趙偉紅，康峰峰，韓海榮，程小琴，胡景東，韓樹文，池桂杰

（1.北京林業(yè)大學 林學院，北京 100083；2.河北省平泉縣林業(yè)局，河北 平泉 067500）

冀北遼河源地區(qū)不同林齡山楊天然次生林土壤理化特征的研究

趙偉紅1，康峰峰1，韓海榮1，程小琴1，胡景東2，韓樹文2，池桂杰2

（1.北京林業(yè)大學 林學院，北京 100083；2.河北省平泉縣林業(yè)局，河北 平泉 067500）

為了探討不同林齡山楊天然次生林土壤理化性質(zhì)的差異，以遼河源地區(qū)山楊Populus davidiana為研究對象，研究了不同林齡的林分土壤理化特征及其垂直分布特征。結(jié)果表明：（1）隨著林齡的增加，山楊在0～100 cm各土層土壤容重（1.07～1.69 g·cm-3）和土壤全K含量（4.32～4.72 g·kg-1）均表現(xiàn)出成熟林＞近熟林＞中齡林，而土壤含水量（7.35%～24.39%）從高到低為中齡林＞近熟林＞成熟林。土壤全N含量（0.28～2.76 g·kg-1）、土壤全P含量（0.46～1.37 g·kg-1）先增加后降低，即近熟林＞成熟林＞中齡林，而土壤pH值（5.03～5.98）變化規(guī)律為先降低后增加，表現(xiàn)為成熟林＞中齡林＞近熟林。土壤有機質(zhì)含量（2.64～31.99 g·kg-1）的變化規(guī)律較為波動，在0～20 cm土層為近熟林＞中齡林＞成熟林，但在20～100 cm土層則呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。（2）各林齡林地土壤容重、土壤全K含量隨著土層深度的增加而增加，土壤含水量、土壤有機質(zhì)含量、N、P含量隨著土層深度的增加逐漸降低，土壤pH值隨著土層深度的增加呈先升后降的變化趨勢。（3）土壤理化性質(zhì)各指標相關性分析表明，土壤含水量與土壤容重呈極顯著負相關，與土壤有機質(zhì)、全N呈極顯著正相關；土壤容重與土壤有機質(zhì)、全N呈極顯著負相關；土壤pH值與土壤全K呈極顯著負相關；土壤有機質(zhì)與全N呈極顯著正相關，與土壤全K呈極顯著負相關；土壤全N與土壤全P呈極顯著正相關，與全K呈極顯著負相關；土壤全P與土壤全K呈極顯著負相關。

山楊；天然次生林；不同林齡；土壤垂直分布特征；土壤理化性質(zhì)；遼河源地區(qū)

土壤為植被提供必要的物質(zhì)基礎，提供植被生長所需的水分和各種營養(yǎng)元素[1]，同時植被也參與土壤的形成，改善著土壤的性狀。山楊Populus davidiana是耐寒冷、耐干旱瘠薄土壤的樹種，可在密集林分中生長，對保持水土有較大作用[2]。然而由于長期以來人類對生物資源的過度開發(fā)，遼河源自然保護區(qū)原始的天然植被不斷減少，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性遭受影響，林區(qū)土壤結(jié)構(gòu)松散，并由此表現(xiàn)出一系列的生態(tài)失調(diào)現(xiàn)象[3]。因此，研究該地區(qū)山楊土壤的理化性質(zhì)，了解在森林發(fā)育過程中土壤理化性質(zhì)的變化規(guī)律，對于該地的森林保護具有重要意義。

目前，國內(nèi)外關于各類型森林土壤特性的研究報道很多[4-8]，關于山楊的研究主要集中在人工林山楊的土壤理化特性和遺傳多樣性方面[9-10]，而對于地處河北遼河源地區(qū)山楊天然次生林土壤理化性質(zhì)的研究報道極少。本研究以山楊天然次生林為研究對象，針對林齡差異與土壤養(yǎng)分特征的關系，研究其土壤理化特性隨林齡的變化規(guī)律，為森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能中積累營養(yǎng)物質(zhì)功能大小的研究提供基礎資料，為遼河源自然保護區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤與植物營養(yǎng)學基礎研究提供可參考的數(shù)據(jù)和方法指導，同時為保護區(qū)保護和管理提供理論基礎。

1 研究地概況

選取位于河北省平泉縣遼河源自然保護區(qū)大窩鋪林場為研究地點，保護區(qū)總面積33 554.3 hm2，是河北、遼寧、內(nèi)蒙三省交界地。地理坐標為東經(jīng) 118°22′39″～ 118°37′21″， 北 緯 41°01′30″～41°21′15″。該地區(qū)處于暖溫帶向寒溫帶過渡地帶，屬于半濕潤半干旱大陸性季風型山地氣候，年均氣溫7.3℃，晝夜溫差大。年平均降水量540 mm，年平均蒸發(fā)量1 800 mm，濕潤度為40%。土壤主要是棕壤土和褐土，土層深厚。

遼河源自然保護區(qū)保存有大面積的天然次生林和完好的天然植被，物種非常豐富，植被類型多樣，以山楊Populus davidiana、油松Pinus tabulaeformis、 白 樺Betula platyphylla、遼東櫟Quercus mongolica為主。本研究以中齡林、近熟林、成熟林山楊為研究對象，林下灌木主要為土莊繡線菊Spiraea pubescens、胡枝子Lespedeza bicolor、 榛Corylus heterophylla、毛榛Corylus mandshurica、三裂繡線菊Spiraea trilobata、小葉鼠李Rhamnus parvifolia、照山白Rhododendron micranthum等，草本主要為細葉 薹 草Carex duriusculasubsp.stenophylloides、大油芒Spodiopogon sibiricus、玉竹Polygonatum odoratum、銀背風毛菊Saussurea nivea、歪頭菜Vicia unijuga等。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

2012年植物生長季（7～9月），在經(jīng)過全面實地調(diào)查并分析林分狀況的基礎上，選擇林相整齊、具有代表性的不同林齡山楊林地段作為固定標準地。在上述試驗林內(nèi)共設計9塊（中齡林、近熟林、成熟林各3塊）面積為600 m2（20 m×30 m）的固定樣地，對樣地內(nèi)喬木進行每木檢尺，并調(diào)查樣地基本因子，樣地概況見表1。

表1 山楊試驗樣地基本情況?Table 1 Basic situations of P. davidianatested plots

2.2 土壤樣品的采集與處理

在各樣地內(nèi)，采用常規(guī)的典型抽樣法，每樣地挖取3個土壤剖面。首先觀察土壤剖面的層次、厚度、顏色、濕度、結(jié)構(gòu)、緊實度、質(zhì)地、植物根系分布等，然后從上到下按照0～10、10～20、20～ 40、40～ 60、60～ 80、80～ 100 cm分6層采集各土層的土壤樣品，每一層平行取3次，共計486份樣品。并記錄土壤每層的顏色、結(jié)構(gòu)、緊實度、根量、石礫含量。將所采土壤樣品裝入土壤密封袋，在自然條件下陰干。帶回實驗室后，用鑷子除去石塊、根系、動物等雜物后磨碎，過1、0.25 mm 篩保存，用于測定土壤基本理化性質(zhì)；同時用環(huán)刀（100 cm3）在每一層取土樣測定土壤容重和土壤自然含水量，3次重復。去除環(huán)刀內(nèi)土樣的植物根系和石礫，在105 ℃烘干12 h后，稱量并計算其土壤容重和土壤自然含水量。

2.3 土壤理化性質(zhì)測定方法

土樣采用中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準方法進行測定[11]。采用環(huán)刀法測定土壤容重及自然含水量；采用電位法測定土壤pH值；采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定土壤有機質(zhì)含量；采用濃硫酸—高氯酸消煮—凱氏定氮法測定土壤全N含量；采用濃硫酸—高氯酸消煮—鉬銻抗比色法測定全P含量；采用氫氧化鈉熔融—火焰光度計法測定全K含量。

2.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理采用Excel2007進行整理分析，單因素方差分析、LSD法多重比較、相關性分析運用SPSS19.0軟件進行。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林齡山楊林土壤物理性質(zhì)的特征變化

不同林齡山楊土壤自然含水量在各土層變化規(guī)律一致（見表2）。隨著林齡的增加，含水量從高到底為：中齡林＞近熟林＞成熟林。方差分析顯示在0～10 cm和20～80 cm土層，各林齡間土壤自然含水量差異均不顯著（P＞0.05）；10～20 cm土層，中齡林與近熟林、成熟林存在顯著差異（P＜0.05）；80～100 cm土層，成熟林土壤自然含水量與中林齡、近熟林存在顯著差異（P＜0.05）。垂直方向上，不同林齡山楊林土壤含水量逐漸減小。方差分析顯示，中齡林各土層土壤自然含水量差異均不顯著（P＞0.05）；近熟林在0～10 cm土層土壤含水量與其它各土層土壤含水量差異顯著（P＜0.05）；成熟林在0～10、10～20 cm土層土壤含水量與20～40、40～60 cm土層的差異不顯著（P＞0.05），但與60～80、80～100 cm土層的差異顯著（P＜0.05）。

同一土層土壤容重在不同林齡階段上的變化規(guī)律表現(xiàn)基本一致。隨著林齡的增加，土壤容重逐漸增加，即成熟林＞近熟林＞中齡林。方差分析顯示，同一土層各林齡土壤容重差異均不顯著（P＞0.05）。隨著土層深度的增加，各林齡土壤容重逐漸增加。方差分析表明，近熟林土壤容重在垂直方向上差異顯著（P＜0.05），中齡林與成熟林差異均不顯著（P＞0.05）。

表2 不同林齡山楊土壤物理性質(zhì)?Table 2 Changesof soil physical properties affected by different tree-ages in P. davidiana natural secondary forests

3.2 不同林齡山楊土壤化學性質(zhì)的特征變化

3.2.1 土壤pH值隨著林齡的變化規(guī)律

本研究中，土壤pH值的變化隨林齡增加有所波動（如表3所示）：山楊林土壤pH值在各土層均是成熟林＞中齡林＞近熟林。由方差分析可知：0～10、10～20 cm土層，成熟林土壤pH值和幼齡林、近熟林土壤pH值差異不顯著（P＞0.05）。其它土層，成熟林土壤pH值和中齡林、近熟林土壤pH值差異顯著（P＜0.05）。隨著土層深度的增加，土壤pH值有先增后降低的趨勢，垂直方向各林齡pH值差異均不顯著（P＞0.05）。

3.2.2 土壤全N含量隨著林齡的變化規(guī)律

表3中不同林齡階段山楊天然次生林全N含量在各土層表現(xiàn)為近熟林＞中齡林＞成熟林。由方差分析可知：0～10 cm土層，山楊成熟林土壤N含量與中齡林、近熟林差異顯著（P＜0.05）。10～20 cm土層，山楊中齡林土壤N含量與近熟林、成熟林差異顯著（P＜0.05）。其它土層，各林齡土壤含N含量均無顯著差異（P＞0.05）。山楊各林齡土壤全N含量隨土層深度的增加逐漸降低且差異顯著（P＜0.05）。

3.2.3 土壤全P含量隨著林齡的變化規(guī)律

各林齡土壤全P含量變化程度如表3所示：0～100 cm各土層土壤全P含量為近熟林＞成熟林＞中齡林，各土層3種林齡山楊土壤全P含量差異顯著（P＜0.05）。垂直方向上，山楊土壤全P隨著土層深度的增加逐漸降低。方差分析顯示，中齡林、成熟林土壤全P含量在各土層間差異均不顯著（P＞0.05），而近熟林則差異顯著（P＜0.05）。

表3 不同林齡山楊土壤化學性質(zhì)Table 3 Changes of soil chemical properties affected by different tree-age in P. davidiananatural secondary forests

3.2.4 土壤全K含量隨著林齡的變化規(guī)律

同一土層土壤全K含量隨著林齡變化逐漸減少，表現(xiàn)為中齡林＞近熟林＞成熟林（見表3）。由方差分析可知：10～20、40～60以及60～80 cm土層中齡林土壤全K含量與近熟林、成熟林差異顯著（P＜0.05），其它土層各林齡間差異皆不顯著（P＞0.05）。在垂直剖面上，山楊各林齡土壤全K含量隨著土層深度的增加逐漸增加。中齡林10～20 cm土層土壤全K含量與其它各土層差異顯著（P＜0.05），20～100 cm土層間均無顯著差異（P＞0.05）。近熟林土壤全K含量在各土層間均差異顯著，而成熟林土壤全K含量在各土層間則無顯著差異（P＞0.05）。

3.2.5 土壤有機質(zhì)含量隨著林齡的變化規(guī)律

表3所示：在0～20 cm土層土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為近熟林＞中齡林＞成熟林，而在20～100 cm土層土壤有機質(zhì)含量隨著林齡的增加先降低后增加，具體表現(xiàn)為成熟林＞中齡林＞近熟林。方差分析表明，在0～20 cm土層山楊3種林齡間差異不顯著（P＞0.05），在20～40、40～60 cm土層中齡林土壤有機質(zhì)含量與近熟林、成熟林差異顯著（P＜0.05），而在60～80、80～100 cm土層，成熟林土壤有機質(zhì)含量與中齡林、近熟林差異顯著（P＜0.05）。在垂直剖面上，土壤有機質(zhì)變化規(guī)律與土壤全K含量變化規(guī)律相反，各林齡土壤有機質(zhì)含量隨土層深度的增加逐漸降低，中齡林土壤有機質(zhì)在各土層間差異不顯著（P＞0.05），近熟林、成熟林各土層間差異性顯著（P＜0.05）。

3.3 土壤各測定指標之間相關性分析

分析養(yǎng)分之間的相關性，可以了解它們之間的相互作用、相互影響情況。本研究相關性分析結(jié)果（見表4）表明：各測定指標間有著密切的相關性。土壤含水量與土壤容重呈極顯著負相關（P＜0.05），與土壤有機質(zhì)、全N呈極顯著正相關（P＜0.05）；土壤容重與土壤有機質(zhì)、全N呈極顯著負相關（P＜0.05）；土壤pH值與土壤全K呈極顯著負相關（P＜0.05）；土壤有機質(zhì)與全N呈極顯著正相關，與土壤全K呈極顯著負相關（P＜0.05）；土壤全N與土壤全P呈極顯著正相關，與全K呈極顯著負相關（P＜0.05）；土壤全P與土壤全K呈極顯著負相關（P＜0.05）。

表4 各測定指標之間的相關性分析?Table 4 Correlation analysis on among different indicators

4 結(jié)論與討論

（1）土壤含水量是土壤孔隙度狀況及土壤持水能力的綜合體現(xiàn)，能夠較好地反映土壤水分和林內(nèi)濕潤狀況[12]。遼河源自然保護區(qū)山楊天然次生林土壤（0～100 cm）含水量在7.37%～24.39%之間變動，且隨著林齡的增加而降低的規(guī)律。這主要是因為，中齡林土壤林分密度高，地表凋落物較多，由蒸發(fā)作用散失的水分較少，因而含水量最高。近熟林、成熟林為滿足自身生長，從土壤中吸收大量水分，從而導致含水量降低，這與張遠東等[13]的研究結(jié)果一致。土壤容重是土壤物理性質(zhì)的一個重要指標，是土壤松緊程度的一項尺度，影響土壤的滲水性、通氣性、入滲性能、持水能力[14]。該自然保護區(qū)山楊天然次生林土壤（0～100 cm）容重在1.07～1.69 g·cm-3之間變化，且變化規(guī)律與土壤含水量相反，即隨著林齡的增加而逐漸增加。相關性分析表明：土壤容重與土壤含水量呈極顯著負相關（P＜0.05），容重越低，土壤持水性越強。土壤容重與土壤有機質(zhì)呈極顯著負相關關系（P＜0.05），這表明土壤容重的增加與土壤有機質(zhì)降低有關，這與姜林等[15]的研究結(jié)果一致。容重越大，表明土壤越緊實，通氣性越差；容重越小，表明土壤疏松多孔，物理通氣性較好。

（2）土壤酸堿度是土壤的重要化學性質(zhì)，直接影響植物的生長和微生物的活動以及土壤的其他性質(zhì)與肥力狀況[16]。本研究中隨著林齡的增加，土壤（0～100 cm）pH值在5.03～5.98范圍內(nèi)變化，其中成熟林＞中齡林＞近熟林，可能是因為近熟林郁閉度較低，林下凋落物分解、根系分泌過程中產(chǎn)生的有機酸較中齡林、成熟林多，引起土壤pH值降低。K素在森林植物生物化學和生理生態(tài)中有廣泛作用[17]，本研究中土壤（0～100 cm）全K含量在4.32～4.72 g·kg-1范圍內(nèi)，隨著年齡的增加逐漸增加。土壤有機質(zhì)水平是表征和衡量土壤肥力狀況的重要指標[18]，3種林齡林分土壤有機質(zhì)含量（2.64～31.99 g·kg-1）隨著林齡的變化規(guī)律較為波動，在0～20 cm土層為近熟林＞中齡林＞成熟林，但在20～100 cm土層則呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。土壤全K含量和土壤有機質(zhì)含量呈極顯著負相關關系（P＜0.05）。原因可能由于近熟林郁閉度較低，表層土壤微生物活動頻繁，凋落物分解產(chǎn)生的有機質(zhì)較中齡林、成熟林高。而在20～100 cm土層，近熟林因為生長原因消耗了大量的養(yǎng)分，導致有機質(zhì)含量降低；而成熟林土壤中枯枝落葉等凋落物含量高，而且隨著根系分泌物的分解，釋放的養(yǎng)分歸還給土壤，土壤有機質(zhì)含量較高[19]。土壤全N含量是衡量土壤氮素供應狀況的重要指標，直接影響植物的生長發(fā)育。土壤中N素主要來源于動、植物殘體的積累、土壤中微生物的固定，土壤全N含量的大小主要決定于土壤有機質(zhì)的積累與分解強度[20]，本研究中土壤（0～100 cm）全N含量變化范圍是0.28～2.76 g·kg-1，土壤全N含量與土壤有機質(zhì)含量呈極顯著正相關（P＜0.05）。P是植物體內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)和酶等多種化合物的組成元素，是植物生長的主要營養(yǎng)元素之一[21]。在自然森林生態(tài)系統(tǒng)中，其主要來源于林地凋落物的礦化以及土壤礦質(zhì)顆粒的風化過程。土壤（0～100 cm）全P含量變化范圍是0.46～1.37 g·kg-1，二者隨著林齡的變化規(guī)律均為先增加后降低，相關分析表明，土壤全P含量與土壤全N含量具有極顯著正相關關系（P＜0.05）。

（3）各林齡土壤水分垂直變化總體趨勢基本上一致，呈現(xiàn)減少趨勢。這是由于土壤表層地表凋落物較為豐富，土壤孔隙度大，土松軟，石礫含量較多，利于降雨的截留。底層土壤石礫含量較少，土質(zhì)堅硬、緊實，土壤通透性變差，同時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變低。土壤容重變化規(guī)律與土壤含水量相反，隨著土層深度的增加逐漸增加。這是由于土層越深，土壤有機質(zhì)含量越少，土質(zhì)越不疏松，致使土壤容重增加[22]。土壤pH值隨著土層深度的增加先增加后降低，土壤全K含量隨著土層深度的增加而增加，土壤有機質(zhì)含量、全N、全P含量隨著土層深度的增加逐漸降低。土壤營養(yǎng)元素在土壤剖面垂直方向上質(zhì)量分數(shù)的變化既與成土過程有關，也與植物生長、枯落物和殘體的分解及不同元素的特性有關[23]。

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Study on soil physical and chemical properties of Populus davidiana natural secondary forests with various tree-ages in Liaoheyuan Natural Reserve of northern Hebei province

ZHAO Wei-hong1,KANG Feng-feng1,HAN Hai-rong1,CHENG Xiao-qin1,HU Jing-dong2,HAN Shu-wen2,CHI Gui-jie2
(1. Forestry College,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China;2. Pingquan County Forestry Bureau,Pingquan 067500,Hebei,China)

The characteristics of soil physical and chemical properties at different stand ages and soil layer depth were investigated in Populus davidiana natural secondary forests of Liaoheyuan Nature Reserve in Hebei province,in order to explore the effects of different forest ages on the soil physicochemical characteristics. The results show that (1) With the increase of forest ages,the soil total K contents(4.32 ～ 4.72 g·kg-1) and soil density values (1.07 ～ 1.69 g·cm-3) of the P. davidiana stands in 0 ～ 100 cm soil layers ranked with an order: mature forest＞ nearly mature forest＞ middle-aged forest,whereas those of soil moisture (7.35% ～ 24.39%) sequenced as follow: middle-aged forest＞ nearly mature forest＞ mature forest on; Soil total N contents (0.28 ～ 2.76 g·kg-1) and soil total P contents (0.46 ～ 1.37 g·kg-1) increased fi rst then decreased gradually and sorted from high to low as: nearly mature forest ＞ mature forest ＞ middle-aged forest,while soil pH values (5.03 ～ 5.98) decreased fi rst and then increased signi fi cantly and ordered as mature forest ＞ middle-aged forest ＞ nearly mature forest; The soil organic matter (2.64 ～ 31.99 g·kg-1) fl uctuated according to the forest age in 0 ～ 20 cm soil layer and ranked as: nearly mature forest ＞ mature forest ＞ middle-aged forest,but they had the contrary tendency in 20～100 cm soil layer. (2) The soil pH increased fi rstly and then decreased gradually,the soil bulk density and soil total K content increased with the soil layer depth while the soil moisture,soil organic matter,soil total N,soil total P and soil total K exceeded the rate of increase with the soil layer depth of every forest age. (3) Correlation analysis showed that there were correlations between each physical and chemical indexes in different levels,the soil moisture had a negative correlation with soil bulk density while had positive correlations with soil organic matter and soil total N; The soil bulk density had negative correlations with soil organic matter and soil total N; The soil pH had a negative correlation with soil total K; The soil organic matter had a positive correlation with soil total N but a negative correlation with soil total K]The soil total N had a positive correlation with soil total P but a negative correlation with soil total K;The soil total P had a negative correlation with soil total K.

Populus davidiana; natural secondary forest; different forest age; vertical distribution characteristics of soil; soil physical and chemical properties; Liaoheyuan Natural Reserve in northern Hebei province

S714.2；S792.114

A

1673-923X(2016)01-0052-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.01.009

2014-04-03

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項“森林生態(tài)服務功能分布式定位觀測與模型模擬”（201204101）

趙偉紅，碩士研究生 通訊作者：韓海榮，教授； E-mail：hanhr@bjfu.edu.cn

趙偉紅，康峰峰，韓海榮，等. 冀北遼河源地區(qū)不同林齡山楊天然次生林土壤理化特征的研究[J].中南林業(yè)科技大學學報，2016,36(1): 52-57.

[本文編校：謝榮秀]