不同林齡樟子松人工林土壤理化性質(zhì)1)

牛沙沙 周永斌 劉麗穎 秦勝金 殷有 宋曉東 肖薇

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，沈陽，110866) (遼寧省固沙造林研究所)

不同林齡樟子松人工林土壤理化性質(zhì)1)

牛沙沙 周永斌 劉麗穎 秦勝金 殷有 宋曉東 肖薇

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，沈陽，110866) (遼寧省固沙造林研究所)

以遼寧省章古臺地區(qū)不同林齡樟子松人工林為研究對象，通過測定土壤理化性質(zhì)，對樟子松林地養(yǎng)分狀況進行研究。結(jié)果表明：①林齡對樟子松林地土壤理化性質(zhì)影響顯著。隨著林齡的增加，土壤含水量降低，土壤密度先降低后增加；有機質(zhì)以及N、P、K質(zhì)量分數(shù)先增加后減少；全Ca質(zhì)量分數(shù)先減少后增加，交換性Ca質(zhì)量分數(shù)逐漸減少。②采用主成分分析法對不同林齡樟子松人工林土壤肥力狀況進行了評價，土壤肥力由高到低為：中齡林、近熟林、幼齡林。

樟子松人工林；林齡；土壤理化性質(zhì)

We studied the soil physico-chemical properties in different ages ofPinussylvestrisvar.mongolicaplantations in Zhanggutai, Liaoning Province. The stand age had significant effect on soil physico-chemical properties. With the increase of stand ages, soil water contents ofP.sylvestrisplantation decreased, whereas, the soil bulk density firstly decreased and then increased. The soil organic matter, N, P, and K contents firstly increased and then decreased. Total Ca content firstly decreased and then increased, and exchangeable Ca content decreased. The soil fertility ofPinussylvestrisvar.mongolicaplantation was assessed by principal component analysis, and the soil fertility from high to low was middle-age forest, young forest and nearly mature forest.

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)為歐洲赤松的一個地理變種，具有生長快、成材早、抗逆性強等特性，是我國“三北”防護林工程和治沙工程的主要造林樹種，在遼西地區(qū)進行了大面積的栽植。但是，自20世紀80年代以來，遼西地區(qū)的樟子松開始出現(xiàn)了大面積生長量下降、樹木枯梢病，甚至死亡等衰退現(xiàn)象。目前，研究人員從土壤水分差異[1]、養(yǎng)分變化[2-3]、地力衰退[4]、生長特性[5]、經(jīng)營管理[6]等多方面對樟子松人工林的衰退原因作了大量研究，但是對隨著樟子松人工林林齡增加，土壤理化性質(zhì)變化過程的研究還較少。本研究選取遼寧省章古臺不同林齡的樟子松人工林，對土壤理化性質(zhì)進行分析，探討林齡對林下土壤理化性質(zhì)的影響，以期了解樟子松人工林在不同生長發(fā)育階段對土壤養(yǎng)分的需求，為進一步研究樟子松人工林衰退提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省章古臺鎮(zhèn)(121°11′～122°56′E，41°41′～42°56′N)，屬于科爾沁沙地南緣，是典型的亞濕潤大陸性氣候區(qū)。該區(qū)平均海拔226.5 m，干旱多風(fēng)，年降水量450～550 mm，年蒸發(fā)量1 200～1 450 mm，年均氣溫5.7 ℃。土壤以風(fēng)沙土為主，土壤為弱堿性，有機質(zhì)及其他養(yǎng)分含量較低。植被屬內(nèi)蒙古植物區(qū)系，多為抗旱性較強的沙生植物。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

章古臺地區(qū)的樟子松人工林經(jīng)過人工撫育管理及自然稀疏，林齡分布10～40 a，包括幼齡林、中齡林和近熟林3個齡組。2013年8月，根據(jù)海拔、坡度、坡向、土層厚度等立地條件相似原則，在該區(qū)選擇不同林齡(15、25、38 a)的樟子松人工林分別設(shè)置樣地。其中，中齡林和近熟林有不同程度的采伐。每個樣地分別設(shè)置3塊有代表性的樣方，面積20 m×20 m。樣地土壤均為風(fēng)沙土。樣地調(diào)查因子包括：林齡、海拔、平均樹高、平均胸徑、種植密度和郁閉度。樣地基本概況見表1。

2.2 土壤樣品采集

在每個樣方內(nèi)隨機設(shè)置5個采樣點，剔除表層枯枝落葉層，挖取0～100 cm的土壤剖面，分別取土層深度10、20、30、50、70和100 cm處的土壤，用鋁盒采集，帶回實驗室測各層土壤含水量；每層取1個環(huán)刀，帶回實驗室測各層土壤密度；同時，在每個采樣點取0～50 cm的土壤，將5個采樣點的土壤混勻后作為1份樣品裝入塑料袋，混合土樣風(fēng)干后磨細后過20目和100目篩，用于土壤化學(xué)性質(zhì)的測定。

表1 樟子松人工林樣地基本概況

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差。

2.3 土壤樣品理化性質(zhì)測定

采用環(huán)刀法測定土壤密度，烘干法測土壤含水量，采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定土壤有機質(zhì)，半微量開氏法測定土壤全氮，堿解—擴散法測定土壤水解性氮，酸溶—鉬銻抗比色法測定等土壤全磷，速效磷用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定。硝酸—高氯酸消煮法測定土壤全鉀，乙酸銨提取法測定土壤速效鉀。硝酸—高氯酸消煮—原子吸收分光光度法測土壤全鈣，乙酸銨交換—原子吸收分光光度法測交換性鈣[7]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 19.0，通過單因素方差分析法檢驗3個林齡樟子松人工林各層土壤含水量、密度和各化學(xué)性質(zhì)的差異是否顯著(P<0.05)，如果顯著，再通過Duncan檢驗確定各土層之間或者不同林齡之間的差異性；采用主成分分析法對3個林齡樟子松人工林的土壤肥力質(zhì)量進行綜合評價，根據(jù)主成分累積貢獻率達到85%為宜的原則提取主成分，以各主成分特征貢獻率為權(quán)重，加權(quán)計算得出各林齡綜合得分。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林齡樟子松人工林土壤理化性質(zhì)的變化

3.1.1 土壤含水量的變化

林齡對土壤含水量有顯著影響(P<0.05，表2)。其中，幼齡林和近熟林的土壤含水量差異性顯著(P<0.05)，中齡林與幼齡林和近熟林的土壤含水量間無顯著性差異(P>0.05)。同時，不同土層的土壤含水量間差異性顯著(P<0.05)。樟子松人工林表層土壤(0～10 cm)含水量最高，10～20 cm處的土壤含水量有顯著下降，20～30 cm處的土壤含水量略有增長，30～50 cm處的土壤含水量顯著降低(P<0.05)，在50～100 cm土層深度，土壤含水量顯著低于0～50 cm(P<0.05)，但50～70 cm和70～100 cm土層間無顯著性差異(P>0.05)。各林齡的土壤含水量垂直分布具有相似規(guī)律，說明林齡對土壤含水量垂直變化無顯著影響。

表2 不同林齡樟子松林地土壤含水量變化 %

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差，同列不同大寫字母表示不同林齡的土壤含水量差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示不同深度的土壤含水量差異顯著(P<0.05)。

3.1.2 土壤密度的變化

不同林齡樟子松林下土壤密度的結(jié)果如表3所示，林齡對土壤密度有著顯著影響(P<0.05)，其中，中齡林最低，為1.51 g·cm-3；近熟林次之，為1.54 g·cm-3；幼齡林最高，為1.56 g·cm-3。各林齡樟子松林下的土壤密度均隨著土層厚度的增加而增加。在0～50 cm土層深度，不同林齡相同土層深度的土壤密度差異顯著(P<0.05)。在50～100 cm土層深度，不同林齡相同土層深度的土壤密度差異不顯著(P>0.05)。總體來說，隨著土層厚度的增加，各林齡土壤密度差異性逐漸減小。

表3 不同林齡樟子松林地土壤密度變化 g·cm-3

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差，同列不同大寫字母表示不同林齡的土壤密度差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示不同深度的土壤密度差異顯著(P<0.05)。

3.1.3 土壤有機質(zhì)和總氮的變化

不同林齡樟子松人工林土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)差異顯著(P<0.05，表4)，其中，幼齡林有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)最低，僅為2.81 g·kg-1；中齡林有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)最高，為4.02 g·kg-1；近熟林有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為3.62 g·kg-1，總體表現(xiàn)為隨著林齡的增長呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。不同林齡樟子松人工林土壤全N質(zhì)量分數(shù)間也存在顯著性差異(P<0.05)，總體變化趨勢表現(xiàn)為隨著林齡的增加呈先增加后降低的趨勢，與有機質(zhì)變化趨勢基本一致。不同林齡樟子松人工林土壤w(C)∶w(N)之間差異不顯著(P>0.05)。

表4 不同林齡樟子松林地土壤有機質(zhì)和全N質(zhì)量分數(shù)變化

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差，同列不同大寫字母表示不同林齡的土壤中各成分之間差異顯著(P<0.05)。

3.1.4 土壤其他全量養(yǎng)分的變化

不同林齡樟子松人工林下土壤全P質(zhì)量分數(shù)差異顯著(P<0.05，表5)，中齡林質(zhì)量分數(shù)最高，為0.09 g·kg-1，幼齡林和近熟林全P質(zhì)量分數(shù)相似。不同林齡樟子松人工林下土壤全K質(zhì)量分數(shù)間無顯著性差異(P>0.05)。中齡林的土壤全K質(zhì)量分數(shù)略高于幼齡林和近熟林。不同林齡樟子松人工林下土壤全Ca質(zhì)量分數(shù)間差異性顯著(P<0.05)，其中，中齡林全Ca質(zhì)量分數(shù)最低，僅為0.68 g·kg-1；近熟林次之，為0.79 g·kg-1；幼齡林最高，為0.87 g·kg-1。

表5 不同林齡樟子松林地土壤其他全量養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)變化

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差，同列不同大寫字母表示不同林齡的土壤中全量養(yǎng)分之間差異顯著(P<0.05)。

3.1.5 土壤有效養(yǎng)分的變化

不同林齡土壤水解N、有效P和速效K質(zhì)量分數(shù)均存在顯著性差異(P<0.05，表6)，且變化趨勢一致，均隨著林齡的增長呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。同時，各個有效養(yǎng)分與其對應(yīng)的全量成分變化趨勢一致。不同林齡樟子松人工林下土壤交換性Ca質(zhì)量分數(shù)間存在顯著差異(P<0.05)，且隨著林齡的增加呈降低的趨勢。

表6 不同林齡樟子松林地土壤有效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)變化

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差，同列不同大寫字母表示不同林齡的土壤中各有效養(yǎng)分之間差異顯著(P<0.05)。

3.2 樟子松人工林土壤肥力綜合評價

主成分分析結(jié)果表明(見表7)。第1主成分的方差貢獻率最大，為70.264%，第2主成分的方差貢獻率為11.525%，第3主成分的方差貢獻率為10.621%，前3個主成分的累積貢獻率為92.410%，因此，前3個主成分的綜合指標基本能反映土壤肥力評價系統(tǒng)內(nèi)的變異信息。即取前3個主成分基本包含了全部11個評價因子的所有信息，可以較好的反映土壤肥力的綜合狀況。最終，計算出各樣地的肥力綜合得分，根據(jù)每個齡組3塊樣地得分的平均值計算出樟子松人工林各齡組的土壤肥力綜合指數(shù)，得出幼齡林、中齡林和近熟林的綜合得分分別為：-2.635、2.217和0.418。土壤肥力由高到低為中齡林、近熟林、幼齡林(見表8)。

表7 土壤肥力指標主成分分析

表8 不同林齡樟子松人工林土壤肥力綜合得分

4 結(jié)論與討論

土壤含水量結(jié)果表明，不同林齡樟子松人工林土壤含水量間有顯著性差異，且林齡對樟子松人工林土壤含水量垂直分布無顯著影響。這與朱教君等[9]在對沙地樟子松人工林地土壤水分的異質(zhì)性的研究得出的結(jié)論一致。土壤密度是土壤緊實度的敏感性指標，是表征土壤肥力質(zhì)量的一個重要參數(shù)[10]。隨著林齡的增加，樟子松人工林土壤密度呈先降低后升高的趨勢。隨著土層深度的增加，各林齡土壤密度差異性減小。楊曉娟等在對不同林齡長白落葉松人工林土壤肥力的研究中也發(fā)現(xiàn)中齡林的土壤密度顯著低于幼齡林和近熟林這一規(guī)律[11]。王彥武[12]在對榆林毛烏素沙地樟子松林土壤質(zhì)量研究中發(fā)現(xiàn)，40年生樟子松林地土壤密度小于20年生林地土壤密度。本研究中25年生樟子松林地土壤密度顯著低于15年生林地土壤密度，這可能是由于隨著林齡的增長，林內(nèi)枯枝落葉的增加和腐殖質(zhì)的大量累積，降低了土壤密度，改善了林地土壤質(zhì)量。38年生樟子松林地土壤密度顯著高于25年生林地土壤密度，而38年生樟子松林分有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)也顯著低于25年生林分有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)，因此，38年生有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的減少可能是導(dǎo)致土壤密度增大的重要原因。各林齡樟子松林下的土壤密度均隨著土層深度的增加而增加。這可能是由于隨著土壤深度增加，土壤有機質(zhì)含量逐漸減少，土壤團聚性降低，土壤緊實度增加造成的[13]。

樟子松人工林土壤有機質(zhì)和全N質(zhì)量分數(shù)隨林齡的增長呈先增加后減少的趨勢。土壤有機質(zhì)含量和全N含量是土壤養(yǎng)分諸多因素中重要的2個因素，是土壤肥力狀況的最重要表征[14]。由于林地土壤有機質(zhì)和全N主要來源于林地的凋落物，幼齡林階段，通過凋落物進入到土壤的有機物質(zhì)和氮素較少，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)和全N質(zhì)量分數(shù)較低，隨著林齡的增長，土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)和全N質(zhì)量分數(shù)不斷增加。近熟林林分開始衰退，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)和全N質(zhì)量分數(shù)出現(xiàn)顯著降低[15]。土壤有機質(zhì)和總氮變化趨勢一致，這一研究結(jié)果與大多數(shù)研究結(jié)果一致[4，16]。

土壤全量養(yǎng)分和有效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)隨著林齡的增加也呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(全K、全Ca和交換性Ca除外)。土壤P素的主要來源是林分凋落物的歸還以及植物根系、微生物活動，因此，隨著林齡的增長，土壤全P和有效P質(zhì)量分數(shù)呈增加的趨勢；而38 a樟子松人工林全P和有效P質(zhì)量分數(shù)顯著降低，說明樟子松人工林土壤總P庫有耗竭的趨勢，這與趙瓊在對沙地樟子松人工林土壤磷庫的研究中得出的結(jié)論一致[17]。不同林齡的土壤全K質(zhì)量分數(shù)間無顯著性差異。章古臺地區(qū)全K質(zhì)量分數(shù)豐富，不是植物生長的限制因子[18]，這可能是導(dǎo)致林齡對土壤全K質(zhì)量分數(shù)無顯著性影響的原因。本研究發(fā)現(xiàn)，全Ca質(zhì)量分數(shù)在不同林齡間差異性顯著，中齡林土壤全Ca質(zhì)量分數(shù)顯著小于幼齡林和近熟林；交換性Ca質(zhì)量分數(shù)隨著林齡的增加呈降低的趨勢。Ca是土壤中的礦質(zhì)元素，是非原生質(zhì)體以及生物膜的成分，其含量多少對植物的生長有重要影響；而交換性Ca是植物可以利用的有效態(tài)Ca。朱教君等在對樟子松人工林養(yǎng)分再吸收及利用效率的研究中發(fā)現(xiàn)，樟子松針葉凋落葉片Ca質(zhì)量分數(shù)均大于凋落前葉片Ca質(zhì)量分數(shù)，并且Ca的養(yǎng)分再吸收效率為負值。養(yǎng)分再吸收效率高能減少植物對土壤養(yǎng)分的依賴性，而樟子松對Ca的養(yǎng)分再吸收效率為負值，表明樟子松對Ca的吸收利用很大程度上依賴于土壤Ca含量；朱教君等[9]同時發(fā)現(xiàn)45 a和11 a樟子松針葉對Ca的保存能力顯著大于20 a和29 a樟子松，這可能是導(dǎo)致中齡林土壤全Ca質(zhì)量分數(shù)顯著小于幼齡林和近熟林的原因，但是對導(dǎo)致章古臺地區(qū)不同林齡樟子松土壤交換性Ca質(zhì)量分數(shù)變化的具體原因還有待深入研究。

樟子松人工林的土壤肥力綜合得分表明，中齡林的土壤肥力最高，其次為近熟林，幼齡林最低。這可能是由于林分密度及采伐情況的差異所導(dǎo)致。本研究中，幼齡林是樟子松生長旺盛時期，對養(yǎng)分需求大，且林分密度較，凋落物量少，根系發(fā)達，對土壤肥力消耗過大，導(dǎo)致土壤肥力較低。中齡林密度較小，凋落物量大，養(yǎng)分消耗較幼齡林減少，養(yǎng)分歸還較幼齡林增加，因此中齡林土壤整體肥力狀況有所改善。近熟林林分衰退，根系生物量衰退明顯[19]，土壤由于缺少根系的機械作用和分泌物的調(diào)節(jié)，土壤水穩(wěn)性團粒和非毛管孔隙度降低，土壤緊實度和密度升高[20]，凋落物分解速度減慢，養(yǎng)分歸還能力減弱，因此可能導(dǎo)致近熟林土壤肥力狀況下降。

對不同林齡樟子松人工林土壤理化性質(zhì)研究結(jié)果表明：林齡對樟子松人工林土壤理化性質(zhì)影響顯著。隨著林齡的增加，土壤含水量降低，土壤密度先降低后增加；土壤各養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)差異性顯著，w(C)∶w(N)無顯著性差異。樟子松人工林中齡林的土壤肥力最高，其次為近熟林，幼齡林最低。

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Soil Properties inPinussylvestrisvar.mongolicaPlantation of Different Ages

Niu Shasha, Zhou Yongbin, Liu Liying, Qin Shengjin, Yin You(Shenyang Agriculture University, Shenyang 110866, P. R. China); Song Xiaodong, Xiao Wei(Liaoning Provincial Dune-Fixation and Reforestation Institute)/Journal of Northeast Forestry University，2015,43(2)：47-50,62.

Pinussylvestrisvar.mongolicaplantation; Age; Soil physico-chemical properties

1) 林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201304216、201404303)；國家自然科學(xué)基金項目(31400611)。

牛沙沙，女，1989年10月生，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，碩士研究生。E-mail：nss611154@163.com。

殷有，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，副教授。E-mail：yyzyb@163.com。

2014年9月23 日。

S714.2

責(zé)任編輯：潘 華。