人工林发展过程中出现的生态问题影响森林生态功能的发挥和生产力的提高，其中地力衰退问题尤为普遍。研究显示：针叶纯林连栽导致土壤性质恶化，生产力下降等问题(Binkley et al., 1998; 廖利平等, 1995; 汪思龙等, 2000)。

为克服人工纯林的问题，德国林学家Gayer提出“人工林近自然化”培育经营理论, 倡导尽可能使林分建立、抚育、采伐方式同“潜在的自然植被”相接近(许新桥, 2006)，以提高人工林的生物多样性，维持其生产力。近自然化经营理论在实践中得到越来越多的验证。经过近自然化培育的杉木(Cunninghamia lanceolata)人工混交林较同龄纯林生产力大幅度的提高，土壤肥力、土壤生物活性得到改善(张鼎华等, 2001)。落叶松(Larix olgensis)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)混交林的生产力和土壤性质也相应优于纯林(唐佩凯, 1987; 冯玉龙等, 1996)。国外一些研究也证实混交林林地生产力明显高于人工纯林(Matthew, 2006)。

以往的研究主要针对针阔混交林较纯林，特别是针叶纯林在林地土壤理化性质方面的改善(王庆成等, 1994; 樊后保等, 2006; Worrell et al., 1997)，而人工林近自然化经营的目标是使人工林在组成与天然林近似，从而使土壤性质得以维持，实现人工林的可持续经营。混交林虽然在组成、土壤性质和生产力方面优于相应的针叶纯林，但关于阔叶人工林的营造对林地土壤性质的影响研究结果确并不一致(胡喜生等, 2007; 侯本栋等, 2006; 龚伟等, 2007; Wang Qing-kui et al., 2005; Liu et al., 2002)。

本研究利用20年生落叶松和水曲柳纯林、水落混交林以及与之相邻的天然林构成人工林近自然化培育梯度，比较研究不同林分土壤理化性质的差异，进一步明确不同人工林近自然化培育措施对林地土壤理化性质影响。

研究在东北林业大学帽儿山实验林场尖砬沟森林培育实验站进行。该站位于黑龙江省尚志市境内，地理位置为45°23′—45°26′ N，127°26′—127°39′ E，属长白山系张广才岭西坡小岭余脉，为松嫩平原向张广才岭过渡的低山丘陵区。平均海拔300 m，坡度一般为6°~15°。

本区属温带大陆性季风气候，冬季漫长，寒冷干燥，夏季短促，炎热。年平均气温2.8 ℃，1月平均气温-23 ℃，极端最低温-44 ℃。7月平均气温20.9 ℃，极端最高气温34.8 ℃。≥10 ℃积温2 000~2 500 ℃，无霜期120~140 d。年平均降水量723 mm，主要集中于7、8月份，占全年降水量的50%以上。初雪日期为9月下旬，终雪期在4月下旬，降雪量占全年降水量的20%左右。年均蒸发量1 093 mm，其中5月和6月蒸发量最高，占年蒸发量的35.9%。地带性土壤为暗棕壤。

选取尖砬沟实验站20年生落叶松(LS)、水曲柳纯林(FS)、水落混交林(LFS)和天然林(SG)作为研究对象。落叶松、水曲柳纯林和水落混交林为1987年在天然林中进行窄带状(30~40 m)皆伐后营造的人工林，其中落叶松纯林林下植被稀少，水曲柳林下植被相对丰富，有许多乡土树种侵入；混交林中落叶松和水曲柳的行数比为5:3；天然林为邻近宽度相近的保留带，主要树种组成为春榆(Ulmus japonica)、白桦(Betula platyphylla)、山杨(Populus davidiana)、胡桃楸(Juglans mandshurica)、少量山槐(Maackia amurensis)及大量林下植被。各林分位置相邻，立地条件相对一致，林下土壤均为暗棕壤。2006年9月，在每个林分中分坡上、坡中、坡下设置面积为20 m×20 m的标准地各1块，各林分的特征见表 1。

表 1 样地林分生长情况调查表^① Tab.1 The status of stand structure and growth for samples

表 1 样地林分生长情况调查表① Tab.1 The status of stand structure and growth for samples

2006年9月，在每个标准地中，布设3个样点，在每个样点分不同土层(上层：0~10 cm；下层：10~20 cm)采集土壤样品，置于冷藏箱中带回。室温风干后去除植物根系和石块，过筛后用四分法取土500 g，用于土壤化学指标的分析。同时，对每个样点各土层，用环刀取样，用于土壤物理性质的测定。

土壤物理性质：密度、孔隙度、水分采用环刀法(鲍士旦, 2000)测定；化学性质：pH值采用pH酸度计法；有机质采用硫酸—重铬酸钾外加热法；全N采用半微量凯氏法；水解N采用碱解－扩散法；全P采用碱熔－钼锑抗比色法；有效P采用氟化铵－盐酸浸提法；全K采用碱熔－火焰光度计法；速效K采用乙酸铵浸提－火焰光度计法(鲍士旦, 2000)。

与天然林相比，落叶松纯林和水落混交林上层土壤密度分别增加19.05%和7.76%，下层增加3.82%和2.44%。水曲柳纯林各土层密度分别下降5.56%和10.42%(图 1A)。落叶松纯林上层土壤总孔隙度比天然林下降6.77%，下层下降不明显；水落混交林土壤总孔隙度与天然林相比差异不明显；水曲柳纯林各层土壤总孔隙度较天然林分别提高3.12%和5.67%(图 1B)。4种林分中的土壤毛管孔隙度变化趋势与总孔隙度的变化相似(图 1C)。4种林分各土层的饱和持水量为水曲柳纯林>水落混交林>天然林>落叶松纯林(图 1D)，水曲柳纯林和水落混交林各土层饱和持水量分别比天然林高3.73%，21.2%和0.76%，5.2%。落叶松与天然林相比，各土层饱和持水量分别下降14.29%和3.94%。上层土壤毛管持水量，天然林>水曲柳纯林>水落混交林>落叶松纯林。其中水曲柳和天然林差别不大，水落混交林和落叶松纯林分别较天然林下降5.47%和14.88%；下层水曲柳纯林>水落混交林>天然林>落叶松纯林(图 1E)，水曲柳纯林和水落混交林分别比天然林高18.22%和6.15%，落叶松纯林较天然林低4.79%。4种林分各土层土壤物理性质之间的差异均不显著(P>0.05)。

图 1 样地不同林分土壤密度、孔隙度及持水性能 Figure 1 Soil density, porosity and holding water of each plot

4种林分土壤均呈酸性，人工林土壤pH值均略低于天然林，其中落叶松纯林土壤酸度最大(pH 5.32)，但各林分间差异不显著(P>0.05)(图 2A)。各林分上层土壤有机质含量差异较大，天然林最高，其次为水曲柳纯林和水落混交林，落叶松纯林最低；落叶松纯林上层土壤有机质含量分别比水曲柳纯林、水落混交林和天然林低31.63%，31.24%，36.22%，差异显著(P < 0.05)。各林分下层土壤有机质含量相差较小，水曲柳纯林略高，分别高于水落混交林和天然林15.29%和16.15%，差异不显著(P>0.05)(图 2B)。

图 2 不同林分土壤pH值、有机质及N，P，K含量 Figure 2 pH and soil nutrient contents of each plot 不同小写字母代表指标间差异显著(P < 0.05) Columns having the dissimilar letter are significantly different (P < 0.05)

上层土壤中全N、全P含量依次为天然林>水曲柳纯林>水落混交林>落叶松纯林，落叶松纯林与其他3个林分相比均达到了显著水平(P < 0.05)(图 2C、D)；下层土壤中全N、全P含量水曲柳纯林最高，分别比天然林、水落混交林、落叶松纯林高24.91%，32.94%，36.55%和23.18%，29.19%，34.34%，差异不显著(P>0.05)。天然林各土层全K含量最高，分别比水曲柳纯林和水落混交林高53.45%，46.87%和27.35%，39.56%，落叶松纯林最低，其中落叶松、水曲柳纯林上层土壤全K含量与天然林相比均达到差异显著水平(图 2E)。

林地土壤水解N和速效K在各土层之间的含量均为天然林最高，其次是水落混交林和水曲柳纯林，落叶松纯林最低(图 2F、H)。落叶松纯林上、下层土壤有效P含量最高，分别为15.92和7.42 μg·g^-1，分别比水曲柳纯林、水落混交林、天然林高243.1%，184.32%，288.30%和104.44%，52.47%、80.94%，差异极显著(P < 0.01)(图 2G)。水曲柳纯林、水落混交林、天然林各个土层之间速效养分含量均未表现出显著的差异(P>0.05)。

与天然林相比，20年生落叶松纯林和水落混交林土壤密度表现出一定程度的增加、水曲柳纯林略有下降(图 1A)。土壤孔隙度、持水性能基本为水曲柳纯林最大(除土壤上层毛管持水量外)，水落混交林与天然林之间差异较小，落叶松纯林最差(图 1B、C、D、E)。导致这一变化的主要原因可能与不同林分林地凋落物属性和林木根系生长与分布有关。一般地，阔叶树种凋落物的C/N值比针叶树种凋落物低，分解速率相对较快(Berg, 2000; 彭少麟等, 2002)，分解过程中形成大量高质量腐殖质，使土壤结构疏松(李志安等, 2004)；其次阔叶林和混交林林地土壤动物和微生物数量和活性都优于针叶林(宋漳等, 2000)，参与有机质分解的微生物的数量和种类改变，间接对土壤有机质的含量产生影响(Fan A-nan et al., 2006)，从而影响土壤结构、孔隙状况和持水能力。另外从根系的垂直分布看，水曲柳纯林在0~20 cm土层中根系数量明显高于落叶松纯林，而水落混交林根系除了分布于土壤表层(0~10 cm)外，尚有大量水曲柳根系分布于底层(10~20 cm)(张彦东等，2001)，根系的穿插、细根的死亡产生大量根孔，对土壤结构也有一定的改善作用(周本智等, 2007)。4种林分在林地土壤物理性质差异不显著，说明20年生各种不同近自然化培育的人工林并未对林地土壤理化性质产生较大影响。

与天然林比较，所有人工林土壤各层pH值均表现下降趋势(图 2A)，落叶松纯林下降幅度最大(pH 5.32)。这可能由于针叶凋落物在缓慢的分解过程中产生较多的有机酸，致使土壤酸性增加(Gustafson, 1943)。而阔叶树种凋落物灰分含量较多，林下土壤酸度相对较弱(Boerner, 1984)。

与天然林相比，人工林林地上层土壤有机质含量均表现下降趋势，其中落叶松纯林下降最大，差异显著，而水曲柳纯林和水落混交林下降不显著(图 2B)。产生这一结果的原因可能由于土壤有机质积累主要受地上凋落物分解和地下细根周转有关(Morrison et al., 2001)。天然林中凋落物分解以及养分的归还都高于人工林(Colak et al., 2003)。落叶松纯林凋落物中难分解的物质含量较多，C/N比较高，分解缓慢，大量累积于林地表面，土壤有机质的输入减少(郭剑芬等, 2006)。与落叶松纯林相比，水曲柳纯林凋落物初始养分浓度高、易于分解，因而，水曲柳纯林和水落混交林土壤有机质含量与天然林相比差异相对较小。此外，细根的周转也是有机碳归还的主要途径(Dornbush et al., 2002)，其分解速率主要受根系化学成分的影响(Berg, 2001)，针叶树种细根C/N较高(Silver et al., 2001)，且较粗的细根中含有难分解的树脂道(Chen et al., 2001)，致使针叶树种根系分解缓慢。对水曲柳和落叶松根系分解的研究表明水曲柳各级别根系的C/N和C/P显著低于落叶松，分解速度快于落叶松(张秀娟等, 2006)。因此，与落叶松纯林相比，水曲柳纯林和水落混交林土壤有机质含量明显提高。

全量养分方面，除下层土壤全N、P含量水曲柳纯林最高外，其余各土层、各种养分含量天然林均表现为最高，水落混交林相对于水落纯林更接近于天然林，而落叶松纯林各土层、各养分含量最低。这可能与不同林分土壤养分再分配有关(刘增文等, 2006)。从植物组织养分库看，3种人工林中，落叶松纯林的平均树高、胸径均大于水曲柳纯林和水落混交林，而林分密度接近，说明落叶松纯林在20年生长过程中，将更多的林地养分转移到林木生物量中。而天然林林分密度明显低于人工林，生长速率低，20年内转移的养分相对较少。此外，天然林、水曲柳纯林和水落混交林凋落物量大、分解速率快，使得土壤中N、P、K等养分含量得以维持。野外调查发现，天然林和水落混交林内较人工纯林(特别是落叶松纯林)具有更丰富的灌木和草本，其中包括一些固氮植物[胡枝子(Lespedeza bicolor)、山槐]。丰富的林下植被促进了营养元素在地表和土壤中的富集，也是天然林上层土壤全效养分含量达到最大值的重要原因。落叶松林凋落物分解缓慢，返回森林地被物中的养分长期脱离活跃的养分循环，导致林地土壤养分含量的补充受阻。

4种林分土壤下层有机质、全N、全P含量均为水曲柳纯林最高。这可能与水曲柳根系在地下的垂直分布以及养分周转的速率有关。在水曲柳纯林中，大部分根系，特别是直径 < 2 mm细根，都分布在0~20 cm土层中；而在水落混交林中，由于落叶松根系的竞争，迫使水曲柳根系下扎，以获得更充足的养分和水分(张彦东等, 2001)。对水曲柳和落叶松根系分解养分释放的研究中发现，水曲柳细根每年的N、P养分的归还量占归还总量的80%以上，且水曲柳纯林死根现存量以及粗根、中根和细根平均N、P年归还量都明显的高于落叶松纯林(张秀娟等, 2006)。水曲柳根系这种特点可能是导致水曲柳人工纯林下层(10~20 cm)土壤有机质、全N、全P含量略显突出的主要原因。此外，根系生物量研究结果表明：落叶松纯林死根现存生物量(94.16 g·m^-2)明显小于水曲柳纯林(237.9 g·m^-2)(梅莉, 2004)。与水曲柳相比，落叶松归还给林地C和养分量少，生物地球化学循环效率较低。这可能是导致落叶松纯林土壤有机质和全量养分含量下降的主要原因。

4种林分中，各土层水解N和速效K含量天然林最大，水落混交林和水曲柳纯林次之，落叶松纯林最差，其中落叶松纯林与其他3者达到了显著差异水平(P < 0.05)。这主要与不同林分中凋落物性质和数量的不同有关。

与N、K不同，落叶松纯林各层土壤中有效P含量最高，这主要与P在土壤中的存在状态和落叶松根系分泌物对P的活化作用有关。P在土壤中通常形成难溶性盐沉淀，落叶松根系分泌物中含有大量的有机酸，这些酸对活化土壤难溶性的磷具有重要的作用(张彦东等, 1997; 陈立新, 2000)；水落混交林也由于增加落叶松的缘故(Zhang Yan-dong, 2002)，有效P的含量大于水曲柳纯林和天然林。