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晋西黄土区油松和刺槐人工林土壤养分及其化学计量比对林分密度的响应

王岩松 马保明 高海平 王百田 李莎 董秀群

王岩松, 马保明, 高海平, 王百田, 李莎, 董秀群. 晋西黄土区油松和刺槐人工林土壤养分及其化学计量比对林分密度的响应[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190287
引用本文: 王岩松, 马保明, 高海平, 王百田, 李莎, 董秀群. 晋西黄土区油松和刺槐人工林土壤养分及其化学计量比对林分密度的响应[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190287
Wang Yansong, Ma Baoming, Gao Haiping, Wang Baitian, Li Sha, Dong Xiuqun. Response of soil nutrients and their stoichiometric ratios to stand density in Pinus tabuliformis and Robinia pseudoacacia plantations in the loess region of western Shanxi Province, northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190287
Citation: Wang Yansong, Ma Baoming, Gao Haiping, Wang Baitian, Li Sha, Dong Xiuqun. Response of soil nutrients and their stoichiometric ratios to stand density in Pinus tabuliformis and Robinia pseudoacacia plantations in the loess region of western Shanxi Province, northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190287

晋西黄土区油松和刺槐人工林土壤养分及其化学计量比对林分密度的响应

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190287
基金项目: 国家重点研发计划“黄土残塬沟壑区水土保持型景观优化与特色林产业技术及示范”(2016YFC0501704)
详细信息
    作者简介:

    王岩松。主要研究方向:林业生态工程。Email:306139351@qq.com 地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    通讯作者:

    王百田,教授,博士生导师。主要研究方向:林业生态工程。Email:13910595782@163.com 地址:同上

  • 中图分类号: Q946.885+.5; S 792.95

Response of soil nutrients and their stoichiometric ratios to stand density in Pinus tabuliformis and Robinia pseudoacacia plantations in the loess region of western Shanxi Province, northern China

  • 摘要:   目的  研究对比油松和刺槐林在不同密度下土壤养分及其化学计量比的变化规律及差异性,以加强黄土区人工林的林分管理和生态恢复建设。  方法  以油松和刺槐人工林为研究对象,分别将其划分为高(2 000 ~ 2 700株/hm2)、中(1 100 ~ 1 600株/hm2)、低(800 ~ 1 100株/hm2)3组林分密度类型,每组挑选4个不同林分密度的林地,分别分层采取土样,测定土壤理化性质。  结果  (1)双因素方差分析显示,林分类型对全磷含量(TP)、碳磷比(C∶P)、氮磷比(N∶P)均有显著影响,林分密度仅对TP有显著影响,林分类型与林分密度的交互作用对有机碳含量(SOC)、全氮含量(TN)、TP、C∶P、N∶P均有显著影响。(2)不同林分密度的油松林和刺槐林的SOC和TN表现为:高密度油松林(油H) > 中密度油松林(油M) > 低密度刺槐林(刺L) > 高密度刺槐林(刺H) > 低密度油松林(油L) > 中密度刺槐林(刺M),全P表现为:刺M > 油H > 刺L > 刺H > 油M > 油L;随林分密度增加,油松林各土层SOC和TN逐渐增加,TP变化相对稳定且无显著性差异,刺槐林各土层SOC和TN先减少后略有增加,TP则是先增加后减少;同一密度在不同林分类型下,油松林土壤养分含量在高密度和中密度时均优于刺槐林,低密度时则相反。(3)不同林分密度的油松和刺槐林的C:N比值表现为:油H > 刺H > 刺L > 油M > 刺M > 油L,C∶P和N∶P比值均表现为:油H > 油M > 刺L > 刺H > 油L > 刺M;随林分密度的增加,油松林土壤C∶P和N∶P逐渐增大,磷的有效性逐渐减小,刺槐林土壤C∶P和N∶P先减小后增大,磷的有效性先升高后降低,油松林土壤磷的有效性在高和中密度下低于同等密度的刺槐林,低密度下则相反;土壤SOC和TN分别在很大程度上决定了C∶P和N∶P水平;不同林分密度下土壤C∶N比较稳定,土壤氮含量较缺乏,林分生长过程受氮素的限制。(4)油松和刺槐林在不同林分密度下的土壤各养分含量呈现出“表聚现象”且随土层深度增加土壤SOC、TN、TP、C∶P、N∶P逐渐减小,C∶N无明显规律;随林分密度增加,油松林土壤属性变异强度先降低后升高,刺槐林则是缓慢升高;相比于油松林,林分密度对刺槐林土壤养分及其化学计量比的垂直变异影响较小,垂直变异更趋于平稳。(5)林分密度的变化会不同程度地改变土壤物理性质对土壤养分及其化学计量比的影响力度,不同林分密度下土壤密度对土壤养分含量及化学计量比的影响最大,非毛管孔隙次之。  结论  综合来看,同一林分类型在不同密度下,油松林在中密度时土壤养分含量及其垂直变异、磷的有效性发挥、受氮素的限制等方面上均处于较优水平,而刺槐林则是在低密度时;同一密度在不同林分类型下,油松林在高密度和中密度的综合表现优于同等密度的刺槐林,低密度时则相反。
  • 图  1  不同林分密度下2种人工林各土层土壤养分含量

    不同大写字母表示同土层不同林分间差异显著,不同小写字母表示同林分不同土层间差异显著(P < 0.05)。油H. 高密度油松林;油M. 中密度油松林;油L. 低密度油松林;刺H. 高密度刺槐林;刺M. 中密度刺槐林;刺L. 低密度刺槐林。下同。Different uppercase letters indicate significant differences between varied forest stands in the same soil layers, and different lowercase letters indicate significant differences between varied soil layers in the same forest stands(P < 0.05). 油H, high density Pinus tabuliformis plantation; 油M, medium density Pinus tabuliformis plantation; 油L, low density Pinus tabuliformis plantation; 刺H, high density Robinia pseudoacacia plantation; 刺M, medium density Robinia pseudoacacia plantation; 刺L, low density Robinia pseudoacacia plantation. The same below.

    Figure  1.  Soil nutrient contents in different soil layers of 2 plantations with different stand densities

    图  3  不同林分密度下土壤属性的垂直分异

    Figure  3.  Vertical differentiation of soil properties under different stand densities

    图  2  不同林分密度下2种人工林各土层C、N、P化学计量比

    Figure  2.  Stoichiometric ratios of soil carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P) in different soil layers of 2 plantations with different stand densities

    表  1  样地基本概况

    Table  1.   Basic information of the sample plots

    林分类型
    Stand type
    密度划分
    Density division
    林分密度/(株·hm−2
    Stand density/
    (plant·ha−1
    土壤类型
    Soil type
    坡向
    Slope aspect
    坡度
    Slope degree/(°)
    海拔
    Altitude/m
    平均树高
    Average tree height/m
    郁闭度
    Canopy density
    油松
    Pinus tabuliformis
    H2 050,2 240,2 400,2 650褐土
    Cinnamon soil
    半阴坡
    Semi-shady slope
    22 ~ 251 3208.60.70
    M1 250,1 310,1 360,1 525褐土
    Cinnamon soil
    半阴坡
    Semi-shady slope
    19 ~ 261 1208.90.56
    L875,950,1 000,1 050褐土
    Cinnamon soil
    半阴坡
    Semi-shady slope
    16 ~ 201 1408.10.56
    刺槐
    Robinia pseudoacacia
    H2 050,2 155,2 350,2 675褐土
    Cinnamon soil
    半阴坡
    Semi-shady slope
    21 ~ 271 1107.00.46
    M1 175,1 350,1 410,1 525褐土
    Cinnamon soil
    半阴坡
    Semi-shady slope
    21 ~ 241 0408.20.60
    L900,975,1 010,1 075褐土
    Cinnamon soil
    半阴坡
    Semi-shady slope
    16 ~ 191 13010.1 0.50
    注:H. 高密度;M. 中密度;L. 低密度。下同。Notes: H, high density; M, medium density; L, low density. The same below.
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    表  2  林分类型与林分密度对碳氮磷及其化学计量比的双因素方差分析

    Table  2.   Results of two-way ANOVA on the effects of stand type and stand density on organic carbon, nitrogen and phosphorus concentrations and their stoichiometric ratios

    变异来源
    Source of variation
    林分类型
    Stand type
    林分密度
    Stand density
    林分类型 × 林分密度
    Stand type × stand density
    dfFPdfFPdfFP
    SOC 13.540.06322.590.07925.49 < 0.01
    TN 13.650.05821.520.22224.64 < 0.05
    TP 120.67 < 0.00125.16 < 0.01213.21 < 0.001
    C∶N 10.3880.53521.490.23020.600.550
    C∶P 16.30 < 0.0522.610.07825.34 < 0.01
    N∶P 17.97 < 0.0121.630.20125.27 < 0.01
    注:SOC. 土壤有机碳含量;TN. 全氮含量;TP. 全磷含量。下同。Notes: SOC, soil organic carbon content; TN, total nitrogen content; TP, total phosphorus content. The same below.
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    表  3  碳氮磷含量及其化学计量比与土壤物理性质的相关性

    Table  3.   Correlations between organic carbon, nitrogen and phosphorus content as well as their stoichiometric ratios and environmental factors

    林分密度
    Stand density
    土壤养分及其化学计量比
    Soil nutrient and their
    stoichiometric ratio
    土壤物理性质 Soil physical property
    土壤密度
    Soil density
    毛管孔隙度
    Capillary porosity
    总孔隙度
    Total porosity
    非毛管孔隙度
    Noncapillary porosity
    含水率
    Moisture content
    高 HighSOC−0.566**0.0130.396*0.359*0.370*
    TN−0.720**0.2680.3160.3320.124
    TP−0.369*0.2510.249−0.0540.038
    C∶N−0.073−0.2190.2250.1530.249
    C∶P−0.553**−0.0030.379*0.377*0.365*
    N∶P−0.643**0.1730.2190.341*0.154
    中 MediumSOC−0.347*−0.0210.220.430**0.308
    TN−0.421**0.1050.335*0.485**0.222
    TP0.197−0.284−0.0560.0460.238
    C∶N−0.178−0.0780.0580.1880.262
    C∶P−0.405**0.0610.2640.446**0.226
    N∶P−0.457**0.1720.335*0.474**0.094
    低 LowSOC−0.660**−0.0160.474**0.552**0.678**
    TN−0.336*−0.2330.1020.472**0.701**
    TP−0.2430.329*0.280.0390.309*
    C∶N−0.537**0.1310.528**0.361*0.318*
    C∶P−0.642**−0.0660.438**0.573**0.663**
    N∶P−0.308*−0.2810.0590.483**0.689**
    注:*表示显著相关(P < 0.05),**表示极显著相关(P < 0.01)。Notes: * represents significant correlation (P < 0.05),** represents extremely significant correlation (P < 0.01).
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  • [1] 刘建明, 姚颖, 刘忠玲, 等. 不同林分密度榛子天然林土壤养分特征研究[J]. 森林工程, 2018, 34(3):1−5. doi:  10.3969/j.issn.1006-8023.2018.03.001

    Liu J M, Yao Y, Liu Z L, et al. Study on nutrient characteristics of soil in natural corylus forest stands of different stocking densities[J]. Forest Engineering, 2018, 34(3): 1−5. doi:  10.3969/j.issn.1006-8023.2018.03.001
    [2] 董威, 刘泰瑞, 覃志杰, 等. 不同林分密度油松天然林土壤理化性质及微生物量碳氮特征研究[J]. 生态环境学报, 2019, 28(1):65−72.

    Dong W, Liu T R, Qin Z J, et al. Research on the characteristics of soil physicochemical properties and microbial biomass carbon and nitrogen in natural Pinus tabulaeformis forests with different stand densities[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2019, 28(1): 65−72.
    [3] 刘璐, 葛结林, 舒化伟, 等. 神农架常绿落叶阔叶混交林碳氮磷化学计量比[J]. 植物生态学报, 2019, 43(6):482−489. doi:  10.17521/cjpe.2019.0064

    Liu L, Ge J L, Shu H W, et al. C, N and P stoichiometric ratios in mixed evergreen and deciduous broadleaved forests in Shennongjia, China[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2019, 43(6): 482−489. doi:  10.17521/cjpe.2019.0064
    [4] 杨祥祥, 李梦琦, 何兴东, 等. 沙地植被碳氮磷化学计量特征与物种多样性的关系[J]. 应用生态学报, 2018, 29(9):2819−2824.

    Yang X X, Li M Q, He X D, et al. Relationship between vegetation C, N, P stoichiometry and species diversity in sand land[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2018, 29(9): 2819−2824.
    [5] 邓成华, 吴龙龙, 张雨婷, 等. 不同林龄油茶人工林土壤-叶片碳氮磷生态化学计量特征[J]. 生态学报, 2019, 39(24):9152−9162.

    Deng C H, Wu L L, Zhang Y T, et al. The stoichiometry characteristics of soil and plant carbon, nitrogen, and phosphorus in different stand ages in Camellia oleifera plantation[J]. Acta Ecologica Sinica, 2019, 39(24): 9152−9162.
    [6] 朱湾湾, 王攀, 樊瑾, 等. 降水量及N添加对宁夏荒漠草原土壤C∶N∶P生态化学计量特征和植被群落组成的影响[J]. 草业学报, 2019, 28(9):33−44. doi:  10.11686/cyxb2019232

    Zhu W W, Wang P, Fan J, et al. Effect of precipitation and N addition on soil C:N:P ecological stoichiometry and plant community composition in a desert steppe of Ningxa, northwestern China[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2019, 28(9): 33−44. doi:  10.11686/cyxb2019232
    [7] 王绍强, 于贵瑞. 生态系统碳氮磷元素的生态化学计量学特征[J]. 生态学报, 2008, 28(8):3937−3947. doi:  10.3321/j.issn:1000-0933.2008.08.054

    Wang S Q, Yu G R. Ecological stoichiometry characteristics of ecosystem carbon, nitrogen and phosphorus elements[J]. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(8): 3937−3947. doi:  10.3321/j.issn:1000-0933.2008.08.054
    [8] 邓健, 张丹, 张伟, 等. 黄土丘陵区刺槐叶片-土壤-微生物碳氮磷化学计量学及其稳态性特征[J]. 生态学报, 2019, 39(15):5527−5535.

    Deng J, Zhang D, Zhang W, et al. Carbon, nitrogen, and phosphorus stoichiometry and homeostasis characteristics of leaves, soil, and microbial biomass of Robinia pseudoacacia forests in the loess hilly region of China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2019, 39(15): 5527−5535.
    [9] Tian H Q, Chen G S, Zhang C, et al. Pattern and variation of C∶N∶P ratios in China’s soils: a synthesis of observational data[J]. Biogeochemistry, 2010, 98(1/2/3): 139−151.
    [10] 姜沛沛, 曹扬, 陈云明, 等. 不同林龄油松(Pinus tabulaeformis)人工林植物、凋落物与土壤C、N、P化学计量特征[J]. 生态学报, 2016, 36(19):6188−6197.

    Jiang P P, Cao Y, Chen Y M, et al. Variation of C, N, and P stoichiometry in plant tissue, litter, and soil during stand development in Pinus tabulaeformis plantation[J]. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(19): 6188−6197.
    [11] 章广琦, 张萍, 陈云明, 等. 黄土丘陵区刺槐与油松人工林生态系统生态化学计量特征[J]. 生态学报, 2018, 38(4):1328−1336.

    Zhang G Q, Zhang P, Chen Y M, et al. Stoichiometric characteristics of Robinia pseudoacacia and Pinus tabuliformis plantation ecosystems in the loess hilly-gully region, China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2018, 38(4): 1328−1336.
    [12] 宋亚辉, 艾泽民, 乔磊磊, 等. 施肥对黄土高原农地土壤碳氮磷生态化学计量比的影响[J]. 水土保持研究, 2019, 26(6):38−45, 52.

    Song Y H, Ai Z M, Qiao L L, et al. Effects of fertilization on ecological stoichiometric ratio soil carbon, nitrogen and phosphorus in farmland of Loess Plateau[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2019, 26(6): 38−45, 52.
    [13] 朱秋莲, 邢肖毅, 张宏, 等. 黄土丘陵沟壑区不同植被区土壤生态化学计量特征[J]. 生态学报, 2013, 33(15):4674−4682. doi:  10.5846/stxb201212101772

    Zhu Q L, Xing X Y, Zhang H, et al. Soil ecological stoichiometry under different vegetation area on loess hilly-gully region[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(15): 4674−4682. doi:  10.5846/stxb201212101772
    [14] 吕金林, 闫美杰, 宋变兰, 等. 黄土丘陵区刺槐、辽东栎林地土壤碳、氮、磷生态化学计量特征[J]. 生态学报, 2017, 37(10):3385−3393.

    Lü J L, Yan M J, Song B L, et al. Ecological stoichiometry characteristics of soil carbon, nitrogen, and phosphorus in an oak forest and a black locust plantation in the loess hilly region[J]. Acta Ecologica Sinica, 2017, 37(10): 3385−3393.
    [15] 王风芹, 田丽青, 宋安东, 等. 华北刺槐林与自然恢复植被土壤微生物量碳、氮含量四季动态[J]. 林业科学, 2015, 51(3):16−24.

    Wang F Q, Tian L Q, Song A D, et al. Seasonal dynamics of microbial biomass carbon and nitrogen in soil of Robinia pseudoacacia forests and near-naturally restored vegetation in northern China[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2015, 51(3): 16−24.
    [16] 韦景树, 李宗善, 冯晓玙, 等. 黄土高原人工刺槐林生长衰退的生态生理机制[J]. 应用生态学报, 2018, 29(7):2433−2444.

    Wei J S, Li Z S, Feng X Y, et al. Ecological and physiological mechanisms of growth decline of Robinia pseudoacacia plantations in the Loess Plateau of China: a review[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2018, 29(7): 2433−2444.
    [17] 周巧稚, 毕华兴, 孔凌霄, 等. 晋西黄土区不同密度刺槐林枯落物层水文生态功能研究[J]. 水土保持学报, 2018, 32(4):115−121.

    Zhou Q Z, Bi H X, Kong L X, et al. Hydrological and ecological functions of litter layer under Robinia pseucdoacacia plantation with different densities in loess region of western Shanxi Province[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2018, 32(4): 115−121.
    [18] 李翔, 王海燕, 秦倩倩, 等. 林分密度对半分解层凋落物现存量空间异质性的影响[J]. 应用与环境生物学报, 2019, 25(4):817−822.

    Li X, Wang H Y, Qin Q Q, et al. Effects of stand density on spatial heterogeneity of standing crop in semi-decomposition litter layer[J]. Chinese Journal of Applied and Environmental Biology, 2019, 25(4): 817−822.
    [19] 覃志杰, 董威, 刘泰瑞, 等. 油松天然次生林林下植物多样性对林分密度的响应研究[J]. 山西农业大学学报(自然科学版), 2019, 39(1):61−67.

    Qin Z J, Dong W, Liu T R, et al. Responses of understory plant diversity to stand density in natural secondary forests of Pinus tabulaeformis[J]. Journal of Shanxi Agricultural University (Natural Science Edition), 2019, 39(1): 61−67.
    [20] 郭琳. 黄土高原刺槐人工林群落植物物种多样性研究[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2010.

    Guo L. Studies on plant species diversity of Robinia pseudoacacia in Loess Plateau [D]. Yangling: Northwest A&F University, 2010.
    [21] 高艳鹏. 半干旱黄土丘陵沟壑区主要树种人工林密度效应评价[D]. 北京: 北京林业大学, 2011.

    Gao Y P. Assessment of main plantation density effect in the semiarid loess hilly-gully regions[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2011.
    [22] 刘愿, 陈云明, 梁思琦, 等. 陕北黄土丘陵区刺槐人工林土壤生态化学计量特征[J]. 水土保持研究, 2019, 26(4):43−49.

    Liu Y, Chen Y M, Liang S Q, et al. Soil ecological stoichiometry characteristics of Robinia pseudoacacia plantation in the loess hilly gully regions of northern Shaanxi Province[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2019, 26(4): 43−49.
    [23] 刘兴锋, 刘思凡, 蒋龙, 等. 湘西北石漠化区不同植被类型土壤C、N、P的化学计量特征[J]. 中南林业科技大学学报, 2019, 39(2):72−78.

    Liu X F, Liu S F, Jiang L, et al. Stoichiometric characteristics of soil C, N and P in different vegetation types in the rocky desertification area of northwestern Hunan Province[J]. Journal of Central South University of Forestry & Technology, 2019, 39(2): 72−78.
    [24] 任丽娜, 王海燕, 丁国栋, 等. 密度调控对华北落叶松人工林土壤有机碳及养分特征的影响[J]. 干旱区资源与环境, 2012, 26(4):138−143.

    Ren L N, Wang H Y, Ding G D, et al. Effects of Larix principis-rupprechtii plantation density control on soil organic carbon and nutrients characteristics[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2012, 26(4): 138−143.
    [25] 范少辉, 赵建诚, 苏文会, 等. 不同密度毛竹林土壤质量综合评价[J]. 林业科学, 2015, 51(10):1−9.

    Fan S H, Zhao J C, Su W H, et al. Comprehensive evaluation of soil quality in Phyllostachys edulis stands of different stocking stocking densities[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2015, 51(10): 1−9.
    [26] 郭敬丽, 崔立志, 赵会艳, 等. 林分密度对人工油松林林下植物多样性的影响[J]. 林业与生态科学, 2018, 33(3):275−280.

    Guo J L, Cui L Z, Zhao H Y, et al. Impact of stand density on plant diversity under artificial Pinus tabulaeformis[J]. Forestry and Ecological Sciences, 2018, 33(3): 275−280.
    [27] 刘晨峰, 尹婧, 贺康宁. 林下植被对半干旱区不同密度刺槐林地土壤水分环境的指示作用[J]. 中国水土保持科学, 2004, 2(2):62−67, 79. doi:  10.3969/j.issn.1672-3007.2004.02.012

    Liu C F, Yin J, He K N. Indicatory function of soil moisture of undergrowth vegetations in the Robinia pseudoacacia forests with different densities in semi-arid region on the Loess Plateaus[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2004, 2(2): 62−67, 79. doi:  10.3969/j.issn.1672-3007.2004.02.012
    [28] 尹达, 杜宁, 徐飞, 等. 外来物种刺槐(Robinia pseudoacacia L.)在中国的研究进展[J]. 山东林业科技, 2014, 44(6):92−99. doi:  10.3969/j.issn.1002-2724.2014.06.026

    Yin D, Du N, Xu F, et al. Research progress of alien species of Robinia pseudoacacia L. in China[J]. Journal of Shandong Forestry Science and Technology, 2014, 44(6): 92−99. doi:  10.3969/j.issn.1002-2724.2014.06.026
    [29] 吴多洋, 焦菊英, 于卫洁, 等. 陕北刺槐林木生长及林下植被与土壤水分对种植密度的响应特征[J]. 西北植物学报, 2017, 37(2):346−355. doi:  10.7606/j.issn.1000-4025.2017.02.346

    Wu D Y, Jiao J Y, Yu W J, et al. Response characteristics of locust growth, understory vegetation and soil moisture on planting density in northern Shanxi[J]. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2017, 37(2): 346−355. doi:  10.7606/j.issn.1000-4025.2017.02.346
    [30] 刘冰燕, 陈云明, 曹扬. 渭北黄土区刺槐人工林氮、磷生态化学计量特征[J]. 西北林学院学报, 2016, 31(1):1−6, 14. doi:  10.3969/j.issn.1001-7461.2016.01.01

    Liu B Y, Chen Y M, Cao Y. Nitrogen and phosphorus stoichiometry characteristics of Robinia pseudoacacia plantation in Weibei Loess Plateau region[J]. Journal of Northwest Forestry University, 2016, 31(1): 1−6, 14. doi:  10.3969/j.issn.1001-7461.2016.01.01
    [31] 丁继伟, 张芸香, 郭跃东, 等. 华北落叶松天然林密度对林下植被物种组成和多样性的影响研究[J]. 西北林学院学报, 2018, 33(4):10−16. doi:  10.3969/j.issn.1001-7461.2018.04.02

    Ding J W, Zhang Y X, Guo Y D, et al. Influences of the density on understory species composition and diversity of Larix principis-rupprechtii natural forest[J]. Journal of Northwest Forestry University, 2018, 33(4): 10−16. doi:  10.3969/j.issn.1001-7461.2018.04.02
    [32] 张剑, 宿力, 王利平, 等. 植被盖度对土壤碳、氮、磷生态化学计量比的影响: 以敦煌阳关湿地为例[J]. 生态学报, 2019, 39(2):580−589.

    Zhang J, Su L, Wang L P, et al. The effect of vegetation cover on ecological stoichiometric ratios of soil carbon, nitrogen and phosphorus: a case study of the Dunhuang Yangguan Wetland[J]. Acta Ecologica Sinica, 2019, 39(2): 580−589.
    [33] 张芸, 李惠通, 张辉, 等. 不同林龄杉木人工林土壤C∶N∶P化学计量特征及其与土壤理化性质的关系[J]. 生态学报, 2019, 39(7):2520−2531.

    Zhang Y, Li H T, Zhang H, et al. Soil C:N:P stoichiometry and its relationship with the soil physicochemical properties of different aged Chinese fir (Cunninghamia lanceolata) plantations[J]. Acta Ecologica Sinica, 2019, 39(7): 2520−2531.
    [34] 张萍, 章广琦, 赵一娉, 等. 黄土丘陵区不同森林类型叶片-凋落物-土壤生态化学计量特征[J]. 生态学报, 2018, 38(14):5087−5098.

    Zhang P, Zhang G Q, Zhao Y P, et al. Ecological stoichiometry characteristics of leaf-litter-soil interactions in different forest types in the loess hilly-gully region of China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2018, 38(14): 5087−5098.
    [35] Tian H Q, Chen G S, Zhng G C, et al. Pattern and variation of C:N:P ratios in China’s soils: a synthesis of observational data[J]. Biogeochemistry, 2010, 98: 139−151. doi:  10.1007/s10533-009-9382-0
    [36] 赵伟文, 梁文俊, 魏曦. 不同林分类型对土壤理化性质特征的影响[J]. 山西农业大学学报(自然科学版), 2019, 39(2):61−68.

    Zhao W W, Liang W J, Wei X. Effects of different forest types on soil characteristics[J]. Journal of Shanxi Agricultural University (Natural Science Edition), 2019, 39(2): 61−68.
    [37] 周树平, 梁坤南, 杜健, 等. 不同密度柚木人工林林下植被及土壤理化性质的研究[J]. 植物研究, 2017, 37(2):200−210. doi:  10.7525/j.issn.1673-5102.2017.02.007

    Zhou S P, Liang K N, Du J, et al. Research on understory vegetation and soil physical-chemical properties of teak plantation with difference stand densities[J]. Bulletin of Botanical Research, 2017, 37(2): 200−210. doi:  10.7525/j.issn.1673-5102.2017.02.007
    [38] 李红林, 贡璐, 朱美玲, 等. 塔里木盆地北缘绿洲土壤化学计量特征[J]. 土壤学报, 2015, 52(6):1345−1355.

    Li H L, Gong L, Zhu M L, et al. Stoichiometric characteristics of soil in an oasis on northern edge of Tarim Basin, China[J]. Acta Pedologica Sinica, 2015, 52(6): 1345−1355.
    [39] 秦海龙, 付旋旋, 卢瑛, 等. 广西猫儿山不同海拔土壤碳氮磷生态化学计量特征[J]. 应用生态学报, 2019, 30(3):711−717.

    Qin H L, Fu X X, Lu Y, et al. Soil C:N:P stoichiometry at different altitudes in Mao’er Mountain, Guangxi, China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2019, 30(3): 711−717.
  • [1] 金锁, 毕浩杰, 刘佳, 刘宇航, 王宇, 齐锦秋, 郝建锋.  林分密度对云顶山柏木人工林群落结构和物种多样性的影响 . 北京林业大学学报, doi: 10.12171/j.1000-1522.20190202
    [2] 贺静雯, 刘颖, 余杭, 吴建召, 崔羽, 林勇明, 王道杰, 李键.  干热河谷优势灌木养分重吸收率及其C∶N∶P化学计量特征 . 北京林业大学学报, doi: 10.12171/j.1000-1522.20190185
    [3] 王雅慧, 彭祚登, 李云.  豫西浅山区不同世代刺槐林土壤养分与结构特征 . 北京林业大学学报, doi: 10.12171/j.1000-1522.20190263
    [4] 吴建召, 崔羽, 贺静雯, 刘颖, 李键, 林勇明, 王道杰, 吴承祯.  震区生态治理初期植物、土壤的养分含量及叶片化学计量特征 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20180329
    [5] 樊星火, 葛红艳, 张参参, 邓文平, 陈伏生, 卜文圣.  江西省生态公益林典型林分土壤肥力状况研究 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20180084
    [6] 那萌, 刘婷岩, 张彦东, 冯晨辛, 刘道锟.  林分密度对水曲柳人工林碳储量的影响 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20160111
    [7] 汪金松, 赵秀海, 张春雨, 李化山, 王娜, 赵博.  模拟氮沉降对油松林土壤有机碳和全氮的影响 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20140294
    [8] 刘海燕, 魏天兴, 王仙.  黄土丘陵区人工林土壤微生物PLFA标记多样性分析 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000--1522.20150262
    [9] 张新波, 李悦, 袁虎威, 李伟, 富裕华, 刘致远, 朱松林.  山西油松天然林分21 年子代生长性状遗传变异研究 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2014.03.016
    [10] 殷鸣放, 杨琳, 殷炜达, 雷庆国, 谭希斌, 张艳会, 李志伟.  油松、刺槐与杨树树干材积碳储量动态变化研究 . 北京林业大学学报,
    [11] 李国雷, 刘勇, 李瑞生, 徐扬, 郭蓓.  油松叶凋落物分解速率、养分归还及组分对间伐强度的响应 . 北京林业大学学报,
    [12] 刘世海, 余新晓.  密云水库流域油松水源保护林主要养分元素的生物循环 . 北京林业大学学报,
    [13] 肖洋, 陈丽华, 余新晓, 王小平, 秦永胜, 陈俊崎, .  北京密云油松人工林生态系统N、P、K养分循环 . 北京林业大学学报,
    [14] 刘秀萍, 陈丽华, 张心平, 高振林, 宋维峰, .  黄土高原造林边坡应力应变特征及其稳定性分析 . 北京林业大学学报,
    [15] 刘秀萍, 陈丽华, 宋维峰, 高振林, 张超波, .  刺槐林造林密度对边坡稳定性的影响 . 北京林业大学学报,
    [16] 李国雷, 刘勇, 甘敬, 郭蓓, 徐扬.  飞播油松林地土壤酶活性对间伐强度的季节响应 . 北京林业大学学报,
    [17] 徐程扬, 张华, 贾忠奎, 薛康, 杜鹏志, 王京国.  林分密度和立地类型对北京山区侧柏人工林根系的影响 . 北京林业大学学报,
    [18] HUALi_zhong, 任强, 王兰珍, 李雪华, 韦艳葵, 周传艳, 王立海, 薛康, 汪杭军1, 方升佐, 李国雷, 张冬梅, 刘鹏举, 耿玉清, 李义良, 王旭, 朱小龙, 党文杰, 赵铁珍, 刘剑锋, 吴丽娟, 段文霞, 李生宇, 周国逸, 尹光彩, 周亮, 杨慧敏, 崔同林, 高岚, 方陆明, 何茜, 朱波, 韩士杰, 李建章, JIANGXi_dian, 苏晓华, 余新晓, 杨娅, 黎明, 雷加强, 刘勇, 周宇飞, 李振基, 刘勇, 阎秀峰, 宋永明, 王春林, HEXiu_bin, 虞木奎, 徐扬, 刘锐, 程云清, 徐新文, 玲, 柯水发, 沈熙环, 孙向阳, 鹿振友, 唐小明, 李吉跃, 周国逸, 王新杰, 宗文君, 张冰玉, 王清文, 喻理飞, 赖志华, 郭蓓, 王伟宏, 茹广欣, 3, 李丙文, 张志毅, 齐涛, 国庆, 温亚利, 宋爱琴, 周晓梅, 陈峻崎, 李晓兰, 陈培金, , 李俊清, 陈实, 孙阁, 姚永刚, 张可栋, 刘志明, 蒋德明, 周玉平, 唐旭利, 长山, 王旭, 王晓静, 王建林, 陈放, 宋湛谦, 赵双荣, 王春林, 关少华, 闫俊华, 杨伟伟, 郑凌峰.  北京八达岭地区油松与灌丛林土壤肥力特征的研究 . 北京林业大学学报,
    [19] 李世东, 时尽书, 孙晓梅, 徐双民, 潘存德, 张宇清, 金小娟, 窦军霞, 张冰玉, 谭伟, 翟明普, 王玉杰, 颜容, 吕建雄, 胡晓丽, 范丙友, 李绍才, 肖生春, 南海龙, 朱教君, 陈文汇, 李发东, 杨振德, 高峻, 肖洪浪, 师瑞峰, 王云琦, 胡诗宇, 张守攻, 朱清科, 刘红霞, 三乃, 张一平, 李建章, 康宏樟, 田小青, 孙海龙, 苏晓华, 谢益民, 周春江, 韩海荣, 冯仲科, 孟平, 刘俊昌, 宋献方, 骆秀琴, 齐实, 赵博光, 李义良, 李智辉, 杨志荣, 周文瑞, 蒋佳荔, 王笑山, 蔡怀, 陆海, 吴斌, 赵双菊, 张雁, 齐实, 马钦彦, 姜伟, 刘昌明, 岳良松, 朱金兆, 姚山, 蒲俊文, 于静洁, 伊力塔, 宋清海, 葛颂, 张岩, 齐力旺, 张劲松, 张永安, 蒋湘宁, 赵有科, 何磊, 张德荣, 吴庆利, 康峰峰, 刘元, 杨聪, 褚建民, 石丽萍, 吕守芳, 马超德, 崔保山, 曲良建, 刘鑫宇, 朱林峰, 王建华, 王玉珠, 刘相超, 田颖川, 胡堃, 唐常源.  小钻杨和刺槐根系养分吸收的动力学研究 . 北京林业大学学报,
    [20] 吕兆林, 王华, 姜春宁, 曹金珍, 李笑吟, 何利娟, 马履一, 张力平, 史军辉, 何恒斌, 贾彩凤, 林峰, 王勇, 张亚利, 张春雨, 许月卿, 李秀芬, 李长洪, 于占源, 钟健, 王献溥, 郭小平, 赖巧玲, 于格, 杨永福, 赵广亮, 胥辉, 赵博光, 习宝田, 朱教君, 郝玉光, 鲁春霞, 尚晓倩, 于顺利, 孙长霞, 王继兴, 杨明嘉, 王希群, 郑彩霞, 贾桂霞, 朱清科, 李鸿琦, 邵晓梅, 王骏, 李悦, 曾德慧, 毕华兴, 赵秀海, 杨培岭, 郭惠红, D.PascalKamdem, 黄忠良, 包仁艳, 姜凤岐, 谢高地, 张志2, 周金池, 杨为民, 刘燕, 费孛, 丁琼, 王秀珍, 张榕, 王庆礼, 甘敬, 陈宏伟, 李黎, 尚宇, 丁琼, 崔小鹏, 任树梅, 欧阳学军, 朱金兆, 郑景明, 沈应柏, 何晓青, 刘足根, 贾昆锋, , 张池, 沈应柏, 张中南, 蔡宝军, 刘鑫, 贾桂霞, 范志平, , 刘艳, 纳磊, 唐小明, 李林, 张方秋, 陈伏生, 周金池, 李凤兰, 鹿振友, 毛志宏, 马玲, 申世杰, 赵琼, , 周小勇, .  油松人工林密度与养分循环关系的研究 . 北京林业大学学报,
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-08
  • 修回日期:  2019-11-22
  • 网络出版日期:  2020-08-10

晋西黄土区油松和刺槐人工林土壤养分及其化学计量比对林分密度的响应

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190287
    基金项目:  国家重点研发计划“黄土残塬沟壑区水土保持型景观优化与特色林产业技术及示范”(2016YFC0501704)
    作者简介:

    王岩松。主要研究方向:林业生态工程。Email:306139351@qq.com 地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    通讯作者: 王百田,教授,博士生导师。主要研究方向:林业生态工程。Email:13910595782@163.com 地址:同上
  • 中图分类号: Q946.885+.5; S 792.95

摘要:   目的  研究对比油松和刺槐林在不同密度下土壤养分及其化学计量比的变化规律及差异性,以加强黄土区人工林的林分管理和生态恢复建设。  方法  以油松和刺槐人工林为研究对象,分别将其划分为高(2 000 ~ 2 700株/hm2)、中(1 100 ~ 1 600株/hm2)、低(800 ~ 1 100株/hm2)3组林分密度类型,每组挑选4个不同林分密度的林地,分别分层采取土样,测定土壤理化性质。  结果  (1)双因素方差分析显示,林分类型对全磷含量(TP)、碳磷比(C∶P)、氮磷比(N∶P)均有显著影响,林分密度仅对TP有显著影响,林分类型与林分密度的交互作用对有机碳含量(SOC)、全氮含量(TN)、TP、C∶P、N∶P均有显著影响。(2)不同林分密度的油松林和刺槐林的SOC和TN表现为:高密度油松林(油H) > 中密度油松林(油M) > 低密度刺槐林(刺L) > 高密度刺槐林(刺H) > 低密度油松林(油L) > 中密度刺槐林(刺M),全P表现为:刺M > 油H > 刺L > 刺H > 油M > 油L;随林分密度增加,油松林各土层SOC和TN逐渐增加,TP变化相对稳定且无显著性差异,刺槐林各土层SOC和TN先减少后略有增加,TP则是先增加后减少;同一密度在不同林分类型下,油松林土壤养分含量在高密度和中密度时均优于刺槐林,低密度时则相反。(3)不同林分密度的油松和刺槐林的C:N比值表现为:油H > 刺H > 刺L > 油M > 刺M > 油L,C∶P和N∶P比值均表现为:油H > 油M > 刺L > 刺H > 油L > 刺M;随林分密度的增加,油松林土壤C∶P和N∶P逐渐增大,磷的有效性逐渐减小,刺槐林土壤C∶P和N∶P先减小后增大,磷的有效性先升高后降低,油松林土壤磷的有效性在高和中密度下低于同等密度的刺槐林,低密度下则相反;土壤SOC和TN分别在很大程度上决定了C∶P和N∶P水平;不同林分密度下土壤C∶N比较稳定,土壤氮含量较缺乏,林分生长过程受氮素的限制。(4)油松和刺槐林在不同林分密度下的土壤各养分含量呈现出“表聚现象”且随土层深度增加土壤SOC、TN、TP、C∶P、N∶P逐渐减小,C∶N无明显规律;随林分密度增加,油松林土壤属性变异强度先降低后升高,刺槐林则是缓慢升高;相比于油松林,林分密度对刺槐林土壤养分及其化学计量比的垂直变异影响较小,垂直变异更趋于平稳。(5)林分密度的变化会不同程度地改变土壤物理性质对土壤养分及其化学计量比的影响力度,不同林分密度下土壤密度对土壤养分含量及化学计量比的影响最大,非毛管孔隙次之。  结论  综合来看,同一林分类型在不同密度下,油松林在中密度时土壤养分含量及其垂直变异、磷的有效性发挥、受氮素的限制等方面上均处于较优水平,而刺槐林则是在低密度时;同一密度在不同林分类型下,油松林在高密度和中密度的综合表现优于同等密度的刺槐林,低密度时则相反。

English Abstract

王岩松, 马保明, 高海平, 王百田, 李莎, 董秀群. 晋西黄土区油松和刺槐人工林土壤养分及其化学计量比对林分密度的响应[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190287
引用本文: 王岩松, 马保明, 高海平, 王百田, 李莎, 董秀群. 晋西黄土区油松和刺槐人工林土壤养分及其化学计量比对林分密度的响应[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190287
Wang Yansong, Ma Baoming, Gao Haiping, Wang Baitian, Li Sha, Dong Xiuqun. Response of soil nutrients and their stoichiometric ratios to stand density in Pinus tabuliformis and Robinia pseudoacacia plantations in the loess region of western Shanxi Province, northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190287
Citation: Wang Yansong, Ma Baoming, Gao Haiping, Wang Baitian, Li Sha, Dong Xiuqun. Response of soil nutrients and their stoichiometric ratios to stand density in Pinus tabuliformis and Robinia pseudoacacia plantations in the loess region of western Shanxi Province, northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190287
  • 土壤作为森林生态系统中的重要组成部分,既是保证能量和物质交换的重要环节,又是生物活动的重要场所[1-2]。C、N、P是自然界所有植物体构成的主要元素[3],植物体对这些元素的主要获取方式是吸收土壤中的养分并进行转化用于其生长发育,因此土壤养分含量的高低直接影响着林木的生长发育、生产力水平和生态功能的发挥。生态化学计量学是结合生物学、化学和物理学等基本原理研究生物系统能量平衡和多重化学元素平衡的科学[4],其着重强调各种元素(主要是C、N、P)在生命有机体或生态系统中的平衡与耦合[5]。通过国内外学者对生态化学计量学研究发现,C、N、P生态化学计量特征能够在一定程度上反映植物群落组成[6]、枯落物分解速率[7]、生物稳态性和生长限制性元素[8]、土壤有机碳水平和养分供给状况[9]等方面的内容。邓健等[8]对黄土高原地区刺槐(Robinia pseudoacacia)林C、N、P化学计量特征研究发现,土壤C、N、C∶P、N∶P与叶片N:P和微生物C、N含量关系紧密,土壤对植物及其微生物生长具有重要作用;姜沛沛等[10]对油松(Pinus tabuliformis)林C、N、P化学计量特征研究发现,土壤与枯落物之间有着密切的关系,二者较高的N:P比值反映了油松林枯落物分解速率较慢,有利于养分存储,但土壤养分的供应量对油松叶片养分含量的影响不大;章广琦等[11]对刺槐和油松林土壤C、N、P化学计量特征对比发现,刺槐林土壤中C∶N、C∶P均小于油松林,二者N∶P无显著差异,说明刺槐林相比油松林枯落物分解速率较快,土壤P有效性较高。因此,研究土壤C、N、P含量及其化学计量特征对揭示土壤中C、N、P元素的循环和平衡机制以及植物对土壤中养分的利用效率等具有重要的意义[12-13]

    刺槐和油松以其存活率高、萌芽力强、根系发达、耐旱性强等优势对水土流失区域有极好的固土保水效果,已成为黄土高原地区造林的主要树种[14-16]。在森林培育过程中林分密度作为人类植树造林的主要控制因子,对林分水平结构的形成具有重要影响。众多学者通过对大量林分的研究发现,林分密度可以显著影响林分内环境因子、林下植物多样性、水源涵养功能以及凋落物现存量和分解速度等,进而直接或间接地作用于林下土壤改变其理化性质[2, 17-18]。因此,森林土壤养分含量的高低和森林功能的发挥与适宜的林分密度有着密不可分的关系。有研究发现,油松林在850 ~ 1 000株/hm2时能维持较高的物种多样性,而在975 ~ 1 175株/hm2时土壤水分及各养分含量均能保持较高水平[2, 19];刺槐林在1 600 ~ 1 700株/hm2时植物多样性指数和均匀度值数最大,物种数量丰富,植被结构较好,并且土壤有机质、全N、速效N、速效K的含量较高,林分密度效应综合评价最好[20-21]。但目前,国内大多数学者集中于不同密度的单一林分类型下土壤理化性质的研究,鲜有对不同林分密度的多种林分类型植被下土壤养分含量及其化学计量比差异性的研究,尤其是针对黄土地区不同林分密度的油松和刺槐人工林土壤养分及其化学计量比的对比研究较少。本研究将晋西黄土区的油松人工林和刺槐人工林划分为高、中、低3种林分密度,测定土壤养分含量,分析比较不同林分密度油松人工林和刺槐人工林各土层养分及其化学计量比的变化规律和差异性,揭示2种人工林土壤养分及其化学计量比对林分密度的响应特征,以期为黄土高原地区人工林的林分管理及生态恢复建设提供科学依据。

    • 蔡家川流域位于黄土高原东南部,属山西省西南部的吉县,地理坐标介于36°14′27″ ~ 36°18′23″N、110°39′45″ ~ 110°47′45″E之间,海拔900 ~ 1 513 m,地势东高西低、东西狭长。流域属暖温带大陆性气候,冬季寒冷干燥,夏季热,多东南风。雨量集中,春旱,多西北风。据吉县气象站资料,该地区多年平均年降水量为579.5 mm,降雨量季节分配不均匀,降水量年际变化较大,最多可达828.6 mm,最小为227.2 mm。降水的年内分布有明显的典型大陆性特点,其中6—9月份降水一般占年降水量的70%左右。年平均气温介于6.5 ~ 11.4 ℃之间。绝对最高气温38.1 ℃,绝对最低气温− 20.4 ℃。该流域光照充足,多年平均光照时数为2 565.8 h,无霜期平均为175 d。流域中上游主要为山杨(Populus davadiana)、白桦(Betula platyphylla)、丁香(Syringa oblata)、虎榛子(Ostryopsis davidiana)等组成的天然次生林,中游为油松、刺槐、侧柏(Platycladus orientalis)等树种组成的人工林及天然草本植被,以及沙棘(Hippophae rhamnoides)、锦鸡儿(Caragana korshinskii)等组成的天然次生灌草植被为主。

      该人工林区在造林前为荒地,自1993年起进行了3 ~ 4年的人工造林,主要造林树种为刺槐、油松、侧柏等,直到2017年调查当年,该林区2种林分类型的林龄在20 ~ 24年,林分生长期间未进行过间伐等抚育措施。

    • 2017年8月中旬,在山西吉县实验基地,挑选生长状况和立地条件相近的同龄油松人工林和刺槐人工林,将2种人工林按密度划分为高(2 000 ~ 2 700株/hm2)、中(1 100 ~ 1 600株/hm2)和低(800 ~ 1 100株/hm2)共3组,即油松和刺槐林分别按高、中、低3组林分密度划分为油H、油M、油L、刺H、刺M和刺L,每组挑选4种不同林分密度的林地(表1),分别设20 m × 20 m的标准样地3块,共72块样地,在每个样地内对角线上设置3个重复的土壤剖面,分层(0 ~ 10 cm,10 ~ 20 cm,20 ~ 30 cm,30 ~ 50 cm,50 ~ 100 cm)采取土样。

      表 1  样地基本概况

      Table 1.  Basic information of the sample plots

      林分类型
      Stand type
      密度划分
      Density division
      林分密度/(株·hm−2
      Stand density/
      (plant·ha−1
      土壤类型
      Soil type
      坡向
      Slope aspect
      坡度
      Slope degree/(°)
      海拔
      Altitude/m
      平均树高
      Average tree height/m
      郁闭度
      Canopy density
      油松
      Pinus tabuliformis
      H2 050,2 240,2 400,2 650褐土
      Cinnamon soil
      半阴坡
      Semi-shady slope
      22 ~ 251 3208.60.70
      M1 250,1 310,1 360,1 525褐土
      Cinnamon soil
      半阴坡
      Semi-shady slope
      19 ~ 261 1208.90.56
      L875,950,1 000,1 050褐土
      Cinnamon soil
      半阴坡
      Semi-shady slope
      16 ~ 201 1408.10.56
      刺槐
      Robinia pseudoacacia
      H2 050,2 155,2 350,2 675褐土
      Cinnamon soil
      半阴坡
      Semi-shady slope
      21 ~ 271 1107.00.46
      M1 175,1 350,1 410,1 525褐土
      Cinnamon soil
      半阴坡
      Semi-shady slope
      21 ~ 241 0408.20.60
      L900,975,1 010,1 075褐土
      Cinnamon soil
      半阴坡
      Semi-shady slope
      16 ~ 191 13010.1 0.50
      注:H. 高密度;M. 中密度;L. 低密度。下同。Notes: H, high density; M, medium density; L, low density. The same below.
    • 将土样剔除其中根系、石块及杂物后磨碎,同一层土壤样品按质量比例混合,带回实验室自然风干,粉碎、过筛后测定有机碳(SOC)、全N(TN)和全P(TP)含量。利用环刀(100 cm3)法采集原状土测定土壤密度、孔隙度及含水量。土壤样品的有机碳含量采用重铬酸钾-硫酸氧化法,全N含量采用半微量开氏法测定,全P含量采用浓硫酸-高氯酸-钼锑抗比色法测定。

    • 数据处理用Excel 2013和SPSS 25.0软件完成。采用单因素方差分析法(ANOVA),对不同林分密度的2种人工林及各土层之间有机碳、全N及全P含量进行差异性检验,并利用LSD多重比较法进行显著性分析(α = 0.05)。采用双因素方差分析法(two-way ANOVA)分析林分类型、林分密度及其交互作用对有机碳、全N、全P含量及其生态化学计量比的影响(P < 0.05)。采用Spearman相关分析对有机碳、全N、全P含量及其生态化学计量比与土壤理化性质进行相关性分析。以上下层土壤指标差值与上层土壤指标值的比值(Mi)为依据分析土壤养分及其化学计量比在土层之间的差异是否因林分密度的变化而呈现异质性[2]

      $${M_i} = \frac{{|{S_{iu}} - {S_{il}}|}}{{{S_{iu}}}}$$ (1)

      式中:Siu为上层土壤属性指标值,Sil为下层土壤属性指标值。

    • 对不同林分密度和林分类型下土壤养分含量进行双因素方差分析显示,分别在林分类型和林分密度的单一因素作用下,有机碳和全N无显著性差异,全P有极显著性差异;在林分类型与林分密度的交互作用下,有机碳及全P有极显著性差异,全N有显著性差异(表2)。

      表 2  林分类型与林分密度对碳氮磷及其化学计量比的双因素方差分析

      Table 2.  Results of two-way ANOVA on the effects of stand type and stand density on organic carbon, nitrogen and phosphorus concentrations and their stoichiometric ratios

      变异来源
      Source of variation
      林分类型
      Stand type
      林分密度
      Stand density
      林分类型 × 林分密度
      Stand type × stand density
      dfFPdfFPdfFP
      SOC 13.540.06322.590.07925.49 < 0.01
      TN 13.650.05821.520.22224.64 < 0.05
      TP 120.67 < 0.00125.16 < 0.01213.21 < 0.001
      C∶N 10.3880.53521.490.23020.600.550
      C∶P 16.30 < 0.0522.610.07825.34 < 0.01
      N∶P 17.97 < 0.0121.630.20125.27 < 0.01
      注:SOC. 土壤有机碳含量;TN. 全氮含量;TP. 全磷含量。下同。Notes: SOC, soil organic carbon content; TN, total nitrogen content; TP, total phosphorus content. The same below.

      图1可以看出,土壤各土层有机碳、全N、全P在同一林分类型不同林分密度之间的变化趋势有所不同。随密度增大,油松林各土层有机碳和全N逐渐增加,全P变化相对稳定且无显著性差异,而刺槐林各土层有机碳和全N则是先减少后增加,全P先增加后减少。在有机碳含量变化上,油H各土层有机碳含量与油M无显著性差异但均显著高于油L,增幅为52.25% ~ 90.56%,油M仅在0 ~ 10 cm土层显著高于油L,比油L高64.25%,而刺槐林各土层有机碳含量在不同密度之间均无显著性差异;在全N含量变化上,油H在0 ~ 10 cm和30 ~ 50 cm土层显著高于油L,分别比油L高58.97%、65.12%,油M仅在30 ~ 50 cm土层显著高于油L,比油L高39.53%,刺L在20 ~ 30 cm和30 ~ 50 cm土层显著高于刺M,分别比刺M高51.34%、46.03%,其他无显著性差异;在全P含量变化上,油松林各土层全P含量在不同密度之间无显著性差异,而刺M在0 ~ 30 cm土层显著高于刺H,增幅为11.82% ~ 15.01%,其他无显著性差异。

      图  1  不同林分密度下2种人工林各土层土壤养分含量

      Figure 1.  Soil nutrient contents in different soil layers of 2 plantations with different stand densities

      对土壤养分含量在同一林分密度不同林分类型之间的变化分析可以看出,在高林分密度下,油松林0 ~ 100 cm土层有机碳和全N含量高于刺槐林,尤其是油松林在0 ~ 50 cm土层有机碳含量要显著大于刺槐林,其中在20 ~ 50 cm的土层内要比刺槐林高出70%以上,而总全P含量相差较小且无显著性差异;在中林分密度下,油松林相比刺槐林在0 ~ 10 cm土层有机碳含量明显较高,在20 ~ 50 cm全N含量明显较高,高出50%左右,但油松林各土层的全P含量却明显低于刺槐林,平均各土层比刺槐林低12%左右;在低林分密度下,油松林各土层有机碳和全N含量均低于刺槐林,尤其是在0 ~ 10 cm土层有机碳含量比刺槐林低36.70%,在30 ~ 50 cm土层全N含量比刺槐林低26.34%,二者的全P含量则相差较小且无显著性差异。综合来看,对比同等密度下的刺槐林,油松林在高密度时的土壤有机碳含量和在中密度时的全N含量显著较高,但油松林在中密度时的全P含量和在低密度时的土壤有机碳、全N含量显著较低。

      从土壤养分在土壤中的垂直变化可以看出,所有林分在0 ~ 10 cm土层各养分含量到达最高,呈现出“表聚现象”,且随土层深度的增加而逐渐减小。由图3可以看出,油松和刺槐林土壤有机碳含量在土壤中的垂直分异变化均表现为随密度增大而减小,Mi分别在油L(0.29)和刺L(0.31)时最大;在全N和全P含量上,随密度增大,油松林土壤垂直分异变化均表现为先减小后增大,刺槐林则是全N先增大后略微减小,全P逐渐增大,油松和刺槐林土壤全N的Mi分别在油H(0.33)和刺M(0.19)时最大,全P分别在油L(0.02)和刺H(0.05)时最大。由此可见,同一林分类型在不同密度之间,油松林土壤有机碳和全P垂直分异程度较刺槐林偏小,而油松林全N垂直分异程度较刺槐林则偏大。

      图  3  不同林分密度下土壤属性的垂直分异

      Figure 3.  Vertical differentiation of soil properties under different stand densities

      不同林分密度的油松和刺槐林在0 ~ 100 cm土层的有机碳和全N表现为:油H > 油M > 刺L > 刺H > 油L > 刺M,全P表现为:刺M > 油H > 刺L > 刺H > 油M > 油L。

    • 对不同林分密度和林分类型下土壤养分含量的化学计量比进行双因素方差分析显示,在林分类型单一因素作用下,C∶P有显著性差异,N∶P有极显著性差异,但C∶N无显著性差异;在林分密度单一因素作用下,C∶P、N∶P和C∶N均无显著性差异;在林分类型与林分密度的交互作用下,C∶P和N∶P均有极显著性差异,但C∶N无显著性差异(表2)。

      土壤养分是植物体生长发育的基础,C、N、P作为有机体的主要组成元素是植物体主要从土壤中吸收的元素,因此,土壤养分的化学计量特征在一定程度上反映了植物对土壤养分的利用效率以及土壤养分的平衡特征[22]。由图2可以看出,土壤各土层C、N、P化学计量比在同一林分类型不同林分密度之间呈现出不同的变化趋势,在C∶N变化上,油松林和刺槐林各土层C∶N无显著性差异且无明显变化规律;在C∶P变化上,油松林和刺槐林各土层C∶P均随密度增大而增大,油松林中油H除10 ~ 20 cm土层外其他各土层的C∶P均显著大于油L,增幅为52.33% ~ 81.19%,油M仅在0 ~ 10 cm土层C∶P显著大于油L,比油L高63.31%,而刺槐林中仅刺L在0 ~ 10 cm土层C∶P显著大于刺M,比刺M高50.31%,其他无显著性差异。在N∶P变化上,随密度增大,油松林各土层N∶P逐渐增大,刺槐林则先减小后增大,油松林中油H和油M在0 ~ 10 cm、30 ~ 50 cm土层的N∶P显著大于油L,刺槐林中刺L在20 ~ 30 cm和30 ~ 50 cm土层的N∶P显著大于刺M,均比刺M高58.52%,其他无显著性差异。说明林分密度对油松和刺槐林各土层的C∶N影响不显著,但对C∶P和N∶P影响较大,主要表现为高密度油松林在个别土层C∶P和N∶P的显著增加和中密度刺槐林20 ~ 50 cm土层N∶P的显著减小。

      图  2  不同林分密度下2种人工林各土层C、N、P化学计量比

      Figure 2.  Stoichiometric ratios of soil carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P) in different soil layers of 2 plantations with different stand densities

      对土壤养分化学计量比在同一林分密度不同林分类型之间的变化分析可以看出,在高林分密度下,油松林土壤C∶N仅在20 ~ 30 cm土层显著大于刺槐林,比刺槐林大78.72%,土壤C∶P在0 ~ 50 cm土层显著大于刺槐林,增幅为36.62% ~ 80.75%,土壤N∶P在10 ~ 20 cm土层显著大于刺槐林,比刺槐林大43.33%;在中林分密度下,油松林土壤C∶P仅在0 ~ 10 cm土层显著大于刺槐林,比刺槐林大70.12%,土壤N∶P在0 ~ 50 cm土层显著大于刺槐林,增幅为41.23% ~ 70.59%;在低林分密度下,油松林土壤C∶P仅在0 ~ 10 cm土层显著小于刺槐林,比刺槐林小30.69%,二者各土层C∶N和N∶P无显著性差异。说明在高林分密度下,油松和刺槐林化学计量比的差异性主要体现C∶P在0 ~ 50 cm土层的变化;中林分密度下,主要体现在N∶P在0 ~ 50 cm土层的变化;低林分密度下,二者化学计量比的差异性较小。

      从土壤化学计量比在土壤中的垂直变化可以看出,所有林分土壤C∶P和N∶P在0 ~ 10 cm土层达到最大且随土层深度的增加而逐渐减小,但土壤C∶N在0 ~ 100 cm土层中变化无明显规律。通过对不同林分类型土壤化学计量比的垂直分异变化可以看出(图3),油松和刺槐林土壤C∶P、N∶P的垂直分异在不同林分密度之间的变化趋势分别与上述该林分类型下土壤有机碳、全N含量的变化规律相似,二者土壤C∶P的Mi分别在油L(0.29)和刺L(0.30)时最大,土壤N∶P的Mi分别在油H(0.33)和刺H(0.19)时最大,但土壤C∶N的垂直分异在不同林分密度之间的变化趋势有所不同,油松林表现为随密度增大先减小后增大,刺槐林则是随密度增大而增大,二者土壤C∶N的Mi分别在油L(0.37)和刺H(0.27)时最大。由此可见,油松和刺槐林土壤有机碳、全N含量分别对土壤C∶P、N∶P在土壤中垂直分异变化具有重要的影响,这可能是因为土壤中各土层有机碳和全N变化较大,而全P相对稳定。

      不同林分密度的油松林和刺槐林在0 ~ 100 cm土层的C∶N表现为:油H > 刺H > 刺L > 油M > 刺M > 油L,C∶P和N∶P均表现为:油H > 油M > 刺L > 刺H > 油L > 刺M。

    • 土壤养分及其化学计量比与土壤物理性质存在着一定的相关性。本研究对不同密度下土壤养分含量及其化学计量比与5种土壤物理性质指标进行相关性分析(表3)。结果表明,在高林分密度下,土壤密度与有机碳、全N、C∶P、N∶P极显著负相关,与全P显著负相关,总孔隙度和含水率均与有机碳和C∶P显著正相关,非毛管孔隙与有机碳、C∶P、N∶P显著正相关;在中林分密度下,土壤密度与全N、C∶P、N∶P极显著负相关,与有机碳显著负相关,总孔隙度与全N和N:P显著正相关,非毛管孔隙与有机碳、全N、C∶P、N∶P极显著正相关;在低林分密度下,土壤密度与有机碳、C∶N、C∶P极显著负相关,与全N、N∶P显著负相关,毛管孔隙和含水率均与全P显著正相关,总孔隙度与有机碳、C∶N、C∶P极显著正相关,非毛管孔隙和含水率均与有机碳、全N、C∶P、N∶P极显著正相关,与C∶N显著正相关。

      表 3  碳氮磷含量及其化学计量比与土壤物理性质的相关性

      Table 3.  Correlations between organic carbon, nitrogen and phosphorus content as well as their stoichiometric ratios and environmental factors

      林分密度
      Stand density
      土壤养分及其化学计量比
      Soil nutrient and their
      stoichiometric ratio
      土壤物理性质 Soil physical property
      土壤密度
      Soil density
      毛管孔隙度
      Capillary porosity
      总孔隙度
      Total porosity
      非毛管孔隙度
      Noncapillary porosity
      含水率
      Moisture content
      高 HighSOC−0.566**0.0130.396*0.359*0.370*
      TN−0.720**0.2680.3160.3320.124
      TP−0.369*0.2510.249−0.0540.038
      C∶N−0.073−0.2190.2250.1530.249
      C∶P−0.553**−0.0030.379*0.377*0.365*
      N∶P−0.643**0.1730.2190.341*0.154
      中 MediumSOC−0.347*−0.0210.220.430**0.308
      TN−0.421**0.1050.335*0.485**0.222
      TP0.197−0.284−0.0560.0460.238
      C∶N−0.178−0.0780.0580.1880.262
      C∶P−0.405**0.0610.2640.446**0.226
      N∶P−0.457**0.1720.335*0.474**0.094
      低 LowSOC−0.660**−0.0160.474**0.552**0.678**
      TN−0.336*−0.2330.1020.472**0.701**
      TP−0.2430.329*0.280.0390.309*
      C∶N−0.537**0.1310.528**0.361*0.318*
      C∶P−0.642**−0.0660.438**0.573**0.663**
      N∶P−0.308*−0.2810.0590.483**0.689**
      注:*表示显著相关(P < 0.05),**表示极显著相关(P < 0.01)。Notes: * represents significant correlation (P < 0.05),** represents extremely significant correlation (P < 0.01).
    • 众多研究发现,由于植被类型或林分密度的改变,会导致森林温度、土壤密度、含水率、酶活性等方面的改变,进而使得枯落物的分解速率产生差异,另外,不同林分类型林下植物多样性也受以上各因素的影响导致枯落物构成及储量不同[23],从而造成土壤养分含量在不同林分密度和林分类型的影响下所呈现出不同的变化规律。本研究发现,林分类型与林分密度交互作用对油松林和刺槐林土壤各养分含量变化有显著影响。油松林0 ~ 100 cm土层各养分含量在高密度时均达到最大,各土层有机碳和全N含量随林分密度增加而增加,尤其在0 ~ 10 cm和30 ~ 100 cm土层涨幅较大,各土层全P含量变化相对稳定且无显著性差异,这与任丽娜等[24]对华北落叶松、范少辉等[25]对毛竹林的研究相一致。这可能是因为在高密度时油松林林下植被数量和种类增加而使得土壤养分含量随之增加[26]。而刺槐林0 ~ 100 cm土层有机碳和全N含量在低密度时达到最大,全P在中密度时在达到最大,随林分密度增加,各土层有机碳和全N含量先减少后略有增加,全P则是先增加后减少,土壤全N在10 ~ 50 cm土层中有显著性差异,全P在0 ~ 30 cm土层中有显著性差异。这可能是由于刺槐林地随着林分密度的增大渐渐出现土壤干化现象,导致植被种类数量的下降,地表枯落物减少,土壤有机碳和全N含量随之降低[27-28],而在林分密度达到2 000株/hm2以上时,由于样地的郁闭度相对较低,林地蒸腾作用和树冠截流作用减弱,使地表水分有所增加,土壤干化程度减弱,土壤养分含量略有提高[29]。磷素是一种沉积性元素不像有机碳和全N主要来自地表枯落物分解归还,其主要源自岩石风化和淋洗[30]。在高密度和低密度时,刺槐林内植物多样性高于中密度,导致植物生长消耗了部分磷素,使得中密度的全P高于高密度和低密度。

    • 本研究中,同林分类型不同林分密度之间,油松和刺槐林各土层C∶N均无显著差异且在土层垂直分布上也无明显规律,说明二者土壤C∶N比较稳定,受林分密度的影响较小,因为即使林分密度对林下植物多样性有一定影响[31],但是有机碳和全N是植物结构性成分,植物以固定的比值吸收和利用土壤中的有机碳和全N,待植物器官凋亡后微生物再以固定比值分解枯落物将碳氮返还土壤,使土壤中的C∶N保持稳态[32-33]

      土壤C∶P是衡量土壤磷有效性的指标之一[32],研究区油松林在高、中、低密度下土壤C∶P平均值分别为14.29、11.66、8.68,刺槐林分别为9.58、7.46、10.53,均略高于张萍等[34]对黄土丘陵地区人工林研究得出的土壤C∶P平均值6.86,可能是因为选取的林分类型的不同导致的。可见,随林分密度的增加,油松林土壤磷的有效性逐渐减小,刺槐林则是先升高后降低;油松林土壤磷的有效性在高和中密度下低于同等密度的刺槐林,低密度下则相反,此规律与章广琦等[11]对黄土区刺槐和油松林的研究结果相似。土壤C:P的差异性主要表现在:油松和刺槐林分别在高密度与中密度之间0 ~ 10 cm土层的差异性,高密度油松林与低密度油松林在0 ~ 10 cm和10 ~ 50 cm土层的差异性,尤其是高密度油松林比低密度油松林的C∶P高50%以上,说明油松林各土层C∶P对林分密度的响应程度明显大于刺槐林,因为随林分密度增加,油松林50 cm以上土层有机碳含量显著增加而全P含量基本保持不变,使得各土层C∶P逐渐增大,差异性逐渐显现,而刺槐林各土层有机碳在不同密度之间的变化并不显著,全P虽然有显著变化但其含量本就很低,可见2种林分类型土壤有机碳含量很大程度上决定了C∶P水平,这与张剑等[5]的研究结果一致。

      土壤N∶P是土壤营养元素限制状况判断的指标之一[7, 35]。研究区油松林在高、中、低密度下土壤N∶P平均值分别为1.59、1.49、1.23,刺槐林分别为1.26、1.02、1.35,其值与刘冰燕等[30]对黄土区刺槐人工林的研究得出的N∶P范围(1.25 ~ 1.93)相似,但低于全国水平8.0[9],说明2种人工林土壤氮含量较缺乏,生长过程受氮素的限制。随林分密度的增加,油松林土壤N∶P逐渐增加,其主要表现为高密度和中密度分别与低密度在0 ~ 10 cm和30 ~ 50 cm土层中的差异性,而刺槐林则先减少后增加,其主要表现为中密度与低密度在10 ~ 50 cm土层中的差异性,2种林分类型土壤N∶P随密度变化的规律与林分密度对全N的影响相类似,说明林分密度对油松和刺槐林各土层N∶P影响程度不同的原因主要在于林分密度对土壤全N含量的影响。

    • 本研究中,油松和刺槐林在不同密度下土壤养分及其化学计量比的垂直变化除C∶N无明显规律外,其他指标均随土层深度增加而逐渐减少,这与众多研究结果相类似,说明林分密度对土壤养分含量及其化学计量比的垂直分布格局无影响。但本文对土壤属性垂直变异强度的研究发现,林分密度在不同林分类型下对不同土壤属性的垂直变异强度影响程度不同,具体表现为:油松林在高、中、低密度下各土壤属性Mi值总和为:1.56、1.21、1.41,土壤属性变异强度随密度增加呈现出先降低后升高的趋势,油松林在中密度时全N、全P、C∶N和N∶P的Mi值最小,虽然有机碳和C∶P在中密度时Mi值最大,但二者分别与高密度和低密度相差很小,因此油松林在中密度时土壤养分及其化学计量比垂直变异较小,下降趋势较为平缓,垂直结构相对均匀,但董威等[2]对油松天然林的研究发现,在975 ~ 1 175株/hm2时油松林在垂直结构上更均匀,这可能是因为选取样地的林分密度范围和林分类型不同而导致的。刺槐林在高、中、低密度下各土壤属性Mi值总和为:1.23、1.22、1.19,土壤属性变异强度随密度增加呈现出缓慢升高的趋势。与油松林相比,林分密度对刺槐林土壤养分及其化学计量比的垂直变异影响较小,垂直变异更趋于平稳;刺槐林在低密度时土壤土壤养分及其化学计量比垂直变异最小。

    • 不同植被类型的土壤养分含量及其化学计量比与土壤物理性质存在紧密的关系,而林分密度的变化会对土壤理化性质产生不同程度的影响[25, 36-37],致使二者在不同林分密度下的相关性产生差异。本文研究发现,低密度下土壤养分及其化学计量比与土壤密度、总孔隙度、非毛管孔隙和含水率具有极显著的相关性;中密度下与土壤密度和非毛管孔隙具有极显著的相关性,与总孔隙度的相关性较弱;高密度下仅与土壤密度具有极显著的相关性,与总孔隙度、非毛管孔隙和含水率的相关性较弱。说明随着林分密度的升高,部分影响土壤养分及其化学计量比的土壤物理性质指标相关性降低或变成无相关,林分密度的变化会不同程度地改变土壤物理性质对土壤养分及其化学计量比的影响力度。通过相关程度可以看出,土壤密度相比于其他土壤物理性质指标在不同林分密度下对土壤养分含量及化学计量比的影响最大,其次是非毛管孔隙,这与李红林等[38]、秦海龙等[39]的研究结果一致。

    • 综合来看,同种林分类型在不同密度下的综合表现也不相同,油松林在中密度(1 100 ~ 1 600株/hm2)时土壤养分含量及其垂直变异、磷的有效性发挥、受氮素的限制等方面上均处于较优水平,而刺槐林则是在低密度(800 ~ 1 100株/hm2)时处于较优水平;同一密度不同林分类型的综合表现不同,在高密度和中密度时油松林优于刺槐林,在低密度时刺槐林优于油松林。

参考文献 (39)

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