人工林土壤质量的演变和树木生长、有机物的组成以及生物化学过程有着密切的关系,对于不同树种来说,由于其生物学特征的差异,必然导致其生长下土壤肥力的变化。同时,人工林是在人为控制下形成的一个特殊的生物群落,其结构简单、植物种类相对单一,是一个非常不稳定的生态系统,并且树木生长过程中对养分需求大,受人为活动影响深,极易造成林地土壤质量的变化,如林地土壤肥力下降,土壤理化性质发生退化,从而导致林木生产能力的下降等诸多问题。诸多研究结果表明,人工林作为一种人为强度干扰的人工生态系统,其核心问题之一就是关于土壤演化(土壤肥力的、生物的、物理的和化学的特性)和育林实践(树种经营类型、育林的集约或粗放性质) 的关系,并认为"针叶树与阔叶树不同,它给土壤带来消极影响"。为进一步探讨针叶树、阔叶树种人工造林对土壤养分影响的差异,文中在2011 年对相同立地条件下(草甸栗钙土) ,30a 林龄兴安杨、华北落叶松人工林土壤养分含量的变化进行了对比研究,并试图探讨相同立地条件下不同的针阔叶树种人工林给土壤养分特征带来怎样的影响。
1、 试验设计与研究方法
1. 1 研究地区概况
研究地位于内蒙古浑善达克沙地多伦县一家河牧场。地理坐标为东经 116°34'05″ ~116°34'7″,北纬42°21'10″ ~ 42°21'11″。该区域气候属我国东部季风和中温带半干旱向半湿润过渡地区的大陆性气候。年平均气温1. 6℃,年极端最高气温35. 4℃,年极端最低气温 -39. 8℃; ≥10℃的有效积温1970℃,无霜期95d。年平均降水量为 386. 2mm,年平均相对湿度为 62% ; 年平均蒸发量为 1761. 0mm。年平均风速为 3.6m /s,年大风日数为 69. 8d,最大风速为 24m / s。除夏季出现偏东偏南风外,其他季节盛行西北风或西风。
年日照数为 3142. 7h,年太阳总辐射量为 5899MJ/m2。地带性土壤类型为栗钙土。天然植被主要建群和优势植物有羊草(Leymus chinensis(Tirn. ) Tzvel) 、大针茅(Stipa grandis P. Smim. ) 、克氏针茅(Stipa sarep-tana var. krylovii(Roshev) P. C. ) 、糙隐子草 (Cleistogenes squarrosa (trin. ) Keng) 、冰草 (Agropyron cristatum(L) Gaertn. ) 、百里香(Thymus mongolicus Ronn) 等。
1. 2 材料与方法
1. 2. 1 样地设置
研究地位于多伦县一家河牧场内两片相邻的人工林,土地平坦,土壤类型为草甸栗钙土,土壤本底养分含量(表 1) 。
每个树种人工林地块规模为 140m ×60m,造林密度均为 2m ×2m,造林时间为 1981 年,林龄 30a。其中,林地西侧为杨树人工纯林,树种为兴安杨(Populushsinganica C. Wanget Skv. ) ,郁比度 0. 6; 林地东侧为落叶松人工纯林,树种为华北落叶松(Larix principis - rupprechtii) ,郁比度 0. 7。在采集土壤样本时测定林地内枯落物厚度和树木胸径(表 2) 。
1. 2. 2 取样与分析测定
2011 年 6 月,在不同树种的林地内 3 个不同位置(表 2) 选择 10m × 5m 样地,并根据树木根系集中分布深度特征,采集 0 -5cm、5 -20cm、20 -40cm 和 40 -60cm 土层的土壤样本,分别装入自封袋中,带回室内,风干备用。土壤养分测定参考《土壤理化分析》一书中的常规方法进行,3 个样地测定结果平均值作为分析结果。
有机质或活性有机质采用重铬酸钾法测定,其中,活性有机质也称易分解的有机质,因此测定活性有机质时,可以直接进行浓硫酸处理,自然冷却后测定有机质含量。全氮采用凯氏定氮法测定,速效氮采用扩散吸收法测定,全磷采用高氯酸 - 硫酸酸溶钼锑抗比色法测定,速效磷采用碳酸氢钠法测定; 全钾和速效钾测定采用火焰光度法测定,土壤 PH 值采用酸度计法测定。
2、 结果与分析
2. 1 落叶松、兴安杨人工林土壤有机质含量的对比分析
土壤有机质是表征土壤肥力水平的最重要指标,其含量的多少和植被类型、地理气候区域、枯落物分解矿化特征等有着密切关系。从表 3 中可以看出,不同树种相同土壤层间土壤有机质、活性有机质(0 -5cm 土层除外) 含量存在明显差异。但是相同树种不同土层间土壤有机质和活性有机质含量变化特征不同,落叶松人工林不同土层间土壤有机质和活性有机质含量的变化差异不显著,而兴安杨人工林 0 -5cm土层和其它土层土壤有机质和活性有机质含量变化差异显著,但其它土层间土壤有机质和活性有机质含量变化差异不显著。
另外,从不同树种相同土壤层间土壤有机质含量变化特征看,兴安杨人工林 0 -5cm 土层土壤有机质含量比落叶松人工林高68. 8%,而5 -20cm、20 -40cm 和40 -60cm 土层土壤有机质含量则分别比落叶松人工林低 27. 5%、22. 8%和 33. 4%,说明兴安杨人工林土壤有机质的变化表聚性明显,而落叶松人工林更容易导致 5cm 以下土层土壤有机质含量的增加。
从不同树种相同土壤层间土壤活性有机质含量变化特征看,两树种 0 -5cm 土层土壤活性有机质含量差异不显著,但是 5cm 以下土层土壤活性有机质含量的差异显著,并且落叶松人工林 5 -20cm 土层、20- 40cm 土层和 40 - 60cm 土层土壤活性有机质含量分别比兴安杨人工林高 35. 3% 、38. 8% 和 45. 9% 。
事实上,兴安杨作为落叶阔叶树种,其枯落物年分解率 90% 以上,但是由于杨树落叶容易被牲畜采食,而实际积累量和分解归还量都受到影响,所以兴安杨 0 -5cm 土层有机质含量表聚性明显。而落叶松作为落叶针叶树种,其枯落物分解非常缓慢,枯落物积累量明显,并且半分解层水溶性物质中腐殖质碳含量比新枯落物层增加 10. 7 倍,随着淋溶作用,腐殖质碳逐渐入渗到更深土层,从而增加 5cm 以下土层有机质及活性有机质含量。
2. 2 落叶松、兴安杨人工林土壤全量养分含量的对比分析
土壤全氮、全磷、全钾等全量养分是土壤养分变化比较缓慢的指标,但是,随着人工林年龄的增加,土壤全氮、全磷、全钾等养分含量也会发生一些明显的变化。从表 4 中看出,不同土层不同树种土壤全磷含量差异不明显,但是不同树种相同土层(40 - 60cm 土层除外) 土壤全钾含量差异显著; 不同树种 0 - 5cm土层全氮含量差异显著,而 5cm 以下土层全氮含量差异不显著。另外,从相同树种,不同土层全量养分含量变化看,虽然随着土层深度增加各土层全氮、全磷、全钾等含量呈现出总体降低的趋势,并且,表层 0 -5cm 土层全氮、全磷含量最高,但是不同土层间相比,这种差异并不显著。进一步说明土壤全氮、全磷、全钾等全量养分变化比较缓慢的客观事实。
从土壤全钾含量变化特征看,落叶松人工林全钾含量明显高于兴安杨人工林,并且落叶松人工林 0 -5cm、5 - 20cm 和 20 - 40cm 土层全钾含量分别比兴安杨人工林相应的土层高 30. 9% 、35. 4% 和 31. 6% 。兴安杨人工林 0 - 5cm 土层全氮含量比落叶松人工林高 55. 1%。
事实上,根据金小麒研究,落叶松枯落物矿物质元素含量新叶层含氮 1. 072%,含磷 0. 088%,含钾0. 343% ; 半分解层含氮 1. 133% ,含磷,0. 102% ,含钾 0. 608% ,而董彬等研究表明[9],杨树叶含氮 0.589% ,含磷 0. 023% ,含钾 0. 246% 。郭晋平等研究认为,华北落叶松林凋落叶分解过程中氮素的年动态总体上属于富集过程,钾素表现为持续下降过程并以淋溶释放过程为主,不出现富集过程。说明落叶松枯落物在林地内积累和分解过程中新叶层到半分解层过度期间有利于土壤全钾养分含量的增加,而杨树枯落物因牲畜采食而被利用,向土壤中释放的养分数量受到限制,不利于 5cm 以下土层全氮全钾养分含量的增加。
2. 3 落叶松、兴安杨人工林土壤速效养分含量的对比分析
土壤速效性养分是土壤养分含量变化最为显著的指标,并且和植物生长特征、生长季节等有密切关系,从某种程度讲,有多种因素影响着土壤速效性养分含量的变化。从表 5 中可以看出,两树种土壤速效氮、磷、钾含量的表聚性明显,并且随着土层深度增加速效氮、磷、钾含量降低趋势显著。
另外,从相同土层不同树种速效氮、磷、钾含量变化特征看,0 -5cm 土层速效氮、磷、钾含量差异显著,5 - 20cm 土层速效磷、钾含量差异显著,20 - 40cm 土层速效钾含量差异显著,其他土层速效氮、磷、钾含量变化差异不明显。此外,兴安杨人工林 0 -5cm 土层速效氮、速效磷和速效钾含量分别比落叶松人工林高 25. 6%、33.0% 和 41. 0% ; 兴安杨人工林 5 - 20cm 土层速效磷、钾含量分别比落叶松人工林高 36. 0% 和 65. 6% ; 兴安杨人工林 20 -40cm 土层速效钾含量比落叶松人工林高 39. 9%。说明兴安杨阔叶树种更有利于土壤速效氮、速效磷和速效钾养分含量的增加。兴安杨阔叶枯落物尽管储量少,但分解速度快,而落叶松针叶枯落物尽管分解缓慢,但积累量大,对增加 0 -5cm 土层速效氮、磷、钾含量影响同样显著,反映出林地枯落物积累和分解矿化作用对速效性养分含量的显著影响。
此外,从相同树种不同土层速效氮、磷、钾含量的变化特征看,落叶松人工林 0 -5cm 土层速效氮、速效磷和速效钾含量分别比下层土壤高 44. 8% -61. 3%、8. 8% -26. 6%和 58. 4% -75. 1%; 兴安杨人工林0 - 5cm 土层速效氮、速效磷和速效钾含量分别比下层土壤高 54. 6% - 62. 7% 、16. 4% - 44. 8% 和 28. 7%- 81. 0% 。
3、讨论
人工纯林作为一种人为强度干扰的人工生态系统,其地力衰退问题受到相关研究者普遍关注,并认为"针叶树与阔叶树不同,它给土壤带来消极影响" (Yves Biroe) ,或者说人工针叶林更容易造成土壤肥力衰退。事实上关于落叶松人工林肥力变化问题,刘世荣、陈立新、赵淑苹、闫德仁等进行了比较系统的研究,认为大面积营造落叶松人工林存在地力衰退、并影响二代林生长。林田苗等对内蒙古草原华北落叶松人工林生态特性研究表明,土壤肥力退化与植物群落受干扰的程度密切相关。刘春延研究了塞罕坝地区华北落叶松人工林土壤水肥变化规律,表明荒山各土层的有机质含量均高于有林地,并发现随林木成熟期的接近,林地速效氮含量整体下降明显,林地存在土壤酸化、地力衰退现象。但万景利等研究了草原人工林地潜在的地力变化问题,表明杨树、落叶松人工林下并没有地力衰退的迹象。谢会成等研究了华北落叶松人工林营养元素的生物循环过程,认为秦岭南坡华北落叶松人工林对营养元素的利用效率较高,不会因过度消耗土壤营养元素而使土壤肥力降低。
综上所述,尽管落叶松人工林地力衰退是不争的事实,但是落叶松属于耐瘠薄的树种,少量营养元素即能满足生长的需要。而在草原地区由于受到特定环境影响,土壤养分本底含量就很低,加之林地内枯落物利用程度及其储量不同,在相同立地条件下营造杨树阔叶林和落叶松针叶林并不能完全确定两树种是否存在肥力显著差异的问题。从文中在多伦研究样地的测定结果看,由于半干旱区土壤本底 pH 值较高,营造落叶松人工林并没用导致土壤变酸的趋势,与以往认为针叶树有使土壤酸化的结果不一致。而且,不同土层养分含量变化因树种差异而表现出不同的变化特征,这种差异主要和林地枯落物储量、牲畜采食及其半分解层的分解过程的差异有关。落叶松作为落叶针叶树种,其枯落物分解作用非常缓慢,使养分吸收与实际归还量不协调,导致 0 -5cm 土层土壤有机质、全氮、速效氮、速效磷含量显著低于杨树,但是 0- 5cm 土层以下土壤有机质含量变化则呈现相反的趋势,说明不同树种的枯落物储量及其半分解层的分解速度对不同土层养分含量的影响作用不同。
此外,根据孙景波等研究,认为不同的树种枯落物在分解过程中,阔叶树种的氮磷钾营养元素释放率大于针叶树种。但是,由于林地内枯落物储量及其被利用程度(牲畜采食) 的差异,阔叶树和针叶树林地内枯落物实际养分归还量未必一定就表现出上述特征,即枯落物释放养分绝对量和林地内枯落物储量和保存时间有密切关系。所以,文中综合土壤养分含量的测定结果,认为在相同立地条件下营造杨树阔叶林对 0 -5cm 土层养分(全钾、速效钾除外) 含量的提高更有利,而营造落叶松针叶林更有利于增加土壤全钾养分的含量。或者说,从养分含量的整体变化趋势看,在相同立地条件下营造杨树阔叶林比落叶松针叶林更有利于改善表层(0 -5cm) 土壤养分状况,对 5cm 及以下土层养分含量增加并不明显,而落叶松针叶林由于林地内枯落物储量大且长期覆盖土壤表面,对 5cm 及以下土层有机质和全钾含量增加更有利。
4、 结论
(1) 不同树种相同土壤层间土壤有机质、活性有机质(0 -5cm 土层除外) 含量存在明显差异。而兴安杨人工林 0 -5cm 土层和其它土层土壤有机质和活性有机质含量变化差异显著。两树种 5cm 以下土层土壤活性有机质含量的差异显著,并且落叶松人工林 5 -20cm 土层、20 -40cm 土层和 40 -60cm 土层土壤活性有机质含量分别比兴安杨人工林高 35. 3%、38. 8%和 45. 9%。
(2) 不同树种相同土层(40 -60cm 土层除外) 土壤全钾含量差异显著,不同树种 0 -5cm 土层全氮含量差异显著,但是不同土层不同树种土壤全磷含量差异不明显。落叶松人工林 0 -5cm、5 -20cm 和 20 -40cm 土层全钾含量分别比兴安杨人工林相应的土层高 30. 9% 、35. 4% 和 31. 6% 。兴安杨人工林 0 - 5cm土层全氮含量比落叶松人工林高 55. 1%。
(3) 两树种土壤速效氮、磷、钾含量的表聚性明显,并且随着土层深度增加速效氮、磷、钾含量降低趋势显著。兴安杨人工林 0 -5cm 土层速效氮、速效磷和速效钾含量分别比落叶松人工林高 25. 6%、33. 0%和 41. 0%。落叶松人工林0 -5cm 土层速效氮、速效磷和速效钾含量分别比下层土壤高 44. 8% -61. 3%、8. 8% - 26. 6% 和 58. 4% - 75. 1% ; 兴安杨人工林 0 - 5cm 土层速效氮、速效磷和速效钾含量分别比下层土壤高 54. 6% -62. 7%、16. 4% -44. 8%和 28. 7% -81. 0%。
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