太岳山油松人工林土壤質量隨林齡的演變特征

梁 洋，邵 森，馬冰倩

（1.山西省太岳山國有林管理局，山西 沁源 046501；2.北京林業大學 林學院，北京100083）

土壤環境是森林生態系統功能持續發揮的重要物質支撐，不僅為森林中的生物提供了必要的生存場所，而且也為地表植被的生長供應著各種必需養分［1］。近年來，以土壤載體為研究主題的地下生態學過程已成為森林生態學領域重要的探索方向之一。由于土壤內部各生物及非生物過程的復雜性，土壤微生境高度的時空異質性，森林生態學領域急需探索一種超越單一指標的綜合屬性，來全面評價土壤環境變化對地下生態學過程的影響。森林生物的生長既需要土壤中的無機養分，也需要適宜的土壤溫度、土壤氣液相物質組成比例等等，所有這些因子都與森林的土壤質量密切相關。土壤質量是土壤各理化因子和生物學因子的綜合體現，對森林群落未來的演變進程具有重要的調控作用。以土壤質量變化特征為切入點，深入分析森林群落結構與土壤質量間的互作規律，對預測中國人工林未來的發展趨勢具有十分重要的理論意義。土壤質量是土壤在自然生態系統邊界內維持動植物生產力以及水、空氣質量和支撐人類適宜居住環境的能力［2］，是土壤物理、化學及生物學性狀的集中表現［3-4］。前人對森林土壤的研究多集中在土壤理化性狀、養分狀況和土壤微生物等。近年來，研究者把重點轉向土壤綜合質量狀況［5-10］。油松Pinus tabuliformis林是中國西北地區的地帶性植被，主要分布在暖溫帶的干旱和半干旱氣候區［11］，也是山西太岳山區域的主要森林類型之一。長期以來，因山區群落結構簡單、種植密度過高以及后期經營管理措施不當，導致油松人工林的營養功能及生態服務功能都呈現衰退的跡象。同時，油松人工林的退化可能與林齡有關，因為該區域的油松人工林林齡不一，在不同的生長階段，土壤質量又呈現出何種狀態，對油松人工林功能持續是促進還是制約依然未知。因此，本研究基于不同發育階段（40，60和80年生）的油松人工林為研究對象，分析土壤質量隨森林群落的動態演變規律，以期為森林的經營、發展以及土壤資源的可持續利用提供有價值的借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究區位于國家林業局山西太岳山森林生態系統國家定位觀測研究站，地處山西省長治市沁源縣郭道鎮（36°18′～37°05′N,111°45′～112°33′E， 海拔 1 150～2 088 m）， 同時也是靈空山國家級自然保護區。該研究區為溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫為8.6℃，1月均溫為-10.5℃，7月均溫為17.3℃。該區年均降水量為665.0 mm，主要集中在7-9月，無霜期約100.0～150.0 d。研究區海拔約1 280～1 810 m，西半部區域地勢陡峭，東半部較為緩和。土壤類型主要為棕壤、褐壤等。山體基巖則以花崗巖、石灰巖、頁巖和沙頁巖為主。

該區域植被豐富，主要林分類型有油松林、華北落葉松Larix principis-rupprechti純林、華北落葉松-油松混交林、油松-遼東櫟Quercus liaotungensis混交林等。油松是林區內主要的建群樹種，其他樹種有華北落葉松、遼東櫟、山楊Populus davidiana和白樺Betula platyphylla等樹種。灌木層植物種類主要有華北繡線菊Spiraea fritschiana，毛榛Corylus mandshurica和胡枝子Lespedeza bicolor，黃刺玫Rosa xanthina，忍冬Lonicera japonica等；草本種類主要有薹草Carex，莎草Cyperus rotundus，薯蕷Dioscorea opposita，活血丹Glechoma longituba，蛇梅Duchesnea indica等。

1.2 樣地設置與調查

2017年7月，在林區內選取林齡為40年生（P40），60年生（P60）和80年生（P80）的油松人工林，這3種林地的前身都是天然油松林群落，在20世紀皆伐后補種油松幼苗后發育而成。各種林分面積約為4 hm2，在各種林分類型中，選擇地勢平坦且立地條件相似的區域設置4塊20 m×20 m的固定樣地。調查林分的林齡、郁閉度、密度、胸徑等。樣地概況見表1。

表1 油松人工林的基本特征Table 1 Characteristics of Pinus tabulaeformis plantations

1.3 土樣采集

于2017年8月，在12塊樣地里各按照 “S”型，選取5個點采集土樣，用于土壤物理、化學及生物學性狀的測定。

1.3.1 土壤物理性質的測定 在每個樣方中用環刀選取5個點采集土壤樣本，采樣土層深度為0～10，10～20，20～30 cm的土層，共有20個土樣。將土樣去除雜質，然后自然風干，進而過篩備用。土壤含水量用烘干法測定；土壤容重用環刀法測定。

1.3.2 土壤化學性質的測定 在各個固定樣方中使用內徑8 cm，筒長40 cm的根鉆，各個點按照0～10，10～20，20～30 cm不同土壤深度分次取樣，各種林分類型共60個土樣，放入寫好編號的自封袋中，帶回實驗室進行處理分析。首先剔除土壤中的雜質，然后進行碾碎過篩，篩孔為1 mm。稱取100 g土樣進行風干處理，時間為1周。風干后土樣先用研缽研磨，再通過孔徑為0.149 mm的土篩子進行過篩，干燥保存。土壤有機質用重鉻酸鉀氧化法測定；土壤全氮用凱氏定氮-消煮法測定；土壤銨態氮和硝態氮分別用靛酚藍比色法和酚二磺酸比色法測定（1 mol·L-1氯化鉀溶液浸提）；土壤速效磷用鉬銻抗比色法測定（碳酸氫鈉溶液浸提）；土壤速效鉀用火焰光度法測定（乙酸銨溶液浸提）。

1.3.3 土壤微生物性質的測定 在各個固定樣方中按照 “S”型選取5個點采集土樣，各個樣點按照0～10，10～20，20～30 cm不同土壤深度分層取樣，共60個土樣。剔除土壤中的雜質，然后進行碾碎過篩，置于4℃冰箱中保存備用。土壤微生物生物量碳和生物量氮采用氯仿熏蒸提取-滴定法測定。

1.4 土壤質量評價

選取的測定指標有土壤容重、含水率、有機質、全氮、速效鉀、銨態氮、硝態氮、速效磷以及土壤微生物量碳和土壤微生物量氮。

由于土壤因子測定值的變化具有不確定性和連續性，因此利用隸屬度函數的相同屬性來對各土壤肥力指標測定值進行標準化處理。運用主成分分析得到的因子載荷量的值具有正負性，以此來判斷所使用的隸屬度函數， 其中式（1）為降型函數， 式（2）為升型函數［12］：

式（1）和式（2）中：ximin和ximax分別代表測定土壤肥力數據的最小值和最大值；xij為土壤肥力測定值。

因為土地利用類型、研究目的等的不同，所選擇的土壤質量指標具有不同的重要程度，在數據處理過程中一般用權重系數來反映相應指標的影響程度。在本實驗中，運用主成分分析得到各肥力因子的載荷量和方差貢獻率，然后得到各指標的權重系數：

在確定了評價指標因子隸屬度和權重之后，運用加權方法來建立土壤質量的綜合評價數學模型［13］：

其中：Ci為第i項土壤肥力指標的因子載荷；Q為土壤質量綜合評價指數；Wi為權重向量；F（xi）為隸屬度值。

1.5 數據處理

數據處理和圖形建立采用SPSS 19.0和Excel 2010進行，運用單因素方差分析（ANOVA）和最小顯著差法（LSD）檢驗不同林分同一土層和同一林分不同土層土壤因子間的差異顯著性（α＝0.05）。運用雙變量相關分析得出不同林分的土壤質量指標間的相關性。

2 結果與分析

2.1 不同林齡油松人工林的土壤物理性狀

油松林土壤的物理學特性顯著受到林齡的影響（圖1），60年生和80年生的油松人工林土壤含水率均顯著高于40年生的油松人工林，60年生和80年生油松人工林的土壤容重差異不明顯，但均顯著小于40年生的油松人工林（P＜0.05）。可見隨著油松人工林的林齡增加，土壤含水率呈增加趨勢，而土壤緊實度呈下降趨勢，土壤物理狀況得到了改善。

2.2 不同林齡油松人工林的土壤化學性狀

0～10 cm土層中的全氮質量分數隨著林分林齡的增加顯著增大（P＜0.05）；10～20 cm土層中全氮質量分數也存在這種趨勢。0～10 cm土層的有機質質量分數隨著林齡的增加逐漸增大，且60年生和80年生的油松人工林土壤與40年生油松人工林土壤差異顯著（P＜0.05），10～30 cm土層的有機質質量分數無明顯的變化規律（表2）。

與40年生油松人工林土壤相比，60年生和80年生油松人工林土壤的0～10，10～20和20～30 cm土層的銨態氮分別增加77.78%和20.16%，82.20%和5.50%，38.53%和25.97%，硝態氮也呈類似的變化規律。

0～10 cm土層中的速效鉀和有效磷質量分數隨著林齡的增加顯著增大（P＜0.05）；10～20 cm土層中的有效磷在3種林分間無明顯差異；20～30 cm土層中的速效鉀和有效磷則隨著林齡的增加逐漸顯著增大（P＜0.05）（表 2）。

圖1 不同林齡油松人工林土壤物理性質Figure 1 Soil physical properties of Pinus tabulaeformis plantations with different ages

2.3 土壤微生物隨林齡的變化特征

隨著油松人工林林齡的增加，土壤微生物量碳（MBC）質量分數有增大的趨勢。在0～10 cm土層，土壤微生物量碳無顯著差異；在10～20 cm土層，80年生油松人工林的土壤微生物量碳質量分數為231.49 mg·kg-1，顯著大于60年生和80年生油松人工林（P＜0.05）。在20～30 cm土層，80年生油松人工林的土壤微生物量碳質量分數顯著高于40年生和60年生油松人工林（P＜0.05）。土壤微生物量氮（MBN）質量分數也隨著林齡的增加逐漸提高。在0～10 cm土層，80年生油松人工林的土壤微生物量氮質量分數為55.17 mg·kg-1，顯著高于40年生和60年生油松人工林（P＜0.05）；在10～20 cm土層中，80年生油松人工林的土壤微生物量氮質量分數為36.08 mg·kg-1，顯著高于40年生和60年生油松人工林（P＜0.05）；在20～30 cm土層中，80年生油松人工林的土壤微生物量氮質量分數大于40年生和60年生的油松人工林。隨著土層深度的增加，油松人工林土壤微生物量碳和土壤微生物量氮質量分數逐漸減少（圖2）。

2.4 油松人工林土壤性狀間的相關性分析

3種林分類型的土壤質量評價指標的相關性分析結果顯示（表3）：各指標基本符合正態分布特征，其中土壤硝態氮僅與銨態氮呈顯著負相關，與其他指標無顯著相關關系；全氮、有機質、銨態氮、有效磷、速效鉀和微生物量碳、微生物量氮相互之間均呈顯著或極顯著正相關。

圖2 不同林齡不同土層下油松人工林土壤微生物量碳、微生物量氮質量分數Figure 2 Contents of microbial biomass carbon and nitrogen in the soil under Pinus tabulaeformis plantation with different ages and different soil layers

表3 不同土壤養分指標間的相關系數Table 3 Correlation coefficient between different soil nutrients

2.5 土壤質量評價體系

2.5.1 評價指標隸屬度值及權重的確定 通過對各測定指標的主成分分析，產生各林齡油松人工林的土壤質量評價指標的隸屬度值。在由各項數據所綜合代表的土壤質量中，前4個組分的累計方差貢獻率達85.67%，符合主成分分析累計貢獻率≥80%的條件［14］。依據因子負荷矩陣得出，主成分F1主要由全氮（x1）， 有機質（x2），微生物量碳（x3），微生物量氮（x4），含水率（x5）構成； 主成分F2軸由速效鉀（x6）和速效磷（x7）組成； 主成分F3由銨態氮（x8）和硝態氮（x9）組成； 主成分F4主要由容重（x10）構成（表 4）。

2.5.2 不同林齡油松人工林的土壤質量綜合評價 土壤質量綜合評價的結果表明：40年生、60年生和80年生油松人工林的土壤質量綜合指數分別為0.363，0.500和0.568（圖3A），即80年生油松人工林土壤質量綜合指數最大，60年生油松人工林次之，40年生油松林最低。由此可見，隨著林齡增大，油松人工林土壤培肥作用增強，土壤質量評價指數也逐漸提升，不同林分同一土層的土壤質量綜合指數也遵循上述的變化規律（圖3B）。

3 討論

3.1 不同林齡油松人工林土壤性狀特征

隨著林分的不斷發展以及林齡的增加，土壤的物理性狀得到了改善。土壤容重與林齡之間呈負相關關系［15］。越成熟的林分郁閉度越小，而且本研究的3塊研究樣地坡度較緩，處于山地較為深入的位置，人為干擾較少，使得土壤容重隨林齡的增加逐漸降低。趙偉紅等［15］在對遼河源自然保護區不同林齡油松天然次生林的土壤含水率測量時發現：在土壤表層，隨著林齡的增加，土壤容重逐漸降低。土壤容重與土壤環境的通透程度有關，進而影響降水在土壤中的滲透和保水程度［16］。本研究土壤含水率和林齡呈正相關關系，與趙偉紅等［15］的研究結果一致。主要原因是林齡較高的油松人工林的林分密度低，蒸騰作用散失的水分較少，因而含水量較高。此外，土壤容重的逐漸降低，使得土壤更加疏松，水分傳輸和通氣效果更加顯著，增加了土壤含水量［16］。

表4 不同因子載荷、權重、特征根和方差貢獻率Table 4 Factor load,weight,characteristic root and variance contribution rate

圖3 不同林齡油松人工林的土壤質量綜合指數Figure 3 Composite indexof soil quality of Pinus tabulaeformis plantation with different ages

本研究中表層土壤各養分質量分數隨著林齡的增加而顯著增大。這是由于隨著林分林齡的增長，林分密度逐漸降低以及凋落物逐年累積，更多的光照使得林下凋落物分解速度加快，土壤微生物的活力增強［5,17］，地表向地下有機物的輸入量也逐漸增加，且最接近地表的土層養分差異最為顯著［18］。凋落物對土壤養分的影響也體現在馬尾松Pinus massoniana的林分中。葛曉改等［19］研究顯示：馬尾松林土壤養分受基質質量、凋落物產量、養分年歸還量、養分周轉率等因素影響，土壤表面養分含量與凋落物基質質量的變化規律一致。同時，土壤團聚體的粒徑在一定程度上影響了土壤養分的含量。孫嬌等［20］在對陜北黃土丘陵區不同林齡刺槐Robinia pseudoacacia林的土壤養分調查時發現：0.25～2.00 mm粒徑的土壤團聚體提高了土壤全效養分的保持能力。此外，由于凋落物和根系聚集于地表附近［16］，伴隨養分的逐漸流失，各個林齡油松人工林的土壤養分隨著土層深度的增加而顯著減少。

隨著林齡的增加，土壤微生物量氮、微生物量碳質量分數呈上升趨勢。微生物量大小和活性均與土壤養分含量密切相關，地表的凋落物可以給微生物提供豐富的能源物質，對微生物量的變化至關重要［21］。有研究顯示：有機質是影響土壤微生物量的重要因素，有機質能夠為微生物在進行自身合成與代謝過程中提供足夠的碳、氮物質來源以及能量來源［22］。部分實驗證實：微生物量碳和微生物量氮與土壤養分存在正相關關系［22-23］。本研究也體現出了這樣的變化規律。同時也有相反的觀點，土壤微生物量和土壤養分之間并無相關關系，微生物量還受到生長環境、凋落物數量和種類的影響［24-25］。

3.2 土壤養分與土壤微生物量間的相關關系

本研究所選取的各項指標皆具有突出的代表性與易測性，且各指標間相互作用顯著，能明確地反映土壤質量的綜合情況，所以將所有評價指標列入考慮范疇。從結果來看，微生物量碳、微生物量氮和除硝態氮之外的所有評價指標呈顯著相關性，這說明本實驗所選取的微生物量碳、微生物量氮2種生物因子能夠真實反映研究區土壤的生物學特性，并且和土壤的肥效以及土壤質量有密切的聯系［26］。

3.3 不同林齡油松人工林土壤質量綜合評價

在本研究中，林齡的增加可提高油松人工林土壤質量。依據土壤質量綜合評價法對山西太岳山不同林齡的油松人工林土壤環境的狀況進行分析，量化評價了不同林齡的林分土壤質量。隨著油松人工林林齡的不斷增加，逐年累積的地表凋落物量逐漸加大，在一定程度上提升了土壤養分含量［17］。80年生油松人工林與40年生油松人工林相比，林內環境逐步完善，促進了頂極群落的形成，與此同時，地上植被的發展使得土壤物理、化學和生物學性狀不斷改善，因此土壤質量得到提升［27-28］。本研究可以在一定程度上促進太岳林區的土壤研究，為林分的發展提供更多的參考意見。總之，林分更替演變過程是一個發展變化的過程，在林分經營的過程中，依據其基本狀況因地制宜地增加林分年限，采取撫育措施促進林分發展，改良土壤質量狀況，最終促進生態系統功能的完善。