林业科学  2018, Vol. 54 Issue (10): 20-30   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20181003
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文章信息

冯宜明, 李毅, 曹秀文, 刘锦乾, 齐瑞, 赵阳, 陈学龙.
Feng Yiming, Li Yi, Cao Xiuwen, Liu Jinqian, Qi Rui, Zhao Yang, Chen Xuelong
甘肃南部不同密度云杉人工幼林的林分结构特征及土壤理化性质
Characteristics of Stand Structure and Soil Physicochemical Properties of Artificial Young Picea asperata Plantation with Different Densities in Southern Gansu
林业科学, 2018, 54(10): 20-30.
Scientia Silvae Sinicae, 2018, 54(10): 20-30.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20181003

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收稿日期：2017-08-04
修回日期：2018-10-11

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冯宜明
李毅
曹秀文
刘锦乾
齐瑞
赵阳
陈学龙

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冯宜明, 李毅, 曹秀文, 刘锦乾, 齐瑞, 赵阳, 陈学龙. 2018. 甘肃南部不同密度云杉人工幼林的林分结构特征及土壤理化性质. 林业科学, 54(10): 20-30.
Feng Yiming, Li Yi, Cao Xiuwen, Liu Jinqian, Qi Rui, Zhao Yang, Chen Xuelong. 2018. Characteristics of Stand Structure and Soil Physicochemical Properties of Artificial Young Picea asperata Plantation with Different Densities in Southern Gansu. Scientia Silvae Sinicae, 54(10): 20-30.  DOI: 10.11707/j.1001-7488.20181003
甘肃南部不同密度云杉人工幼林的林分结构特征及土壤理化性质
冯宜明1,2,3, 李毅1, 曹秀文2,3, 刘锦乾2,3, 齐瑞2,3, 赵阳2,3, 陈学龙2,3     
1. 甘肃农业大学林学院 兰州 730070;
2. 甘肃省白龙江林业管理局林业科学研究所 兰州 730070;
3. 甘肃白龙江森林生态系统国家定位观测研究站 武都 746000
收稿日期：2017-08-04; 修回日期：2018-10-11
基金项目：国家自然科学基金项目(31360205);甘肃省科技支撑计划项目(144FKCK072);甘肃林业科技项目(2017kj041)
通讯作者：李毅
摘要：【目的】研究甘肃南部不同密度云杉人工幼龄林的径级结构、树高结构、空间分布和土壤理化特征，探讨林分最佳留存密度，以期为人工云杉林的营建与可持续经营提供科学依据。【方法】采用固定样地调查、角尺度研究及分层取样分析的方法，设置7种不同林分密度(850，1 060，1 350，1 550，1 750，2 300和3 000株·hm-2)人工云杉幼龄林(林龄30~40年)样地28块，测定径级结构、树高结构、冠幅、角尺度等林分结构以及土壤密度、土壤饱和持水量、田间持水量、毛管持水量、总孔隙度、毛管孔隙度、有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷和速效钾等土壤理化性质，计算各指标的平均值、标准差，并进行各指标间的差异性检验。【结果】林分的平均胸径和冠幅随林分密度增大而减小，平均树高则随林分密度的增大先增大后减小; 不同密度林分径级结构和高度结构均呈现正态分布的单峰曲线，峰值径级随着密度增大而逐渐减小，胸径处于12~24 cm树木的频度较高而DBH>24 cm和DBH < 12 cm的树木很少; 采用角尺度研究林分空间分布格局，林分角尺度值随着林分密度增大而逐渐减小，林分密度≤ 1 550株·hm-2时为随机分布，林分密度>1 550株·hm-2时为均匀分布; 林分密度是影响云杉人工林土壤理化性质(尤其是土壤有机质含量和总孔隙度)的关键因子; 中密度(1 550株·hm-2)时土壤养分含量总体较高，土壤密度最小，表层(0~20 cm)土壤饱和持水量、毛管持水量、田间持水量和总孔隙度都最大，土壤理化特性均优于过密或过疏的林分。【结论】林分密度与林分结构特征以及土壤理化性质密切相关，中等密度(1 550株·hm-2)利于保持较好的林分结构特征和土壤理化性质，是甘肃南部云杉人工幼龄林分的最佳留存密度。
关键词：云杉人工林    林分密度    林分结构    土壤性质    径级结构    高度结构    空间分布格局    
Characteristics of Stand Structure and Soil Physicochemical Properties of Artificial Young Picea asperata Plantation with Different Densities in Southern Gansu
Feng Yiming1,2,3, Li Yi1 , Cao Xiuwen2,3, Liu Jinqian2,3, Qi Rui2,3, Zhao Yang2,3, Chen Xuelong2,3    
1. College of Forestry, Gansu Agricultural University Lanzhou 730070;
 2. Research Institute of Forestry, Bailongjiang Forestry Administration Lanzhou 730070;
 3. Gansu Bailongjiang National Forest Ecosystem Research Station Wudu 746000
Abstract: 【Objective】In this research, we have studied the diameter structure, tree height structure, spatial distribution and soil physicochemical characteristics of young plantation of Picea asperata with different densities and investigated the optimum stand retention density of plantation in Southern Gansu, the purpose of these efforts were to provide scientific basis for the construction and sustainable management of Picea asperata plantation.【Method】In this study, 28 plots within 7 levels of tree densities (850, 1 060, 1 350, 1 550, 1 750, 2 300, 3 000 individual·hm-2) in young plantation of Picea asperata were studied by method of sample plot investigation, uniform angle index and stratified sampling analysis, determined the diameter class structure, tree height structure, uniform angle index, soil density, saturated moisture, field capacity, capillary capacity, total prosity, capillary prosity, organic matter, total nitrogen, total phosphorus, total potassium, available nitrogen, available phosphorus and available potassium etc., calculated the average value of each index, standard deviation, and the differences between the various indices.【Result】The growth of the average DBH and average crown width all decreased along with the increase of density, the average height increased at first then decreased with the increased of density. The diameter and height structure with different densities were unimodal curves belong to normal distribution, the peak diameter gradually decreases with the increase of density, the frequency of tree medium diameter (DBH:12-24 cm) were much more than diameter (DBH>24 cm) and (DBH < 12 cm). Using spatial structure parameters of the uniform angle index to study the spatial structure characteristics of forest, the uniform angle index gradually decreases with the increase of density, the stand structure was random distribution when the stand density was less than 1 550 individual·hm-2 and when the stand density was greater than 1 550 individual·hm-2, it was uniform distribution. The stand density was the key factor affecting the soil physical and chemical properties (especially soil organic matter and total porosity) in young plantation of Picea asperata; In the plantations with moderate stand density(1 550 individual·hm-2), soil nutrient contents were higher, but soil density was the lowest, the saturated moisture, capillary capacity, field capacity, and the total porosity were relatively higher in the soil depth of 0-20 cm, the soil physical and chemical properties were better than over crowded or over sparse forest.【Conclusion】Tree density was closely related to the stand structure, soil physical and chemical properties. An appropriate density(1 550 individual·hm-2) could be helpful for maintaining good forest structure characteristics and soil physical and chemical properties, and was the best density of young plantation of Picea asperata in southern Gansu.
Key words: Picea asperata plantation    tree density    stand structure    soil property    diameter structure    height structure    spatial distribution pattern    

林分密度是制约林木生长发育过程的主要因素, 是营造及培育人工林的可控因子, 对人工林群落稳定性及林地生产力的发挥起决定作用(姚小兰等, 2017; 田新辉等, 2011; 李民义等, 2013)。林分密度直接影响着人工林群落的光、热、水分等生态因子的分配(李国雷等, 2009), 进而导致林地土壤肥力(何友均等, 2013)、物种多样性(吕婧娴等, 2013)、生物量(Wang et al., 2017)及林内环境(Razafindrabe et al., 2010)等的不同。抚育间伐、补植等措施引起的林分密度改变是实现人工纯林近自然化恢复的有效措施(Baldwin et al., 2000), 关系到人工林的可持续发展(罗应华等, 2013)。目前, 关于人工林密度与林木生长、物种多样性、林下植被生物量、碳储量之间相关性的研究较多(吴多洋等, 2017; 马炜等, 2010; 余蓉等, 2016; 郝建锋等, 2015)。有学者认为, 不同密度林分的土壤侵蚀量差异较大, 建议通过控制林分密度来减少水土流失(Bam et al., 2010);较低的林分密度最适合于物种多样性保护、天然更新和土壤肥力、水分的补充(Chen et al., 2014); 针叶林在中、低密度下的平均结构多样性最高(Sullivan et al., 2016); 重度间伐形成的低密度林分中灌木层结构遭到破坏并且严重影响了林分结构稳定性, 间伐后两层结构变得较为普遍(Yücesan et al., 2015); 林分密度对林下植物的作用明显(Chen, 2000); 抚育间伐可促进人工林恢复, 诱导人工林分结构向天然林的结构特征发展(赵中华等, 2008)。但关于林分密度与林分结构、空间分布及土壤理化特性关系的系统研究比较缺乏(康冰等, 2009)。

云杉(Picea asperata)是我国西北和西南地区分布较为广泛的森林类型, 对天然林和公益林保护工程的实施起到了重要作用(冯宜明等, 2015)。然而单一树种同龄高密度大面积的造林导致植物多样性降低、生产力下降(陈龙池等, 2004)、病虫害蔓延(周霆等, 2008)、人工林生态系统退化等严重生态问题。对人工林进行以密度调整为主的结构优化势在必行。因此, 本研究以人工云杉幼龄林为对象, 调查7种密度(850, 1 060, 1 350, 1 550, 1 750, 2 300和3 000株·hm-2)林分的径级结构、高度结构、空间分布格局和土壤理化性质, 探讨林分最佳留存密度, 为人工云杉林的营建与可持续经营提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于甘肃省沙滩国家森林公园(104°02′—104°22′E, 33°33′—33°46′N), 属岷山山脉, 最高海拔4 356 m, 相对高差最大值2 500 m。属温带、寒温带高寒湿润气候, 冬季寒冷干燥, 夏季湿润多雨。年降水量1 023.1 mm, 年蒸发量918.8 mm, 年均气温4.3 ℃, 极端高温29.1 ℃, 极端低温-28.5 ℃, 全年无霜期100天。土壤以棕色灰化土、棕色森林土、褐色森林土为主。植被主要为人工云杉林、天然冷杉(Abies faxoniana)林、次生红桦(Betula albo-sinensis)林、次生辽东栎(Quercus wutaishanica)林和油松(Pinus tabulaeformis)林, 林下灌木主要有针刺悬钩子(Rubus pungens)、箭竹(Sinarundinaria nitida)、毛花忍冬(Lonicera trichosantha)、扁刺蔷薇(Rosa sweginzowii)和锐齿臭樱(Maddenia incisoserrata)等, 草本主要有东方草莓(Fragaria orientalis)、血满草(Sambucus adnata)、紫花碎米荠(Cardamine tangutorum)和林猪秧秧(Galium paradoxum)等。

2 研究方法 2.1 样地设置与调查及土壤样品采集

通过全面踏查, 于2013年8月在沙滩国家森林公园海拔2 500~2 700 m范围内设置7种林分密度(850, 1 060, 1 350, 1 550, 1 750, 2 300和3 000株·hm-2)云杉人工幼林(林龄30~40年)样地各4块, 共28块, 各样地林相整齐、受人为干扰较小、且具有代表性, 面积均为20 m×20 m, 均为褐色森林土、坡向西北, 坡位为中下坡(表 1)。

表 1 不同密度云杉人工林林分基本情况 Tab.1 Basic status of Picea asperata plantation with different densities

利用全站仪对样地内所有胸径大于5 cm的树木进行定位并编号, 每木检尺以2 cm为1个径级, 5 m为1个高度级, 分别记录胸径、树高、枝下高、冠幅等因子。在样地内沿对角线方向在上、中、下位置布设3个采样点, 用环刀分层(0~20, 20~40和40~60 cm)取样, 每层3次重复, 做为物理性质测试样品; 每个采样点分层采集土壤样品0.5 kg, 混匀、风干、磨细后过筛, 密封贮放, 作为土壤化学性质测试样品, 共252份。

2.2 土壤理化测定

土壤密度、土壤持水量、毛管孔隙度等物理性质采用环刀法测定(马雪华, 1994)。土壤pH值采用pH计法测定; 有机质含量用重铬酸钾外加热法测定; 全氮含量用硫酸钾-硫酸铜-硒粉消煮, 定氮仪自动分析法测定; 全磷含量用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定; 全钾含量采用氢氧化钠熔融-火焰光度计法测定; 速效氮含量用碱解扩散吸收法测定; 速效磷含量用碳酸氢钠浸提法测定; 速效钾含量用火焰光度计法(鲁如坤, 1999)测定。所有指标测定重复3次。

2.3 空间结构参数

角尺度通过描述相邻木围绕参照树的均匀性来准确判定林木空间分布格局类型。根据空间分布格局判别标准, 当林分平均角尺度Wi∈[0.475, 0.517]为随机分布; Wi＜0.475, 为均匀分布; Wi＞0.517, 为团状分布(张连金等, 2015)。

2.4 数据处理

利用Winkelmass软件进行林分空间结构分析, Canoco 5和SigmaPlot 12.0软件作图。土壤密度、土壤孔隙度、土壤持水量及土壤养分含量分别按林分密度和土层(0~20, 20~40和40~60 cm)进行统计分析, 运用SPSS 19.0软件对3次重复观测结果进行单因素方差分析(ANOVA)和差异显著性检验(Duncan法), 所有的统计分析均在0.05显著性水平上实现, 图表中数据为平均值±标准差。

3 结果与分析 3.1 不同密度林分林木生长特征

林分的平均胸径、冠幅随林分密度增大逐渐减小, 而平均树高则随林分密度的增大先增大但之后很快减小(表 2)。低密度与中、高密度林分的林龄存在一定差异, 但方差分析发现林龄对林分平均胸径、树高的影响差异不显著, 因此, 幼龄龄组内林龄对林分生长的影响可忽略。

表 2 不同密度云杉人工幼林主要生长指标特征① Tab.2 The main growth indexes of young plantation of P. asperata with different stand densities

用多种模型拟合胸径、树高和冠幅随密度的变化趋势, 发现幂模型拟合效果最佳(表 3)。

表 3 云杉人工林生长指标与密度异速生长模型① Tab.3 Allometric model of growth indices and density of P. asperata plantation
3.2 不同密度林分径级结构特征

不同密度云杉人工林林分径级结构差异显著(P＜0.05), 且均呈现出正态分布。峰值径级随密度增大而逐渐减小, 林分密度为850, 1 060和1 350株·hm-2时, 乔木层分别在胸径23.0~24.9, 17.0~18.9和15.0~16.9 cm出现峰值, 分别为19, 23和32株·hm-2; 林分密度为1 550和1 750株·hm-2时, 均在胸径13.0~14.9 cm处出现峰值, 分别为40和52株; 密度更大林分的乔木个体多分布在胸径11.0~12.9 cm, 并向两侧逐渐递减(表 4)。林分中胸径为12~24 cm树木的分布频度最高, 而很少出现DBH＞24 cm和DBH＜12 cm的树木, 说明云杉人工林直径分布比较集中并且具有连续性。

表 4 不同密度云杉人工幼林径级结构 Tab.4 Diameter class of young plantation of P. asperata with different tree densities
3.3 不同密度林分高度结构特征

不同密度云杉人工林林分高度结构差异显著(P＜0.05), 且均呈现单峰曲线, 近正态分布(图 1)。林木个体树高集中分布在5.0~20.0 m, 占总株数的96.5%~99.2%, 株数随高度级梯度的上升先增加后减少, 并且树高小于5 m的个体随林分密度增大而开始出现, 5.0~10.0 m的株数也逐渐增加, 大于15 m的个体逐渐减少。林木个体高度的峰值都出现在10.0~14.9 m, 株数分别占乔木层总株数的52.8%、54.4%、53.8%、42.0%、59.5%、62.7%和61.2%, 并向两侧递减。处于低、中这2个高度级的个体较多, 有利于云杉林的后续生长, 林分结构在垂直方向上相对稳定。

图 1 不同密度云杉人工幼林高度级结构 Figure 1 Height class of young plantation of P. asperata with different stand densities
3.4 不同密度林分林木空间分布格局

云杉人工林林分平均角尺度的密度差异显著(P＜0.05), 林分角尺度值随林分密度增大而逐渐减小。密度为850, 1 060, 1 350和1 550株·hm-2时, 林分平均角尺度为0.510, 0.505, 0.490和0.488, Wi < 0.50和Wi>0.50的分布频率基本相等, 林分角尺度分布呈正态分布, 空间格局符合随机分布。密度为1 750, 2 300和3 000株·hm-2时, 林分平均角尺度值分别为0.463, 0.416和0.390, Wi < 0.50的分布频率高于Wi>0.50, 均符合均匀分布(表 5)。研究表明, 只有林分密度在≤1 550株·hm-2的范围内减小时才能减少均匀性或增加随机性, 使林分更接近自然。高密度的人工林经过二、三十年的生长、自然稀疏和经营, 仍未摆脱水平格局均匀的结构特征(赵中华等, 2008)。因此, 人工林结构优化经营时应将角尺度小的林木作为间伐对象, 避免林木单侧的聚集分布, 促使林分向天然林的结构特征发展(董灵波等, 2012)。

表 5 林分角尺度分布频率及均值特性 Tab.5 Character of forest uniform angle index distribution frequency and mean
3.5 不同密度林分土壤理化性质及其与环境因子的关系

不同密度云杉人工林土壤物理性质差异显著(P＜0.05), 土壤密度随土层深度增加逐渐增大, 40~60 cm分别是20~40和0~20 cm的1.12和1.41倍。饱和持水量、毛管持水量、田间持水量和总孔隙度均随深度增加而减小。不同密度间物理性质差异显著(P＜0.05), 土壤密度随林分密度增大而先减小后增大, 饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、总孔隙度均随着密度增加而先增大后减小; 中密度(1 550株·hm-2)林地的土壤密度最小, 表层(0~20 cm)土壤饱和持水量、毛管持水量、田间持水量、总孔隙度都最大(表 6)。

表 6 不同密度云杉人工幼林土壤物理特性① Tab.6 Soil physical properties of young plantation of P. asperata with different stand densities

云杉人工林不同土层的养分含量差别较大, 随土层加深, 有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效钾含量均降低, 而全钾含量升高(表 7), 其中有机质和全氮含量下降幅度较大, 速效磷下降幅度较小; 林分密度对土壤养分的影响在表层(0~20 cm)最明显, 随林分密度增加, 有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷和速效钾含量先增加后减少, 中密度(1 550株·hm-2)林分最有利于提高土壤养分含量。养分含量对林分密度的响应随土层加深而变化, 例如在土壤中层(20~40 cm), 虽然土壤养分含量也表现为随林分密度增加先增加后降低的总体变化趋势, 但全磷、全钾含量以密度1 550株·hm-2最高, 全氮、速效磷和速效钾含量以密度1 350株·hm-2最高, 有机质和速效氮含量最高值出现在3 000株·hm-2, 林地之间的差异可能是造成上述情况的部分原因; 在土壤下层(40~60 cm), 土壤养分含量在850~3 000株·hm-2密度范围内也表现为随林分密度增大而先增加后降低的总体变化趋势, 但有机质、全氮、速效氮和速效磷以密度1 350株·hm-2最高, 全磷、全钾、速效钾含量以密度1 550株·hm-2最高。若以土壤理化性质为评价指标时, 研究区云杉人工幼林适宜的保留密度为1 350~1 550株·hm-2。

表 7 不同密度云杉人工幼林土壤化学含量 Tab.7 Soil chemical content of young plantation of P. asperata with different stand densities

图 2表明, 第1排序轴解释了土壤理化-环境因子关系的91.2%, 而林分密度与轴1的相关系数为0.997 (P＜0.05), 这表明在本研究的情况下, 林分密度是影响土壤理化性质(尤其是土壤有机质含量和总孔隙度)的关键因子, 而坡度、海拔和林龄对土壤理化性质的影响较小。

图 2 不同密度云杉人工幼林土壤理化性质影响因素的PCA排序 Figure 2 PCA ordination of impact factors on soil physical and chemical properties in Picea asperata young plantation with different density SD:土壤密度 Soil density; SM:饱和持水量 Saturated moisture; CC:毛管持水量 Capillary capacity; FC:田间持水量 Field capacity; TP:总孔隙度 Total prosity; CP:毛管孔隙度 Capillary prosity; OM:有机质 Organic matter; TN:全氮 Soil total nitrogen; TP:全磷 Soil total phosphorus; K:全钾 Soil total potassium; NA:速效氮 Available nitrogen; PA:速效磷 Available phosphorus; KA:速效钾 Available potassium; D:林分密度 Stand density; A:林龄 Age; S:坡度 Slope; At:海拔 Attitude
4 讨论 4.1 林分密度对林分结构的影响

林分结构是森林群落生长发育过程中实现增长的一种表达, 也是对环境适应性的反映(张文辉等, 2004)。径级结构可有效评价植物群落的生长状况和稳定性(Xie et al., 2010), 高度结构有助于掌握林分结构的复杂性、发展阶段和稳定程度(孟祥楠等, 2012; 郝建锋等, 2014)。研究表明, 北京山区落叶松(Larix gmelinii)、栓皮栎(Quercus variabilis)、油松3种人工林群落的直径结构属于正态分布(张鹏等, 2016); 长白山北坡云-冷杉林和落叶松林所有独立个体的径级分布均呈倒“J”型, 小径级的个体数较多, 而大径级的个体数较少(匡旭等, 2014); 不同林龄樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)人工林除43年生外径级结构均呈正态分布(孟祥楠等, 2012)。本研究发现, 胸径、树高和冠幅与林分密度之间满足幂函数关系, 主要是因为高密度人工林中的光照、水分及土壤养分等的竞争加剧, 抑制了林木的胸径和高生长, 这与大多数研究一致(段劼等, 2010)。不同密度云杉人工林林分径级结构和高度结构均呈现属于正态分布的单峰曲线, 随着密度增大, 峰值径级逐渐减小, 符合人工林林分结构分布规律。这与前人的研究结果一致, 人工林随着径级升高株数增多, 当径级达到平均胸径时分布株数最多, 随着径级继续增大, 分布株数逐渐减少(曾德慧等, 1997)。

空间分布格局反映种群个体在水平空间上的相互关系, 它决定了林分经营空间大小和发展的可能性, 关系到林分的稳定性和生态系统功能的发挥(惠刚盈等, 2007; 张连金等, 2015)。林分空间分布格局有均匀、随机和团状分布3种类型(惠刚盈等, 2007)。有关元宝山冷杉(Abies yuanbaoshanensis)、白桦(Betula platyphylla)、红椿(Toona ciliata)、栓皮栎等林分的自然分布格局研究表明, 不同发育阶段分布格局存在差异, 一般表现为幼苗、幼树阶段为集群分布, 中龄阶段向随机分布发展(李先琨等, 2002; 田慧霞等, 2017; 高文强等, 2017; He et al., 2017)。甘肃南部云杉人工林大部分属于低产低效林, 生长状况较差, 亟须人为干预调整林分结构。通过对不同密度林分角尺度的研究发现, 林分密度越大, 角尺度值越小, 林分密度≤1550株·hm-2符合随机分布。因此, 在人工林的近自然经营中, 应借助角尺度调整林分的水平分布从而控制林分密度, 诱导人工林林分结构向天然林的结构特征发展, 逐步实现森林最佳结构目标。

4.2 林分密度对土壤理化特性的影响

林分密度作为影响林木生长的重要因子, 同时也影响着林内的通风透光条件、树木根系生长发育、凋落物储量和分解速率等, 从而造成土壤理化性质的不同(魏强等, 2012)。任丽娜等(2012)研究认为, 当落叶松人工林密度达到2 170株·hm-2时, 土壤全氮、全磷及速效钾含量均保持在一个相对较高的水平。王岳等(2014)对近天然落叶松云冷杉林的研究表明, 林分密度为1 058株·hm-2时, 土壤养分浓度已经有降低的趋势, 而土壤pH值相对稳定。本研究也发现了相似结果, 林分密度是影响云杉人工林林地土壤理化性质的关键因子; 中密度(1 550株·hm-2)林地土壤理化特性均优于其他林分, 说明林分过密或过疏都不利于人工林土壤养分的循环和积累; 不同土层土壤养分对林分密度的响应相对一致, 随着林分密度增加, 土壤养分含量先增加后减少, 中层有机质和速效氮含量最高的林分密度与表层和下层有所不同。这是因为不同土壤层次养分含量受到的影响因素存在一定差异, 养分含量会因为不同土层根系分布的差异和土壤养分的淋溶、矿化的影响而产生变化, 具体的影响机制有待进一步深入研究。

凋落物是土壤养分的重要来源, 而云杉人工纯林凋落物的分解速率低, 制约着养分的再循环, 有研究认为针阔混交有益于凋落物的分解, 因此, 通过调节林分密度, 可以促进林下阔叶树种的更新, 提高凋落物的分解速率, 改善土壤理化特性, 并对优化人工针叶纯林自养机制、恢复地力有着积极的意义。

4.3 关于云杉人工林经营的思考

云杉人工林多来自以前人工营造的用材林, 为保证成活率, 造林密度在5 000株·hm-2以上, 再加上天然林保护、国家公益林保护等重大项目的实施, 禁止了一切抚育经营活动, 导致云杉人工林密度大、长势弱、病虫害严重、生态功能严重衰退。因此, 过密云杉人工林的结构调整已迫在眉睫, “动比不动好”, “早动比晚动好”。

调整过密云杉人工林林分结构的关键, 是以优化林分空间分布格局为着眼点, 将角尺度较小的林木做为间伐对象, 控制林分密度不大于1 550株·hm-2, 人工促进天然更新, 对灌木层天然更新起来的桦木等阔叶幼树、幼苗加以保护, 同时充分利用柳树、槭树等阔叶乡土树种, 增加其混交比例, 最终营造异龄、针阔混交、多层次结构的森林, 以实现人工林的可持续发展。

5 结论

林分密度与其他林分结构特征及土壤理化性质密切相关, 林分的径级和高度结构均呈正态分布。随林分密度增大, 平均胸径、冠幅和角尺度逐渐减小, 平均树高先增大后减小。在林分密度＞1 550株·hm-2时, 林木为均匀分布; 在林分密度≤1 550株·hm-2时, 林分为随机分布, 更接近自然。林分密度是影响土壤理化性质(尤其土壤有机质含量和总孔隙度)的关键因子。中密度(1 550株·hm-2)林地土壤养分含量总体较高, 土壤密度最小, 表层(0~20 cm)土壤持水量和总孔隙度最大, 土壤理化特性均优于过密或过疏的林分, 能够较好地改善林下植被、枯落物及养分循环过程, 是甘南亚高山人工云杉幼龄林分的最佳留存密度。

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