栽植密度對毛白楊林地土壤垂直方向養(yǎng)分的影響

薄慧娟，朱嘉磊，文春燕，聶立水，宋連君

（1.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，北京100083；2.河北省威縣苗圃，河北 邢臺054700）

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分[1]，也是維持林木健康生長的必要基質(zhì)，其養(yǎng)分含量大小直接影響林木生長速度和質(zhì)量[2]。在林地中由于養(yǎng)分輸入、輸出以及林木自身養(yǎng)分循環(huán)而表現(xiàn)出明顯的垂直分布特征，且因養(yǎng)分類型不同具有顯著差異[3]，這種異質(zhì)性影響整個(gè)生物學(xué)和生態(tài)學(xué)過程[4]。有關(guān)垂直方向養(yǎng)分的研究一般將土層劃分為0～20、20～40、40～60和60～100 cm等4個(gè)層次[5]，表土層作為整個(gè)土體的最上面，養(yǎng)分含量大小對林木生長和評價(jià)土壤肥力狀況更有代表性，忽略對表土層更細(xì)致的研究，不利于精準(zhǔn)地描述土壤養(yǎng)分垂直分布格局。栽植密度是營林措施中一項(xiàng)重要且容易操作的措施，密度大小不僅影響林分結(jié)構(gòu)[6]、 樹冠大小[7]及各器官養(yǎng)分含量[8]， 進(jìn)而影響林木對土壤養(yǎng)分的吸收[9]； 還會影響凋落物生物量及分解速率[10]，最終對土壤養(yǎng)分狀況產(chǎn)生深刻影響。很多學(xué)者對栽植密度與土壤養(yǎng)分含量之間的關(guān)系開展了研究[11-12]。有研究表明：馬尾松Pinus massoniana林地土壤養(yǎng)分含量隨密度增大而降低[13]。不同學(xué)者研究結(jié)論不盡相同，可能是由于研究對象、栽植密度及林齡不同所造成的。預(yù)計(jì)到2050年，人工林將提供75%的工業(yè)木材，其中50%由速生豐產(chǎn)林提供[14-15]。楊樹Populus在中國的栽植面積已達(dá)850萬hm2[16]。毛白楊Populus tomentosa適應(yīng)性較強(qiáng)，具有擴(kuò)大引栽栽培范圍的潛力[17]，S86品種相對于其他品種有較高的木材量[18]。目前，關(guān)于栽植密度對毛白楊S86的影響大多數(shù)為地上部分的研究[19]。人工林具有速生、短輪伐期、長期單一化栽植等特點(diǎn)，地力容易出現(xiàn)單一化問題[9]。為此，本研究以10年生毛白楊S86為研究對象，比較3種栽植密度林地土壤6個(gè)土層（0～5，5～10，10～20，20～40，40～60和60～100 cm）的養(yǎng)分情況，闡明在不同栽植密度下毛白楊土壤養(yǎng)分的差異情況，為人工林林地土壤的管理及施肥提供有效指導(dǎo)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于河北省威縣苗圃場。該地屬于華北平原中部，地勢平坦，海拔30～50 m。年均氣溫為13.0℃，最低氣溫在1月，為-2.5℃，最高氣溫在7月，為27.0℃。氣候?yàn)榕瘻貛Т箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候，全年日照總時(shí)數(shù)為2 574.8 h，無霜期198.0 d，平均降水量為497.7 mm，降水主要集中在7-8月。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇三倍體毛白楊無性系S86為試驗(yàn)材料，于2007年4月挑選長勢大致相同的2年生毛白楊無性系幼苗（平均胸徑為6.1 cm，樹高為5.8 m）進(jìn)行造林，栽植毛白楊時(shí)林地土壤養(yǎng)分概況為：有機(jī)質(zhì)8.60 g·kg-1， 全氮 0.58 g·kg-1， 堿解氮 87.8 mg·kg-1， 有效磷 8.1 mg·kg-1， 速效鉀 90.0 mg·kg-1， 總孔隙度46.7%，田間持水量為26%。采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)。栽植密度3個(gè)水平（行距×株距），分別為2 m× 2 m（T1）、 4 m × 3 m（T2）、 4 m × 5 m（T3）。 T1每行 11株， T2每行 7株， T3每行 4株， 分別為 2行， 3次重復(fù)共9個(gè)小區(qū)。小區(qū)以南北走向?yàn)殚L，東西走向?yàn)閷?，保護(hù)行的栽植密度為4 m×3 m，設(shè)置2行。表1為2016年3種栽植密度下毛白楊生長狀況統(tǒng)計(jì)。

1.3 樣品采集與分析

2016年11 月中旬收集土樣，隨機(jī)選取試驗(yàn)小區(qū)中央位置的5株樹木，在其東側(cè)80 cm處定點(diǎn)取樣。 先剝開凋落物， 用土鉆分別?。?～5、 5～10、 10～20、 20～40、 40～60 和 60～100 cm）6 個(gè)土層土壤樣品，將每個(gè)小區(qū)5個(gè)取樣點(diǎn)土層的40～60和60～100 cm的2個(gè)土層的5個(gè)土樣分別混為1個(gè)樣品，土層0～5、 5～10、 10～20 和 20～40 cm 土樣不混合。

另采集3種栽植密度的凋落物，具體方法為每個(gè)小區(qū)取5個(gè)面積為60 cm×60 cm凋落物樣點(diǎn)，烘干稱量得凋落物質(zhì)量（表1）。樣品經(jīng)室內(nèi)風(fēng)干、研磨、過篩后測定土壤養(yǎng)分。有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法，堿解氮采用擴(kuò)散法，有效磷采用鉬銻抗比色法，速效鉀采用火焰光度計(jì)法測定[20]。

表1 3種栽植密度下毛白楊S86生長狀況Table 1 Growth status of P.tomentosa S86 under three different planting densities

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010計(jì)算和整理數(shù)據(jù)并進(jìn)行圖表繪制。數(shù)據(jù)間的方差分析（one-way ANOVA）、多重比較（Ducan檢驗(yàn)法）采用SPSS 20.0進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土層土壤養(yǎng)分分布特征

10年生毛白楊S86林地土層養(yǎng)分所占比例隨土層深度增加而減少，從土層0～20 cm占整個(gè)土層的69%～79%減少到60～100 cm土層僅占4%～7%（圖1）。養(yǎng)分所占比例在0～5、5～10和10～20 cm有一定的區(qū)別，特別是堿解氮在3個(gè)土層間有明顯差異，0～5 cm土層所占比例高達(dá)41%～45%。

圖1 3種栽植密度各土層養(yǎng)分所占比例Figure 1 Proportion of nutrient content in each soil layer under three planting densities

2.2 栽植密度對土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.2.1 土壤有機(jī)質(zhì) 3種栽植密度的毛白楊S86林地土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.72～8.57 g·kg-1（T1）、5.20～15.44 g·kg-1（T2）、 4.58～14.86 g·kg-1（T3）， 且隨土層深度的增加而減少（圖 2）。 0～5， 5～10 和 10～20 cm有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層變化較為緩慢，20～40，40～60和60～100 cm隨土層增加下降較明顯。方差分析顯示：土層深度對有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)有顯著影響（P＜0.05），0～5和5～10 cm土層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著，但均顯著高于其他土層，10～20、20～40和60～100 cm之間有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著（P＜0.05）。有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨栽植密度和土層變化而變化。0～5、20～40、40～60和60～100 cm土層，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小依次為T2、T3、T1，0～5 cm土層，T2和T3有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別較T1增加80.16%和73.40%；5～10和10～20 cm土層，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小依次為T3、T2、T1（圖2）?？偟膩碚f，T1有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于T2和T3。

2.2.2 堿解氮 毛白楊S86林地堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.8～142.7 mg·kg-1（圖3），隨土層深度的增加而減少。土層對堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響顯著（P＜0.05），各土層之間（除60～100 cm）差異顯著（P＜0.05）。3種栽植密度下堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 0～5、 10～20、 20～40、 40～60 和 60～100 cm 土層從大到小依次為T2、 T3、 T1（圖3）；堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5～10 cm土層從大到小依次為T3、T2、T1。隨土層深度增加，不同栽植密度間堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異越來越小，可能由于冬季淋溶作用較弱的原因所導(dǎo)致。

圖2 3種栽植密度下毛白楊S86各土層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 2 Contents of organic matter in different soil layers of P.tomentosa S86 under three planting densities

圖3 3種栽植密度下毛白楊S86各土層堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 3 Contents of available nitrogen in different soil layers of P.tomentosa S86 under three planting densities

2.2.3 有效磷 3種栽植密度的毛白楊S86林地土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.3～6.1 mg·kg-1（T1）、1.5～12.4 mg·kg-1（T2）和 2.5～11.7 mg·kg-1（T3）， 隨土層深度增加，有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈下降趨勢（圖 4）， 從 0～5 cm土層占整個(gè)土層的31%～37%減少到60～100 cm土層僅占4%～8%（圖1）。栽植密度對有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響顯著（P＜0.05）。 0～5 cm 土層有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小依次為：T2（12.4 mg·kg-1）、 T3（11.7 mg·kg-1）、T1（6.1 mg·kg-1）， T1顯著低于 T2和 T3。 有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在土層 5～10、 10～20 和 20～40 cm 表現(xiàn)為 3 條有差異的曲線（圖4）。多重比較結(jié)果表明：T2顯著高于T1和T3，T1和T3差異不顯著；40～100 cm土層T3顯著高于 T1和 T2（P＜0.05）。

2.2.4 速效鉀 速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層增加呈下降趨勢（圖5）。5～10 cm土層速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于10～20 cm（P＜0.05）， 與 0～5 cm 土層差異不顯著， 20～40、 40～60和 60～100 cm 土層間速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著。T2的土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為60.3～278.1 mg·kg-1。T1速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于T2和T3（圖5）。方差分析表明：栽植密度對土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著影響（P＞0.05）。

2.4 10 a后S86林地養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

10 a后毛白楊S86林地土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生變化，堿解氮和有效磷降低，栽植密度越大降低的程度越明顯，特別是堿解氮，在T1處理下降低了60%（表2）。表明隨林齡增加，毛白楊從土壤中吸收越來越多的氮素來供地上部分生長，從而導(dǎo)致土壤氮庫儲量和供氮能力的下降。

速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，增加的幅度和栽植密度相關(guān)，T2增加幅度最大；有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在T1處理下降低了3.12 g·kg-1，在T2和T3處理下分別增加了0.64和1.39 g·kg-1。

圖4 3種栽植密度下毛白楊S86各土層有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 4 Contents of available phosphorus in different soil layers of P.tomentosa S86 under three planting densities

圖5 3種栽植密度下毛白楊S86各土層速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 5 Contents of available potassium in different soil layers of P.tomentosa S86 under three planting densities

表2 10 a前后毛白楊S86林地土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Soil nutrient（mean） content in P.tomentosa S86 stand before and after 10 years

3 討論

了解土壤養(yǎng)分垂直分布異質(zhì)性是管理土壤養(yǎng)分和合理施肥的基礎(chǔ)[21]。本研究發(fā)現(xiàn)：0～100 cm土層深度，毛白楊S86人工林有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)所占比例隨土層深度增加呈降低的垂直分布特征，表層 （0～20 cm）養(yǎng)分所占比例為69%～79%，富集了0～100 cm土層深度內(nèi)大部分養(yǎng)分。戴奧娜等[22]在研究絲栗栲Castanopsis fargesii林下土壤養(yǎng)分時(shí)也充分證實(shí)這一點(diǎn)，原因是由于凋落物主要集中在表層[23]。在林木生長過程中，根系從土壤中吸取礦質(zhì)營養(yǎng)供地上部分吸收，隨后經(jīng)凋落物分解返回到土壤中?？偟膩碚f，養(yǎng)分在不斷地輸出。本研究發(fā)現(xiàn)：10 a后毛白楊S86林地堿解氮和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，可見在林木培育過程中，有必要對林地進(jìn)行土壤養(yǎng)分管理[24]。

以往研究將土壤表層劃分為0～20 cm或者0～10和10～20 cm[2,25]，本研究進(jìn)一步將土層0～20 cm劃分為0～5，5～10和10～20 cm，發(fā)現(xiàn)3個(gè)土層的養(yǎng)分所占比例不同，堿解氮在3個(gè)土層間存在顯著差異（圖3）， 有機(jī)質(zhì)在 10～20 cm 顯著低于 0～5和 5～10 cm（圖 2）； 有效磷和速效鉀在 0～5和 10～20 cm 差異顯著（圖3和圖4）。研究結(jié)果不僅精準(zhǔn)地描述了養(yǎng)分在表層土的分布情況，而且為合理的水肥管理提供一定的依據(jù)，比如對0～20 cm土層施氮肥，可將大部分肥料施在10～20 cm土層中。

林分栽植密度顯著影響土壤有機(jī)質(zhì)變化，有機(jī)質(zhì)隨密度的增加顯著減少。這可能是由于有機(jī)質(zhì)來源主要為凋落物和根系，栽植密度越低，凋落物越少（表1）。同時(shí)，白毛楊S86在低栽植密度下有較高的根系生物量[26]，從而導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)較高。林分密度對養(yǎng)分影響的研究結(jié)果表現(xiàn)不一致。對毛竹Phyllostachys edulis的研究發(fā)現(xiàn)：土壤營養(yǎng)元素隨林分栽植密度的增加呈先逐漸增加后有所下降的趨勢[27]；油松Pinus tabulaeformis等樹種土壤養(yǎng)分隨林分栽植密度的增加而降低[28]。這些差異可能與林分類型、林分栽植密度或凋落物分解速率有關(guān)。

本研究發(fā)現(xiàn)：有機(jī)質(zhì)和堿解氮在表層對栽植密度的響應(yīng)最激烈，有效磷在行距×株距為4 m×3 m和4 m×5 m顯著高于2 m×2 m，栽植密度對林地速效鉀無顯著影響。任麗娜等[29]在對油松Pinus tabulaeformis人工林研究后也得出類似的結(jié)果，不同土層養(yǎng)分量對栽植密度的響應(yīng)不一致，可能是由于不同土層養(yǎng)分來源與流失方式不盡相同[30]，比如微生物分布、根系分布以及淋溶和礦化作用等[31]。每一土層主導(dǎo)因素不一樣，具體影響因素還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

10年生毛白楊S86林地土壤有機(jī)質(zhì)和有效養(yǎng)分所占比例隨土層增加而下降，堿解氮有較明顯的垂直分布特征。栽植密度對10年生毛白楊S86林地土壤養(yǎng)分有一定的影響，整體來說行距×株距為4 m×5 m和4 m×3 m時(shí)養(yǎng)分高于2 m×2 m，表層土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮對栽植密度的響應(yīng)最為激烈，有效磷在行距×株距為4 m×3 m和4 m×5 m時(shí)顯著高于2 m×2 m。栽植密度對速效鉀沒有顯著影響。因此在華北平原砂壤土地區(qū)進(jìn)行毛白楊林地管理時(shí)，結(jié)合培育目標(biāo)在選擇最初栽植密度后，建議對高栽植密度林地進(jìn)行間伐或者施肥管理，低栽植密度林地可選擇農(nóng)作物進(jìn)行套種。在今后將研究毛白楊林地凋落物在不同栽植密度下的分解狀況，從而更準(zhǔn)確地了解凋落物層與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系。