林分密度对华北落叶松人工林土壤理化性质的影响

林分密度对华北落叶松人工林土壤理化性质的影响

土壤是树木生存、生长和生态功能的基础。土壤的健康对森林非常重要。同时，树木的生长发育、分解和分解速率影响着土壤的发育，改变了土壤的物理和化学性质，最终影响着土壤的健康。在植被对土壤健康的影响中,林分密度是重要因素之一,它直接影响到森林群落的光、热、水分等生态因子的分配,使林下物种的多样性及结构发生变化,进而影响土壤健康状况。前人有关人工针叶林林分密度对林地土壤理化性质影响的系统研究仅见于杉木和马尾松,如盛伟彤研究表明,适当降低杉木人工林林分密度,对维护土壤肥力有较大作用,有利于林地保持长期生产力;康冰等研究说明,不同密度马尾松人工林土壤理化特性差异显著,而不同密度华北落叶松人工林土壤理化性质比较研究尚未见报道。本文以河北省木兰围场华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)人工林为对象,研究不同密度林分对土壤理化性质的影响,以期为该区森林健康经营提供科学依据。1植被和土壤类型研究区位于河北省木兰围场国有林场管理局所辖的北沟林场(40°54’N,117°27’E),海拔为750～1998m。该区域属于寒温带向中温带过渡、半干早向半湿润过渡的大陆性季风型高原山地气候,年均气温为-1.4～4.7℃,年均降水量380～560mm,主要集中在7—9月份。植被主要以针叶林、落叶阔叶林和落叶阔叶灌丛为主,人工林主要乔木树种有华北落叶松、油松(PinustabulaeformisCarr.)、白桦(BetulaplatyphyllaSuk.)和山杨(PopulusdavidianaDode.)等。土壤类型以棕壤、褐土和灰色森林土为主。棕壤主要分布在海拔900m以上,半湿润具有温凉气候的地方;褐土主要分布在海拔800～900m之间,半干旱、温暖的低山、黄土台地及平川地区;灰色森林土主要分布在木兰围场北部。本文所研究土壤的土壤类型为棕壤。2数据和方法2.1样地的选取和土样的采集2009年7月份,分别在5种不同林分密度的华北落叶松人工林群落内设置典型样地,样地面积为20m×30m或30m×30m。基本情况如表1所示。其中,Ⅰ,Ⅲ,Ⅴ号样地为落叶松纯林;Ⅱ号样地以落叶松为主,伴有少数白桦与油松;Ⅳ号地为落叶松与白桦的混交林。沿每块样地坡面的上、中和下部随机选择5～9点(依样地面积而定)用土钻取样,按0～20cm,20～40cm和40～60cm三个层次采集各土层的混合土样,每样地重复3次,共采集63个土样。土样经风干、磨细、过筛后,用于土壤理化性质的测定:土壤pH值采用酸度计法(水土比2.5∶1);土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法;土壤全氮采用凯氏定氮法;土壤全磷和有效磷采用钼锑抗比色法;土壤速效钾采用火焰光度计法。用环刀法采样测定土壤密度和土壤质量含水量。2.2统计分析和检验采用Excel2003及SPSS17.0进行数据的统计分析和检验。采用单因素方差分析(ANOVA)和多重比较(Turkey法)判断土壤深度和不同密度林分类型对土壤理化性质的影响。3结果与分析3.1密度对不同土层土壤质量的影响各样地的土壤质地基本以砂壤土为主。表2是不同林分密度条件下土壤各层次的土壤密度和土壤质量含水量。随着土壤深度的增加,各样地的土壤密度基本呈现增大趋势,而土壤质量含水量呈下降趋势。这是由于大量的凋落物减少了表层土壤的水分蒸发与流失,而植物蒸腾作用导致根系大量吸收土壤水分,致使底层土壤含水量减少。方差分析表明:林分密度显著影响0～20cm土层的土壤密度、20～40cm土层的土壤质量含水量(P<0.05),但对40～60cm土层的土壤密度及土壤质量含水量影响不显著(P>0.05)。从表2中可以看出,在0～20cm土层,株数密度为2170株/hm2的Ⅴ号样地的土壤密度最小,土壤质量含水量最高;当株数密度由740株/hm2增加到1480株/hm2时,土壤密度降低,而土壤含水量增大;当株数密度由1480株/hm2增加到2000株/hm2时,土壤密度增加而含水量大幅下降。这说明株数密度会影响土壤的物理性状,当植株密度过高或过大时,土壤密度与含水量都无法保持在其相对较好的状态。20～60cm土层,当株数密度由740株/hm2增加到1480株/hm2时,土壤密度增大;而当株数密度再由1480株/hm2增加到2000株/hm2时,土壤密度却出现了下降,并且在20～60cm土层,当株数密度从740株/hm2增加到2000株/hm2时,土壤含水量呈现下降的趋势(表2)。3.2不同密度对土壤有机质和全氮含量的影响土壤酸碱性是土壤化学性质的一个重要方面。微生物的活动、土壤有机质的分解、土壤中养分元素的释放、转化以及迁移都与酸碱度有关。从表3可以看出,各样地的土壤pH值都为弱酸性,并且随着土壤深度的增加呈现略微升高的趋势。这是由于样地土壤表层森林枯落物的分解产生大量有机酸,相继盐基又从矿质土壤表层淋失出来所导致。在0～20cm土层,林分密度最高的Ⅴ号样地的土壤pH值相对较低,这可能是由于高林分密度下大量落叶松枯落物的分解作用引起的,并且在0～20cm与20～40cm土层,Ⅲ号与Ⅴ号样地的土壤pH值呈显著差异,林分密度较高的Ⅴ号样地的土壤pH值相对较小,这一特点表明在高林分密度条件下华北落叶松可能会导致土壤酸化。林木的生长主要靠土壤自然肥力,一方面土壤为林木生长供应养分,另一方面林木生长发育过程中通过凋落物和根系分泌物等的作用,对林地土壤肥力产生明显作用。从表4看出,随土壤深度增加,各样地土壤有机质和全氮含量呈现明显减少的趋势。林分密度显著影响0～20cm土层土壤有机质和全氮含量(P<0.05),但对20～60cm土层的土壤有机质和全氮含量影响不显著(P>0.05)。在0～20cm土层,当株数密度由740株/hm2增加到1480株/hm2时,土壤有机质含量呈现增大的趋势,而当株数密度增大到2000株/hm2时,土壤有机质含量却明显减小。其中落叶松与白桦混交林(Ⅳ号样地)的土壤有机质含量最高,并且Ⅳ号样地与Ⅲ号样地的土壤有机质含量呈现显著差异。而在20～40cm和40～60cm土层,Ⅴ号样地的土壤有机质含量相对较高,这可能是由于在高林分密度下,在20～60cm土层内相对密集的华北落叶松根系的根系效应所导致。在0～20cm土层,株数密度最小的Ⅳ号样地的土壤全氮含量最高,并且与株数密度相对较高的Ⅲ号样地和Ⅱ号样地呈现显著差异。当株数密度由740株/hm2增加到1480株/hm2时,土壤全氮含量呈现增大的趋势;而当株数密度增加到2000株/hm2时,土壤全氮含量却呈现下降的趋势。在20～40cm土层,株数密度相对较高的Ⅲ号样地土壤全氮含量最高,株数密度由740株/hm2增加到2000株/hm2时,土壤全氮含量呈现增加的趋势;而在40～60cm土层,当株数密度从1480株/hm2增加到2000株/hm2时,土壤全氮含量出现了下降(表4)。随着土壤深度的增加,各样地土壤全P和速效K含量均呈现下降的趋势,而有效P和全K含量则不规律地变化(表5和表6)。方差分析表明:林分密度对0～20cm和40～60cm土层土壤有效P含量、40～60cm土层土壤全K及速效K含量均有显著影响(P<0.05)。在0～20cm土层,当株数密度为2000株/hm2时,土壤有效P含量最大;且Ⅲ号样地与Ⅴ号样地的土壤有效P含量差异显著。在20～60cm土层,株数密度相对较高的Ⅲ号样地土壤有效P含量最高,株数密度从740株/hm2增加到2000株/hm2时,土壤有效P含量随株数密度增加而增大(表5)。随着林分密度的增加,土壤全K含量有下降趋势。在0～20cm土层,株数密度最高的Ⅴ号样地的土壤全K含量最低;在20～60cm土层,当株数密度从1480株/hm2增加到2000株/hm2时,土壤全K含量随株数密度增加而下降,并且Ⅰ号样地与Ⅲ号样地的全K含量差异显著;当株数密度从660株/hm2增加到2000株/hm2时,表层土壤速效K含量明显降低,但株数密度最高的Ⅴ号样地的土壤速效K含量相对较高,这可能与密集的落叶松枯落物的淋溶作用有关。在20～60cm土层,当株数密度从660株/hm2增加到2000株/hm2时,土壤速效K含量随株数密度的增大而明显下降(表6)。4密度对土壤理化性质的影响不同的华北落叶松人工林林分密度会影响土壤的物理性状。当株数密度为660株/hm2时,0～20cm土层的土壤密度相对较低,而0～60cm深度土壤的质量含水量均保持在一个相对较高的水平。当株数密度从740株/hm2增加到2000株/hm2时,0～20cm土层的土壤密度先减小后增大,而土壤质量含水量呈先增大后减小的趋势;在20～60cm土层,随着株数密度的增加,土壤密度先增大后减小,而土壤质量含水量则呈减小的趋势。所以在过高的株数密度下,植株为维持其正常生长从土壤吸收大量的水分,导致土壤质量含水量下降,表层土壤的密度增加,总孔隙度降低,致使土壤出现退化的现象。林分密度过高可能会导致土壤酸化,当株数密度达到2000株/hm2以上时,土壤表层的pH值明显降低,这与刘春延的研究结果一致。当株数密度为660株/hm2时,0～60cm深度的土壤全N及全K含量均相对较高,而土壤有机质和全P含量仅在0～20cm土层较高。当株数密度由1480株/hm2增加到2000株/hm2时,表层土壤有机质与全N含量降低,并且当林分密度增大时土壤速效K含量也明显降低,这与翟洪波等的研究结论一致,这表明高林分密度条件下,林木会加速对土壤养分的吸收,可能导致林地土壤退化。此外,在20～60cm土层,当株数密度由740株/hm2增加到2000株/hm2时,土壤有效P和速效K含量分别随株数密度的增大而呈现增大和减小的趋势。通过研究比较5种林分密度条件下华北落叶松人工林地的土壤理化性质,发现:当株数密度在660株/hm2到2000株/hm2以内时,过大的林分密度会导致林地植株的单株生长空间减小