土壤是植物群落更新演替過程的重要載體,而植物的出現和生長也影響著土壤的形成和發育。土壤物理性質是土壤蓄水保肥的基礎,并影響著林木對養分的吸收利用。土壤養分含量的多少是評價土壤肥力水平的重要指標,影響著物種多樣性和植被的生長,其中碳、氮、磷元素作為土壤養分循環的核心驅動著其他養分元素的循環與轉化。研究林分的土壤理化性質有助于了解林分的土壤質量狀況,為進一步實施合理的經營措施提供依據。
人工林在我國植被恢復和林業建設中有著重要的地位,其不僅具有顯著的水土保持功能,而且能明顯改善土壤肥力狀況。黃土高原子午嶺林區有較大面積的人工純林,在區域水土保持和經濟建設中發揮著巨大的生態作用。此前,有關該地區森林土壤性質的研究主要集中在不同植被類型土壤水分和土壤氮素的變化特征、不同植被恢復階段土壤有機碳和土壤養分的特征、人工林和天然林養分循環以及植物葉片和土壤養分庫的變化規律等方面,也有研究探討了土壤水分、肥力與生物量的關系。而針對該地區不同發育階段人工林土壤理化性質的研究還相對較少,僅見耿增超等研究了陜西耀縣油松人工林土壤養分和化學性質的時空效應,但黃土高原地區地理環境復雜,區域間差異性較大,針對甘肅子午嶺林區不同發育階段人工林土壤理化性質的變化規律也有待研究。
油松是黃土高原地區人工林建設的主要樹種之一,同時也是子午嶺林區重要的造林樹種。本研究對甘肅省子午嶺林區中灣林場10~50年生油松人工林發育過程中土壤理化性質的變化情況進行了調查,旨在了解油松人工林在發育過程中土壤理化性質的動態變化,為該地區油松人工林的合理經營提供理論依據。
1、研究地概況
研究地位于黃土高原中部子午嶺林區南段的甘肅省正寧縣中灣林 場 \\(108°27′E,35°17′N\\),海拔1 246~1 756m,該區處于森林草原和半干旱草原的過渡區,氣候溫和濕潤,屬于溫帶半濕潤氣候類型,年均氣溫9.3 ℃,極端最高氣溫36.17 ℃,極端最低氣溫-27.17℃,≥10℃積溫2 645.3℃;年降水量588.2mm,年蒸發量1 228.3mm,相對濕度60%~70%,干燥度0.72,無霜期163d,年日照時數2 200~2 400h。油松人工林林下主要灌木有土莊繡線菊\\(Spiraea pubescens\\)、灰荀子\\(Cotoneasteracutifolius\\)、黃刺玫\\(Rosa xanthina\\)、胡枝子\\(Les-pedeza bicolor\\)、紅瑞木\\(Cornus alba\\)、虎榛子\\(Os-tryopsis davidiana\\)、茶條槭\\(Acer tataricum sub-sp.ginnala\\)、忍冬\\(Lonicera japonica\\)、衛矛\\(Eu-onymus alatus\\)、陜西莢蒾\\(Viburnum schensianum\\)和北京丁香\\(Syringapekinensis\\)等,草本層主要有披針苔草 \\(Carexlanceolata\\)、唐松草 \\(Thalictrumaquilegifolium\\)、糙蘇 \\(Phlomis umbrosa\\)、茜草\\(Rubia cordifolia\\)、卷葉黃精 \\(Polygonatum cir-rhifolium\\)、異葉敗醬\\(Patrinia heterophylla\\)和大火草\\(Anemone tomentosa\\)等。
2、研究方法
2.1樣地的選擇
2013-08在甘肅省正寧縣中灣林場設置油松人工林樣地并進行土壤理化性質的調查,油松人工林的林齡根據當地造林記錄并結合樣芯年輪數確定。
根據立地條件相似的原則,設置油松人工林標準樣地12塊,每塊面積20m×20m。人工林林齡分別是10年\\(幼齡林\\)、23年\\(中齡林\\)、32年\\(近熟林\\)和50年\\(成熟林\\),4種林齡的油松人工林地造林前均是坡耕地,且造林方式相同。另外在荒坡地設置3塊樣地,進行群落結構調查及土壤采集和分析。試驗樣地概況見表1。
2.2土樣的采集與測定
2.2.1土樣的采集在每個樣地內挖取3個土壤剖面,沿土壤剖面0~10,10~20和20~30cm分別用環刀取樣,測定土壤體積質量、含水量和毛管孔隙度。同時,在每個樣地內按“S”形設置9個采樣點,在0~10,10~20和20~30cm處用土鉆分層取樣,不同樣點間土樣分層混合后裝入布袋,風干后過篩,用于土壤pH及養分指標測定。
2.2.2 土壤理化性質的測算土壤物理性質計算公式分別為:
式中:m1為鋁盒和鮮土的總質量,m2為鋁盒和干土的總質量,m為鋁盒質量,V為鋁盒體積,土壤比重約為2.65g/cm3。土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定,土壤全氮采用凱氏定氮法測定,速效磷采用鉬銻抗比色法測定,速效鉀采用火焰光度法測定,硝態氮和銨態氮用AA3連續流動分析儀測定,pH采用電位法測定。
2.3數據處理
應用Excel 2003軟件對試驗數據進行處理,用SPSS18.0軟件進行單因素方差分析和相關性分析。
3、結果與分析
3.1不同發育階段油松人工林的土壤物理性質
土壤水分是土壤肥力的重要促動因素,體積質量和孔隙度分別是反映土壤松緊度、通透性的重要指標。由表2可知,荒坡和不同發育階段油松人工林的土壤含水量、孔隙度總體上隨著土壤深度的增加而減小,土壤體積質量則隨著土壤深度的增加而增大。方差分析結果表明,在中齡林、近熟林中,0~10cm土層土壤含水量顯著高于10~20和20~30cm土層,荒坡、幼齡林、成熟林各土層之間土壤含水量差異不顯著;在近熟林、成熟林,0~10cm土層土壤體積質量和孔隙度均顯著低于10~20和20~30cm土層,而荒坡、幼齡林、中齡林各土層土壤體積質量和孔隙度無顯著差異。
不同發育階段油松人工林各土層土壤含水量變化不明顯,變化幅度為3.35%;土壤體積質量隨著林齡 的增長,總體呈現下降的趨勢,變化幅度為9.38%;土壤孔隙度隨著林齡的增長逐步變大,變化幅度為14.2%。方差分析結果表明,不同發育階段林分各土層土壤含水量均無顯著差異;成熟林0~10和20~30cm土層的土壤體積質量、孔隙度與荒坡和其余各發育階段存在顯著差異。
3.2不同發育階段油松人工林的土壤化學性質
3.2.1 不同土層土壤化學性質的比較
由表3可以看出,荒坡和不同發育階段油松人工林的土壤有機質、全氮、速效鉀、銨態氮含量均隨采樣深度的增加而降低,土壤pH則隨采樣深度的增加而增大,速效磷、硝態氮含量隨采樣深度的增加無明顯變化規律。由方差分析結果可知,油松人工林發育到中齡林階段及以后,土壤有機質在各土層之間差異顯著,0~10cm土層土壤全氮、速效磷、速效鉀與10~20和20~30cm土層有顯著性差異,10~20cm與20~30cm土層之間則差異不顯著;幼齡林、中齡林在0~10cm土層硝態氮、銨態氮與10~20和20~30cm土層之間有顯著差異,10~20cm與20~30cm土層之間則無顯著差異;不同發育階段林分土壤pH在各土層間差異不顯著。
3.2.2 不同發育階段林分土壤化學性質的比較
由表3可知,不同發育階段油松人工林各土層土壤有機質、全氮含量均隨林齡的增長呈現上升趨勢,而土壤pH則表現出下降趨勢。在0~10cm土層,成熟林土壤有機質含量較荒坡、幼齡林分別提高了411.3%和142.5%,全氮含量較荒坡、幼齡林分別提高了325.0%和155.8%;在10~20cm土層,成熟林土壤有機質含量較荒坡、幼齡林分別提高了318.2%和123.9%,全氮含量較荒坡、幼齡林分別提高了224.1%和126.5%;在20~30cm土層,成熟林土壤有機質含量較荒坡、幼齡林分別提高了183.2%和140.8%,全氮含量較荒坡、幼齡林分別提高了175.5%和151.7%。
由方差分析結果可知,不同發育階段油松人工林土壤有機質、全氮含量在各土層的差異均達到顯著水平,成熟林高于其他發育階段,荒坡最低;土壤速效磷含量在0~10cm土層表現為成熟林顯著高于荒坡和其他各發育階段,在10~20和20~30cm土層各發育階段間差異不顯著;在中齡林階段及以后,各土層土壤速效鉀含量均顯著高于荒坡和幼齡林;土壤硝態氮含量在各土層表現為成熟林顯著高于荒坡和其他各發育階段;不同發育階段油松人工林各土層土壤銨態氮含量均顯著高于荒坡,土壤pH均低于荒坡。
3.3油松人工林不同發育階段土壤理化性質的相關性
子午嶺林區不同發育階段油松人工林土壤主要理化性質的Pearson相關系數見表4。由表4可以看出,土壤有機質除與pH和土壤體積質量呈顯著負相關外,與其余各項指標均呈正相關,土壤pH除與土壤體積質量呈正相關外,與其余各項理化指標均呈負相關,說明土壤pH對土壤養分有一定的指示作用。土壤有機質、pH和全氮之間具有顯著相關性,其中有機質與全氮極顯著正相關,pH與有機質、全氮顯著負相關。土壤體積質量與有機質、全氮均呈顯著負相關,與土壤孔隙度呈極顯著負相關。
4、討論與結論
從本研究結果可以看出,油松人工林不同發育階段土壤體積質量逐漸下降,并且總體低于荒坡,土壤孔隙度逐漸增大,并且總體高于荒坡。與荒坡相比,油松人工林林木根系和枯枝落葉層的作用增加了油松林地土壤的疏松性、通氣性及透水性。成熟林土壤體積質量、孔隙度明顯優于荒坡和幼齡林,這與王宏星等和李曉東等的研究結果一致。隨著林齡的增長,林分地表凋落物不斷累積而增厚,土壤有機質也隨之增加,因此土壤體積質量和孔隙度得到明顯改善。
不同發育階段油松人工林土壤有機質、全氮隨土壤深度的增加而逐漸減小,具有明顯的表聚效應,這與程瑞梅等、劉鴻雁等、劉興詔等和耿玉清等的研究結果一致。土壤0~10cm土層受凋落物、土壤動物和微生物種群數量影響較大,生物殘體和有機養分產生量較多,生物固氮作用也較強,致使0~10cm土層有機質含量明顯高于下層,而全氮主要來源于凋落物的歸還,這導致氮素聚集在土壤表層,然后再隨水分或其他介質向下遷移。在幼齡林-中齡林階段,土壤有機質、全氮等營養元素的含量逐漸上升,這與王宏星等、耿增超等和李國雷等的研究結果一致。在中齡林-成熟林階段,土壤養分得到持續改善,這可能與子午嶺林區的氣候條件和管護措施有關,使林下植物能得以很好地生長和發育,進而增加了枯枝落葉層的儲量,為林下土壤養分的積累和富集提供了良好條件。
不同發育階段油松人工林土壤有機質與全氮含量之間表現出極顯著正相關性,土壤pH與有機質、全氮均表現出顯著負相關性,這與魏強等、張振國等的分析結果較為一致。隨著林分地表枯枝落葉層的大量增多,腐殖化作用逐步增強,表層土壤有機質含量相應逐漸提高,有機質的礦化和生物固氮作用逐步加強,土壤表層全氮含量也相應提高。
土壤酸堿性對土壤微生物的活性、礦物質和有機質的分解有重要作用,從而影響土壤養分元素的釋放、固定和遷移等,因此土壤pH值與有機質、全氮含量均表現出顯著相關性。
與荒坡地相比,子午嶺林區不同發育階段油松人工林土壤主要養分含量有所提高,從可持續發育的角度來看,該地區油松人工林能夠有效改善土壤理化性狀。這為今后對油松人工林進行近自然經營提供了理論基礎,同時,在黃土高原子午嶺地區油松人工林不同發育階段,應避免人為干擾對林分的破壞,確保林地土壤的可持續發展,以充分發揮油松人工林的生態效益。
參考文獻:
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