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晋西黄土区林分密度对油松人工林生物量及土壤理化性质的影响

贾亚倢 杨建英 张建军 胡亚伟 张犇 赵炯昌 李阳 唐鹏

贾亚倢, 杨建英, 张建军, 胡亚伟, 张犇, 赵炯昌, 李阳, 唐鹏. 晋西黄土区林分密度对油松人工林生物量及土壤理化性质的影响[J]. 浙江农林大学学报. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240571
引用本文: 贾亚倢, 杨建英, 张建军, 胡亚伟, 张犇, 赵炯昌, 李阳, 唐鹏. 晋西黄土区林分密度对油松人工林生物量及土壤理化性质的影响[J]. 浙江农林大学学报. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240571
JIA Yajie, YANG Jianying, ZHANG Jianjun, HU Yawei, ZHANG Ben, ZHAO Jiongchang, LI Yang, TANG Peng. Effects of stand density on biomass and soil physico-chemical properties of Pinus tabuliformis forest in the loess area of western Shanxi[J]. Journal of Zhejiang A&F University. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240571
Citation: JIA Yajie, YANG Jianying, ZHANG Jianjun, HU Yawei, ZHANG Ben, ZHAO Jiongchang, LI Yang, TANG Peng. Effects of stand density on biomass and soil physico-chemical properties of Pinus tabuliformis forest in the loess area of western Shanxi[J]. Journal of Zhejiang A&F University. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240571

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晋西黄土区林分密度对油松人工林生物量及土壤理化性质的影响

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240571
基金项目: 国家重点研发计划项目(2022YFE0104700)
详细信息
    作者简介: 贾亚倢(ORCID: 0009-0006-1194-2767),从事水土保持与流域治理研究。E-mail: 18518623633@163.com
    通信作者: 杨建英(ORCID: 0000-0002-4588-9806 ),教授,博士,从事水土保持与流域治理研究。E-mail: jyyang@bjfu.edu.cn
  • 中图分类号: S75

Effects of stand density on biomass and soil physico-chemical properties of Pinus tabuliformis forest in the loess area of western Shanxi

  • 摘要:   目的  探讨林分密度对油松Pinus tabuliformis人工林生物量与土壤理化性质的影响,为油松人工林高质量发展和生态服务功能持续稳定发挥提供理论支撑。  方法  以山西省临汾市吉县蔡家川流域30年生油松人工林为研究对象,采用标准木法测算不同密度条件下单株生物量及林分生物量,并测定土壤理化性质,分析林分密度对油松林生物量及土壤理化性质的影响,采用冗余分析(RDA)及斯皮尔曼(Spearman)相关性分析确定油松林生物量与土壤理化性质之间的关系。  结果  ①不同密度油松人工林的单株生物量和林分总生物量差异显著(P<0.05),且随林分密度的增加,单株生物量逐渐减少,林分总生物量在密度1 750 株·hm−2时具有峰值;②不同密度油松人工林地土壤理化性质差异显著(P<0.05),其中土壤孔隙度在林分密度1750 株· hm−2时最大,达52.38%,林地土壤含水量在林分密度2 750 株· hm−2时最高,达13.84%,土壤肥力状况则在林分密度1750 株·hm−2时最佳;③通过冗余分析及斯皮尔曼相关分析发现:土壤总孔隙度、有机碳和速效磷与林分总生物量均呈极显著相关(P<0.01),地下生物量受到土壤含水量的显著影响(P<0.05)。  结论  以固碳释氧和维持最大生产力为目的,以及以提高土壤碳汇能力和改良肥力为目的的油松林,林分密度建议维持在1 750 株·hm−2左右的油松林;以保持水土和改良土壤蓄水性能为目的的油松林,林分密度建议维持在1 750~2 750 株·hm−2。图4表5参40
  • 图  1  油松林生物量随林分密度的变化

    Figure  1  Plant biomass in sample plots at different density

    图  2  土壤物理特性随林分密度的变化

    Figure  2  Variation in soil physical properties at different stand densities

    图  3  土壤化学特性随林分密度的变化

    Figure  3  Variation of soil chemical properties with stand density

    图  4  不同林分密度油松林生物量与土壤理化性质的冗余分析二维排序图

    Figure  4  RDA two-dimensional ordination plot of biomass and soil physico-chemical properties in P. tabulaeformis forests of different densities

    表  1  样地基本信息

    Table  1.   Basic information of the sample site

    样地
    编号
    林分密度/
    (株·hm−2)
    海拔/m树高/m径/cm坡度/(°)坡向样地
    编号
    林分密度/
    (株·hm−2)
    海拔/m树高/m胸径/cm坡度/(°)坡向
    17501 1138.5815.7425阴坡213 7501 21110.4311.5230阴坡
    27501 1047.5214.1328阴坡223 7501 2679.7210.719阴坡
    31 2501 0978.7215.2630阴坡233 7501 2717.9311.0521阴坡
    41 2501 1138.3314.5529阴坡243 7501 2978.2410.4227阴坡
    51 2501 1118.2214.0430阴坡253 7501 3217.89.7230阴坡
    61 7501 3608.8713.6530阴坡263 7501 2449.1910.9229阴坡
    71 7501 1649.7912.8627阴坡273 7501 2687.0110.8126阴坡
    81 7501 36411.1515.328阴坡284 2501 31210.4712.0221阴坡
    92 2501 3579.0613.7730阴坡294 2501 3627.419.123阴坡
    102 2501 1697.8511.8230阴坡304 2501 3568.9811.3719阴坡
    112 2501 1328.6710.9821阴坡314 2501 3278.159.4820阴坡
    122 2501 3589.4714.3720阴坡324 2501 3588.2717.922阴坡
    132 7501 3649.7213.2725阴坡334 7501 24210.1210.6730阴坡
    142 7501 35810.2812.726阴坡344 7501 3387.0310.1118阴坡
    152 7501 35110.1611.8730阴坡354 7501 3136.077.5225阴坡
    162 7501 3258.8810.8320阴坡365 2501 2859.3910.1920阴坡
    172 7501 3148.1610.6930阴坡375 2501 3208.318.6125阴坡
    183 2501 3017.9510.5525阴坡385 7501 3148.818.8625阴坡
    193 2501 3446.889.9430阴坡395 7501 3157.227.7618阴坡
    203 2501 3416.158.3330阴坡405 7501 3166.277.0924阴坡
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    表  2  油松单株生物量和林分密度对油松林总生物量的贡献率

    Table  2.   Contribution of individual plant biomass and stand density to total biomass in the sample plots

    林分密度/(株·hm−2)影响因子βPVIF
    750~ 2 750林分密度 1.383<0.0012.441
    单株生物量1.274<0.0012.441
    3 250 ~ 5 750林分密度 0.3120.0181.104
    单株生物量0.929<0.0011.104
      说明:β是标准化回归系数;VIF是方差扩大因子,<5表示模型构建良好。
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    表  3  不同林分密度油松林0~100 cm土壤物理性质

    Table  3.   Soil physical properties of 0−100 cm the P. tabulaeformis forests in in different densities

    林分密度/(株·hm−2)总孔隙度/%毛管孔隙度/%非毛管孔隙度/%土壤含水量/%
    75050.77±0.75 bc47.55±1.10 c3.22±0.69 abc10.01±0.81 e
    1 25046.47±1.00 d43.80±1.03 e3.09±1.50 abc12.25±1.48 bc
    1 75052.38±1.50 a48.70±0.55 ab3.75±1.05 a12.97±2.83 ab
    2 25052.22±1.55 a48.78±0.73 ab3.45±1.06 ab12.74±2.11 ab
    2 75052.02±2.25 a47.32±0.31 c4.52±0.56 a13.84±1.75 a
    3 25052.17±2.20 a48.73±1.05 ab3.52±0.77 ab11.14±1.20 cd
    3 75051.58±1.79 ab48.24±0.65 abc3.37±0.46 abc10.91±0.57 d
    4 25051.91±1.62 a47.87±0.68 bc4.03±0.95 a11.25±0.48 cd
    4 75050.68±1.36 bc48.73±0.93 ab1.97±0.07 bc10.92±0.38 d
    5 25050.37±1.51 c46.32±0.59 d4.02±1.32 a12.33±0.52 bc
    5 75050.66±1.40 bc48.87±0.99 a1.81±0.31 c9.03±0.63 e
      说明:数值为平均值±标准差,数据后同列不同小写字母表示不同林分密度间差异显著(P<0.05)。
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    表  4  不同林分密度油松林0~100 cm土壤化学性质

    Table  4.   Soil chemical properties of 0−100 cm in different densities of the P. tabulaeformis forest

    林分密度/(株·hm−2)土壤有机碳/(g·kg−1)全氮/(g·kg−1)全磷/(g·kg−1)铵态氮/(mg·kg−1)硝态氮/(mg·kg−1)速效磷/(mg·kg−1)
    7503.41±0.84 c0.52±0.09 bc0.50±0.01 cd11.94±2.03 cd5.05±0.83 ab1.16±0.27 f
    1 2503.75±1.31 c0.52±0.13 bc0.56±0.01 a10.21±1.74 e3.95±0.90 d0.97±0.50 f
    1 7505.40±2.87 ab0.61±0.21 bc0.57±0.01 a14.13±1.38 a4.56±0.66 bcd2.31±0.76 ab
    2 2504.39±2.25 abc0.52±0.23 bc0.47±0.01 d11.23±1.15 de4.79±0.83 abc2.39±0.46 a
    2 7504.57±2.57 abc0.55±0.20 bc0.51±0.01 bc13.50±1.94 ab4.74±0.73 abc2.14±0.37 abcd
    3 2504.39±1.88 abc0.64±0.28 abc0.53±0.00 ab13.20±1.38 ab4.74±0.95 abc1.90±0.46 cde
    3 7503.87±1.55 c0.66±0.25 ab0.51±0.01 bc14.41±1.75 a4.95±0.71 ab2.00±0.41 abcde
    4 2504.12±1.79 bc0.45±0.08 c0.51±0.00 bc13.25±1.31 ab5.34±0.71 a2.28±0.68 abc
    4 7504.04±2.11 bc0.52±0.14 bc0.51±0.00 bc12.70±1.36 bc3.96±0.80 d1.66±0.37 e
    5 2505.55±2.47 a0.65±0.18 bc0.50±0.02 cd11.01±0.93 de4.16±1.11 d1.82±0.69 de
    5 7503.74±1.80 c0.77±0.17 a0.51±0.01 bc11.45±2.14 cde4.30±0.65 cd1.94±0.32 bcde
    说明:表中数据为平均值±标准差,数据后同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
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    表  5  不同林分密度油松林生物量与土壤理化性质相关系数

    Table  5.   Correlation coefficients between biomass and soil physico-chemical properties of P. tabulaeformis forests of different densities

    项目SWCTOPCPNPTNTPSOCNHNOAP
    油松林地上生物量0.235−0.0200.0110.1230.2280.1620.513**−0.2420.0020.358*
    油松林地下生物量0.372*0.023−0.0560.1980.213−0.1010.426**−0.139−0.0320.326*
    油松林总生物量 0.257−0.108−0.0750.1160.2540.1060.519**−0.280−0.0410.336*
      说明:**表示极显著相关(P<0.01); *表示显著相关(P<0.05)。SWC. 土壤含水量;TOP. 总孔隙度;CP. 毛管孔隙度;NP. 非毛管孔隙度;TN. 全氮;TP. 全磷;SOC.土壤有机碳;NH. 铵态氮;NO. 硝态氮;AP. 速效磷。
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-11-24
  • 修回日期:  2024-05-06
  • 录用日期:  2024-05-24

晋西黄土区林分密度对油松人工林生物量及土壤理化性质的影响

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240571
    基金项目:  国家重点研发计划项目(2022YFE0104700)
    作者简介:

    贾亚倢(ORCID: 0009-0006-1194-2767),从事水土保持与流域治理研究。E-mail: 18518623633@163.com

    通信作者: 杨建英(ORCID: 0000-0002-4588-9806 ),教授,博士,从事水土保持与流域治理研究。E-mail: jyyang@bjfu.edu.cn
  • 中图分类号: S75

摘要:   目的  探讨林分密度对油松Pinus tabuliformis人工林生物量与土壤理化性质的影响,为油松人工林高质量发展和生态服务功能持续稳定发挥提供理论支撑。  方法  以山西省临汾市吉县蔡家川流域30年生油松人工林为研究对象,采用标准木法测算不同密度条件下单株生物量及林分生物量,并测定土壤理化性质,分析林分密度对油松林生物量及土壤理化性质的影响,采用冗余分析(RDA)及斯皮尔曼(Spearman)相关性分析确定油松林生物量与土壤理化性质之间的关系。  结果  ①不同密度油松人工林的单株生物量和林分总生物量差异显著(P<0.05),且随林分密度的增加,单株生物量逐渐减少,林分总生物量在密度1 750 株·hm−2时具有峰值;②不同密度油松人工林地土壤理化性质差异显著(P<0.05),其中土壤孔隙度在林分密度1750 株· hm−2时最大,达52.38%,林地土壤含水量在林分密度2 750 株· hm−2时最高,达13.84%,土壤肥力状况则在林分密度1750 株·hm−2时最佳;③通过冗余分析及斯皮尔曼相关分析发现:土壤总孔隙度、有机碳和速效磷与林分总生物量均呈极显著相关(P<0.01),地下生物量受到土壤含水量的显著影响(P<0.05)。  结论  以固碳释氧和维持最大生产力为目的,以及以提高土壤碳汇能力和改良肥力为目的的油松林,林分密度建议维持在1 750 株·hm−2左右的油松林;以保持水土和改良土壤蓄水性能为目的的油松林,林分密度建议维持在1 750~2 750 株·hm−2。图4表5参40

English Abstract

贾亚倢, 杨建英, 张建军, 胡亚伟, 张犇, 赵炯昌, 李阳, 唐鹏. 晋西黄土区林分密度对油松人工林生物量及土壤理化性质的影响[J]. 浙江农林大学学报. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240571
引用本文: 贾亚倢, 杨建英, 张建军, 胡亚伟, 张犇, 赵炯昌, 李阳, 唐鹏. 晋西黄土区林分密度对油松人工林生物量及土壤理化性质的影响[J]. 浙江农林大学学报. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240571
JIA Yajie, YANG Jianying, ZHANG Jianjun, HU Yawei, ZHANG Ben, ZHAO Jiongchang, LI Yang, TANG Peng. Effects of stand density on biomass and soil physico-chemical properties of Pinus tabuliformis forest in the loess area of western Shanxi[J]. Journal of Zhejiang A&F University. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240571
Citation: JIA Yajie, YANG Jianying, ZHANG Jianjun, HU Yawei, ZHANG Ben, ZHAO Jiongchang, LI Yang, TANG Peng. Effects of stand density on biomass and soil physico-chemical properties of Pinus tabuliformis forest in the loess area of western Shanxi[J]. Journal of Zhejiang A&F University. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20240571
  • 林分密度影响人工林的生产力和生态服务功能[1]。不同林分密度下单木生存空间不同[2],占用的能量和消耗的水分也不同[3],这必然导致林木生长存在差异,进而影响生态服务功能[4];生物量是衡量森林生态系统生态服务功能最重要的参数,是研究森林生态系统能量和养分循环的基础数据,更是评估人工林健康状况的重要指标[56],与林分密度之间存在密切联系[6]。土壤作为林木赖以生存的物质基础,其土壤理化性质能够反映土壤的结构、持水能力及肥力[7]。林分密度的改变会使林内小环境发生变化,从而使土壤理化性质也呈现不同的变化[89]。此外,植物和土壤的相互作用形成了完整的森林生态系统[10],植物生长对土壤状况产生影响[11],同时土壤理化性质的变化也会直接影响植被生物量的变化[12]

    已有大量关于林分密度对人工林影响的研究。ZHANG等[13]以林分密度为750~1 375株·hm−2的油松Pinus tabuliformis林为研究对象,探讨了林分密度对林下植物多样性的影响;李雪等[14]通过对不同林分密度华北落叶松Larix principis-rupprechtii人工林的研究指出,林分密度调控可以有效改善土壤肥力、改良土壤质量;吴茜等[15]以不同林分密度的柏木Cupressus funebris人工林为研究对象,分析得出利于林下植被优势种联结性和群落整体稳定性的最优林分密度;CHEN等[16]则选择不同林分密度油松林评估其实现自然更新和生物多样性方面的恢复能力。然而基于不同的林分密度条件,诸多研究集中于对林木径向生长[17]、林下植被多样性及其种类与土壤理化性质之间的相关性[1819],研究对象多集中在3 000株·hm−2以下的林分,未涉及高密度人工林,针对人工林乔木层生物量随林分密度的变化以及与土壤理化性质之间的关系鲜有报道。

    油松是中国北方主要的水土保持树种[20],被大面积种植于黄土高原地区[21],在防治水土流失、减少土壤侵蚀及改善生态环境等方面发挥重要作用。在造林初期为了尽快对地面形成有效覆盖,多采用高密度的造林模式。随着油松林的生长,过高的造林密度导致单木生长差、单木防护功能低下,表现出了低效林的生长状态[22],但在样地尺度上整个林地的生态服务功能还需要进一步测定和探究。水土保持林具有多种生态服务功能,针对某种生态服务功能,油松林应维持在何种密度也是亟待探讨的问题之一。林分密度是人工可以有效调控的指标之一[23]。因此,本研究以山西吉县蔡家川流域30年生油松人工林为研究对象,分析油松林生物量和土壤理化性质随林分密度的变化情况,并探究两者关系,以期为该流域油松林生态服务功能的可持续发挥及高质量发展提供科学依据和理论参考。

    • 本研究区位于山西省临汾市吉县蔡家川流域(36°14′27″~36°18′23″N,110°39′45″~110°47′45″E),该流域是国家森林生态系统野外科学观测研究站所在地。流域面积为39.33 km2,海拔为904~1 592 m。属暖温带大陆性气候,年均气温为10.0 ℃,年均降水量为575.9 mm。土壤类型主要为褐土,黄土母质。主要造林树种为油松、刺槐Robinia pseudoacacia、侧柏Platycladus orientalis等,林下植物主要由黄栌Cotinus coggygria、黄刺玫Rosa xanthina、杠柳Periploca sepium、二柱薹草Carex lithphila、草地早熟禾Poa pratensis等组成。

    • 2022年6月,在蔡家川流域以林龄30 a且立地条件基本一致的油松人工林地作为研究对象,共选择不同现存林分密度(750、1 250、1 750、2 250、2 750、3 250、3 750、4 250、4 750、5 250、5 750株·hm−2)的油松人工林样地40块。每块样地面积为20 m×20 m,样地远离林缘。在样地内进行每木检尺,计算平均树高和胸径。根据平均树高和胸径选取标准木,测定松果、松叶、枝条、树干、根系等器官鲜质量,随后各器官取样(1 kg)带回实验室。在每块样地中间部位挖掘1 m×1 m×1 m的土壤剖面,在0~100 cm土层范围内每10 cm为1层,用环刀(100 cm3)取原状土,每层取环刀3个,用于土壤物理性质的测定,并在每层均匀挖取土壤样品3份,混合后取500 g土样装入密封袋 ,带回实验室风干后过2 mm筛,用于土壤化学性质的测定。使用地质罗盘仪和RTK测量仪测定样地基本情况(表1)。

      表 1  样地基本信息

      Table 1.  Basic information of the sample site

      样地
      编号
      林分密度/
      (株·hm−2)
      海拔/m树高/m径/cm坡度/(°)坡向样地
      编号
      林分密度/
      (株·hm−2)
      海拔/m树高/m胸径/cm坡度/(°)坡向
      17501 1138.5815.7425阴坡213 7501 21110.4311.5230阴坡
      27501 1047.5214.1328阴坡223 7501 2679.7210.719阴坡
      31 2501 0978.7215.2630阴坡233 7501 2717.9311.0521阴坡
      41 2501 1138.3314.5529阴坡243 7501 2978.2410.4227阴坡
      51 2501 1118.2214.0430阴坡253 7501 3217.89.7230阴坡
      61 7501 3608.8713.6530阴坡263 7501 2449.1910.9229阴坡
      71 7501 1649.7912.8627阴坡273 7501 2687.0110.8126阴坡
      81 7501 36411.1515.328阴坡284 2501 31210.4712.0221阴坡
      92 2501 3579.0613.7730阴坡294 2501 3627.419.123阴坡
      102 2501 1697.8511.8230阴坡304 2501 3568.9811.3719阴坡
      112 2501 1328.6710.9821阴坡314 2501 3278.159.4820阴坡
      122 2501 3589.4714.3720阴坡324 2501 3588.2717.922阴坡
      132 7501 3649.7213.2725阴坡334 7501 24210.1210.6730阴坡
      142 7501 35810.2812.726阴坡344 7501 3387.0310.1118阴坡
      152 7501 35110.1611.8730阴坡354 7501 3136.077.5225阴坡
      162 7501 3258.8810.8320阴坡365 2501 2859.3910.1920阴坡
      172 7501 3148.1610.6930阴坡375 2501 3208.318.6125阴坡
      183 2501 3017.9510.5525阴坡385 7501 3148.818.8625阴坡
      193 2501 3446.889.9430阴坡395 7501 3157.227.7618阴坡
      203 2501 3416.158.3330阴坡405 7501 3166.277.0924阴坡
    • 样品65 ℃烘干至恒量,计算各器官含水量和生物量。土壤容重及孔隙度采用环刀法测定;土壤含水量采用烘干法[24]测定。有机碳质量分数采用重铬酸钾氧化-外加热法测定;全氮质量分数采用凯氏定氮-消煮法测定;全磷质量分数采用酸溶-钼锑抗比色法测定;土壤铵态氮、硝态氮采用碱解扩散法和氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定;土壤速效磷采用NH4F-HCL浸提-钼锑抗比色法测定[25]

    • 数据采用Excel 2010、SPSS 17.0及Canoco 5.0分析,采用单因素方差分析和最小显著性差异检验法进行显著性分析,采用冗余分析(RDA)及斯皮尔曼(Spearman)相关性分析,使用Origin 2021制作图表。

    • 图1A可知:油松单株总生物量、单株地上生物量和单株地下生物量均随林分密度的增大呈逐渐减少的趋势,且在林分密度为3 250 株·hm−2之后单株生物量趋于平稳。方差分析表明:不同密度油松林之间单株生物量差异显著(P<0.05)。由图1B可知:油松林生物量维持在79.36~148.81 t·hm−2,油松林总生物量和地上生物量均随林分密度呈先增加后减少的变化趋势,在1 750 株·hm−2时油松林总生物量达到最大(148.81 t·hm−2),并在3 250 株·hm−2之后趋于平稳。通过多元线性回归分析(表2)可知:在林分密度为750~2 750株·hm−2时,林分密度对油松林生物量的贡献要大于单株生物量,而在3 250株·hm−2之后单株生物量对油松林总生物量起到主要作用;油松林地下生物量则随林分密度呈波动变化。方差分析表明:在不同林分密度间油松林总生物量差异显著(P<0.05)。

      图  1  油松林生物量随林分密度的变化

      Figure 1.  Plant biomass in sample plots at different density

      表 2  油松单株生物量和林分密度对油松林总生物量的贡献率

      Table 2.  Contribution of individual plant biomass and stand density to total biomass in the sample plots

      林分密度/(株·hm−2)影响因子βPVIF
      750~ 2 750林分密度 1.383<0.0012.441
      单株生物量1.274<0.0012.441
      3 250 ~ 5 750林分密度 0.3120.0181.104
      单株生物量0.929<0.0011.104
        说明:β是标准化回归系数;VIF是方差扩大因子,<5表示模型构建良好。
    • 在垂直剖面上,随土层深度的增加,土壤孔隙度和土壤含水量均呈减小趋势(图2A~D)。方差分析表明:不同密度油松林地土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、土壤含水量存在显著差异(P<0.05)。随林分密度的增加,土壤总孔隙度、非毛管孔隙度、土壤含水量均呈先增大后减小的变化趋势,总孔隙度在1 750株·hm−2时达到最大值,非毛管孔隙度与土壤含水量在2 750株·hm−2时达到最大值且较低密度林分的土壤含水量明显高于高密度林分,而土壤毛管孔隙度随密度呈波动性变化(表3)。

      图  2  土壤物理特性随林分密度的变化

      Figure 2.  Variation in soil physical properties at different stand densities

      表 3  不同林分密度油松林0~100 cm土壤物理性质

      Table 3.  Soil physical properties of 0−100 cm the P. tabulaeformis forests in in different densities

      林分密度/(株·hm−2)总孔隙度/%毛管孔隙度/%非毛管孔隙度/%土壤含水量/%
      75050.77±0.75 bc47.55±1.10 c3.22±0.69 abc10.01±0.81 e
      1 25046.47±1.00 d43.80±1.03 e3.09±1.50 abc12.25±1.48 bc
      1 75052.38±1.50 a48.70±0.55 ab3.75±1.05 a12.97±2.83 ab
      2 25052.22±1.55 a48.78±0.73 ab3.45±1.06 ab12.74±2.11 ab
      2 75052.02±2.25 a47.32±0.31 c4.52±0.56 a13.84±1.75 a
      3 25052.17±2.20 a48.73±1.05 ab3.52±0.77 ab11.14±1.20 cd
      3 75051.58±1.79 ab48.24±0.65 abc3.37±0.46 abc10.91±0.57 d
      4 25051.91±1.62 a47.87±0.68 bc4.03±0.95 a11.25±0.48 cd
      4 75050.68±1.36 bc48.73±0.93 ab1.97±0.07 bc10.92±0.38 d
      5 25050.37±1.51 c46.32±0.59 d4.02±1.32 a12.33±0.52 bc
      5 75050.66±1.40 bc48.87±0.99 a1.81±0.31 c9.03±0.63 e
        说明:数值为平均值±标准差,数据后同列不同小写字母表示不同林分密度间差异显著(P<0.05)。
    • 图3A~F与表4为不同林分密度油松林土壤化学特性的变化情况。除全磷、速效磷外,其他化学特性均随土层深度呈减少趋势。方差分析表明:林分密度对土壤有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮、速效磷、全磷质量分数影响显著(P<0.05)。随林分密度的增加,土壤有机碳质量分数整体呈双峰型变化,土壤全磷、铵态氮、速效磷质量分数则均呈先增后减变化趋势;土壤全氮、硝态氮随林分密度呈波动性变化。由表4可知,林分密度为1 750株·hm−2时,土壤养分质量分数最大。

      图  3  土壤化学特性随林分密度的变化

      Figure 3.  Variation of soil chemical properties with stand density

      表 4  不同林分密度油松林0~100 cm土壤化学性质

      Table 4.  Soil chemical properties of 0−100 cm in different densities of the P. tabulaeformis forest

      林分密度/(株·hm−2)土壤有机碳/(g·kg−1)全氮/(g·kg−1)全磷/(g·kg−1)铵态氮/(mg·kg−1)硝态氮/(mg·kg−1)速效磷/(mg·kg−1)
      7503.41±0.84 c0.52±0.09 bc0.50±0.01 cd11.94±2.03 cd5.05±0.83 ab1.16±0.27 f
      1 2503.75±1.31 c0.52±0.13 bc0.56±0.01 a10.21±1.74 e3.95±0.90 d0.97±0.50 f
      1 7505.40±2.87 ab0.61±0.21 bc0.57±0.01 a14.13±1.38 a4.56±0.66 bcd2.31±0.76 ab
      2 2504.39±2.25 abc0.52±0.23 bc0.47±0.01 d11.23±1.15 de4.79±0.83 abc2.39±0.46 a
      2 7504.57±2.57 abc0.55±0.20 bc0.51±0.01 bc13.50±1.94 ab4.74±0.73 abc2.14±0.37 abcd
      3 2504.39±1.88 abc0.64±0.28 abc0.53±0.00 ab13.20±1.38 ab4.74±0.95 abc1.90±0.46 cde
      3 7503.87±1.55 c0.66±0.25 ab0.51±0.01 bc14.41±1.75 a4.95±0.71 ab2.00±0.41 abcde
      4 2504.12±1.79 bc0.45±0.08 c0.51±0.00 bc13.25±1.31 ab5.34±0.71 a2.28±0.68 abc
      4 7504.04±2.11 bc0.52±0.14 bc0.51±0.00 bc12.70±1.36 bc3.96±0.80 d1.66±0.37 e
      5 2505.55±2.47 a0.65±0.18 bc0.50±0.02 cd11.01±0.93 de4.16±1.11 d1.82±0.69 de
      5 7503.74±1.80 c0.77±0.17 a0.51±0.01 bc11.45±2.14 cde4.30±0.65 cd1.94±0.32 bcde
      说明:表中数据为平均值±标准差,数据后同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
    • 图4可知:2个排序轴对不同密度油松林生物量的累计解释率为53.62%,两轴较好地反映了油松生物量与土壤各因子之间存在的关联性。根据蒙特卡洛检验结果可知:第1排序轴和所有典型轴均差异显著,排序结果科学可靠。第1排序轴主要反映了土壤有机碳、速效磷的变化趋势,第2排序轴主要反映了总孔隙度、毛管孔隙度、全磷的变化趋势。生物量RDA排序图表明:油松林地上生物量、地下生物量、总生物量之间均呈正相关。油松林地上生物量、地下生物量、总生物量均与土壤有机碳、速效磷呈正相关,与土壤总孔隙度、毛管孔隙度呈负相关。轴1从左到右,油松林地上生物量、地下生物量和总生物量随着土壤有机碳、速效磷的增加而减少;沿轴2从上到下,随着总孔隙度、毛管孔隙度、全磷的增加油松林地上生物量、地下生物量和总生物量均增加。经蒙特卡洛分析表明,土壤总孔隙度、有机碳和速效磷对不同林分密度油松林生物量均达到显著影响(P<0.01)。

      图  4  不同林分密度油松林生物量与土壤理化性质的冗余分析二维排序图

      Figure 4.  RDA two-dimensional ordination plot of biomass and soil physico-chemical properties in P. tabulaeformis forests of different densities

      由生物量与土壤理化性质的Spearman相关分析可知(表5):除土壤有机碳与速效磷均显著影响油松林生物量外,地下生物量还受到土壤含水量的显著影响(P<0.05)。

      表 5  不同林分密度油松林生物量与土壤理化性质相关系数

      Table 5.  Correlation coefficients between biomass and soil physico-chemical properties of P. tabulaeformis forests of different densities

      项目SWCTOPCPNPTNTPSOCNHNOAP
      油松林地上生物量0.235−0.0200.0110.1230.2280.1620.513**−0.2420.0020.358*
      油松林地下生物量0.372*0.023−0.0560.1980.213−0.1010.426**−0.139−0.0320.326*
      油松林总生物量 0.257−0.108−0.0750.1160.2540.1060.519**−0.280−0.0410.336*
        说明:**表示极显著相关(P<0.01); *表示显著相关(P<0.05)。SWC. 土壤含水量;TOP. 总孔隙度;CP. 毛管孔隙度;NP. 非毛管孔隙度;TN. 全氮;TP. 全磷;SOC.土壤有机碳;NH. 铵态氮;NO. 硝态氮;AP. 速效磷。
    • 森林生物量是评估生态系统生产力与植被承载能力的重要指标,也是物质循环和能量流动的基础[26],林分密度是人工林经营中的关键林分因子之一。生物量作为衡量植被生产力的主要指标,两者之间有着密切联系[6]。本研究中,林分密度对油松单株生物量和林分生物量均具有显著影响。在低密度情况下,油松单株之间的树间距较大,个体拥有充足的生长空间,彼此之间相互影响较小,林分密度对树木的生长与生物量的积累具有更强的正面影响[2728]。当林分密度增大时,一方面由于树间距缩小导致冠层关闭,影响树木的光合作用[29],进而影响生物量[3031];另一方面由于林分密植导致林木的生长空间不断减小,增加个体之间的竞争,进而导致林分质量下降,不利于林分的可持续经营[32]。本研究表明,林分总生物量在低密度条件下会随着密度的增大而增加,而当密度达到一定阈值时,林分总生物量主要受到单株生物量的影响。人工林分在幼龄林阶段时,密度对林木的生长没有较大影响,可以采取适当密植的方法[32];但随林龄的增长,单株生物量对林分生物量的影响逐渐起到主导作用,此时林分密度过大会限制油松林的生长和发展,需采取间伐等措施对林分密度进行合理调控。本研究的30年生油松林,林分密度在1 750株·hm−2时油松单株生长情况最佳且可维持最大的生产力。

    • 土壤孔隙度直接影响土壤的通透性,孔隙度大的土壤结构疏松,利于水分下渗[33]。本研究发现,随土壤深度的增大,土壤孔隙度与土壤含水量均不断减小。随林分密度的增大土壤孔隙度和含水量均先增大后减小,林分密度为1 750~2 750株·hm−2时,土壤孔隙度大,含水量高,这是由于在该密度条件下根系生物量和凋落物厚度相对其他林分较大,利于土壤孔隙的增加及土壤腐殖质的分解[34]。土壤含水量是林内降雨、林木蒸散和土壤蒸发等共同作用的结果[35]。本研究中土壤含水量在低密度与高密度林分之间存在明显差异,且低密度林分高于高密度林分。这可能是由于在低密度林分林内降雨相对较大,且在该研究区不同密度油松林内均有较厚的凋落物,土壤蒸散量相对一致,因而在低密度林分条件下土壤含水量相对较高。因此,若以保持水土和改良土壤蓄水性能为目的,林分密度建议维持在1 750~2 750株·hm−2

      本研究结果表明,不同林分密度油松林地间土壤养分均存在差异,随林分密度的增大,土壤养分呈先增大后减小的变化趋势,且在密度为1 750株·hm−2时整体养分质量分数最大。这可能是因为不同林分密度林内所受到的光照以及土壤微环境有所不同,进而影响土壤养分质量分数。随林分密度的增加,凋落物随之增加,土壤养分质量分数随之增加[36],但当林分密度继续增大,林木对土壤养分吸收量加大,而针叶树种自然更新凋落速度较慢,土壤养分消耗速度大于补偿速度,土壤养分质量分数出现减少趋势。过高密度的林分内土壤微生物也会与植被争夺养分,而森林微环境的不适宜性导致土壤生物活性较低,限制了高林分密度森林土壤养分[37]。本研究中在高密度时土壤有机碳质量分数增多,可能是由于高密度林分林木之间竞争加强,地下根系死亡分解释放的养分回归到土壤中,导致在高密度时有机碳质量分数增加。本研究还表明,除磷元素外,土壤养分均具有明显的表聚现象,而磷元素质量分数随土壤深度没有明显变化,可能是由于磷元素主要来源于土壤母质的矿化,在土壤中的分布没有明显差异[38]。因此,将林分密度维持在1 750株·hm−2左右可有效改善土壤肥力,提升土壤碳汇能力。

    • 本研究发现,土壤总孔隙度、有机碳、速效磷是影响油松林生物量的主要土壤因子,除此,油松林地下生物量还受到土壤含水量的影响。土壤总孔隙度、有机碳和磷元素均是植物生长的限制因子[39],随着土壤有机碳和速效磷的变化,油松林生物量也发生显著变化。由此可见,若以获取高生物量为目标,则可以进行人为干预,施加相应养分等措施来促进油松林的生长。土壤含水量与地下生物量之间存在密切相关,这是因为植物生长的同时其根系也由浅入深进行生长,此过程需要土壤水分的供应来维持[40],进一步说明土壤储水能力对于提升林地根系生物量至关重要。由此可知,在坡地进行油松林培育时,可以采取水平阶等工程措施将地表径流转变为土壤水分,提高土壤储水能力,进而促进植物根系的生长。

    • 对于30年生油松人工林,林分密度对油松单株生物量和林分生物量均影响显著,林分总生物量在油松密度1 750 株·hm−2达到峰值,且在此密度下更有利于林木个体生长及其生物量的累积。不同密度油松人工林的土壤理化性质差异显著。林分密度为1 750 株·hm−2时,土壤结构及土壤养分更适宜油松的生长以及生物量的累积。土壤总孔隙度、有机碳和速效磷对不同密度油松林生物量均达极显著影响,地下生物量还受到土壤含水量的显著影响。综上,以固碳释氧和维持最大生产力为目的,以及以提高土壤碳汇能力和改良土壤肥力为目的的油松林,林分密度建议维持在1 750株·hm−2左右,以保持水土和改良土壤蓄水性能为目的的油松林,林分密度建议维持在1 750~2 750株·hm−2

参考文献 (40)

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