辽东山区林窗形成初期对土壤养分和酶活性的影响

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次生林己成为我国森林资源的主体,占全国森林面积的一半以上,东北地区尤为如此(东北森林面积占全国林地面积的1/3,次生林占70%以上)。次生林是原始阔叶红松(Pinus koraiensis)林经不合理的人为干扰退化而形成,相对于原始林,次生林存在着林分结构不合理、建群种更新差、生态功能下降等诸多问题。为满足人们对木材的需求,大量次生林被具有速生、材质优良等特点的落叶松(Larix spp.)取代,呈现出次生林和落叶松人工林镶嵌分布的景观格局,形成独具特色的温带次生林生态系统。落叶松人工纯林林分结构单一、土壤肥力下降、土壤酸化等问题日益突出,严重制约着其生产和生态功能的持续发挥。林窗干扰是森林生态系统发展和演替的驱动力,是促进次生林正向演替、诱导落叶松人工纯林向针阔混交林转变的重要手段之一。林窗形成初期,光照、温度、水分等环境条件的变化,改变了土壤养分的循环过程及有效性,进而影响林窗内幼苗的建植。因此,本研究以辽东山区次生林和落叶松人工林为研究对象,于2015年4月经砍伐建立次生林三种(SG1:658-984m2、SG2:476-512m2、SG3:176-206m2)、落叶松人工林两种(LG1:130-206m2、LG2:38-56m2)大小人工林窗,通过对不同大小林窗、同一林窗内不同位置(中心、过渡、边缘、林下)0-10cm土层土壤全量和有效养分、酶活性进行分析,明确林窗大小和林窗内位置对土壤养分和酶活性的初期(1年)影响,从土壤养分角度确定有利于幼苗建植的最适林窗面积和林窗内位置,为促进次生林正向演替、落叶松人工林向针阔混交林转变提供土壤养分方面的科学依据。取得主要结果如下:  (1)土壤全量碳、氮、磷:林窗形成初期,林窗大小、林窗内位置对次生林和落叶松人工林土壤全量碳、氮、磷含量以及碳/氮/磷化学计量比无显著影响。次生林林窗大小显著影响土壤碳、氮密度,表现为SG2林窗显著高于SG1林窗,而林窗内位置对土壤碳、氮、磷密度无显著影响。落叶松人工林林窗大小对土壤碳、氮、磷密度无影响;林窗内位置显著影响了土壤碳、氮、磷密度,LG1、LG2林窗的中心位置土壤碳、氮密度较林下分别升高17.4%和30.3%、30.3%和21.8%,LG1林窗的中心和过渡位置土壤磷密度较林下分别升高33.7%和31.1%,落叶松人工林林窗形成初期土壤容重增加是土壤碳、氮、磷密度升高的主要原因。  (2)土壤有效养分:次生林和落叶松人工林林窗内土壤有效氮均以硝态氮为主。次生林林窗大小显著影响了土壤铵态氮含量、硝态氮含量以及铵态氮和硝态氮含量之和(总无机氮),而对土壤有效磷含量无显著影响,SG2林窗土壤铵态氮含量显著低于SG1、SG3林窗,而SG1、SG2林窗土壤硝态氮和总无机氮含量显著高于SG3林窗;林窗内位置对有效氮、磷含量均无显著影响。落叶松人工林林窗大小对土壤有效氮、磷含量影响均不显著;林窗内位置显著影响土壤硝态氮和总无机氮含量,LG1林窗的中心位置土壤硝态氮和总无机氮含量较林下显著提高,LG2林窗的中心位置土壤总无机氮含量仅秋季较林下升高;林窗大小显著影响土壤总无机氮占全氮的比例和有效磷占全磷的比例,均表现为LG1林窗显著高于LG2林窗。林窗内土壤有效氮、磷含量均受到季节的强烈影响。从土壤养分有效性角度出发,林窗形成初期,次生林SG1和SG2林窗比SG3林窗、落叶松人工林LG1林窗比LG2林窗更有利于幼苗建植,且中心位置最优。  (3)土壤酶活性:次生林和落叶松人工林林窗大小对土壤酚氧化酶活性影响显著,次生林SG1、SG2林窗显著高于SG3林窗,落叶松人工林LG1林窗显著高于LG2林窗。林窗形成初期,土壤温度升高是土壤酚氧化酶活性升高的主要原因。土壤酚氧化酶活性升高促进难分解有机质-木质素的分解,降低酚类物质对微生物的毒害作用,有利于土壤养分的周转。总体上,次生林和落叶松人工林林窗大小和林窗内位置对四种水解酶活性(外切葡聚糖酶、β-葡萄糖苷酶、N-乙酰-β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶)的初期影响较小。与有效氮、磷相似,季节对五种土壤酶活性均有显著影响。  综上所述,次生林内形成面积为476-984m2的林窗可提高土壤有效氮的供给能力,有利于初期幼苗的生长;落叶松人工林内形成面积为130-206m2的林窗将有利于土壤氮、磷有效性的提高和有机质的周转,且中心位置更适合氮、磷需求量大的树种幼苗建植。
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