林分密度對華北落葉松人工林土壤理化性質的影響

林分密度對華北落葉松人工林土壤理化性質的影響

土壤是樹木生存、生長和生態(tài)功能的基礎。土壤的健康對森林非常重要。同時，樹木的生長發(fā)育、分解和分解速率影響著土壤的發(fā)育，改變了土壤的物理和化學性質，最終影響著土壤的健康。在植被對土壤健康的影響中,林分密度是重要因素之一,它直接影響到森林群落的光、熱、水分等生態(tài)因子的分配,使林下物種的多樣性及結構發(fā)生變化,進而影響土壤健康狀況。前人有關人工針葉林林分密度對林地土壤理化性質影響的系統(tǒng)研究僅見于杉木和馬尾松,如盛偉彤研究表明,適當降低杉木人工林林分密度,對維護土壤肥力有較大作用,有利于林地保持長期生產力;康冰等研究說明,不同密度馬尾松人工林土壤理化特性差異顯著,而不同密度華北落葉松人工林土壤理化性質比較研究尚未見報道。本文以河北省木蘭圍場華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)人工林為對象,研究不同密度林分對土壤理化性質的影響,以期為該區(qū)森林健康經營提供科學依據。1植被和土壤類型研究區(qū)位于河北省木蘭圍場國有林場管理局所轄的北溝林場(40°54’N,117°27’E),海拔為750～1998m。該區(qū)域屬于寒溫帶向中溫帶過渡、半干早向半濕潤過渡的大陸性季風型高原山地氣候,年均氣溫為-1.4～4.7℃,年均降水量380～560mm,主要集中在7—9月份。植被主要以針葉林、落葉闊葉林和落葉闊葉灌叢為主,人工林主要喬木樹種有華北落葉松、油松(PinustabulaeformisCarr.)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)和山楊(PopulusdavidianaDode.)等。土壤類型以棕壤、褐土和灰色森林土為主。棕壤主要分布在海拔900m以上,半濕潤具有溫涼氣候的地方;褐土主要分布在海拔800～900m之間,半干旱、溫暖的低山、黃土臺地及平川地區(qū);灰色森林土主要分布在木蘭圍場北部。本文所研究土壤的土壤類型為棕壤。2數據和方法2.1樣地的選取和土樣的采集2009年7月份,分別在5種不同林分密度的華北落葉松人工林群落內設置典型樣地,樣地面積為20m×30m或30m×30m?；厩闆r如表1所示。其中,Ⅰ,Ⅲ,Ⅴ號樣地為落葉松純林;Ⅱ號樣地以落葉松為主,伴有少數白樺與油松;Ⅳ號地為落葉松與白樺的混交林。沿每塊樣地坡面的上、中和下部隨機選擇5～9點(依樣地面積而定)用土鉆取樣,按0～20cm,20～40cm和40～60cm三個層次采集各土層的混合土樣,每樣地重復3次,共采集63個土樣。土樣經風干、磨細、過篩后,用于土壤理化性質的測定:土壤pH值采用酸度計法(水土比2.5∶1);土壤有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法;土壤全氮采用凱氏定氮法;土壤全磷和有效磷采用鉬銻抗比色法;土壤速效鉀采用火焰光度計法。用環(huán)刀法采樣測定土壤密度和土壤質量含水量。2.2統(tǒng)計分析和檢驗采用Excel2003及SPSS17.0進行數據的統(tǒng)計分析和檢驗。采用單因素方差分析(ANOVA)和多重比較(Turkey法)判斷土壤深度和不同密度林分類型對土壤理化性質的影響。3結果與分析3.1密度對不同土層土壤質量的影響各樣地的土壤質地基本以砂壤土為主。表2是不同林分密度條件下土壤各層次的土壤密度和土壤質量含水量。隨著土壤深度的增加,各樣地的土壤密度基本呈現增大趨勢,而土壤質量含水量呈下降趨勢。這是由于大量的凋落物減少了表層土壤的水分蒸發(fā)與流失,而植物蒸騰作用導致根系大量吸收土壤水分,致使底層土壤含水量減少。方差分析表明:林分密度顯著影響0～20cm土層的土壤密度、20～40cm土層的土壤質量含水量(P<0.05),但對40～60cm土層的土壤密度及土壤質量含水量影響不顯著(P>0.05)。從表2中可以看出,在0～20cm土層,株數密度為2170株/hm2的Ⅴ號樣地的土壤密度最小,土壤質量含水量最高;當株數密度由740株/hm2增加到1480株/hm2時,土壤密度降低,而土壤含水量增大;當株數密度由1480株/hm2增加到2000株/hm2時,土壤密度增加而含水量大幅下降。這說明株數密度會影響土壤的物理性狀,當植株密度過高或過大時,土壤密度與含水量都無法保持在其相對較好的狀態(tài)。20～60cm土層,當株數密度由740株/hm2增加到1480株/hm2時,土壤密度增大;而當株數密度再由1480株/hm2增加到2000株/hm2時,土壤密度卻出現了下降,并且在20～60cm土層,當株數密度從740株/hm2增加到2000株/hm2時,土壤含水量呈現下降的趨勢(表2)。3.2不同密度對土壤有機質和全氮含量的影響土壤酸堿性是土壤化學性質的一個重要方面。微生物的活動、土壤有機質的分解、土壤中養(yǎng)分元素的釋放、轉化以及遷移都與酸堿度有關。從表3可以看出,各樣地的土壤pH值都為弱酸性,并且隨著土壤深度的增加呈現略微升高的趨勢。這是由于樣地土壤表層森林枯落物的分解產生大量有機酸,相繼鹽基又從礦質土壤表層淋失出來所導致。在0～20cm土層,林分密度最高的Ⅴ號樣地的土壤pH值相對較低,這可能是由于高林分密度下大量落葉松枯落物的分解作用引起的,并且在0～20cm與20～40cm土層,Ⅲ號與Ⅴ號樣地的土壤pH值呈顯著差異,林分密度較高的Ⅴ號樣地的土壤pH值相對較小,這一特點表明在高林分密度條件下華北落葉松可能會導致土壤酸化。林木的生長主要靠土壤自然肥力,一方面土壤為林木生長供應養(yǎng)分,另一方面林木生長發(fā)育過程中通過凋落物和根系分泌物等的作用,對林地土壤肥力產生明顯作用。從表4看出,隨土壤深度增加,各樣地土壤有機質和全氮含量呈現明顯減少的趨勢。林分密度顯著影響0～20cm土層土壤有機質和全氮含量(P<0.05),但對20～60cm土層的土壤有機質和全氮含量影響不顯著(P>0.05)。在0～20cm土層,當株數密度由740株/hm2增加到1480株/hm2時,土壤有機質含量呈現增大的趨勢,而當株數密度增大到2000株/hm2時,土壤有機質含量卻明顯減小。其中落葉松與白樺混交林(Ⅳ號樣地)的土壤有機質含量最高,并且Ⅳ號樣地與Ⅲ號樣地的土壤有機質含量呈現顯著差異。而在20～40cm和40～60cm土層,Ⅴ號樣地的土壤有機質含量相對較高,這可能是由于在高林分密度下,在20～60cm土層內相對密集的華北落葉松根系的根系效應所導致。在0～20cm土層,株數密度最小的Ⅳ號樣地的土壤全氮含量最高,并且與株數密度相對較高的Ⅲ號樣地和Ⅱ號樣地呈現顯著差異。當株數密度由740株/hm2增加到1480株/hm2時,土壤全氮含量呈現增大的趨勢;而當株數密度增加到2000株/hm2時,土壤全氮含量卻呈現下降的趨勢。在20～40cm土層,株數密度相對較高的Ⅲ號樣地土壤全氮含量最高,株數密度由740株/hm2增加到2000株/hm2時,土壤全氮含量呈現增加的趨勢;而在40～60cm土層,當株數密度從1480株/hm2增加到2000株/hm2時,土壤全氮含量出現了下降(表4)。隨著土壤深度的增加,各樣地土壤全P和速效K含量均呈現下降的趨勢,而有效P和全K含量則不規(guī)律地變化(表5和表6)。方差分析表明:林分密度對0～20cm和40～60cm土層土壤有效P含量、40～60cm土層土壤全K及速效K含量均有顯著影響(P<0.05)。在0～20cm土層,當株數密度為2000株/hm2時,土壤有效P含量最大;且Ⅲ號樣地與Ⅴ號樣地的土壤有效P含量差異顯著。在20～60cm土層,株數密度相對較高的Ⅲ號樣地土壤有效P含量最高,株數密度從740株/hm2增加到2000株/hm2時,土壤有效P含量隨株數密度增加而增大(表5)。隨著林分密度的增加,土壤全K含量有下降趨勢。在0～20cm土層,株數密度最高的Ⅴ號樣地的土壤全K含量最低;在20～60cm土層,當株數密度從1480株/hm2增加到2000株/hm2時,土壤全K含量隨株數密度增加而下降,并且Ⅰ號樣地與Ⅲ號樣地的全K含量差異顯著;當株數密度從660株/hm2增加到2000株/hm2時,表層土壤速效K含量明顯降低,但株數密度最高的Ⅴ號樣地的土壤速效K含量相對較高,這可能與密集的落葉松枯落物的淋溶作用有關。在20～60cm土層,當株數密度從660株/hm2增加到2000株/hm2時,土壤速效K含量隨株數密度的增大而明顯下降(表6)。4密度對土壤理化性質的影響不同的華北落葉松人工林林分密度會影響土壤的物理性狀。當株數密度為660株/hm2時,0～20cm土層的土壤密度相對較低,而0～60cm深度土壤的質量含水量均保持在一個相對較高的水平。當株數密度從740株/hm2增加到2000株/hm2時,0～20cm土層的土壤密度先減小后增大,而土壤質量含水量呈先增大后減小的趨勢;在20～60cm土層,隨著株數密度的增加,土壤密度先增大后減小,而土壤質量含水量則呈減小的趨勢。所以在過高的株數密度下,植株為維持其正常生長從土壤吸收大量的水分,導致土壤質量含水量下降,表層土壤的密度增加,總孔隙度降低,致使土壤出現退化的現象。林分密度過高可能會導致土壤酸化,當株數密度達到2000株/hm2以上時,土壤表層的pH值明顯降低,這與劉春延的研究結果一致。當株數密度為660株/hm2時,0～60cm深度的土壤全N及全K含量均相對較高,而土壤有機質和全P含量僅在0～20cm土層較高。當株數密度由1480株/hm2增加到2000株/hm2時,表層土壤有機質與全N含量降低,并且當林分密度增大時土壤速效K含量也明顯降低,這與翟洪波等的研究結論一致,這表明高林分密度條件下,林木會加速對土壤養(yǎng)分的吸收,可能導致林地土壤退化。此外,在20～60cm土層,當株數密度由740株/hm2增加到2000株/hm2時,土壤有效P和速效K含量分別隨株數密度的增大而呈現增大和減小的趨勢。通過研究比較5種林分密度條件下華北落葉松人工林地的土壤理化性質,發(fā)現:當株數密度在660株/hm2到2000株/hm2以內時,過大的林分密度會導致林地植株的單株生長空間減小