幾個(gè)東南沿海防護(hù)林樹種對(duì)土壤碳、氮及主要鹽基陽離子的影響

黃猛　丁國昌　李樹斌　林宇　黃玉梅　趙苗菲　黃志群　何宗明

摘要：探索福建東南沿海退化木麻黃林地的改良樹種——紋莢相思、巨尾桉、卷莢相思、厚莢相思、肯氏相思5種主要植物群落類型的土壤碳、氮含量及主要鹽基陽離子的特征。結(jié)果表明，不同植被類型、不同土壤層所含碳、氮含量不盡相同，但垂直分布規(guī)律比較一致，即土壤表層集中了大部分的養(yǎng)分，并隨土層深度的加深而降低。在0～10 cm土層，碳、氮含量分別占總量的48.6%～64.7%、38.4%～55.5%，與木麻黃林相比（CK），紋莢相思林土壤碳、氮含量分別增加4.2%、21.75%;不同樹種、不同土壤層的鹽基陽離子含量各不相同，其中Ca2+、Na+的含量遠(yuǎn)高于Mg2+;Na+含量最高，其次為Ca2+，Mg2+含量最低。作為最活躍的0～10 cm土壤層，紋莢相思林的交換性Na+的含量最高，為 0.23 g/kg;交換性Mg2+可能是東南濱海沙地土壤碳、氮含量的決定因子。

關(guān)鍵詞：沿海防護(hù)林;碳含量;氮含量;鹽基陽離子

中圖分類號(hào)： S718.5? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）04-0242-04

我國海岸線總長(zhǎng)度達(dá)3.2萬km，其中大陸海岸線 1.8萬km，島嶼海岸線1.4萬km，是受臺(tái)風(fēng)影響最為嚴(yán)重的國家之一。福建省地處我國東南沿海，擁有3 000多km海岸線，是受臺(tái)風(fēng)影響最大的省份之一。沿海防護(hù)林是抵御臺(tái)風(fēng)等重大自然災(zāi)害、保證沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生命財(cái)產(chǎn)安全的重要屏障。由于沿海沙地環(huán)境惡劣，很少樹種能適應(yīng)這種環(huán)境。木麻黃作為防護(hù)林樹種于20世紀(jì)50年代引種至我國，并取得了成功。隨后在我國熱帶與亞熱帶的沿海沙地上建造了大量的木麻黃防護(hù)林，這在改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、抵御自然災(zāi)害方面發(fā)揮了重要的作用[1]。然而，目前的純木麻黃防護(hù)林樹種結(jié)構(gòu)單一，生物多樣性差，且基本進(jìn)入衰退期，抵御自然災(zāi)害的能力大大降低，更新營造該防護(hù)林具有重要意義[2-4]。遺憾的是，木麻黃二代林更新困難。因此，學(xué)者們通過不懈的引種試驗(yàn)，試圖能夠?qū)ふ业教娲韭辄S的樹種，現(xiàn)已篩選出一些較適宜于沙地造林的樹種，如肯氏相思、厚莢相思等具有固氮能力的相思類樹種[5-8]。這些樹種在豐富我國沿海地區(qū)防護(hù)林的樹種資源、增強(qiáng)防護(hù)林生物多樣性、抵御自然災(zāi)害、提高防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、增加土壤養(yǎng)分含量、改善土壤結(jié)構(gòu)、持續(xù)高效發(fā)揮防護(hù)林的防護(hù)效能及改善防護(hù)林景觀等方面具有重要作用。

針對(duì)木麻黃及其他沿海防護(hù)林樹種方面的研究，資料比較豐富，內(nèi)容涉及樹種選擇、肥土能力及遺傳改良等各個(gè)方面[1，9-10]，但在木麻黃跡地上同時(shí)輪作6個(gè)不同固氮樹種達(dá)13年，探索不同固氮樹種對(duì)濱海沙地的影響以及進(jìn)一步評(píng)價(jià)不同固氮樹種的適應(yīng)性，還未曾見報(bào)道。

由于濱海沙地惡劣的環(huán)境條件，和其他荒漠化沙地一樣，造成了濱海沙地土壤碳、氮資源的總量及其可獲性較低，特別是氮已成為影響該土地類型第一性生產(chǎn)力的主要因子之一。同時(shí)，因?yàn)楹＿吷车厥芎Ｋ挠绊?，其鹽基陽離子含量一般遠(yuǎn)高于內(nèi)陸林地，這也成為限制濱海沙地植物多樣性的因素，而氮沉降可以降低土壤黏粒結(jié)合的鈣、鎂、鉀和鈉等營養(yǎng)成分[11]。惡劣環(huán)境中的土壤碳氮時(shí)間動(dòng)態(tài)變化及不同植物物種對(duì)土壤碳、氮含量的影響，引起了越來越多的科學(xué)家的重視[12-14]。因此，為了分析從木麻黃跡地輪作不同固氮樹種以來，該跡地的濱海沙地土壤特征，特別是碳、氮和主要鹽基陽離子含量是否發(fā)生變化，本研究探索福建省長(zhǎng)樂大鶴國有防護(hù)林林場(chǎng)木木麻黃采伐跡地輪作13年不同樹種后的土壤碳、氮含量和鹽基離子含量及相關(guān)分析，以期揭示固氮樹種對(duì)濱海沙地改良機(jī)理。同時(shí)，也為篩選出濱海沙地木麻黃林的輪作混交樹種以及防護(hù)林維護(hù)與更新、構(gòu)建良好的濱海景觀提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于福建省福州市長(zhǎng)樂區(qū)大鶴國有防護(hù)林場(chǎng)，該林場(chǎng)東臨東海，總面積約369 hm2，地貌屬沿海臺(tái)地，地理坐標(biāo)為119°40′～119°43′E、25°57′～25°59′N。海拔高度為5～13 m，平均高度10 m，多為坡狀沙丘，沙丘坡度最大為8°。土壤多為風(fēng)沙土，土層深厚，深度可達(dá)6～10 m，肥力中等，保水能力低。氣候?qū)倌蟻啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，光熱豐富，雨量充沛，最高氣溫35 ℃，最低氣溫0 ℃，年平均氣溫為19.2 ℃，年均降水量為1 200～1 600 mm，年日照時(shí)數(shù)為1 800～2 300 h，年總積溫為4 600～6 200 ℃，年平均濕度為77%，無霜期 326 d。盛行東北風(fēng)，年平均風(fēng)速4 m/s，臺(tái)風(fēng)多發(fā)生在7月或8月，每年平均4～6次，最高風(fēng)力可達(dá)12級(jí)以上，臺(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)常伴隨著暴雨或者大暴雨。由于原生植物已破壞殆盡，防護(hù)林中林下天然植被稀少，零星分布的植物有碩苞薔薇（Rosa bracteata）、馬纓丹（Lantana camara）、茅莓（Rubus parvifolius）等。

1.2 試驗(yàn)材料

參試材料為肯氏相思（Acacia cuminghamia）、卷莢相思（A. cincinnata）、厚莢相思（A. crassicarpa）、紋莢相思（A. aulacocarpa）、巨尾桉（Eucalyptus granddis×E.urophylla）5個(gè)樹種和木麻黃（Casuarina equisetifolia Forst.）。試驗(yàn)苗木除木麻黃為水培苗外，其他均為容器苗，苗高約 20 cm。其中4種相思樹從福建省漳浦中西國有林場(chǎng)調(diào)運(yùn)而來，于2003年3月進(jìn)行造林，造林措施為植穴規(guī)格60 cm×40 cm×35 cm，造林初植密度為2 500株/hm2，株、行距均為2.0 m，客土栽植，并于當(dāng)年9月追施復(fù)合肥1次，100 g/株。參試各樹種按水平方向塊狀排列，每一樹種面積1 300～3 500 m2（受當(dāng)時(shí)苗木數(shù)量的限制）。2015年8月進(jìn)行林地生長(zhǎng)狀況調(diào)查（表1）。

1.3 研究方法

2015年8月，選擇試驗(yàn)林分內(nèi)典型地段，沿同一水平線，分別在4個(gè)相思樹種以及巨尾桉、木麻黃林分內(nèi)各設(shè)置 25.8 m×25.8 m的標(biāo)準(zhǔn)地3塊，對(duì)每個(gè)樣地每種樹的樹高、胸徑、冠幅等生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)查。

土壤樣品采集及預(yù)處理：在上述6個(gè)群落類型內(nèi)，于0～10、10～20、20～40、40～60 cm 4個(gè)層次上分別采集土壤樣品;每次在每一群落類型內(nèi)隨機(jī)選取12個(gè)點(diǎn)，用土壤取樣器進(jìn)行采樣，同一群落的土壤樣品按土壤層次充分混合。每次采集完土樣后迅速用20目土壤標(biāo)準(zhǔn)篩過濾，然后用自封袋密封編號(hào)。土樣全部取完后帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干待測(cè)，共采集土壤樣品72個(gè)。

土樣檢測(cè)：用碳氮分析儀（Vario MAX CN，德國）直接檢測(cè)土壤中的碳、氮含量;用離子色譜儀測(cè)定交換性陽離子含量（戴安ICS-1600型），交換性陽離子含量測(cè)定參照國家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 295—1995《中性土壤陽離子交換量和交換性鹽基的測(cè)定》，所有樣品的測(cè)定工作由福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院完成。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。用逐步回歸法分析主要鹽基陽離子含量對(duì)碳、氮含量的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹種不同土壤層的碳含量

由表2可知，在0～10 cm土層，紋莢相思林土壤碳含量最高，為2 787.1 mg/kg，巨尾桉林最低，為1 623.2 mg/kg，二者之間差異顯著（P<0.05）;與同層度的巨尾桉林土壤碳含量相比，紋莢相思林土壤碳含量提高71.7%;紋莢相思林、卷莢相思林和木麻黃林土壤碳含量均顯著大于巨尾桉林、厚莢相思林（P<0.05），后2個(gè)樹種之間差異未達(dá)到顯著水平（P>0.05）;6個(gè)植被類型土壤碳含量高低表現(xiàn)為紋莢相思>木麻黃>卷莢相思>肯氏相思>厚莢相思>巨尾桉。在10～20 cm 土層，6個(gè)植被類型土壤碳含量高低表現(xiàn)為木麻黃>卷莢相思>厚莢相思>巨尾桉>肯氏相思>紋莢相思，其中木麻黃林和卷莢相思林土壤碳含量顯著高于紋莢相思林（P<0.05），前2個(gè)樹種土壤碳含量未達(dá)到差異顯著水平（P>0.05）。在20～40 cm土層，6個(gè)植被類型土壤碳含量高低表現(xiàn)為卷莢相思>木麻黃>巨尾桉>肯氏相思>厚莢相思>紋莢相思，卷莢相思林土壤碳含量顯著大于紋莢相思林。

在0～10 cm土層，與對(duì)照林（木麻黃林）相比，僅紋莢相思林土壤碳含量大于對(duì)照樣地，但差異未達(dá)到顯著水平（P>0.05），巨尾桉林和厚莢相思林土壤碳含量均顯著低于木麻黃林（P<0.05），肯氏相思林和卷莢相思林與對(duì)照樣地相比，土壤碳含量也均降低。在10～20 cm土層，對(duì)照樣地的土壤碳含量最高，顯著大于紋莢相思林和肯氏相思林。在20～40 cm 土層，僅卷莢相思林地土壤碳含量高于對(duì)照樣地，其他樹種林地土壤碳含量均低于對(duì)照樣地。在40～60 cm土層，6個(gè)植被類型土壤碳含量之間均無顯著差異（P>0.05）。

6個(gè)植被類型土壤碳含量均在0～10 cm最高，均顯著高于其他的土層（P<0.05），其他3個(gè)土層的碳含量之間的差異未達(dá)到顯著水平（P>0.05）。

2.2 不同樹種不同土壤層的氮含量

由表3可知，在0～10 cm土層，6個(gè)植被類型土壤氮含量高低表現(xiàn)為紋莢相思>卷莢相思>木麻黃>肯氏相思>厚莢相思>巨尾桉，其中紋莢相思林、卷莢相思林、木麻黃林、肯氏相思林、厚莢相思林、巨尾桉林在0～10 cm土層氮含量占0～60 cm氮含量的55.49%、46.00%、44.48%、45.04%、39.33%、39.30%。在0～10 cm土層，紋莢相思林土壤氮含量顯著高于除卷莢相思外的其他幾個(gè)樹種（P<0.05），肯氏相思林土壤氮含量與木麻黃林、巨尾桉林及厚莢相思林的差異未達(dá)到顯著水平（P>0.05）。在10～20 cm土層，厚莢相思林與卷莢相思林土壤氮含量顯著高于其他幾個(gè)樹種（P<0.05），厚莢相思林與卷莢相思林土壤氮含量差異未達(dá)到顯著水平（P>0.05）;巨尾桉林、肯氏相思林土壤氮含量之間差異也未達(dá)到顯著水平。在20～40 cm土層，木麻黃林土壤氮含量最高，為76.2 mg/kg，紋莢相思林含量最低，為 55.9 mg/kg，其他幾個(gè)樹種土壤氮含量之間差異未達(dá)到顯著水平（P>0.05）。

在0～10 cm土層，紋莢相思林與卷莢相思林土壤氮含量高于對(duì)照樣地，其他樣地均低于對(duì)照樣地;在10～20 cm土層，厚莢相思與卷莢相思林土壤氮含量高于對(duì)照樣地，其他樣地均低于對(duì)照樣地;在20～60 cm土層，木麻黃林土壤氮含量均高于其他林地。但在40～60 cm土層，6個(gè)植被類型土壤氮含量之間均無顯著差異（P>0.05）。

6個(gè)植被類型土壤氮含量與碳含量表現(xiàn)一樣，均在0～10 cm 土層最高，顯著高于其他土層（P<0.05），其他3個(gè)土層氮含量之間的差異未達(dá)到顯著水平（P>0.05）。

2.3 不同樹種不同土壤層的鹽基陽離子剖面特征

從表4可以看出，不同樹種在不同土壤層的鹽基陽離子含量各不相同，但變化規(guī)律并不明顯。其中Ca2+、Na+含量遠(yuǎn)高于Mg2+含量，Na+含量最高，在5.49～22.78 g/kg之間;其次為Ca2+含量，在3.81～9.58 g/kg之間;Mg2+含量最低，在 0.21～1.76 g/kg之間;但是作為土壤層最活躍的0～10 cm土壤層，紋莢相思交換性Na+和交換性Ca2+的含量皆高于其他樹種，其交換性Na+含量為0.23 g/kg，肯氏相思次之，交換性Na+含量為0.18 g/kg。紋莢相思交換性Ca2+含量為 0.11 g/kg，木麻黃和卷莢相思次之，交換性Ca2+含量皆為 0.10 g/kg。在土壤層次相同的所有樹種中，交換性Mg2+含量差異不明顯。在10～20、20～40、40～60 cm土壤樣層中，各樹種的鹽基陽離子差異較大，規(guī)律不盡明顯。

2.4 各鹽基離子對(duì)土壤碳、氮含量的影響

通過碳、氮含量與各鹽基陽離子的逐步回歸分析，濱海沙地的碳、氮含量與交換性鎂含量呈負(fù)相關(guān)（圖1），土壤碳含量與各鹽基主要陽離子回歸方程：y=4 126-47 274x，式中：y為土壤全碳含量，mg/kg;x為交換性鎂含量，g/kg;r2=0.57，P<0.001，F(xiàn)=107.9，n=84。土壤氮含量與各鹽基主要陽離子回歸方程：y=324.05-3 338.8x，式中：y為土壤全氮含量，mg/kg;x為交換性鎂含量，g/kg;r2=0.62，P<0.001，F(xiàn)=135.2，n=84。

3 討論與結(jié)論

土壤有機(jī)碳和氮素不僅是土壤的重要組成部分，而且是生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的生態(tài)因子，因而一直倍受生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)等多個(gè)學(xué)科的關(guān)注[15]。森林生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮循環(huán)過程是土壤、植物和微生物之間相互作用的一個(gè)過程，森林土壤的碳、氮轉(zhuǎn)化過程也受土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成及多樣性的影響[16-17]。土壤有機(jī)碳、氮含量主要受動(dòng)植物殘?bào)w、凋落物、植物根系、降水、微生物分解作用以及樹種等的影響，并且在一定程度上，土壤氮素的水平也會(huì)影響土壤中有機(jī)碳的含量[18]。本研究表明，不同植被類型在同一土層碳、氮含量均不相同。有相關(guān)研究報(bào)道，第一性生產(chǎn)通過輸入枯死物直接影響土壤有機(jī)質(zhì)，地上植被的生物量和物種組成對(duì)土壤特性都有影響[19-22]。由于本研究對(duì)象是不同的植被類型，產(chǎn)生不同種類的凋落物，且凋落物分解程度也不一樣，因此輸入土壤中的碳氮量將會(huì)不一樣，導(dǎo)致不同植被類型土壤碳、氮含量不一樣，其中紋莢相思在0～10 cm土壤層的碳、氮含量都最高，因此，紋莢相思可能是木麻黃二代林地最為理想的輪作與替代樹種，但從紋莢相思的生長(zhǎng)指標(biāo)來看，生長(zhǎng)狀況并不是最好的，這有待進(jìn)一步的研究。

土壤碳、氮含量在土壤剖面上具有相同的垂直分布特征，即隨著土層深度的增加而減少，但是不同土層碳、氮含量差別較大。本研究結(jié)果顯示，在土層0～10 cm，土壤碳、氮含量最高且變化較大;在土層10～20、20～40 cm，土壤碳、氮含量逐漸變小，且變化較小;在土層40～60 cm，6個(gè)植被類型土壤碳、氮含量之間均無顯著差異（P>0.05），該結(jié)果與大多數(shù)結(jié)論[23-25]一致，但與單貴蓮等的研究結(jié)果[26-28]不同。由于林分地表凋落物的分解，以致大量碳氮元素輸入到土壤中，在 0～10 cm土層，碳、氮含量最高。因?yàn)橹参锔稻哂邢虻匦?，隨著根系不斷地向地心引力方向生長(zhǎng)，深層土壤的營養(yǎng)元素被吸收同化從而導(dǎo)致地表凋落物分解補(bǔ)充減少。所以，隨著土層深度的增加，土壤碳氮含量表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。同時(shí)，這也給大家一個(gè)啟示：要繼續(xù)開展林分凋落物及養(yǎng)分循環(huán)方面的研究，進(jìn)一步探索不同固氮樹種對(duì)木麻黃跡地的更新效果。

土壤高含鹽量一直是影響沿海沙地植物生長(zhǎng)分布的主要因子之一。目前有關(guān)鹽基陽離子對(duì)海邊植物的影響多集中在灘涂地，且鹽基陽離子對(duì)灘涂植物生長(zhǎng)、生存和生物多樣性的影響多數(shù)集中在土壤Na+上，不同區(qū)域?yàn)I海灘涂鹽基離子組成存在較大差異，導(dǎo)致其沿海沙地的鹽基陽離子也存在較大差異[29]。但本研究發(fā)現(xiàn)，濱海沙地的碳、氮含量是由交換性Mg2+含量決定的，這與前人的研究結(jié)果[30-31]不盡相同，有待進(jìn)一步研究。

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