王龍鳳 趙麗宏 肖偉偉 王樹力

( 東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) ( 黑龍江省尚志國有林場管理局) ( 東北林業(yè)大學(xué))

土壤是森林植物的養(yǎng)分庫，其養(yǎng)分狀況直接或間接影響著森林生產(chǎn)力及穩(wěn)定性[1]。土壤的養(yǎng)分狀況與森林的組成及生長密切相關(guān)。一方面，森林植物生長需要從土壤中汲取養(yǎng)分，土壤養(yǎng)分狀況決定了森林植物的類型及其生長[2-3]；另一方面，森林植物產(chǎn)生的凋落物歸還土壤，會影響林下土壤的養(yǎng)分狀況[4]。不同類型森林由于其凋落物性質(zhì)和凋落量存在差異，養(yǎng)分歸還量不同，對林下土壤養(yǎng)分狀況產(chǎn)生的影響也存在差異[5]。通過研究森林組成與土壤養(yǎng)分的關(guān)系，可為森林的科學(xué)經(jīng)營和林地養(yǎng)分的維持提供參考[6]。

紅松是我國東北地區(qū)珍貴的鄉(xiāng)土樹種，有著極高的經(jīng)濟和生態(tài)價值[7]。以紅松為主要組成樹種的闊葉紅松林對于東北地區(qū)生態(tài)環(huán)境的維護起著非常重要的作用[8-9]。由于歷史原因和不合理的利用，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能強大穩(wěn)定、生物量及生物多樣性較高的原始闊葉紅松林消耗殆盡[10-12]。雖然經(jīng)過大面積造林來盡力恢復(fù)紅松林，但紅松人工純林產(chǎn)生的一系列問題，如生物多樣性下降[10]、地力衰退等影響了闊葉紅松林的恢復(fù)進程。研究表明，在營造針闊混交林時引入闊葉樹種，增加植物多樣性，改善凋落物組成，可以有效促進養(yǎng)分循環(huán)，提高林地土壤肥力[13]，加速闊葉紅松林的恢復(fù)進程。以往研究主要針對紅松人工林下土壤的理化性質(zhì)，并取得了豐碩的研究成果[14-18]。但同一立地條件下，多種闊葉樹種混交對紅松人工林土壤影響作用的對比研究尚不多見，關(guān)于紅松人工純林與不同樹種紅松混交林間土壤養(yǎng)分差異方面的研究尚待深入。本研究以東北林業(yè)大學(xué)帽兒山尖砬溝試驗林場1987年營造的黃檗(Phellodendronamurense)紅松(Pinuskoraiensis)混交林、水曲柳(Fraxinusmandshurica)紅松混交林、胡桃楸(Juglansmandshurica)紅松混交林、紅松純林為研究對象，對照天然次生林分析紅松純林與其混交林間土壤有機C、全N、全P、速效K、水解N、有效P質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異，探索不同闊葉樹種混交對紅松人工林土壤養(yǎng)分的影響，旨在為紅松人工林的科學(xué)培育和林地土壤肥力的保持提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究地點為東北林業(yè)大學(xué)森林培育試驗站(45°23′～45°26′N，127°26′～127°39′E)，位于黑龍江省尚志市西側(cè)帽兒山試驗林場，屬長白山系張廣才嶺西坡小嶺余脈，為松嫩平原向張廣才嶺過度的低山丘陵區(qū)[19]。平均海拔300 m，坡度一般為6°～15°，地帶性土壤為暗棕壤。年均蒸發(fā)量1 094 mm，其中5—6月份蒸發(fā)量最高，占年蒸發(fā)量的35.9%。年平均降水量723 mm，主要集中于7—8月份，占全年降水量50%以上。研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫2.8 ℃，極端最低氣溫-44 ℃，極端最高氣溫34.8 ℃。研究區(qū)主要喬木有水曲柳、榆樹(Ulmuspumila)、長白落葉松(Larixolgensis)、紅松、紅皮云杉(Piceakoraiensis)、胡桃楸、白樺(Betulaplatyphylla)等；灌木主要有忍冬(LonicerajaponicaThunb)、茶條槭(AcerginnalaMaxim)、接骨木(Sambucuswilliamsii)等；草本主要有猴腿蹄蓋蕨(Athyriummultidendatum)、北重樓(Parisverticillata)、狹葉蕁麻(Urticaangustifolia)、輪葉百合(Liliumdistichum)、鈴蘭(Convallariamajalis)、林生茜草(Rubiasylvatica)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

本試驗選取1987年在次生林帶狀皆伐后同一山坡立地條件下營造的黃檗紅松混交林、水曲柳紅松混交林、胡桃楸紅松混交林、紅松純林為研究對象，以水曲柳和胡桃楸為主要組成樹種的次生林為對照(表1)?；旖涣种屑t松與黃檗、水曲柳、胡桃楸均為帶狀混交，株行距1.5 m×2.0 m，行數(shù)比為5∶3。紅松純林株行距為2.0 m×2.0 m。

表1 研究林分狀況

2.2 樣品采集及指標(biāo)測定

2020年8月，在選取的黃檗紅松混交林、水曲柳紅松混交林、胡桃楸紅松混交林、紅松純林、次生林中分別設(shè)置3塊20 m×20 m的樣地。在每塊樣地內(nèi)以“S”形選取5個點，去除上層枯落物層，分別在土壤深度(h)為0

采集的土壤樣品自然風(fēng)干，去除動植物殘體、根系、石塊后，研磨分別過篩，以測定土壤各項土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。土壤有機C質(zhì)量分?jǐn)?shù)使用TOC元素分析儀測定；土壤全N質(zhì)量分?jǐn)?shù)使用濃硫酸消煮-半微量凱氏定氮法測定；土壤全P質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用硫酸-高氯酸消化-鉬銻抗比色法測定；土壤水解N質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用堿解擴散法測定；土壤速效K質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定；土壤有效P質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用HCl-H2SO4浸提法測定[20]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010、SPSS 25.0整理分析試驗數(shù)據(jù)。對土壤樣品有機C、全N、全P、速效K、水解N、有效P質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定數(shù)據(jù)及有效養(yǎng)分與全量養(yǎng)分的比率進行單因素方差分析，并做LSD比較(a=0.05)[17]。

3 結(jié)果與分析

3.1 紅松人工林與次生林間土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異

在0

在10 cm

表2 紅松人工林與次生林各土層養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表3 紅松人工林較天然次生林的養(yǎng)分降低率

在20 cm

王淑坤[21]的研究表明，紅松人工林與次生林土壤養(yǎng)分特征有較大的差異，紅松人工林土壤養(yǎng)分狀況明顯低于次生林。龔珊珊等[22]發(fā)現(xiàn)，桉樹人工林表層土壤養(yǎng)分含量顯著低于天然林，相較于天然林，人工林對養(yǎng)分有更大的需求及消耗。本研究中，紅松人工林下所有土層土壤有機C、全N、全P、速效K、水解N、有效P質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于原有次生林，紅松人工林培育過程中土壤養(yǎng)分狀況較原有次生林土壤變差。相較于紅松混交林，紅松純林土壤養(yǎng)分下降程度更大。說明長期培育紅松人工純林加速了土壤養(yǎng)分的下降進程。一方面，針葉純林下物種多樣性較次生林低，其地表針葉枯落物難以分解[23]，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分下降[24]；另一方面，由于針葉分解導(dǎo)致pH降低[25]，人工針葉純林的土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性也較次生林下降，其土壤有機質(zhì)分解能力和腐殖質(zhì)合成強度均弱于次生林，土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力亦比天然次生林差[26]。

3.2 紅松混交林與紅松純林間土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異

在0

在10 cm

表4 紅松混交林較紅松純林的土壤養(yǎng)分提高率

在20 cm

馮健等[27]研究表明，針闊混交林土壤養(yǎng)分含量高于針葉純林，混交林能夠更好的維持土壤肥力。衣曉丹等[28]研究發(fā)現(xiàn)，營造杉木馬尾松混交林可以在一定程度上改善土壤養(yǎng)分狀況，是防止因多代連載杉木純林導(dǎo)致地力下降的有效措施。本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果基本一致。與紅松純林相比，紅松混交林土壤全C、全N、全P、速效K、水解N、有效P質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有不同程度的提高，胡桃楸紅松混交林各層土壤全C、全N、速效K、水解N、有效P質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高率大于黃檗紅松混交林、水曲柳紅松混交林。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是紅松混交林中黃檗、水曲柳、胡桃楸均為闊葉樹種，產(chǎn)生的凋落物較多，歸還給土壤的有機殘體量較大，回歸土壤養(yǎng)分量高。也有研究表明，黃檗內(nèi)含有生物堿[29]，水曲柳、胡桃楸葉片呈中性[25]，能夠緩解栽植紅松造成的土壤酸化，更好的促進紅松混交林土壤養(yǎng)分循環(huán)。而紅松純林為單一針葉樹種，質(zhì)地較硬的針葉中含有木質(zhì)素類等較難分解的物質(zhì)，加之針葉有油脂包被，分解受到抑制[30]，養(yǎng)分回歸土壤相對較難。

3.3 紅松混交林與紅松純林間土壤養(yǎng)分有效性差異

土壤有效養(yǎng)分能被植物直接吸收利用，有效養(yǎng)分占全量的比率反映了不同林分對養(yǎng)分的活化能力[31]。不同樹種與紅松混交，由于其樹種特性、根系分布、根系分泌物、養(yǎng)分互補格局均不相同，對N元素、P元素的活化能力也均不同。對于水解N與全N的比率，在0

表5 紅松混交林與純林間土壤有效養(yǎng)分比率

4 結(jié)論

次生林采伐后營造紅松純林以恢復(fù)林地營養(yǎng)的過程中，由于林分生長吸收大量營養(yǎng)，土壤出現(xiàn)了一定程度的地力下降。紅松人工林各層土壤的有機C、全N、全P、速效K、水解N、有效P質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于次生林；紅松混交林各層土壤的有機C、全N、全P、水解N、有效P、速效K質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于紅松純林，其中以胡桃楸紅松混交林養(yǎng)分提高程度最大。不同混交樹種對紅松混交林下土壤營養(yǎng)的活化能力不同，胡桃楸對N、P元素的活化能力均高于黃檗和水曲柳?；謴?fù)過程中應(yīng)用以培育混交林為主，并針對不同混交樹種的紅松人工林采取不同的營養(yǎng)調(diào)控對策。