张广才岭典型森林土壤养分特征与综合质量评价

刘玉龙,陈 瑶,刘延坤,李云红*

(1.黑龙江省生态研究所 森林生态与林业生态工程重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150081;2.黑龙江牡丹江森林生态系统国家定位观测研究站,黑龙江 牡丹江 157500)

0 引言

【研究意义】土壤作为森林生态系统的重要组成部分,为植物生长发育提供必备的营养元素,同时也提供植物生长所需的水分,是森林生态系统中物理、化学、生物等生态过程等重要载体[1]。张广才岭林区是我国重要的林区之一,是我国北方东部地区重要的生态屏障,对其不同森林类型土壤养分特征进行研究,有助于揭示该区森林植被与土壤的关系以及土壤肥力的维持机制。【前人研究进展】在林分尺度上,植物是影响土壤养分资源异质性的重要生物组分[2-3]。植物通过其凋落物的数量和质量在影响土壤养分空间分布的同时也对土壤养分异质性做出反应,土壤养分的变化则直接影响植物的更新生长[4]。有研究发现,天然林土壤养分含量高于人工林[5],混交林土壤养分含量优于纯林[6],而同一人工林林分随林龄增大土壤养分含量降低后,林下植被生物量也随之降低[7-8],表明土壤养分与地上植被呈相互依存的关系。【研究切入点】张广才岭林区经过采伐干扰,原生地带性顶级植被群落阔叶红松林大面积减少,根据干扰程度、人工更新不同,形成次生阔叶林和针叶纯林,但此区域各林分类型的土壤养分特征与顶级群落的差异鲜有报道。【拟解决的关键问题】依据张广才岭区域地带性植被分布及演替特征,选取阔叶红松林、杨桦林、蒙古栎林、落叶松林、云冷杉林5种典型林分为研究对象,对比分析各林分土壤养分含量特征,综合评估各林分土壤养分状况,为该区域森林可持续发展提供理论依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

试验地位于黑龙江牡丹江森林生态系统国家定位观测研究站(130°03′36"～130°12′15"E,43°56′50"～44°12′38"N),站区位于乌苏里江主要支流穆棱河的源头即黑龙江省东南部的牡丹江市穆陵林业局有限公司双宁林场内,该区域位于温带大陆性季风气候区,属于长白山-小兴安岭过渡带区域的张广才岭,区内森林类型典型多样,对全球气候变化具有很强的敏感性和鲜明的代表性。

1.2 样地设置

根据所选研究区域地带性植被分布及演替特征,选取在阔叶红松林、阔叶混交林、落叶松林、蒙古栎林、云冷杉林5种不同森林覆被类型设置样地。每种森林类型随机设置3块样地,样地面积为20 m×20 m,样地详细信息见表1。

表1 试验样地的基本信息Table 1 Basic information of tested plots

1.3 土壤样品采集与分析

1.3.1 样品采集 在样地内按对角线蛇形取样,每个样地内采集12个样点。每个样点用土钻分0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm3层采集土样。将采集的土样带回实验室,4个样点做1个混合样,风干后过100目筛,用于土壤养分测定。

1.3.2 指标测定 土壤有机质(SOM)采用Multi N/C2100分析仪(Analytik Jena AG,Germany)测定,土壤全氮(TN)含量采用半微量凯氏法利用全自动凯氏定氮仪,土壤全磷(TP)含量采用钼锑抗比色法利用紫外分光度计测定,土壤速效氮(AN)采用碱解蒸馏法测定,土壤有效磷(AP)采用盐酸-氟化铵法测定。

1.3.3 土壤质量评价方法 土壤养分可以反应土壤质量,选取SOM、TN、TP、AN、AP 5个指标评价不同林分土壤质量。评价方法采用改进的内梅罗综合指数法[9],土壤综合质量等级标准如表2。

表2 土壤综合质量等级标准Table 2 Grade standard of soil comprehensive quality

1.4 数据统计与分析

利用Excel 2007和SPSS 19.0对数据进行处理。采用方差分析(ANOVA)判断各林型间土壤养分的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同林型土壤养分的分布特征

由图1可见,不同林型土壤有机质、全氮、全磷、速效氮和速效磷的分布特征。

2.1.1 有机质 张广才岭5种森林类型土壤表层(0～10 cm)有机质含量(SOM)为86.83～215.67 g/kg,其中,阔叶混交林显著高于其他林分(P<0.05),比云冷杉林、阔叶红松林、落叶松林和蒙古栎林分别高68.30%、82.28%、118.83%和148.38%。亚表层(10～20 cm),各林型SOM含量为42.76～82.24 g/kg,但差异不显著(P>0.05)。底层(20～30 cm)阔叶混交林(141.02 g/kg)与蒙古栎林(70.63 g/kg)差异不显著(P>0.05),但显著高于其他3个林型(P<0.05)。5种林型的不同土层间均表现出随土层加深而降低的趋势,其中阔叶红松林和阔叶混交林土壤表层(0～10 cm)显著高于亚表层和底层(P<0.05)。

2.1.2 全氮 5种森林类型土壤表层(0～10 cm)全氮(TN)含量为1.21～5.51 g/kg,其中,阔叶混交林显著高于其他林分(P<0.05),比云冷杉林、阔叶红松林、蒙古栎林和落叶松林分别高94.79%、113.24%、158.03%和358.58%。亚表层(10～20 cm)和底层(20～30 cm)各林型土壤TN含量范围分别为0.87～2.06 g/kg和0.74～2.62 g/kg,但差异不显著(P>0.05)。5种林型的不同土层间均表现随土层加深而降低的趋势,其中,阔叶混交林土壤表层(0～10 cm)显著高于亚表层和底层(P<0.05)。

注:不同柱子上大小写字母分别表示不同林型间差异显著(P<0.05)和同一林型不同土层差异显著(P<0.05)。Note:Different capital and lowercase letters indicate significance of difference between different forest types and between different soil layers under the same forest type at P<0.05 level,respectively.图1 不同林型的土壤养分含量Fig.1 Nutrient content of soil in different types of forest

2.1.3 全磷 5种森林类型土壤表层(0～10 cm)全磷(TP)含量范围为0.93～1.83 g/kg,其中,云冷杉林显著高于其他林分(P<0.05),比阔叶混交林、阔叶红松林、落叶松林和蒙古栎林分别高73.96%、84.51%、88.01%和95.84%,其他4种林型差异不显著(P>0.05)。亚表层(10～20 cm)各林型土壤TP含量为0.69～1.29 g/kg,但差异不显著(P>0.05)。底层(20～30 cm)各林型土壤TP含量范围为0.57～1.51 g/kg,阔叶红松林与云冷杉红松林土壤TP含量最高,且差异不显著(P>0.05),二者显著高于落叶松林(P<0.05)。云冷杉林土壤TP含量表现出随土层加深而降低的趋势,其中土壤表层(0～10 cm)显著高于底层(P<0.05),其他4个林型TP含量在土壤剖面上未表现出明显规律性。

2.1.4 速效氮 5种森林类型土壤表层(0～10 cm)、亚表层(10～20 cm)和底层(20～30 cm)速效氮(AN)含量分别为314.53～436.30 mg/kg、135.80～237.83 mg/kg和109.77～160.27 mg/kg,3个土层各林型AN含量差异均不显著(P>0.05)。5种林型的不同土层之间均表现出随土层加深而降低的趋势,其中,阔叶红松林、阔叶混交林、落叶松和云冷杉林土壤表层(0～10 cm)AN含量显著高于亚表层和底层(P<0.05),蒙古栎林土壤表层AN含量显著高于底层,二者均与亚表层差异不显著(P>0.05)。

2.1.5 速效磷 5种森林类型土壤表层(0～10 cm)、亚表层(10～20 cm)和底层(20～30 cm)速效磷(AP)含量分别为12.29～82.83 mg/kg、19.82～78.19 mg/kg和19.19～86.02 mg/kg。云冷杉林和蒙古栎林土壤表层(0～10 cm)AP含量差异不显著(P>0.05),但二者显著高于其他3种林型(P<0.05);云冷杉林与蒙古栎林土壤亚表层(10～20 cm)AP含量差异不显著(P>0.05),但比阔叶红松林、阔叶混交林和落叶松林分别显著高112.46%、219.64%和294.57%(P<0.05);云冷杉林土壤底层(20～30 cm)AP含量显著高于其他4种林型(P<0.05),落叶松林土壤AP含量显著低于其他4种林型(P<0.05)。5种林型的不同土层间未表现明显规律性,但各土层之间差异均不显著(P>0.05)。

2.2 土壤质量评价

由表3可见,5种林型土壤综合质量指数为1.399～2.390,介于优和中之间,其中,云冷杉林(2.390)、阔叶混交林(2.122)和蒙古栎林(2.092)土壤综合质量属于优级,阔叶红松林(1.874)土壤综合质量属于良级,落叶松林土壤综合质量指数最低(1.399),处于中级,受TN、TP和AP的限制。处于优级的云冷杉林主要受TN的限制,阔叶混交林主要受TP和AP的限制,蒙古栎林主要受TN和TP的限制,处于中级的阔叶红松主要受TN的限制。

表3 不同林型土壤的质量评价指数 Table 3 Quality assessment index of soils in different types of forest

3 讨论

SOM是土壤固相部分的重要组分,其含量是表征和衡量土壤肥力的重要指标,在森林土壤中,小尺度范围内土壤养分状况主要受森林类型影响。不同林型的枯落物数量、物质组成、水分含量和分解程度受立地条件和林分优势树种组成的影响而产生差异,经过长期的生物地球化学循环,形成特定的土壤养分环境特征,继而导致不同森林类型的SOM含量差异[10-11]。研究结果表明,不同林型间SOM含量总体表现为阔叶混交林>云冷杉林>蒙古栎林>阔叶红松林>落叶松林。森林SOM主要来源于乔木、灌木、草本的凋落物的分解和淋溶,由于阔叶混交林植被凋落物丰富且含水量高、油脂类含量较低,因此其凋落物分解速率高,养分释放快[12],使得阔叶混交林SOM含量高于针叶林和针阔混交林。蒙古栎林虽为阔叶林,但其叶片表面为革质,不易分解,此外,凋落物的分解与地形和土壤pH有关,蒙古栎林坡度大使得凋落物不易蓄积,加之土壤pH高于其他林分,使得凋落物很难分解而不利于SOM的形成[13],最终导致蒙古栎林分SOM含量偏低。由于表层土壤受凋落物分解的影响更大,因此,不同林型间SOM含量差异在表层土壤中更明显。同一林型SOM含量在不同土层间表现不同,表层含量最高而底层含量最低,这主要是因为表层土壤良好的通气透水性,有利于土壤微生物的活动,加之丰富的凋落物为土壤微生物提供了源源不断的分解底物所致,随土层加深,土壤透气性下降,微生物分解底物减少,使得养分循环变慢而导致SOM含量降低。

5种林型土壤TN含量变化与SOM变化趋势基本一致,这与王芳等[9,14]的研究结果基本一致。TN的来源主要是SOM[15],因此土壤结构性好、SOM含量高的阔叶混交林更有利于氮素循环,其土壤TN含量高于其他4种林型。土壤TP含量在各林型间的分布特征与土壤TN和SOM略有差异,主要是云冷杉林中含量最高,且表层土壤中的含量显著高于底层,而其他林分各土层之间差异均不显著,这是因为磷元素是一种沉积性元素,主要来源于岩石的风化和淋洗[16],受母质影响大而受植被和微生物等因素的影响较小[17]。梁广国等[18]对比研究阔叶混交林和针阔混交林土壤养分发现,阔叶混交林土壤TN和SOM高于针阔混交林,而土壤TP则表现出相反的规律,这与本研究结果相似。土壤AN和AP能够反映土壤近期氮磷元素供应能力[19],研究中土壤AN在5中林型间无显著差异,土壤综合质量评价结果表明,各林型土壤AN评价结果均为优,并不是研究区森林土壤影响植物生长的限制性因素。土壤AP在云冷杉林中含量最高,蒙古栎林和阔叶红松林的土壤AP含量分别位居第2位和第3位,落叶松林含量最低。李红丽[14]研究发现,落叶松纯林较高的土壤酸性活化了AP,使得其含量高于次生混交林。但研究结果中并未发现此规律,可能是落叶松林中虽土壤pH最低,但并未与其他林型达到显著水平。

5种林型土壤质量综合评价结果显示,云冷杉林(2.390)、阔叶混交林(2.122)和蒙古栎林(2.092)土壤综合质量属于优级,土壤肥力高;阔叶红松林(1.874)属于良级,土壤肥力较高;落叶松林由于其为针叶纯林,总凋落物量小且不易分解,通过多年的地球化学循环,使养分吸收量与归还量之间产生不平衡,引起土壤养分亏缺[20-21],受到TN、TP和AP的限制,评价结果处于中级。

4 结论

张广才岭林区土壤的SOM、TN、TP、AP在不同林型间差异显著,SOM、TN 2种土壤养分的总体分布是阔叶混交林最高,其次是云冷杉林和阔叶红松林,蒙古栎林和落叶松林最低;TP和AP均在云冷杉林土壤中最高,落叶松林中最低;AN在各个林型内差异不显著。张广才岭林区土壤SOM和AN含量特别丰富,不同林型土壤养分总体处于优良水平,但TN比较缺乏,成为该林区土壤质量的主要限制因素。