章古臺(tái)地區(qū)樟子松人工林土壤養(yǎng)分變化規(guī)律

劉建華，孫海紅

(1.遼寧省沙地治理與利用研究所，遼寧 阜新 123000；2.遼寧章古臺(tái)科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，遼寧 阜新 123000)

森林土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分為林木的生長(zhǎng)提供了大量養(yǎng)分，同時(shí)，林木的生長(zhǎng)發(fā)育及凋落物的歸還也影響著土壤的理化性質(zhì)[1-2]。隨著林齡的增加，森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、內(nèi)部環(huán)境及土壤性質(zhì)均會(huì)發(fā)生變化，養(yǎng)分分配格局發(fā)生變化，進(jìn)而影響林木生長(zhǎng)[3]。因此，系統(tǒng)地分析不同林齡土壤養(yǎng)分含量變化規(guī)律[4]，有助于進(jìn)一步了解林分的物質(zhì)能量循環(huán)過程及環(huán)境變化對(duì)林分生長(zhǎng)具有重要意義。

樟子松Pinussylvestrisvar.mongolica為常綠喬木，具有極強(qiáng)的耐干旱瘠薄、耐寒特性，是我國(guó)北方風(fēng)沙地區(qū)主要針葉造林樹種[5]。1955年遼寧省沙地治理與利用研究所將樟子松引種至科爾沁沙地南部章古臺(tái)地區(qū)進(jìn)行造林試驗(yàn)，并獲得成功，建起了我國(guó)第一片樟子松引種固沙林。從20世紀(jì)90年代開始，章古臺(tái)地區(qū)部分樟子松人工林出現(xiàn)了衰退現(xiàn)象，隨后在遼寧的其他引種地區(qū)以及河北、吉林等地也出現(xiàn)了類似的情況[6-7]。為此相關(guān)學(xué)者從各方面對(duì)樟子松人工林的衰退進(jìn)行研究，主要集中在其生長(zhǎng)規(guī)律和營(yíng)林造林等方面，而從樟子松人工林土壤養(yǎng)分及其隨林齡變化等方面的研究較少。為了揭示樟子松人工林在生長(zhǎng)過程中土壤性質(zhì)的變化規(guī)律和機(jī)理，探討不同林齡與土壤間的相互關(guān)系和影響，本文以章古臺(tái)地區(qū)樟子松人工林為研究對(duì)象，研究不同林齡(9a、19a、27a、38a、47a)、不同土層深度(0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm)的土壤養(yǎng)分狀況及變化規(guī)律，分析土壤養(yǎng)分含量與樟子松衰退的關(guān)系，以期為章古臺(tái)地區(qū)樟子松人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于科爾沁沙地東南緣彰武縣北部章古臺(tái)鎮(zhèn)(42°43′～42°51′N，121°53′～122°22′E)，屬于暖溫帶半干旱濕潤(rùn)氣候區(qū)，主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)是干旱多風(fēng)，年降水量 450～550 mm，年蒸發(fā)量是降水量的3倍，屬典型的半干旱大陸性季風(fēng)氣候。該地區(qū)侵蝕性風(fēng)力集中，瞬間最大風(fēng)速可達(dá) 32 m·s-1。土壤以風(fēng)沙土為主，1955年開始營(yíng)建樟子松人工林，除營(yíng)林干擾外，人為干擾來自樵采和放牧。

1.2 樣地設(shè)置與土壤樣品采集

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘查，采用空間替代時(shí)間法，在章古臺(tái)地區(qū)選擇立地條件相似的9a、19a、27a、38a、47a共5個(gè)林齡的樟子松人工林為研究對(duì)象，各樣地基本情況見表1。

表1 章古臺(tái)地區(qū)不同林齡樟子松人工林基本情況

在樣地內(nèi)按“S”字形選取10個(gè)點(diǎn)，按不同土層深度(0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm)進(jìn)行取樣，四分法舍取，取土量約1 kg，陰干后備用。

1.3 土壤養(yǎng)分測(cè)定

土壤有機(jī)質(zhì)采用水合熱重鉻酸鉀氧化-容量法(魯如坤，1999)；全氮測(cè)定采用H2SO4-加速劑消煮半微量凱氏定氮法；速效氮測(cè)定采用1.0 mol·L-1NaOH堿解擴(kuò)散法；全磷測(cè)定采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法；速效磷測(cè)定采用NaHCO3-鉬銻抗比色法。全鉀測(cè)定采用NaOH熔融-火焰光度法；速效鉀測(cè)定采用1.0 mol·L-1NH4OAc浸提-火焰光度法(鮑士旦，1999)。3次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理和繪圖采用Excle 2003，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及單因素方差分析使用SPSS 17.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 樟子松人工林不同林齡土壤有機(jī)質(zhì)含量變化規(guī)律

有機(jī)質(zhì)含量是影響樟子松人工林生長(zhǎng)的重要指標(biāo)之一，是植物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分的重要來源[8-10]，并能改善土壤結(jié)構(gòu)和其他理化性質(zhì)。不同土層深度的樟子松人工林土壤有機(jī)質(zhì)含量0.207 32～10.826 80 g·kg-1，由圖1可知，各林齡樟子松人工林有機(jī)質(zhì)主要集中在土層0～10 cm，說明樟子松人工林對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)具有“表聚效應(yīng)”，有機(jī)質(zhì)的含量呈現(xiàn)明顯的層次性，隨土層深度的增加呈下降趨勢(shì)。0～10 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量隨營(yíng)建年限增加呈現(xiàn)先升高后逐漸降低的趨勢(shì)，在9～27 a顯著升高，27 a達(dá)到最高值，38～47 a逐漸降低。

注：不同字母分別表示同一林齡不同土層間差異顯著(P<0.05)。

2.2 樟子松人工林不同林齡土壤養(yǎng)分含量

2.2.1 不同林齡土壤中氮元素含量變化規(guī)律

氮是植物生長(zhǎng)不可缺少的礦質(zhì)元素，只有從土壤中獲取充足的氮元素，植物才能正常的生長(zhǎng)[11]。通過對(duì)樟子松人工林土壤全氮和速效氮含量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)(圖2、3)：林齡和土層深度對(duì)樟子松人工林土壤氮元素含量具有顯著影響。隨著林齡的增長(zhǎng)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，其中全氮在27 a時(shí)達(dá)到最高值0.71 g·kg-1，速效氮含量在林齡為38 a時(shí)最高14.45 mg·kg-1。隨著土層深度的增加，全氮和速效氮含量逐漸降低。在表層土壤中，全氮含量27a>38a>19a>47a>9a，19～38a顯著高于9a和47a，且隨著土層深度的增加19～38a含量趨近相同。在表層土壤中，速效氮含量38a>27a>47a>19a>9a，27～38a顯著高于其他林齡，且隨著土層深度的增加，不同林齡土壤速效氮含量差異逐漸減小。

圖2 樟子松人工林不同林齡土壤全氮含量變化

圖3 樟子松人工林不同林齡土壤速效氮含量變化

2.2.2 不同林齡土壤中磷元素含量變化規(guī)律

由圖4、5可以看出，不同林齡和土層深度對(duì)樟子松人工林土壤磷元素含量具有顯著影響。隨著林齡的增長(zhǎng)全磷和速效磷含量都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，土壤中全磷含量為0.062～0.213 g·kg-1，速效磷含量為2.91～6.13 mg·kg-1，且都在19 a時(shí)達(dá)到最大值。在0～10 cm表層土壤中，全磷和速效磷含量在19 a時(shí)顯著高于其他林齡。在10～80 cm土層，隨著土層深度的增加，不同林齡全磷和速效磷含量逐漸降低，且不同林齡間的差異逐漸減小。

圖4 樟子松人工林不同林齡土壤全磷含量變化

2.2.3 不同林齡土壤中鉀元素含量變化規(guī)律

不同林齡樟子松人工林的全鉀和速效鉀含量在土壤表層具有顯著差異，由圖6、7可以看出，土壤中鉀元素隨著林齡的增長(zhǎng)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，其中全鉀含量在19a時(shí)達(dá)到峰值24.2 g·kg-1，顯著高于其他林齡，速效鉀含量在林齡27a時(shí)達(dá)到峰值58.43 mg·kg-1，不同林齡之間差異顯著。隨著土層深度的加深，不同林齡土壤全鉀和速效鉀含量都呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，其中47a土壤中全鉀和速效鉀含量始終保持較低水平。

圖5 樟子松人工林不同林齡土壤速效磷含量變化

圖6 樟子松人工林不同林齡土壤全鉀含量變化

圖7 樟子松人工林不同林齡土壤速效鉀含量變化

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

通過對(duì)章古臺(tái)地區(qū)樟子松人工林林下土壤養(yǎng)分的測(cè)定和研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等養(yǎng)分存在“表聚效應(yīng)”，0～10 cm土層土壤養(yǎng)分含量顯著高于其他土層，且隨著土層深度的增加，養(yǎng)分含量逐漸下降，這與王凱等的研究結(jié)果相似[12-13]。造成這種現(xiàn)象的原因一方面是樟子松和林下植被通過凋落物歸還的養(yǎng)分都積聚在表層所致。另一方面樟子松作為淺根性樹種，根系龐大且分布在表層土壤中，而大多數(shù)研究表明[14]，植物根際土壤養(yǎng)分高于非根際土壤，導(dǎo)致樟子松人工林林下土壤養(yǎng)分更多地富集在表層。隨著林齡的增加，樟子松土壤養(yǎng)分的含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，其中土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、速效氮在幼齡林、中齡林階段呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這與蘇芳莉等[15]對(duì)章古臺(tái)地區(qū)樟子松人工林土壤研究結(jié)果相似。27a時(shí)(近熟林以后)樟子松人工林林下土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀含量最高，38a時(shí)已經(jīng)開始下降，這與宋曉東[16-17]等的研究結(jié)果相同，說明樟子松人工林有改良土壤的作用，近熟林時(shí)最佳。磷作為促進(jìn)植物能量轉(zhuǎn)換的重要物質(zhì)，對(duì)提高松樹養(yǎng)分的吸收能力有重要作用[18]。全磷和速效磷19a時(shí)含量最高，這一結(jié)果與趙瓊等對(duì)沙地樟子松人工林土壤磷庫(kù)的研究結(jié)果一致[19]，在27a時(shí)開始下降。從以前的研究結(jié)果看，樟子松人工林的退化多出現(xiàn)在30年左右，因此磷元素的降低可能是樟子松人工林衰退的重要標(biāo)志。有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、速效氮含量下降時(shí)期與樟子松人工林退化的時(shí)期相吻合，而鉀元素在章古臺(tái)地區(qū)含量豐富，不會(huì)引起樟子松人工林退化，因此有必要對(duì)有機(jī)質(zhì)與氮元素含量對(duì)樟子松人工林衰退的影響進(jìn)行深入研究。

3.2 結(jié) 論

通過研究發(fā)現(xiàn)章古臺(tái)地區(qū)樟子松人工林林下土壤養(yǎng)分主要聚集在表層，養(yǎng)分含量隨土壤深度的增加而遞減。同時(shí)隨著林齡增加呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，其中27a時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀含量最高，38a時(shí)土壤中速效氮含量最高，19a時(shí)土壤速效磷和全磷含量最高。分析認(rèn)為沙地樟子松人工林在30a以后出現(xiàn)地力衰退的現(xiàn)象，在這一時(shí)期需要通過降低林分密度，將針葉純林改造成針闊混交林，對(duì)林地進(jìn)行中耕、采用農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)等方式維護(hù)樟子松人工林地力，促進(jìn)林分健康生長(zhǎng)。