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森林土壤是林木生长的载体,也是森林生态系统物质循环和能量流动的重要场所,土壤的最大特征就是具有肥力,为森林的存在和发展提供物质基础[1-2],近年来随着林地面积的不断扩大,一部分人工林出现了明显的衰退状况[3-8]。诸多国内外学者持续关注不同林分类型对土壤理化性质的影响[9-13]。赵伟文[3]等人研究表明不同林分土壤理化性质差异较大,样地内土壤肥力保存量不高;刘国顺[14]等人研究表明,鸡公山不同林分类型由于植被组成不相同,其土壤理化性质差异明显;而赵江宁[1]等人研究表明长岗山不同林分土壤各指标含量差异不显著。研究区洪雅属于华西雨屏区,地理位置特殊从而气候环境特殊,在频繁降雨、农事活动等叠加效应下,导致土壤养分流失非常严重,但由于植被类型多样,且对土壤养分保持能力尚不清晰。因此,为了探索该区域不同林分是否对土壤化学性质造成明显差异,以洪雅县八面山杉木纯林、柳杉纯林、鹅掌楸纯林和柳杉×楠木混交林为研究对象,通过测定各林分的土壤化学指标,探索树种组成差异与土壤化学性质之间的关系。土壤供磷、钾强度与土壤中磷钾的积累、贮存和转化等方面有关,因此通过分析土壤营养元素含量差异及供应强度揭示不同植被对土壤肥力的影响,为四川地区人工林生态系统的恢复与更新提供参考依据。
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四种林分的各层土壤pH值在4.02~5.33之间,呈酸性,且四种林分的土壤pH值均随土壤深度的增加而增加,不同林分同一土层的pH值也有所差异(见表1和图1)。多重比较(LSD)结果表明(见表1),A和B、C和D的土壤pH值无显著差异(P>0.05),A和C、A和D、B和C、B和D林分间的土壤pH值差异显著(P<0.05)。
林分类型 林分类型编号 林龄/a 平均树高/m 平均胸径/cm 杉木纯林 A 9 7.97 13.32 柳杉纯林 B 9 8.82 14.09 鹅掌楸纯林 C 7 7.39 10.64 柳杉×楠木混交林 D 6 3.52 3.41 Table 1. Growth status of different stand types
土壤有机质是土壤养分的主要来源,含有植物生长所需的各种养分。由图1知,四种林分类型土壤有机质在20.41~103.18 g·kg−1之间,其中柳杉纯林0~10 cm的土壤有机质含量较高(103.18 g·kg−1),杉木纯林30~40 cm土壤的土壤有机质最低(20.41 g·kg−1)。每种林分的有机质含量都随着土壤层次的增加而减少,但不同林分类型的有机质无显著差异。
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土壤全氮是衡量土壤有效氮供应情况的一个重要指标。土壤全磷不能直接表明土壤供应磷的能力,但全磷含量是一个潜在肥力指标,若土壤全磷含量低于0.8~1.0 g·kg−1时就表现为磷供应不足[16-17]。测定结果显示(图2),四种林分在0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm土层全氮含量平均值分别为1.22 g·kg−1、1.01 g·kg−1、0.83 g·kg−1、0.68 g·kg−1,且每种林分土壤全氮含量都随土层深度的增加而减少。
四种不同林分均表现为0~10 cm土层全磷含量高于10~20 cm,但是各土层间的差异极小。四种林分土壤全磷含量与全氮含量变化相似,也随土层深度的增加而减少,其中鹅掌楸纯林土壤全磷含量在各土层均最高,柳杉纯林在40~60 cm土层含量最低。
四种林分0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm土层全钾含量平均值分别为17.16 g·kg−1、16.35 g·kg−1、17.97 g·kg−1、17.43 g·kg−1。杉木纯林、柳杉纯林、鹅掌楸纯林的土壤全钾含量随着土层的加深均存在上下波动,但柳杉×楠木混交林随着土层的增加全钾含量逐渐增加。
由图3可得,四种林分在0~10 cm、10~20 cm土层碱解氮含量平均为153.66 mg·kg−1、115.46 mg·kg−1。每种林分土壤碱解氮含量变化趋势一致,均随土层深度的增加而减少,其中杉木纯林在0~10 cm土层中碱解氮含量最高,为189.25 mg·kg−1,柳杉×楠木混交林在40~60 cm土层含量最低,为53.67 mg·kg−1。
Figure 3. Changes of soil alkali-hydrolyzable nitrogen, available phosphorus and available potassium in different stands
土壤有效磷含量是反应土壤供应磷素状况的较好指标[18],从图3可以看出,四种林分土壤有效磷含量在5.36~14.00 mg·kg−1之间变化且每种林分土壤有效磷含量变化趋势一致,均随土层深度的增加而减少,其中柳杉×楠木混交林在0~10 cm土层中含量最高,为14.00 mg·kg−1,柳杉×楠木混交林在40~60 cm土层含量最低,为5.36 mg·kg−1。
土壤速效钾包括了交换性钾和水溶性钾[2],其中主要来源于矿物钾风化的交换性钾是速效钾的主体,是植物根系吸收的直接钾素来源[19-20]。四种林分土壤速效钾含量在80.96~119.21 mg·kg−1之间,均大于70 mg·kg−1,因此这四种林分土壤速效钾含量都比较丰富。其中杉木纯林、柳杉纯林随着土层的加深速效钾含量先增加后减少,鹅掌楸纯林、柳杉×楠木混交林随着土层的增加逐渐增加,且在各个土层中,柳杉×楠木混交林的速效钾含量都最高。
对不同林分类型土壤全氮、全磷、全钾、速效钾、有效磷、碱解氮进行单因素方差分析,结果表明不同林分类型的土壤全磷、全钾、速效钾、全氮存在显著性差异,有效磷、碱解氮无显著性差异。多重比较结果显示(见表2)B和D的土壤全氮含量差异性显著;A、B、D的土壤全磷含量无显著性差异;A、B、C的土壤全钾含量无显著性差异;A和B的土壤速效钾无显著差异;其它林分间土壤速效钾存在显著性差异;不同林分类型的土壤有效磷、碱解氮无显著差异。
林分类型 土壤pH值 速效钾/(mg·kg−1) 有效磷/(mg·kg−1) 碱解氮/(mg·kg−1) 有机质/(g·kg−1) 全氮/(g·kg−1) 全磷/(g·kg−1) 全钾/(g·kg−1) A 4.35±0.27b 87.66±5.66c 8.90±2.47a 124.00±59.62a 55.93±34.33a 1.03±0.28ab 0.29±0.06b 14.94±1.07b B 4.54±0.30b 86.42±3.67c 8.51±1.95a 128.52±30.41a 65.00±26.23a 1.10±0.23a 0.31±0.10b 16.44±1.63b C 4.98±0.18a 100.39±6.93b 10.31±2.53a 92.44±37.14a 40.22±16.30a 0.90±0.24ab 0.56±0.19a 16.69±1.95b D 5.11±0.23a 111.14±7.84a 9.67±3.80a 75.56±25.89a 32.33±9.94a 0.72±0.16b 0.34±0.11b 20.85±1.00a 注:表中的数值为“平均值±标准差”,小写字母表示差异显著。 Table 2. Soil chemistry and nutrient content of different stand types
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如表3,在0~10 cm土层的供磷强度最高的是杉木纯林(3.3%),在40~60 cm土层的供磷强度最高的是柳杉纯林(3.3%)。杉木纯林随着土层的加深土壤供磷强度逐渐减弱,鹅掌楸纯林土壤供磷强度随着土层的增加波动不明显,柳杉×楠木混交林则先增加后减弱,而柳杉纯林随着土层的加深土壤供磷强度先增加后减弱再增加。
林分类型 土层厚度 供磷强度 供钾强度 平均供磷 平均供钾 A 1 3.3 0.53 2.64 0.52 2 2.5 0.5 3 1.8 0.5 4 2.9 0.52 B 1 3.07 0.64 2.71 0.59 2 2.8 0.62 3 1.84 0.58 4 3.11 0.53 C 1 2.99 0.59 2.57 0.56 2 2.79 0.5 3 1.76 0.62 4 2.75 0.53 D 1 2.81 0.6 2.61 0.59 2 3.3 0.48 3 1.97 0.72 4 2.35 0.55 Table 3. Soil P and K supply intensity in different soil layers of different stands (/%)
四种林分的土壤供钾强度与土壤供磷强度变化有所差异,在0~10 cm四种林分的土壤供钾强度差异不明显,在40~60 cm土层鹅掌楸纯林供钾强度最大(0.72%),杉木纯林供钾强度最小(0.48%)。鹅掌楸纯林和柳杉×楠木混交林土壤供钾强度均随着土层增加而增加,柳杉纯林则为先增加后减小。