遼東典型農田防護林養分循環對土壤養分耗損的影響

摘要：為研究遼東山區3種典型農田防護林養分循環對土壤性質的影響規律，本研究通過野外調查采樣、室內養分含量測定，進而對農田防護林養分在各分室積累和分布、養分循環特征進行研究測算，利用土壤養分年耗損率來表征養分循環對土壤養分耗損的影響，探討由于養分循環引起的土壤退化風險。研究結果可為防治森林土壤退化和農林復合提供一定的參考依據。

關鍵詞：農田防護林；養分循環：土壤養分耗損

中圖分類號： S152 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2015.19.040

多年來，遼寧省部分地區時常遭到風災、旱災等自然災害的侵襲，土壤侵蝕也比較嚴重，造成農作物減產，農民生活水平低下等危害。為此，當地將構建以人工林為主的自然災害防御體系作為一項戰略措施和具體任務。研究表明，遼寧省人工林在防風固沙、保持水土、涵養水源和抵御自然災害方面發揮了重要作用[1] 。但是，防護體系中的人工純林在多年連續生長后，出現生長衰退、土壤退化和生長更新困難等不良現象[2-3]。防護林養分循環作為農田防護林生態系統基本功能過程之一，是系統生產力及持久性的決定因素[4]。林分養分生物循環是森林土壤和植物間養分元素之間的流動過程，是通過林木及林下植被的吸收、存留和歸還 3 個不同的生理生態學過程來維持平衡的[5-6]。由于人工興建的防護林枯落物種類較為單一，養分循環利用具有選擇性，所以人工純林養分循環必然對土壤性質有一定的特殊性影響。為此，本研究選擇遼寧省典型農田防護林為研究對象，通過林地養分循環測算，研究林木生長過程中養分循環利用對土壤產生的特殊環境效應，進而分析其所導致的土壤養分耗損風險，旨在為防治防護林土壤退化和遼東農林復合提供有價值的科學理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地位于遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣。寬甸縣地處長白山脈與千山山脈過渡地帶、遼東斷塊山地丘陵區。山地丘陵約占總面積的85%。氣候為溫帶大陸性氣候，寬甸境內系東北暴雨中心區，最多年降雨量達1815毫米，最少年降雨量659.5毫米，年降水日數113.6日，無霜期129天。林地面積741萬畝，活立木蓄積量2445萬立方米，森林覆蓋率78%。

1.2 野外調查與樣品采集

于秋季旺盛生長的末期，針對3種常見防護林紅松、板栗、榛子選擇具有典型代表性的立地條件，每個樹種分別建立3米 ×3 米的3塊樣方，調查防護林的立地因子（坡向、坡度等）、生長因子（林分平均密度、樹齡、株高、胸徑等）見表1。

土壤樣品采集：在所建立的標準地和樣方內，均勻設置5個1米×1米大小的小樣方，清理枯落物層后收集每個樣方0～20 厘米、20～40厘米的土壤，然后將5個樣方的土壤充分混合，除去葉子、根系、石塊等雜物后磨碎過孔徑1毫米的土壤篩備用。

植物樣品采集：在每個標準地或樣方內，選擇生長正常的標準株（2～4株）作為取樣木，采集樹木樹冠中部不同方向的葉、枝（分1～2年生幼枝，多年生老枝），胸高處不同方向干材、干皮，挖掘法采集根系（分φ<0.5 厘米細根和φ>0.5厘米粗根）混合樣品。同時，在每個標準地內均勻設置5個1米×1米大小的凋落物收集網和小樣方，直接測定年凋落量和林地枯落物積累量。所有植物樣品經漂洗干凈后在65℃下迅速殺青烘干、粉碎過1毫米篩備用。

1.3 土壤及樹木樣品室內養分測定

樹木和土壤養分含量取樣測定：所有樹木和土壤樣品的養分含量均按照常規方法測定[7]，即氮采用半微量凱氏定氮法測定，磷采用鉬藍比色法測定，鉀采用火焰光度計法測定。測定均采用3次重復（誤差不超過5%）的平均值。

1.4 數據處理與分析

初步的數據整理采用 Excel軟件完成，然后用統計軟件SPSS等軟件對測定的數據進行分析。計算林分生物量和生產力、養分循環通量、養分年存留量、養分年歸還量、養分吸收系數、循環系數等指標。養分循環導致土壤養分耗損用土壤養分年耗損率來反映，即每年單位面積上林木從土壤凈吸收的某種養分量與土壤（0～40厘米土層）中相應養分儲量之比。

2 結果與分析

2.1防護林林分生物量及枯落物量

遼東山區防護林林分生態系統的生物量及枯落物量見表2。其中板栗林分的生物量最高，為111.01 噸/公頃，其次為榛子林分，紅松林分生物量最低，為93.94 噸/公頃。從林木各組分的生物量比較得知，干的生物量占總林木生物量的50%以上，葉的生物量較少，地上部分的生物量是地下部分的4～8倍。板栗林分枯落物量最高，為4.07 噸/公頃。榛子和紅松林分枯落物量較小，分別為1.95 噸/公頃和0.92 噸/公頃。

2.2防護林不同分室中主要養分元素的積累與分布

3種人工防護林生態系統主要養分元素的積累量測算結果見表3。

從表3 可以看出，榛子林分N主要積累于葉和干，其次為根，而在枝中最少；P主要積累于干，其次為根，而在葉和枝中很少；K主要積累于干，其次為根和葉，而在枝中很少。紅松林分N主要積累于根和葉，其次為干和枝；P主要積累于根和干，其次為葉和枝；K主要積累于根，其次為干，再次為枝和葉。板栗林分N基本均勻積累于不同器官；P主要積累于根，其次為枝、葉和干；K主要積累于根，其次為枝和葉，再次為干。可見，干作為生長鈍性器官由于生物量大會積累較多的養分，而作為生長活性器官的根和葉也是養分積累的主要場所。榛子林分P元素和K元素的總積累量最高，分別為77.590 公斤/公頃和237.256 公斤/公頃；板栗林分N元素的積累量最高，為435.131 公斤/公頃，紅松林分P和K元素的積累總量最低。三種主要養分元素中，N的含量及積累量都要比P和K高，排序為：N>K>P。

2.3 防護林生物循環量及特征參數

防護林土壤貯量及生物循環量測算結果見表4，從表4可以看出，防護林中3種主要養分元素的貯量都較高。其中，N的貯量在6911～10340 公斤/公頃，P的貯量在1833～3234 公斤/公頃，K的貯量在4218 ～6979 公斤/公頃。板栗林分土壤中N和P養分貯量最高，紅松林分土壤K的貯量最高。榛子林分的土壤P、K養分貯量最低；紅松林分N貯量最低。

3種林分中，養分元素的年吸收量最多的林分為板栗林分，其中N的年吸收量為：46.952kg·hm-2·a-1，P的年吸收量為：11.972 kg·hm-2·a-1，K的年吸收量為：38.663 kg·hm-2·a-1，高出紅松林養分元素年吸收量2～7倍。3林分生態系統中主要養分元素年存留量較低的是榛子林和紅松林，最高的是板栗林分。榛子林分N的年歸還量是最高的，為37.231 kg·hm-2·a-1；板栗P和K的年歸還量最高，分別為9.273 kg·hm-2·a-1，31.032 kg·hm-2·a-1；歸還量最低的是紅松林。從3種林分的整個生物循環量來看，榛子和板栗林分較高，紅松的生物循環量最低。

根據土壤貯量和生物循環量計算出各生物循環特征參數見表5。從表5可以看出，在3種防護林中，板栗林分的3種養分元素的吸收系數較高，平均值在0.5左右，紅松吸收系數最低，平均值為0.159。板栗林P和K循環系數最高，說明板栗林養分循環速率快，養分流通活躍；其次是榛子林分，紅松林分養分循環系數最低。板栗林分的養分利用系數最高，平均值在0.142，養分的貯存能力大于其他兩種人工林分。紅松林的養分生產力最高，平均值為0.660，屬于養分節約型；其次是榛子林分，養分生產力平均值為0.286；板栗林養分生產力最低，為0.146。

2.4 防護林養分循環量對土壤性質退化影響分析

榛子林分中有效P、全K養分的年耗損率較大，說明土壤中這2種養分元素發生退化的可能性較大；紅松林分中全N和有效N年耗損率較大，周轉期較短，發生土壤退化的可能性較大；板栗林分中的全P和有效K年耗損率較大，發生土壤退化的可能性較大（詳見表6）。

3 結論與討論

林木對養分需求的選擇性導致了養分在林木與土壤之間的循環規律因樹種和養分不同而具有明顯差異。一般而言，高吸收、快循環的養分具有較低的養分生產力（即浪費利用型），相反，低吸收、慢循環的養分具有較高的養分生產力（即節約利用型）[9]。本文的研究結果得出，板栗屬于高吸收、快循環、高利用、低生產力型；紅松屬于低吸收、慢循環、低利用、高生產力型；榛子屬于中等吸收、中等循環、低利用、中生產力型。在不考慮其他養分輸入的情況下，林地養分循環最終影響到土壤養分虧損速率，其中有效養分虧損直接影響生長季節的養分補給能力，而全量養分虧損影響土壤的長期養分補給潛力。榛子林分中有效P、全K養分的年耗損率較大，說明土壤中這2種養分元素發生退化的可能性較大；紅松林分中全N和有效N年耗損率較大，周轉期較短，發生土壤退化的可能性較大；板栗林分中的全P和有效K年耗損率較大，發生土壤退化的可能性較大。研究結果可為防治森林土壤退化和農林復合提供有價值的科學理論依據。

參考文獻

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[9] 劉增文，王乃江，李雅素.森林生態系統穩定性的養分原理[J]. 西北農林科技大學學報，2006，34（12）：129-133.

作者簡介：榮立利，本科學歷，寬甸縣硼海鎮林業工作站，助理工程師，研究方向：林業經營。