不同林分密度油松天然林土壤理化性質及微生物量碳氮特征研究

董 威，劉泰瑞，覃志杰，郭晉平，張蕓香*

1. 山西農業大學林學院，山西 太谷 030801；2. 山西農業大學研究生院，山西 太谷 030801

土壤是森林生態系統重要的組成部分，也是森林生態系統物質能量循環及微生物作用的重要環節和載體（劉世榮等，2011；肖好燕等，2016）。研究森林土壤屬性及其在不同條件下的橫縱向分異規律成為了近年來森林生態學者的研究熱點。林分密度作為人為可調控因子，直接影響著林下的光照、溫度、濕度等林分內環境因子（楊三紅等，2015；丁繼偉等，2018）并作用于森林土壤使其屬性發生變化（馮宜明等，2018；胡小燕等，2018）。國內外學者對多種森林類型不同密度林下土壤理化性質、養分特征、酶活性、碳儲量等進行的大量研究（Wojciech，2009；Noh et al.，2010；向元彬等，2014；Jorge et al.，2016），證實了林分密度對林下土壤屬性影響的普遍性和特異性。在大青山馬尾松（Pinus massoniana）人工林（康冰等，2009）、木蘭圍場華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）人工林（任麗娜等，2012a）、長白山近天然落葉松（Larix olgensis var. changpaiensis）-云杉（Picea asperata）-冷杉（Abies nephrolepis）混交林（王岳等，2014）、火地塘林區油松（Pinus tabulaeformis）-華山松（Pinus armandii）-銳齒櫟（Quercus aliena Blume var．acutiserrata Maximowicz ex Wenzig）混交林（陳莉莉等，2013a）、秦嶺西段油松人工林（陳莉莉等，2013b）等森林類型的研究中，林下土壤屬性垂直分布規律及其隨林分密度的變化成為了研究重點。然而，上述研究結果具有較強的地域性，普遍性偏弱，且林分密度近自然調整對森林土壤屬性及其垂直分異格局的影響和作用規律還不明確，需進一步研究。

油松是中國的特有樹種，是黃土高原地區最主要的造林樹種之一。油松林是華北地區代表性針葉林類型（趙偉紅等，2014），油松天然林在山西分布廣泛。本研究以山西省關帝山林區孝文山林場油松天然林為研究對象，采用樣地調查與實驗室土壤樣品分析相結合的方法，通過對不同林分密度油松天然林下土壤理化性質及微生物量碳氮指標進行測定和分析，探明土壤屬性對林分密度變化的響應特征，為森林質量精準提升及森林生態系統可持續經營提供理論依據。

1 研究對象和研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于關帝林區孝文山林場的五十溝（37°44′N，111°30′E），海拔 1460－1610 m，屬暖溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫4.2 ℃，年平均降水量822.6 mm，年平均相對濕度70.9%。土壤為淋溶褐土，腐殖質層厚約3－7 cm。主要喬木樹種為油松，偶有伴生的少數華北落葉松和白樺（Betula platyphlla）等；主要灌木樹種有繡線菊（Spiraea salicifolia）、黃刺玫（Rosa xanthina）和胡枝子（Lespedeza bicolor）等。

1.2 樣地設置與土壤樣品采集方法

2017年9月初，在油松天然林林齡為56－71 a，坡向、坡度、海拔、坡位相近的地段，分別在立木密度為 725、750、925、975、1050、1175、1200、1225、1375 plant·hm-2的林分設置 1 個 20 m×20 m的樣地（共設9個樣地），對各個樣地進行概況調查，設9塊樣地，樣地概況見表1。在每個樣地的對角線上等距離布設3個采樣點，每個采樣點附近設3個重復取樣點，分上層（0－10 cm）、中層（10－20 cm）和下層（20－30 cm）分別取樣，重復取樣點的土壤分層樣品混勻后采用四分法留取適量土樣，裝入塑封袋帶回實驗室，共采集元素土樣81份。在每個樣地的3個采樣點挖剖面后分3層采用環刀法采集土壤樣品，共計81份。

1.3 土壤屬性指標測定

采用氯仿熏蒸浸提法測定鮮土中土壤微生物量碳、微生物量氮；將風干土研磨后過 60目篩，用酸度計法測定土壤pH（水土質量比為 1∶2.5），TOC分析儀（multi N/C 2100分析儀，德國耶拿）測定土壤總碳，凱氏定氮法測定土壤全氮，濃硫酸-高氯酸消煮結合鉬銻抗比色法測定土壤全磷。環刀土樣用恒溫箱烘干法測定土壤含水量并計算土壤容重（鮑士旦，2000）。

1.4 數據處理

對土壤理化性質及微生物量碳氮數據進行統計分析，運用SPSS 17.0單因素方差分析（AVOVA）和多重比較（Duncan法）判斷差異性顯著水平（P＜0.05）。以上下層土壤指標差值與上層土壤指標值的比值（Mi）為依據分析土壤理化性質及微生物量碳氮含量在土層之間的差異是否因林分密度的變化而呈現異質性（王輝，2007）：

式中，Siu為上層土壤屬性指標值，Sil為下層土壤屬性指標值。

表1 樣地概況Table1 General information of sample plots

2 結果與分析

2.1 不同林分密度土壤屬性指標差異性分析

如表2所示，1050 plant·hm-2林分土壤含水量，總碳、全氮含量分別為34.27%，29.44、2.14 g·kg-1，均顯著（P＜0.05）高于其他林分密度，并隨林分密度變化呈先增后減的變化規律；除1225 plant·hm-2林分外，pH值在其他密度林分之間差異不顯著（P＞0.05）；975 plant·hm-2林分土壤全磷含量為0.3 g·kg-1，顯著高于除 1225、1375 plant·hm-2外的其他林分（P＜0.05）；1050 plant·hm-2林分土壤容重、微生物量碳、微生物量氮含量與 725 plant·hm-2林分、1375 plant·hm-2林分呈顯著性差異（P＜0.05）。

表2 不同林分密度下土壤屬性Table2 Soil properties under different densities

圖1 不同密度林下土壤物理屬性指標的變化Fig.1 Changes in soil physical properties indexes under different densities

2.2 不同林分密度土壤屬性指標變化趨勢分析

2.2.1 土壤物理屬性指標隨林分密度的變化

如圖1所示，0－10、10－20、20－30 cm土層土壤含水量、容重都因林分密度的差異而呈一致性變化。受密度影響，3個土層土壤含水量均呈現先增后減的趨勢，以1050 plant·hm-2林分最高，分別為 44.13%、34.49%、27.49%；容重則呈現相反的趨勢，在0－20 cm土壤中以1050 plant·hm-2林分最低，隨土層加深受林分密度的影響減弱，該趨勢有所緩和。各土層間含水量表現出明顯的由上及下遞減的趨勢，容重則相反，表明研究區土壤上層疏松，下層致密。

2.2.2 土壤化學屬性指標隨林分密度的變化

如圖2所示，3個土層土壤的pH值，總碳、全氮、全磷含量隨林分密度變化的趨勢一致：山西地區土壤pH本底值偏高，無植被覆蓋區達7－8，有植被覆蓋區隨林分密度增加呈降低的趨勢；總碳、全氮含量呈先增后減的趨勢，均以 1050 plant·hm-2林分為最高，其3個土層總碳含量分別為32.41、29.87、26.03 g·kg-1，全氮含量分別為 2.60、2.22、1.62 g·kg-1；全磷含量隨林分密度變化較為復雜，700－1175 plant·hm-2范圍內隨密度變化3個土層均呈先增后減的趨勢，以975 plant·hm-2林分為最高，當林分密度高于1175 plant·hm-2時，全磷含量略有增加。各土層間總碳、全氮、全磷含量表現出明顯的由上及下遞減的趨勢，pH值則呈相反趨勢。

2.2.3 土壤生物學指標隨林分密度的變化

如圖3所示，3個土層土壤微生物量碳、微生物量氮含量均隨林分密度變化呈現先增加后減少的趨勢，以1050 plant·hm-2林分為最高，其中各層微生物量碳含量分別為2410.74、1668.88、1045.56 mg·kg-1，微生物量氮含量分別為384.75、213.76、132.87 mg·kg-1，并表現出隨土層加深微生物量碳氮含量下降的趨勢。

圖2 不同密度林下土壤化學屬性指標的變化Fig.2 Changes in soil chemical properties indexes under different densities

圖3 不同密度林下土壤生物學指標的變化Fig.3 Changes of soil biological indexes under different densities

2.3 林分密度對土壤屬性垂直分異的影響

對不同密度林下土壤理化性質及微生物量碳氮指標在3個土層間的變化進行分析，可知林分密度變化沒有改變土壤屬性垂直分異的基本規律，都表現為隨土層深度的增加，含水量下降、容重增大、pH由弱酸性變為弱堿性，土壤總碳、全氮、全磷、微生物量碳、微生物量氮含量降低。

因研究區土層較薄，土壤分層現象明顯，中層土壤過渡性較強，垂直分異的代表性較弱且隨林分密度的變化不明顯，因此以上下層指標差值與上層指標值的比值為依據，分析土壤理化性質及微生物量碳氮含量在土層之間的差異是否因林分密度的變化而呈現異質性。由圖4可知，土壤含水量、總碳、全氮、全磷的垂直變異隨密度增加呈先減小后增大的趨勢，在1050－1175 plant·hm-2范圍內取得最小值，Mi分別為0.18、0.19、0.31、0.04。土壤容重的垂直變異則相反，Mi的最大值（0.47）出現在1050 plant·hm-2林分中；pH值的垂直變異隨密度增加呈現下降的趨勢，較高密度時則不再下降，1175 plant·hm-2林分 Mi最小（0.02）；微生物量碳、微生物量氮含量的垂直變異規律不明顯。

圖4 不同密度林下土壤屬性的垂直分異Fig.4 Vertical differentiation of soil properties under different densities

3 討論

林分密度變化導致林內環境發生變化，對土壤理化性質及微生物量碳氮也產生影響。油松天然林在 700－1400 plant·hm-2密度范圍內，土壤物理屬性、化學屬性、生物學指標均隨密度差異而呈現異質性。1050 plant·hm-2林分土壤含水量，總碳、全氮、微生物量碳、微生物量氮含量均顯著高于低密度和較高密度林分；容重隨林分密度增加呈現先減后增的趨勢；全磷含量隨密度變化而先增后減，但在林分密度高于1175 plant·hm-2時不減反增。這一結果與其他學者的研究結果相似卻又有差別：在毛竹（Phyllostachys edulis）林（范少輝等，2015）、華北落葉松林（賀志龍等，2017）、油松林（韓恩賢，2007；任麗娜，2012b）的研究結果顯示，土壤含水量，總碳、全氮、全磷含量隨林分密度增加而呈現出先增大后減小的趨勢；而在馬尾松林（趙汝東等，2012）的研究中發現中等密度林下土壤全磷含量小于較高和較低密度林分。造成此差異的原因可能是全磷的分布受成土母質的影響較大（王淑平等，2002）。

油松天然林土壤屬性的垂直格局表現出與其他許多森林類型同樣的總體特征。廣西貓兒山自然保護區（鄧小軍等，2014）、長沙城市森林（高述超等，2010）、黑龍江山嬌林場（邵英男等，2017）、龐泉溝自然保護區（樊蘭英等，2012）等地不同類型林下土壤均表現出相似的垂直格局。就本研究而言，土壤屬性指標垂直格局的總體特征不受林分密度的影響，但林分密度變化顯著改變垂直變異強度，土壤屬性的垂直分異規律隨林分密度的變化呈現一定的趨勢，具體表現為：在林分密度適中時，土壤含水量層間差異性弱，在密度為975－1175 plant·hm-2，Mi分別為 0.21、0.24、0.18；土壤營養元素垂直結構較為均勻，Mi值均在適中密度取得最小值，相較于低密度和高密度林分，其土壤肥力縱向下降趨勢變緩，在垂直層面上更具有穩定性。

相關研究表明，低密度華北落葉松人工林林下草本灌木數量顯著增加（劉紅炎等，2017），消耗氮素多，需求量大。中密度長白落葉松天然林林下枯落物分解效果最好，自然高密度林分會導致土壤退化（劉玲等，2013），制約林地蓄積量；中密度林下土壤理化性質優于低密度和高密度林分，林分密度可以調節土壤肥力（侯瑞萍等，2015；孫千惠等，2018）。本研究表明：林分密度適中（975－1175 plant·hm-2）時，水分條件和通氣狀況較好，微生物量碳氮含量高，總碳、全氮、全磷含量較高。無論人工林還是天然林都需要通過撫育措施調整林分密度，改善和保持林地屬性。

4 結論

（1）林分密度的變化間接影響土壤水分、容重、pH值，總碳、全氮、全磷、微生物量碳、微生物量氮含量，除容重、pH值、全磷含量外，其他指標隨密度變化均呈現先增后減的變化規律。

（2）土壤屬性指標垂直分布規律：土壤含水量、總碳、全氮、全磷、微生物量碳、微生物量氮含量隨土層深度增加而下降，土壤容重和pH值卻呈相反趨勢；林分密度不改變總體格局，但土壤垂直分異程度在中密度林分中（975－1175 plant·hm-2）最小，更為均一穩定。

（3）當油松天然林林分密度適中（975－1175 plant·hm-2）時，0－30 cm深度的土壤水分，總碳、全氮、全磷、微生物量碳、微生物量氮含量保持在較高水平。

綜上，認為研究地區油松天然林適宜的保留密度為 975－1175 plant·hm-2。