白樺人工林土壤主要養(yǎng)分元素時(shí)空變異1)

孟 春 羅 京 趙淑蘋 龐鳳艷

(森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040) (哈爾濱市林業(yè)科學(xué)研究院)

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，它不僅是植物營養(yǎng)元素的主要來源，同時(shí)也是影響土壤與空氣間氣體交換(尤其是CO2)的重要因素。因此，國內(nèi)外學(xué)者多年來對(duì)土壤營養(yǎng)元素及時(shí)空變異進(jìn)行了大量的研究［1－2］。對(duì)于土壤營養(yǎng)元素的空間變異性，研究者多采取對(duì)不同利用類型和不同深度(層次)土壤進(jìn)行取樣來討論其空間變異性［3－6］;對(duì)于土壤營養(yǎng)元素的時(shí)間變異性，研究者多以年為時(shí)間跨度來討論其時(shí)間變異性［7－11］。對(duì)不同利用類型和不同深度(層次)土壤進(jìn)行取樣研究，可以較好地揭示土壤營養(yǎng)元素的空間變異，而以年為時(shí)間跨度研究土壤營養(yǎng)元素的時(shí)間變異，則忽視了植物生長季節(jié)性變化對(duì)土壤營養(yǎng)元素的影響。本文以白樺(Betula platyphylla Suk.)人工林地為研究對(duì)象，以月為時(shí)間跨度，并結(jié)合前人對(duì)該林地土壤營養(yǎng)元素的研究結(jié)果來揭示土壤營養(yǎng)元素的時(shí)空變異性。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

東北林業(yè)大學(xué)哈爾濱實(shí)驗(yàn)林場位于哈爾濱市區(qū)內(nèi)馬家溝河西岸(N45°43. 463' ～N45°43. 464'，E126°37.457' ～E126°37.458')，地形平緩，土壤為地帶性黑土，水分條件良好。屬于溫帶季風(fēng)性氣候，年平均氣溫3.5 ℃，年積溫2 757 ℃，年降水量534 mm。

本次試驗(yàn)選取該林場內(nèi)白樺(Betula platyphylla Suk.)人工林為研究樣地。該林地于1960年春季以2年實(shí)生苗造林，初植密度0.5 m×1 m，當(dāng)年成活率95%。前3年按常規(guī)方法進(jìn)行除草、撫育等田間管理。1964年隔一行去一行，變株距為1 m ×1 m，1990年進(jìn)行疏伐。目前，每0.5 hm2林地上活立木493 株，平均高19 m，平均胸徑16 cm，活立木蓄積53.81 m3。下草蓋度20%。

1.2 觀測方法

在選定樣地上，以對(duì)角線形式隨機(jī)選取5 個(gè)取樣點(diǎn)，在每個(gè)取樣點(diǎn)用鐵鍬挖出深約50 cm 的土壤剖面。分別于2011年5月15日、6月24日、8月8日、9月15日和10月2日分5 次在每個(gè)剖面上從下向地表分別在45、30、15、5 cm 處取樣，土樣編號(hào)后放入取樣袋中，帶回室內(nèi)進(jìn)行自然風(fēng)干、粉碎、過篩，制備土樣供測定土壤化學(xué)元素之用。土壤全N 采用半微量凱氏法測定，土壤水解性N 采用堿解—擴(kuò)散法測定，土壤全P 采用氫氧化鈉—鉬銻抗比色法測定，土壤有效性P 采用0.025 mol/L 硫酸浸提法測定，土壤全K、速效性K 采用火焰光度法測定，土壤C 元素采用水合熱法測定，土壤pH 值采用水浸電位法測定。除K 元素進(jìn)行4 次測定外，其他各元素均進(jìn)行了5 次測定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算每個(gè)樣地每次取樣同層次各項(xiàng)指標(biāo)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差。采用變異系數(shù)(CV)說明各項(xiàng)指標(biāo)的變異程度:CV=S/(S 為標(biāo)準(zhǔn)差;為均值)。CV≤0.1 屬于弱變異性，0.1 ＜CV＜1 屬于中等變異性，CV≥1 屬于強(qiáng)變異性［12］。采用方差分析說明各指標(biāo)時(shí)空差異的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 N 元素

觀測期內(nèi)土壤全N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為1 101.74 mg·kg－1(表1)，低于1983年該林地土壤全N 觀測值［13］。土壤全N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)雖然不同土層深度處差異性并不顯著(p ＞0.05)，即全N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低的45 cm 土層處較最高的5 cm 土層處僅低了17.44%，但全N 卻呈現(xiàn)隨土層深度增加而減小的變化趨勢，這種狀況與陳喜全［13］對(duì)該林地土壤全N沿土層深度方向變化趨勢的研究結(jié)果完全相同。各次取樣間土壤全N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異性顯著(p ＜0.05)。8月8日和9月15日兩次取樣中各層次土壤全N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，其余3 次取樣中各層次土壤全N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。全N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低的8月8日較最高的6月24日低了40.81%。觀測期內(nèi)土壤全N質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均變異系數(shù)為0.37，屬中等變異。變異系數(shù)隨土層深度的增加有減小的變化趨勢，各次取樣間變異系數(shù)無明顯規(guī)律性變化。

觀測期內(nèi)土壤水解性N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為360.89 mg·kg－1(表1)。雖然不同土層深度處土壤水解性N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異并不顯著(p ＞0.05)，即水解性N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低的30 cm 土層處比質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的45 cm 土層處僅低了3.91%，但卻呈現(xiàn)隨土層深度的增加先減小后增加的變化趨勢。各次取樣間土壤水解性N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異性顯著(p ＜0.05):5月15日和10月2日兩次取樣的土壤水解性N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，其余3 次取樣的土壤水解性N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。水解性N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低的8月8日較質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的5月15日低了40.31%。觀測期內(nèi)土壤水解性N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均變異系數(shù)為0.36，屬中等變異。變異系數(shù)隨土層深度的增加有先增加后減小的變化趨勢，各次取樣間變異系數(shù)呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。

表1 土壤N 元素統(tǒng)計(jì)值

2.2 P 元素

觀測期內(nèi)土壤全P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為249.11 mg·kg－1(表2)，低于1983年該林地土壤全P 的觀測值［13］。土壤全P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同深度處差異性不顯著(p ＞0.05)，無明顯變化趨勢。全P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小值(45 cm 土層深度處)較最大值(30 cm 土層深度處)小了20. 91%，這一結(jié)果與陳喜全1983年［13］對(duì)該林地土壤全P 沿土層深度方向的變化趨勢的研究結(jié)果基本相同。各次取樣間土壤全P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異性顯著(p ＜0.05):從5月15日第1 次取樣至10月2日第5 次取樣，土壤全P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢。9月15日取樣的土壤全P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較5月15日取樣的土壤全P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少了44.81%。觀測期內(nèi)土壤全P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均變異系數(shù)為0.34，屬中等變異。變異系數(shù)隨土層深度的增加呈先減小后增加的變化趨勢，各次取樣間變異系數(shù)無明顯的規(guī)律性變化。

觀測期內(nèi)土壤速效P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為4.12 mg·kg－1(表2)。不同土層深度處土壤速效P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著(p ＜0.05)，呈現(xiàn)隨土層深度的增加而減小的變化趨勢，45 cm 土層深度處速效P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較5 cm 土層深度處減小了53.69%。各次取樣間土壤速效P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異性顯著(p ＜0.05):5月15日取樣時(shí)速效P 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低;6月24日至10月2日，速效P 則呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢。土壤速效P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低的5月5日較最高的6月24日低了65.93%。觀測期內(nèi)土壤速效P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均變異系數(shù)為0.63，屬中等變異。變異系數(shù)隨土層深度的增加有增加的趨勢，各次取樣間變異系數(shù)表現(xiàn)為先增加后減小的變化趨勢。

表2 土壤P 元素統(tǒng)計(jì)值

2.3 K 元素

觀測期內(nèi)土壤全K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為803.60 mg·kg－1(表3)。不同深度處土壤全K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異性雖不顯著(p ＞0.05)，但全K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)隨土層深度增加而減小的變化趨勢，最小值(45 cm土層深度處)比最大值(5 cm 土層深度處)小了5.72%。各次取樣間土壤全K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異性不顯著(p ＞0.05)，土壤全K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低的9月15日較最高的6月24日低了7.32%。從6月24日第1次取樣至10月2日第4 次取樣，土壤全K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出先減小后增加的變化趨勢。觀測期內(nèi)土壤全K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均變異系數(shù)為0.11，屬中等變異。變異系數(shù)隨土層深度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，各次取樣間變異系數(shù)亦呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。

觀測期內(nèi)土壤速效K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為67.42 mg·kg－1(表3)。不同土層深度上土壤速效K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異性不顯著(p ＞0.05)，但呈現(xiàn)出隨土層深度的增加而增加的變化趨勢，最大值(45 cm 土層深度處)比最小值(15 cm 土層深度處)大了21.90%。各次取樣間土壤速效K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異性不顯著(p ＞0.05)，各次取樣土壤速效K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值差異不大，最大值(8月8日)較最小值(6月24日)僅增加了9.61%，但有先減小后增加的變化趨勢。觀測期內(nèi)土壤速效K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均變異系數(shù)為0.21，屬中等變異。變異系數(shù)隨土層深度的增加表現(xiàn)為先增加后減小，而在各次取樣間變異系數(shù)則表現(xiàn)為先減小后增加。

表3 土壤K 元素統(tǒng)計(jì)值

2.4 C 元素

觀測期內(nèi)土壤C 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為18.63 g·kg－1(表4)，略高于1983年［13］該林地土壤C 元素的觀測值。不同土層深度處土壤C 元素差異性顯著(p ＜0.05)，最小值(15 cm 土層深度處)比最大值(30 cm 土層深度處)小了19.29%，表現(xiàn)出隨土層深度的增加先減小后增加的波動(dòng)變化趨勢，這與陳喜全［13］對(duì)該林地土壤C 元素的觀測值隨土層深度變化的趨勢有相似之處。各次取樣間C 元素差異性不顯著(p ＞0.05):從5月15日第1 次取樣至10月2日第5 次取樣，土壤C 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)遞增的變化趨勢，10月2日取樣的土壤C 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較5月15日取樣時(shí)增加了12.50%。觀測期內(nèi)土壤C 元素平均變異系數(shù)為0.21，屬中等變異。變異系數(shù)隨土層深度的增加波動(dòng)變化，各次取樣間變異系數(shù)呈減小的變化趨勢。

表4 土壤C 元素統(tǒng)計(jì)值

2.5 pH 值

觀測期內(nèi)土壤pH 值平均值為5.65(表5)，低于1983年該林地土壤pH 值的觀測值［13］。各層pH值雖然變化很小，即pH 最小值(15 cm 土層深度處)比最大值(45 cm 土層深度處)僅小了5.46%，但不同土層深度處土壤pH 值差異性顯著(p ＜0.05)，并表現(xiàn)出隨土層深度增加先減小后增加的變化趨勢，這與陳喜全［13］對(duì)該林地土壤pH 值隨土層深度變化的趨勢略有不同。各次取樣間土壤pH 值差異性顯著(p ＜0.05):從5月15日第1 次取樣至10月2日第5 次取樣，土壤pH 值呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢，最小值(8月8日)較最大值(5月15日)減小了7.44%。觀測期內(nèi)土壤pH 值平均變異系數(shù)為0.05，屬弱變異。變異系數(shù)隨土層深度的增加有增加的趨勢，在各次取樣間變異系數(shù)則表現(xiàn)為先減小后增加。

表5 白樺林地土壤pH 值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 結(jié)論與討論

C 元素是構(gòu)成植物有機(jī)體的基本物質(zhì)。通過光合作用，植物將大氣中的CO2合成為有機(jī)物，以碳水化合物的形式構(gòu)成植物各個(gè)器官的化學(xué)組分。同時(shí)，植物正常生長需要吸收必要的營養(yǎng)元素。這些營養(yǎng)元素除N 元素可以從大氣中吸收一部分外，N元素的大部分和其他營養(yǎng)元素如P、K 的吸收均來自土壤。因此，研究樣地從1960年造林開始至今，盡管每年有枯枝落葉分解而致營養(yǎng)元素回歸，但土壤主要養(yǎng)分元素一直處于“凈支出”狀態(tài)，地力有“衰退”的趨勢［14］，在有對(duì)比數(shù)據(jù)的幾個(gè)土壤營養(yǎng)元素中，土壤全N、全P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較1983年的觀測值下降。C 元素得益于光合作用的積累，通過細(xì)根的分解［15－16］而使土壤C 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。pH值的下降使林地土壤從中性轉(zhuǎn)變?yōu)槿跛嵝?，白樺林出現(xiàn)類似情況的不多［17］，其原因可能是由于該林地與落葉松林地相鄰，落葉松落葉進(jìn)入白樺林地后分解造成土壤酸性化［18］，從pH 值在不同土層深度處差異性顯著及隨土層深度增加先減小后增加的變化趨勢也可以印證這一原由。

土壤營養(yǎng)元素在土壤剖面垂直方向上質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化既與成土過程有關(guān)，也與植物生長、枯落物和殘?bào)w的分解以及不同元素的特性有關(guān)，所以，即使土壤類型相同，但利用方式不同，土壤營養(yǎng)元素在土壤剖面垂直方向上質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢也會(huì)明顯不同。相對(duì)于1983年而言，經(jīng)過近30a 的生長，白樺林已從中齡林生長為成熟林，生長速度降低、根系發(fā)達(dá)。此時(shí)，分解周期極短的細(xì)根成為影響土壤營養(yǎng)元素變化的一個(gè)重要因素［19］。在細(xì)根分解過程中，對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P、全K 而言是個(gè)增值的過程［20］。有研究表明［16］，白樺林細(xì)根的垂直分布表現(xiàn)出隨土層深度的增加細(xì)根生物量減少的趨勢，92.8%和93.1%的活、死根分布在0 ～20 cm 的土層中。因此，土壤全N、水解性N、全P、速效P 和全K質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出的隨土層深度增加而減小的變化趨勢與白樺細(xì)根的垂直分布特點(diǎn)相符合。速效K 則由于其對(duì)植物體新鮮程度的選擇性而使其在根部質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，出現(xiàn)與全K 相反的變化趨勢。C 元素則表現(xiàn)為在20 cm 土層以下的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0 ～20 cm 土層的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這與不同土層深度活細(xì)根與死細(xì)根的比例以及淋溶作用產(chǎn)生的沉積作用有關(guān)。

N、P、K 元素作為植物體的營養(yǎng)元素，生長初期(6月份)在植物體內(nèi)都有較高的積累［21］，導(dǎo)致經(jīng)7、8月份植物速生期的波動(dòng)變化后土壤中N、P、K 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，至非主要植物生長季節(jié)的9、10月份其質(zhì)量分?jǐn)?shù)又上升。因此，全N、全P、全K 以及水解性N、速效K 和速效P 均表現(xiàn)出了與植物生長對(duì)營養(yǎng)元素的季節(jié)性吸收特點(diǎn)相一致的變化趨勢。C 元素的月際變化呈現(xiàn)增加的趨勢與細(xì)根分解導(dǎo)致土壤C 元素的積累直接相關(guān)。pH 值的月際變化則與細(xì)根的生長及分解過程中微生物的活性有關(guān)，微生物活性高的月份pH 值較低。

研究樣地是經(jīng)由松花江、阿什河的長期侵蝕、搬運(yùn)和堆積作用下形成的復(fù)微度分割的沖積平原［13］，土壤和營養(yǎng)元素的空間差異不大，研究樣地在栽植白樺純林后，由于樹種單一，對(duì)土壤營養(yǎng)元素的空間差異影響甚微，因此，除pH 值為弱變異外，其他各元素也僅為中等變異，林地土壤均值性較好。

［1］ 黃紹文，金繼運(yùn). 土壤特性空間變異研究進(jìn)展［J］. 土壤與肥料，2002(1):8 －14.

［2］ 馮曉，喬淑，胡峰，等.土壤養(yǎng)分空間變異研究進(jìn)展［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，49(7):1738 －1741.

［3］ Li X F，Chen Z B，Chen H B，et al. Spatial distribution of soil nutrients and their response to land use in eroded area of south China［J］. Procedia Environmental Sciences，2011，10(A):14 －19.

［4］ Wei Yichang，Bai Youlu，Jin Jiyun，et al. Spatial variability of soil chemical properties in the reclaiming marine foreland to Yellow Sea of China［J］. Agricultural Sciences in China，2009，8(9):1103 －1111.

［5］ 于洋，劉吉平，徐艷艷.東北典型黑土區(qū)土壤養(yǎng)分空間分異影響因素分析［J］.水土保持研究，2009，16(5):66 －69.

［6］ 李雙異，劉慧嶼，張旭東，等.東北黑土地區(qū)主要土壤肥力質(zhì)量指標(biāo)的空間變異性［J］.土壤通報(bào)，2006，37(2):221 －227.

［7］ Huang Biao，Sun Weixia，Zhao Yongcun，et al. Temporal and spatial variability of soil organic matter and total nitrogen in an agricultural ecosystem as affected by farming practices［J］. Geoderma，2007，139(3/4):336 －345.

［8］ Yang Z P，Zhang Q，Wang Y L，et al. Spatial and temporal variability of soil properties under Caragana microphylla shrubs in the northwestern Shanxi Loess Plateau，China［J］. Journal of Arid Environments，2011，75(6):538 －544.

［9］ Prasolova N，Xu Zhihong，Saffigna P G，et al. Spatial-temporal variability of soil moisture，nitrogen availability indices and other chemical properties in hoop pine (Araucaria cunninghamii)plantations of subtropical Australia［J］. Forest Ecology and Management，2000，136(1/3):1 －10.

［10］ Cui Baoshan，Zhao Hui，Li Xia，et al. Temporal and spatial distributions of soil nutrients in Hani terraced paddy fields，Southwestern China［J］. Procedia Environmental Sciences，2010，2:1032 －1042.

［11］ 汪景寬，李雙異，張旭東，等.20年來東北典型黑土地區(qū)土壤肥力質(zhì)量變化［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2007，15(1):19 －24.

［12］ 劉淑娟，張偉，王克林，等. 桂西北喀斯特峰叢洼地土壤物理性質(zhì)的時(shí)空分異及成因［J］. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，21(9):2249 －2256.

［13］ 陳喜全.關(guān)于哈爾濱林場土壤發(fā)生分類的探討［J］.東北林學(xué)院學(xué)報(bào)，1983，11(3):12 －18.

［14］ 崔國發(fā).人工林地力衰退機(jī)理及其防止對(duì)策［J］.世界林業(yè)研究，1996(5):61 －69.

［15］ 郭忠玲，鄭金萍，馬元丹，等. 長白山幾種主要森林群落木本植物細(xì)根生物量及其動(dòng)態(tài)［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，26(9):2855－2863.

［16］ 汪洋，代力民，于大炮，等. 長白山白樺林細(xì)根的生產(chǎn)力及其周轉(zhuǎn)［J］.湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010(7):113 －115.

［17］ 王樹力，別志遠(yuǎn)，張先慶，等. 涼水自然保護(hù)區(qū)4 種紅松林型下土壤性質(zhì)的對(duì)比分析［J］.林業(yè)科技，1997，22(2):1 －3.

［18］ 陳喜全，郭秋慧，王政權(quán).落葉松純林與落葉松胡桃楸混交林下土壤理化性質(zhì)的研究(Ⅰ)［J］. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1991，19(水胡黃椴?？?:258 －267.

［19］ 張秀娟，吳楚，梅莉，等. 水曲柳和落葉松人工林根系分解與養(yǎng)分釋放［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，17(8):1370 －1376.

［20］ 邢存旺，張艷華.胡桃楸與落葉松人工混交林土壤化學(xué)性質(zhì)的研究［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，23(5):64 －71.

［21］ 李俊清，宮偉光.東北主要造林樹種的營養(yǎng)元素含量特征分析［J］.植物生態(tài)學(xué)與地植物學(xué)學(xué)報(bào)，1991，15(4):380 －385.