小陇山林区3种林分类型对土壤理化性质的影响

李惠萍，郑子龙，刘小林，马建伟，杨海裕

(甘肃省小陇山林业科学研究所，甘肃小陇山森林生态系统国家定位观测研究站，甘肃省次生林培育重点实验室，甘肃 天水 741022)

森林土壤是陆地植被赖以生存的基础，植被生长所需要的水分及矿质营养均与土壤理化性质有密不可分的关系[1].森林土壤理化性状是多种因素共同作用的结果，其中林分类型是其中重要的影响因子之一[2].不同林分的植被凋落物性质及其组成不同，是造成其林下土壤理化性质不同的主要原因，也是森林生态学研究的一个重要方向[3]，客观评价不同林分类型的林下土壤肥力状况是充分保护和利用好森林土壤资源的关键前提，对林地生产力和森林经营的研究有重要意义.因此，针对不同林分对土壤理化性状影响的研究引起了广大科研工作者的关注[2,4-10].

小陇山林区地处黄河、长江中上游分水岭，也是我国华北、华中、喜玛拉雅、蒙新四大自然植被区系的交汇处，地形情况复杂、多变，土层浅薄贫瘠，生态环境脆弱，水土流失较严重，且大部分林区森林质量低下[11]，急需科学的经营管理措施来提高森林质量，充分发挥小陇山林区的森林生态效益.目前，有关小陇山林区土壤方面的研究较多集中在土壤水分特征等土壤物理性质[2,11-12]，反映了不同林分类型的土壤持水量及涵养水源能力.然而对土壤固碳能力及土壤理化性质综合研究较少.本文通过对小陇山生态站乱石窖沟集水区的锐齿栎林、阔叶混交林、日本落叶松林3种不同林分类型进行土壤理化性质特征的研究，分析不同林分类型对土壤固碳能力及理化性质特征与差异的影响，为小陇山林区森林的经营及土壤资源的科学管理提供基础数据和决策依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于小陇山林业科学研究所生态定位研究站观测区，隶属天水市秦州区娘娘坝镇李子园乡，地理坐标N 34°07′，E 105°54′，海拔1 550～2 100 m，总面积2 117.0 hm2.大陆性季风气候，年均降水量757 mm，年蒸发量1 012.2mm，相对湿度78%，年日照时数1 520～2 313 h，≥10 ℃有效积温2 480 ℃，无霜期120～218 d.林分类型以锐齿栎为主的天然次生林、日本落叶松、阔叶混交林和油松人工林为主.境内山体较低，地势起伏较小，坡度36°～40°，土壤以山地褐土和山地棕壤为主[12].

1.2 研究方法

1.2.1 标准地设置 在乱石窖沟142.61 hm2集水区选取3种林分—阔叶混交天然次生林、锐齿栎天然次生林及日本落叶松人工林，选择典型地段设置标准地6块，标准地面积为20 m×30 m[13].对标准地用GPS确定地理位置、海拔高度，用罗盘仪和红外线测距仪进行样木定位，同时进行每木检尺，实测林木胸径、树高等，各林分标准地概况见表1.

表1 标准地基本情况表

1.2.2 样品采集与处理 每个标准地内随机采集3个土壤剖面，每个剖面按照0～10、10～20、20～30、30～40 cm等4个土层采集样品，每层用100 cm3的环刀采集原状土2份，测定不同林型各层土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度物理性状.同时采集500 g左右土样，带回实验室风干后测定pH、有机碳、全氮、全磷、全钾化学性状.pH采用电位法测定，有机碳重铬酸钾外加热法测定，全氮采用凯氏法测定，全磷采用氢氧化钠碱熔钼锑抗比色法测定，全钾含量四酸消解火焰光度法测定.

1.2.3 土壤有机碳密度与全氮密度的计算[14]土壤有机碳密度(SOCD，t/hm2)与全氮密度(STND，t/hm2)计算公式如下：

SOCD=∑Ci×Di×Ti×0.1

(1)

STND=∑Ni×Di×Ti×0.1

(2)

式中：Ci、Ni分别为第i层土壤的有机碳含量(g/kg)与全氮含量(g/kg)；Di为第i层土壤容重(g/cm3)；Ti为第i层土壤厚度(cm).

1.3 数据处理

采用Excel 2010与SigmaPlot 12.0进行统计分析与作图.

2 结果与分析

2.1 不同林分土壤物理特性

2018年对乱石窖沟集水区3种林分不同深度土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及毛管孔隙度/非毛管孔隙度物理性状进行测定，结果如表2所示.

由表可知，3种林分土壤容重与总孔隙度均随土层呈现有规律的变化.土壤容重均随土层加深而增大，0～10 cm表层与10～20 cm亚表层土壤容重均明显低于20～30 cm与30～40 cm土层(P<0.05)；而总孔隙度则正好相反，均随土层加深呈下降趋势，0～10 cm与10～20 cm土层总孔隙度明显大于下面2个层次(P<0.05).与总孔隙度相似，3种林分土壤毛管孔隙度也均随土层加深降低(20～30 cm阔叶混交林除外)，而非毛管孔隙度则呈现出相反的变化趋势，导致二者比值也随土层加深而降低(30～40 cm阔叶混交林除外)，0～10 cm表层毛管孔隙度/非毛管孔隙度比值与30～40 cm土层最高相差3.2倍(锐齿栎林).

3种林分类型土壤容重和总孔隙度分别为：锐齿栎为1.27 g/cm3、52.8%，日本落叶松为1.38 g/cm3、48.0%，阔叶混交林为1.39 g/cm3、47.6%；阔叶混交林与日本落叶松林土壤容重、总孔隙度及毛管孔差异不大，二者土壤容重均大于锐齿栎林，主要是差异出现在20～30 cm与30～40 cm土层；而二者总孔隙度与毛管孔均小于后者.阔叶混交林非毛管孔隙度小，但其毛管孔隙度/非毛管孔隙度比值最大.

2.2 不同林分土壤化学特征

2.2.1 不同林分土壤主要化学指标变化状况 2018年对乱石窖沟集水区3种林分不同土层pH、有机碳、全氮、全磷与全钾含量进行测定，结果如表3所示.

由表可知，3种林分土壤pH、有机碳与全氮均随土层呈垂向规律性的变化.相比该地区偏碱性的土壤pH背景，3种林分类型均会导致pH下降，但下降幅度随土层加深而逐渐降低，0～10 cm表层与30～40 cm底层间差异均达到5%显著水平，其中日本落叶松变化最为明显，表层与底层相差达0.71个单位；有机碳表聚特征明显，3种林分0～10 cm表层含量均明显高于10～20 cm亚表层，差异达到显著水平，并随土层加深而下降，表层含量为30～40 cm底层的2.74～4.64倍；全氮与有机碳变化规律相同，表层显著高于其他土层(P<0.05)，也随土层加深而下降，表层含量为30～40 cm底层的3.11～4.33倍.除阔叶混交林全磷含量随土层加深下降外，其他林分全磷及所有林分全钾随土层变化规律不明显，各土层间差异没有达到显著水平.说明3种林分类型均对土壤pH、有机碳与全氮的累积产生影响，其影响力随土层加深而逐渐下降，但对全磷与全钾的累积影响不明显.

表2 不同林分土壤物理特性现状

表3 不同林分土壤化学性状

比较3种林分土壤化学性状，pH为阔叶混交林(6.75)>锐齿栎林(6.14)>日本落叶松林(6.03)，其中阔叶混交林土壤pH均大于同层次锐齿栎林与日本落叶松林，日本落叶松林对土壤pH的影响最大，尤其是表层0～10 cm土壤，分别较锐齿栎林与阔叶混交林低0.39与0.86个单位；有机碳与全氮均表现为锐齿栎林(19.8、1.82 g/kg)>日本落叶松林(14.2、1.26 g/kg)>阔叶混交林(9.54、0.72 g/kg)，其中锐齿栎林与日本落叶松林0～10 cm有机碳与全氮含量明显高于阔叶混交林(P<0.05)，而10～20 cm土层也有类似的规律，但20 cm以下土层则差异不明显；全磷与全钾则表现为日本落叶松林(0.413、26.63 g/kg)>阔叶混交林(0.360、23.67 g/kg)>锐齿栎林(0.247、22.96 g/kg)，但差异未达到显著水平.

2.2.2 不同林分土壤有机碳密度、全氮密度与C/N 由图1可以知，不同林分0～40 cm土层土壤有机碳及全氮密度与土壤有机碳及全氮浓度分布规律相同，也表现为锐齿栎林>日本落叶松林>阔叶混交林，而且0～10 cm的土层与0～40 cm的土层均存在显著差异(P<0.05)；3种林分土壤有机碳密度分别为93.98、73.62与49.65 t/hm2，土壤全氮密度分别为8.67、6.57与3.70 t/hm2，表明锐齿栎林最有利于土壤总有机碳与全氮的累积.同样，3种0～10 cm土层有机碳密度与全氮密度含量最高，占0～40 cm土层比例分别为33.9%～46.9%(有机碳密度)与37.6%～45.1%(全氮密度)，占比大小排序均为锐齿栎林>日本落叶松林>阔叶混交林，说明锐齿栎林土壤养分表聚特征更为明显.

不同小写字母与大写字母分别代表3种树种0～10 cm与0～40 cmSOCD与STND含量显著性差异.Different lowercase letters and uppercase letters respectively represent the significant differences in the contents of 0～10 cm and 0～40 cmSOCD and STND in the three tree species.图1 锐齿栎林(RCL)、阔叶混交林(KYH)与日本落叶松林(RBL)土壤有机碳密度与土壤总氮密度Figure 1 SOCD and STND in Quercus acuteserrata,Broad-leaved mixed forest and Larix kaempferi

图2显示，土壤C/N值阔叶混交林最高(13.25)，锐齿栎林最低(10.88)，日本落叶松林(11.27)略高于锐齿栎林，每个层次均呈现出同样的规律，说明阔叶混交林有机碳最不容易降解.在10～40 cm不同土层间3种林分的土壤C/N值均存在显著差异(P<0.05)，锐齿栎林与日本落叶松林各层土壤C/N值变幅很小，阔叶混交林变幅较大，0～10 cm土层最高(12.1)，10～20 cm土层最低(16.8)，相差达4.7，说明阔叶混交林表层有机碳相比其他土层容易降解.

2.3 不同林分土壤有机碳与其他理化指标的关系

森林根系及凋落物是森林土壤养分主要来源，因此通过分析与土壤有机碳的相关性可以判断森林土壤各项理化指标与森林生长的关系.

由表4可知，3种林分土壤有机碳与其他指标间的相关性比较一致，均与全氮、全磷、总孔隙度及毛管孔隙度等4项指标呈正相关关系，其中与全氮的相关性达到极显著水平，与总孔隙度与毛管孔隙度的相关性达到显著水平；3种林分土壤有机碳均与pH、全钾、容重及非毛管孔隙度等4项指标呈负相关关系，其中与容重的相关性达到显著水平.说明土壤全氮、容重、总孔隙度与毛管孔隙度主要受林木生长影响，而土壤pH、全磷、全钾及非毛管孔隙度则更多受土壤母质影响.

不同小写字母代表3种树种在同一层次间C/N显著性差异.Different lowercase letters represent significant C/N differences between the three trees at the same level.图2 不同林分土壤C/NFigure 2 C/N of soil in different forest types

表4 不同林分土壤有机碳与其他指标的相关系数(R)

3 讨论

3.1 不同林分对容重、孔隙度与毛管孔隙度的影响

本研究中3种林分土壤容重与土壤有机碳之间呈显著负相关关系，这种现象是大部分森林土壤的共同特征[2,15]，主要是由于森林的凋落物密度小于土壤矿物颗粒，且疏松多孔，导致森林土壤容重下降，凋落物越多，有机碳含量越高，而容重也越低；另一方面树木根系的疏松作用也会降低森林土壤容重[15-16].由于森林凋落物与树木根系具有明显的层次结构，主要聚集在表层，并随土层深度而逐渐下降，这就造成促成了了本研究及其他研究者土壤容重随土层深度逐渐增大的垂向变化趋势[2,4,15-16].锐齿栎林土壤容重较其他2种林分低，与其相对较高的有机碳含量有关.孔隙度及毛管孔隙度与土壤容重呈显著负相关[4-5]，因此，二者与土壤有机碳呈正相关，并随土层加深而逐渐减小[2,4-5]，本研究3种林分也表现出上述特征.同样由于较高的有机碳含量，锐齿栎林土壤孔隙度及毛管孔隙度均较其他2种林分高.

土壤容重、总孔隙度与毛管孔隙度影响土壤透水性与储水量[17].土壤容重越小、总孔隙度与毛管孔隙度越大，土壤储水量越大，越有利于森林土壤的水源涵养能力[7,18].本研究中，锐齿栎林土壤容重较阔叶混交林与日本落叶松林小，而总孔隙度与毛管孔隙度较后两者大，表明其储水量及水源涵养能力较阔叶混交林与日本落叶松林强，主要是因为锐齿栎林地枯落物较多且易分解腐烂，有利于形成土壤团粒结构，从而增加了土壤孔隙度，增强了土壤的蓄水能力.

3.2 不同林分对土壤有机碳及土壤全氮积累的影响

森林土壤是地球重要的有机碳库，在全球碳循环及减缓气候变暖中发挥着重要作用，森林生长是土壤有机碳积累的过程，这是普遍的共识.森林土壤有机碳的积累受成土气候、地形、林分类型、林龄等因素影响，存在较大的地区差异性[19-20].因此，同样是锐齿栎林，本研究0～10 cm土层有机碳含量低于小陇山党川林场[14]，也低于秦岭山地[20]；同样是阔叶混交林，本研究0～10 cm土层有机碳含量远低于长白山地区[21]，土壤碳密度也呈同样的规律.除林龄[14]及区域[20-21]等因素，本地区林地坡度较大(均为35°以上陡坡，见表1)，地表有机碳易遭受径流损失也可能是重要原因之一.森林有机碳主要来源于森林坏死根系与树叶、枝条、树皮等凋落物经微生物分解后的腐殖质[22]，本研究阔叶混交林土壤有机碳含量明显低于锐齿栎林与日本落叶松林，主要是由于阔叶混交林叶片等凋落物体积较大，不易保存水分，降解缓慢，腐殖质形成量较少所致.森林土壤有机碳含量与密度的垂向分布则不受气候、地形、林分类型、林龄等因素影响，包括本研究的所有结果均表现为自上而下降低的规律[3-6,8-10]，这与森林根系与凋落物主要分布在土壤表面并随土壤深度下降有关.

森林土壤全氮主要为有机氮，与有机碳呈极显著正相关[19-21]，因此，森林土壤全氮含量与密度垂向分布也呈现自上而下减少的趋势[3-6,8-10]，土壤全氮具有表聚性在本研究也非常明显，3种林分0～10 cm土壤氮密度占0～40 cm土层的1/3～1/2.本研究阔叶混交林土壤有机碳含量明显低于锐齿栎林与日本落叶松林，与阔叶混交林凋落物体积较大、C/N比较较高，不易被微生物分解，生成较少土壤含氮腐殖质有关.由于林龄、坡向、气候特征等因素的差异，该研究区与太白山、秦岭等同种林分森林土壤相比，阔叶混交林与落叶松林土壤总氮含量低于长白山[19]，锐齿栎林高于秦岭[20].3种林分土壤C/N比与长白山与秦岭差异不大，均介于10～20，均属易降解有机物.

3.3 不同林分对土壤pH、全磷与全钾含量的影响

森林生长导致土壤pH下降，即使在土壤母质呈碱性的北方地区，其多年生森林土壤pH也呈酸性[2,4,9]，而土壤母质为酸性的南方地区，森林土壤pH甚至低至4.06[15].与其他森林一样，本研究3种林分土壤pH也均呈弱酸性，低于当地土壤背景值，说明3种林分均可导致pH下降.究其原因，是由于pH与土壤有机碳含量呈负相关[4,15]，森林生长产生大量凋落物，提高了土壤有机质含量，有机质分解产生小分子酸降低了土壤pH.本研究中阔叶混交林土壤pH高于锐齿栎林与日本落叶松林，与其相对较低的土壤有机碳有关；另一方面，也与阔叶混交林土壤C/N较高，大分子有机碳降解速率较小，使得土壤中小分子有机酸产生量较小有关[8,22].与其他大多数研究结果相同[3-6,8-10,15-16]，本研究3种林分土壤pH均表现为自上而下逐渐增加的规律，一方面由于土壤有机碳含量随土层加深而减少，另一方面随土层加深，表层小分子酸淋溶量越少，这与刘欣等[4]、邵国栋等[5]的研究结果一致.

不同于全氮，森林土壤全磷随土层深度变化规律性不强，目前主要存在两种说法：土壤全磷含量随土层加深下降[10,15,23]与土壤全磷含量随土层无明显变化规律[2,24-25].本研究3种林分土壤全磷含量与土层深度的关系并不相同，阔叶混交林与前者相同，而锐齿栎林与日本落叶松林则与后者相同.森林土壤全磷含量与林分类型有关[6]，而本研究中3种林分土壤全磷与有机碳含量均呈弱正相关，研究结果中锐齿栎林土壤全磷较其他2种林分低，可能是由于其凋落物中磷含量较其他树种低所致.

本研究3种林型土壤全钾含量介于21.88～27.34 g/kg，高于大多数其他地区森林土壤[6,23,25]，归因于本地区土壤较高的钾背景值.与全磷一样，关于土壤全钾与土层深度关系，也存在多种不同的说法，随土层加深减小[4-5]、增大[6]以及无变化[2,24,26]等现象均有报导，而本研究与其他多数研究人员在秦岭地区所得结果相同，即土壤全钾含量与土层深度无关[2,24,26]，这可能与研究区域土壤全钾含量高有关，高背景值弱化了森林生长对土壤全钾变化产生的影响.关于土壤有机碳与全钾的相关性也没有统一的规律[2,5]，本研究认为森林土壤与全钾呈弱负相关，与魏强等[27]研究结果相同.

4 结论

1) 3种林分土壤容重均随土层加深而增大，总孔隙度与毛管孔隙度均随土层加深而下降；阔叶混交林与日本落叶松林土壤容重、总孔隙度及毛管孔相当，二者土壤容重大于锐齿栎林，总孔隙度与毛管孔小于后者.

2) 3种林分土壤pH随土层加深而上升，有机碳与全氮含量随土层加深而下降，全磷与全钾无明显垂向变化规律； pH为阔叶混交林(6.75)>锐齿栎林(6.14)>日本落叶松林(6.03)，有机碳与全氮均表现为锐齿栎林(19.8、1.82 g/kg)>日本落叶松林(14.2、1.26 g/kg)>阔叶混交林(9.54、0.72 g/kg)，磷与全钾则表现为日本落叶松林(0.413、26.63 g/kg)>阔叶混交林(0.360、23.67 g/kg)>锐齿栎林(0.247、22.96 g/kg).

3) 土壤C/N为阔叶混交林>日本落叶松林>锐齿栎林；3种林分土壤有机碳与全氮、总孔隙度及毛管孔隙度呈显著正相关关系，与容重呈显著负相关关系.

4) 综合分析3种林分类型土壤的固碳性能与土壤理化性质，锐齿栎林为小陇山林区较好的经营树种和经营模式.