遼寧北部樟子松人工林土壤養(yǎng)分含量變化研究

王詩童 王偉 曹宇

摘 ?要：為了解遼寧北部樟子松人工林土壤養(yǎng)分含量變化情況，以遼寧北部昌圖縣付家機(jī)械林場樟子松人工林土壤為對象，開展不同林齡林分土壤養(yǎng)分情況調(diào)查研究。結(jié)果表明：不同林齡樟子松人工林土壤碳、氮、磷等養(yǎng)分含量變化存在顯著差異，表層土壤（0-10cm）養(yǎng)分含量普遍高于亞表層土壤（10-20cm）。隨著樟子松林齡增加，土壤有機(jī)碳、全氮顯著增加，全磷變化不明顯，堿解氮表現(xiàn)為先增加后減少，速效磷含量持續(xù)減少，土壤C/N無明顯變化規(guī)律。相關(guān)分析表明，表層土壤（0-10cm）土壤有機(jī)碳含量與全氮含量正相關(guān)，與堿解氮含量負(fù)相關(guān)；土壤全氮含量與堿解氮、全磷、速效磷含量負(fù)相關(guān)。遼寧北部樟子松人工林土壤養(yǎng)分特征表現(xiàn)為不同林齡林分土壤碳、氮、磷含量存在表層富集現(xiàn)象；隨林齡增加，土壤碳、氮養(yǎng)分歸還增加，使土壤能夠得到有效補(bǔ)充，但土壤磷有效性較低，是限制土壤氮有效轉(zhuǎn)化的因素之一。

關(guān)鍵詞： 樟子松；人工林；土壤養(yǎng)分含量

中圖分類號： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Changes of Soil Nutrient content for Pinus sylvestris var. mongolica Plantations in North Liaoning Province

Wang Shitong1， Wang wei2， Cao Yu3

（1.National Forestry and Grassland Bureau Survey Planning and Design Institute， Beijing 100714， P.R. China; 2. State-owned Changtu Quantou Forest Farm in Liaoning Province， Changtu 112517， China; 3. Liaoning Research Institute of Sand Land Control and Utilization， Fuxin 123000， China）

Abstract ?The soil nutrients of Pinus sylvestris var. mongolica plantation in Fujia mechanical Forest farm of Changtu County， northern Liaoning Province were investigated. The results showed that there were significant differences in soil carbon， nitrogen and phosphorus contents among different forest ages， and the nutrient content of surface soil （0-10cm） was generally higher than that of subsurface soil （10-20cm）. With the increasing of age of Pinus sylvestris， soil organic carbon and total nitrogen increased significantly， total phosphorus did not change significantly， alkali-hydrolyzed nitrogen increased first and then decreased， available phosphorus content continued to decrease， and soil C/N did not change significantly. Correlation analysis showed that soil organic carbon content in surface soil （0-10cm） was positively correlated with total nitrogen content and negatively correlated with alkali-hydrolyzable nitrogen content， while soil total nitrogen content was negatively correlated with alkali-hydrolyzable nitrogen， total phosphorus and available phosphorus content. The characteristics of soil nutrients of Pinus sylvestris var. mongolica plantation in northern Liaoning showed that the contents of soil carbon， nitrogen and phosphorus were enriched in the surface layer of different ages， and the return of soil carbon and nitrogen nutrients increased with the increase of forest age， so that the soil could be effectively replenished and the availability of soil phosphorus is low， which is one of the factors limiting the effective transformation of soil nitrogen.

Key words ?Pinus sylvestris var. mongolica ; plantation ; soil nutrient content

土壤養(yǎng)分是構(gòu)成土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，森林土壤是維持林木健康生長的基質(zhì)，其肥力特征影響并控制著林木的健康狀態(tài)[1，2]。對于人工林建設(shè)而言，土壤養(yǎng)分的優(yōu)劣是影響林木生長重要的因素之一[3]。林分土壤養(yǎng)分狀況的差異使得林木生長產(chǎn)生很大不同，反過來林木的生長會通過根系分泌物、吸收和釋放等方式影響土壤碳氮磷等元素的含量和形態(tài)[1，4，5]。因此森林土壤養(yǎng)分的研究為林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營提供了重要依據(jù)。

樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）是歐洲赤松的地理變種，具有耐干旱、瘠薄，生長快，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)良特性。上世紀(jì)50年代，樟子松在科爾沁沙地東南緣的遼寧省彰武縣章古臺成功引種后，便成為我國“三北”地區(qū)主要的固沙造林樹種之一[6，7]。我國“三北”地區(qū)的多項防風(fēng)固沙工程建設(shè)中，樟子松的營造均取得了良好的造林與示范效果。遼寧省北部的昌圖縣付家機(jī)械林場，自上世紀(jì)60～70年代營造樟子松防風(fēng)固沙林，發(fā)展至今各類樟子松人工林面積達(dá)5486 hm2，占林場總經(jīng)營面積的63.6 %。目前，關(guān)于樟子松土壤化學(xué)計量方面的研究，國內(nèi)學(xué)者先后在其主要引種區(qū)開展過不同程度的研究[2，6-9]，而與遼寧北部地區(qū)相關(guān)的報道較少。因此，開展當(dāng)?shù)卣磷铀扇斯ち滞寥鲤B(yǎng)分變化研究，對補(bǔ)充完善樟子松引種區(qū)土壤地力評價及為生產(chǎn)經(jīng)營提供指導(dǎo)依據(jù)具有重要意義。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省鐵嶺市昌圖縣西北部的付家機(jī)械林場（43°31′N，124°30′E），地處科爾沁沙地東南邊緣一線，遼寧、吉林、內(nèi)蒙古三省區(qū)交匯處。地貌屬遼河沖積平原類型，地勢比較平坦，兼有少量橢圓型或圓形沙丘分布，平均海拔高度134.15 m。當(dāng)?shù)貧夂驅(qū)贉貛О霛駶櫚敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，年降水量550～607 mm，降水變率大，多集中在七、八月間，年蒸發(fā)量1843 mm，是降水量的3倍左右，相對濕度59%。年均氣溫6.3 ℃，年積溫3208 ℃，無霜期145～155 d。土壤類型為風(fēng)沙土，分為生草風(fēng)沙土和流動風(fēng)沙土兩個亞類。風(fēng)沙土物理沙粒含量較高，有機(jī)質(zhì)含量和其他養(yǎng)分含量比較低，pH值6～7之間。

2研究方法

2.1樣品采集與測定

試驗林分為樟子松純林，林齡為10 a、20 a、30 a和40 a四個齡組。分別在每個齡組內(nèi)，選擇生境條件一致，坡度、坡位、海拔高度近似的典型地塊設(shè)置3個樣方，每個樣方面積為30 m×20 m。在樣方內(nèi)使用土鉆沿“S”形進(jìn)行取樣，取樣深度為0-10 cm、10-20 cm，采用四分法取其混合樣約1 kg帶回實(shí)驗室。將取好的土樣自然風(fēng)干，分別過20目，100目篩。將篩后土樣裝進(jìn)自封袋，注明編號用于養(yǎng)分含量的測定。采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定土壤有機(jī)碳含量；采用凱式定氮法測定土壤全氮；采用堿解擴(kuò)散法測定土壤堿解氮；采用酸溶-鉬銻抗比色法測定土壤全磷；采用碳酸氫鈉法測定測定土壤速效磷[10]。樣地基本特征見表1。

2.2數(shù)據(jù)處理

對所獲得數(shù)據(jù)用Excel軟件進(jìn)行歸納整理。各指標(biāo)差異性檢驗采用SPSS23.0軟件進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA），Pearson檢驗進(jìn)行相關(guān)分析（α= 0.05）。

3 結(jié)果與分析

3.1 樟子松人工林土壤有機(jī)碳含量的變化

土壤有機(jī)碳是構(gòu)成土壤有機(jī)物質(zhì)的異質(zhì)混合體之一，其組分具有影響土壤肥力或土壤質(zhì)量的關(guān)鍵作用。由圖1可知，不同林齡林分土壤中有機(jī)碳的變化范圍在5.1 g/kg ～ 25.1 g/kg之間，0-10 cm深度土壤中的有機(jī)碳含量顯著高于10-20 cm深度（P<0.05），其中林齡40 a林下土壤有機(jī)碳含量最高，0-10cm為25.1 g/kg，10-20 cm為10.7 g/kg。隨著樟子松林齡增大，0-10 cm深度土壤中有機(jī)碳含量呈逐漸增加趨勢，30 a和40 a林分土壤有機(jī)碳含量顯著高于10 a和20 a（P<0.05）；10-20 cm深度，40 a林分土壤中有機(jī)碳含量顯著高于其他林分（P<0.05）。

3.2 樟子松人工林土壤全氮含量的變化

土壤全氮含量是反映土壤供氮潛力的指標(biāo)，對評價土壤肥力和生態(tài)系統(tǒng)健康有重要作用，反映了土壤中氮素的總量和氮素循環(huán)的情況。由圖2可知，不同林齡林分土壤中全氮含量變化范圍在0.60 g/kg ～ 2.33 g/kg之間，0-10 cm深度土壤中的全氮含量顯著高于10-20 cm深度（P<0.05），其中林齡40 a的土壤全氮含量最高，0-10 cm深度土壤可達(dá)到2.33 g/kg，10-20 cm深度土壤為1.61 g/kg。隨著樟子松林齡增大，0-10 cm深度土壤中全氮含量呈逐漸增加趨勢，40 a林分土壤全氮含量顯著高于20 a和30 a（P<0.05），顯著高于10 a（P<0.05）；10-20 cm深度土壤中全氮含量變化趨勢相似，40 a林分土壤全氮含量顯著高于30 a（P<0.05），顯著高于10 a和20 a（P<0.05）。

3.3 樟子松人工林土壤堿解氮含量的變化

土壤中氮的形態(tài)主要為無機(jī)氮和易分解的有機(jī)氮，例如銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、氨基酸和易水解蛋白等，是當(dāng)季植物吸收和利用的主要氮素，直接影響植物的生長和發(fā)育。由圖3可知，不同林齡林分0-20 cm深度土壤堿解氮含量總體變化范圍為2.99 mg/kg ～ 7.22 mg/kg。0-10 cm深度土壤中的堿解氮含量與10-20 cm深度土壤無顯著差異（P>0.05）。隨著樟子松林齡增大，0-10 cm和10-20 cm深度土壤堿解氮含量整體上呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在20 a林分達(dá)到最高值，10 a和20 a林分顯著高于30 a和40 a林分土壤堿解氮含量（P<0.05）。

3.4 樟子松人工林土壤全磷含量的變化

土壤全磷是土壤中有機(jī)磷和無機(jī)磷的總和，是評價土壤肥力的重要指標(biāo)之一。由圖4可知，除30 a林分以外，其他林齡林分相同深度土壤中全磷含量無顯著差異（P>0.05），0-10 cm深度土壤中的全磷含量顯著高于10-20 cm深度土壤，其中40 a林分最高為0.021 g/kg。隨著樟子松林齡增大，0-10 cm深度土壤中全磷含量整體上呈增加趨勢，10-20 cm深度土壤中全磷含量呈降低趨勢。

3.5 樟子松人工林土壤速效磷含量的變化

土壤速效磷通常為無機(jī)態(tài)，是植物生長所必需的可直接吸收利用的磷元素。由圖5可知，不同林齡林分土壤中速效磷含量的變化范圍在0.16 mg/kg ～1.49 mg/kg之間，0-10 cm深度土壤中的速效磷含量顯著高于10-20 cm深度（P<0.05），其中林齡為10 a的土壤速效磷含量顯著高于其他林齡林分，0-10 cm土壤達(dá)到1.49 mg/kg，10-20 cm土壤為0.49 mg/kg。隨著樟子松林齡增大，0-10 cm和10-20 cm深度土壤速效磷含量均呈現(xiàn)不同程度的減少，10 a林分土壤有效磷含量顯著高于20 a、30 a、40 a（P<0.05）。

3.6 樟子松人工林土壤C/N隨林齡的變化

土壤C/N是土壤碳、氮素循環(huán)的重要影響因素。由圖6可知，從整體上看，不同林齡林分的土壤C/N無顯著差異（P>0.05），0-10 cm土壤C/N約為11.12，10-20 cm土壤C/N。隨著樟子松林齡增大，0-10 cm和10-20 cm深度土壤C/N無明顯變化規(guī)律，其中0-10 cm深度土壤C/N最高值出現(xiàn)在30 a林分，10-20 cm深度土壤C/N最高值出現(xiàn)在10 a林分。

3.7 樟子松人工林土壤養(yǎng)分因子相關(guān)性分析

通過對不同林齡樟子松人工林土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮、全磷、速效磷及碳氮比等因子相關(guān)分析，得到各土壤養(yǎng)分因子相關(guān)系數(shù)矩陣（表2）。在0-10 cm深度，土壤有機(jī)碳含量與全氮呈極顯著正相關(guān)，與堿解氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)；土壤全氮含量與堿解氮呈極顯著負(fù)相關(guān)，與全磷、速效磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)。在10-20 cm深度，各土壤養(yǎng)分因子含量無顯著相關(guān)性。

4討論與結(jié)論

土壤碳、氮、磷是植物生長所必要的元素，且存在表層富集現(xiàn)象[2，6，7]。本研究中，樟子松人工林土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮、全磷、速效磷含量也表現(xiàn)出此種特點(diǎn)，造成此現(xiàn)象的原因是隨著林齡的增加，林木枯枝落葉層逐漸增厚，土壤表層有機(jī)質(zhì)分布增多，加之表層土壤通氣性好，利于土壤微生物生長和代謝，微生物分解轉(zhuǎn)化的有機(jī)碳不斷增多，促進(jìn)了土壤碳積累[9]。賈婷[11]等發(fā)現(xiàn)濕地松人工林生態(tài)系統(tǒng)中，幼齡林土壤碳和氮含量顯著低于中齡林和成熟林，中齡林土壤全磷含量顯著高于其他林齡。李鵬[12]等的研究結(jié)果也有相似結(jié)論，但其研究結(jié)果中，土壤全磷含量隨著林齡的增加呈先降低后升高的趨勢。本研究中，遼寧北部不同林齡樟子松人工林土壤有機(jī)碳、全氮與林齡增加呈正相關(guān)，說明在無環(huán)境擾動的情況下，隨著樟子松人工林林齡的增加，樹木以枯枝落葉、淋溶等形式進(jìn)行的養(yǎng)分歸還活動越來越頻繁。加之土壤動物和微生物的分解，使得土壤碳庫和氮庫得到了補(bǔ)充；全磷含量整體上無顯著變化，且速效磷逐漸降低，這與前人研究結(jié)果相似[13，14]。可能與磷素作為科爾沁沙地土壤的主要限制因素有關(guān)，易形成難溶性鹽沉淀[8]，在土壤中不易遷移，土壤磷元素含量始終維持在較低水平[1，3]。此外，隨著林分發(fā)育，樟子松人工林土壤環(huán)境易酸化，也會促使無機(jī)磷轉(zhuǎn)化為團(tuán)聚體內(nèi)磷或閉蓄態(tài)磷，降低土壤磷的有效性[2，15]。土壤堿解氮含量在20 a樟子松林分突然下降（圖3），可能與土壤磷有效性降低有關(guān)，土壤速效磷含量無法維持10 a時的水平（圖5），二者不能形成有效互補(bǔ)，使得磷酸酶、脲酶等有關(guān)土壤養(yǎng)分歸還和轉(zhuǎn)化的酶難于形成，即使土壤全氮含量維持在較高水平，也無法形成有效的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、易水解磷等為植物所用[16]。因此，針對遼寧北部地區(qū)樟子松人工林土壤地力維持，應(yīng)結(jié)合林分不同發(fā)育階段土壤養(yǎng)分情況及養(yǎng)分需求匹配關(guān)系，合理施用氮肥、適時配施磷肥。

參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)

[1] 劉超華，李鳳巧，廖楊文科， 等. 人工林對土壤地力的影響過程及其調(diào)控研究進(jìn)展[J]. 土壤學(xué)報，2023，60（3）：644-656.

[2]吳強(qiáng)，楚聰穎，宋偉，等.塞罕壩壩上地區(qū)樟子松人工林的土壤養(yǎng)分研究[J].林業(yè)資源管理，2016（1）：90-98.

[2]楚聰穎.塞罕壩地區(qū)樟子松人工林生長規(guī)律及其土壤養(yǎng)分變化[D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

[3]向萬勝，黃敏，李學(xué)垣.土壤磷素的化學(xué)組分及其植物有效性[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2004，10（6）：663-670.

[4]馬姜明，李昆.元謀干熱河谷人工林的土壤養(yǎng)分效應(yīng)及其評價[J].林業(yè)科學(xué)研究，2006，19（4）：467-471.

[5]戴文圣，黎章矩，程曉建，等.香榧林地土壤養(yǎng)分狀況的調(diào)查分析[J].浙江林學(xué)院學(xué)報，2006，23（2）：140-144.

[6]張日升，遲琳琳，肖巍，等.不同密度樟子松人工林土壤養(yǎng)分變化特征[J].遼寧林業(yè)科技，2021（6）：1-4，58.

[7]張日升，賈樹海，王薇薇.樟子松人工林土壤有機(jī)碳及腐殖質(zhì)碳組成的變化特征[J].遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020（4）：1-6.

[8]石亮，張日升.樟子松人工林混交改造后土壤養(yǎng)分綜合評價[J].林業(yè)資源管理，2021（1）：132-139.

[9]程昊天，孔濤，呂剛，等.不同林齡樟子松人工林根際與非根際土壤生態(tài)化學(xué)計量特征[J].浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報，2021，38（5）：1058-1065.

[10]鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M].3版. 北京： 中國農(nóng)業(yè)出版社，2005.

[11]賈婷，諶夢云，張露，等.不同林齡濕地松葉、枝、根與土壤的生態(tài)化學(xué)計量及穩(wěn)態(tài)性特征[J].核農(nóng)學(xué)報，2023，37（2）：397-404.

[12]李鵬，零天旺，楊章旗，等.不同林齡馬尾松人工林葉片–土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計量特征研究[J].西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2023，43（1）：88-98.

[13]趙滿興，楊帆，馬文全，等.黃土丘陵區(qū)沙棘人工林土壤養(yǎng)分及酶活性季節(jié)變化[J].水土保持研究，2023，30（2）：58-66.

[14]魏亞娟，汪季，黨曉宏，等.干旱荒漠區(qū)人工梭梭林土壤碳氮磷密度與生態(tài)化學(xué)計量特征[J].水土保持學(xué)報，2022，36（3）：259-266.

[15]任常琦，王進(jìn)闖，程漢亭，等.不同林齡橡膠（Hevea brasiliensis）林土壤微生物群落和磷組分的變化[J].生態(tài)學(xué)報，2017，37（23）：7983-7993.

[16]閆德仁，張勝男，黃海廣，等.沙地樟子松人工林土壤養(yǎng)分和酶活性變化研究[J].西部林業(yè)科學(xué)，2019，48（3）：10-15.