人工林土壤質量的演變和樹木生長、有機物的組成以及生物化學過程有著密切的關系,對于不同樹種來說,由于其生物學特征的差異,必然導致其生長下土壤肥力的變化。同時,人工林是在人為控制下形成的一個特殊的生物群落,其結構簡單、植物種類相對單一,是一個非常不穩定的生態系統,并且樹木生長過程中對養分需求大,受人為活動影響深,極易造成林地土壤質量的變化,如林地土壤肥力下降,土壤理化性質發生退化,從而導致林木生產能力的下降等諸多問題。諸多研究結果表明,人工林作為一種人為強度干擾的人工生態系統,其核心問題之一就是關于土壤演化\\(土壤肥力的、生物的、物理的和化學的特性\\)和育林實踐\\(樹種經營類型、育林的集約或粗放性質\\) 的關系,并認為"針葉樹與闊葉樹不同,它給土壤帶來消極影響"。為進一步探討針葉樹、闊葉樹種人工造林對土壤養分影響的差異,文中在2011 年對相同立地條件下\\(草甸栗鈣土\\) ,30a 林齡興安楊、華北落葉松人工林土壤養分含量的變化進行了對比研究,并試圖探討相同立地條件下不同的針闊葉樹種人工林給土壤養分特征帶來怎樣的影響。
1、 試驗設計與研究方法
1. 1 研究地區概況
研究地位于內蒙古渾善達克沙地多倫縣一家河牧場。地理坐標為東經 116°34'05″ ~116°34'7″,北緯42°21'10″ ~ 42°21'11″。該區域氣候屬我國東部季風和中溫帶半干旱向半濕潤過渡地區的大陸性氣候。年平均氣溫1. 6℃,年極端最高氣溫35. 4℃,年極端最低氣溫 -39. 8℃; ≥10℃的有效積溫1970℃,無霜期95d。年平均降水量為 386. 2mm,年平均相對濕度為 62% ; 年平均蒸發量為 1761. 0mm。年平均風速為 3.6m /s,年大風日數為 69. 8d,最大風速為 24m / s。除夏季出現偏東偏南風外,其他季節盛行西北風或西風。
年日照數為 3142. 7h,年太陽總輻射量為 5899MJ/m2。地帶性土壤類型為栗鈣土。天然植被主要建群和優勢植物有羊草\\(Leymus chinensis\\(Tirn. \\) Tzvel\\) 、大針茅\\(Stipa grandis P. Smim. \\) 、克氏針茅\\(Stipa sarep-tana var. krylovii\\(Roshev\\) P. C. \\) 、糙隱子草 \\(Cleistogenes squarrosa \\(trin. \\) Keng\\) 、冰草 \\(Agropyron cristatum\\(L\\) Gaertn. \\) 、百里香\\(Thymus mongolicus Ronn\\) 等。
1. 2 材料與方法
1. 2. 1 樣地設置
研究地位于多倫縣一家河牧場內兩片相鄰的人工林,土地平坦,土壤類型為草甸栗鈣土,土壤本底養分含量\\(表 1\\) 。
每個樹種人工林地塊規模為 140m ×60m,造林密度均為 2m ×2m,造林時間為 1981 年,林齡 30a。其中,林地西側為楊樹人工純林,樹種為興安楊\\(Populushsinganica C. Wanget Skv. \\) ,郁比度 0. 6; 林地東側為落葉松人工純林,樹種為華北落葉松\\(Larix principis - rupprechtii\\) ,郁比度 0. 7。在采集土壤樣本時測定林地內枯落物厚度和樹木胸徑\\(表 2\\) 。
1. 2. 2 取樣與分析測定
2011 年 6 月,在不同樹種的林地內 3 個不同位置\\(表 2\\) 選擇 10m × 5m 樣地,并根據樹木根系集中分布深度特征,采集 0 -5cm、5 -20cm、20 -40cm 和 40 -60cm 土層的土壤樣本,分別裝入自封袋中,帶回室內,風干備用。土壤養分測定參考《土壤理化分析》一書中的常規方法進行,3 個樣地測定結果平均值作為分析結果。
有機質或活性有機質采用重鉻酸鉀法測定,其中,活性有機質也稱易分解的有機質,因此測定活性有機質時,可以直接進行濃硫酸處理,自然冷卻后測定有機質含量。全氮采用凱氏定氮法測定,速效氮采用擴散吸收法測定,全磷采用高氯酸 - 硫酸酸溶鉬銻抗比色法測定,速效磷采用碳酸氫鈉法測定; 全鉀和速效鉀測定采用火焰光度法測定,土壤 PH 值采用酸度計法測定。
2、 結果與分析
2. 1 落葉松、興安楊人工林土壤有機質含量的對比分析
土壤有機質是表征土壤肥力水平的最重要指標,其含量的多少和植被類型、地理氣候區域、枯落物分解礦化特征等有著密切關系。從表 3 中可以看出,不同樹種相同土壤層間土壤有機質、活性有機質\\(0 -5cm 土層除外\\) 含量存在明顯差異。但是相同樹種不同土層間土壤有機質和活性有機質含量變化特征不同,落葉松人工林不同土層間土壤有機質和活性有機質含量的變化差異不顯著,而興安楊人工林 0 -5cm土層和其它土層土壤有機質和活性有機質含量變化差異顯著,但其它土層間土壤有機質和活性有機質含量變化差異不顯著。
另外,從不同樹種相同土壤層間土壤有機質含量變化特征看,興安楊人工林 0 -5cm 土層土壤有機質含量比落葉松人工林高68. 8%,而5 -20cm、20 -40cm 和40 -60cm 土層土壤有機質含量則分別比落葉松人工林低 27. 5%、22. 8%和 33. 4%,說明興安楊人工林土壤有機質的變化表聚性明顯,而落葉松人工林更容易導致 5cm 以下土層土壤有機質含量的增加。
從不同樹種相同土壤層間土壤活性有機質含量變化特征看,兩樹種 0 -5cm 土層土壤活性有機質含量差異不顯著,但是 5cm 以下土層土壤活性有機質含量的差異顯著,并且落葉松人工林 5 -20cm 土層、20- 40cm 土層和 40 - 60cm 土層土壤活性有機質含量分別比興安楊人工林高 35. 3% 、38. 8% 和 45. 9% 。
事實上,興安楊作為落葉闊葉樹種,其枯落物年分解率 90% 以上,但是由于楊樹落葉容易被牲畜采食,而實際積累量和分解歸還量都受到影響,所以興安楊 0 -5cm 土層有機質含量表聚性明顯。而落葉松作為落葉針葉樹種,其枯落物分解非常緩慢,枯落物積累量明顯,并且半分解層水溶性物質中腐殖質碳含量比新枯落物層增加 10. 7 倍,隨著淋溶作用,腐殖質碳逐漸入滲到更深土層,從而增加 5cm 以下土層有機質及活性有機質含量。
2. 2 落葉松、興安楊人工林土壤全量養分含量的對比分析
土壤全氮、全磷、全鉀等全量養分是土壤養分變化比較緩慢的指標,但是,隨著人工林年齡的增加,土壤全氮、全磷、全鉀等養分含量也會發生一些明顯的變化。從表 4 中看出,不同土層不同樹種土壤全磷含量差異不明顯,但是不同樹種相同土層\\(40 - 60cm 土層除外\\) 土壤全鉀含量差異顯著; 不同樹種 0 - 5cm土層全氮含量差異顯著,而 5cm 以下土層全氮含量差異不顯著。另外,從相同樹種,不同土層全量養分含量變化看,雖然隨著土層深度增加各土層全氮、全磷、全鉀等含量呈現出總體降低的趨勢,并且,表層 0 -5cm 土層全氮、全磷含量最高,但是不同土層間相比,這種差異并不顯著。進一步說明土壤全氮、全磷、全鉀等全量養分變化比較緩慢的客觀事實。
從土壤全鉀含量變化特征看,落葉松人工林全鉀含量明顯高于興安楊人工林,并且落葉松人工林 0 -5cm、5 - 20cm 和 20 - 40cm 土層全鉀含量分別比興安楊人工林相應的土層高 30. 9% 、35. 4% 和 31. 6% 。興安楊人工林 0 - 5cm 土層全氮含量比落葉松人工林高 55. 1%。
事實上,根據金小麒研究,落葉松枯落物礦物質元素含量新葉層含氮 1. 072%,含磷 0. 088%,含鉀0. 343% ; 半分解層含氮 1. 133% ,含磷,0. 102% ,含鉀 0. 608% ,而董彬等研究表明[9],楊樹葉含氮 0.589% ,含磷 0. 023% ,含鉀 0. 246% 。郭晉平等研究認為,華北落葉松林凋落葉分解過程中氮素的年動態總體上屬于富集過程,鉀素表現為持續下降過程并以淋溶釋放過程為主,不出現富集過程。說明落葉松枯落物在林地內積累和分解過程中新葉層到半分解層過度期間有利于土壤全鉀養分含量的增加,而楊樹枯落物因牲畜采食而被利用,向土壤中釋放的養分數量受到限制,不利于 5cm 以下土層全氮全鉀養分含量的增加。
2. 3 落葉松、興安楊人工林土壤速效養分含量的對比分析
土壤速效性養分是土壤養分含量變化最為顯著的指標,并且和植物生長特征、生長季節等有密切關系,從某種程度講,有多種因素影響著土壤速效性養分含量的變化。從表 5 中可以看出,兩樹種土壤速效氮、磷、鉀含量的表聚性明顯,并且隨著土層深度增加速效氮、磷、鉀含量降低趨勢顯著。
另外,從相同土層不同樹種速效氮、磷、鉀含量變化特征看,0 -5cm 土層速效氮、磷、鉀含量差異顯著,5 - 20cm 土層速效磷、鉀含量差異顯著,20 - 40cm 土層速效鉀含量差異顯著,其他土層速效氮、磷、鉀含量變化差異不明顯。此外,興安楊人工林 0 -5cm 土層速效氮、速效磷和速效鉀含量分別比落葉松人工林高 25. 6%、33.0% 和 41. 0% ; 興安楊人工林 5 - 20cm 土層速效磷、鉀含量分別比落葉松人工林高 36. 0% 和 65. 6% ; 興安楊人工林 20 -40cm 土層速效鉀含量比落葉松人工林高 39. 9%。說明興安楊闊葉樹種更有利于土壤速效氮、速效磷和速效鉀養分含量的增加。興安楊闊葉枯落物盡管儲量少,但分解速度快,而落葉松針葉枯落物盡管分解緩慢,但積累量大,對增加 0 -5cm 土層速效氮、磷、鉀含量影響同樣顯著,反映出林地枯落物積累和分解礦化作用對速效性養分含量的顯著影響。
此外,從相同樹種不同土層速效氮、磷、鉀含量的變化特征看,落葉松人工林 0 -5cm 土層速效氮、速效磷和速效鉀含量分別比下層土壤高 44. 8% -61. 3%、8. 8% -26. 6%和 58. 4% -75. 1%; 興安楊人工林0 - 5cm 土層速效氮、速效磷和速效鉀含量分別比下層土壤高 54. 6% - 62. 7% 、16. 4% - 44. 8% 和 28. 7%- 81. 0% 。
3、討論
人工純林作為一種人為強度干擾的人工生態系統,其地力衰退問題受到相關研究者普遍關注,并認為"針葉樹與闊葉樹不同,它給土壤帶來消極影響" \\(Yves Biroe\\) ,或者說人工針葉林更容易造成土壤肥力衰退。事實上關于落葉松人工林肥力變化問題,劉世榮、陳立新、趙淑蘋、閆德仁等進行了比較系統的研究,認為大面積營造落葉松人工林存在地力衰退、并影響二代林生長。林田苗等對內蒙古草原華北落葉松人工林生態特性研究表明,土壤肥力退化與植物群落受干擾的程度密切相關。劉春延研究了塞罕壩地區華北落葉松人工林土壤水肥變化規律,表明荒山各土層的有機質含量均高于有林地,并發現隨林木成熟期的接近,林地速效氮含量整體下降明顯,林地存在土壤酸化、地力衰退現象。但萬景利等研究了草原人工林地潛在的地力變化問題,表明楊樹、落葉松人工林下并沒有地力衰退的跡象。謝會成等研究了華北落葉松人工林營養元素的生物循環過程,認為秦嶺南坡華北落葉松人工林對營養元素的利用效率較高,不會因過度消耗土壤營養元素而使土壤肥力降低。
綜上所述,盡管落葉松人工林地力衰退是不爭的事實,但是落葉松屬于耐瘠薄的樹種,少量營養元素即能滿足生長的需要。而在草原地區由于受到特定環境影響,土壤養分本底含量就很低,加之林地內枯落物利用程度及其儲量不同,在相同立地條件下營造楊樹闊葉林和落葉松針葉林并不能完全確定兩樹種是否存在肥力顯著差異的問題。從文中在多倫研究樣地的測定結果看,由于半干旱區土壤本底 pH 值較高,營造落葉松人工林并沒用導致土壤變酸的趨勢,與以往認為針葉樹有使土壤酸化的結果不一致。而且,不同土層養分含量變化因樹種差異而表現出不同的變化特征,這種差異主要和林地枯落物儲量、牲畜采食及其半分解層的分解過程的差異有關。落葉松作為落葉針葉樹種,其枯落物分解作用非常緩慢,使養分吸收與實際歸還量不協調,導致 0 -5cm 土層土壤有機質、全氮、速效氮、速效磷含量顯著低于楊樹,但是 0- 5cm 土層以下土壤有機質含量變化則呈現相反的趨勢,說明不同樹種的枯落物儲量及其半分解層的分解速度對不同土層養分含量的影響作用不同。
此外,根據孫景波等研究,認為不同的樹種枯落物在分解過程中,闊葉樹種的氮磷鉀營養元素釋放率大于針葉樹種。但是,由于林地內枯落物儲量及其被利用程度\\(牲畜采食\\) 的差異,闊葉樹和針葉樹林地內枯落物實際養分歸還量未必一定就表現出上述特征,即枯落物釋放養分絕對量和林地內枯落物儲量和保存時間有密切關系。所以,文中綜合土壤養分含量的測定結果,認為在相同立地條件下營造楊樹闊葉林對 0 -5cm 土層養分\\(全鉀、速效鉀除外\\) 含量的提高更有利,而營造落葉松針葉林更有利于增加土壤全鉀養分的含量?；蛘哒f,從養分含量的整體變化趨勢看,在相同立地條件下營造楊樹闊葉林比落葉松針葉林更有利于改善表層\\(0 -5cm\\) 土壤養分狀況,對 5cm 及以下土層養分含量增加并不明顯,而落葉松針葉林由于林地內枯落物儲量大且長期覆蓋土壤表面,對 5cm 及以下土層有機質和全鉀含量增加更有利。
4、 結論
\\(1\\) 不同樹種相同土壤層間土壤有機質、活性有機質\\(0 -5cm 土層除外\\) 含量存在明顯差異。而興安楊人工林 0 -5cm 土層和其它土層土壤有機質和活性有機質含量變化差異顯著。兩樹種 5cm 以下土層土壤活性有機質含量的差異顯著,并且落葉松人工林 5 -20cm 土層、20 -40cm 土層和 40 -60cm 土層土壤活性有機質含量分別比興安楊人工林高 35. 3%、38. 8%和 45. 9%。
\\(2\\) 不同樹種相同土層\\(40 -60cm 土層除外\\) 土壤全鉀含量差異顯著,不同樹種 0 -5cm 土層全氮含量差異顯著,但是不同土層不同樹種土壤全磷含量差異不明顯。落葉松人工林 0 -5cm、5 -20cm 和 20 -40cm 土層全鉀含量分別比興安楊人工林相應的土層高 30. 9% 、35. 4% 和 31. 6% 。興安楊人工林 0 - 5cm土層全氮含量比落葉松人工林高 55. 1%。
\\(3\\) 兩樹種土壤速效氮、磷、鉀含量的表聚性明顯,并且隨著土層深度增加速效氮、磷、鉀含量降低趨勢顯著。興安楊人工林 0 -5cm 土層速效氮、速效磷和速效鉀含量分別比落葉松人工林高 25. 6%、33. 0%和 41. 0%。落葉松人工林0 -5cm 土層速效氮、速效磷和速效鉀含量分別比下層土壤高 44. 8% -61. 3%、8. 8% - 26. 6% 和 58. 4% - 75. 1% ; 興安楊人工林 0 - 5cm 土層速效氮、速效磷和速效鉀含量分別比下層土壤高 54. 6% -62. 7%、16. 4% -44. 8%和 28. 7% -81. 0%。
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