不同林齡長(zhǎng)白落葉松人工林分土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量特征

劉冠兵，劉 盛，崔玉森，王忠良，田佳歆，王琬茹，趙士博

(1.北華大學(xué)林學(xué)院，吉林 吉林 132013；2.吉林省臨江林業(yè)局，吉林 臨江 134600)

長(zhǎng)白落葉松(Larixolgensis)是我國(guó)東北地區(qū)的主要造林樹種，由于生長(zhǎng)迅速、適應(yīng)性強(qiáng)、用途廣泛，在東北林區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著極其重要的作用[1].林內(nèi)土壤養(yǎng)分狀況直接影響長(zhǎng)白落葉松生產(chǎn)力.在森林生態(tài)系統(tǒng)中，作為林木生長(zhǎng)的載體，森林土壤質(zhì)量影響著林木的生長(zhǎng)狀態(tài)[2].土壤中碳氮磷之間的關(guān)系密切，計(jì)量比可以作為評(píng)價(jià)其內(nèi)部循環(huán)是否平衡的特征指標(biāo)[3-4].張蕓等[5]研究了杉木人工林土壤理化性質(zhì)及碳氮磷計(jì)量比間的關(guān)系，結(jié)果顯示，成熟階段的杉木林分生長(zhǎng)受磷元素限制.曹娟等[6]研究認(rèn)為，杉木人工林土壤C∶N、C∶P主要受土壤有機(jī)碳影響，而不同深度C∶N、C∶P和N∶P比較穩(wěn)定.劉玲等[7]研究了不同密度長(zhǎng)白落葉松天然林土壤有機(jī)碳的養(yǎng)分特征認(rèn)為，在林分密度為800～880株/hm2時(shí)，長(zhǎng)白落葉松天然林土壤綜合養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高.周燾等[8]研究發(fā)現(xiàn)，撫育間伐顯著增加了長(zhǎng)白落葉松人工林土壤有機(jī)碳和全氮含量.孫嘉等[9]研究河北省5種不同密度華北落葉松理化性質(zhì)后得到最適林分密度為1 500～2 000株/hm2.牛小云等[10]通過(guò)研究不同發(fā)育階段日本落葉松土壤酶活性發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)密度調(diào)控緩解土壤地力衰退.縱觀已有文獻(xiàn)，對(duì)不同林齡長(zhǎng)白落葉松林分內(nèi)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征及其差別的研究報(bào)道較少，尤其是對(duì)近熟林到成熟林這一階段的研究明顯不足，而這項(xiàng)研究對(duì)于精準(zhǔn)評(píng)定長(zhǎng)白落葉松人工林分的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)狀況、精準(zhǔn)提升森林質(zhì)量十分重要.因而，本研究分析不同林齡長(zhǎng)白落葉松人工林土壤中的有機(jī)碳、全磷、全氮含量及其化學(xué)計(jì)量比，探尋其隨林齡與土層深度的變化規(guī)律，以期為長(zhǎng)白落葉松人工林的科學(xué)精準(zhǔn)經(jīng)營(yíng)提供參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)位于吉林省臨江市東北部，樺樹鎮(zhèn)樺樹林場(chǎng)(41°57′～41°59′ N，127°14′～127°15′ E).樣地內(nèi)山脈屬長(zhǎng)白山系龍崗山脈，海拔700～1 000 m，屬溫帶季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季多雨，年平均氣溫2～4 ℃，全年降水量750～1 000 mm.土壤為暗棕壤，pH為4.19～6.37.該植物區(qū)系屬長(zhǎng)白山植物區(qū)系，主要森林類型為紅松闊葉混交林.20世紀(jì)初至20世紀(jì)60年代，研究地原始闊葉林遭到十分嚴(yán)重的破壞，在該地營(yíng)造了大量人工落葉松純林.

1.2 樣品采集及處理

在實(shí)地考察以及查詢樺樹林場(chǎng)造林原始資料的基礎(chǔ)上，在立地條件一致的前提下，選取3個(gè)不同林齡(33、42、50 a)長(zhǎng)白落葉松人工林設(shè)置面積為600 m2(20 m×30 m)的樣地9塊，每個(gè)林齡設(shè)置3塊.首先將土壤分為0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm共3個(gè)土層，然后采用五點(diǎn)法分別取樣，取樣完成后按土層混合成一個(gè)土樣，共計(jì)27個(gè)樣品.將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后挑除石礫等雜物，自然風(fēng)干后過(guò)10目土壤篩、100目土壤篩.樣地概況見表1.

表1 長(zhǎng)白落葉松人工林樣地概況

1.3 指標(biāo)測(cè)定

土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定，土壤全氮采用半微量凱氏法測(cè)定，土壤全磷采用堿熔-鉬銻抗比色法測(cè)定.

1.4 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用SAS 9.2軟件對(duì)土壤C、N、P及其計(jì)量比數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因素方差分析(GLM過(guò)程)、單因素方差分析和多重比較(Duncan)；數(shù)據(jù)整理以及制圖采用Origin 2018.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡及土層深度長(zhǎng)白落葉松林分土壤化學(xué)性質(zhì)

林齡與土層對(duì)長(zhǎng)白落葉松人工林C、N、P及其化學(xué)計(jì)量比的影響見表2，不同林齡長(zhǎng)白落葉松人工林有機(jī)碳、全氮、全磷含量見圖1.雙因素方差分析表明：林齡對(duì)土壤有機(jī)碳和全磷含量有顯著影響，對(duì)全氮含量無(wú)顯著影響.土壤有機(jī)碳含量在同一林齡不同土層中，表現(xiàn)出0～10 cm土層顯著高于10～20 cm和20～40 cm土層，且隨著林齡增大，有機(jī)碳含量逐漸增高；10～20 cm與20～40 cm土層有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)平穩(wěn)，無(wú)顯著差異.土壤全氮在同林齡不同土層與有機(jī)質(zhì)趨勢(shì)相同，在不同林齡10～20 cm土層差異不顯著.土壤全磷在林齡為33 a與42 a時(shí)，不同土層差異顯著，隨著林齡的增加，0～10 cm與10～20 cm土層有降低的趨勢(shì).

總體來(lái)看，3個(gè)林齡土壤有機(jī)碳、全氮與全磷含量隨著土層深度的增加而減少；所有林齡的0～10 cm土層，有機(jī)碳、全氮與全磷顯著高于同林齡下的10～20 cm和20～40 cm土層.

注：*.P<0.05；**.P<0.01；***.P<0.001.

2.2 不同林齡長(zhǎng)白落葉松土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比

不同林齡長(zhǎng)白落葉松人工林C∶N、C∶P及N∶P見圖2.雙因素方差分析表明：林齡、土層及林齡與土層的交互作用對(duì)土壤C∶N影響不顯著，而土壤C∶P與N∶P隨林齡、土層的變化有顯著差異(表2).在0～10 cm土層，C∶N有隨林齡逐漸減小的趨勢(shì).土壤C∶P變化趨勢(shì)十分明顯，林齡50 a的0～10 cm和10～20 cm土層顯著高于33 a與42 a；土壤C∶P總體上隨著林齡的增長(zhǎng)呈現(xiàn)出升高的趨勢(shì)，同林齡下土壤C∶P都表現(xiàn)為0～10 cm土層>10～20 cm土層>20～40 cm土層，且42 a和50 a不同土層差異顯著.土壤N∶P在0～10 cm和20～40 cm土層與C∶P的變化趨勢(shì)相同.

3 討 論

3.1 不同林齡長(zhǎng)白落葉松土壤化學(xué)性質(zhì)

本次研究結(jié)果表明：隨著林齡的增加，土壤有機(jī)碳積累有增加的趨勢(shì)，這與張澤輝等[11]對(duì)不同林齡華北落葉松的研究結(jié)果一致.33 a的0～10 cm土層比其他林齡有機(jī)碳含量少，50 a有機(jī)碳含量最大，為33 a林分的1.31倍，增長(zhǎng)約31%，而同土層33～42 a的增長(zhǎng)僅為4%.在有機(jī)碳的垂直分布上，不同土層有機(jī)碳含量差異顯著，逐漸減少，0～10 cm土層明顯大于10～20 cm土層與20～40 cm土層，有機(jī)質(zhì)表聚現(xiàn)象明顯，這與劉杰等[12]和陳欽程等[13]的結(jié)論一致.在本次設(shè)置的3個(gè)林齡長(zhǎng)白落葉松人工林分中，林齡50 a的0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 3個(gè)土層中有機(jī)碳含量比42 a與33 a兩個(gè)林齡同土層含量都高，而造成這一現(xiàn)象的原因，可能是由于隨著林分林齡的增加，林下枯落物隨之不斷增加，腐殖質(zhì)不斷累積，可供枯枝落葉層釋放的有機(jī)碳量增多，從而使林分內(nèi)的有機(jī)碳得以積累[14].

隨著林齡的增加，土壤全氮與有機(jī)碳同樣有著顯著的增加趨勢(shì).在0～10 cm土層，50 a林分全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5.8 g/kg，遠(yuǎn)大于42 a林分的5.1 g/kg與33 a林分的3.1 g/kg，在表層土壤中全氮含量為50 a>42 a>33 a.造成這一現(xiàn)象的原因，可能是由于林分處于不同的發(fā)育階段，林內(nèi)郁閉程度不一，林下植被不同[15]，并且隨著林分生長(zhǎng)與養(yǎng)分積累，林下腐殖質(zhì)與枯枝落葉層必定會(huì)隨著林齡的增加而加厚，所累積的營(yíng)養(yǎng)成分也一定更加豐富.所以，林分下的表層土壤會(huì)隨著土壤的發(fā)育進(jìn)程逐漸累積營(yíng)養(yǎng)物質(zhì).

土壤全磷在不同林齡的土層垂直結(jié)構(gòu)上，33、42和50 a林分都呈現(xiàn)出了0～10 cm土層全磷含量最大，且隨著土壤深度增加而減小的趨勢(shì)，并在最深層的20～40 cm最低.3個(gè)不同土層間全磷量存在顯著差異，原因可能是磷的遷移率很低，且土壤上層的吸附磷酸根離子的能力更強(qiáng)，導(dǎo)致表層土壤所含的磷不易向下層轉(zhuǎn)移，并很快被落葉松根系吸收，且所選林分正處于近熟林到成熟林過(guò)渡時(shí)期，需要大量磷元素.所以，土壤全磷量隨林分年齡的增長(zhǎng)呈現(xiàn)下降態(tài)勢(shì).在表層土壤中，隨林齡的增加土壤中的全磷含量呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，即隨林齡的增加，林分對(duì)土壤磷元素的需求會(huì)有所增加，導(dǎo)致土壤中全磷含量降低，這一現(xiàn)象與姜沛沛等[16]、張蕓等[5]的研究結(jié)論相似.

3.2 不同林齡長(zhǎng)白落葉松土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比

土壤C∶N 與土壤有機(jī)碳的分解存在反比關(guān)系，這也是土壤中氮元素礦化能力的標(biāo)志[17]，同時(shí)也能反映土壤中微生物利用土壤有機(jī)碳的效率[18].在本研究中，C∶N相對(duì)保持穩(wěn)定.雙因素方差分析表明，林齡以及土層深度差異均不顯著，表明土壤中有機(jī)碳的利用效率并沒有隨著長(zhǎng)白落葉松林齡的增加而改變[19-20].

土壤C∶P可直接反映林分利用磷的效率，N∶P是N與P被限制與否的評(píng)價(jià)指標(biāo)[21].在本研究中，C∶P、N∶P受林齡影響顯著.其中，長(zhǎng)白落葉松50 a最大.導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是土壤有機(jī)碳與全氮隨林齡的增加而增加，全磷隨林齡的增加而降低，因此，土壤全磷含量成為研究區(qū)域C∶P、N∶P計(jì)量比的主要限制因子.據(jù)此可以說(shuō)明，隨著長(zhǎng)白落葉松林齡的增加，土壤中可被利用的P元素含量降低.較低的C∶P是磷有效性高的標(biāo)志[6]，而本研究地50、42、33 a土壤表層C∶P均值較高，分別為84.78、61.65、48.92，其中50 a遠(yuǎn)高于我國(guó)平均值61[22]，將不利于土壤為長(zhǎng)白落葉松人工林提供可吸收利用的磷酸鹽，林分會(huì)表現(xiàn)出P供應(yīng)不足現(xiàn)象[23].

4 結(jié) 論

本次研究中，土壤中的有機(jī)碳和全氮總量在3個(gè)深度都隨著林齡的增加而逐漸積累，全磷總量隨林齡的增加呈現(xiàn)減小的態(tài)勢(shì)，且在10～20 cm深度所受影響最大.在土壤垂直結(jié)構(gòu)上，不同林齡林分有機(jī)碳、全氮、全磷因林分發(fā)育所需，隨著土層深度加深而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì).C∶N在不同林齡保持穩(wěn)定，50 a與42 a長(zhǎng)白落葉松人工林土壤全磷含量顯著低于33 a，導(dǎo)致C∶P高于我國(guó)平均水平.綜上可知：研究地長(zhǎng)白落葉松林分生長(zhǎng)可能主要受土壤磷元素的限制，建議在近熟林到成熟林這一階段適當(dāng)補(bǔ)充磷肥，以保證林分的正常發(fā)育，促進(jìn)土壤與林木的良性養(yǎng)分循環(huán).在后續(xù)研究中，將對(duì)不同林齡長(zhǎng)白落葉松建立長(zhǎng)期固定標(biāo)準(zhǔn)地，進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，深入研究長(zhǎng)白落葉松土壤養(yǎng)分變化，以便實(shí)現(xiàn)科學(xué)調(diào)控，充分提高林地生產(chǎn)力.