東北地區典型林型土壤的性狀特征

王 婷，黃功凱，李 豆，吳 迪

(東北林業大學 生命科學學院, 黑龍江 哈爾濱 150040)

作為地球上最重要的碳匯，森林對吸收溫室氣體、穩定大氣中碳氧的含量起著至關重要的作用[1]。有研究表明，北半球中高緯度森林植被是全球碳匯的重要承擔者，在減小碳收支不平衡中起著關鍵作用[2]。土壤是植被賴以生存的重要基礎，是植被所需營養元素的重要來源，土壤條件對植被生存具有極其重要的影響。在土壤生物化學過程中，土壤酶是積極的參與者。土壤酶活性高低能夠反映土壤養分，特別是碳、氮、磷轉化的強弱，能夠反映土壤生態系統代謝動力的強弱，是檢測土壤肥力水平高低的重要標志。土壤理化性質對土壤養分的存在形式、轉化方式、有效性等均具有極其重要的影響[3]。

土壤狀態也受到植被類型、年齡、構成等的影響。研究發現，純林，特別是針葉樹純林，具有層次單一、結構簡單、抗病蟲能力差等特征，會導致地力衰退[4]。經過“針葉化現象”的長期作用，土壤的理化性質和土壤酶活性必然會被改變，引起地力衰退。針葉樹和闊葉樹的枯枝落葉中化學成分背景存在差異，經過腐殖質化和礦物質化過程，形成不同的腐殖質類型；因此，混交林，特別是針闊葉混交林，可以促進土壤中營養物質的循環，改善土壤理化性質，提高土壤酶活性，維持并提高地力[5]。建立比人工純林更復雜、更穩定的混交林，更有利于維護生態環境。林木根部區域是林木與土壤進行物質交換的第一場所，根區土壤中養分元素的形態與數量能直觀地反映林木對養分元素吸收利用的情況[6]。本研究以我國東北地區典型林型中具有代表性的長白落葉松純林及其針闊混交林為對象，研究其生長時期土壤理化性質、土壤酶活性的動態變化，研究結果可為今后溫帶-亞寒帶地區人工生態林的大面積種植提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

研究地點為東北林業大學帽兒山林場尖砬溝森林培育實驗站(127°30′～127°34′E，45°21′～45°25′N)，該實驗站的人工林系全球同緯度地區唯一一家實驗林場。研究區海拔136～140 m，林場面積48.83 hm2，土壤類型為暗棕壤。研究區屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫2.8 ℃，年均降水量723 mm。該實驗林場始建于20世紀50年代，東北林區十幾個主要造林樹種在此均有種植，包括紅皮云杉(Piceakoraiensis)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、白樺(Betulaplatyphylla)、長白落葉松(Larixolgensis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、黑皮油松(Pinustabulaeformisvar.mukdensis)、黃菠蘿(Phellodendronamurense)等[7]。試驗選取1986年春營建的試驗林型——長白落葉松純林、胡桃楸和長白落葉松混交林、水曲柳和長白落葉松混交林等3種試驗林型進行研究，混交方式為帶狀混交，各試驗林型之間被次生林間隔[8]。

1.2 土樣采集

于2014年5—10月取上述3種林型的5種林下[長白落葉松純林，LO；胡桃楸(胡桃楸-長白落葉松混交林)，JMLO；長白落葉松(胡桃楸-長白落葉松混交林)，LOJM；水曲柳(水曲柳-長白落葉松混交林)，FMLO；長白落葉松(水曲柳-長白落葉松混交林)，LOFM]土壤。每種林型隨機選取標準地3塊，設為3次重復，每個重復10點取樣，采集0～10 cm土層的土壤樣品，帶回實驗室自然風干，除去石塊與植物殘體等，用于測定土壤理化性質和酶活性等。

1.3 測定指標與方法

土壤全氮用半微量凱氏法測定，堿解氮采用擴散吸收法測定，全磷用鉬銻抗比色法測定[9]。總碳利用總有機碳分析儀(Vario TOC analyzer，德國)進行測定。土壤蔗糖酶、過氧化氫酶和脲酶活性分別采用3,5-二硝基水楊酸比色法、KMnO4滴定法和苯酚鈉比色法[10]進行測定。

1.4 數據處理

采用SPSS 16.0軟件進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 各林型土壤氮素含量

土壤全氮是衡量土壤質量的重要指標，是陸地生態系統中土壤氮庫的重要組成部分[11]。土壤全氮的微小變化就可能促使生態系統發生氮“匯-源”之間的轉變[12]。如表1所示，不同林型的土壤全氮含量在不同月份間波動。除7月以外，5—10月不同林型間土壤全氮含量差異均達到顯著水平。整體來看，長白落葉松混交林土壤(LOJM或LOFM)全氮含量高于其純林(LO)，尤其是在8月時差異達顯著水平。

表1 不同月份各林型土壤全氮含量 mg·g-1

注：同列數據后無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。表2～4同。

堿解氮在土壤中的含量相對不穩定，但是能夠反映出近期土壤的氮素供應能力[13]。如表2所示，不同林型的土壤堿解氮含量在不同月份間波動，總體表現為8—9月土壤堿解氮含量處于較高水平。長白落葉松與水曲柳混交后(LOFM)，8—9月土壤堿解氮顯著高于同一時期純林土壤(LO)堿解氮含量，說明混交相較純林可提高土壤中堿解氮的含量。

表2 不同月份各林型土壤堿解氮含量 mg·kg-1

2.2 各林型土壤全磷含量

土壤全磷量是土壤中各種形式磷素的總和，是評價土壤磷素供應狀況的重要指標。如表3所示，各林型土壤全磷僅8—10月間呈顯著差異。8月，胡桃楸-長白落葉松混交林的長白落葉松下土壤(LOJM)全磷含量顯著高于純林；9月，長白落葉松混交林和純林下土壤全磷含量無顯著差異；10月，長白落葉松純林下土壤全磷含量顯著高于混交林。

2.3 各林型土壤總碳含量

土壤總碳是衡量土壤肥力水平的一個重要指標。如表4所示，不同月份各林型土壤總碳含量均呈顯著差異。整體來看，8—9月土壤總碳含量處于較高水平。長白落葉松與水曲柳混交后土壤(LOFM)總碳含量整體高于純林。8月，長白落葉松與胡桃楸、水曲柳混交后的長白落葉松下土壤(LOJM、LOFM)總碳含量均顯著高于長白落葉松純林土壤。

表3 不同月份各林型土壤全磷含量 mg·g-1

表4 不同月份各林型土壤總碳含量 mg·g-1

2.4 各林型土壤酶活

土壤酶主要來自動植物與微生物的活體或殘體的分泌和釋放，對土壤養分循環至關重要[14]。土壤蔗糖酶能夠將碳水化合物水解產生的糖類進一步分解成單糖，含量越高，土壤活力越強[15]。從圖1可以看出，蔗糖酶活性隨月份變化波動較小。8、10月土壤蔗糖酶活性略低于其他月份。整體來看，土壤蔗糖酶活性表現為長白落葉松混交林高于其純林。脲酶在土壤有機氮的分解轉化中具有重要作用[16]。本研究中，脲酶活性隨月份變化呈現先上升后降低的趨勢，各林型土壤脲酶活性在8月份達最高，且長白落葉松混交林土壤脲酶活性高于其純林。土壤過氧化氫酶可以促進土壤中過氧化氫分解，防止其毒害生物體[17]。本研究結果顯示，長白落葉松與胡桃楸混交后，除6、8月外，其余各月土壤過氧化氫酶活性均高于其純林，而與水曲柳混交后，各月土壤過氧化氫酶活性略低于純林。

圖1 不同月份各林型土壤酶活性變化

3 小結與討論

森林土壤作為森林生態系統中最為重要的碳、氮存儲庫，對維持大氣中溫室氣體的平衡有著極其重要的作用[18]。

土壤是影響植物群落生存、結構和功能的重要環境因子之一[16]。研究結果表明，針葉樹純林層次單一，結構簡單，長期采取單一樹種的純林種植模式，會導致地力衰退，森林生產力下降[19]。混交林較純林能夠增加林地空間結構多樣性，維持生態穩定[20]。本研究中，長白落葉松與闊葉林(胡桃楸或水曲柳)混交后土壤理化性質及土壤酶活性在生長季節整體表現最佳，說明長白落葉松與闊葉林混交優越性較為明顯，可有效改善長白落葉松純林的不良生態特性，有效增加土壤養分，促進林地養分的良性循環。李國平等[21]比較了桉樹與針闊混交林對土壤理化性質的影響，發現桉樹純林的土壤全氮、全磷、有機質等理化指標要小于針闊葉混交林，土壤肥力較針闊葉混交林差，與本研究結果基本一致。鑒于針闊混交林在土壤改良方面的積極作用，在實際人工林的建設中建立比人工純林更復雜、更穩定的混交林，能夠促進土壤營養成分的良性循環，增加森林生產力，取得更好的生態效益。

參考文獻：

[1] 胡海清, 羅碧珍, 魏書精,等. 大興安嶺5種典型林型森林生物碳儲量[J]. 生態學報, 2015, 35(17):5745-5760.

[2] 李飛. 中國北方主要森林樹種生物量格局的研究[D]. 北京：華北電力大學, 2010.

[3] 漆良華, 張旭東, 孫啟祥, 等. 土壤-植被系統及其對土壤健康的影響[J]. 世界林業研究, 2007, 20(3): 1-8.

[4] 陳永亮, 李傳榮. 紅松水曲柳純林與混交林土壤水分性質分析[J]. 水土保持通報, 2011, 31(3):85-87.

[5] 王慶成, 王春麗. 落葉松純林與水曲柳落葉松混交林土壤理化性質分析[J]. 東北林業大學學報, 1994(6):24-29.

[6] 張彥東, 白尚斌, 王政權,等. 落葉松根際土壤磷的有效性研究[J]. 應用生態學報, 2001, 12(1):31-34.

[7] 劉程麗, 郭璇璇, 牛涵,等. 東北4種人工林土壤碳代謝微生物多樣性特征[J]. 福建林業科技, 2016, 43(1):14-19.

[8] 吳迪, 張萌萌, 張鈺瑩,等. 帽兒山針闊混交林及純林土壤碳代謝微生物群落特征研究[J]. 南京林業大學學報(自然科學版), 2017, 41(2):81-89.

[9] 魯如坤.土壤農業化學分析方法[M].北京: 中國農業科技出版社, 2000.

[10] 鮑士旦. 土壤農化分析[M].北京: 中國農業出版社, 2005.

[11] TAN Z, LAL R. Carbon sequestration potential estimates with changes in land use and tillage practice in Ohio, USA[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2005, 111(1):140-152.

[12] HOLLAND E A, GUENTHER A, LEE-TAYLOR J, et al. U.S. nitrogen science plan focuses collaborative efforts[J]. Eos Transactions American Geophysical Union, 2005, 86(27):253-256.

[13] 魏江生, 周梅, 趙鵬武,等. 興安落葉松林型對土壤氮素含量的影響[J]. 干旱區資源與環境, 2014, 28(7):127-132.

[14] 張旭龍, 馬淼, 吳振振,等. 不同油葵品種對鹽堿地根際土壤酶活性及微生物群落功能多樣性的影響[J]. 生態學報, 2017, 37(5):1659-1666.

[15] 吳麗云, 曹幫華, 黃彥新,等. 濱海鹽堿地刺槐臭椿混交林土壤酶活性季節動態研究[J]. 林業科學研究, 2010, 23(6):889-894.

[16] 時偉偉, 彭晚霞, 宋同清,等. 不同林齡尾巨桉人工林土壤養分與微生物的耦合關系[J]. 西北植物學報, 2013, 33(7):1452-1458.

[17] 劉春生, 楊守祥. 農業化學分析[M]. 北京: 中國農業大學出版社, 1996.

[18] THOMPSON J A, KOLKA R K. Soil carbon storage estimation in a forested watershed using quantitative soil-landscape modeling[J]. Soil Science Society of America Journal, 2005, 69(4):1086-1093.

[19] 房君生. 淺談針葉人工純林的弊端及其應對措施[J]. 中國新技術新產品, 2011(3):360.

[20] 陳亞南, 楊華, 馬士友, 等. 長白山2種針闊混交林空間結構多樣性研究[J]. 北京林業大學學報, 2015, 37(12):48-58.

[21] 李國平, 張衛強, 張衛華,等. 桉樹林和針闊混交林對土壤理化性質的影響比較[J]. 廣東農業科學, 2014, 41(20):67-74.