遼東典型農(nóng)田防護(hù)林養(yǎng)分循環(huán)對(duì)土壤養(yǎng)分耗損的影響

摘要：為研究遼東山區(qū)3種典型農(nóng)田防護(hù)林養(yǎng)分循環(huán)對(duì)土壤性質(zhì)的影響規(guī)律，本研究通過(guò)野外調(diào)查采樣、室內(nèi)養(yǎng)分含量測(cè)定，進(jìn)而對(duì)農(nóng)田防護(hù)林養(yǎng)分在各分室積累和分布、養(yǎng)分循環(huán)特征進(jìn)行研究測(cè)算，利用土壤養(yǎng)分年耗損率來(lái)表征養(yǎng)分循環(huán)對(duì)土壤養(yǎng)分耗損的影響，探討由于養(yǎng)分循環(huán)引起的土壤退化風(fēng)險(xiǎn)。研究結(jié)果可為防治森林土壤退化和農(nóng)林復(fù)合提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田防護(hù)林；養(yǎng)分循環(huán)：土壤養(yǎng)分耗損

中圖分類號(hào)： S152 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI編號(hào)： 10.14025/j.cnki.jlny.2015.19.040

多年來(lái)，遼寧省部分地區(qū)時(shí)常遭到風(fēng)災(zāi)、旱災(zāi)等自然災(zāi)害的侵襲，土壤侵蝕也比較嚴(yán)重，造成農(nóng)作物減產(chǎn)，農(nóng)民生活水平低下等危害。為此，當(dāng)?shù)貙?gòu)建以人工林為主的自然災(zāi)害防御體系作為一項(xiàng)戰(zhàn)略措施和具體任務(wù)。研究表明，遼寧省人工林在防風(fēng)固沙、保持水土、涵養(yǎng)水源和抵御自然災(zāi)害方面發(fā)揮了重要作用[1] 。但是，防護(hù)體系中的人工純林在多年連續(xù)生長(zhǎng)后，出現(xiàn)生長(zhǎng)衰退、土壤退化和生長(zhǎng)更新困難等不良現(xiàn)象[2-3]。防護(hù)林養(yǎng)分循環(huán)作為農(nóng)田防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)基本功能過(guò)程之一，是系統(tǒng)生產(chǎn)力及持久性的決定因素[4]。林分養(yǎng)分生物循環(huán)是森林土壤和植物間養(yǎng)分元素之間的流動(dòng)過(guò)程，是通過(guò)林木及林下植被的吸收、存留和歸還 3 個(gè)不同的生理生態(tài)學(xué)過(guò)程來(lái)維持平衡的[5-6]。由于人工興建的防護(hù)林枯落物種類較為單一，養(yǎng)分循環(huán)利用具有選擇性，所以人工純林養(yǎng)分循環(huán)必然對(duì)土壤性質(zhì)有一定的特殊性影響。為此，本研究選擇遼寧省典型農(nóng)田防護(hù)林為研究對(duì)象，通過(guò)林地養(yǎng)分循環(huán)測(cè)算，研究林木生長(zhǎng)過(guò)程中養(yǎng)分循環(huán)利用對(duì)土壤產(chǎn)生的特殊環(huán)境效應(yīng)，進(jìn)而分析其所導(dǎo)致的土壤養(yǎng)分耗損風(fēng)險(xiǎn)，旨在為防治防護(hù)林土壤退化和遼東農(nóng)林復(fù)合提供有價(jià)值的科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地位于遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣。寬甸縣地處長(zhǎng)白山脈與千山山脈過(guò)渡地帶、遼東斷塊山地丘陵區(qū)。山地丘陵約占總面積的85%。氣候?yàn)闇貛Т箨懶詺夂?，寬甸境?nèi)系東北暴雨中心區(qū)，最多年降雨量達(dá)1815毫米，最少年降雨量659.5毫米，年降水日數(shù)113.6日，無(wú)霜期129天。林地面積741萬(wàn)畝，活立木蓄積量2445萬(wàn)立方米，森林覆蓋率78%。

1.2 野外調(diào)查與樣品采集

于秋季旺盛生長(zhǎng)的末期，針對(duì)3種常見防護(hù)林紅松、板栗、榛子選擇具有典型代表性的立地條件，每個(gè)樹種分別建立3米 ×3 米的3塊樣方，調(diào)查防護(hù)林的立地因子（坡向、坡度等）、生長(zhǎng)因子（林分平均密度、樹齡、株高、胸徑等）見表1。

土壤樣品采集：在所建立的標(biāo)準(zhǔn)地和樣方內(nèi)，均勻設(shè)置5個(gè)1米×1米大小的小樣方，清理枯落物層后收集每個(gè)樣方0～20 厘米、20～40厘米的土壤，然后將5個(gè)樣方的土壤充分混合，除去葉子、根系、石塊等雜物后磨碎過(guò)孔徑1毫米的土壤篩備用。

植物樣品采集：在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地或樣方內(nèi)，選擇生長(zhǎng)正常的標(biāo)準(zhǔn)株（2～4株）作為取樣木，采集樹木樹冠中部不同方向的葉、枝（分1～2年生幼枝，多年生老枝），胸高處不同方向干材、干皮，挖掘法采集根系（分φ<0.5 厘米細(xì)根和φ>0.5厘米粗根）混合樣品。同時(shí)，在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)均勻設(shè)置5個(gè)1米×1米大小的凋落物收集網(wǎng)和小樣方，直接測(cè)定年凋落量和林地枯落物積累量。所有植物樣品經(jīng)漂洗干凈后在65℃下迅速殺青烘干、粉碎過(guò)1毫米篩備用。

1.3 土壤及樹木樣品室內(nèi)養(yǎng)分測(cè)定

樹木和土壤養(yǎng)分含量取樣測(cè)定：所有樹木和土壤樣品的養(yǎng)分含量均按照常規(guī)方法測(cè)定[7]，即氮采用半微量凱氏定氮法測(cè)定，磷采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定，鉀采用火焰光度計(jì)法測(cè)定。測(cè)定均采用3次重復(fù)（誤差不超過(guò)5%）的平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

初步的數(shù)據(jù)整理采用 Excel軟件完成，然后用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS等軟件對(duì)測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。計(jì)算林分生物量和生產(chǎn)力、養(yǎng)分循環(huán)通量、養(yǎng)分年存留量、養(yǎng)分年歸還量、養(yǎng)分吸收系數(shù)、循環(huán)系數(shù)等指標(biāo)。養(yǎng)分循環(huán)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分耗損用土壤養(yǎng)分年耗損率來(lái)反映，即每年單位面積上林木從土壤凈吸收的某種養(yǎng)分量與土壤（0～40厘米土層）中相應(yīng)養(yǎng)分儲(chǔ)量之比。

2 結(jié)果與分析

2.1防護(hù)林林分生物量及枯落物量

遼東山區(qū)防護(hù)林林分生態(tài)系統(tǒng)的生物量及枯落物量見表2。其中板栗林分的生物量最高，為111.01 噸/公頃，其次為榛子林分，紅松林分生物量最低，為93.94 噸/公頃。從林木各組分的生物量比較得知，干的生物量占總林木生物量的50%以上，葉的生物量較少，地上部分的生物量是地下部分的4～8倍。板栗林分枯落物量最高，為4.07 噸/公頃。榛子和紅松林分枯落物量較小，分別為1.95 噸/公頃和0.92 噸/公頃。

2.2防護(hù)林不同分室中主要養(yǎng)分元素的積累與分布

3種人工防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)主要養(yǎng)分元素的積累量測(cè)算結(jié)果見表3。

從表3 可以看出，榛子林分N主要積累于葉和干，其次為根，而在枝中最少；P主要積累于干，其次為根，而在葉和枝中很少；K主要積累于干，其次為根和葉，而在枝中很少。紅松林分N主要積累于根和葉，其次為干和枝；P主要積累于根和干，其次為葉和枝；K主要積累于根，其次為干，再次為枝和葉。板栗林分N基本均勻積累于不同器官；P主要積累于根，其次為枝、葉和干；K主要積累于根，其次為枝和葉，再次為干?？梢?，干作為生長(zhǎng)鈍性器官由于生物量大會(huì)積累較多的養(yǎng)分，而作為生長(zhǎng)活性器官的根和葉也是養(yǎng)分積累的主要場(chǎng)所。榛子林分P元素和K元素的總積累量最高，分別為77.590 公斤/公頃和237.256 公斤/公頃；板栗林分N元素的積累量最高，為435.131 公斤/公頃，紅松林分P和K元素的積累總量最低。三種主要養(yǎng)分元素中，N的含量及積累量都要比P和K高，排序?yàn)椋篘>K>P。

2.3 防護(hù)林生物循環(huán)量及特征參數(shù)

防護(hù)林土壤貯量及生物循環(huán)量測(cè)算結(jié)果見表4，從表4可以看出，防護(hù)林中3種主要養(yǎng)分元素的貯量都較高。其中，N的貯量在6911～10340 公斤/公頃，P的貯量在1833～3234 公斤/公頃，K的貯量在4218 ～6979 公斤/公頃。板栗林分土壤中N和P養(yǎng)分貯量最高，紅松林分土壤K的貯量最高。榛子林分的土壤P、K養(yǎng)分貯量最低；紅松林分N貯量最低。

3種林分中，養(yǎng)分元素的年吸收量最多的林分為板栗林分，其中N的年吸收量為：46.952kg·hm-2·a-1，P的年吸收量為：11.972 kg·hm-2·a-1，K的年吸收量為：38.663 kg·hm-2·a-1，高出紅松林養(yǎng)分元素年吸收量2～7倍。3林分生態(tài)系統(tǒng)中主要養(yǎng)分元素年存留量較低的是榛子林和紅松林，最高的是板栗林分。榛子林分N的年歸還量是最高的，為37.231 kg·hm-2·a-1；板栗P和K的年歸還量最高，分別為9.273 kg·hm-2·a-1，31.032 kg·hm-2·a-1；歸還量最低的是紅松林。從3種林分的整個(gè)生物循環(huán)量來(lái)看，榛子和板栗林分較高，紅松的生物循環(huán)量最低。

根據(jù)土壤貯量和生物循環(huán)量計(jì)算出各生物循環(huán)特征參數(shù)見表5。從表5可以看出，在3種防護(hù)林中，板栗林分的3種養(yǎng)分元素的吸收系數(shù)較高，平均值在0.5左右，紅松吸收系數(shù)最低，平均值為0.159。板栗林P和K循環(huán)系數(shù)最高，說(shuō)明板栗林養(yǎng)分循環(huán)速率快，養(yǎng)分流通活躍；其次是榛子林分，紅松林分養(yǎng)分循環(huán)系數(shù)最低。板栗林分的養(yǎng)分利用系數(shù)最高，平均值在0.142，養(yǎng)分的貯存能力大于其他兩種人工林分。紅松林的養(yǎng)分生產(chǎn)力最高，平均值為0.660，屬于養(yǎng)分節(jié)約型；其次是榛子林分，養(yǎng)分生產(chǎn)力平均值為0.286；板栗林養(yǎng)分生產(chǎn)力最低，為0.146。

2.4 防護(hù)林養(yǎng)分循環(huán)量對(duì)土壤性質(zhì)退化影響分析

榛子林分中有效P、全K養(yǎng)分的年耗損率較大，說(shuō)明土壤中這2種養(yǎng)分元素發(fā)生退化的可能性較大；紅松林分中全N和有效N年耗損率較大，周轉(zhuǎn)期較短，發(fā)生土壤退化的可能性較大；板栗林分中的全P和有效K年耗損率較大，發(fā)生土壤退化的可能性較大（詳見表6）。

3 結(jié)論與討論

林木對(duì)養(yǎng)分需求的選擇性導(dǎo)致了養(yǎng)分在林木與土壤之間的循環(huán)規(guī)律因樹種和養(yǎng)分不同而具有明顯差異。一般而言，高吸收、快循環(huán)的養(yǎng)分具有較低的養(yǎng)分生產(chǎn)力（即浪費(fèi)利用型），相反，低吸收、慢循環(huán)的養(yǎng)分具有較高的養(yǎng)分生產(chǎn)力（即節(jié)約利用型）[9]。本文的研究結(jié)果得出，板栗屬于高吸收、快循環(huán)、高利用、低生產(chǎn)力型；紅松屬于低吸收、慢循環(huán)、低利用、高生產(chǎn)力型；榛子屬于中等吸收、中等循環(huán)、低利用、中生產(chǎn)力型。在不考慮其他養(yǎng)分輸入的情況下，林地養(yǎng)分循環(huán)最終影響到土壤養(yǎng)分虧損速率，其中有效養(yǎng)分虧損直接影響生長(zhǎng)季節(jié)的養(yǎng)分補(bǔ)給能力，而全量養(yǎng)分虧損影響土壤的長(zhǎng)期養(yǎng)分補(bǔ)給潛力。榛子林分中有效P、全K養(yǎng)分的年耗損率較大，說(shuō)明土壤中這2種養(yǎng)分元素發(fā)生退化的可能性較大；紅松林分中全N和有效N年耗損率較大，周轉(zhuǎn)期較短，發(fā)生土壤退化的可能性較大；板栗林分中的全P和有效K年耗損率較大，發(fā)生土壤退化的可能性較大。研究結(jié)果可為防治森林土壤退化和農(nóng)林復(fù)合提供有價(jià)值的科學(xué)理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 惠淑榮，秦瑩，劉強(qiáng)，趙培玉，韓曉東. 遼東地區(qū)日本落葉松人工林凋落物層的持水性能研究[J]. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（03）：311-315.

[2] 潘建平，王華章，楊秀琴.落葉松人工林地力衰退研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，25（02）： 59-63.

[3] 林思祖，黃世國(guó)，曹光球.杉木自毒作用的研究[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1999，10（06）： 661- 664.

[4] 劉增文，李雅素.黃土殘塬溝壑區(qū)刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)通量與平衡分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，1999，19 （05） ： 632-634.

[5] 楊玉盛，林鵬，郭劍芬.格氏拷天然林與人工林凋落物數(shù)量、養(yǎng)分歸還及凋落葉分解[J].生態(tài)學(xué)報(bào)， 2003，23（07）： 1278-1289.

[6] 張希彪，上官周平.黃土丘陵區(qū)主要林分生物量及營(yíng)養(yǎng)元素生物循環(huán)特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2005（03）： 527-537.

[7] 魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，1999：12-19.

[8] 陳靈芝，黃建輝，嚴(yán)昌榮.中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)[M].北京：氣象出版社，1997.

[9] 劉增文，王乃江，李雅素.森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的養(yǎng)分原理[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，34（12）：129-133.

作者簡(jiǎn)介：榮立利，本科學(xué)歷，寬甸縣硼海鎮(zhèn)林業(yè)工作站，助理工程師，研究方向：林業(yè)經(jīng)營(yíng)。