全 文 ：第 37卷 第 11期 东 北 林 业 大 学 学 报 Vol.37 No.11
2009年 11月 JOURNALOFNORTHEASTFORESTRYUNIVERSITY Nov.2009
近天然落叶松云冷杉林土壤养分特征 1)
王海燕 雷相东 张会儒 赵雪梅 杨 平
(教育部水土保持与荒漠化防治重点实验室(北京林业大学),北京 , 100083) (中国林业科学研究院资源信息研究所) (北京林业大学)
摘 要 研究了吉林省汪清林业局近天然落叶松云冷杉林不同土层(0<土壤深度 h≤20cm、 20cm
直剖面上 , 土壤养分变异系数均有不同程度的差异 , 其中 0
下 , 土壤养分的表聚系数也存在差异 ,且以中度间伐的表聚系数最大 , 说明 40%以下的间伐强度 , 20a后没有引起
土壤养分质量分数的显著变化 , 可见 ,间伐对土壤养分的长期效应不显著。
关键词 落叶松云冷杉混交林;土壤养分;异质性;表聚系数;间伐
分类号 S714.5
SoilNutrientCharacteristicsofSemi-naturalMixedLarch-spruce-firStandsinNortheastChina/WangHaiyan(Key
LaboratoryofSoilandWaterConservationandDesertificationCombating, MinistryofEducation(BeijingForestryUniversi-ty), Beijing100083, P.R.China);LeiXiangdong, ZhangHuiru(InstituteofForestResourceInformationTechniques,
ChineseAcademyofForestry);ZhaoXuemei, YangPing(BeijingForestryUniversity)//JournalofNortheastForestryU-
niversity.-2009, 37(11).-68 ～ 70, 73
Semi-naturalmixedlarch-spruce-firstandsinNortheastChinawereselectedforfieldexperimenttostudysoilnutrients
inthelayersof0 ～ 20, 20 ～ 40and40 ～ 60cmandthinningeffects.Resultsshowedthatsoilnutrientswererichinthelay-erof0 ～ 20cm.Soilnutrientconcentrationsdecreasedwithincreasingsoildepth, andverysignificantdifferences(p<0.01)
werefoundbetweendifferentsoillayers.Coeficientsofvariation(CV)ofsoilnutrientsvariedinthesoilprofile, withthe
highestCVforsoilavailablePinthelayerof0 ～ 20cm, whichreached79.0%.Theratiosofsoilnutrientconcentrationin
topsoiltothatinsubsoilenhancement(RTE)weredifferent.ThehigherRTEvalueswerefoundforsoilorganicmatter, to-talandavailableN, whereaslowerRTEvaluesfortotalP, totalandreadilyavailableK.TheRTEvaluesvariedwith
thinningintensities, withthehighestRTEvalueformediumthinning.Thinningintensityhadnosignificanteffectsonsoil
nutrientconcentration(p>0.05), indicatingavirtuouscircleofsoilnutrientsintheclose-to-natureforeststandsatanin-
tervalof20 yearsafterthinningbelowanintensityof40%.
Keywords Semi-naturalmixedlarch-spruce-firstands;Soilnutrients;Nutrientheterogeneity;Accumulationcoeffi-cients;Thinning
土壤养分状况是影响植物生长 、繁殖和生态系统净生产
力等的重要因素 [ 1] , 也是土地质量变化最基本的表征和核心
研究内容。土壤养分状况及其供应特性可作为评价森林土壤
生产潜力的特征指标 , 在近自然经营的土壤调查中常被采
用 [ 2] 。土壤 pH值是土壤重要的化学性质 , 它直接影响到土
壤养分元素的存在形态和生物有效性。土壤有机质质量分数
是土壤各种养分特别是 N、P的重要来源 ,并对土壤结构 、保
肥性和缓冲性等有着积极的作用。土壤 N、P、K全量是衡量
土壤养分元素潜在供应状况的重要指标;而碱解 N、有效 P和
速效 K则反映了土壤近期可被植物利用的有效养分状况。
间伐是一种重要的森林经营措施 , 它影响到森林的多个方面
包括林分生长 、林分结构 、生物多样性及土壤环境等。在我
国 , 关于间伐对人工纯林土壤质量或土壤肥力的影响已有一
些研究 , 但间伐对混交林土壤养分的长期效应还少有报
道 [ 3-5] 。笔者以吉林省汪清林业局近天然落叶松云冷杉针叶
混交林为研究对象 , 研究了不同土壤层次(0<土壤深度 h≤20
1)国家 “十一五 ”科技支撑计划项目(2006BAD03A0802)资助。
第一作者简介:王海燕 ,女 , 1972年 12月生 ,教育部水土保持与
荒漠化防治重点实验室(北京林业大学), 北京林业大学水土保持学
院 ,副教授。
收稿日期:2009年 4月 16日。
责任编辑:程 红。
cm、 20cm
1 研究区概况
研究地点位于汪清林业局金沟岭林场(E130°5′～ 130°
20′, N43°17′～ 43°25′),属吉林省东部山区长白山系老爷岭山
脉雪岭支脉。地貌属低山丘陵地 , 海拔 550 ～ 1 100 m。阳坡
较陡 ,阴坡平缓 ,坡度 10 ～ 25°。季风型气候 , 全年平均气温 4
℃左右 , 最冷月和最热月的平均气温分别为 -32℃和 32℃;
年降水量 600 ～ 700 mm, 且多集中在 7月份。植物生长期为
120d左右。山地土壤种类以暗棕壤为主。
调查样地为 1964— 1967年间营造的有部分保留树种的
人工落叶松林 ,经过多年的演变 ,大部分已成为落叶松云冷杉
针阔混交林 ,具有天然林的部分特征 ,故称为近天然落叶松云
冷杉林。以长白落叶松(Larixolgensis)、云杉(Piceajezoensis
var.microsperma)、冷杉(Abiesnephrolepis)为优势树种 , 其它树
种有红松(Pinuskoraiensis)、色木(Acermono)、水曲柳(Fraxi-
nusmandshurica)、白桦(Betulaplatyphyla)、椴树(Tiliaamu-
rensis)、枫桦(Betulaplatyphylla)、榆树(Ulmuspropinqua)等。
从 1986年按照完全随机区组设计设置的 20块样地中选择立
地条件相对一致的 12块 , 包括 3个区组 4个处理:不间伐(对
照)、间伐强度为 20%(弱度间伐)、 30%(中度间伐)和 40%
(强度间伐), 样地面积最小为 0.077 5hm2 , 最大为 0.250 0
hm2 ,因此共有间伐样地 9块 , 对照样地 3块 , 间伐时间为
1987年 ,方式为下层抚育伐。样地设置时林分概况见表 1。
表 1 样地概况
区组 样地号
样地面
积 /hm2
海拔 /
m 坡向
坡度 /
(°) 坡位
造林
年份
断面积间
伐强度 /%
I区 301 0.077 5 760 东北 10 下 1962 40
302 0.077 5 760 东北 10 下 1962 0
303 0.130 0 760 东北 10 下 1962 30
304 0.097 5 760 东北 10 下 1962 20
II区 309 0.250 0 660 西北 6 下 1964 0
310 0.250 0 670 西北 10 中 1964 30
311 0.250 0 670 西北 6 下 1964 20
312 0.250 0 680 西北 10 下 1964 40
II区 317 0.100 0 615 东北 7 下 1964 20
318 0.112 5 610 东北 7 下 1963 40
319 0.100 0 605 东北 9 下 1963 30
320 0.100 0 600 东北 9 下 1964 0
2 试验方法
2.1 土样采集与测定
2007年 7月 ,在选择的 12块样地中 , 沿每块样地坡面的
上 、中和下部随机挖取 3个土壤剖面 ,按 0<土壤深度 h≤20
cm、20cm
后 ,用于测定土壤有机质(重铬酸钾外加热法);全 N(凯氏
法);碱解 N(扩散法);全 P(HClO4 -H2SO4法);有效 P(HCl-NH
4
F浸提 , 钼锑抗比色法);全 K、速效 K(火焰光度计法)和
土壤 pH值(酸度计法 ,水土比 2.5∶1)。
2.2 数据分析
采用单因素方差分析研究不同间伐强度及土壤深度对土
壤养分状况的影响 , 并在差异显著时进行多重比较(P<
0.05, LSD, t检验)。
3 结果与分析
从测定结果看 , 12块样地土壤均呈酸性, 根据土壤养分分
级标准 [ 6]或土壤养分贫瘠化等级的划分标准 [ 7] ,研究区 0<土
壤深度 h≤20cm土层除土壤有效 P质量分数较为丰富以外,
土壤有机质质量分数、土壤 N、P、K的全量和有效量均很丰富。
3.1 土壤养分在剖面上的垂直分布及其异质性
土壤有机质质量分数 、N、P和 K的全量和有效量在土壤
剖面上均呈规律性分布 , 表现出明显的空间异质性 ,随着土壤
深度的增加 ,土壤养分质量分数降低(表 2),符合一般变化规
律;而土壤 pH值在各土层间变化不大 , 土壤均呈酸性。方差
分析及多重比较结果表明:除土壤 pH值以外, 其它指标在 0<
土壤深度 h≤20cm、20cm
表 2 不同层次的土壤 pH值和养分状况
土壤深
度h/cm 土壤 pH值
有机质 /
g· kg-1
全 N/
g· kg-1
碱解 N/
mg· kg-1
全 P/
g· kg-1
有效 P/
mg· kg-1
全 K/
g· kg-1
速效 K/
mg· kg-1
0
注:表中数据为平均值 ±标准差;n=36。
土壤养分空间异质性的形成既有生物过程(包括生物的
吸收利用与植被的土壤养分效应)又有非生物过程(如雨水
的冲刷 、淋溶)的作用 [ 8] , 它是结构性因素和随机性因素共同
作用的结果。可采用养分变异系数反映土壤养分异质性 [ 9] 。
不同土壤养分的变异情况各不相同(变异系数可由表 2中的
均值和标准差计算获得)。不同土层之间土壤 pH值变异较
小(变异系数均小于 8%), 显示研究区土壤 pH值的空间变异
较小;而土壤养分变异系数均有不同程度的差异 ,其中 0<土
壤深度 h≤20cm土层土壤有效 P质量分数的变异系数最大 ,
达到 79.0%, 有机质质量分数的变异系数次之 , 为 54.8%, 而
其它养分质量分数的变异系数则介于 33.6 ～ 41.9%,显示了
该区土壤性状不均一的特点。土壤有效 P的变异较大 , 可能
主要与其在土壤中的化学行为 、利用方式 、落叶松等林木根系
分泌物对 P的活化作用等有关 , 另外 , 不同地形部位的土壤 ,
其基本理化性质的差异对P的有效性也有一定的影响 [ 10-12] 。
随土壤深度增加 ,有效 P、全 K和速效 K质量分数的变异
系数呈渐减的趋势 , 全 N和碱解 N质量分数的变异系数呈渐
增的趋势 , 而土壤有机质和全 P质量分数的变异系数规律性
不明显 , 但均属于中度变异 ,显示各土层土壤养分受外界环境
的干扰程度不同 , 也在一定程度上反映了土壤 N、P和 K的来
源 , 如土壤 P和 K可能主要来源于母质 ,因此 ,随土壤深度增
加 , 其受环境的干扰越小。但导致土壤 N随土壤深度变异程
度增大的原因还有待进一步研究。
3.2 间伐对土壤养分的表聚系数的影响
森林土壤养分的主要来源是土壤母岩的风化及凋落物养
分的归还。因凋落物直接归还到土壤表层 , 土壤有机质及养
分元素表聚明显。本研究中 , 表聚系数以 0
系数见表 2。土壤有机质 、全 N、碱解 N的表聚系数较大 , 而
全 P、全 K和速效K的表聚系数较小 ,说明不同养分元素的表
聚程度有差异 , N元素比 P、K元素更易于表聚 , 也表明土壤 N
素更多地来源于凋落物的归还 、土壤有机质的分解。
不同间伐强度下 , 土壤养分的表聚系数也存在差异(表
4—表 7)。土壤有机质 、全 N、碱解 N、全 K和速效 K, 均以中
度间伐的表聚系数最大 , 但在不同间伐强度的排序上有所不
同。
3.3 间伐对土壤 pH值和养分的影响
不同间伐强度下各层次土壤呈酸性 , 以中度间伐下的土
壤 pH值最大 , 弱度间伐下的土壤 pH值最小(表 3)。方差分
析表明:在 20cm
个土壤剖面来分析 , 不同间伐强度下的土壤 pH值差异极显
著(n=27, P<0.01),但均属于酸性范围。
69第 11期 王海燕等:近天然落叶松云冷杉林土壤养分特征
表 3 不同间伐强度下各层次土壤 pH值及方差分析结果
土壤深度h/cm 对照 弱度间伐 中度间伐 强度间伐 F值 P值
0
注:表中数据为平均值±标准差。
不同间伐强度下各层次土壤养分质量分数的变化规律不
尽一致。土壤有机质 、全 N和碱解 N质量分数的变化规律相
似。土壤有机质质量分数 , 以对照为最高 , 在 0
127.4、60.7、29.8g· kg-1(表 4)。土壤全 N质量分数 , 在 0<
h≤20cm和 40cm
为最高 , 以弱度间伐为最低(表 5)。土壤有效 P质量分数以
弱度间伐为最高 , 以中度间伐为最低;而土壤全 P、全 K和速
效 K质量分数的变化规律不明显(表 6、表 7)。方差分析表
明:间伐对土壤养分质量分数的影响均不显著(P>0.05), 说
明 40%以下的间伐强度 20a后没有引起土壤养分质量分数
的显著变化。
表 4 不同间伐强度下各层次土壤有机质质量分数及方差分析结果
g· kg-1
土壤深度 h/cm 对照 弱度间伐 中度间伐 强度间伐 F值 P值
0
表聚系数 4.42 4.28 5.35 3.64
注:表中数据为平均值 ±标准差。
表 5 不同间伐强度下各层次土壤全N和碱解 N质量分数
土壤深度 h/cm 对 照全 N/g· kg-1 碱解 N/mg· kg-1
弱度间伐
全 N/g· kg-1 碱解 N/mg· kg-1
中度间伐
全 N/g· kg-1 碱解 N/mg· kg-1
强度间伐
全 N/g· kg-1 碱解 N/mg· kg-1
0
表聚系数 3.99 4.18 3.76 4.22 3.98 4.77 3.75 4.66
注:表中数据为平均值 ±标准差。
表 6 不同间伐强度下各层次土壤全 P和有效 P质量分数
土壤深度 h/cm 对 照全 P/g· kg-1 有效 P/mg· kg-1
弱度间伐
全 P/g· kg-1 有效 P/mg· kg-1
中度间伐
全 P/g· kg-1 有效 P/mg· kg-1
强度间伐
全 P/g· kg-1 有效 P/mg· kg-1
0
表聚系数 1.71 2.59 1.38 3.09 1.43 2.12 2.07 2.06
注:表中数据为平均值 ±标准差。
表 7 不同间伐强度下各层次土壤全K和速效 K质量分数
土壤深度 h/cm 对 照全 K/g· kg-1 速效 K/mg· kg-1
弱度间伐
全 K/g· kg-1 速效 K/mg· kg-1
中度间伐
全 K/g· kg-1 速效 K/mg· kg-1
强度间伐
全 K/g· kg-1 速效 K/mg· kg-1
0
表聚系数 1.23 1.63 1.26 1.53 1.97 1.79 1.62 1.66
注:表中数据为平均值 ±标准差。
4 结论与讨论
研究区 0
很丰富。这与该林场某些样点土壤肥力的调查结果相似 [ 14] 。
所不同的是 , 本研究中的林分类型既不是落叶松或云冷杉人
工纯林 , 也不是天然混交林 , 而是一种特殊的近天然森林类
型。说明这种近自然林分能有效地维持土壤肥力 , 不会导致
地力衰退。随着土壤深度的增加 ,土壤养分质量分数降低 , 这
符合一般变化规律 , 其在 0
不同程度的差异 , 其中 0
土壤有机质 、全 N、碱解 N的表聚系数较大 , 而全 P、全 K
和速效 K的表聚系数较小 ,表明土壤 N素更多地来源于凋落
物的归还 、土壤有机质的分解 ,因而比 P、K元素更易于表聚。
不同间伐强度下 , 土壤养分的表聚系数也存在差(下转 73页)
70 东 北 林 业 大 学 学 报 第 37卷
在氮沉降初期 , 土壤的有效磷含量呈现明显的下降趋势 ,
只有极少数呈现上升趋势 , 但是上升幅度较小。说明样地中
的土壤在突如其来的氮沉降中呈现明显的不适应状态 , 以致
于严重影响了有效磷的质量分数。随着氮沉降的继续进行 ,
在氮沉降模拟中期 , 土壤有效磷质量分数虽然仍呈现出下降
趋势 , 但是下降趋势较初期已有好转 ,说明此时土壤已经开始
慢慢适应氮沉降对周围环境造成的影响。氮沉降初期为速效
磷和交换性 Ca2+的快速衰减和淋失阶段 ,说明氮沉降对有效
磷的影响分布规律与其相似 [ 15] 。在氮沉降率高的地区 , 植物
通过根系和树冠对过量的氮进行大量吸收从而引起氮在体内
累积。再加上氮沉降引起细根生长下降和菌根侵染减少 , 也
造成植物对营养元素的吸收减少。
在氮沉降模拟的中后期 , 土壤有效磷出现了明显的变化 ,
其中绝大部分土层有效磷质量分数已经呈现升高趋势 , 并且
非常明显 , 只有极少数依然呈现下降趋势 , 但是较前两次下降
趋势已经明显减弱。而且在高氮处理条件下中出现了 1次峰
值 , 随后减弱。说明在一定的水肥地热条件下 , 此种强度的氮
沉降和此时的模拟时间长度的结合使得土壤有效磷质量分数
达到了最佳状态 , 这为南方的低磷土壤找到一个最适合有效
磷吸收强度提供了参考。在氮沉降模拟后期 , 土壤有效磷吸
收依然呈现了第 3次土壤有效磷的变化趋势。其中大部分仍
然呈上升趋势 , 只有极少数呈下降趋势。 而且上升的幅度进
一步增大 , 下降的幅度进一步减小 ,但是没有出现吸收峰值。
由于酸雨释放活性铝 ,活性铝的水解增加土粒表面大量的吸
附点位 , 从而增加了磷的吸附固定。酸雨中的氢离子可以中
和羟基而有利于磷的吸附固定 [ 14] 。
本试验以木荷马尾松混交林土壤和林木养分为主要研究
对象 , 针对不同强度的氮沉降处理不同演替阶段的木荷马尾
松混交林中的不同营养元素分布状况的影响进行研究。希望
能对南亚热带阔叶林的相关研究提供一些基础数据。有效磷
是土壤肥力的重要指标之一 ,也是研究对象之一。在后续研
究中还会进行土壤有效磷与其他营养元素的关系 , 以及其他
营养元素各自的分布特点 , 不同恢复阶段各种元素的动态差
异 ,林木养分的相关分布规律 ,土壤与林木养分之间的关系等
研究。根据研究需要还将进行长期的磷以及其他元素的模拟
试验。研究发现土壤有效磷质量分数在一定情况下能够达到
峰值 ,具体的机理还需进行进一步的研究。
参 考 文 献
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(上接 70页)异 , 且以中度间伐的表聚系数最大。
不同间伐强度下 ,除土壤 pH值以外 , 土壤养分质量分数
的差异不显著(P>0.05), 说明 40%以下的间伐强度 , 20a后
没有引起土壤养分的显著变化。这与满秀玲等 [ 15]的研究结
果一致;但本研究结果与有关间伐强度对油松 、红松人工林土
壤养分的影响研究结果不同 , 如于海群等 [ 5]的研究结果表
明:随着间伐强度增大 , 油松幼龄人工林内土壤有机质 、速效
K、有效 P质量分数增加 , 且不同间伐强度对上述指标的影响
显著;刘明国等人 [ 16]的研究结果也表明:极强度间伐区(保留
株数 350株· hm-2)土壤的养分状况最好 , 有利于维持较高
的土壤肥力。这些都是在间伐 2 ～ 3a后对土壤养分的研究
结果。本研究是间伐 20a后的土壤养分状况调查与比较 , 经
过长期的林分发展 , 间伐对土壤养分质量分数的影响不显著 ,
也就是说间伐对土壤养分的长期效应并不显著。
致谢:参加外业调查的还有:朗璞玫 、李春明 、武继成 、陈
新美 、向玮 、曾翀 、何鹏 、刁军 、戎建涛 、陈晓光 、刘国民 、侯举
亮 、秦嗣波等 ,在此一并致谢!
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