樟子松成熟林年生長對土壤碳·氮·磷變化的影響

韓宗育 雷澤勇 王國晨 高志華 劉玉軍

摘要 [目的]揭示樟子松成熟林年生長對土壤碳、氮、磷的影響。[方法]以科爾沁沙地樟子松人工成熟林為研究對象，以截根處理為對照，采集0～10、10～20、20～40和40～60 cm土層土壤樣品，測定土壤有機碳、全氮、堿解氮、全磷、有效磷含量，研究樟子松成熟林年生長對有機碳、全氮、堿解氮、全磷、有效磷的影響。[結(jié)果]樟子松成熟林經(jīng)過1年生長，有機碳含量、堿解氮含量和速效磷含量變化顯著，但全氮和全磷變化微小。截根后林地有機碳生長季增加顯著，而未截根的增加不顯著。速效磷截根后生長季顯著增加；未截根樣地生長季增加不顯著。樟子松成熟林在7—9 月有機碳含量、堿解氮和速效磷的變化量顯著高于5—7、9—11和 11 月至次年5月。樟子松成熟林在10～20 cm土層土壤有機碳、堿解氮和速效磷的變化量顯著高于 0～10、20～40和 40～60 cm土層。[結(jié)論]樟子松成熟林年生長促使有機碳含量、堿解氮含量和速效磷含量顯著積累，樟子松成熟林在7—9 月10～20 cm土層生長顯著。

關(guān)鍵詞 樟子松成熟林；土壤碳、氮、磷；林分生長；垂直變化

中圖分類號 S791.253 文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）02-0105-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.02.022

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Effects of Annual Growth on Soil Carbon， Nitrogen and Phosphorus in Mature Pinus sylverstris var. mongolica Plantations

HAN Zong-yu， LEI Ze-yong， WANG Guo-chen et al

（1.College of Environment Science and Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin，Liaoning 123000;2.Liaoning Institute of Sandy Land Management and Utilization，F(xiàn)uxin，Liaoning 123000）

Abstract [Objective]To reveal the effects of mature Pinus sylverstris var. mongolica annual growth on soil carbon， nitrogen and phosphorus.[Method]The artificial mature forest of Pinus sylverstris var. mongolica in Horqin Sandy land was selected as the research objects，and the root amputation handing was treated as a control， and the soil samples of 0-10，10-20，20-40，40-60 cm layers were collected to determine the soil organic carbon，total nitrogen，alkali-hydrolyzed nitrogen，total phosphorus，available phosphorus content.The effects of annual growth on soil carbon， nitrogen and phosphorus in the mature forest of Pinus sylverstris var.mongolica in Horqin Sandy Land were studied.[Result]The results showed that soil organic carbon content， soil alkali-hydrolyzed nitrogen content and soil available phosphorus content had significant changes， but soil total nitrogen and soil total phosphorus had little changes. The growth of organic carbon in forest land increased significantly after cutting roots， but not in open roots. Soil available phosphorus increased significantly in the growing season after root cutting. There was no significant increase in the growth season of uncut root plots.The changes of soil organic carbon， soil alkali-hydrolyzed nitrogen and soil available phosphorus in the mature forest from July to September were significantly higher than those from May to July， from September to November and from November to May of the next year. The changes of soil organic carbon， soil alkali-hydrolyzed nitrogen and soil available phosphorus in the 10-20 cm soil layer were significantly higher than those in the 0-10， 20-40 and 40-60 cm soil layers.[Conclusion]The annual growth of mature forest of Pinus sylverstris var. mongolica induced the significant accumulation of soil organic carbon content， soil alkali-hydrolytic nitrogen content and soil available phosphorus content， and the mature forest of Pinus sylverstris var. mongolica grew significantly in the soil layer of 10-20 cm from July to September.

Key words Pinus sylverstris var. mongolica;Soil carbon，nitrogen and phosphorus;Stand growth;Vertical variaton

基金項目 國家自然科學(xué)基金面上項目（31570709）。

作者簡介 韓宗育（1997—），男，遼寧莊河人，碩士研究生，研究方向：林業(yè)生態(tài)工程。*通信作者，教授，碩士，從事林業(yè)生態(tài)工程、水土保持與荒漠化防治研究。

收稿日期 2023-03-26

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤是存儲營養(yǎng)物質(zhì)的主要場所，土壤中碳、氮和磷含量影響著植物的生長發(fā)育。土壤有機碳是評價土壤質(zhì)量的主要因素之一，在森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。土壤有機碳輸入的主要方式是動植物殘體破碎分解，有機碳主要輸出方式是地表徑流和土壤呼吸。氮素是植物成活所必要的養(yǎng)分元素，也是植物生長發(fā)育的限制性元素。氮素循環(huán)較為復(fù)雜，在循環(huán)中土壤微生物起著重要作用。磷是生態(tài)系統(tǒng)中植物生長不可或缺的營養(yǎng)元素，但土壤中含磷化合物分解速率低。凋落物分解和大氣干濕沉降是土壤磷主要輸入方式，輸出方式是植物生長吸收利用和降雨淋溶。

沙地樟子松（Pinus sylverstris var. mongolica）原產(chǎn)于我國呼倫貝爾紅花爾基地區(qū)，具有耐寒、抗旱和較速生等優(yōu)良特性，在半干旱環(huán)境下長勢良好。在 20 世紀(jì)中期，樟子松人工林成功引種到科爾沁沙地東南緣的章古臺地區(qū)，該樹種現(xiàn)已成為我國防沙治沙、 “三北”防護林、北方防沙帶建設(shè)等重大工程的主要樹種之一，為我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)作出巨大貢獻。然而，自20世紀(jì) 90 年代以來，我國最早引種沙地樟子松成功的遼寧省章古臺地區(qū)，樟子松人工林出現(xiàn)嚴(yán)重的生長衰退問題。多位學(xué)者從栽植密度、群落穩(wěn)定性、林分競爭、病蟲害、土壤微生物、土壤養(yǎng)分、水分維持等角度進行了研究，取得了一些重大進展。然而，由于沙土地土壤養(yǎng)分含量瘠薄，風(fēng)蝕嚴(yán)重，養(yǎng)分問題影響復(fù)雜，尤其是成熟林的生長如何影響?zhàn)B分問題尚不清楚，阻礙了樟子松人工林生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)經(jīng)營?；诖?，筆者以章古臺地區(qū)成熟的樟子松人工林為基礎(chǔ)，研究其年生長對土壤碳、氮和磷含量變化的影響，理清基于林分生長的土壤碳、氮、磷變化規(guī)律，旨在為沙地樟子松人工林科學(xué)管理提供理論支撐。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省沙地治理與利用研究所章古臺試驗基地（

122°23′～122°33′E，42°39′～42°43′N）， 該地降水集中于 6—8 月，年降水量約 500 mm，年蒸發(fā)量約 1 600 mm。極端最低氣溫 -33.4 ℃，極端最高氣溫 43.2 ℃，年均氣溫 4.6～6.3 ℃。年平均風(fēng)速 4.5 m/s，大風(fēng)多集中在春季，多年平均無霜期為 154 d。土壤類型為風(fēng)沙土，包括生草風(fēng)沙土和流動風(fēng)沙土2個亞類，流動風(fēng)沙土以沙粒為主，占 94.7%，物理黏粒占 5.3%，有機質(zhì)含量 0.60～0.16 g/kg，全氮含量 0.17～0.38 g/kg，包括流動沙丘、半固定沙丘、固定沙丘和平緩沙地等地貌類型，pH 6.7 左右，代表性植物有中華萎陵菜（Potentillaan serina）、中華隱子草 （Cleistogenes chinensis）、胡枝子（Lespedeza daurica）、大果榆（Ulmus macrocarpa）和蒺藜梗（Agriophyllum squarrosum）等。研究區(qū)營建樟子松固沙林前為固定半固定沙地。

1.2 試驗地選擇

試驗標(biāo)準(zhǔn)地的選取遵循以下原則：①標(biāo)準(zhǔn)地所處的林地要有足夠大的面積，各標(biāo)準(zhǔn)地間的距離不少于 50 m，避免緊靠道邊、農(nóng)田，排除混交林;②各林齡林分標(biāo)準(zhǔn)地附近均有一定面積的天然草地，選擇各林分對照樣地;③標(biāo)準(zhǔn)地盡可能為平坦沙地。根據(jù)以上原則總共選取3 塊標(biāo)準(zhǔn)地進行研究，標(biāo)準(zhǔn)地面積均為 20 m×20 m。在各標(biāo)準(zhǔn)地隨機在樹冠下選擇 3 個 1 m×1 m 的樣方和對照樣方，去除地表上自然產(chǎn)生的凋落物后，在裸露地表上均勻放置分解袋。為了消除根系對土壤養(yǎng)分的吸收，試驗前半年在每個試驗樣方四周挖 100 cm 深、30 cm 寬的溝，將雙層鋼絲網(wǎng)（孔徑為 0.1 mm）靠壁埋入，然后填入土壤，即四周進行截根處理，而對照樣方不進行截根處理。

1.3 土壤樣品采集

試驗于 2021 年 5 月開始，葉凋落物分解時段分別設(shè)為 60、120、180、365 d，各時段設(shè) 3 次重復(fù)，于 2021 年 7、9、11月和 2022 年 5 月在取走凋落物袋時，采集凋落物袋下部的土壤樣品和對照樣品，在每塊樣地上按 4 個土層（ 0～10、10～20、20～40、40～60 cm）取樣，帶回實驗室，室溫風(fēng)干后研磨過篩，用于土壤化學(xué)性質(zhì)測定。

1.4 土壤理化因子測定方法

土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法－外加熱法測定，土壤全氮含量采用半微量開氏法測定，土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定，土壤全磷含量采用 NaOH 熔融-鉬銻抗比色法測定，土壤速效磷含量采用 NaHCO 法測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析 按照下式計算土壤理化因子變化量：

ΔX=X-X

式中：ΔX 為樣地截去根系處理與樣地未截去根系處理的差值；X 為樣地截去根系處理的測定值；X 為樣地未截去根系處理的測定值。

1.6 統(tǒng)計分析

運用 SPSS 20.0 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，對土壤碳、氮、磷含量年動態(tài)變化以及不同生長月份、不同土層土壤碳、氮、磷變化量進行單因素方差分析，判斷不同生長月份、不同土層和年動態(tài)變化對土壤碳、氮、磷含量及變化量的影響，并用 Origin 2021 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 樟子松成熟林年生長影響下的土壤碳、氮、磷變化特征

圖1表明，樟子松成熟林地不論截根與否，有機碳含量隨月份增加，在一年中，有機碳含量積累顯著增加；另外，有機碳不論是在生長季（5—9月）還是在非生長季（9至翌年 5月）均累積，但非生長季累積不顯著；截根和不截根處理林地的有機碳生長季增加均不顯著。樟子松成熟林全氮含量在生長季和非生長季均無顯著增加，但全氮含量在一年中呈增加趨勢，未截根樣地全氮含量大于截根樣地全氮含量。在未截根樣地和截根樣地，土壤堿解氮含量均逐月遞增，在一年中均顯著積累；生長季和非生長季堿解氮含量均無顯著增加。截根樣地全磷含量在一年中呈波動上升趨勢，但趨勢不顯著；在生長季初期，未截根樣地全磷顯著積累。土壤速效磷截根后生長季顯著增加；未截根樣地生長季增加不顯著；但速效磷含量在一年中積累顯著；速效磷在生長季和非生長季都積累，但均不顯著。

2.2 樟子松成熟林年生長對不同土層土壤碳、氮、磷變化的影響

由表1可知，樟子松成熟林土壤有機碳變化量在（79.80±8.25）～（451.50±35.80） mg/kg。除 0～10 cm土壤外，其他土層土壤有機碳變化量隨深度增加而降低，且 10～20 cm土層顯著高于其他土層。樟子松成熟林年生長過程中，7—9 月的變化量顯著高于其他月份，而其他月份間各土層變化量差異不顯著（除40～60 cm土層）。由表2可知，樟子松成熟林土壤全氮變化量在（-43.39±21.93）～（6.52±22.16） mg/kg，在 0～60 cm 土層均無顯著差異，但在10～60 cm土層隨土層深度增加而降低。由表3可知，土壤堿解氮變化量為（0.35±0.00）～（1.94±0.43） mg/kg，變化量在 10～60 cm土層隨土層深度增加而降低，且 10～20 cm土層顯著高于其他土層（除11月至次年5月20～40 cm土層）。林分年生長過程中，7—9 月堿解氮變化量顯著高于其他月份。表4顯示，成熟林土壤全磷變化量為（-2.98±4.06）～（5.13±2.36） mg/kg，且各土層間無顯著變化。由表5可知，樟子松成熟林土壤速效磷變化量為（0.06±0.01）～（0.27±0.01） mg/kg，其變化量在 10～60 cm 土層隨土層深度增加而降低，而在林分年生長中，7—9 月顯著高于其他月份。

3 討論

3.1 樟子松成熟林年生長對土壤碳、氮、磷的影響

樟子松成熟林地不論截根與否，土壤有機碳含量隨月份增加，且在一年中，土壤有機碳積累顯著。樟子松成熟林生長過程中，每年有大量凋落物，尤其是葉凋落物掉落，隨著月份的增加，土壤溫度升高，微生物活性增強，葉凋落物開始分解，分解過程中，不易分解的單寧、木質(zhì)素等物質(zhì)輸入到土壤中，增加了土壤有機碳的含量，導(dǎo)致土壤有機碳的積累。在非生長季盡管微生物活性差，但凋落物在光照、雪水融化及凍融交替的作用下，破碎的植物葉凋落物進入土壤，使非生長季有機碳積累，高嘉等研究發(fā)現(xiàn)，凍融環(huán)境顯著促進了針葉林凋落物有機碳分解破碎。截根后，林地土壤全氮含量沒有顯著變化，表明截根后的樣地微生物活動能力也沒有顯著變化，因此，土壤有機碳的增加可能來源于截根后根系死亡后的分解，這與張磊等的研究結(jié)果類似。

樟子松成熟林全氮含量在生長季和非生長季均無顯著增加，但全氮含量在一年中呈增加趨勢。和有機碳類似，凋落物分解過程中，隨著土壤有機碳含量的增加，土壤中腐殖質(zhì)含量相應(yīng)增加，增加了土壤全氮含量，導(dǎo)致土壤全氮的積累。未截根樣地和截根樣地土壤堿解氮含量逐月遞增，在一年中顯著積累。蔡銀美等研究表明，植物生長過程中伴隨著根系分泌大量的分泌物，由于根系分泌物中富含大量有機酸和糖，有機酸和糖中的草酸和葡萄糖能促使有機氮礦化，礦化后土壤堿解氮積累。

截根樣地全磷含量在一年中增加，但增加不顯著。這是由于植物根系分泌出有機酸等酸性物質(zhì)，促進土壤中難溶態(tài)磷溶解，使土壤全磷含量積累。研究區(qū) 7 月進入高溫多雨季，地表溫度升高，降雨量增多，土壤動物微生物活躍，根系凋落物及死根分解速率加快，全磷含量增加，使 7 月未截根樣地全磷含量顯著高于 5 月，且積累顯著。截根后速效磷生長季顯著增加，但未截根樣地生長季增加不顯著，但一年中積累顯著。截根后土壤中被植物吸收利用的速效磷減少，且生長季相對高溫，微生物活躍，凋落物分解加快，截根后生長季土壤速效磷顯著增加。而未截根樣地由于根系分泌物使土壤磷酸酶活性增強，土壤磷酸酶活性增強，使得有機磷礦化速率加快，增加了速效磷含量，使土壤速效磷含量積累。

3.2 樟子松成熟林年生長對不同土層土壤磷、氮、磷的影響

各土層中土壤有機碳變化量在 7—9 月顯著高于其余月份，7—9 月是研究區(qū)相對高溫季節(jié)，光照充足，有利于植物光合作用，光合產(chǎn)物增多，植物生長旺盛，微生物活性強，異氧呼吸增強，故 7—9 月土壤有機碳變化量顯著提高。土壤有機碳變化量在 10～20 cm土層顯著高于其他土層，可能由于樟子松是一種淺根性樹種，樟子松成熟林根系主要分布在 0～40 cm土層，再加上葉凋落物分解的影響，土壤有機碳含量增加隨土層深度而逐漸降低，因此 10～20 cm土層有機碳變化量提高更快是根系和凋落物綜合影響的結(jié)果。

樟子松成熟林年生長對土壤全氮變化量無顯著影響。說明樟子松葉凋落物分解、根系分泌物輸入、死亡根系分解釋放的堿解氮能夠滿足植物生長發(fā)育需求，需要土壤有機氮礦化少。而土壤堿解氮變化量在 7—9 月顯著高于其他月份，研究區(qū)在 7—9 月降雨相對充沛，促進植物和微生物生長，促進了有機氮的礦化，提高了土壤中尤其是細根層（10～20 cm）堿解氮的含量，供植物和微生物的生長。劉亞玲等研究表明，生長季降水促進塞罕壩樟子松的生長，植物和微生物生長旺盛，消耗土壤中堿解氮增多，7—9 月土壤堿解氮變化量顯著高于其他月份。

磷酸酶在土壤磷循環(huán)中扮演重要角色，土壤磷酸酶活性影響著土壤有機磷轉(zhuǎn)化速率。由于 7—9 月研究區(qū)相對高溫環(huán)境，溫度升高使土壤磷酸酶活性增強，促進土壤中有機磷礦化，礦化后速效磷含量升高，使植物和微生物吸收利用增多，導(dǎo)致 7—9 月土壤速效磷變化量顯著上升。和土壤堿解氮情況類似，土壤速效磷變化量在 10～20 cm土層顯著高于其他土層，主要是由于樟子松成熟林細根生物量在 10～20 cm土層較多，細根生物量多需要吸收更多的土壤速效磷，使得 10～20 cm土層土壤速效磷變化量顯著升高。

4 結(jié)論

沙地樟子松成熟后，其成熟林年生長促進了土壤有機碳含量、堿解氮含量和速效磷含量顯著積累，土壤全氮和全磷有增加的趨勢，但增加不顯著。在一年的過程中，樟子松成熟林土壤有機碳變化量、堿解氮變化量和速效磷變化量在7—9 月顯著高于其他月份，且 10～20 cm土層的有機碳變化量、堿解氮變化量和速效磷變化量顯著高于其他土層。

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