多代刺槐能源林對土壤理化性質的影響

（北京林業(yè)大學 林學院，北京 100083）

人工林地力衰退一般是指人工林下的土壤養(yǎng)分含量、林分生產力的下降和林地環(huán)境質量的降低。具體而言是人工林在培育過程中,由于人類生產活動的干擾導致土地的不合理利用，土壤養(yǎng)分流失，從而地力不斷衰退[1]。以森林可持續(xù)利用為目標,提高人工林生產力與森林的生態(tài)系統穩(wěn)定和諧, 已經引起世界林學界的關注，是亟待解決的重大問題[2]。

刺槐Robinia pseudoacaciaL作為一種燃料型生物質能源樹種，國內外許多國家正在研究如何開發(fā)這種能源樹種，目前利用的主要方式有液化、固化、氣化和生物質直接燃燒等幾種。[3]刺槐不僅熱值高，而且根系發(fā)達、生長迅速、萌蘗性強，具有適應性范圍廣、耐干旱、耐瘠薄的特點，而且人工刺槐林有直接和間接的多種水土保持功能,其中攔截降水、涵養(yǎng)水源、減少遷流與沖刷等屬直接效應，改良土壤、提高土壤滲透性和抗蝕性等屬間接效應[4]。實驗林中的刺槐經過一次皆伐后形成的二代刺槐萌蘗林。二代林皆伐后形成三代刺槐萌蘗林。除撫育更新和皆伐外，均未實施過任何水肥及人工管理，林分自然狀態(tài)下生長，人為干擾情況較少，生長狀況良好，具有一定的代表性。本研究對不同代的刺槐人工林對土壤理化性質的影響，土壤營養(yǎng)元素變化情況進行綜合評價分析，并定量研究其變化特征，旨在探索刺槐能源林培育過程中林地土壤營養(yǎng)元素的變化規(guī)律，為科學合理地進行經營提供重要的理論依據。

1　試驗地概況

試驗地位于河南省洛陽市洛寧縣呂村林場，地理位置為111°8′～ 111°50′E， 北 緯 34°6′～34°38′N，該林場所屬地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候，受海陸季風影響，春旱多風、夏熱多雨、秋爽日照長、冬季寒冷少雨雪，氣溫年較差大，四季分明，雨熱同季。夏季呈現東南風，冬季呈現西北風，年平均氣溫為13.7 ℃，最高氣溫為42 ℃，最低氣溫為 -21 ℃，無霜期215 d，年降水量606 mm，多集中在7—9月份，占全年降水量 47%，年平均相對濕度69%。土壤為褐土。

2　研究方法

2.1　樣地設置

根據實驗需要在呂村林場選取生物質刺槐能源林林地。選取海拔，坡度，坡向盡量一致的一代，二代，三代成熟刺槐能源林，林齡大致為20年生，樣地面積為20 m×20 m，株行距為3 m×3 m，每代刺槐林地3次重復，刺槐林地共計9塊樣地，在樣地附近選取3處荒地作為對比試驗，共計12塊樣地，樣地設置和土壤取樣方法一致，采樣時間一致，以此來盡量減少環(huán)境背景不同所造成的差異。對刺槐林林木進行每木檢尺，記錄胸徑、枝下高、樹高、郁閉度（見表1）。

表1　試驗地基本概況Table 1　Profiles of sample plots

2.2　土樣采集與處理

試驗地為為山地森林，取樣地為刺槐山坡林地，60 cm土層以下為母質層，含有母巖風化產物，不符合實驗要求，其他層次土壤取樣符合森林土壤取樣標準，各土層在不同層取樣范圍內。

在選取的一代林，二代林，三代林林地內，在每個樣地中隨機選取5棵林木，以每棵樹為中心，在距離樹干基部100 cm處，挖土壤垂直剖面，選取0～20、20～40、40～60 cm位置進行土壤取樣，刺槐林地每個林木取樣5個，刺槐林地共取土樣225個，在荒地選取5個點挖土壤剖面，共計15個土壤剖面，以相同方式進行土壤取樣，共計土樣45個。手工撿出土壤中大的石礫、植物根系、動植物殘體等雜質，每個樣點將5個同一位點的樣品充分混合后,用四分法取大約1 kg的土樣，置于室內自然風干，留作土壤理化性質的測定，一部分土樣置于低溫冰箱，用于土壤微生物指標的測定。

2.3　土壤理化性質測定方法

土壤物理性質的測定用環(huán)刀法測定土壤容重、土壤孔隙度、土壤含水率。

(1) 土壤容重的測定

實驗設備及用品

①環(huán)刀：用無縫鋼管制成，一端有刃口，便于壓入土中。環(huán)刀容積一般為100 cm3。鋼制環(huán)刀托：上有兩個小孔，在環(huán)刀采樣時，空氣由此排出。

② 削土小刀，小鐵鏟，木錘。土壤容重的計算：

計算公式為：D=m /v。公式中：D為土壤容重（g/cm3）；m為環(huán)刀內干土重（g）；v為環(huán)刀體積（cm3）；

（2）孔隙度的計算

毛管孔隙度=毛管持水量×土壤容重/水的密度。

非毛管孔隙度=(最大持水量－毛管持水量)×土壤容重/水的密度。

總孔隙度=非毛管孔隙度＋毛管空隙度。

（3）土壤水分的測定

土壤含水率=環(huán)刀內濕土重-環(huán)刀內干土重/環(huán)刀內干土重。

式中，X為土壤田間持水量（%）；m0為烘干空鋁盒質量（g）；m1為烘干前鋁盒與濕土樣質量之和（g）；m2為烘干后鋁盒與干土樣質量之和（g）。

（4）土壤化學性質的測定

土壤pH值：采用酸度計法（水土比2.5∶1）測定。

土壤有機質：用重鉻酸鉀—硫酸消化法測定。

全N全磷：濃硫酸—H2O2消煮流動分析儀測定，速效N：采用堿解擴散法測定。

速效 N（mg·kg-1）=NV×14 000/m。

公式：N為標準硫酸的當量濃度；V為滴定樣品消耗標準硫酸的滴定量；14 000代表氮原子的摩爾質量；m表示烘干土樣的質量。

速效P采用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法測定。

公式中：ρ表示從工作曲線上查的P的質量濃度；V為顯色時定容體積；ts為為分取倍數；m為風干土質量；k為將風干土換算成烘干土質量的系數；

速效K采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定。

速效 K（mg·kg-1）=ρ×V/m。

公式中：ρ為從工作曲線上查得測讀液鉀的ppm數；V表示浸提劑體積；m是烘干土樣的質量[5]。

2.4　數據分析

運用Excel2013軟件進行數據匯總和作圖，SPSS19.0軟件采用多因素方差分析和Duncan進行差異性檢驗，檢驗不同代刺槐林和荒地同一深度，不同樣地的差異性以及同一處理不同深度的差異性。

3　結果與分析

3.1　土壤物理性質

3.1.1　土壤容重

有林地有植被覆蓋，且林下有大量凋落物，可防止降雨的直接擊打，另外有林地根系比較發(fā)達，穿插作用比較強，土壤中生物比較多，活動強烈，可以導致土壤疏松多孔[6]。由表2知刺槐能源林土壤容重，其中在0～20 cm處，CK＞二代林＞一代林＞三代林。在40～60 cm處，二代林＞CK ＞一代林＞三代林，在40～60 cm處，二代林＞CK ＞一代林＞三代林。0～20 cm處，對照與一代和二代林均沒有顯著差異，40～60 cm處，對照與二代林沒有顯著差異。0～20 cm，二代林比一代林高8.9%，三代林比一代林低3.5%。20～40 cm，二代林比一代林高8.9%，三代林比一代林低2.7%，在40～60 cm處，二代林比一代林低3.1%，三代林比一代林低9.9%。

表2　多代刺槐能源林土壤容重（平均值±標準差）?Table 2　Changes of unite weight in the multi-generations locust energy forest(mean±SD)　(g·cm-3)

3.1.2　土壤孔隙性

土壤孔隙度大小、數量及分配是土壤物理性質的基礎，與持水性均是表征土壤肥力的重要指標，對林木根系伸展、物質轉化、土壤排水、通氣等都會產生直接影響[7]。

多代刺槐能源林的土壤孔隙性由表3所示，毛管孔隙度是指土壤毛管水所占據的孔隙，是土壤孔隙的重要指標之一。在0～20 cm處，二代林＞一代林＞三代林＞CK，一代林與二代林之間差異不顯著。在20～40 cm處，二代林＞一代林＞三代林＞CK，一代林與三代林之間差異不顯著。在40～60 cm處，二代林＞三代林＞CK＞一代林。一代林與荒地的差異不顯著。同一類型的樣地，隨土壤深度增加，土壤毛管孔隙度降低且差異顯著。

非毛管孔隙度是土壤空氣流動的主要通道，是土壤迅速儲水的場所，非毛管孔隙度越大， 表明土壤中可以吸持的無效水少，有效水的儲存多。在0～20 cm處，三代林＞CK一代林＞二代林，差異顯著。在20～40 cm處，，三代林＞CK＞一代林＞二代林。三代林與荒地的差異不顯著，在40～60 cm處，一代林＞三代林＞CK＞二代林。一代林與三代林的差異不顯著。同一類型的樣地，隨土壤深度增加，土壤非毛管孔隙度變化無規(guī)律，這可能與土壤生物活動有關。

表3　多代刺槐能源林土壤孔隙性（平均值±標準差）?Table 3　Changes of soil porosity in the multi-generations locust energy forest(mean±SD)

非毛管孔隙度和毛管孔隙度相加的和即為土壤總孔隙度，是評價儲水性和肥力特性的基本特性之一[8]。刺槐林地比荒地的孔隙度顯著增大，說明刺槐林有利于土壤通透性和持水性的改善。在0～20 cm處，三代林＞一代林＞二代林＞CK，在20～40 cm處，三代林＞一代林＞CK＞二代林,在40～60 cm處，三代林＞一代林＞CK＞二代林。在0～20 cm處，二代林比一代林低4.0%，三代林比一代林高4.1%。在20～40 cm處，二代林比一代林低10.8%，三代林比一代林高3.3%，在40～60 cm處，二代林比一代林低5.4%，三代林比一代林高10.0%。這與土壤容重的趨勢恰好相反。土壤容重越大，土壤孔隙度越小，土壤越緊實，在同一類型的樣地，土壤總孔隙度隨土壤深度增加不斷降低。

3.1.3　土壤水分

土壤中的毛管水達到最大值時的土壤含水量稱為田間持水量。刺槐林地的田間持水量顯著高于荒地，林分小氣候及截留作用使林內土壤水分比荒地多，相同土壤深度下，不同代刺槐林地的田間持水量差異不顯著。同一類型樣地，田間持水量隨土壤深度增加，不斷降低。

由表4可知，相同土層深度下，田間持水量在0～20 cm處，二代林比一代林低0.46%，三代林比一代林高2.3%，在20～40 cm處，二代林比一代林高3.6%，三代林比一代林高1.5%，在40～60 cm處，二代林比一代林高3.6%，三代林比一代林高3.2%。

表4　多代刺槐能源林土壤水分（平均值±標準差）?Table 4　Changes of soil moisture content in the multigenerations locust energy forest(mean±SD)

土壤含水量受外界環(huán)境影響比較大，天氣炎熱時，表層土壤水分蒸發(fā)比較快，表層土壤含水量就低，陰雨天氣表層土壤含水量就高，相同土層深度，各代林對土壤含水量的變化差異不顯著?；牡仉S土壤深度增加土壤含水量降低，刺槐林地隨土壤深度增加，土壤含水量增加，差異不顯著。

3.2　多代刺槐能源林土壤化學性質

土壤養(yǎng)分是林地肥力的重要指標之一。土壤有機質是土壤中各種營養(yǎng)元素特別是氮、磷的重要來源，也是土壤微生物必不可少的碳源和能源。氮、磷和鉀是植物生長和發(fā)育所需的大量營養(yǎng)元素之一，也是植物從土壤中吸收量最大的元素之一[9]。

3.2.1　土壤pH值

荒地和刺槐林地土壤pH值都呈弱酸性，pH值均值介于6.12和6.98之間（表5）。同一土層深度，不同代刺槐林地與荒地沒有明顯規(guī)律，但刺槐林地pH值均低于荒地pH值，差異不顯著，說明刺槐林地對土壤pH值影響不大。同一類型樣地，土壤pH值隨土壤深度增加均呈降低趨勢，表層土壤pH值最高，差異顯著。

3.2.2　土壤有機質

土壤有機質是林地土壤養(yǎng)分的主要來源，能夠促進微生物活動，維系土壤良好理化性質，是表征土壤肥力的重要指標[11]。由表6可知，相同類型樣地，土壤有機質含量隨土壤深度增加，不斷降低，差異顯著。這是由于土壤深度增加，枯落物少，土壤微生物活動弱，導致的土壤有機質含量高。相同土層深度下，土壤有機質含量均呈現三代林＞二代林＞一代林＞CK，差異顯著。0～20 cm處，二代林比一代林高41.4%，三代林比一代林高53.9%，在20～40 cm處，二代林比一代林高33.1%，三代林比一代林高52.8%，在40～60 cm處，二代林比一代林高29.5%，三代林比一代林高47.5%。

表5　多代刺槐能源林土壤pH（平均值±標準差）?Table 5　Changes of soil pH in the multi-generations locust energy forest(mean±SD)

表6　多代刺槐能源林土壤有機質（平均值±標準差）?Table 6 Changes of soil organic content in the multi-generations locust energy forest(mean±SD)　g·kg-1

3.2.3　土壤全氮與全磷

土壤全N 含量是衡量土壤氮素供應狀況的重要指標，直接影響植物的生長發(fā)育。土壤全N 含量的大小主要決定于土壤有機質的積累與分解強度[10]。分析結果表明（表7），相同類型樣地，隨土壤深度增加，土壤全氮含量不斷降低，差異顯著。相同土層深度下，土壤全氮含量均呈現三代林＞二代林＞一代林＞CK，差異顯著。全氮含量在0～20 cm處，二代林比一代林高37.0%，三代林比一代林高51.8%，在20～40 cm處，二代林比一代林高36.7%，三代林比一代林高55.1%，在40～60 cm處，二代林比一代林高29.8%，三代林比一代林高46.8%。

表7　多代刺槐能源林土壤全量養(yǎng)分質量分數（平均值±標準差）?Table 7　Changes of soil total nutrient in the multigenerations locust energy forest(mean±SD)

土壤全磷含量的變化就沒有明顯的規(guī)律，同一林地，隨土壤深度的增加，全磷含量下降，各土層之間差異顯著，但相同深度下，磷含量變化空間分布有所不同，在0～20 cm處，三代林＞二代林＞一代林＞CK，差異顯著。在20～40 cm和40～60 cm處呈現了不同規(guī)律的變化：20～40 cm處，二代林＞一代林＞三代林＞荒地；40～60 cm處，一代林＞二代林＞三代林＞荒地。全磷含量在0～20 cm處，二代林比一代林高6.0%，三代林比一代林高36.2%；在20～40 cm處，二代林比一代林高1.1%，三代林比一代林低13.6%；在40～60 cm處，二代林比一代林低16.4%，三代林比一代林高27.4%。

3.2.4　土壤速效養(yǎng)分含量

土壤養(yǎng)分是土壤中含有植物生長代謝所需要的營養(yǎng)物質，是反映土壤肥力的基礎指標，土壤速效養(yǎng)分是評價土壤供肥能力的主要指標，其含量的多少體現著生態(tài)環(huán)境條件下土壤養(yǎng)分可被植物吸收轉化能力的大小以及人們施肥管理水平的高低。土壤養(yǎng)分的有效性不應只表現于其數量的多少，也表現于土壤有效養(yǎng)分的時間有效性和空間有效性等方面[12]。

多代刺槐能源林的土壤速效養(yǎng)分結果如表8所示，土壤速效氮含量與全氮含量呈正相關關系。相同林地的速效氮的含量隨土壤深度的增加，不斷降低，差異顯著。相同深度下，不同林地速效氮含量三代林＞二代林＞一代林＞CK，差異顯著。在0～20 cm處，二代林與三代林差異不顯著。速效氮含量在0～20 cm處，二代林比一代林高36.3%，三代林比一代林高39.8%，在20～40 cm處，二代林比一代林高33.1%，三代林比一代林高51.9%，在40～60 cm處，二代林比一代林高28.4%，三代林比一代林高46.4%。

表8　多代刺槐能源林土壤速效養(yǎng)分質量分數（平均值±標準差）?Table 8　Changes of soil available nutrient in the multigenerations locust energy forest(mean±SD)

同一林地，隨土壤深度的增加，速效磷含量均下降，差異顯著。相同深度下，速效磷含量變化空間分布有所不同；在0～20 cm處，三代林＞二代林＞一代林＞CK；20～40 cm處，三代林＞二代林＞CK＞一代林；40～60 cm處三代林＞一代林＞二代林＞CK。差異顯著。在相同土層深度下，速效磷含量在0～20 cm處，二代林比一代林高37.4%，三代林比一代林高86.9%；在20～40 cm處，二代林比一代林高49.1%，三代林比一代林高30.7%；在40～60 cm處，二代林比一代林低4.1%，三代林比一代林高39.6%。

速效鉀含量的變化規(guī)律有所不同，同一類型樣地，隨土壤深度增加，速效鉀含量降低。20～40 cm處與40～60 cm處差異不顯著，這可能是由于鉀在土壤中容易被淋溶轉移，地表枯落物分解進入表層土壤的鉀養(yǎng)分也會有一部分轉移到下層土壤中。相同土層深度，0～20 cm處，速效鉀含量三代林＞二代林＞一代林＞CK，差異顯著。20～40 cm處和40～60 cm處二代林＞三代林＞一代林＞CK，差異顯著。在0～20 cm處，二代林比一代林高45.0%，三代林比一代林高93.8%，在20～40 cm處，二代林比一代林高42.8%，三代林比一代林高26.5%，在40～60 cm處，二代林比一代林高40.5%，三代林比一代林高19.5%。

4　結論與討論

（1）土壤物理性質方面，刺槐林的土壤容重顯著低于荒地，表層土壤容重CK＞二代林＞一代林＞三代林，對照與一代和二代林均沒有顯著差異，這可能是由于隨著種植代數的增加，郁閉度增加，林下環(huán)境變得更加潮濕，在高溫高濕的條件下，微生物作用強烈，土壤的礦化度上升，因此容重有一定程度的增加。同一類型的樣地，隨土層深度的增加，土壤容重均增加，這是由于土層越深枯落物含量越少，微生物活動不頻繁，土壤越緊實。刺槐林土壤總孔隙度和毛管孔隙度顯著大于荒地，非毛管孔隙度無明顯的規(guī)律。相同土層深度，土壤總孔隙度在0～20 cm處，二代林比一代林低4.0%，三代林比一代林高4.1%；在20～40 cm處，二代林比一代林低10.8%，三代林比一代林高3.3%；在40～60 cm處，二代林比一代林低5.4%，三代林比一代林高10.0%。同一類型的樣地，隨土壤深度增加，土壤總孔隙度和毛管孔隙度降低。刺槐林地的田間持水量顯著高于荒地，林分小氣候及截留作用使林內土壤水分比荒地多，相同土壤深度下，各代刺槐林地的田間持水量差異不顯著，相同土層深度下，同一類型樣地，隨土壤深度增加，田間持水量不斷降低。土壤含水量受外界環(huán)境影響比較大，各代林對土壤含水量的變化差異不顯著，刺槐林地隨土壤深度增加，土壤含水量增加，差異不顯著，這是由于土壤層次越深，水分被蒸發(fā)的越少。

（2）在土壤的化學性質方面，土壤有機質是土壤養(yǎng)分的重要指標，土壤有機質含量均呈現三代林＞二代林＞一代林＞CK，差異顯著，在不同土層深度下，土壤有機質都呈現隨種植代數增加，土壤有機質含量不斷增加。在0～20 cm處，二代林、三代林分別比一代林高41.4%， 53.9%，在20～40 cm處，二代林、三代林分別比一代林高33.1%，52.8%，在40～60 cm處，二代林、三代林分別比一代林高29.5%，47.5%。氮含量與土壤有機質的變化趨勢基本相同，氮含量增加的原因刺槐是一種固氮樹種,能夠吸收大氣中的氮氣轉變?yōu)橹参锟晌绽玫幕蠎B(tài)氮 (NH4+和NO3-)和有機態(tài)氮,增加了土壤氮素含量[13]。全氮含量與速效氮含量隨著刺槐種植代數增加，顯著提高。土壤磷含量變化沒有明顯的規(guī)律，主要是因為土壤磷含量變異系數較大,極易受外界環(huán)境的影響，土壤中的磷主要來自于土壤母巖，而且土壤中磷礦石比較多，不同類型樣地的土壤磷含量就不同[14]。鉀含量刺槐林地顯著高于荒地。全磷含量在0～20 cm處，二代林比一代林高6.0%，三代林比一代林高36.2%，在20～40 cm處，二代林比一代林高1.1%，三代林比一代林低13.6%，在40～60 cm處，二代林比一代林低16.4%，三代林比一代林高27.4%。而速效磷含量呈現了不斷遞增的現象。相同土層深度下，速效鉀含量不斷增加，差異顯著?？偟膩碚f，刺槐改善了土壤的化學性質。

（3）樹木對土壤養(yǎng)分具有“表聚效應”[15]，即各種養(yǎng)分在土壤剖面中的含量具有明顯的層次性，表層與下層養(yǎng)分含量之間存在顯著的差異性。本試驗研究結果表明土壤表層有機質、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效鉀含量高于深層，呈現出垂直結構變化，隨土壤深度增加，含量不斷降低。這可能是由于表層土壤蓄積的枯落物比較多，經過微生物分解后，產生了大量的有機質和營養(yǎng)元素，積累在土壤表層。但是速效鉀20～40 cm處與40～60 cm處差異不顯著，這可能是由于鉀在土壤中容易被淋溶遷移，地表枯落物分解進入表層土壤的鉀養(yǎng)分也會有一部分轉移到下層土壤中[16]。

（4） 多代刺槐能源林在栽植培育過程中，土壤理化性質得到有效改良，一系列相關研究也表明利用刺槐林可以有效改良土壤結構，改善土壤養(yǎng)分含量[13-16]。 關于刺槐林的研究大多集中于不同林齡刺槐林土壤含水量、養(yǎng)分方面。本研究的創(chuàng)新性在于以多代刺槐能源林為研究對象，結果表明多代刺槐能源林能有效改善土壤理化性質，為刺槐的連作和改善地力衰退現象的研究提供了有效的技術支持和理論指導。

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