图5可以看出，华北落叶松人工林与杨桦天然次生林土壤磷元素的含量差异表现出明显的复杂性。中龄林表现为杨桦天然次生林高于华北落叶松人工林，但未表现出显著差异（P＞0.05）；而幼龄林和近熟林则表现为华北落叶松人工林高于杨桦天然次生林，且部分土层差异显著（P＜0.05）。具体来看，华北落叶松幼龄林除0～10 cm土层外，其他土层土壤有效磷含量均高于杨桦天然次生林。华北落叶松中龄林有效磷含量低于杨桦天然次生林。华北落叶松近熟林各土层深度有效磷含量均高于杨桦天然次生林，并且幼龄林10～20 cm土层、近熟林10～50 cm土层2种林分之间的差异达到了显著水平（P＜0.05）。以上结果在一定程度上表明，总体上，华北落叶松人工林土壤磷元素有高于杨桦天然次生林的趋势。

图4 杨桦天然次生林和华北落叶松人工林土壤有效磷含量Fig.4 Contents of available phosphorus between Larix principis-rupprechtii plantations and secondary poplar-birch forests

另外，随着土层深度的增加，杨桦天然次生林中磷元素随土层深度的增加一直呈现下降的趋势，而华北落叶松人工林则有所不同。总体上，华北落叶松人工林磷元素含量随土层深度的增加而逐渐下降，但是有些林分中，有效磷含量表现出先下降而后又有所上升的过程，如9年生和33年生落叶松林的有效磷含量在40～50 cm土层深度上有一个明显的上升趋势。这是由于磷酸根在酸性淋溶过程中产生沉淀造成的。同时，2种林分随土层深度的增加有效磷的下降趋势更为明显，而全磷下降的趋势较为平缓，下降幅度较小。

3.2.3 华北落叶松人工林与杨桦天然次生林速效钾及全钾的比较

就土壤速效钾含量来看，各个林龄华北落叶松人工林在各个土层上都高于杨桦天然次生林（见图6），而就全钾含量来看，除华北落叶松近熟林在0～40 cm的土层上略低于杨桦天然次生林外，其他林龄及土层的华北落叶松人工林都明显高于杨桦天然次生林，但是其差异均未达到显著水平（P＞0.05）（见图7）。这说明，总体来看，华北落叶松人工林土壤钾元素含量有高于杨桦天然次生林的趋势，这意味着杨桦天然次生林改造为落叶松人工林并未导致土壤钾元素含量的明显下降，还有一定程度的增加。

图5 杨桦天然次生林和华北落叶松人工林土壤全磷含量Fig.5 Contents of total phosphorus between Larixprincipis-rupprechtii plantations and secondary poplar-birch forests

图6 杨桦天然次生林和华北落叶松人工林土壤全钾含量Fig.6 Contents of total K between Larix principisrupprechtii plantations and secondary poplarbirch forests

空间分布上，全钾含量随土壤深度的增加也呈逐渐下降的趋势，主要表现为表层土壤明显高于下层土壤，但10 cm以下各层下降趋势不明显。随着土层深度的增加，速效钾含量下降的趋势并不是很明显，尤其是在中龄林和近熟林阶段，10 cm以下土层的速效钾含量基本没有差异。这是因为钾元素是极易淋溶的元素，而且含量还受土壤母质的影响，因此钾含量随土层变化的规律并不明显[12]。

4 讨 论

本研究中，2种林型土壤养分在不同的林龄阶段表现出非常明显的复杂性，但总体上，华北落叶松人工林的各土壤养分含量高于杨桦天然次生林或有高于杨桦天然次生林的趋势，并且差异均未达到显著水平（P＜0.05）。这种复杂性在其他研究中已有报道。贾平等[19]的研究表明，天然杨桦林土壤的有效磷含量低于华北落叶松人工林；马云波[20]对塞罕坝地区华北落叶松林的研究表明，随着林龄的增长，土壤有效磷含量有所增加，碱解氮含量呈上升趋势 ，以上研究结果与本研究中的结果一致。而王树力等[21]对镜泊湖区4种主要森林类型的土壤养分的研究则表明，杨桦林的土壤有机质含量、全氮含量、全磷含量及速效磷含量均高于落叶松林，与本研究结果相反。研究结果的不一致性可能与研究地区气候条件的差异有关。镜泊湖区位于我国东北地区，相比冀北山地，气候更为寒冷和湿润，不利于落叶松凋落物的分解，影响了矿质养分的释放，这可能是导致当地落叶松林土壤养分含量较低的原因。在冀北地区，华北落叶松土壤养分含量高于杨桦天然次生林是由多种因素造成的。一方面是物种本身的特性，华北落叶松具有一定的耐瘠性，对养分的利用效率较高，而白桦、山杨对土壤养分消耗较大[16-17]。另一方面与凋落物的数量有关。在该地区华北落叶松人工林凋落物的数量明显高于杨桦天然次生林[22]，华北落叶松人工林丰富的凋落物在淋溶及微生物的分解作用下将大量养分输送到土壤中，使其土壤养分含量保持在一个较高水平。

图7 杨桦天然次生林和华北落叶松人工林土壤速效钾含量Fig. 7 Contents of available K between Larix principisrupprechtii plantations and secondary poplarbirch forests

另外，本研究发现，与其他养分随土层深度的增加而呈下降的趋势不同，华北落叶松人工林中，土壤有效磷含量在垂直方向上存在先下降后上升的趋势。马云波等[20]在塞罕坝地区的研究也发现了这种现象。落叶松的凋落物在矿化过程中，释放出大量磷酸根，被淋溶到矿质层土壤中，而磷元素的溶解度及移动性与土壤pH值有明显的相关关系，酸性或碱性土壤条件下磷酸盐的溶解度都比较小，易形成沉淀[23]，因此磷元素极易在土层中进行沉积，使得磷元素的含量在深层土壤中有明显增加。

5 结 论

华北落叶松人工林和杨桦天然次生林土壤养分的差异在不同的林龄阶段具有不同的特征，尽管在多数情况下二者未表现出显著差异，但落叶松人工林土壤的多数养分含量有高于杨桦天然次生林的趋势。具体表现为：幼龄和中龄阶段，华北落叶松人工林有机质及氮的含量高于杨桦天然次生林，而近熟林则相反；华北落叶松人工林在幼龄林及近熟林阶段，土壤磷元素含量均高于杨桦天然次生林；除近熟林0～40 cm土层土壤全钾略低于杨桦天然次生林外，其他林龄及土层华北落叶松人工林的速效钾及全钾含量均高于杨桦天然次生林。

在各种养分元素的垂直分布上，2种林分的有机质、氮元素、速效钾含量均随土层深度的增加而呈逐渐下降的趋势，全钾及全磷下降趋势不明显，或下降幅度较小，同时，华北落叶松人工林有效磷元素含量在垂直方向上存在先下降后上升的趋势。总体上，从3个年龄段2种林型的土壤养分含量的比较来看，华北落叶松人工林土壤与杨桦天然次生林相比并未表现出明显的衰退。

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[本文编校：谢荣秀]

Difference ofLarix principis-rupprechtiiplantations and secondary poplar-birch forests in soil nutrients in Northern Yanshan Mountain

LI Xiaosha1, LI Qianru1,2, XU Zhongqi1, JIA Yanlong1,2, PANG Rui1
(1. College of Forestry, Hebei Agricultural University, Baoding 071000, Hebei, China;2. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Beijing 100101, China)

In order to understand howLarix principis-rupprechtiiplantations influence soil fertilities in Northern Yanshan Mountain,We adopted the method of combiningfield investigation and laboratory analysis to analyze the soil nutrient contents in two kinds of forests, includingLarix principis-rupprechtiiplantations and secondary poplar-birch forests with different ages. The results showed that the difference of soil organic matter and nitrogen content for two forest types with different ages show different characteristics. Overall,Larix principis-rupprechtiiplantations in young and middle age stage are higher than secondary poplar-birch forests, while nearly mature age is the opposite; the phosphorus content show a trend thatLarch plantationsis higher than secondary poplar-birch forests in the most of soil layer and age groups; only the soil layer of 0～40 cm in the near mature forest show that the total kalium ofLarch plantationsis lower than secondary poplar-birch forests, all other age groups and soil layer show that the available kalium and the total kalium ofLarch plantationsis higher than secondary poplar-birch forests. On the vertical distribution of various nutrients, the organic matter, nitrogen and available kalium of two kinds of forest stand gradually decreased with the increase of soil depth, the total kalium and total phosphorus decline is not obvious, or decline to a lesser extent; at the same time, the content of available phosphorus ofLarch plantationscn vertical direction. On the whole, from the perspective of soil nutrient content of two forest types in three ages, the soil ofLarix principis-rupprechtiiplantations compared with secondary poplar-birch forests did not show obvious recession.

Larix principis-rupprechtii; plantations; natural secondary forest; soil nutrient

S714.8

A

1673-923X(2017)09-0020-07

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.09.004

2016-01-10

国家林业公益性行业科研专项（20100400205）；河北省高层次人才资助项目（B2014010001）

李晓莎，硕士研究生

许中旗，教授；E-mail：xzq7110@163.com

李晓莎，李倩茹，许中旗，等. 冀北山地华北落叶松人工林与杨桦次生林的土壤养分差异[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(9): 20-26.