不同密度樟子松人工林土壤養(yǎng)分變化特征

張日升，遲琳琳*，肖 巍，宋 鴿

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

土壤是林分生長和生態(tài)功能發(fā)揮的保障，森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與土壤的健康息息相關(guān)[1]。作為影響林木生長重要因子的林分密度，決定了林分的空間結(jié)構(gòu)，影響林分中光、熱、水分等環(huán)境因子的分配，決定林下物種的結(jié)構(gòu)及多樣性的變化，改變凋落物的輸入數(shù)量與質(zhì)量，影響?zhàn)B分輸入；也會影響到群落生產(chǎn)力及生物量分配格局，從而影響到植被對土壤養(yǎng)分的吸收[2]。有研究發(fā)現(xiàn)林分密度適中的馬尾松Pinusmassoniana林可以在一定程度上改善林下土壤肥力[3]；密度為750～900 株·hm-2長白落葉松Larixolgensis林土壤養(yǎng)分含量顯著高于其他密度。40年生密度1 500～2 000株·hm-2的華北落葉松Larixprincipis-rupprechtii有利于維持林地土壤健康。可見，林分密度影響著森林土壤養(yǎng)分特征，適宜的密度有利于土壤養(yǎng)分的積累[4]。

樟子松Pinussylvestrisvar.mongolica原產(chǎn)于我國大興安嶺和呼倫貝爾沙地，具有耐旱、耐寒、耐瘠薄、生長快等特點(diǎn)，作為防風(fēng)固沙林的主要針葉樹種，已經(jīng)引種到三北地區(qū)多個省、市和自治區(qū)。然而，自1991年起，在遼寧章古臺地區(qū)出現(xiàn)了部分樟子松人工林退化死亡現(xiàn)象，隨后在遼寧所有引種栽培區(qū)、吉林、內(nèi)蒙古等地也出現(xiàn)了類似情況[5]。有關(guān)研究表明土壤養(yǎng)分失衡是樟子松人工林退化的原因之一[6]。王凱等[7]對不同密度樟子松人工林土壤碳磷化學(xué)計量特征研究后認(rèn)為，38年生的樟子松人工林密度1 550株·hm-2時，土壤養(yǎng)分濃度較高；于東偉等[8]研究樟子松中齡林時認(rèn)為密度1 025～1 175株·hm-2時，土壤全氮、全磷、全鉀含量較高。此外還有專家研究了不同密度樟子松人工林枯落物、土壤水分變化、土壤粒徑特征等方面的變化[9]。彰武章古臺固沙造林實(shí)驗(yàn)林場的樟子松密度實(shí)驗(yàn)林已生長近40年(1980年栽植)，以此為實(shí)驗(yàn)地，研究樟子松人工林不同林分密度土壤養(yǎng)分特征，揭示密度對土壤養(yǎng)分變化的影響，為維持樟子松人工林穩(wěn)定提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于科爾沁沙地南部的章古臺地區(qū)(42°43′～42°51′N， 121°53′～122°22′E)，屬中溫帶亞濕潤干旱地區(qū)，隸屬遼寧省阜新市彰武縣。干旱多風(fēng)，年降水量450～500 mm，多集中于6-8月，蒸發(fā)量約為降水量的3倍，空氣相對濕度60.4%。年均氣溫6.82 ℃，無霜期154 d。年均風(fēng)速3.0～3.7 m·s-1。土壤類型以風(fēng)沙土為主，占89.4%，有機(jī)質(zhì)及其它養(yǎng)分含量都比較低。該地區(qū)1955年開始營建樟子松人工林，除營林干擾外，其它人為干擾來自于樵采和放牧。

1.2 樣地的選擇

樣地設(shè)在遼寧省彰武章古臺固沙造林實(shí)驗(yàn)林場1980年造林的樟子松密度實(shí)驗(yàn)林。該實(shí)驗(yàn)林總面積16.0 hm2，按照不同密度、不同株行距，共設(shè)25個實(shí)驗(yàn)小區(qū)，每個小區(qū)面積為6 400 m2，密度625～40 000株·hm-2。實(shí)驗(yàn)小區(qū)分布集中，能夠保證土壤性質(zhì)、林下生境等情況基本一致。在小區(qū)中設(shè)置觀測樣地，面積600～1 000 m2。造林后樣地內(nèi)沒有進(jìn)行過間伐等人為降低密度的措施。根據(jù)實(shí)驗(yàn)地樟子松生長狀況和研究需要，選擇4種不同密度的樣地(表1)進(jìn)行調(diào)查。

表1 不同密度樟子松林分土壤調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)地基本情況

1.3 樣品采集與測定

2018年9月，在4種不同密度林分隨機(jī)布設(shè)面積為10 m×10 m的3個樣方，采用每木檢尺方法測定胸徑、樹高等指標(biāo)。在樣地內(nèi)按“S”形選10個點(diǎn)，分別取0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土層的土壤，四分法舍取，取土約1 kg，陰干后放入已消毒塑料袋內(nèi)保存，拿回實(shí)驗(yàn)室測定。

土壤有機(jī)質(zhì)采用水合熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定；全氮采用H2SO4-加速劑消煮半微量凱氏定氮法測定；堿解氮采用1.0 mol·L-1NaOH堿解擴(kuò)散法測定；全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定；速效磷采用NaHCO3-鉬銻抗比色法測定。全鉀采用NaOH熔融-火焰光度法測定；速效鉀采用1.0 mol·L-1NH4OAc浸提-火焰光度法測定[10]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表制作；采用DPS 14.0對不同林齡的養(yǎng)分差異進(jìn)行單因素方差分析，采用LSD 法比較各指標(biāo)間的差異性，顯著性水平設(shè)為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 林分密度對土壤有機(jī)質(zhì)的影響

從圖1可以看出，在垂直剖面上，不同密度樟子松人工林土壤有機(jī)質(zhì)含量總體表現(xiàn)為隨著土層深度增加逐漸降低。在0～10 cm土層，有機(jī)質(zhì)含量最高的是樣地1(7.985 7 g·kg-1)，明顯高于其他樣地同一土層，其次是樣地4(7.448 2 g·kg-1)，顯著高于樣地3(6.181 2 g·kg-1)和樣地2(5.8357 g·kg-1)。10～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量與0～10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)一致。在20～40 cm土層，樣地3的有機(jī)質(zhì)含量為2.380 4 g·kg-1，顯著高于其它樣地的差異顯著(P<0.05)。

注：不同小寫字母表示同一土層不同樣地土壤樣本

同一土層有機(jī)質(zhì)含量。40～60 cm和60～80 cm土層的土壤有機(jī)質(zhì)含量變化趨勢一致，均是樣地3含量最高，其次是樣地2，再次是樣地1，最低的是樣地4。

將0～80 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量以20 cm為一個層次進(jìn)行排序(將0～10 cm和10～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量的平均值作為0～20 cm土層的數(shù)據(jù)，以下0～80 cm土層氮、磷、鉀的平均含量計算方法相同)，有機(jī)質(zhì)含量從高到低分別是樣地3(2.941 8 g·kg-1)、樣地1(2.481 1 g·kg-1)、樣地2(2.413 9 g·kg-1)、樣地4(2.025 2 g·kg-1)。

2.2 林分密度對土壤氮含量的影響

從表2可以看出，在垂直剖面上，0～10 cm土層全氮和堿解氮含量明顯高于其他土層的含量，全氮含量最高的是樣地2，堿解氮含量最高的是樣地3。10～20 cm土層全氮含量從高到低依次為樣地2>樣地4>樣地1>樣地3，樣地3的堿解氮含量顯著高于其它樣地。樣地4的20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土層的全氮含量顯著高于其它樣地，其次是樣地3；樣地3的20～40 cm土層堿解氮含量最高。各樣地40～60 cm和60～80 cm土層全氮和堿解氮含量差異不明顯。0～80 cm土層全氮含量平均值從高到低依次為樣地4>樣地3>樣地2>樣地1?？傮w來說，全氮含量隨著林分密度的減小逐漸升高，堿解氮含量從高到低依次為樣地3>樣地4=樣地2>樣地1。

表2 不同密度樟子松人工林的土壤氮含量

2.3 林分密度對土壤磷含量的影響

從表3可以看出，章古臺沙地磷含量較低，在垂直剖面上，磷含量也呈現(xiàn)隨著土層深度的增加而逐漸降低的趨勢。4個樣地0～10 cm土層的全磷含量差異不顯著，樣地2和樣地3在10～80 cm各土層全磷和速效磷的含量均較高，且各土層間差異不顯著。樣地1、樣地2的0～10 cm表層土速效磷含量顯著高于樣地3和樣地4，這可能與密度大的林分地表枯枝落葉層較厚有直接關(guān)系。0～80 cm土層全磷含量平均值從高到低依次為樣地3>樣地2>樣地1>樣地4，速效磷含量平均值從高到低依次為樣地2>樣地1>樣地3>樣地4。

表3 不同密度樟子松人工林的土壤磷含量

2.4 林分密度對土壤鉀含量的影響

從表4可以看出，章古臺地區(qū)沙土中鉀含量較高。在垂直剖面上，與全氮等養(yǎng)分含量相似，全鉀和速效鉀含量也呈現(xiàn)隨著土層深度的增加逐漸降低的趨勢。0～10 cm土層，樣地4的全鉀含量最高，樣地2的10～20 cm、60～80 cm土層都明顯高于其他樣地，同時樣地2的0～80 cm土層平均全鉀含量是4個樣地中最高的；0～80 cm土層平均速效鉀含量從高到低依次為樣地2>樣地3>樣地4>樣地1。

表4 不同密度樟子松人工林的土壤鉀含量

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

沙地樟子松的細(xì)根主要分布在0～100 cm土層中，其中0～80 cm分布最多[11]，因此這一土層的養(yǎng)分含量影響著樹木的生長與健康。從以上分析可以看出，樣地2和樣地3的土壤養(yǎng)分含量較高，而樣地4的0～80 cm土層養(yǎng)分含量較低，但樣地4的林分生長健康。通過計算每個樣地中每株樹木平均可以利用的養(yǎng)分量(表5)，可以看出4個樣地中密度越小的樣地，每株樹木最大可利用的養(yǎng)分量越多。根據(jù)以往的研究結(jié)果，當(dāng)樟子松人工林林齡30～40年時，適宜密度為500株·hm-2左右[12]，這與樣地4的密度相近。因此可以確定40年左右的樟子松人工林密度為500株·hm-2左右時，林分的土壤養(yǎng)分可以滿足樹木生長需求。

表5 樣地中每株樹木平均可利用的養(yǎng)分量

3.2 結(jié) 論

在垂直剖面上，樟子松人工林土壤養(yǎng)分(有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀)總體表現(xiàn)為0～10 cm表層土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，呈現(xiàn)“表聚現(xiàn)象”，隨著土層深度的增加，養(yǎng)分含量逐漸降低。

密度為1 568株·hm-2和1 029株·hm-2的樟子松人工林土壤養(yǎng)分含量較高；在0～80 cm土層內(nèi)，堿解氮、全磷含量隨著密度的減小呈先增加后降低的趨勢，有機(jī)質(zhì)、全鉀含量變化不規(guī)則。

一定密度范圍內(nèi)，密度越小，每株樹木平均可利用的養(yǎng)分量越多。40年左右的樟子松人工林密度為500株·hm-2左右時，土壤養(yǎng)分可以滿足樹木生長需求。