不同齡組興安落葉松林土壤養(yǎng)分及其化學計量特征

韓曉榮,楊 林,馬秀枝,梁 蕾,李依倩,梁 芝

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 林學院,呼和浩特 010019)

土壤在陸地生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的地位,它為植物的生長發(fā)育過程提供了養(yǎng)分與水分,并協(xié)調(diào)了植物對于土壤中各營養(yǎng)元素的吸收與利用[1-2]。碳(C)、氮(N)、磷(P)是生物體組成的基本化學元素,植物的生長發(fā)育各階段離不開這些元素之間的相互作用[3-5],它們之間的相互作用保證了生物體的正常生長與價值的發(fā)揮[6-9],土壤的C,N,P含量以及化學計量比特征對土壤地力的維持、提高林木質(zhì)量和提高森林生產(chǎn)力具有重要作用[10-12]。研究森林生態(tài)系統(tǒng)中不同齡組興安落葉松林土壤養(yǎng)分含量及化學計量特征,能夠反映出土壤的質(zhì)量、植物各生長階段的生長狀況以及整個森林生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)的具體過程以及能量的逐級流動[13-14],揭示不同齡組興安落葉松林土壤養(yǎng)分的限制性和有效性[15-18],對于完善森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和生態(tài)效益具有重要的意義[19],也有助于探究森林土壤養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律,對提升森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和實現(xiàn)森林可持續(xù)發(fā)展均具有重要的意義[20-22]。

興安落葉松(Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen)是大興安嶺的優(yōu)勢樹種,是重要的工業(yè)原料和防護樹種之一。大興安嶺地區(qū)土壤肥沃且無污染,土壤有機質(zhì)和碳、氮、磷等元素含量居全國之首。近年來,對于大興安嶺地區(qū)土壤養(yǎng)分含量及化學計量特征的相關(guān)研究逐漸增多,證實了土壤養(yǎng)分含量受到微生物群落組成、不同齡組樹種組成以及優(yōu)勢樹種的生長速率等相關(guān)因素的影響。通過研究不同齡組興安落葉松林土壤養(yǎng)分含量及C,N,P化學計量特征,能夠揭示土壤C,N,P含量的變化規(guī)律以及它們之間的相互作用機制[23-24],可為興安落葉松林經(jīng)營與管理以及應(yīng)對全球氣候變化所帶來的種種問題提供重要科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗在大興安嶺森林國家野外科學觀測研究站附近完成,樣地的平均海拔在1 000 m左右；大興安嶺地區(qū)冬季為7個月左右,干燥而寒冷,平均氣溫在10 ℃以下；夏季則較短,一般為1個月左右,平均氣溫在22℃以上；降水主要集中在7—8月,年均日照時數(shù)2 595h。該區(qū)土壤肥沃且無污染,土壤有機質(zhì)和各種微量元素含量豐富,主要土壤類型為棕色針葉林土,有利于多種類型植物的生長。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置和樣品采集

選擇4個不同齡組(幼齡林,31a生；中齡林,77a生；近熟林,99a生；成熟林,121a生)[25]的杜香-興安落葉松林,各齡組設(shè)置3個20 m×20 m的樣地。各齡組內(nèi)的3個樣地間最短距離不小于3 km。在進行樣地設(shè)置的過程中,調(diào)查并記錄海拔、坡向、經(jīng)緯度等基本信息(表1)。

表1 興安落葉松林樣地信息統(tǒng)計表

2.2 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)首先用Excel 2010進行整理,然后用SPSS 19.0進行單因素方差分析以及正態(tài)分布檢驗。土壤SOC,TN,TP以單位質(zhì)量的養(yǎng)分含量(g/kg)表示,土壤的C∶N,C∶P,N∶P以質(zhì)量比表示。利用逐步回歸分析和皮爾遜相關(guān)系數(shù)來描述土壤養(yǎng)分含量及化學計量各指標之間的相關(guān)程度。在進行數(shù)據(jù)分析的過程中,將顯著性檢驗的值設(shè)定為α=0.05[27-28]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤容重

如圖1所示,幼、中、近、成熟林土壤容重依次為1.06,0.95,1.05,0.73 g/cm3。隨著興安落葉松林林齡的不斷增加,幼齡林土壤容重最大,成熟林最小。通過方差分析得知,4個齡組的土壤容重之間差異不顯著。

圖1 興安落葉松林土壤容重

3.2 土壤SOC含量

由圖2可知,興安落葉松林幼、中、近、成熟林0～10 cm土層土壤SOC含量分別為47.41,68.38,122.30,95.53 g/kg,是10～20 cm土壤SOC含量的1.903,1.716,2.279,1.909倍。在0～10 cm土層,土壤SOC含量的變化范圍為47.41～122.30 g/kg,近熟林最高,方差分析表明,近熟林土壤SOC與其他3個齡組具有顯著性差異。在10～20 cm土層,土壤SOC含量在24.91～53.66 g/kg之間變化,近熟林最大,方差分析可知,各齡組土壤SOC均不具有顯著差異。在同一齡組10～20 cm土層,土壤SOC含量均低于0～10 cm土層,通過方差分析,不同土層土壤SOC含量近熟林和成熟林不具有顯著差異,幼齡林和中齡林差異達到顯著水平。

注:不同小寫字母表示各土壤養(yǎng)分指標不同齡組間差異顯著(p<0.05)。

3.3 土壤TN 銨態(tài)氮 硝態(tài)氮含量

1) 土壤TN。如圖3所示,幼、中、近、成熟林4個齡組興安落葉松林0～10 cm土層土壤TN含量分別為2.26,2.73,4.14,4.02 g/kg,是10～20 cm土壤TN含量的1.725,1.452,1.663,1.887倍。土壤TN含量在0～10 cm變化范圍為2.26～4.14 g/kg,土壤TN含量在幼齡林、中齡林與近熟林之間差異性顯著。10～20 cm土層土壤TN含量的變化范圍為1.31～2.49 g/kg,由方差分析可知,各齡組10～20 cm土壤TN含量差異性均不顯著。同一齡組0～10 cm土壤TN含量均高于10～20 cm,不同土層土壤TN含量幼齡林和中齡林差異達到顯著水平,近熟林和成熟林不具有顯著差異。

注:不同小寫字母表示各土壤養(yǎng)分指標不同齡組間差異顯著(p<0.05)。

2) 土壤銨態(tài)氮。幼、中、近、成熟林4個齡組興安落葉松林0～10 cm土層土壤銨態(tài)氮含量分別為3.77,3.19,3.93,0.99 mg/kg,是10～20 cm的1.122,0.941,1.040,0.266倍。在0～10 cm土層,土壤銨態(tài)氮的變化范圍為0.99～3.93 mg/kg,近熟林最高,由方差分析得知,各齡組0～10 cm土層土壤銨態(tài)氮含量不具有顯著性差異。在10～20 cm,土壤銨態(tài)氮含量在3.36～3.78 mg/kg之間變化,幼齡林最低,由方差分析得知,各齡組土壤銨態(tài)氮含量差異均不顯著。幼齡林和近熟林0～10 cm土壤銨態(tài)氮含量高于10～20 cm,中齡林和成熟林則相反。在同一齡組,0～10 cm和10～20 cm土壤銨態(tài)氮含量差異性不顯著。

3) 土壤硝態(tài)氮。幼、中、近、成熟林4個齡組興安落葉松林0～10 cm土壤硝態(tài)氮含量分別為1.55,1.11,1.38,0.99 mg/kg,是10～20 cm的1.582,0.835,1.516,0.961倍。在0～10 cm土層,土壤硝態(tài)氮含量的變化范圍為0.99～1.55 mg/kg,幼齡林最高。在10～20 cm,土壤硝態(tài)氮的含量變化范圍為0.91～1.33 mg/kg,中齡林最高。由方差分析得知,各齡組0～10 cm,10～20 cm土壤硝態(tài)氮含量差異性均不顯著。幼齡林和近熟林10～20 cm土壤硝態(tài)氮含量低于0～10 cm,中齡林和成熟林則相反；同一齡組0～10 cm和10～20 cm土壤硝態(tài)氮含量之間均不具有顯著差異。

3.4 土壤TP含量

如圖4所示,幼、中、近、成熟林4個齡組興安落葉松林0～10 cm土層土壤TP含量分別為0.69,0.55,0.67,0.69 g/kg,是10～20 cm的1.131,1.058,1.264,1.190倍。在0～10 cm土層,幼齡林的土壤TP含量均值最高,成熟林次之,各齡組0～10 cm土壤TP含量無顯著差異。在10～20 cm,土壤TP含量為0.52～0.61 g/kg,幼齡林均值最高,成熟林次之,中齡林最低,土壤TP含量在各齡組差異性均不顯著。在同一齡組不同土層間,10～20 cm土壤TP含量均低于0～10 cm。由方差分析得知,土壤TP含量在同一齡組不同土層間均不具有顯著差異。

注:不同小寫字母表示各土壤養(yǎng)分指標不同齡組間差異顯著(p<0.05)。

3.5 土壤 C,N,P 化學計量比

1) 土壤C∶N。如圖5所示,幼、中、近、成熟林4個齡組興安落葉松林0～10 cm土壤C∶N分別為20.89,25.38,29.54,24.10,是10～20 cm的1.102,1.082,1.379,1.115倍。土壤C∶N在0～10 cm,10～20 cm都表現(xiàn)為隨著林齡的增加先升高而后降低,0～10 cm土層近熟林最高,10～20 cm中齡林最高。由方差分析得知,0～10 cm土壤C∶N在幼齡林、成熟林與近熟林具有顯著差異,10～20 cm幼齡林與中齡林之間差異顯著,在同一齡組不同土層間土壤C∶N均不具有顯著差異。

2) 土壤C∶P。幼、中、近、成熟林4個齡組興安落葉松林0～10 cm土壤C∶P分別為72.51,126.68,183.63,138.28,是10～20 cm的1.668,1.699,1.842,1.578倍。土壤C∶P在0～10 cm,10～20 cm均隨著林齡的增加先升高后降低,近熟林達到最高。由方差分析得知,0～10 cm土層除中齡林與成熟林,土壤C∶P在各齡組之間都具有顯著差異,10～20 cm只有幼齡林土壤C∶P與其他林齡之間差異性顯著,不同土層土壤C∶P幼齡林和成熟林差異達到顯著水平,中齡林和近熟林不具有顯著差異。

3) 土壤N∶P。幼、中、近、成熟林4個齡組興安落葉松林0～10 cm土壤N∶P分別為3.45,4.98,6.21,5.83,是10～20 cm的1.527,1.423,1.335,1.550倍。土壤N∶P在0～10 cm,10～20 cm均隨著林齡的增加先升高后降低,近熟林達到最高。由方差分析得知,0～10 cm,10～20 cm只有幼齡林與其他齡組之間的土壤N∶P差異顯著；同一齡組不同土層間,土壤N∶P均不具有顯著差異。由興安落葉松林土壤 C,N,P 化學計量比得知,在同一齡組不同土層間,0～10 cm土壤C∶N,C∶P,N∶P均大于10～20 cm。

注:不同小寫字母表示各土壤養(yǎng)分指標不同齡組間差異顯著(p<0.05)。

3.6 土壤養(yǎng)分含量及其化學計量比之間的相關(guān)性

3.7 土壤容重與土壤養(yǎng)分及其化學計量比之間的關(guān)系

土壤容重與土壤養(yǎng)分及其化學計量比之間滿足的回歸方程、相關(guān)關(guān)系以及所對應(yīng)的R2,如表3所示,由此能夠得出結(jié)論:土壤容重對土壤SOC,TN,TP具有不同程度的影響；土壤C∶N隨著土壤容重的增加先升高后降低,造成這種變化趨勢的原因是某些因素導致土壤TN的增加速度在中間某一階段高于土壤SOC的增加速度,進而導致了土壤C∶N的下降；土壤C∶P,N∶P隨著土壤容重的增加而逐漸降低,是因為土壤TP隨容重的增加而增加,而土壤SOC,TN隨土壤容重的增加而逐漸降低,所以土壤TP的上升速度比土壤SOC,TN高。

表3 土壤容重與土壤養(yǎng)分及其化學計量比間的關(guān)系

4 討論

4.1 土壤理化性質(zhì)隨林齡的變化特征

通過本研究能夠得知,興安落葉松林的齡組和土層深度對土壤容重有著不同的影響,土壤容重隨著林齡的增加表現(xiàn)出降低的變化趨勢,這與很多研究所得出的結(jié)論大同小異。在同一齡組,隨著土層深度的加深,土壤養(yǎng)分含量逐漸降低,這與曹娟等[29]和張珊[30]所進行相關(guān)試驗得出的結(jié)論具有一致性。由方差分析得知,林齡對土壤養(yǎng)分含量具有重要的影響,這與崔寧潔等[31]得出的結(jié)論:隨著森林林齡的不斷增加土壤TP變化不顯著而土壤TN呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢相一致,但是與土壤SOC呈現(xiàn)明顯的降低趨勢的結(jié)論具有很大的差異,造成這種差異的原因是興安落葉松林林下植被不同而導致土壤理化性質(zhì)等存在差異,以及興安落葉松林對土壤養(yǎng)分的需求不同,也可能是因為在進行實驗的過程中對于齡組的劃分方法不同,以及人類活動對表層土壤產(chǎn)生了影響而導致的。

4.2 土壤化學計量特征隨林齡的變化

土壤C∶N能夠確定土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的平衡情況及土壤質(zhì)量,它影響著土壤中C,N元素的循環(huán)與利用過程；土壤C∶P能夠較直觀地反映植物的生長速度以及土壤磷素的礦化能力；土壤N∶P能夠反映生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的變化以及有機質(zhì)的分解過程；所以土壤C∶N,C∶P,N∶P在興安落葉松林不同齡組的變化過程能夠影響到植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用過程,進而影響植物的整個生長發(fā)育進程以及森林資源的可持續(xù)發(fā)展[32-33]。在本研究得出的相關(guān)結(jié)論中,各齡組興安落葉松林林下土壤C∶N值為18.96～29.54,明顯高于我國以及世界的標準均值,這就說明該研究區(qū)內(nèi)土壤微生物的數(shù)量不足且分解能力較弱,不利于N元素的釋放,進而影響了植物對養(yǎng)分的吸收利用,對植物的生長發(fā)育過程產(chǎn)生了重大的影響。土壤C∶P,N∶P,隨著林齡的不斷增加,表現(xiàn)出先增高后降低的變化趨勢,這與孫嬌等[34]對不同林齡刺槐林土壤團聚體化學計量特征及其與土壤養(yǎng)分的關(guān)系中所得出的隨林齡增加土壤C∶P逐漸增高的結(jié)論一致。本研究中土壤C∶P的值均高于我國土壤C∶P的平均值,造成這種結(jié)果的原因可能是由于本研究區(qū)位于我國東北部,土壤肥沃且土壤中含有較高的N,P等元素。

5 結(jié)論

1) 土壤容重隨林齡的增加而逐漸降低。

3) 土壤容重與土壤養(yǎng)分含量以及化學計量比之間滿足不同的回歸方程,通過建立土壤容重和土壤SOC,TN,TP及其化學計量比的曲率回歸方程能夠得知:土壤容重與土壤SOC,TN,C∶P,N∶P之間相關(guān)性顯著；土壤容重與土壤TP,C∶N之間不存在顯著相關(guān)性。