遼寧省半干旱與濕潤地區(qū)樟子松人工林土壤肥力對比分析

摘要：為了了解土壤肥力對樟子松生長的影響，從而幫助制定有效的土壤改良措施，提高人工林的健康和可持續(xù)性，研究對半干旱與濕潤地區(qū)進(jìn)行了對比，選取成熟樟子松林地及相鄰原土地利用樣地為對照，通過野外調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)測定土壤理化性質(zhì)，并構(gòu)建回歸模型分析各因子對土壤養(yǎng)分變化的影響。結(jié)果顯示，在半干旱區(qū)，原始樣地SOC含量高于對照樣地，最高為凌源宋杖子30.0 g/kg，全氮含量也以原始樣地較高為主。原始樣地SOC含量普遍高于對照樣地，濕潤區(qū)高于半干旱區(qū)。表層（0-10cm）主要受pH和速效磷影響，深層（20-40cm）受細(xì)顆粒影響顯著，R²最高達(dá)0.964。速效磷差異區(qū)域性明顯，撫順清原和本溪桓仁對照樣地顯著增加。上層土（0-10cm）的有機(jī)碳變化率主要受全氮影響，較深層（20-40cm）則受速效磷和細(xì)顆粒影響。在濕潤地區(qū)營建樟子松人工林更有利于土壤氮素的積累，而半干旱地區(qū)氮素積累較慢，濕潤區(qū)土壤磷素積累較少。研究為人工林的可持續(xù)管理提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：遼寧。樟子松。人工林。肥力

中圖分類號：S714.2"""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Comparative study on soil fertility of Pinus camphor plantation in semi-arid and humid areas of Liaoning Province

Abstract： To understand the influence of soil fertility on the growth of P. camphor， and thus help formulate effective soil improvement measures to improve the health and sustainability of the plantation， this study compared semi-arid and humid areas， selected mature P. camphor forest and adjacent original land use plots as controls， and determined the soil physical and chemical properties through field investigation and laboratory tests. A regression model was established to analyze the effects of each factor on soil nutrient change. The results showed that SOC content in the original sample was higher than that in the normal sample， the highest level was 30.0 g/kg in Songzhangzi， Lingyuan， and total nitrogen content was mainly higher in the original sample. SOC content in the original sample was generally higher than that in the control area， and that in the humid area was higher than that in the semi-arid area. The surface layer （0-10cm） was mainly affected by pH and available phosphorus， and the deep layer （20-40cm） was significantly affected by fine particles， with the highest R² of 0.964. The difference of available phosphorus in different regions was obvious， and the amount of Huanren in Qingyuan and Benxi of Fushun increased significantly. The organic carbon change rate of the upper soil （0-10cm） was mainly affected by total nitrogen， while that of the deeper soil （20-40cm） was affected by available phosphorus and fine particles. The soil nitrogen accumulation was more favorable in the humid area， while the nitrogen accumulation was slower in the semi-arid area， and the phosphorus accumulation was less in the humid area. The research provides scientific basis for sustainable management of plantation.

Key words： Liaoning; Camphor pine; Plantation forest; Fertility

植物通過光合作用吸收CO2，并結(jié)合從土壤中吸收的養(yǎng)分，生成有機(jī)物質(zhì)，這些物質(zhì)在植物衰老后部分歸還土壤，形成養(yǎng)分循環(huán)[1-2]。氣候變化直接影響生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)而改變土壤的理化性質(zhì)，影響土壤生態(tài)環(huán)境。樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）是北方常見的抗旱耐寒造林樹種，廣泛應(yīng)用于防風(fēng)固沙和生態(tài)修復(fù)工程[3]。隨著氣候變化和人類活動的增加，不同氣候區(qū)域的樟子松人工林生長表現(xiàn)和土壤肥力變化成為研究熱點(diǎn)。郎明翰等[4]采用雙累積曲線法驗(yàn)證樣地選取的合理性，并用空間代替時間法研究土壤變化規(guī)律。結(jié)果顯示，樟子松能夠提高林地土壤儲水量，降低土壤鹽度，樟子松林生態(tài)系統(tǒng)有助于水源涵養(yǎng)和抑制土壤鹽漬化。賀俊[5]研究了不同恢復(fù)年限的樟子松人工林土壤，結(jié)果顯示，全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)與分形維數(shù)正相關(guān)，樟子松人工林恢復(fù)顯著影響土壤粒徑和分形特征。遼寧省具備半干旱和濕潤2種典型氣候區(qū)，為研究氣候?qū)θ斯ち滞寥婪柿Φ挠绊懱峁┝霜?dú)特條件。南部濕潤區(qū)降水豐富，植被生長旺盛，土壤肥力較高。北部和西部半干旱區(qū)降水少，蒸發(fā)量大，土壤水分和養(yǎng)分流失，土壤肥力較低[6-7]。然而，針對遼寧省不同氣候區(qū)樟子松人工林土壤肥力的系統(tǒng)比較研究仍然較少。為此，選取了遼寧地區(qū)成熟樟子松林地及其相鄰原土地利用樣地為對照，通過野外調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)，測定土壤理化性質(zhì)，并創(chuàng)新性地構(gòu)建回歸模型分析各因子對土壤養(yǎng)分變化的影響。研究旨在通過比較半干旱與濕潤地區(qū)的土壤肥力，了解氣候變化對土壤和植物生長的影響，從而實(shí)現(xiàn)在不同地區(qū)選擇適宜的種植地點(diǎn)和管理措施。

1 研究區(qū)域概況

遼寧省的氣溫變化導(dǎo)致了氣候區(qū)劃分界線的改變。研究區(qū)域的地理和土壤條件多樣，植物區(qū)系復(fù)雜[8-9]。通過對不同氣候區(qū)域的研究，可以更全面地了解環(huán)境因素對生態(tài)系統(tǒng)的影響。因此，試驗(yàn)選取了半干旱和濕潤2種氣候區(qū)域的樣地。半干旱地區(qū)的樣地包括彰武縣、阜蒙縣、建平縣和凌源市。這些地區(qū)氣候干燥，年降水量較低，生態(tài)環(huán)境較為脆弱。

朝陽市建平縣在燕山山脈與遼沈平原交界處；凌源市地處遼西低山丘陵中部，西高東低；阜新市阜蒙縣以低山丘陵為主；彰武縣章古臺鎮(zhèn)位于科爾沁沙地南緣，鄰接內(nèi)蒙古科爾沁左翼后旗和阿爾鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

濕潤地區(qū)選取要求區(qū)域氣候濕潤，年降水量充沛，植被覆蓋良好。大連市瓦房店位于遼東半島中西部，地形從中央高地向東西兩側(cè)階梯狀降低至海濱，海拔從800 m以上的中山到120 m以下的臺地。本溪市桓仁縣地處遼寧省東部山區(qū)，主要為中低山地形，西北部有局部丘陵地形，地貌以濕潤流水作用的山地侵蝕構(gòu)造為主。撫順市清原縣在遼寧東部山區(qū)，地勢東南高、西北低，主要為低山丘陵和河谷。棕壤土分布于本溪市桓仁、大連市瓦房店、撫順市清原，質(zhì)地大多為壤質(zhì)，含石礫和黏粒較多，有機(jī)質(zhì)含量和含水率高。沙質(zhì)土分布于朝陽市建平、阜新市阜蒙縣和章古臺，質(zhì)地粗糙，主要由細(xì)沙顆粒組成，有機(jī)質(zhì)和含水率低。褐土則常見于凌源市宋杖子。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

在研究區(qū)選擇林齡50 a內(nèi)成熟的樟子松人工林，設(shè)置0.1 hm2（20 m×50 m）樣地。每個樣地四角標(biāo)記并記錄GPS位置，以便后續(xù)找到樣地。在樣地內(nèi)隨機(jī)選取5個樣點(diǎn)，劃分成5 m×5 m的小單元，隨機(jī)生成樣點(diǎn)坐標(biāo)并標(biāo)記位置，記錄GPS坐標(biāo)。每個樣點(diǎn)

使用土鉆或鏟子

采集0～20 cm深的土壤樣本，樣品放入袋中并注明樣點(diǎn)信息。在試驗(yàn)樣地附近選擇對照樣地并按相同方法采樣。所有樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理分析。樣地具體情況見表1。

2.2 試驗(yàn)方法

土壤理化因子的測定方法多樣，根據(jù)不同因子采用相應(yīng)

技術(shù)和步驟進(jìn)行分析：土壤速效磷采用NaHCO3法提取測定；土壤含水率采用烘干法測定[10]；土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定采用重鉻酸鉀容量法（Walkley-Black法）測定；土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用凱氏定氮法測定。土壤理化因子變化量（ΔXi）的計(jì)算公式[11]為

ΔXi=Xi-X0

（1）

式中：Xi代表樟子松林地中該因子i的測定值；X0則為相應(yīng)對照樣地中該因子i的測定值。為了分析土壤中碳（C）、氮（N）、磷（P）的生態(tài)化學(xué)計(jì)量相對變化率，采用逐步回歸分析方法[12]。在此過程中，通過統(tǒng)計(jì)方法排除自變量之間的共線性，確保模型的穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性。最終，獲得反映土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量相對變化率（P）的回歸方程

P=β0+βiPi

（2）

式中：β0表示常數(shù)；Pi表示造林土壤某理化因子i的相對變化率；βi為造林土壤某理化因子i的回歸系數(shù)。因此，土壤C、N、P的生態(tài)化學(xué)計(jì)量可以通過下式進(jìn)行表示

Ni=βiN0X0+N01+β0－βi

（3）

式中：β0表示基準(zhǔn)樣本的比例系數(shù)，通常β為1，其表示基準(zhǔn)樣本本身的標(biāo)準(zhǔn)化屬性；βi代表第i個樣本的比例系數(shù)，反映了該樣本相對于基準(zhǔn)樣本的某種特定屬性（如氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的變化情況；N0表示基準(zhǔn)樣本的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)?；鶞?zhǔn)樣本是用于比較和計(jì)算的參考點(diǎn)，其氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)用于標(biāo)準(zhǔn)化其他樣本的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)；X0表示基準(zhǔn)樣本的某種特定屬性的數(shù)值，比如碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)或磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用于標(biāo)準(zhǔn)化和計(jì)算比例系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

利用SPSS 23.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，比較不同處理或不同區(qū)域間土壤碳、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異。分析土壤碳、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其他土壤性質(zhì)（如pH、含水量）的關(guān)系。建立土壤碳、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其他因素之間的回歸模型。選擇其他養(yǎng)分因子及土壤pH等的相對變化率作為自變量，進(jìn)行逐步回歸分析。選取Plt;0.05的變量輸入模型。2個試驗(yàn)區(qū)的樟子松土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比情況見圖1。

由圖1可知，在半干旱區(qū)，凌源宋杖子原始樣地SOC含量最高，約30.0 g/kg，對照樣地約為21.5 g/kg。卓新卓蒙縣和章吉臺的原始樣地分別為15.2 g/kg、9.8 g/kg，對照樣地分別為9.9 g/kg、11.3 g/kg。朝陽建平的原始樣地12.2 g/kg，對照樣地2.2 g/kg。在濕潤區(qū)，大連1和大連2原始樣地分別為35.8 g/kg、45.9 g/kg，但大連2對照樣地超過36.4 g/kg，大連1約28.7 g/kg。撫順清原原始樣地為52.1 g/kg，對照樣地17.3 g/kg。本溪桓仁原始樣地40.0 g/kg，對照樣地低于6.8 g/kg。半干旱區(qū)原始樣地SOC含量普遍高于對照樣地，濕潤區(qū)樣地高于半干旱區(qū)。

圖2為半干旱區(qū)與濕潤區(qū)的樟子松土壤有機(jī)碳變化率影響因子的回歸分析結(jié)果。

根據(jù)圖2（a），在半干旱區(qū)，不同土層的土壤有機(jī)碳變化率受不同因子影響。上層土（0-10cm）的有機(jī)碳變化率主要受全氮影響，而在較深層土壤（20-40cm），速效磷和細(xì)顆粒是主要影響因子，對有機(jī)碳變化率的影響顯著。

由圖2（b）可知，半干旱區(qū)20-30cm和30-40cm土層的R2值較高，模型擬合度更好。

由圖2（c）與（d）可知，在濕潤區(qū)0-5cm土層中，全氮影響系數(shù)為2.637，但P值為0.546，影響不顯著，R2值為0.112，模型解釋力較弱。5-10cm土層，含水率影響系數(shù)為2.252，P值為0.016，影響顯著，R2值為0.623，模型解釋力較強(qiáng)。10-20cm土層，pH影響系數(shù)為0.026，P值為0.039，影響顯著，R2值為0.924，模型解釋力非常強(qiáng)。20-30cm土層，速效磷影響系數(shù)為1.622，P值為0.654，影響不顯著，R2值為0.243，模型解釋力較弱。30-40cm土層，速效磷影響系數(shù)為1.854，P值為0.389，影響不顯著，R2值為0.548，模型解釋力中等。

圖3為半干旱區(qū)與濕潤區(qū)的樟子松土壤堿解氮含量對比情況。

由圖3可知，全部的原始樣地的土壤全氮含量均高于對照樣地。凌源宋杖子的原始樣地土壤全氮含量最高，為0.34 g/kg，對照樣地約0.46 g/kg。其他地點(diǎn)的原始樣地土壤全氮含量在0.15 g/kg～0.30 g/kg，對照樣地在0.30 g/kg～0.45 g/kg。大連1和撫順清原原始樣地土壤全氮含量分別約為2.5 g/kg和3.5 g/kg，對照樣地則為1.5 g/kg和0.3 g/kg。大連2和本溪桓仁原始樣地土壤全氮含量分別為2.8 g/kg和3.0 g/kg，對照樣地分別為1.5 g/kg和1.0 g/kg?？傮w而言，不同氣候區(qū)的土壤養(yǎng)分具有差異性。圖4為不同區(qū)樟子松土壤堿解氮變化率影響因子結(jié)果。

由圖4（a）可知，在0-5cm土層，pH值對堿解氮變化率影響顯著（Plt;0.05），而在5-10cm土層，速效磷的影響力最強(qiáng)，R²為0.924。此外，0-5cm土層的pH值和5-10cm土層的速效磷對堿解氮變化率有較高的解釋力，R2分別為0.91 和 0.924。相比之下，10-20cm、20-30cm和30-40cm土層的R2值較低且P值大于0.05，表明細(xì)顆粒和含水率對這些深層土壤的堿解氮變化率影響不顯著。由圖4（b）可知，在濕潤區(qū)土壤中，有機(jī)碳和含水率對0-20cm表層土壤堿解氮變化率的影響較小，解釋力一般到中等，R²值為0.327～0.697。而在20-40cm深層土壤中，細(xì)顆粒和含水率成為主要影響因子，尤其是在20-30cm土層中，細(xì)顆粒的解釋力極強(qiáng)，R²為0.964。整體而言，隨著土層深度增加，模型對堿解氮變化率的解釋力逐漸增強(qiáng)，這表明深層土壤的物理特性對堿解氮變化率具有顯著影響。圖5為半干旱區(qū)與濕潤區(qū)的樟子松土壤速效磷含量對比情況。

由圖5可知，在半干旱區(qū)凌源未杖子原始樣地樟子松土壤速效磷含量約為4.0 mg/kg，對照樣地為5.8 mg/kg。阜新阜蒙縣原始樣地約為4.2 mg/kg，對照樣地為4.6 mg/kg。朝陽建平原始樣地約為7.8 mg/kg，對照樣地為4.7 mg/kg。阜新章古臺原始樣地約為1.6 mg/kg，對照樣地幾乎為2.9 mg/kg。大連1原始樣地約為4.8 mg/kg，對照樣地為5.0 mg/kg。大連2原始樣地約為5.2 mg/kg，對照樣地為5.1 mg/kg。撫順清原原始樣地約為10.1 mg/kg，對照樣地為15.2 mg/kg。本溪桓仁原始樣地約為14.9 mg/kg，對照樣地為12.3 mg/kg。速效磷含量的比較表明，大部分地區(qū)樣地間差異不顯著。然而，朝陽建平、阜新章古臺、撫順清原以及本溪桓仁顯示出明顯的區(qū)域性差異，其中濕潤區(qū)域如撫順清原和本溪桓仁速效磷含量在對照樣地有顯著增加。大連地區(qū)對照樣地的速效磷含量略低于原始樣地。

4.總結(jié)

為探討不同土壤肥力條件下樟子松人工林的生長情況，研究選取了遼寧省某些地區(qū)的樟子松的土壤，測定分析半干旱與濕潤地區(qū)樟子松人工林土壤肥力情況。結(jié)果表明，在半干旱區(qū)，原始樣地SOC含量高于對照樣地，最高為凌源宋杖子30.0 g/kg，對照樣地為21.5 g/kg。濕潤區(qū)SOC含量普遍較高，如撫順清原原始樣地52.1 g/kg，對照樣地17.3 g/kg。全氮含量也以原始樣地較高為主，如凌源宋杖子原始樣地為0.34 g/kg，對照樣地為0.46 g/kg。堿解氮變化率的影響因子因土層深度不同而異，表層（0-10cm）主要受pH值和速效磷影響，深層（20-40cm）受細(xì)顆粒顯著影響，R²值最高達(dá)0.964。速效磷含量差異較小，但撫順清原和本溪桓仁對照樣地顯著增加。不同土層的有機(jī)碳變化率受不同因子影響，上層土（0-10cm）的有機(jī)碳變化率主要受全氮影響，而較深層（20-40cm）則受速效磷和細(xì)顆粒顯著影響。速效磷含量在大部分地區(qū)樣地間差異不顯著，但濕潤區(qū)如撫順清原和本溪桓仁對照樣地速效磷含量顯著增加，表明樟子松林的建立對不同氣候區(qū)的土壤速效磷影響各異，濕潤區(qū)變化更為顯著。由于不同氣候區(qū)的樣本數(shù)量有限，可能無法全面代表整個地區(qū)或其他相似氣候區(qū)的土壤肥力狀況。未來研究應(yīng)擴(kuò)大樣本采集范圍，覆蓋更多不同氣候區(qū)和地理?xiàng)l件的樣本點(diǎn)，以增強(qiáng)結(jié)果的代表性和普適性。

參考文獻(xiàn)

[1]曾青，熊超，尹梅，等.植物微生物組生態(tài)功能與群落構(gòu)建過程研究進(jìn)展[J].生物多樣性， 2023， 31（4）：182-198.

[2]Javed A， Ali E， Afzal K B， et al. Soil fertility： Factors affecting soil fertility， and biodiversity responsible for soil fertility[J]. International Journal of Plant， Animal and Environmental Sciences， 2022， 12（1）： 21-33.

[3]梁嘉敏，霍鵬舉，郭濤，等.木質(zhì)素基腐植酸液體肥料對土壤生物化學(xué)性質(zhì)及香蕉幼苗生長的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)， 2023， 29（5）：980-990.

[4]郎明翰，張日升，韓輝，等.科爾沁沙地南緣樟子松人工林對土壤水鹽的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)， 2023， 37（5）：370-376.

[5]賀俊.毛烏素沙地樟子松人工林恢復(fù)過程中土壤粒徑演變特征[J].水土保持研究， 2023， 30（4）：110-114.

[6]梁瀚續(xù)，宋克超，張丹，等.IHACRES模型在不同干濕氣候區(qū)小流域的應(yīng)用研究[J].水文， 2023， 43（5）：76-83.

[7]王俐爽，同小娟，孟平，等.遼西半干旱地區(qū)兩種典型人工林生態(tài)系統(tǒng)能量通量及蒸散特征[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)， 2022， 46（12）：1508-1522.

[8]易雪，李得勤，楊森，等.植被覆蓋度增加對遼寧地區(qū)氣溫變化的影響研究[J].大氣科學(xué)， 2022， 48（2）：463-464.

[9]黃敬文，張冬有，王兆鵬，等.氣候變化對大興安嶺地區(qū)不同海拔落葉松徑向生長的影響[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2023， 51（11）：10-20.

[10]李娜，趙娜，王婭琳，等.高寒人工草地不同植被類型下表層土壤有機(jī)碳和無機(jī)碳變化及土壤理化因子[J].草地學(xué)報(bào)， 2023， 31（8）：2361-2368.

[11]張婧婷，石浩，田漢勤，等.1981—2019年華北平原農(nóng)田土壤有機(jī)碳儲量的時空變化及影響機(jī)制[J].生態(tài)學(xué)報(bào)， 2022， 42（23）：9560-9576.

[12]王文娟，鄒志科，羅文兵，等.不同精度土地利用數(shù)據(jù)對丘陵灌區(qū)HRU劃分閾值及產(chǎn)流的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2022， 53（9）：8-16.