科爾沁沙地油松人工林的土壤養(yǎng)分含量變化特征

楊制國(guó)，張勝男，閆德仁，黃海廣，胡小龍

(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 2. 內(nèi)蒙古多倫渾善達(dá)克沙地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，內(nèi)蒙古 多倫 027300)

土壤環(huán)境是森林生態(tài)系統(tǒng)功能持續(xù)發(fā)揮的重要物質(zhì)支撐，不僅為森林中的動(dòng)物提供必要的棲息地，也為地表植被的生長(zhǎng)提供必需的養(yǎng)分供應(yīng)[1]。土壤養(yǎng)分是森林生產(chǎn)力的一個(gè)重要指標(biāo)，與林分組成[2]、密度[3]、氣候條件[4]、人為干擾[5-6]等因素密切相關(guān)。土壤養(yǎng)分不僅能夠表征土壤條件動(dòng)態(tài)的敏感變化，反映土壤管理水平，而且對(duì)退化土地的恢復(fù)、區(qū)域土地資源管理和土地持續(xù)利用具有重要意義[7]。

油松(Pinustabuliformis)是我國(guó)特有的鄉(xiāng)土樹(shù)種之一，具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、抗旱、耐寒等特點(diǎn)，是華北地區(qū)山地針葉林最主要的造林樹(shù)種之一[8]。近年來(lái)，人工林的質(zhì)量提升成為森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)中關(guān)注的熱點(diǎn)，而且研究者們?cè)絹?lái)越重視土壤與植被之間的復(fù)雜關(guān)系研究[9]。馮文瀚等[10]研究了不同林齡鵝掌楸(Liriodendronchinense)人工林土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳狀況，研究發(fā)現(xiàn)成熟林的大團(tuán)聚體含量比幼齡林和中齡林顯著提高 17.84% 和 25.52%，且隨著林齡的增加，成熟林土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著高于幼齡林和中齡林。吳菲等[11]分析了不同林齡閩楠(Phoebebournei)人工林土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果表明，閩楠人工林的長(zhǎng)期種植會(huì)導(dǎo)致土壤微生物和土壤養(yǎng)分發(fā)生顯著變化，到40 a生時(shí)，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、多樣性和化學(xué)性質(zhì)均有所下降。郭輝等[12]研究認(rèn)為華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)根際和非根際土壤有機(jī)碳、全氮和速效磷隨林齡增加呈先增加后降低趨勢(shì)，成熟林達(dá)到最大，而華北落葉松根際與非根際物種豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)以及碳源利用豐富度指數(shù)也隨林齡增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，表現(xiàn)為由幼齡林、中齡林至成熟林逐漸提高，過(guò)熟林逐漸降低。彭玉華等[13]研究發(fā)現(xiàn)，隨著杉木(Cunninghamialanceolata)林齡增加，土壤容重逐漸降低，持水能力和pH值逐漸增加，有機(jī)質(zhì)、水解氮和速效鉀含量呈增加-減少-增加的趨勢(shì)。李永濤等[14]研究表明，絨毛白蠟(Fraxinustomentosa)人工林隨林齡增加，各土層養(yǎng)分含量也逐步累加，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)。土壤養(yǎng)分含量反映了林木的生長(zhǎng)情況以及隨林齡增長(zhǎng)的變化特征，因而研究不同林齡土壤養(yǎng)分變化特征有助于更全面揭示林木的生長(zhǎng)規(guī)律。本研究以科爾沁沙地不同發(fā)育階段的油松人工林為研究對(duì)象，分析土壤養(yǎng)分含量隨林齡的變化規(guī)律，為油松人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于科爾沁沙地的東南邊緣遼寧省固沙造林研究所章古臺(tái)試驗(yàn)基地，地理坐標(biāo)為42°63′—42°74′N，122°47′—122°58′E，平均海拔 253.6 m。本區(qū)屬暖溫帶亞濕潤(rùn)干旱氣候區(qū)，主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)為干旱多風(fēng)，且侵蝕性風(fēng)力集中，年平均風(fēng)速為 3.7～4.6 m·s-1，風(fēng)速≥ 5.0 m·s-1平均每年出現(xiàn)400次，年降水量450～500 mm，60%～70% 降水集中在6—8月，平均空氣濕度為 60.4%；年蒸發(fā)量為1 600～1 800 mm，干燥度為 1.2～2.0；年平均氣溫 6.2 ℃，最高氣溫 35.2 ℃，最低氣溫 -29.5 ℃，平均無(wú)霜期154 d；主要土壤類型為流動(dòng)風(fēng)沙土和砂質(zhì)草甸土。代表性草本植被有胡枝子(Lespedezabicolors)、虎尾草(Chlorisvirgata)、馬唐(Digitariasanguinalis)、無(wú)芒隱子草(Cleistogenessongorica)、披堿草(Elymusdahuricus)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

2020年8月，根據(jù)造林小班選擇林齡分別為18 a(y18)、34 a(y34)、43 a(y43)和56 a(y56)的油松人工林，同時(shí)以流動(dòng)沙地(CK)為對(duì)照樣地。在每種林齡類型中，選擇地勢(shì)平坦且立地條件相似的區(qū)域設(shè)置3塊20 m×20 m的固定樣地，調(diào)查林分的林齡、樹(shù)高、胸徑、郁閉度、枯落物厚度、植被蓋度等。樣地概況見(jiàn)表1。

表1 油松人工林樣地概況Tab.1 General situation of sample plot of Pinus tabuliformis plantation

2.2 分析樣品采集

2020年8月，在樣地內(nèi)按照“S”取樣法，除去表層枯落物，采集0～2 cm、2～10 cm和10～20 cm土層，每個(gè)樣地選取3個(gè)點(diǎn)采集土樣，分別裝入自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，在室內(nèi)風(fēng)干后過(guò)2 mm篩作為分析測(cè)定樣本。

2.3 土壤性質(zhì)測(cè)定

土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀法，全氮和全磷測(cè)定采用高氯酸-硫酸消化法，全鉀測(cè)定采用氫氟酸-高氯酸消化法，速效氮測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法，速效磷測(cè)定采用碳酸氫鈉浸提-分光光度法，速效鉀測(cè)定采用醋酸銨溶液浸提-原子吸收法。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析，顯著性分析采用SPSS 19.0進(jìn)行，繪圖由Origin 8.6軟件完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 林齡對(duì)油松人工林土壤養(yǎng)分含量變化的影響

通過(guò)分析可知，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著林齡的增加顯著增大(P<0.05)；且43 a生油松人工林土壤與18 a生和對(duì)照樣地土壤差異顯著(P<0.05)，43 a生油松人工林土壤有機(jī)質(zhì)含量分別比18 a和對(duì)照樣地顯著提高了 1.86 倍和 4.71 倍(圖1A)。造林后，土壤全氮含量(圖1B)隨林齡增加呈逐漸升高趨勢(shì)，且34 a、43 a和56 a生的土壤全氮含量與對(duì)照樣地差異顯著，分別比對(duì)照樣地提高了 2.43 倍、2.70 倍和 2.69 倍。土壤全磷含量(圖1C)也在造林后顯著提高，并在56 a時(shí)達(dá)到最大；18 a、34 a、43 a和56 a生油松人工林土壤全磷含量無(wú)明顯差異。對(duì)照樣地和不同林齡油松人工林地土壤全鉀含量(圖1D)無(wú)顯著差異。

如圖1E所示，土壤速效氮含量在34 a和43 a時(shí)為 12.61 mg·kg-1和 12.19 mg·kg-1，顯著大于18 a生油松人工林(P<0.05)，與對(duì)照樣地?zé)o顯著差異。而土壤速效磷含量(圖1F)在18 a達(dá)到 5.22 mg·kg-1，分別比對(duì)照樣地、43 a和56 a生油松人工林土壤顯著提高 1.57 倍、1.64 倍和 1.68 倍；土壤速效磷含量隨林齡的增加逐漸降低。土壤速效鉀含量(圖1G)在對(duì)照樣地和18 a生油松人工林土壤中相對(duì)較低，并在34 a達(dá)到 107.65 mg·kg-1，分別比對(duì)照樣地、18 a和43 a生油松人工林土壤顯著提高 1.56 倍、1.68 倍、1.31 倍，與56 a生油松人工林土壤速效鉀含量無(wú)顯著差異。

注：不同字母表示不同林齡間差異顯著(P<0.05)。

3.2 油松人工林不同土層養(yǎng)分含量變化特征

從表2看出，除全鉀含量外，0～2 cm、2～10 cm和10～20 cm土層中的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效鉀均隨土層深度的增加而減少，且有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量對(duì)土層深度變化的響應(yīng)較為明顯。其中，0～2 cm土層有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量隨林齡增加顯著增大，且34 a、43 a和56 a間無(wú)顯著變化；全鉀和速效磷含量隨林齡變化無(wú)顯著差異，速效氮和速效鉀含量無(wú)明顯規(guī)律。2～10 cm土層有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量隨林齡增加顯著增大，全鉀、速效氮和速效鉀含量隨林齡變化無(wú)顯著差異，速效磷含量在18 a和34 a生油松人工林地相對(duì)較高。10～20 cm土層全氮和速效氮含量隨林齡無(wú)顯著變化，有機(jī)質(zhì)、全磷和速效磷含量在18 a生油松人工林地中較高，速效鉀含量在18 a生油松人工林地中較低，10～20 cm土壤養(yǎng)分隨林齡變化無(wú)明顯規(guī)律。

表2 不同土層油松人工林土壤養(yǎng)分含量Tab.2 Soil nutrient content of Pinus tabuliformis plantation with different soil layers

3.3 林齡和土層對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

通過(guò)雙因素方差分析可知(表3)，林齡和土層以及二者交互作用均極顯著影響土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和速效鉀，但對(duì)全鉀的影響不顯著；林齡和林齡-土層交互作用對(duì)速效氮無(wú)顯著影響，但是土層對(duì)速效氮的影響顯著；林齡-土層交互作用對(duì)速效磷無(wú)顯著影響，但是林齡能夠顯著影響土壤速效磷含量，土層能夠極顯著影響土壤速效磷含量。土層的F值均大于林齡和林齡-土層交互作用，因此，土層對(duì)土壤養(yǎng)分的影響最大。

表3 林齡和土層對(duì)土壤養(yǎng)分影響的雙因素方差分析Tab.3 Two-way analysis of variance for the effects of forest ages and soil layer on soil nutrient

4 討論

林齡不同導(dǎo)致林下植被多樣性、密度以及地表凋落物的儲(chǔ)量和分解程度不同，直接影響土壤養(yǎng)分含量的變化[15]。本研究表明，不同林齡油松人工林土壤養(yǎng)分含量存在顯著差異。隨著林齡的增加，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量顯著增加，這與土壤表層凋落物的積累和分解具有一定關(guān)系[13]。本研究表明隨著林齡的增加，土壤速效磷含量呈逐漸減少的趨勢(shì)，說(shuō)明土壤速效磷含量隨林齡的增加出現(xiàn)了供不應(yīng)求的現(xiàn)象，該現(xiàn)象也同樣出現(xiàn)在樟子松(Pinus sylvestrisvar.mongolica)人工林的生長(zhǎng)發(fā)育中[16]。其可能原因是隨著林齡增加，林木對(duì)磷的需求逐漸增加導(dǎo)致的。

本研究表明，土壤養(yǎng)分含量隨土層加深逐漸降低，這主要是因?yàn)橥寥辣韺拥蚵湮锏姆纸猱a(chǎn)生大量養(yǎng)分聚集在土壤淺層，使得淺層土壤養(yǎng)分含量較高[17]。梁洋等[18]研究太岳山油松人工林地也進(jìn)一步說(shuō)明了0～10cm土層的有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較10～30cm土層更高。本文的研究結(jié)果顯示，油松人工林土壤養(yǎng)分含量綜合評(píng)價(jià)相對(duì)較好的是43a和56a，其次是34a，18a最差，說(shuō)明隨著油松人工林林齡的增加，土壤養(yǎng)分狀況有所改善。

5 結(jié)論

(1)隨著林齡增加，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量顯著增加，林齡變化對(duì)土壤全鉀含量無(wú)顯著影響；土壤速效氮和速效鉀在對(duì)照樣地和18a生油松人工林土壤中相對(duì)較低，在43a和56a生油松人工林土壤中相對(duì)較高，而土壤速效磷含量在43a和56a生油松人工林土壤中相對(duì)較低，18a生油松人工林相對(duì)較高。

(2)土壤養(yǎng)分含量隨土層加深逐漸降低，土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量受土壤深度變化的影響最為明顯，表層土壤各化學(xué)指標(biāo)較深層土壤各化學(xué)指標(biāo)對(duì)林齡的響應(yīng)更明顯。

(3)土層、林齡、林齡-土層交互作用均對(duì)土壤化學(xué)指標(biāo)有較大影響，其影響程度依次為：土層、林齡、林齡-土層交互作用。相比而言，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和速效鉀含量對(duì)環(huán)境變化更為敏感。