楊樹不同林分密度和林分結構對土壤理化性質的影響

馬亞峰， 侯 銀， 張煥朝

(南京林業大學林學院，江蘇南京 210037)

我國是楊樹產業大國[1]，楊樹資源分布、品種數量及其人工林面積都處于世界領先地位，隨著國家天然林保護工程的實施，人工林木材的利用己成為解決木材供需矛盾的重要途徑[2]。楊樹產業的發展，有效緩解了我國用材供應的緊張狀況，改善了我國森林資源結構。然而，長期以來人工林的經營目標只是最大限度地獲取木材，對林下生物多樣性的生態功能考慮甚少，人工林生產力下降、樹種單一、林分結構簡單或不合理，導致生物多樣性銳減、地力衰退等諸多問題，嚴重影響了人工林的可持續經營[3-4]。

土壤作為森林生態系統中生命活動的主要場所，為林木的生長提供養分，是森林生態系統營養元素轉化的重要樞紐，其生產力水平直接決定著森林的生物產量和功能的發揮[5]。研究表明，營林措施對人工林的發展有很大的影響，其中混交林能夠增加林地生物物種的多樣性，提高林地養分水平和生產力，改善林分養分狀況，從而能有效改良土壤，提高林分結構穩定性，從根本上改善林分的生態環境[6]；林分密度除了對土壤性質、養分循環等有顯著影響外，還參與林地生態系統的諸多方面[7-8]。通過選擇合理的林分密度或合適的樹種與楊樹混交，可以達到改善土壤結構，提高生物產量的目標。

土壤理化性質制約著土壤的肥力水平，與植物群落的組成結構和植物多樣性有著密切的關系[9]。土壤理化性質無論在時間上還是空間上都呈現異質性分布的特征[10]。因此，研究不同林分結構下土壤的理化性質對詳細了解森林生態系統的生產力、養分循環等內容有著重要的意義。筆者通過對3種林分密度的楊樹人工林、楊樹紫荊人工混交林土壤理化性質的測定，探究不同林分密度和林分結構下土壤理化性質變化的情況，分析林分密度和林分結構對土壤性質和土壤質量的影響，以期找到提高楊樹人工林生產力最適宜的林分栽植模式，為今后楊樹人工林的合理經營和管理提供理論指導和科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

不同林分密度的楊樹林試驗地位于江蘇省泗洪陳圩林場(地理位置：35°15′N，118°18′E)，屬東亞季風區，四季分明；年均氣溫14.6 ℃，年均降水量960.4 mm，主要集中在7、8月份；土壤質地為黏壤土，結構良好。試驗材料為南林-895楊無性系(Populus×euramericanacv.“Nanlin-895”)，造林時間為2007年，造林面積為12 hm2。

楊樹混交林試驗地位于鹽城射陽林場(地理位置：33°37′N，120°24′E)，屬季風氣候區，夏季炎熱，冬季較冷；年均氣溫13.8 ℃，年均降水量1 000.2 mm，受季風氣候影響，雨量季節分布不均，夏季降水集中，冬季降水較少；土壤質地為沙壤土。其中純林樹種為南林-95楊無性系(Populus×euramericanacv. “Nanlin-95”)，混交林樹種為南林-95楊無性系與紫荊(CercischinensisBunge)(1 ∶1行間混交)，造林時間為2006年，造林面積為12 hm2。

1.2 試驗設計

1.2.1 樣地選取 陳圩林場管轄區域中，選取3種不同林分密度、相同樹齡的楊樹人工林作為試驗樣地，造林株行距分別為6 m×6 m、5 m×5 m、3 m×8 m。試驗地林分基本情況見表1。在射陽林場中選取了楊樹純林、楊樹×紫荊混交林2種人工林作為試驗樣地。

1.2.2 土壤樣品采集與處理 土壤樣品采集于2012年2月(冬)和8月(夏)。土壤樣品的采集用多點混勻法。每塊試驗地作為一個大區，每個大區劃分為3個小區作為3次重復。每個小區采樣規則一致，按照“S”形樣點分布采集3～5個點，混勻后作為小區樣品。根據人工林土壤剖面劃分標準及所栽植樹齡樹種的根系扎根深度，避免枯枝落葉層的干擾，取樣深度為0～10 cm(上層)、10～20 cm(中層)、20～40 cm(下層)，每個樣點分別采集袋裝土和環刀土。采集土樣時，避開樹的根系和小區的邊緣部分。采集土樣后，將袋裝土和環刀土帶回實驗室，其中袋裝土經過風干、磨碎供土壤pH值、有機質含量、全氮含量等指標的測定；環刀土供土壤容重、孔隙度的測定。

表1 不同林分密度試驗地林分概況

1.3 測定指標與方法

土壤物理性質主要測定指標及方法：土壤容重、孔隙度采用環刀法。

土壤化學性質主要測定指標及方法：土壤pH值采用電位法；有機質含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；全氮含量采用半微量凱氏法；水解氮含量采用堿解擴散法；速效磷含量采用鉬銻抗比色法；速效鉀含量采用火焰光度法。

上述具體測定方法參考《森林土壤實驗教程》[11]和《土壤農化分析》[12]。

1.4 數據分析

數據采用Excel 2003與SPSS 19.0進行相應的統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同林分密度和林分結構對土壤物理性質的影響

林分密度和林分結構不同，土壤物理性質有所差異(圖1和圖2)。不同林分密度和林分結構土壤容重均從表層向下逐漸增大，孔隙度均從表層向下逐漸減小。說明表層土壤疏松，土壤通氣性、透水性良好。這主要與林地表層枯枝落葉的積累與分解有關。不同季節，3種林分密度及林分混交林土壤容重均表現為冬季大于夏季，孔隙度均表現為夏季大于冬季，這主要是因為夏季溫度適宜，促進了土壤動物或微生物的活動，從而提高了土壤的通透性，改善了土壤的結構。

不同林分密度下，土壤容重在上、中層土層中冬季均表現為6 m×6 m>3 m×8 m>5 m×5 m，夏季均為3 m×8 m>5 m×5 m>6 m×6 m；不同林分密度的土壤孔隙度在3個土層中，冬季均表現為6 m×6 m>3 m×8 m>5 m×5 m，夏季表現為5 m×5 m>6 m×6 m>3 m×8 m，這說明在不同的季節，林分密度是影響土壤容重和孔隙度的一個重要因素，合理的林分密度或混交模式影響下會形成良好土壤結構，從而更好地供應植物生長。不同林分混交下，土壤容重純林>混交林；冬、夏兩季混交林土壤孔隙度較純林增加了1.23%～19.08%，表明采取混交措施在一定程度上能夠降低土壤容重，增加孔隙度。與純林比較，混交林增加了林分生態系統的多樣性以及凋落物的積累量，在凋落物分解過程中土壤得到了更好的改良。

2.2 不同林分結構對土壤化學性質的影響

2.2.1 土壤pH值的變化 pH值代表土壤的酸堿度，是土壤的重要化學指標之一。它對土壤養分的釋放、土壤礦物的轉化和土壤生物學性質有顯著影響。不同林分密度和林分結構土壤pH值變化在7.09～8.73，偏堿性，無明顯差異(圖3)， 這說明了林分密度和林分混交在改善土壤酸堿性方面作用不明顯。不同季節，3種林分密度及林分混交林地土壤pH值均為夏季小于冬季，這主要是因為夏季溫度適宜，植物根系生長代謝活動強，分泌大量酸類物質，導致pH值降低。土壤酸性的增加意味著土壤肥力得到提高，這有利于森林更新[13]。

2.2.2 土壤有機質和全氮含量的變化 土壤有機質是反映土壤肥力的主要指標之一，它是土壤中各種營養元素特別是氮、磷的重要來源，也是土壤微生物生長繁殖的能源物質，在改善土壤物理性質，提高土壤肥力和促進林木生長發育上起著重要作用。全國各地的大量資料分析結果表明，土壤有機質含量與土壤全氮量之間呈正相關[14]。由圖4、圖5可知，不同林分密度和林分結構土壤有機質、全氮含量均從表層向下降低，這主要與林地表層枯枝落葉的積累量有關。不同季節，林地土壤有機質、全氮含量夏季均高于冬季，且差異顯著(P<0.05)，說明夏季時期土壤更肥沃，能夠更好地供應植物生長所需要的養分。林分密度5 m×5 m和6 m×6 m林地表層土壤有機質和全氮含量均高于3 m×8 m，且5 m×5 m與 3 m×8 m這2種林分密度林地土壤有機質含量差異顯著(P<0.05)， 6 m×6 m與3 m×8 m這2種林分密度的土壤全氮含量差異顯著(P<0.05)。這說明5 m×5 m和6 m×6 m 這2種林分密度在提高林地肥力水平上更優于3 m×8 m林分密度。但是20～40 cm土層有機質和全氮含量差異并不顯著，說明隨著土層的加深，林分密度對土壤有機質和全氮含量的影響減弱。不同林分混交下，混交林林地表層土壤有機質和全氮含量均高于純林，且差異顯著(P<0.05)。數據分析表明，表層土壤有機質含量混交林比純林在冬季、夏季分別提高了57%、51%，這與混交林的生物多樣性及大量枯枝落葉凋落物的增加密切相關，同時也說明了混交模式下能大大提高土壤的肥力狀況。

2.2.3 土壤速效氮、有效磷和速效鉀含量的變化 土壤速效氮、有效磷、速效鉀是土壤中易被植物較快吸收利用的元素形態，其含量的高低是判斷土壤元素營養豐缺的重要指標。不同林分密度和林分結構下土壤速效氮、有效磷、速效鉀含量均隨著土壤土層深度的加深呈下降的趨勢(圖6、圖7、圖8)，這與有機質的變化趨勢是一致的，說明不同的林分密度和林分結構都能提高表層土壤肥力，使土壤能夠提供更多林木生長所需要的養分。在不同季節，3種有效養分的含量均表現出夏季高于冬季，且差異顯著(P<0.05)，主要原因可能是夏季大量有機質被分解，及時補充了土壤氮、磷、鉀營養庫。方差分析表明，不同林分密度下林地表層土壤速效氮、速效鉀含量均表現出林分密度 5 m×5 m高于其他2種林分密度，且差異顯著(P<0.05)。說明以5 m×5 m的林分密度模式栽植楊樹會在一定程度上提高有效養分氮、鉀的含量，且效果好于 3 m×8 m與6 m×6 m 2種林分密度。但是，0～20 cm土層冬季林地土壤有效磷含量呈現出了相反的趨勢：3 m×8 m>6 m×6 m>5 m×5 m，且差異顯著(P<0.05)。不同林分混交下，混交林中3種有效養分含量較純林增高，且差異顯著(P<0.05)。冬季，混交林林地表層土壤有效磷、速效鉀含量較純林分別提高4%、16%，夏季分別提高8%、41%。這說明在不同的季節，混交林在提高鉀含量的水平要強于提高磷含量的水平，這主要與鉀、磷2個元素存在的形態有關。

3 討論

森林類型不同，導致地表凋落物儲量及其構成、樹木根系生長發育和凋落物分解速率等均存在一定差異，從而導致不同林分土壤物理性質的不同[15]。土壤容重和孔隙度是土壤的基本物理性質，對土壤的蓄水性能和通氣性具有直接的作用，同時能間接影響到土壤肥力和作物生長狀況[16-17]。本研究發現，不同林分密度和林分結構土壤容重均隨著土層深度的增加呈下降的趨勢，這與許多學者研究的林地土壤容重變化規律[18-21]一致。隨著季節變化，土壤容重冬季大于夏季，這主要與土壤動物活動、土壤微生物新陳代謝有關，夏季溫度較冬季高且適宜土壤動物與微生物活動，造成土壤疏松多孔，容重減小。純林的土壤容重大于混交林，說明較純林而言，混交林可有效降低林地土壤的容重，特別是表層土壤最為明顯，從而改善土壤的通氣狀況，這種變化有利于植物根系進行更好的呼吸[20]。這主要原因是相對于樹種單一的楊樹純林，混交林引入了新的物種，增加了物種的多樣性，林地凋落物大量增加，土壤堅實度隨著凋落物的分解逐漸被降低，改善了土壤結構。土壤容重與土壤孔隙度關系密切，土壤容重小，表明土壤比較疏松，孔隙多。反之，土壤容重大，表明土壤比較緊實，結構性差，孔隙少[22]。一般情況下，當總孔隙度大于35%，而其中非毛管孔隙約占1/5時，土壤的通氣性、透水性和持水能力會比較協調，利于多數林木的生長。本研究對土壤孔隙度的分析結果與上述孔隙度和容重的關系一致。不同林分密度和林分結構土壤孔隙度呈現了與容重相似的趨勢，且總孔隙度達到了35%以上，有利于林木良好生長。但是3種林分密度中，隨著季節變化孔隙度的大小呈現出了6 m×6 m>3 m×8 m>5 m×5 m 的規律性，這說明在營造人工林時，選擇良好的密度模式有利于保持較好的土壤通氣性。

土壤化學性質是表征土壤肥力狀況的重要指標，直接影響著植物的生長發育和土壤微生物的活動[23]。土壤pH值是土壤重要的化學性質，但是pH值不能直接反映土壤中某種養分的含量，但其大小可控制和影響土壤中微生物區系的改變，從而左右絕大多數營養元素的轉化方向、轉化過程、形態及其有效性[24]。本研究中，不同林分結構土壤的pH值 7.09～8.73，偏堿性，3種林分密度及不同林分混交間pH值差異不顯著。但隨著季節變化，不同林分密度和林分結構土壤pH值平均值均呈現出夏季低于冬季的趨勢。由于土壤pH值與土壤微生物活性、土壤肥力以及作物生長等密切相關，土壤微生物和植物根系呼吸產生CO2，植物根系生長及其代謝活動過程中向根外分泌氨基酸、脂肪酸，以及有機質礦化生成的簡單有機酸等均能降低土壤pH值，這與相關研究結論[25]統一。

本研究表明，不同林分密度和林分結構林地土壤有機質、全氮含量均隨土層深度的增加呈下降趨勢，這與許多研究對不同類型森林土壤養分狀況的影響結果[24，26]一致。森林土壤養分狀況反映了森林對土壤的影響結果，又是衡量土壤肥力質量的主要因素，它的主要養分來源一方面是土壤本身經微生物分解、礦化得到，另一方面便是林地表面植物凋落物及樹木、草本植物等的根系[27]。一般植物的根系主要分布于土壤表層，而林地植物的凋落物也主要集中在土壤表層，這些枯枝落葉可以釋放大量的養分元素，導致土壤表層有機質積累量較多，隨著土層深度的增加，植物根系分布減少，有機質來源減少，故而呈現出大多數土壤養分含量隨土層深度的增加而遞減的趨勢[20]。3種林分密度中，表層土壤有機質和全氮含量均為 3 m×8 m最低，主要原因可能是其密度過小，地表覆蓋物較少，缺少養分來源，因此在營造人工林時要考慮控制密度因素，提高生物多樣性，增加養分來源。混交林林地土壤有機質與全氮含量要高于純林，且表層土壤含量差異顯著。但隨著土層深度的加深，改變林分密度或采用林分混交時其含量差異不顯著。土壤有效養分含量與土壤母質類型、所處的氣候環境以及植被類型等多種因素關系密切。研究發現，不同林分密度和林分結構中土壤有效養分氮、磷、鉀含量均隨土層深度的增加而降低，這是因為上層土壤中含有大量有機質，氮、磷、鉀等營養元素來源豐富的緣故。3種林分密度林地表層土壤速效氮和速效鉀含量呈現出了相似的規律性，5 m×5 m均高于3 m×8 m 與6 m×6 m，且5 m×5 m與3 m×8 m 之間差異顯著。土壤速效磷冬季含量上、中層土層中表現出3 m×8 m>5 m×5 m，且差異顯著，夏季及其他土層差異不顯著。不同林分混交中，有效養分氮、磷、鉀含量均表現為混交林大于純林，且速效氮與速效鉀含量均差異顯著。

4 結論

綜上所述，不同林分密度和林分結構對土壤理化性質影響有差異，3種林分密度林地土壤容重均從表層向下增加，孔隙度相應減小，土壤pH值差異不顯著，土壤有機質含量、全氮含量、有效養分氮磷鉀含量均隨土層的增加而降低，表層土壤有機質和全氮含量在林分密度3 m×8 m與6 m×6 m、5 m×5 m之間差異顯著，表層土壤速效氮和速效鉀含量在林分密度5 m×5 m 與3 m×8 m之間差異顯著，不同林分密度的速效磷含量僅冬季在0～10 cm、10～20 cm土層中3 m×8 m>5 m×5 m，且差異顯著。從養分的角度出發，營造人工林需要控制栽植密度，從而使土壤達到良好的養分供應能力。不同林分混交林地土壤在理化性質上混交林優于純林，這是由于混交林克服了樹種單一的缺點，增加了林地生態系統多樣性，有更多的枯枝落葉歸還到土壤中作為養分來源，從而改善土壤結構，提高土壤肥力，利于林木生長。