膠東丘陵區(qū)典型赤松人工林的生長(zhǎng)特征與土壤理化特性

于浦云，苗 杰，路兆軍，胡海燕，李東芹，張專文，孫 倩，薛 蕾，孫太元*

（1.煙臺(tái)市牟平區(qū)林業(yè)技術(shù)推廣中心，山東 煙臺(tái)264100；2.煙臺(tái)市林業(yè)科學(xué)研究所，山東 煙臺(tái)264013；3.煙臺(tái)市龍口市國(guó)有林場(chǎng)，山東 龍口265700；4.煙臺(tái)市森林資源監(jiān)測(cè)保護(hù)服務(wù)中心，山東 煙臺(tái)264000）

赤松（Pinus densiflora）為松科（Pinaceae）松屬（P.）常綠喬木，耐干旱瘠薄，成林成材期較早，是溫帶和暖溫帶地區(qū)針葉林的主要建群樹種。赤松在我國(guó)和世界上的分布區(qū)較為狹窄,主要分布在山東半島、遼東半島和吉林省的東部，以及朝鮮、韓國(guó)和日本等國(guó)，山東半島為其原生地[1-3]。赤松是山東省的鄉(xiāng)土樹種,主要分布在膠東丘陵區(qū)和部分魯中山地,在平衡區(qū)域生態(tài)、提高生物多樣性、調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能方面發(fā)揮著重要作用，對(duì)荒山造林及水土保持有十分重要的意義[4]。近年來林業(yè)科研人員從林分生長(zhǎng)、樹木生理生態(tài)、種群結(jié)構(gòu)、病蟲害防治等多方面對(duì)赤松天然林和人工林展開了系列研究工作[5-8]。羅廣軍[9]通過研究分析吉林省延邊地區(qū)赤松林的標(biāo)準(zhǔn)地資料,明確了赤松人工林的生長(zhǎng)特征以及其與立地因子的關(guān)系,初步確定了赤松人工林的適宜立地條件。吳玉德[10]對(duì)吉林省龍井市天然赤松材的材積生長(zhǎng)進(jìn)行了初步研究，發(fā)現(xiàn)赤松材積生長(zhǎng)可大致分成3個(gè)階段,幼年階段小于20年,成熟林為20-44年，過熟林大于44年。但目前對(duì)膠東丘陵區(qū)赤松林生長(zhǎng)特征方面的研究卻少見報(bào)道。

土壤是林木生長(zhǎng)和生態(tài)功能發(fā)揮的基礎(chǔ)，森林土壤質(zhì)量對(duì)森林健康非常重要。土壤物理特性和化學(xué)特性是森林土壤質(zhì)量最重要的組成部分，開展森林土壤理化特性研究，對(duì)于診斷林地土壤退化、結(jié)構(gòu)紊亂，以及所導(dǎo)致的土壤功能失調(diào)具有重要意義。國(guó)內(nèi)針對(duì)人工林土壤理化性質(zhì)開展了較多研究，涉及油松（P.tabulaeformis）[11-12]、麻櫟（Quercus acutissima）[12]、紅豆杉（Taxus chinensis）[13]、西南樺（Betula alnoides）[14]等多個(gè)樹種，相比之下，赤松林地土壤理化性質(zhì)方面的研究相對(duì)較少。本研究通過對(duì)膠東丘陵區(qū)不同林齡和密度的典型赤松人工林開展土壤理化特性研究，有利于探索有效的土壤質(zhì)量管理措施，為干旱瘠薄地區(qū)林地土壤質(zhì)量提升和人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

膠東丘陵區(qū)位于山東省東部，北緯35°35'-38°3'，東經(jīng)119°30'-122°42'。行政區(qū)劃主要包括煙臺(tái)、青島、威海三地及濰坊市部分地區(qū)。該區(qū)丘陵的海拔多在500 m 以下，主要由花崗巖組成。由于受海洋的影響，與同緯度的內(nèi)陸相比，氣候溫和，氣溫變幅較小，屬暖溫帶濕潤(rùn)半濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候，四季分明，氣候特征明顯；春秋季節(jié)氣候干燥，降雨集中于夏季，約占全年降雨量的60%。年均氣溫11.3℃，年平均日照數(shù)2690 h，全年無霜期約207 d，年平均降水量740 mm[15]。由于成土母質(zhì)以花崗巖、片麻巖和片巖等深變質(zhì)結(jié)晶巖為主，區(qū)域內(nèi)土壤類型以棕壤為主，主要植被類型為常綠松柏類樹種和落葉闊葉類樹種為主，代表樹種主要有黑松（P.thunbergii）、赤松、油松、麻櫟、楸（Catalpa bungei）、刺槐（Robinia pseudoacacia）等。

1.2 樣地設(shè)置

在研究區(qū)內(nèi)的煙臺(tái)市轄區(qū)選取15塊有代表性的不同林齡、不同密度赤松人工林地作為研究對(duì)象，每塊樣地面積均為10 m×10 m，其中1-4號(hào)樣地位于牟平區(qū)神童村林場(chǎng)，5-8號(hào)樣地位于牟平區(qū)風(fēng)云林場(chǎng)，9-12號(hào)樣地位于萊山區(qū)曲村林場(chǎng)，13-15號(hào)樣地位于昆崳山林場(chǎng)。林地的土壤類型為棕壤，林下植被主要有麻櫟、胡枝子（Lespedeza bicolor）、臭椿（Ailanthus altissima）、商陸（Phytolacca acinosa）、山苜楂（Gypsophila oldhamiana）、地榆（Sanguisorbaofficinalis）等。各塊樣地人工林的林齡、密度、郁密度、林下蓋度及立地因子等基本概況見表1。

表1 不同赤松人工林樣地基本概況Table1 Summary information of forest plots of P.densiflora plantations

1.3 林分生長(zhǎng)調(diào)查及土壤采樣方法

調(diào)查及取樣時(shí)間為2018年9月。對(duì)所選樣地赤松人工林進(jìn)行每木生長(zhǎng)調(diào)查，調(diào)查指標(biāo)包括樹高、胸徑和冠幅。樹高測(cè)定采用測(cè)高桿或測(cè)高儀，胸徑采用圍尺；測(cè)量冠幅時(shí)，分別量取樹冠垂直投影的南北和東西方向外沿距離，計(jì)算兩者平均值。

在每塊樣地隨機(jī)選取4個(gè)采樣點(diǎn)，用土鉆采集0-20 cm 土層的土壤樣品，每個(gè)采樣點(diǎn)約1 kg，去除其中的植物根系、動(dòng)植物殘?bào)w，混合均勻后用四分法取1 kg 土樣，裝袋后帶回實(shí)驗(yàn)室。將土樣置于實(shí)驗(yàn)室陰涼處自然風(fēng)干，分成兩份，分別過20目篩和100目篩備用。

1.4 土壤理化指標(biāo)測(cè)定方法

共測(cè)定土壤物理指標(biāo)8個(gè)，分別為容重、總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、粘粒（＜0.002 mm）含量、粉砂粒（0.002～0.05 mm）含量和砂粒（0.05～2.0 mm）含量。土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定，所用環(huán)刀規(guī)格為100 cm3；采用環(huán)刀浸水法測(cè)定土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和毛管持水量[11]。土壤顆粒機(jī)械組成采用吸管法測(cè)定[16]。

共測(cè)定土壤化學(xué)指標(biāo)8個(gè)，分別為pH值、電導(dǎo)率（EC）、陽離子交換量（CEC）、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、有效磷、有效鉀。土壤pH值采用酸度計(jì)測(cè)定（水土比為2.5:1）；電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率儀測(cè)定（水土比為5:1）；CEC 采用EDTA-乙酸銨混合液交換法測(cè)定；采用油浴加熱—重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量；全氮含量采用凱式定氮法測(cè)定；有效氮含量的測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法；有效磷含量采用0.5 mol/L 碳酸氫鈉溶液浸提—鉬藍(lán)比色法測(cè)定；用1 mol/L 中性醋酸銨溶液浸提—火焰光度計(jì)法測(cè)定土壤有效鉀含量[17]。

1.5 土壤理化指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)中國(guó)土壤pH值分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[18]，pH值＜4.5為極強(qiáng)酸性，4.5～5.5為強(qiáng)酸性，5.5～6.5為微酸性，6.5～7.5為中性，7.5～8.5為微堿性，＞8.5為強(qiáng)堿性。關(guān)于林地土壤理化指標(biāo)的等級(jí)劃分，目前國(guó)內(nèi)外尚沒有可利用的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在本研究中，土壤養(yǎng)分指標(biāo)采用全國(guó)第二次土壤普查時(shí)土壤養(yǎng)分的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[19]，其它指標(biāo)參考全國(guó)土壤普查辦公室提出的林地土壤資源評(píng)價(jià)分級(jí)指標(biāo)[20]，以及前人對(duì)林地土壤指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[21]，總結(jié)得出林地土壤主要理化指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表2），用于判斷赤松林地土壤理化指標(biāo)的豐缺狀況。由于土壤粉砂粒和砂粒含量尚未有可供參考的豐缺閥值，因此沒有制定這兩個(gè)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 林地土壤主要理化指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table2 Classification standards of main indicators of forest soil quality

1.6 數(shù)據(jù)分析

除常規(guī)生長(zhǎng)指標(biāo)外，本研究還采用年均生長(zhǎng)速率來比較不同林齡赤松人工林的生長(zhǎng)情況，計(jì)算方法是分別用各樣地林木的平均胸徑、樹高、冠幅除以林齡。鑒于樣地1～12的林齡較為接近，將這12塊樣地作為一個(gè)林齡組進(jìn)行計(jì)算，平均林齡為18 a。

利用Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與圖表制作，采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)和回歸分析。采用變異系數(shù)來表征土壤理化指標(biāo)的變異程度，計(jì)算公式為：變異系數(shù)=(標(biāo)準(zhǔn)差/平均值)×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同赤松人工林的生長(zhǎng)特征

樹高、胸徑和冠幅是表征林分生長(zhǎng)特征的主要指標(biāo)。不同密度、不同林齡赤松人工林的生長(zhǎng)特征如表3所示。由表中結(jié)果可知，所調(diào)查15個(gè)膠東丘陵區(qū)赤松人工林的平均樹高、胸徑和冠幅分別為5.60 m、9.39 cm和2.71 m，而低林齡組（16-23 a）的平均樹高、胸徑和冠幅分別僅為4.38 m、7.37 cm和2.38 m，生長(zhǎng)狀況較差。由圖1可以看出，供試赤松人工林的樹高、胸徑和冠幅隨林分密度增加呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，各生長(zhǎng)指標(biāo)與林分密度均表現(xiàn)出雙曲線函數(shù)（Y=A+B/X）擬合關(guān)系，達(dá)到顯著性水平（P ＜0.05，R=0.9591）。

表3 不同赤松人工林生長(zhǎng)特征Table3 Growth characteristics of forest plots of P.densiflora plantations

圖1 林分密度對(duì)赤松人工林生長(zhǎng)指標(biāo)的影響Figure1 Effects of density on growth indexes of P.densiflora plantations

由表4結(jié)果可以看出，赤松人工林在0-18年間的年均生長(zhǎng)速率要明顯高于18-65年間的生長(zhǎng)速率。以胸徑為例，林齡0-18年和18-65年間的年均生長(zhǎng)速率分別為0.243 cm/a和0.130 cm/a，表明赤松人工林前期生長(zhǎng)速度較快。

表4 赤松人工林主要生長(zhǎng)指標(biāo)的年均生長(zhǎng)速率Table4 Annual average growth rate of main growth indexes in P.densiflora plantations

2.2 不同赤松人工林的土壤物理特性

變異系數(shù)可以用于表征指標(biāo)敏感性，變異系數(shù)越大表明該指標(biāo)對(duì)差異性也越敏感，低于10%為弱變異，高于100%為強(qiáng)變異，處于二者之間（10%～100%）的為中等變異[22]。由表5可以看出，所有土壤物理指標(biāo)均屬于中等變異，這說明膠東丘陵區(qū)赤松林地土壤的物理性質(zhì)相對(duì)較為穩(wěn)定。

赤松林土壤物理指標(biāo)的描述性分析結(jié)果見表5和表6所示。調(diào)查結(jié)果表明，赤松人工林土壤容重處于0.94～1.66 g/cm3之間，其中46.67%樣地的土壤容重處于“適中”等級(jí)，其余基本上都處于“較低”或“較高”水平。供試樣地的土壤粘粒含量普遍較低，均處于“很低”和“較低”等級(jí)，90%以上為“很低”水平，砂粒含量較高，平均值高達(dá)63.3%。本研究中，供試土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度處于“適中”等級(jí)的分別占40%、53.33%和46.67%，均是所占百分比最高的等級(jí)，說明赤松人工林土壤的通透性較好。毛管持水量變幅為14.27%～ 39.01%，80%處于“較高”和“很高”水平，說明供試林地土壤的保水能力較強(qiáng)。

表5 赤松人工林土壤物理指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table5 Descriptive statistical analysis of soil physical indexes in P.densiflora plantations

表6 赤松人工林土壤物理指標(biāo)不同等級(jí)所占比例Table6 Percentage of different grade of soil physical indexes in P.densiflora plantations

2.3 不同赤松人工林的土壤化學(xué)特性

土壤化學(xué)性質(zhì)主要反映了土壤肥力狀況，多數(shù)指標(biāo)直接關(guān)系到林木生長(zhǎng)，對(duì)于森林健康和土壤質(zhì)量都有著深刻的影響。由表7可以看出，供試土壤各項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)中以pH值的變異系數(shù)最小，屬低變異，其余指標(biāo)均處于中等變異水平，說明膠東丘陵區(qū)赤松人工林地土壤化學(xué)性質(zhì)整體變異不大，穩(wěn)定強(qiáng)較強(qiáng)。

由分析結(jié)果可知（表7、表8）膠東丘陵區(qū)赤松林地的土壤pH值變化范圍為4.81～6.05，表現(xiàn)為酸性，平均值為5.56，均處于“較低”等級(jí)。供試土壤EC 普遍很低，變幅為20.2～115.6 μs/cm，均處于“很低”等級(jí)。從表4可以看出，側(cè)柏人工林地土壤CEC 平均值為9.57 cmol/kg，整體均值處于“很低”等級(jí)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，15塊樣地中土壤CEC處于“很低”和“適中”等級(jí)的分別占據(jù)整體的2/3和1/3。供試赤松林地土壤有機(jī)質(zhì)平均值為25.63 g/kg，變幅為18.2～71.2 g/kg，均處于“適中”、“較高”或“很高”等級(jí)，表明膠東丘陵區(qū)赤松人工林地土壤有機(jī)質(zhì)含量處于中等或以上水平。

表7 赤松人工林土壤化學(xué)指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table7 Descriptive statistical analysis of soil chemical indexes of P.densiflora plantations

表8 赤松人工林土壤化學(xué)指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table8 Percentage of different grades of soil chemical indexes of P.densiflora plantations

由測(cè)定結(jié)果可知，供試土壤全氮含量變幅為0.53～2.9 g/kg，雖然低林齡赤松林地土壤全氮含量較低，但供試林地全氮平均含量較高，這是由于昆崳山林場(chǎng)的高林齡赤松林地土壤全氮含量均處于 “很高”等級(jí)的原因。有效氮含量的變幅為14.6～256 mg/kg，平均值為95.25 mg/kg，有86.66%土樣的有效氮含量達(dá)到“適中”、“較高”或“很高”等級(jí)。土壤有效磷含量處于0.6～5.4 mg/kg之間，90%以上的樣地處于“很低”水平，平均值僅為1.91 mg/kg；土壤有效鉀含量變幅為32～91 mg/kg，53.33%的土壤屬于 “適中”等級(jí)，其余均為“較低”水平。結(jié)果表明，供試赤松人工林的全氮和有效氮含量含量整體較高；而有效磷含量很低，有效鉀含量整體則較為適宜。

3 結(jié)論

本文以膠東丘陵區(qū)不同林齡和密度的赤松人工林為對(duì)象，綜合分析了其生長(zhǎng)特征以及土壤理化特性，研究表明，供試赤松人工林的樹高、胸徑和冠幅隨林分密度增加呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，各生長(zhǎng)指標(biāo)與林分密度均表現(xiàn)出雙曲線函數(shù)擬合關(guān)系，達(dá)到顯著性水平（P ＜0.05）。赤松人工林前期生長(zhǎng)速度較快，在0-18 a 間的年均生長(zhǎng)速率要明顯高于18-65 a間的生長(zhǎng)速率。

赤松人工林土壤容重處于0.94～1.66 g/cm3之間，整體較為適中，土壤粘粒含量普遍較低，90%以上為“很低”水平。赤松人工林土壤的通透性較好，保水能力較強(qiáng)。供試赤松林地土壤pH值均表現(xiàn)為酸性，土壤EC 普遍很低，變幅為20.2～115.6 μs/cm，均處于“很低”等級(jí)。林齡較高的赤松人工林土壤CEC較為適中，而低林齡赤松林地土壤CEC處于“很低”水平。膠東丘陵區(qū)赤松人工林地土壤有機(jī)質(zhì)含量處于中等或以上水平；全氮和有效氮含量整體上較高，而有效磷含量很低，有效鉀含量整體較為適宜。