摘要：为应对天然林退化和天然林生态系统的经营问题，探究以林分密度为调节因子的森林土壤响应，在关帝山林区油松(Pinustabulaeformis)天然林区开展探索研究，通过样地调查及土壤采样分析，对不同林分密度(725-1375plant·hm?2)森林土壤理化性质及微生物碳氮特征规律进行分析研究，探明土壤属性对林分密度变化的响应机制，为森林质量精准提升及森林生态系统可持续经营提供理论依据。结果表明，(1)林分密度的变化间接影响土壤含水量(18.27%-34.27%)、容重(0.87-1.10g·cm?3)、pH(6.86-7.13)，总碳(15.26-29.44g·kg?1)、全氮(0.92-2.14g·kg?1)、全磷(0.20-0.30g·kg?1)、微生物量碳(760.56-1808.73mg·kg?1)、微生物量氮含量(134.84-257.59mg·kg?1)，除容重、pH值、全磷含量外，其他指标现随密度变化均呈先增后减的变化规律。(2)土壤属性指标垂直分布规律：土壤含水量、总碳、全氮、全磷、微生物量碳、微生物量氮含量随土层深度增加而下降，土壤容重和pH值却呈相反趋势;林分密度不改变总体格局，但随林分密度的变化，土壤垂直分异程度在中密度林分中(975-1175plant·hm?2)最小，更为均一稳定。(3)当油松天然林林分密度适中时，0-30cm深度的土壤水分、总碳、全氮、全磷、微生物量碳、微生物量氮含量保持在较高水平。综上，认为研究地区油松天然林适宜的保留密度为975-1175plant·hm?2。
关键词：油松天然林;林分密度;土壤理化性质;土壤微生物量碳氮
土壤是森林生态系统重要的组成部分，也是森林生态系统物质能量循环及微生物作用的重要环节和载体(刘世荣等，2011;肖好燕等，2016)。研究森林土壤属性及其在不同条件下的横纵向分异规律成为了近年来森林生态学者的研究热点。林分密度作为人为可调控因子，直接影响着林下的光照、温度、湿度等林分内环境因子(杨三红等，2015;丁继伟等，2018)并作用于森林土壤使其属性发生变化(冯宜明等，2018;胡小燕等，2018)。国内外学者对多种森林类型不同密度林下土壤理化性质、养分特征、酶活性、碳储量等进行的大量研究(Wojciech，2009;Nohetal.，2010;向元彬等，2014;Jorgeetal.，2016)，证实了林分密度对林下土壤属性影响的普遍性和特异性。在大青山马尾松(Pinusmassoniana)人工林(康冰等，2009)、木兰围场华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林(任丽娜等，2012a)、长白山近天然落叶松(Larixolgensisvar.changpaiensis)-云杉(Piceaasperata)-冷杉(Abiesnephrolepis)混交林(王岳等，2014)、火地塘林区油松(Pinustabulaeformis)-华山松(Pinusarmandii)-锐齿栎(QuercusalienaBlumevar.acutiserrataMaximowiczexWenzig)混交林(陈莉莉等，2013a)、秦岭西段油松人工林(陈莉莉等，2013b)等森林类型的研究中，林下土壤属性垂直分布规律及其随林分密度的变化成为了研究重点。然而，上述研究结果具有较强的地域性，普遍性偏弱，且林分密度近自然调整对森林土壤属性及其垂直分异格局的影响和作用规律还不明确，需进一步研究。
油松是中国的特有树种，是黄土高原地区最主要的造林树种之一。油松林是华北地区代表性针叶林类型(赵伟红等，2014)，油松天然林在山西分布广泛。本研究以山西省关帝山林区孝文山林场油松天然林为研究对象，采用样地调查与实验室土壤样品分析相结合的方法，通过对不同林分密度油松天然林下土壤理化性质及微生物量碳氮指标进行测定和分析，探明土壤属性对林分密度变化的响应特征，为森林质量精准提升及森林生态系统可持续经营提供理论依据。
1研究对象和研究方法
1.1研究区概况
研究区位于关帝林区孝文山林场的五十沟(37°44′N，111°30′E)，海拔1460-1610m，属暖温带大陆性季风气候，年平均气温4.2℃，年平均降水量822.6mm，年平均相对湿度70.9%。土壤为淋溶褐土，腐殖质层厚约3-7cm。主要乔木树种为油松，偶有伴生的少数华北落叶松和白桦(Betulaplatyphlla)等;主要灌木树种有绣线菊(Spiraeasalicifolia)、黄刺玫(Rosaxanthina)和胡枝子(Lespedezabicolor)等。
1.2样地设置与土壤样品采集方法
2017年9月初，在油松天然林林龄为56-71a，坡向、坡度、海拔、坡位相近的地段，分别在立木密度为725、750、925、975、1050、1175、1200、1225、1375plant·hm?2的林分设置1个20m×20m的样地(共设9个样地)，对各个样地进行概况调查，设9块样地，样地概况见表1。在每个样地的对角线上等距离布设3个采样点，每个采样点附近设3个重复取样点，分上层(0-10cm)、中层(10-20cm)和下层(20-30cm)分别取样，重复取样点的土壤分层样品混匀后采用四分法留取适量土样，装入塑封袋带回实验室，共采集元素土样81份。在每个样地的3个采样点挖剖面后分3层采用环刀法采集土壤样品，共计81份。
1.3土壤属性指标测定
采用氯仿熏蒸浸提法测定鲜土中土壤微生物量碳、微生物量氮;将风干土研磨后过60目筛，用酸度计法测定土壤pH(水土质量比为1?2.5)，TOC分析仪(multiN/C2100分析仪，德国耶拿)测定土壤总碳，凯氏定氮法测定土壤全氮，浓硫酸-高氯酸消煮结合钼锑抗比色法测定土壤全磷。环刀土样用恒温箱烘干法测定土壤含水量并计算土壤容重(鲍士旦，2000)。
1.4数据处理
对土壤理化性质及微生物量碳氮数据进行统计分析，运用SPSS17.0单因素方差分析(AVOVA)和多重比较(Duncan法)判断差异性显著水平(P<0.05)。以上下层土壤指标差值与上层土壤指标值的比值(Mi)为依据分析土壤理化性质及微生物量碳氮含量在土层之间的差异是否因林分密度的变化而呈现异质性(王辉，2007)：
2结果与分析
2.1不同林分密度土壤属性指标差异性分析
如表2所示，1050plant·hm?2林分土壤含水量，总碳、全氮含量分别为34.27%，29.44、2.14g·kg?1，均显著(P<0.05)高于其他林分密度，并随林分密度变化呈先增后减的变化规律;除1225plant·hm?2林分外，pH值在其他密度林分之间差异不显著(P>0.05);975plant·hm?2林分土壤全磷含量为0.3g·kg?1，显著高于除1225、1375plant·hm?2外的其他林分(P<0.05);1050plant·hm?2林分土壤容重、微生物量碳、微生物量氮含量与725plant·hm?2林分、1375plant·hm?2林分呈显著性差异(P<0.05)。
2.2不同林分密度土壤属性指标变化趋势分析
2.2.1土壤物理属性指标随林分密度的变化
如图1所示，0-10、10-20、20-30cm土层土壤含水量、容重都因林分密度的差异而呈一致性变化。受密度影响，3个土层土壤含水量均呈现先增后减的趋势，以1050plant·hm?2林分最高，分别为44.13%、34.49%、27.49%;容重则呈现相反的趋势，在0-20cm土壤中以1050plant·hm?2林分最低，随土层加深受林分密度的影响减弱，该趋势有所缓和。各土层间含水量表现出明显的由上及下递减的趋势，容重则相反，表明研究区土壤上层疏松，下层致密。
2.2.2土壤化学属性指标随林分密度的变化
如图2所示，3个土层土壤的pH值，总碳、全氮、全磷含量随林分密度变化的趋势一致：山西地区土壤pH本底值偏高，无植被覆盖区达7-8，有植被覆盖区随林分密度增加呈降低的趋势;总碳、全氮含量呈先增后减的趋势，均以1050plant·hm?2林分为最高，其3个土层总碳含量分别为32.41、29.87、26.03g·kg?1，全氮含量分别为2.60、2.22、1.62g·kg?1;全磷含量随林分密度变化较为复杂，700-1175plant·hm?2范围内随密度变化3个土层均呈先增后减的趋势，以975plant·hm?2林分为最高，当林分密度高于1175plant·hm?2时，全磷含量略有增加。各土层间总碳、全氮、全磷含量表现出明显的由上及下递减的趋势，pH值则呈相反趋势。
2.2.3土壤生物学指标随林分密度的变化
如图3所示，3个土层土壤微生物量碳、微生物量氮含量均随林分密度变化呈现先增加后减少的趋势，以1050plant·hm?2林分为最高，其中各层微生物量碳含量分别为2410.74、1668.88、1045.56mg·kg?1，微生物量氮含量分别为384.75、213.76、132.87mg·kg?1，并表现出随土层加深微生物量碳氮含量下降的趋势。
2.3林分密度对土壤属性垂直分异的影响
对不同密度林下土壤理化性质及微生物量碳氮指标在3个土层间的变化进行分析，可知林分密度变化没有改变土壤属性垂直分异的基本规律，都表现为随土层深度的增加，含水量下降、容重增大、pH由弱酸性变为弱碱性，土壤总碳、全氮、全磷、微生物量碳、微生物量氮含量降低。
因研究区土层较薄，土壤分层现象明显，中层土壤过渡性较强，垂直分异的代表性较弱且随林分密度的变化不明显，因此以上下层指标差值与上层指标值的比值为依据，分析土壤理化性质及微生物量碳氮含量在土层之间的差异是否因林分密度的变化而呈现异质性。由图4可知，土壤含水量、总碳、全氮、全磷的垂直变异随密度增加呈先减小后增大的趋势，在1050-1175plant·hm?2范围内取得最小值，Mi分别为0.18、0.19、0.31、0.04。土壤容重的垂直变异则相反，Mi的最大值(0.47)出现在1050plant·hm?2林分中;pH值的垂直变异随密度增加呈现下降的趋势，较高密度时则不再下降，1175plant·hm?2林分Mi最小(0.02);微生物量碳、微生物量氮含量的垂直变异规律不明显。
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3讨论
林分密度变化导致林内环境发生变化，对土壤理化性质及微生物量碳氮也产生影响。油松天然林在700-1400plant·hm?2密度范围内，土壤物理属性、化学属性、生物学指标均随密度差异而呈现异质性。1050plant·hm?2林分土壤含水量，总碳、全氮、微生物量碳、微生物量氮含量均显著高于低密度和较高密度林分;容重随林分密度增加呈现先减后增的趋势;全磷含量随密度变化而先增后减，但在林分密度高于1175plant·hm?2时不减反增。这一结果与其他学者的研究结果相似却又有差别：在毛竹(Phyllostachysedulis)林(范少辉等，2015)、华北落叶松林(贺志龙等，2017)、油松林(韩恩贤，2007;任丽娜，2012b)的研究结果显示，土壤含水量，总碳、全氮、全磷含量随林分密度增加而呈现出先增大后减小的趋势;而在马尾松林(赵汝东等，2012)的研究中发现中等密度林下土壤全磷含量小于较高和较低密度林分。造成此差异的原因可能是全磷的分布受成土母质的影响较大(王淑平等，2002)。
油松天然林土壤属性的垂直格局表现出与其他许多森林类型同样的总体特征。广西猫儿山自然保护区(邓小军等，2014)、长沙城市森林(高述超等，2010)、黑龙江山娇林场(邵英男等，2017)、庞泉沟自然保护区(樊兰英等，2012)等地不同类型林下土壤均表现出相似的垂直格局。就本研究而言，土壤属性指标垂直格局的总体特征不受林分密度的影响，但林分密度变化显著改变垂直变异强度，土壤属性的垂直分异规律随林分密度的变化呈现一定的趋势，具体表现为：在林分密度适中时，土壤含水量层间差异性弱，在密度为975-1175plant·hm?2，Mi分别为0.21、0.24、0.18;土壤营养元素垂直结构较为均匀，Mi值均在适中密度取得最小值，相较于低密度和高密度林分，其土壤肥力纵向下降趋势变缓，在垂直层面上更具有稳定性
相关研究表明，低密度华北落叶松人工林林下草本灌木数量显著增加(刘红炎等，2017)，消耗氮素多，需求量大。中密度长白落叶松天然林林下枯落物分解效果最好，自然高密度林分会导致土壤退化(刘玲等，2013)，制约林地蓄积量;中密度林下土壤理化性质优于低密度和高密度林分，林分密度可以调节土壤肥力(侯瑞萍等，2015;孙千惠等，2018)。本研究表明：林分密度适中(975-1175plant·hm?2)时，水分条件和通气状况较好，微生物量碳氮含量高，总碳、全氮、全磷含量较高。无论人工林还是天然林都需要通过抚育措施调整林分密度，改善和保持林地属性。
4结论
(1)林分密度的变化间接影响土壤水分、容重、pH值，总碳、全氮、全磷、微生物量碳、微生物量氮含量，除容重、pH值、全磷含量外，其他指标随密度变化均呈现先增后减的变化规律。
(2)土壤属性指标垂直分布规律：土壤含水量、总碳、全氮、全磷、微生物量碳、微生物量氮含量随土层深度增加而下降，土壤容重和pH值却呈相反趋势;林分密度不改变总体格局，但土壤垂直分异程度在中密度林分中(975-1175plant·hm?2)最小，更为均一稳定。
(3)当油松天然林林分密度适中(975-1175plant·hm?2)时，0-30cm深度的土壤水分，总碳、全氮、全磷、微生物量碳、微生物量氮含量保持在较高水平。综上，认为研究地区油松天然林适宜的保留密度为975-1175plant·hm?2。
