落葉松人工林土壤主要營養元素時空變異

孟 春，羅 京，龐鳳艷

(1.東北林業大學森林持續經營與環境微生物工程黑龍江省重點實驗室，哈爾濱 150040;2.哈爾濱市林業科學研究院，哈爾濱 150029)

土壤養分是土壤肥力的重要物質基礎，它不僅是植物營養元素的主要來源，同時也是影響土壤與空氣間氣體交換 (尤其是CO2)的重要因素。因此，國內外學者多年來對土壤營養元素及時空變異進行了大量的研究［1－2］。對于土壤營養元素的空間變異性，研究者多采取對不同利用類型和不同深度(層次)土壤進行取樣來討論其變異性［3－6］;對于土壤營養元素的時間變異性，研究者多以年為時間跨度來討論其變異性［7－11］。對不同利用類型和不同深度 (層次)土壤進行取樣研究，可以較好地揭示土壤營養元素的空間變異，而以年為時間跨度研究土壤營養元素的時間變異則忽視了植物生長季節性變化對土壤營養元素的影響。因此，本文以落葉松人工林地為研究對象，以月為時間跨度，并結合前人對該林地土壤營養元素的研究結果來討論土壤營養元素的時空變異性。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究地概況

東北林業大學哈爾濱實驗林場位于哈爾濱市區內馬家溝河西岸 (N45°15'，E128°37')，地形平緩，土壤為地帶性黑土，水分條件良好。屬于溫帶季風性氣候，年平均氣溫3.5℃，年積溫2 757℃，年降水量534 mm。

本次實驗選取該林場內落葉松 (Larix gmeliniRupr)人工林為研究樣地，該樣地于1959年春季用2年實生苗造林，初植密度0.5 m×1 m，前3年按常規方法進行撫育，1963年隔一行去一行。觀測期內，每1 hm2樣地上活立木864株，平均高22 m，平均胸徑18 cm，活立木蓄積58.86 m3，下草蓋度20%。

1.2 研究方法

在選定樣地上，以對角線形隨機選取5個取樣點，在每個取樣點挖出深約50 cm的土壤剖面。分別于2011年5月15日、6月24日、8月8日、9月15日和10月2日，分5次在每個剖面上從地表向下分別在5 cm、15 cm、30 cm和45 cm處取樣，土樣編號后放入取樣袋中，帶回室內進行烘干、粉碎、過篩，制備土樣供測定土壤營養化學元素之用。土壤全N采用半微量凱氏法測定，土壤水解性N采用堿解－擴散法測定，土壤全P采用氫氧化鈉－鉬銻抗比色法測定，土壤有效性P采用0.025 mol/L硫酸浸提法測定，土壤全K、速效性K采用火焰光度法測定，土壤C元素采用水合熱法測定，土壤pH值采用水浸電位法測定。除K元素進行4次測定外，其他各元素均進行了5次測定。

1.3 數據分析

采用經典統計方法計算每次取樣同層次各項測度指標的平均值、標準差。采用變異系數 (CV)說明各項指標的變異程度:CV=(S為標準差;為均值)。CV≤0.1屬于弱變異性，0.1＜CV＜1屬于中等變異性，CV≥1屬于強變異性［12］。采用方差分析說明各指標時空差異的顯著性。

2 結果與分析

2.1 N元素

觀測期內土壤全N含量平均值為901.69 mg·kg－1(見表1)，低于1983年該林地土壤全 N觀測值［13］。土壤全N含量雖然不同深度處差異性并不顯著 (p＞0.05)，含量最低的30cm處較含量最高的5 cm處僅低了17.46%，但呈現出上層 (5 cm)和下層 (40 cm)含量較高、中層 (15 cm和30 cm)較低的變化趨勢，這一變化趨勢與陳喜全［13］1983對該林地土壤全N沿深度方向變化趨勢 (下降)的研究結果有所不同。各次取樣間土壤全N含量差異性顯著 (p＜0.05)。8月8日和9月15日兩次取樣中各層次土壤全N含量較低，其余三次取樣中各層次土壤全N含量較高，含量最低的9月15日較含量最高的6月24日低了25.77%。觀測期內土壤全N含量平均變異系數為0.38，屬中等變異。15 cm和30 cm深度處的變異性大于5 cm和45 cm深度處的變異性，而各次取樣間變異系數無明顯規律性變化。

觀測期內土壤水解性N含量平均值為306.52 mg/kg(見表1)。不同深度處土壤水解性N含量差異不顯著 (p＞0.05)，且無顯著規律性變化，含量最低的45 cm處比含量最高的30 cm處僅低了10.09%。各次取樣間土壤水解性N含量差異性顯著 (p＜0.05)，5月15日和10月2日兩次取樣土壤水解性N含量較高，其余三次取樣土壤水解性N含量較低，含量最低的9月15日較含量最高的5月15日低了30.83%。觀測期內土壤水解性N含量平均變異系數為0.40，屬中等變異。15 cm深度處的變異系數大于其它各處，5 cm、30 cm和40 cm深度處變異系數基本相等;6月24日取樣變異系數稍大于其它各次取樣，5月15日、8月8日、9月15日和10月2日取樣變異系數基本相等。

2.2 P元素

觀測期內土壤全P含量平均值為285.63 ug/g(見表2)，低于1983該林地土壤全 P的觀測值［13］。土壤全P含量雖然在不同深度處差異性并不顯著 (p＞0.05)，但卻呈現隨深度增加而增加的趨勢，45 cm深度處較5 cm深度處增加了12.32%，這一變化趨勢與陳喜全［13］1983對該林地土壤全P沿深度方向變化趨勢的研究結果相同。各次取樣間土壤全P含量差異性顯著 (p＜0.05)，從5月15日第一次取樣至10月2日第五次取樣土壤全P含量呈現先減小后增加的變化趨勢。8月8日取樣土壤全P含量較5月15日取樣土壤全P含量減少了35.74%。觀測期內土壤全P含量平均變異系數為0.41，屬中等變異。從5 cm至45 cm深度方向上變異系數呈減小的變化趨勢，而各次取樣間變異系數無明顯規律性變化。

表1 落葉松林地土壤N元素統計值Tab.1 Statistical values of N content in Larix gmelini Rupr land mg·kg－1

表2 落葉松林地土壤P元素統計值Tab.2 Statistical values of P content in Larix gmelini Rupr land μg·g－1

觀測期內土壤速效P含量平均值為3.29 ug/g(見表2)。雖然不同深度處土壤速效P含量不差異顯著 (p＞0.05)，但呈現隨深度增加先減小后增加的變化趨勢，5 cm深度處速效P含量最高，15 cm深度處速效P含量最低，15 cm深度處速效P含量較5cm深度處減小了29.97%。各次取樣間土壤速效P含量差異性顯著 (p＜0.05)，從5月15日第一次取樣至10月2日第五次取樣土壤速效P含量呈現先減小后增加的變化趨勢，土壤速效P含量最低的8月8日較含量最高的10月2日低了28.17%。觀測期內土壤速效P含量平均變異系數為0.49，屬中等變異。變異系數隨深度的增加呈現先增加后減小的變化趨勢，15 cm處的變異系數最大，45 cm出變異系數最小，各次取樣間變異系數差異不大，且無顯著變化規律。

2.3 K元素

觀測期內土壤全K含量平均值為740.07 mg/kg(見表3)。不同深度處土壤全K含量差異性不顯著(p＞0.05)，且未呈現出規律性的變化趨勢，最小值 (15 cm深度處)比最大值 (5 cm深度處)僅小了5.73%。各次取樣間土壤全K含量差異性顯著 (p＜0.05)，從6月24日第一次取樣至10月2日第四次取樣土壤全K含量呈現出先減小后增加的變化趨勢。土壤全K含量最低的9月5日較含量最高的6月24日低了31.78%。觀測期內土壤全K含量平均變異系數為0.17，屬中等變異。變異系數隨深度的增加呈現逐漸減小的變化趨勢，各次取樣間變異系數呈增大的變化趨勢。

表3 落葉松林地土壤K元素統計值Tab.3 Statistical values of K content in Larix gmelini Rupr land mg·kg－1

觀測期內土壤速效K含量平均值為70.30 mg/kg(見表3)。不同深度處土壤速效K含量差異性不顯著 (p＞0.05)，且未呈現出規律性的變化趨勢，最小值 (15 cm深度處)比最大值 (5 cm深度處)僅小了8.22%。各次取樣間土壤速效K含量差異性雖不顯著 (p＞0.05)，但各次取樣土壤速效K含量平均值卻表現出先增加后減小的變化趨勢，最大值 (8月8日)較最小值 (6月24日)大了13.05%。觀測期內土壤速效K含量平均變異系數為0.17，屬中等變異。變異系數隨深度增加表現為先增加后減小，而在各次取樣間變異系數則表現為先減小后增加。

2.4 C元素

觀測期內土壤C元素含量平均值為17.38 g/kg(見表4)，略低于1983年該林地土壤C元素的觀測值［13］。不同深度處土壤C元素差異性雖不顯著(p＞0.05)，最小值 (5 cm深度處)比最大值(15 cm深度處)僅小了7.92%，但卻表現出隨深度增加先增加后減小的變化趨勢，這與陳喜全［13］1983年對該林地土壤C元素的觀測值隨深度變化的趨勢恰好相反。各次取樣間C元素差異性顯著(p＜0.05)，從5月15日第一次取樣至10月2日第五次取樣土壤C元素含量呈現遞增的變化趨勢，10月2日取樣土壤C元素含量較5月15日取樣增加了19.06%。觀測期內土壤C元素平均變異系數為0.19，屬中等變異。變異系數隨深度增加表現為先減小后增加，而各次取樣間變異系數差異不大，且無顯著變化規律。

表4 落葉松林地土壤C元素統計值Tab.4 Statistical values of C content in Larix gmelini Rupr land g·kg－1

2.5 pH值

觀測期內土壤pH值平均值為5.61，低于1983年該林地土壤pH值的觀測值［13］。不同深度處土壤pH值差異性雖不顯著 (p＞0.05)，各層pH值變化很小，最小值 (5 cm深度處)比最大值 (15 cm深度處)僅小了0.89%，但卻表現出隨深度增加先增加后減小的變化趨勢，這與陳喜全［13］1983年對該林地土壤pH值隨深度變化的趨勢略有不同。各次取樣間土壤pH值差異性顯著 (p＜0.05)，從5月15日第一次取樣至10月2日第五次取樣土壤pH值呈現先減小后增加的變化趨勢，最小值 (9月15日)較最大值 (5月15日)減小了10.56%。觀測期內土壤pH值平均變異系數為0.04，屬弱變異。不論在深度方向上還是在各次取樣間變異系數均變化不大，且無顯著變化規律。

表5 落葉松林地土壤pH值統計值Tab.5 Statistical values of pH in Larix gmelini Rupr land

3 結論與討論

長期栽培人工針葉純林會導致地力下降，影響林木生長，尤其是落葉松純林［14］。陳立新等人［15］對大興安嶺地區落葉松林地不同發育階段土壤肥力的研究顯示，隨林齡的增加，除有機質含量略有增加外，全P、速效K含量均下降，土壤酸度則增加。在有對比數據的幾個土壤營養元素中，本文的研究結果，支持了上述結論，土壤全N、全P、C元素含量均較1983年的觀測值下降，而土壤酸度上升。造成這一結果的原因既與落葉松生長從土壤中吸收營養元素有關，也與落葉松凋落物層的分解特征和分解產物有關。落葉松凋落物分解 (礦化)速度慢，養分難以真正歸還到土壤中去，造成土壤有效養分庫的過度消耗［16－17］，并且，落葉松凋落物的單產、樹脂含量較高，而礦質元素 (灰分)含量較低，從長遠觀點看只能使土壤向著板結、酸化和貧脊的方向發展［18］。

土壤營養元素在土壤剖面垂直方向上含量的變化既與成土過程有關，也與植物生長、枯落物和殘體的分解以及不同元素的特性有關，所以，即使土壤類型相同，但利用方式不同，土壤營養元素在土壤剖面垂直方向上含量的變化趨勢也會明顯不同。相對于1983年該林地而言，經過近30年的生長，落葉松林已從中齡林生長為成熟林，生長速度降低、根系發達。此時，分解周期極短的細根分解成為影響土壤營養元素變化的一個重要因素［19］。在細根分解過程中，對于土壤有機質、全N、全P而言是個增值的過程，而對于K元素而言則是個相對減少的過程［20］，因此，盡管上述各營養元素總量相對于1983年有所下降，但在土壤剖面垂直方向上含量的變化趨勢與1983年有所不同。0～40 cm的A層富含根系，45 cm處屬于AB層，根系極少見［13］，根系的這一分布特點決定了C元素由于積累而呈現隨深度增加先增加后較小的變化趨勢，并且由于落葉松細根分解產物的特性決定了土壤pH值也呈現同樣的變化趨勢;全N由于根系對水解性N的吸收而呈現隨深度增加先減小后增加的變化趨勢，水解性N表現出與全N相近似的變化趨勢。K元素 (包括全K和速效K)則由于自身對植物體生長時期的選擇差異而在細根分解中含量極少導致其含量在深度方向無明顯的增加或減小。全P含量在土壤剖面垂直方向上的變化極具特殊性，本次觀測結果與1983年的觀測具有同樣的變化趨勢，即隨深度增加全P含量呈增加的趨勢，這可能是由于磷的移動性小［21］，只是在淋溶作用下使全P發生沉積而使下層較上層具有高的全P含量;而由于在15～30 cm深度處土壤pH值較高，降低了磷的有效性［22］，導致速效P呈現隨深度增加先減小后增加的變化趨勢而區別于全P的變化趨勢。

除C元素外，其他各項土壤營養元素均表現出生長旺盛月份含量 (或值)較低，其他月份含量 (或值)較高的變化趨勢。N、P、K元素作為植物體的營養元素，生長初期 (6月份)在植物體內都有較高的積累［23－24］，導致經7、8月份植物速生期的波動變化后，土壤中N、P、K元素含量降低。C元素和pH值的月份變化則與細根的分解相關，即細根分解導致土壤C元素的積累而使之增加;pH值在細根分解旺盛月份降低。

由于研究樣地是經由松花江、阿什河的長期侵蝕、搬運和堆積作用下，形成的復微度分割的沖積平原和河漫灘沼澤濕地［13］，土壤和營養元素的空間差異不大，在栽植落葉松純林后，由于樹種單一，對土壤營養元素的空間差異影響甚微，因此，除pH值為弱變異外，其他各元素僅為中等變異，林地土壤均質性較好。

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