氣候因子對遼寧省樟子松人工林土壤氮含量的影響

毛禹 雷澤勇 李宏偉 周鳳艷 徐暢

摘要 [目的]揭示氣候?qū)φ磷铀扇斯ち滞寥赖康挠绊憽方法]通過選擇半干旱地區(qū)（遼寧省朝陽市、阜新市）和濕潤地區(qū)（撫順市、本溪市、大連市）生長的樟子松人工成熟林樣地為研究對象（臨近的原土地利用為對照），采集0～5、5～10、10～20、20～30、30～40 cm層的土壤樣品，測定其氮、磷、有機碳、pH、含水率、土壤顆粒組成，研究土壤氮（全氮、堿解氮）隨土層分布特征，并探討土壤其他理化因子對土壤氮的影響。[結果]樟子松人工林地土壤氮含量隨氣候變化有顯著不同，濕潤地區(qū)土壤全氮增加，半干旱地區(qū)全氮含量降低;而土壤堿解氮含量在2類氣候區(qū)均有所增加。土壤氮含量隨土層分布方面，2類氣候區(qū)的表層土壤氮變化高于其他土層。半干旱地區(qū)的5～10 cm土壤全氮、0～5 cm土壤堿解氮變化受土壤pH影響，5～10 cm土壤堿解氮變化受土壤速效磷影響;濕潤地區(qū)的0～5、20～30 cm土壤全氮主要受土壤含水率的影響，而10～20 cm土壤全氮受土壤細顆粒影響。[結論]相比于遼寧省半干旱地區(qū)，濕潤地區(qū)營建樟子松人工林更有利于土壤氮的積累，半干旱地區(qū)土壤氮素的積累則相對較慢。應該促進該地區(qū)林地枯落物的分解，以免樟子松的生長發(fā)育受到氮缺乏的限制，確保不同氣候區(qū)的樟子松人工林的經(jīng)營可持續(xù)化。

關鍵詞 樟子松;土壤全氮;土壤pH;土壤含水率

中圖分類號 S-718.5? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）22-0133-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.22.032

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effects of Climate Factors on Soil Nitrogen Content of Pinus sylvestris var.mongolica Plantation in Liaoning Province

MAO Yu ?LEI Ze-yong? ?LI Hong-wei3 et al （1.School of Environment，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin， Liaoning 123000;2.Degenerate Land Ecological Governance Research Institute，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin， Liaoning 123000;3.? Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project Construction Co.，Ltd.， Xian， Shaanxi 710000）

Abstract [Objective]To reveal the effects of climate on soil nitrogen of Pinus sylvestris var.mongolica plantation.[Method]The mature plantations of Pinus sylvestris var. mongolica growing in semi-arid areas （Chaoyang City， Fuxin City， Liaoning Province） and humid areas （Fushun City， Benxi City， Dalian City） were selected as the research objects （the adjacent original land use was used as the control）， and the soil samples of 0- ?5-10， 10-20， 20-30，30-40 cm layers were collected to determine the nitrogen， phosphorus， organic carbon， pH， water content， and soil particle composition. The distribution characteristics of soil nitrogen （total nitrogen， alkali hydrolyzable nitrogen） and its changes with soil layer were studied， and the effects of other soil physical and chemical factors on soil nitrogen were discussed.[Result] The results showed that the change of soil nitrogen content of Pinus sylvestris var. mongolica plantation was significantly different with climate change， the total nitrogen content of soil increased in humid areas， and decreased in semi-arid areas;the content of soil alkali hydrolyzable nitrogen increased in both types of climate areas. In terms of the distribution of soil nitrogen content with soil layers， the variation of surface soil nitrogen in the two climatic zones was significantly higher than that in other soil layers. In semi-arid area， the changes of total nitrogen and alkali hydrolyzable nitrogen in 5-10 cm soil and 0-5 cm soil were affected by soil pH， and the changes of alkali hydrolyzable nitrogen in 5-10 cm? soil were affected by soil available phosphorus;in humid area， the changes of total nitrogen in 0-5 cm and 20-30 cm soil were mainly affected by soil moisture content， while the changes of total nitrogen in 10-20 cm soil were affected by soil fine particles.

[Conclusion]Compared with the semi-arid areas of Liaoning Province， the construction of Pinus sylvestris var. mongolica plantations in humid areas is more conducive to the accumulation of soil nitrogen， while the accumulation of soil nitrogen in semi-arid areas is relatively slow.It is necessary to promote the decomposition of forest litter in semi-arid areas， so as to avoid the limitation of nitrogen deficiency on the growth and development of Pinus sylvestris var. mongolica plantations in different climatic regions， and ensure the sustainable development of Pinus sylvestris var. mongolica plantations in different climatic regions.

Key words Pinus sylvestris var. mongolica;Soil total nitrogen;Soil pH;Soil water content

土壤為陸地生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分存儲提供了一個必要空間。土壤養(yǎng)分含量不僅能夠反映林地土壤質(zhì)量高低，同時也能反映地表植被格局的真實變化[1]。氮作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中植物體的基本組成元素[2]，對植物的生長發(fā)育和物質(zhì)代謝等功能的發(fā)揮至關重要。其中，氮含量及其有效性能夠限制植物體生長發(fā)育[3]。植物通過根系吸收土壤中的養(yǎng)分元素，并通過葉片的光合作用生產(chǎn)有機物質(zhì)，分配到植物體的各個器官，用以維持生命活動。這些有機物質(zhì)在衰老后部分以凋落物的形式歸還土壤，從而完成氮素在生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)過程[4]。而氣候變化能夠直接作用于生態(tài)系統(tǒng)，對土壤微生物、植物群落的初級生產(chǎn)力以及多樣性造成影響，改變土壤理化性質(zhì)而影響土壤生態(tài)環(huán)境[5]。從干旱生態(tài)系統(tǒng)到半濕潤生態(tài)系統(tǒng)，降水會制約植物的生產(chǎn)力和凋落物的分解[6]，溫度變化也會影響土壤有機氮的礦化作用[7]，兩者影響土壤氮的收支平衡，進而影響土壤氮貯存。因此，探究不同氣候條件下土壤氮的變化及影響因子對生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)具有重要意義。

樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）是歐洲赤松（Pinus sylvestris）在遠東地區(qū)的地理變種，具有耐干旱、耐瘠薄土壤的特性[8]。自1955年在遼寧省章古臺地區(qū)成功固沙造林以來，樟子松被陸續(xù)推廣到遼寧省其他地區(qū)，改善了當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，豐富了當?shù)匚锓N多樣性，并推動了遼寧省不同氣候區(qū)森林后備資源的發(fā)展[9]。目前國內(nèi)外研究表明，樟子松的營建不僅能夠改善沙地土壤氮的有效性[10]，還能夠有效促進土壤氮的固定[11]，但樟子松人工林的生長始終受氮的限制[12]。然而，以往的研究集中于半干旱地區(qū)，而有關于濕潤地區(qū)營建樟子松人工林后土壤氮的變化及影響因子鮮見報道。為了揭示濕潤地區(qū)造林后土壤氮的變化與半干旱地區(qū)相似性，以及影響土壤氮變化因子的是否相同，該研究以遼寧省半干旱區(qū)、濕潤區(qū)營建的樟子松林成熟林為樣地對象，研究2類氣候區(qū)土壤氮（全氮、堿解氮）及其隨土層分布的變化特征，并探討了土壤其他理化因子對土壤氮的影響，以揭示不同氣候地區(qū)樟子松人工林對土壤氮素的動態(tài)影響，為氣候變化條件下樟子松人工林經(jīng)營提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗樣地選擇在半干旱地區(qū)[阜新市（彰武縣、阜蒙縣）、朝陽市（建平縣、凌源市）]和濕潤地區(qū)[遼寧本溪市（桓仁縣）、撫順市（清原縣）、大連市（瓦房店市）]（圖1）。樣地基本信息見表1。

半干旱地區(qū)樣地土壤主要類型為風砂土和褐土，屬華北、蒙古植物區(qū)系，代表性植物有小白蒿、中華委陵、黃柳、中華隱子草、大果榆、胡枝子和蒺藜梗等[13]。

濕潤地區(qū)樣地土壤主要類型為山地棕色森林土[14]，屬長白植物區(qū)系，代表性木本植物有紅皮云杉、輪葉百合、單花鳶尾、長白茶、長白落葉松、大黃柳、東北山梅花、東北杏等。

1.2 試驗地選擇與土壤樣品的采集

2018年7月，對上述研究區(qū)林地進行踏查，選擇成熟的樟子松人工林（37～45 a）樣地，樣地大小為20 m×20 m，進行每木調(diào)查得到樣地基本情況（表2）。依據(jù)調(diào)查選出標準木，距標準木1 m處挖掘100 cm×100 cm×40 cm的土壤剖面，用環(huán)刀（容積200 cm3）收集0～5、5～10、10～20、20～30、30～40 cm層的原狀土，用于測定土壤容重和土壤孔隙度。同時在每個樣地內(nèi)隨機選取5個樣點，按上述固定土層分別采樣，同時每個試驗樣地就近選擇對照樣地（造林前的土地利用樣地為對照），按上述步驟采樣，所有樣品帶回實驗室處理。在實驗室，將相同土層的土壤樣品充分混勻，用四分法留取500 g樣品，除去植物根系和石塊等雜物，室溫風干處理后粉碎過篩，用于氮、磷、有機碳、pH、含水率、土壤顆粒組成的測定。

1.3 土壤理化因子測定方法

土壤有機碳含量的測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法，土壤全氮含量的測定采用半微量開氏法，土壤堿解氮含量的測定采用堿解擴散法，土壤全磷含量的測定采用 NaOH 熔融-鉬銻抗比色法，土壤速效磷含量的測定采用 NaHCO3 法，土壤含水率的測定采用烘干法，土壤機械組成采用激光粒度分析儀測定，土壤 pH 的測定采用電位法[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析 按下式計算土壤理化因子變化量：

ΔXi=Xl-X0（1）

式中，ΔXi 為草地造林某土壤理化因子 i 的變化量;Xl為樟子松林地某土壤理化因子 i 的測定值;X0為相應對照樣地某土壤理化因子 i 的測定值。

按下式計算土壤理化因子相對變化率：

Pi=ΔXiX0（2）

式中，ΔXi 為造林某土壤理化因子 i 的變化量;X0 為相應對照樣地某土壤理化因子 i 的測定值;Pi為造林某土壤理化因子 i 的相對變化率。

將土壤氮（土壤全氮、堿解氮） 相對變化率分別作為因變量，其他影響因子相對變化率作為自變量進行逐步回歸分析，同時排除各影響因子間共線性關系，得出土壤氮相對變化率回歸方程：

PNi=β0+βiPi（3）

式中，PNi為草地造林各土壤氮的相對變化率;β0 為常數(shù);Pi 為草地造林某土壤理化因子 i 的相對變化率;βi為草地造林某土壤理化因子i的回歸系數(shù)。則土壤氮可以表示為

Ni=βiN0X0Xi+N0（1+β0-βi）（4）

式中，Ni 為草地造林土壤氮測定值;N0 為相應對照草地土壤氮的測定值?？梢?，土壤各氮相對變化率與其影響因子相對變化率的正負效應和土壤各養(yǎng)分因子與其相應的因子正負效應相同，但系數(shù)大小存在差異。

1.5 統(tǒng)計分析

運用 SPSS 20.0對上述計算的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，對不同土層的土壤氮含量變化進行方差分析，判斷土層對土壤氮含量變化的影響是否顯著;運用最小二乘法（LSD） 檢驗方法進行多重比較分析，判斷不同氣候區(qū)土壤氮在垂直分布的差異性，顯著水平為α= 0.05。利用逐步回歸分析建立土壤理化因子變化率對土壤氮變化率影響的模型。在同一氣候區(qū)內(nèi)，以土壤氮的相對變化率為因變量，選擇與土壤氮變化可能相關的土壤理化因子土壤有機碳、土壤全磷、土壤速效磷、土壤含水率、粒徑>0.05 mm 的土壤細顆粒、粒徑 0.05～0.25 mm 的土壤粗顆粒、土壤 pH的相對變化率為自變量，運用逐步回歸分析對自變量進行刪選，滿足允許水平 P<0.05的變量進入模型。

2 結果與分析

2.1 不同氣候地區(qū)樟子松林地土壤氮變化

由表3可知，營建樟子松人工林后，同一氣候區(qū)內(nèi)土壤全氮、土壤堿解氮的變化隨土層增加無顯著差異。與對照相比，營造樟子松人工林后，濕潤區(qū)土壤全氮含量增加，且增量隨土層深度增加而逐漸降低，而半干旱地區(qū)土壤全氮含量降低。土壤堿解氮在2個氣候區(qū)比對照樣地均有所增加，且半干旱地區(qū)堿解氮的增加量隨土層深度增加而逐漸降低，但增量間差異不顯著。

2.2 影響土壤氮變化的理化因子 由表4、5可知，半干旱地區(qū)營建樟子松人工林后，5～10 cm土壤全氮、0～5 cm土壤堿解氮變化與土壤pH呈顯著負相關（P<0.05）;5～10 cm土壤堿解氮變化與土壤速效磷呈顯著負相關（P<0.05）。濕潤區(qū)營建樟子松人工林后，土壤含水率顯著影響了0～5 cm土壤全氮含量的增加（P<0.05），極顯著影響了20～30 cm土壤全氮的變化（P<0.01）;10～20 cm土壤全氮與土壤細顆粒呈顯著正相關（P<0.05）。

3 討論

3.1 氣候變化對樟子松人工林地土壤氮變化的影響

營建樟子松人工林后，濕潤地區(qū)土壤全氮含量增加，且增量隨土層深度的增加而逐漸降低，而半干旱地區(qū)土壤全氮含量降低。研究表明，土壤中的氮素來源于大氣的干濕沉降[16]、共生固氮、凋落物和土壤有機質(zhì)的分解、巖石風化[17]。樟子松林分建立后，氮沉降和地上凋落物降解對表層土壤的氮貢獻顯著[18-20]。氣候因子對氮庫空間格局分布至關重要[21]，降水、溫度等氣候因子改變，影響著植被的生長[22]及凋落物的分解。半干旱地區(qū)缺乏水分，土壤貧瘠，因而所產(chǎn)生的凋落物較少。而與半干旱地區(qū)相比，濕潤地區(qū)土壤肥沃，水熱條件良好，森林生態(tài)系統(tǒng)具有較高的生產(chǎn)力，對應凋落物產(chǎn)量較高，對土壤氮的輸入量呈現(xiàn)正面反應[23]，土壤中全氮含量也隨之增加。另一方面，濕潤地區(qū)引種的樟子松林，凋落物內(nèi)部木質(zhì)素含量較低，耐分解的化合物較少，易分解。土壤中酶和微生物活性[24]相對較高，土壤微生物群落可以通過產(chǎn)生纖維素酶、木質(zhì)素降解酶、蛋白質(zhì)酶直接參與凋落物的分解，提高了樟子松凋落物在土壤中的分解速率，從而加強土壤養(yǎng)分的周轉[25]，也會使全氮含量增加。樟子松根系的分布隨著土壤深度的增加而逐漸減少[26]，由此導致土壤全氮的分布隨著土壤深度的增加而減少。

土壤堿解氮能反映土壤近期氮素供應情況，要保持在一定的水平，用以保證植物生長和微生物的生長。當堿解氮濃度低時，會加速有機氮的礦化分解，導致全氮降低;而當堿解氮濃度升高，在雨水的作用下易流失，導致土壤酸化。2個氣候區(qū)相比于對照樣地，土壤堿解氮均有所增加，這與樟子松人工林營建有關?？诐萚27]對沙地樟子松的土壤養(yǎng)分研究及趙雋宇等[28]對廣西松樹人工林土壤養(yǎng)分研究也得到了相似結論。在遼寧省半干旱區(qū)、濕潤區(qū)各研究樣地營林后，均能夠提升土壤的吸水保水能力，林地覆被程度較高，人為擾動的影響較少，相比于對照樣地，樟子松林的營建使得地表枯落物堆積量及根系分泌物量增加[29]，供給量遠大于植物自身消耗以及微生物的固定，從而導致各氣候樣地不同土層的堿解氮均有所增加。半干旱地區(qū)堿解氮的增加量隨土層深度增加而逐漸降低，但增量間差異不顯著。凋落物、植物根系及其分泌物在腐爛過程中形成養(yǎng)分元素，這些養(yǎng)分元素在表層土壤中進行聚集，隨著土層深度的增加，土壤有養(yǎng)分含量逐漸減少，半干旱地區(qū)環(huán)境貧瘠，石漠化和水土流失嚴重[30]，土壤養(yǎng)分含量低，長期季節(jié)性土壤侵蝕和降雨淋溶現(xiàn)象，也會加劇不同土層中氮的不平衡分布[20]，從而導致土壤各土層增量差異不顯著。

3.2 影響土壤氮變化的理化因子分析

在半干旱地區(qū)營建樟子松人工林后，5～10 cm土壤全氮、0～5 cm土壤堿解氮變化與土壤pH呈顯著負相關，大多數(shù)土壤養(yǎng)分元素的有效性均會受到土壤pH的影響[31]，這與王暉等[32]研究結果一致。土壤酸性條件下，微生物的種類和數(shù)量均較少，微生物活性低（固定氮的能力隨之降低），有機質(zhì)分解緩慢，有機氮的礦化作用降低，因此，有機質(zhì)含量與氮素含量密切相關。pH降低時，有機質(zhì)含量升高，氮素含量也會隨之增高[33];反之pH 升高，會增加土壤有機質(zhì)的可溶性，會為土壤微生物提供充足的含碳、氮基團的物質(zhì)，土壤有機氮的礦化得以促進[34]，從而導致氮素含量降低。5～10 cm土壤堿解氮變化與土壤速效磷呈顯著負相關，這與于東偉等[11]的研究結果一致。氮素和磷素在土壤中轉化過程中相互影響、相互制約[35]，具有一定的耦合作用。氮和磷均是植物生長的重要元素，對樟子松的生長、發(fā)育極其重要。很多生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力均會受到氮、磷限制或者氮磷的共同限制[36-37]。隨著土壤有效磷的增加，有效地促進了植物對有效氮的吸收，導致土壤中堿解氮的降低。趙欣然等[38]研究發(fā)現(xiàn)，對樟子松人工林土壤添加單一氮時，土壤氮素與磷素呈負相關關系，表明添加氮可明顯降低土壤速效磷含量。

在濕潤地區(qū)營建樟子松人工林后，土壤含水率顯著影響0～5 cm土壤全氮含量的增加，極顯著影響20～30 cm土壤全氮的變化。降水是土壤水分輸入的重要來源，大量研究結果表明，土壤水分與降水之間存在正相關關系[39]。土壤氮素主要源自凋落物的分解，凋落物內(nèi)部含水量與其分解有關，高水分含量會促進凋落物分解速率，降水量越大，凋落物儲水越多，分解產(chǎn)生的氮素也會隨之增多。其次，樟子松人工林的營建也能降低樹林間的風速，加快土壤中的細顆粒沉積、土壤成土的進程，細顆粒沉積加速了土壤養(yǎng)分的增加，提高了林地土壤的持水性能。10～20 cm土壤全氮與土壤細顆粒呈顯著正相關，這與顏安等[40-41]的研究結果一致。在樟子松的生長過程中，根系凋落物及分泌物會在土壤中快速轉化成腐殖質(zhì)[42-43]，能夠促進土壤中氮素的積累和土壤顆粒的細化。

4 結論

在遼寧各氣候區(qū)樣地營建樟子松人工林后，濕潤地區(qū)土壤全氮含量增加，半干旱地區(qū)全氮含量降低;而土壤堿解氮含量在2類氣候區(qū)均有所增加。土壤氮含量隨土層分布方面，2類氣候區(qū)的表層土壤氮變化均高于其他土層。半干旱地區(qū)的5～10 cm土壤全氮、0～5 cm土壤堿解氮變化受土壤pH的影響，5～10 cm土壤堿解氮變化受土壤速效磷的影響;濕潤地區(qū)的0～5、20～30? cm土壤全氮主要受土壤含水率的影響，而10～20 cm土壤全氮受土壤細顆粒的影響。

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