人工林特别是针叶人工林地力变化一直是人们关注和争论的焦点之一。我国人工林地力衰退的研究以杉木(Cunninghamia lanceolata)(方奇，1987；盛炜彤，2005；杨承栋等，1995；范少辉等，2000；田大伦，2004)最为多见，桉树(Eucalyptus)(余雪标等，1999)、落叶松(Larix gmelinii)(刘世荣等，1993；阎德荣等，1997)等树种研究较多，马尾松(Pinus massoniana)(温佐吾，2004；蔡琼等，2006)、柳杉(Cryptomeria fortunei)(林平等，1994)、红松(Pinus koraiensis)(宋秀琴等，1996)也有涉及。从树种来看，南方的树种较多，北方的树种仅有落叶松、红松2种；从林分类型来看，用材林研究较多，生态公益林较少。

油松(Pinus tabulaeformis)是我国暖温带湿润半湿润地区地带性植被，在山地植被恢复中占据着极其重要位置，其地理分布、生长规律、生理特性等都得到系统研究(徐化成，1993)。由于我国油松人工林多起源于新中国成立后，栽植代数相对较少，又加之人们长期以来一直以追求木材产量和降低经营成本为目标，围绕油松的研究多集中在抚育间伐对油松生长规律和蓄积量影响上(张运峰，1986；杨澄等，1991)。在20世纪50年代和60年代初油松造林密度普遍偏高，一般在10 000株·hm^-2左右，有的高达15 000株·hm^-2。这些林分发育到今天已为中龄龄或近熟林，油松人工林密度偏大，林分结构简单(孙书存等，2005；曹云等，2005)，现今探讨其土壤质量演变状况可为逐渐步入成熟阶段的大面积油松林的可持续经营提供借鉴。为此，本研究选用21、29、36年3种林龄的油松林为对象，采用时序研究法从土壤物理性质、化学性质、土壤酶角度进行多因子综合比较，分析不同林龄油松人工林土壤质量变化规律，以期为退化生态系统的恢复和重建提供一定的理论依据。

1 研究地概况

研究地点位于北京市延庆县刘斌堡乡营盘村北中山。地理位置为40°16′ N，115°40′ E。该地区属燕山山脉系统，多为海拔800 m以上的中山，其中佛爷顶地势最高，海拔为1 252 m。气候属暖温带大陆性季风气候。据附近马道梁气象站1950—1980年资料(北京市气象局气候资料室，1987)，该地区年平均气温6.7 ℃，全年≥0 ℃和≥10 ℃积温分别为3 310.7 ℃和2 939.7 ℃。无霜期仅144 d。全年降水量519.6 mm，蒸发量为1 457.2 mm。年平均日照2 690.7 h。土壤类型为含石砾较多的山地褐土，成土母岩以花岗岩为主。按中国森林区的具体区划，该地区地带性植被属于暖温带森林带－华北山地森林区－燕山山地森林亚区(蒋有绪等，1998)。海拔800~1 200 m的山区，分布有蒙古栎(Quercus mongolica)，灌木以鼠李属(Rhamnus)、榛属(Corylus)、荆条(Vitex nigondo var. heterophylla)等为主，草本有披针叶苔草(Carex lanceolata)、黄精属(Polygonatum)及菊科(Compositae)的多种植物。由于人类的过分干扰，该地区以蒙古栎为主的地带性植被已被破坏，仅保留下蒙古栎萌生丛或指示华北植物区系的原生植被的灌木和草本群落。20世纪50—80年代大面积进行人工造林，树种以油松、华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)、侧柏(Platycladus orientalis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)等为主。

上述3种林龄的油松人工林均是在生有绣线菊(Spiraea)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、六道木(Abelia biflora)、木本香薷(Elsholtzia ciliata)等灌丛和灌木状蒙古栎等植被的山地上沿等高线穴状整地营造而成。3种林龄的林分基本情况分述如下。21年林分：1987年春，按1.5 m×2.0 m栽植3龄的油松苗，造林面积12 hm²，造林成活率达90%左右，2002年2月对油松进行了下层间伐。29年林分：1978年春，按1.5 m×1.5 m栽植2龄的油松苗，造林面积30 hm²，造林成活率达85%左右，1996年11月对林分进行了下层间伐，保留密度大致在3 300株·hm^-2左右，2001年11月进行了第2次间伐。36年林分：1971年春，按1.0 m×1.5 m栽植2龄的油松苗，造林面积32 hm²，造林成活率达85%左右，1990年10月对林分进行了下层间伐，保留密度大致在4 500株·hm^-2左右，1996年11月对林分进行第2次下层间伐，保留密度大致在3 300株·hm^-2左右，2001年10月对上述林分实施第3次间伐。2005年3月初，在上述不同林龄的油松林中，分别选定20 m×20 m的2块有代表性的试验地作为样地林分，调查样地基本因子，结果见表 1。

2 研究方法 2.1 土样的采集

该研究地点土壤厚度50 cm左右，油松细根集中分布在0~20 cm土层中，20 cm以下土层富含石砾。2005年4月初、6月初、8月初、10月初，以“S"型采集0~20 cm土壤，去除石块、根系和土壤动物，混合均匀。同一时间，在每个标准地内选取2株标准树，分别用2个环刀对标准树下的土壤进行取样，室内进行孔隙度、持水量等试验(中国科学院南京土壤研究所土壤物理研究室，1978)。取回的土壤样品经风干后，碾碎过筛，贮存于广口瓶中，4 ℃储藏备用。

2.2 土样分析

土壤含水量的测定采用烘箱法，pH值采用电位法，有机质采用重铬酸钾氧化－外加热法，全氮测定采用硒粉－硫酸铜－硫酸消化法，有效磷测定采用氟化铵-盐酸浸提法，速效钾测定采用乙酸铵浸提－火焰光度法(鲍士旦，2000)。土壤过氧化氢酶测定采用高锰酸钾滴定法；碱性磷酸酶测定采用磷酸苯二钠比色法，土样在37 ℃下培养24 h；脲酶测定采用靛酚比色法，土样在38 ℃下培养24 h；转化酶测定采用硫代硫酸钠滴定法，土样在38 ℃下培养24 h(中国科学院南京土壤研究所微生物室，1985)。多酚氧化酶测定采用碘量滴定法，土样在37 ℃下培养24 h(关松荫，1986)，每个土壤样品进行3次平行测定。

2.3 数据处理

由于土壤肥力指标在不同月份有一定差异，本研究以油松人工林4、6、8和10月的土壤因子的平均值作为肥力指标。试验数据采用SPSS统计软件进行分析。

3 结果与分析 3.1 不同林龄油松人工林土壤物理性质的变化

从3种林龄油松土壤含水量、最大持水量平均值(从表 2)来看，均以32年最大，21年次之，29年最小。不同的是，21年油松土壤毛管持水量为36.44%，持水能力最优，32年油松居中，29年最小。土壤持水供水能力是土壤团聚体、孔隙度及结构性能的综合反映(庞学勇等，2004)，是土壤养分的载体(陈立新，2000)。土壤空隙的大小、数量及分布是土壤物理性质的基础，也是评价土壤结构的重要指标(庞学勇等，2004)。由表 2可知，21、29、36年油松土壤平均毛管孔隙度分别为36.44%、25.81%和28.63%，非毛管孔隙度分别为39.63%、33.54%和34.62%。土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度均以21年油松最大，36年油松次之，29年油松人工林最小。

土壤密度是土壤紧实度的敏感性指标，也是表征土壤质量的一个重要参数(Acosta-Martinez et al., 1999)。研究表明，不同林龄油松人工林土壤密度变化趋势与土壤空隙变化趋势相反，即21年油松人工林土壤密度最小，36年油松土壤密度居中，29年油松人工林土壤密度最大，板结最严重(表 2)。

3.2 不同林龄油松人工林土壤化学性质的变化

土壤化学性质反映了土壤对植物根系供应养分的潜在能力，是构成土壤肥力的主要方面之一(张庆费等，1999)。由表 3可知，21、29、36年油松土壤pH值分别为6.66、6.52和6.62，极差为0.14，随林龄增大，针叶人工林油松土壤并没有呈现酸化迹象。3种林龄油松土壤有机质、全氮和有效磷含量随林龄的增大表现出减少的趋势，而土壤速效钾含量则以29年油松林最大，36年油松次之，21年油松最小，仅80.125 mg·kg^-1。

3.3 不同林龄油松人工林土壤酶的变化

土壤酶活性起初用来评价土壤肥力，最近已被选作潜在的土壤质量指标(刘占锋等，2006；郭蓓等，2007)。过氧化氢酶和多酚氧化酶是2种重要的土壤氧化还原酶，前者通过酶促过氧化氢的分解防止其对生物体的毒害作用，后者参与土壤有机组分中芳香族化合物的转化作用(关松荫，1986)。从表 4可知，21、29、36年油松土壤过氧化氢酶活性分别为1.839、1.896和1.859 mL·g^-1，过氧化氢酶活性以29年最高，36年次之，21年最低。多酚氧化酶活性分别为0.012 5、0.013 5和0.017 3 mL·g^-1，表现随林龄增大而上升的趋势。转化酶、脲酶、碱性磷酸酶是土壤中常见的3种水解酶，转化酶、脲酶谷值均出现在29年油松人工林，而峰值分别出现在36年和21年油松林。碱性磷酸酶活性则随林龄的增大而降低。

3.4 不同林龄油松人工林土壤质量影响的综合分析

本研究对土壤密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、全氮、有效磷、速效钾、过氧化氢酶等16个指标采用标准差标准化法进行处理，其中土壤密度采用降型分布函数，对于其他指标采用升型分布函数(张庆费等，1999)。然后进行主成分分析(principle component analysis，PCA)分析，最后以各主成分特征贡献率为权重，加权计算评价指标而得综合分值(徐建华，2002)。通过比较各样地综合得分IFI(integrated fertility index)，进而分析油松土壤质量的演变规律，结果见表 5、6和7。第1主成分的方差贡献率最大，为50.373%，涵盖了一半以上的基本信息，第2、3主成分方差贡献率相差不大，分别为18.502%和17.861%，这3个主成分的累积方差贡献率高达为86.736%，因此，这3个主成分能反映土壤各指标之间的关系(表 5)。对各主成分进行的分权计算结果表明(表 6)，第1主成分主要综合了土壤碱性磷酸酶和转化酶等土壤酶方面的信息，且第1主成分的累积方差贡献率较大，对土壤系统起着主导作用，即包含了土壤碱性磷酸酶和转化酶信息的第1主成分可作为油松土壤演变的重要评价指标。第2、3主成分分别综合了土壤有机质和速效钾等土壤养分方面的信息。由表 7可知，油松人工林土壤质量取决于林龄和林分密度，而林龄是决定土壤质量的主导因子，21、29和36年油松土壤质量IFI平均值分别为0.579、-0.456和-0.123，极差为1.035，而同一林龄的油松因密度的不同土壤也表现出一定的差异性，且随各林龄增大，这种差异性逐渐增大，21、29和36年油松林龄内的土壤质量变异系数分别为0.192，-1.361和-2.407。可见，林分密度效应与林龄成正比，林龄较大林分的土壤质量对密度较为敏感，36年油松间伐的强度可适度小些。

4 结论与讨论

评价土壤质量是土地可持续管理中一个很重要的思想和指标，土壤物理性质、化学性质和生物学性质是土壤质量评价的3个最重要的方面。从油松生活周期来看，油松人工林20年之前为幼龄林阶段，20~30年为中龄林阶段，30~40年为近熟林阶段，40年后为成熟林或过熟林阶段(李中选等，1988)。对基本还处于幼龄林阶段的21年油松人工林而言，林分前一段的发育是由单株向郁闭方向发展，油松个体间竞争平缓，林分对土壤肥力要求较低，因此其土壤质量IFI高达0.579。而29年和36年油松土壤质量较低的最直接原因可能有2个：其一是29年和36年油松造林密度较幼龄林大，养分竞争激烈，经过30~40年的生长发育，对土壤肥力消耗过大，土壤质量下降，这是油松“取”的效应；其二是29年和36年油松叶片质量下降，尤其是与分解速率密切相关的木质素/N或C/N比增大，通过凋落物分解向土壤返还养分不足，“给”的功能较低，油松“取”多“给”寡，林地肥力下降，29年和36年油松土壤质量综合得分IFI分别为-0.456和-0.123。此外，29年油松处于中林龄阶段，是林木高、直径快速生长期，林分对光、热、土壤肥力竞争最为激烈，而36年油松已进入材积生长阶段，对肥力要求相对较低，因此，29年油松土壤IFI仅为36年的26.97%也就不难理解了。需要指出的是，29年油松土壤质量下降主要表现在物理性质方面，36年油松土壤质量下降主要体现在土壤养分含量特别是有机质、全氮和有效磷的锐减上，土壤质量下降也体现出一定的异质性，即随林龄增大，油松人工林土壤质量下降先使物理性质恶化，然后才是土壤养分的退化。上述油松生活史土壤质量的演变规律可知，根据林分不同的发育阶段，对林分经营管理要采取针对性的经营对策，对已郁闭的中林龄或近熟林进行适宜强度的间伐是缓解其土壤质量下降的有效措施之一，29年油松的间伐强度可略大于36年油松。21、29和36年油松林龄内的土壤质量变异系数分别为0.192、-1.361和-2.407，林龄较大林分的土壤质量对密度较为敏感，从林龄内的土壤质量变异系数也印证了36年油松间伐强度可适度小些的结论。

目前为止，人工林地力衰退问题的研究基本上有2个途径(潘建平等，1997)：一是从人工林与其他林型土壤性质对比来研究人工林的地力衰退；二是从相同或相似立地条件下树木一、二代土壤性质对比(或同世代林土壤性质的时间变化)及林分生产力的变化来研究地力衰退。由于我国油松人工林多起源于新中国成立后，栽植代数相对较少，直接将其不同代数油松人工林进行直接对比研究不切实际，而本试验采用生态系列法，对第一代油松不同发育阶段的土壤质量进行探讨，表明随林龄增大，其土壤质量存在不同程度的下降趋势，但并不存在土壤酸化迹象。因此，油松土壤质量演变趋势究竟能否预测下一代油松地力变化值得深入研究。