天然次生林转变成长白落叶松人工林后土壤养分的变化1)

吴慧 王树力

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

土壤供给植物生长发育所必须的养分，植物通过与土壤间的养分循环恢复或维持土壤的养分条件[1-2]。森林类型间营养循环特点的差异，导致森林生态系统间养分元素的分配形式不同，从而影响着植物对土壤养分的反馈方向[3]。若植物与土壤间的养分动态失衡，养分长期向同一方向倾斜，将会对土壤养分造成积极或消极的影响。碳(C)、氮(N)、磷(P)是土壤的主要养分元素，它们的含量被作为判断土壤质量及林地生产力的重要指标。土壤水解N、有效P是能被植物直接吸收利用的养分，而N、P元素又是常见的限制性元素[4]。了解森林类型改变后土壤养分的变化，可有的放矢经营现有森林，为高质量森林的恢复与培育提供重要依据。

长白落叶松是东北地区重要的乡土树种，也是人工造林效果非常优良的树种[5]。在天然次生林采伐后的森林恢复过程中，长白落叶松一直起着非常重要的作用，是人工林面积比例排名靠前的树种[6]。有研究表明，人工纯林树种单一、对病虫害抵御能力低[7]、土壤极化[8]、地力容易衰退[9]；针阔混交林无论在系统的稳定性方面，还是在理化性质方面，都优于针叶纯林[10]。近年来，有关长白落叶松人工林土壤营养的全量养分、有效养分及影响因素方面的研究，也得到了全面进展[11-13]。本文以东北林业大学帽儿山实验林场尖砬沟森林培育实验站原有天然次生林以及1987年营造的长白落叶松(Larixolgensis)纯林、长白落叶松水曲柳(Fraxinusmandshurica)混交林、长白落叶松胡桃楸(Juglansmandshurica)混交林为研究对象，分析天然次生林转化为人工林后土壤养分的变化情况，比较长白落叶松纯林与其混交林间土壤有机C、全N、全P、水解N、有效P的差异，探索天然次生林转变为长白落叶松人工林后土壤养分的变化特征，可为区域森林的恢复和长白落叶松人工林的科学经营提供进一步的参考。

1 研究区概况

研究区位于黑龙江省尚志市西侧东北林业大学帽儿山实验林场尖砬沟森林培育实验站(127°26′～127°39′E，45°23′～45°26′N)，属长白山系张广才岭西坡小岭余脉，为松嫩平原向张广才岭过渡的低山丘陵区[14]。年均气温2.8 ℃，≥10°积温2 000～2 500 ℃；无霜期120～140 d，年均降水量723 mm；地带性土壤为暗棕壤。主要乔木有水曲柳(Fraxinusmandshurica)、长白落叶松(Larixolgensis)、红皮云杉(Piceakoraiensis)、红松(Pinuskoraiensis)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、黄檗(Phellodendronamurense)、榆树(Ulmuspumila)、白桦(Betulaplatyphylla)、杨树(Populus)等。

2 研究方法

2.1 样地设置

在研究区内选取天然次生林样地及天然次生林带状皆伐后营造的31年生的长白落叶松纯林样地、长白落叶松水曲柳混交林样地、长白落叶松胡桃楸混交林样地(见表1)。天然次生林树种，现有组成为2水曲柳2胡核楸2春榆1蒙古栎1紫椴1白桦+1枫桦。长白落叶松混交林均为带状混交，混交行数比为5∶3，林分位置相近，立地条件基本一致[14]。

表1 样地林分状况

2.2 样品采集及指标测定

2017年8月，在选取的4种林分中分别设置3条20 m长的样带。各样带内以“S”形选取5个点，取土层(h)0

土壤有机C，采用碳氮分析仪(Elementar，Vario EL cube，Germany)测定；土壤全N，采用德国布朗卢比公司的连续流动分析仪测定；土壤全P，采用硫酸-高氯酸消化-钼锑抗比色法测定；土壤水解N，采用碱解扩散法测定；土壤有效P，采用HCl-H2SO4浸提法测定[15]。

2.3 数据处理

采用Excel2007和SPSS19.0进行整理分析实验数据。对各样带内土壤样品的有机C、全N、全P、水解N、有效P质量分数及有效养分与全量养分的比率，进行单因素及双因素方差分析，并做最小显著性差异法(a=0.05)多重比较。

3 结果与分析

3.1 林地土壤养分的影响因素

影响林地土壤养分有机C、全N、水解N的主要因素均为林型，其次为土层，林型与土层交互作用的影响最小；影响林地土壤养分全P、有效P的主要因素均为土层，其次为林型，林型与土层交互作用的影响最小(见表2)。

表2 各因素对土壤养分影响的方差分析

注：表中“林型×土层”表示土层与林型的交互作用。

3.2 长白落叶松人工林与天然次生林间土壤养分的差异

在土层深度(h)0

在土层深度(h)10 cm

在土层深度(h)20 cm

表3 长白落叶松人工林与天然次生林0～30 cm土层土壤养分质量分数

注：LP为长白山落叶松纯林；LFM为长白落叶松水曲柳混交林；LJM为长白落叶松胡桃楸混交林；NF为天然次生林；同列不同小写字母表示同一土层不同林型间差异显著(P<0.05)，同列不同大写字母表示同一林型不同土层间差异显著(P<0.05)。

王彦梅等[16]研究认为，天然次生林转化为人工林后，土壤表层有机C、全N均降低。黄清麟等[17]研究发现，人工杉木林土壤有机质、全N、全P均低于天然阔叶林。天然次生林凋落物量大、养分归还率高[18]、树种多样性远大于人工林[19]，为养分的良性循环提供了便利条件，使得天然次生林比人工林更易积累养分与保持养分，其土壤也具有较高的自我培肥能力[20]。长白落叶松为速生丰产型树种，短时间内会汲取大量土壤养分以满足自身的生长需求。相对于天然次生林而言，长白落叶松凋落物量较少、分解速率缓慢[21]，导致土壤酸化[22]，抑制了土壤微生物的活动[23]，从而降低了土壤养分的输入数量及速率[24]。土壤养分的输入与输出失调导致养分长期向林木倾斜，削弱了林分土壤的自肥能力，土壤养分的过度消耗造成地力衰退[25]。因此，本研究中长白落叶松人工林的土壤养分，基本低于天然次生林。

表4 长白落叶松人工林较天然次生林土壤养分降低率

注：LP为长白山落叶松纯林；LFM为长白落叶松水曲柳混交林；LJM为长白落叶松胡桃楸混交林；*表示差异显著(P<0.05)。

3.3 长白落叶松混交林与长白落叶松纯林间土壤养分的差异

长白落叶松水曲柳混交林与长白落叶松纯林相比：在土层深度(h)0

长白落叶松胡桃楸混交林与长白落叶松纯林相比：在土层深度(h)0

表5 长白落叶松人工混交林比其纯林土壤养分提高率

注：LFM为长白落叶松水曲柳混交林；LJM为长白落叶松胡桃楸混交林；*为差异显著(P<0.05)。

以往大部分研究显示，针阔混交林在土壤理化性质方面都优于针叶纯林[10]。但由于长白落叶松为落叶针叶树种，与其他常绿针叶树种相比，不仅光照条件较好，而且养分归还周期短，其混交林与纯林间土壤营养保育能力大小差异尚值得商榷。一方面，本研究中，长白落叶松水曲柳混交林各个土层土壤有效P均显著低于长白落叶松纯林；长白落叶松胡桃楸混交林各个土层土壤全P均显著低于长白落叶松纯林；长白落叶松水曲柳混交林各个土层土壤有效P与全P的比率(0

3.4 长白落叶松水曲柳混交林与长白落叶松胡桃楸混交林间土壤养分的差异

各层土壤的有机C、全N、全P、水解N，多表现为长白落叶松水曲柳混交林高于长白落叶松胡桃楸混交林(见表3、表5)，且长白落叶松水曲柳混交林各层土壤水解N与全N的比率(0

4 结论

天然次生林转变成长白落叶松人工林后，各层土壤的有机C、全N、水解N，0

长白落叶松水曲柳混交林各层土壤的有机C、全N、水解N及N元素活化能力，长白落叶松胡桃楸混交林各层土壤的有效P及P元素活化能力，均高于长白落叶松纯林。但长白落叶松水曲柳混交林有效P的供给能力及P元素的活化能力，低于长白落叶松纯林；长白落叶松胡桃楸混交林的土壤全P低于长白落叶松纯林。

与长白落叶松胡桃楸混交林相比，长白落叶松水曲柳混交林更能有效缓解土壤多数营养元素的衰减，其各层土壤的有机C、水解N的供给能力及N元素的活化能力更强，但其各层土壤有效P的供给能力及P元素的活化能力较差。从土壤营养保育角度决策，长白落叶松混交树种可优先选择水曲柳；培育长白落叶松水曲柳混交林时，应注意有效P肥的及时施用。