黑土區(qū)不同林齡楊樹農田防護林土壤養(yǎng)分變化1)

孫家興 趙雨森 辛穎

(東北林業(yè)大學，哈爾濱,150040)

黑土有機質含量高，養(yǎng)分豐富，適于多種農作物的種植生長，是我國最肥沃的土壤之一，黑土分布區(qū)也是我國重要的糧食生產基地。由于東北黑土區(qū)春秋兩季干燥風大，為了提高糧食產量，降低干熱風的危害，為此，建設了大量的農田防護林。農田防護林在充分利用水熱資源、改善農田小氣候、降低土壤風蝕、增加田間空氣濕度、改善土壤結構、減少水土流失、增強土地的長期生產力、有效保護耕地質量、提高作物產量具有重要作用[1-3]。

在黑土開發(fā)利用的過程中，水土流失問題嚴重，有機質含量下降，致使土壤養(yǎng)分流失、土壤板結，土壤狀況日益惡化，因此，保護黑土區(qū)耕地質量刻不容緩。小黑楊(Populus×xiaohei)是當地農田防護林的主樹種，由其構成的農田防護林現(xiàn)多為成、過熟林，生長量下降，甚至出現(xiàn)死亡等防護林衰退現(xiàn)象。對農田防護林的研究多集中在田間作物的增產、土壤理化性質、防風固沙以及建設更新問題上[4-7]。關于防護林林下土壤質量變化的研究則較少。本文以齊齊哈爾市典型黑土區(qū)不同林齡的楊樹農田防護林為研究對象，以棄耕地為對照，研究分析農田防護林林下土壤養(yǎng)分的變化，以期了解防護林對土壤養(yǎng)分的影響，以及黑土區(qū)林下土壤養(yǎng)分的變化規(guī)律，為保護黑土區(qū)耕地質量和防護林的建設更新及可持續(xù)發(fā)展提供依據。

1 研究區(qū)概況

研究地點位于黑龍江省齊齊哈爾市拜泉縣，該地區(qū)屬中溫帶大陸性季風氣候，土壤肥沃、雨熱同期，年平均降水量490 mm，年均積溫2 454.5 ℃，年均日照時間2 730 h，無霜期122 d，主要糧食作物有玉米、大豆、馬鈴薯等。農田防護林的主要構成樹種為小黑楊(Populus×xiaohei)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)等。

2 研究方法

2.1 樣地選擇及取樣方法

2016年6月進行實地調查，所選樣地均栽植小黑楊(Populus×xiaohei)，林齡分別為26、31、36 a，對照樣地為棄耕30 a的無林地(KY)。在選定的樣地內分別設置3個取樣點，共計12個，林帶內取樣點位于防護林帶株行距的交叉點上，每個取樣點分4層，取樣深度為0～10、>10～20、>20～40、>40～60 cm。每層用100 cm3環(huán)刀取原狀土測定土壤密度，每層取3個重復，用鋁盒取土壤混合樣品，并用塑料盒取原狀土帶回實驗室待用。樣地的基本特征如表1所示。

表1 樣地基本特征

2.2 樣品測定

土壤密度的測定采用環(huán)刀法，含水量的測定采用烘干法，土壤pH的測定采用電位法，土壤有機碳的測定采用碳氮分析儀(EL III)，全氮的測定采用開式消煮法，水解性氮的測定采用堿解擴散法，全磷的測定采用硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法，土壤有效磷的測定采用碳酸氫鈉法[8]。

2.3 數據分析

數據采用Microsoft Excel 2010進行統(tǒng)計整理，用SPSS19.0進行單因素方差分析，差異顯著性檢驗采用鄧肯法(P<0.05)，并進行主成分分析。

3 結果與分析

3.1 土壤含水量、土壤密度及土壤pH的變化

由表2可知，各林齡農田防護林土壤含水量均低于棄耕地土壤含水量，隨著土壤深度的增加，土壤含水量逐漸降低；0～10 cm土層，棄耕地土壤含水量達32.72%，比高齡、中齡、低齡農田防護林土壤含水量分別高31.1%、21.7%、28.7%；>40～60 cm土層，棄耕地土壤含水量達30.3%，比高齡、中齡、低齡農田防護林土壤含水量分別高37.5%、46.5%、38%；楊樹農田防護林增加了土壤水分消耗，降低了土壤含水量。棄耕地土壤密度均低于各林齡楊樹農田防護林，農田防護林的建設使土壤變得緊實，各林齡楊樹農田防護林土壤密度隨林齡的增大而減小，隨深度的增加而增加。土壤pH總體隨林齡的增大而增大，棄耕地pH均低于同層各樣地。

3.2 不同樣地土壤有機碳、全氮、全磷質量分數及其比值的變化

由表3可知，隨著土層深度的增加土壤有機碳質量分數均降低，表層土壤有機碳質量分數最高，不同樣地之間差異顯著(P<0.05)。不同林齡防護林土壤有機碳質量分數在0～10、>10～20 cm土層，隨林齡的增大而降低，且各林帶土壤有機碳質量分數均高于棄耕地，不同林齡之間差異顯著(P<0.05)，其中0～10 cm土層，低齡林土壤有機碳質量分數最高(43.56 g·kg-1)，比棄耕地有機碳質量分數高64.4%，中齡林、高齡林樣地土壤有機碳質量分數分別比棄耕地高27.3%、16.6%。在>20～40、>40～60 cm土層，土壤有機碳質量分數隨林齡的增大而增大，不同林齡之間差異顯著(P<0.05)，其中>40～60 cm土層，高齡林樣地土壤有機碳質量分數最高(16.8 g·kg-1)，比棄耕地有機碳質量分數高39.1%，中齡林、低齡林樣地有機碳質量分數分別高出棄耕地12.6%、22.4%。

表2 各樣地基本物理性質和pH

注：表中數值為“平均值±標準差”，同列不同小寫字母表示同一土層不同樣地間差異顯著(P<0.05)，同列不同大寫字母表示同一樣地不同土層之間差異顯著(P<0.05)。

相同深度隨林齡的增大土壤全氮質量分數呈先降低后增加的趨勢，總體來看，土壤全氮質量分數由高到低的樣地順序為：HA、LA、KY、MA，變化范圍1.53～3.75 g·kg-1，不同林齡之間差異顯著(P<0.05)。隨著土壤深度的增加，土壤全氮質量分數下降，表層土壤全氮質量分數最高，不同深度之間差異顯著(P<0.05)。

0～10 cm土層，土壤全磷質量分數中林齡樣地最高為0.58 g·kg-1，高齡林樣地最低為0.53 g·kg-1，其他各層土壤全磷質量分數隨著林齡的增大而增大，不同林齡之間差異顯著(P<0.05)，隨著深度的增加，土壤全磷質量分數下降，不同深度之間差異顯著(P<0.05)，KY樣地土壤全磷質量分數總體高于中齡林、低林齡樣地，低于高林齡樣地。

土壤w(C)∶w(N)變化范圍7.05～11.91，0～10 cm土層，土壤w(C)∶w(N)隨林齡的增大而減小，棄耕地的w(C)∶w(N)最小。0～10、>10～20 cm土層，各樣地土壤w(C)∶w(N)隨著深度的增加而減小，低齡林樣地的w(C)∶w(N)最大，棄耕地的w(C)∶w(N)變化無規(guī)律可循。

土壤w(C)∶w(P)變化范圍31.08～75.7，各樣地w(C)∶w(P)最低的是KY樣地，最高的是低齡林樣地，KY樣地與各林齡樣地之間差異顯著(P<0.05)。

w(N)∶w(P)變化范圍4.44～7.07，0～10 cm土層，土壤w(N)∶w(P)從大到小順序是：HA、LA、KY、MA，>10～20、>20～40、>40～60 cm土層，土壤w(N)∶w(P)隨林齡的增大而減小，棄耕地的w(N)∶w(P)小于各林齡樣地。

表3 不同林齡土壤有機碳、全氮、全磷質量分數及其比值

注：表中數值為“平均值±標準差”，同列不同小寫字母表示同一土層不同樣地間差異顯著(P<0.05)，同列不同大寫字母表示同一樣地不同土層之間差異顯著(P<0.05)。

3.3 土壤有效養(yǎng)分質量分數的變化

由表4可知，表層土壤有效磷質量分數最高，隨著土層深度的增加有效磷質量分數降低，>40～60 cm有效磷質量分數略有上升，表層土壤與深層土壤有效磷質量分數差異顯著(P<0.05)。樣地各土層之間土壤有效磷質量分數差異顯著(P<0.05)。

表4 不同林齡土壤有效磷、水解性氮質量分數

注：表中數值為“平均值±標準差”，同列不同小寫字母表示同一土層不同樣地間差異顯著(P<0.05)，同列不同大寫字母表示同一樣地不同土層之間差異顯著(P<0.05)。

由表4可知，0～10 cm土層，KY樣地土壤水解性氮質量分數最低，MA樣地土壤水解性氮質量分數最高，隨著林齡的增大，水解性氮質量分數先增加后降低，不同林齡樣地之間差異顯著(P<0.05)，其他各土層水解性氮質量分數總體隨著林齡的增大而增大。隨著土層深度的增加，水解性氮質量分數下降，不同土層之間差異顯著(P<0.05)。

3.4 不同林齡楊樹農田防護林土壤質量綜合評價

由表5可知，含水量與土壤密度呈極顯著負相關，與全磷質量分數呈顯著正相關；土壤有機碳與全氮、全磷、有效磷、水解性氮呈極顯著正相關；全磷與有效磷呈顯著正相關；全氮與全磷、有效磷、水解性氮成極顯著正相關，而各因素與土壤pH相關性并不顯著。

由表6可知，8個指標對土壤質量進行綜合評價并以貢獻率為權重進行綜合評分，根據解釋的總方差可以發(fā)現(xiàn)總體高于94.5%的信息可以由前兩個主成分來解釋，第一主成分的貢獻率為57.739%，第二主成分的貢獻率為24.658%，前2個主成分可較好的代表8個指標反映土壤的綜合質量狀況。由成分系數矩陣推出的得分方程可知，在第一主成分中有機質、有效磷、全氮所占權重最高，第二主成分中土壤密度和pH所占權重最高，根據計算積分可知，隨著林齡的增大，土壤質量逐漸改善，不同樣地土壤質量由高到低依次是高齡林樣地、中齡林樣地、低齡林樣地和棄耕地。

表5 土壤養(yǎng)分因子相關系數

注：*表示相關性顯著(P<0.05)，** 表示相關性極顯著(P<0.01)。

表6 土壤養(yǎng)分主成分分析初始特征值

4 結論與討論

土壤水分和土壤密度作為土壤質量評價的重要指標，對養(yǎng)分供應的有效性具有重要影響[9-10]，土壤碳、氮、磷是植物所需的基本元素，是農田防護林帶土壤養(yǎng)分的重要組成成分，也是防護林帶養(yǎng)分循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展的重要影響因子，其質量分數的多少會對林帶的生長發(fā)育、土壤團聚體、土壤微生物種類與數量、枯落物分解速率以及養(yǎng)分的積累產生重要影響[11-12]。土壤碳、氮、磷化學計量比是新興生態(tài)學領域研究植物與土壤之間相互關系的新思路，也是衡量土壤質量的指標[12]。本研究中，土壤有機碳與全氮、全磷、有效磷、水解性氮呈極顯著正相關；全氮與全磷、有效磷、水解性氮極顯著正相關；水解性氮與有機碳、全氮、全磷、有效磷極顯著正相關，這與康日峰等[13]、呂金林等[14]研究結果一致。

黑土區(qū)楊樹農田防護林土壤有機碳、氮素是維持防護林可持續(xù)發(fā)展的重要因素，隨著土壤深度的增加，土壤養(yǎng)分質量分數均呈下降趨勢，表層質量分數顯著高于其他層，這與李櫟等、朱凱等、邵英男等[15-17]的研究結果一致，這是因為表層枯落物較多而深層土壤楊樹根系較多，吸取了部分養(yǎng)分。土壤含水量隨著林齡的增加無明顯變化規(guī)律，但各林帶含水量均高于棄耕地，這與張光輝等[18]的研究結果一致；土壤密度隨著林齡的增大而減小，隨土層深度的增加而增加。表層土壤養(yǎng)分質量分數隨林齡增大有所下降，有機碳質量分數下降幅度較大，深層養(yǎng)分質量分數隨林齡增大而有所上升，這可能是因為隨著林齡的增大，楊樹的死亡根系增多，吸取養(yǎng)分的能力下降，林帶因為株行數限制，自身枯落物的保留能力較差這也解釋了為什么隨著林齡的增大，土壤密度降低[19]。

土壤碳氮比與有機質分解速度呈反比關系，一般而言碳氮比較低則土壤的礦化作用較快[20-21]，通常認為土壤碳氮比在25以下會出現(xiàn)凈礦化，土壤中磷的有效性受土壤有機質的分解速率影響，碳磷比較低有助于有機質的分解和養(yǎng)分的釋放，提高磷的有效性[19]。氮磷比可以判斷土壤對植物的養(yǎng)分供應狀況，氮磷比小于14，說明植物的生長受氮元素的限制，氮磷比大于16，主要受磷元素的限制[22]。本研究中土壤碳氮比的變化范圍是7.05～11.91，部分低于我國平均水平(10.1～12.1)[23]；0～10 cm土層，土壤全磷質量分數接近全國土壤平均水平(0.56 g·kg-1)，其他各層均低于全國平均水平；低齡林0～10 cm土層，土壤碳磷比達75.7，其他的變化范圍是31.08～58.16，低于我國平均水平(61.0)；氮磷比變化范圍4.44～7.07，與我國平均水平(5.1)基本持平[24]。說明農田防護林的生長主要受碳氮元素的限制，應適當的補充有機物以及施加氮肥，以保持土壤的碳氮平衡，維持農田防護林的健康生長。

對不同林齡楊樹農田防護林帶的研究表明：林齡對土壤質量有顯著影響，有林地土壤質量優(yōu)于棄耕地，土壤質量隨楊樹林齡的增加而逐步提高；楊樹農田防護林增加了土壤耗水，使土壤更加緊實；隨著林齡的增大，僅表層土壤有機碳以及全磷質量分數有所下降，其余各層土壤有機碳、全磷、全氮、水解性氮等養(yǎng)分質量分數均有所增加，有效磷質量分數略有下降。黑龍江省黑土區(qū)楊樹防護林帶的建設增加了土壤養(yǎng)分質量分數，但降低了土壤水分含量，同時提高了土壤密度。為了楊樹農田防護林的可持續(xù)發(fā)展，建議適當松土的同時，增加碳氮的投入以期降低土壤密度，在生長季對農田防護林補充水分。

受研究地點實際條件所限，本研究選擇了不同林齡(26、31、36 a)的黑土區(qū)楊樹農田防護林帶為研究對象，選擇林齡整體偏大，范圍偏窄。土壤微生物以及土壤酶活性對土壤養(yǎng)分質量分數也會有所影響，為此，對這方面進一步研究，將有助于解釋林齡對土壤養(yǎng)分變化的影響。

[1] 朱廷曜.農田防護林生態(tài)工程學[M].北京:中國農業(yè)出版社,2001.

[2] 孟平,張勁松,樊巍.中國復合農林業(yè)研究[M].北京:中國林業(yè)出版社,2003.

[3] 劉麗霞,王輝.綠洲農田防護林系統(tǒng)水分生態(tài)特征研究[D].蘭州：甘肅農業(yè)大學,2007.

[4] 鄧榮鑫,王文娟,李穎，等.農田防護林對作物長勢的影響分析[J].農業(yè)工程學報.2013,29(S1)65-72.

[5] 鄧榮鑫,張樹文,李穎.基于田間尺度的東北農田防護林防護效應分析[J].生態(tài)學雜志.2009,28(9):1756-1762.

[6] 丁峰,李亞,蘇萬紅，等.景電灌區(qū)農田防護林衰敗及優(yōu)化模式[J].草業(yè)科學,2015,32(3):340-346.

[7] 揣新軍,孫旭,張瑞，等.河套灌區(qū)農田防護林對小麥增產效益的研究[J].內蒙古農業(yè)大學學報(自然科學版),2009,30(2):104-108.

[8] 鮑士旦.土壤農化分析[M].3版.北京:中國農業(yè)出版社,2000:14-111.

[9] BOIX-FAYOS C, CALVO-CASES A, IMESON A C, et al. Influence of soil properties on the aggregation of some Mediterranean soils and the use of aggregate size and stability as land degradation indicators[J]. Catena,2001,44(1):47-67.

[10] LI Y Y, SHAO M A. Change of soil physical properties under long-term natural vegetation restoration in the loess plateau of China[J]. Journal of Arid Environments,2006,64(1):77-96.

[11] 任書杰,曹明奎,陶波，等.陸地生態(tài)系統(tǒng)氮狀態(tài)對碳循環(huán)的限制作用研究進展[J].地理科學進展,2006,25(4):58-67.

[12] 青燁，孫飛達，李勇，等．若爾蓋高寒退化濕地土壤碳氮磷比及相關性分析[J].草業(yè)學報，2015,24(3):38-47.

[13] 康日峰,任意,吳會軍，等.26年來東北黑土區(qū)土壤養(yǎng)分演變特征[J].中國農業(yè)科學,2016,49(11):2113-2125.

[14] 呂金林，閆美杰，宋變蘭，等．黃土丘陵區(qū)刺槐、遼東櫟林地土壤碳、氮、磷生態(tài)化學計量特征[J].生態(tài)學報，2017,37(10):3385-3393.

[15] 李櫟,王光軍,周國新,等.會同楨楠人工幼林土壤C∶N∶P生態(tài)化學計量的時空特征[J].中南林業(yè)科技大學學報,2016,36(2):96-100.

[16] 朱凱,李玉靈,徐學華，等.不同林齡刺槐林對冀東鐵尾礦客土土壤養(yǎng)分含量的影響[J].河北農業(yè)大學學報,2016,39(1):69-74.

[17] 邵英男,劉延坤,李云紅，等.不同林分密度長白落葉松人工林土壤養(yǎng)分特征[J].中南林業(yè)科技大學學報,2017,37(9):27-31.

[18] 張光輝,于艷,劉寶元.東北黑土區(qū)防護林帶對土壤水分影響的研究[J].水土保持學報,2006，20(6):54-57,74.

[19] 張利霞，玉米提·哈力克，阿麗亞·拜都熱拉，等.阿克蘇市郊柯柯牙防護林不同林齡新疆楊防風及土壤改良效應[J].水土保持通報,2013,33(5):73-77.

[20] 王紹強,于貴瑞.生態(tài)系統(tǒng)碳氮磷元素的生態(tài)化學計量學特征[J].生態(tài)學報,2008,28(8):3937-3947.

[21] 王建林，鐘志明，王忠紅，等．青藏高原高寒草原生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮比的分布特征[J]．生態(tài)學報，2014，34(22):6678-6691．

[22] 向云,程曼,安韶山，等．延河流域不同立地條件下植物-枯落物-土壤生態(tài)化學計量學特征[J].自然資源學報,2015,30(10):1642-1652.

[23] ELSER J J, BRACKEN M E S, CLELAND E E, et al. Global analysis of nitrogen and phosphorous limitation of primary producers in Fresh water, marine and terrestrial ecosystem[J]. Ecology Letters,2007,10(12):1135-1142.

[24] CLEVELAND C C, LIPTZIN D. C∶N∶P stoichiometry in soil: Is there a “Redfield ratio”for the microbial biomass[J]. Biogeochemistry,2007,85(3):235-252.