幾個東南沿海防護林樹種對土壤碳、氮及主要鹽基陽離子的影響

黃猛　丁國昌　李樹斌　林宇　黃玉梅　趙苗菲　黃志群　何宗明

摘要：探索福建東南沿海退化木麻黃林地的改良樹種——紋莢相思、巨尾桉、卷莢相思、厚莢相思、肯氏相思5種主要植物群落類型的土壤碳、氮含量及主要鹽基陽離子的特征。結果表明，不同植被類型、不同土壤層所含碳、氮含量不盡相同，但垂直分布規律比較一致，即土壤表層集中了大部分的養分，并隨土層深度的加深而降低。在0～10 cm土層，碳、氮含量分別占總量的48.6%～64.7%、38.4%～55.5%，與木麻黃林相比（CK），紋莢相思林土壤碳、氮含量分別增加4.2%、21.75%;不同樹種、不同土壤層的鹽基陽離子含量各不相同，其中Ca2+、Na+的含量遠高于Mg2+;Na+含量最高，其次為Ca2+，Mg2+含量最低。作為最活躍的0～10 cm土壤層，紋莢相思林的交換性Na+的含量最高，為 0.23 g/kg;交換性Mg2+可能是東南濱海沙地土壤碳、氮含量的決定因子。

關鍵詞：沿海防護林;碳含量;氮含量;鹽基陽離子

中圖分類號： S718.5? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）04-0242-04

我國海岸線總長度達3.2萬km，其中大陸海岸線 1.8萬km，島嶼海岸線1.4萬km，是受臺風影響最為嚴重的國家之一。福建省地處我國東南沿海，擁有3 000多km海岸線，是受臺風影響最大的省份之一。沿海防護林是抵御臺風等重大自然災害、保證沿海地區經濟發展和人們生命財產安全的重要屏障。由于沿海沙地環境惡劣，很少樹種能適應這種環境。木麻黃作為防護林樹種于20世紀50年代引種至我國，并取得了成功。隨后在我國熱帶與亞熱帶的沿海沙地上建造了大量的木麻黃防護林，這在改善當地生態環境、抵御自然災害方面發揮了重要的作用[1]。然而，目前的純木麻黃防護林樹種結構單一，生物多樣性差，且基本進入衰退期，抵御自然災害的能力大大降低，更新營造該防護林具有重要意義[2-4]。遺憾的是，木麻黃二代林更新困難。因此，學者們通過不懈的引種試驗，試圖能夠尋找到替代木麻黃的樹種，現已篩選出一些較適宜于沙地造林的樹種，如肯氏相思、厚莢相思等具有固氮能力的相思類樹種[5-8]。這些樹種在豐富我國沿海地區防護林的樹種資源、增強防護林生物多樣性、抵御自然災害、提高防護林生態系統穩定性、增加土壤養分含量、改善土壤結構、持續高效發揮防護林的防護效能及改善防護林景觀等方面具有重要作用。

針對木麻黃及其他沿海防護林樹種方面的研究，資料比較豐富，內容涉及樹種選擇、肥土能力及遺傳改良等各個方面[1，9-10]，但在木麻黃跡地上同時輪作6個不同固氮樹種達13年，探索不同固氮樹種對濱海沙地的影響以及進一步評價不同固氮樹種的適應性，還未曾見報道。

由于濱海沙地惡劣的環境條件，和其他荒漠化沙地一樣，造成了濱海沙地土壤碳、氮資源的總量及其可獲性較低，特別是氮已成為影響該土地類型第一性生產力的主要因子之一。同時，因為海邊沙地受海水的影響，其鹽基陽離子含量一般遠高于內陸林地，這也成為限制濱海沙地植物多樣性的因素，而氮沉降可以降低土壤黏粒結合的鈣、鎂、鉀和鈉等營養成分[11]。惡劣環境中的土壤碳氮時間動態變化及不同植物物種對土壤碳、氮含量的影響，引起了越來越多的科學家的重視[12-14]。因此，為了分析從木麻黃跡地輪作不同固氮樹種以來，該跡地的濱海沙地土壤特征，特別是碳、氮和主要鹽基陽離子含量是否發生變化，本研究探索福建省長樂大鶴國有防護林林場木木麻黃采伐跡地輪作13年不同樹種后的土壤碳、氮含量和鹽基離子含量及相關分析，以期揭示固氮樹種對濱海沙地改良機理。同時，也為篩選出濱海沙地木麻黃林的輪作混交樹種以及防護林維護與更新、構建良好的濱海景觀提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于福建省福州市長樂區大鶴國有防護林場，該林場東臨東海，總面積約369 hm2，地貌屬沿海臺地，地理坐標為119°40′～119°43′E、25°57′～25°59′N。海拔高度為5～13 m，平均高度10 m，多為坡狀沙丘，沙丘坡度最大為8°。土壤多為風沙土，土層深厚，深度可達6～10 m，肥力中等，保水能力低。氣候屬南亞熱帶海洋性季風氣候，光熱豐富，雨量充沛，最高氣溫35 ℃，最低氣溫0 ℃，年平均氣溫為19.2 ℃，年均降水量為1 200～1 600 mm，年日照時數為1 800～2 300 h，年總積溫為4 600～6 200 ℃，年平均濕度為77%，無霜期 326 d。盛行東北風，年平均風速4 m/s，臺風多發生在7月或8月，每年平均4～6次，最高風力可達12級以上，臺風發生時常伴隨著暴雨或者大暴雨。由于原生植物已破壞殆盡，防護林中林下天然植被稀少，零星分布的植物有碩苞薔薇（Rosa bracteata）、馬纓丹（Lantana camara）、茅莓（Rubus parvifolius）等。

1.2 試驗材料

參試材料為肯氏相思（Acacia cuminghamia）、卷莢相思（A. cincinnata）、厚莢相思（A. crassicarpa）、紋莢相思（A. aulacocarpa）、巨尾桉（Eucalyptus granddis×E.urophylla）5個樹種和木麻黃（Casuarina equisetifolia Forst.）。試驗苗木除木麻黃為水培苗外，其他均為容器苗，苗高約 20 cm。其中4種相思樹從福建省漳浦中西國有林場調運而來，于2003年3月進行造林，造林措施為植穴規格60 cm×40 cm×35 cm，造林初植密度為2 500株/hm2，株、行距均為2.0 m，客土栽植，并于當年9月追施復合肥1次，100 g/株。參試各樹種按水平方向塊狀排列，每一樹種面積1 300～3 500 m2（受當時苗木數量的限制）。2015年8月進行林地生長狀況調查（表1）。

1.3 研究方法

2015年8月，選擇試驗林分內典型地段，沿同一水平線，分別在4個相思樹種以及巨尾桉、木麻黃林分內各設置 25.8 m×25.8 m的標準地3塊，對每個樣地每種樹的樹高、胸徑、冠幅等生長指標進行調查。

土壤樣品采集及預處理：在上述6個群落類型內，于0～10、10～20、20～40、40～60 cm 4個層次上分別采集土壤樣品;每次在每一群落類型內隨機選取12個點，用土壤取樣器進行采樣，同一群落的土壤樣品按土壤層次充分混合。每次采集完土樣后迅速用20目土壤標準篩過濾，然后用自封袋密封編號。土樣全部取完后帶回實驗室自然風干待測，共采集土壤樣品72個。

土樣檢測：用碳氮分析儀（Vario MAX CN，德國）直接檢測土壤中的碳、氮含量;用離子色譜儀測定交換性陽離子含量（戴安ICS-1600型），交換性陽離子含量測定參照國家農業行業標準NY/T 295—1995《中性土壤陽離子交換量和交換性鹽基的測定》，所有樣品的測定工作由福建師范大學地理科學學院完成。

1.4 數據處理

采用SPSS 19.0軟件進行數據分析。用逐步回歸法分析主要鹽基陽離子含量對碳、氮含量的影響。

2 結果與分析

2.1 不同樹種不同土壤層的碳含量

由表2可知，在0～10 cm土層，紋莢相思林土壤碳含量最高，為2 787.1 mg/kg，巨尾桉林最低，為1 623.2 mg/kg，二者之間差異顯著（P<0.05）;與同層度的巨尾桉林土壤碳含量相比，紋莢相思林土壤碳含量提高71.7%;紋莢相思林、卷莢相思林和木麻黃林土壤碳含量均顯著大于巨尾桉林、厚莢相思林（P<0.05），后2個樹種之間差異未達到顯著水平（P>0.05）;6個植被類型土壤碳含量高低表現為紋莢相思>木麻黃>卷莢相思>肯氏相思>厚莢相思>巨尾桉。在10～20 cm 土層，6個植被類型土壤碳含量高低表現為木麻黃>卷莢相思>厚莢相思>巨尾桉>肯氏相思>紋莢相思，其中木麻黃林和卷莢相思林土壤碳含量顯著高于紋莢相思林（P<0.05），前2個樹種土壤碳含量未達到差異顯著水平（P>0.05）。在20～40 cm土層，6個植被類型土壤碳含量高低表現為卷莢相思>木麻黃>巨尾桉>肯氏相思>厚莢相思>紋莢相思，卷莢相思林土壤碳含量顯著大于紋莢相思林。

在0～10 cm土層，與對照林（木麻黃林）相比，僅紋莢相思林土壤碳含量大于對照樣地，但差異未達到顯著水平（P>0.05），巨尾桉林和厚莢相思林土壤碳含量均顯著低于木麻黃林（P<0.05），肯氏相思林和卷莢相思林與對照樣地相比，土壤碳含量也均降低。在10～20 cm土層，對照樣地的土壤碳含量最高，顯著大于紋莢相思林和肯氏相思林。在20～40 cm 土層，僅卷莢相思林地土壤碳含量高于對照樣地，其他樹種林地土壤碳含量均低于對照樣地。在40～60 cm土層，6個植被類型土壤碳含量之間均無顯著差異（P>0.05）。

6個植被類型土壤碳含量均在0～10 cm最高，均顯著高于其他的土層（P<0.05），其他3個土層的碳含量之間的差異未達到顯著水平（P>0.05）。

2.2 不同樹種不同土壤層的氮含量

由表3可知，在0～10 cm土層，6個植被類型土壤氮含量高低表現為紋莢相思>卷莢相思>木麻黃>肯氏相思>厚莢相思>巨尾桉，其中紋莢相思林、卷莢相思林、木麻黃林、肯氏相思林、厚莢相思林、巨尾桉林在0～10 cm土層氮含量占0～60 cm氮含量的55.49%、46.00%、44.48%、45.04%、39.33%、39.30%。在0～10 cm土層，紋莢相思林土壤氮含量顯著高于除卷莢相思外的其他幾個樹種（P<0.05），肯氏相思林土壤氮含量與木麻黃林、巨尾桉林及厚莢相思林的差異未達到顯著水平（P>0.05）。在10～20 cm土層，厚莢相思林與卷莢相思林土壤氮含量顯著高于其他幾個樹種（P<0.05），厚莢相思林與卷莢相思林土壤氮含量差異未達到顯著水平（P>0.05）;巨尾桉林、肯氏相思林土壤氮含量之間差異也未達到顯著水平。在20～40 cm土層，木麻黃林土壤氮含量最高，為76.2 mg/kg，紋莢相思林含量最低，為 55.9 mg/kg，其他幾個樹種土壤氮含量之間差異未達到顯著水平（P>0.05）。

在0～10 cm土層，紋莢相思林與卷莢相思林土壤氮含量高于對照樣地，其他樣地均低于對照樣地;在10～20 cm土層，厚莢相思與卷莢相思林土壤氮含量高于對照樣地，其他樣地均低于對照樣地;在20～60 cm土層，木麻黃林土壤氮含量均高于其他林地。但在40～60 cm土層，6個植被類型土壤氮含量之間均無顯著差異（P>0.05）。

6個植被類型土壤氮含量與碳含量表現一樣，均在0～10 cm 土層最高，顯著高于其他土層（P<0.05），其他3個土層氮含量之間的差異未達到顯著水平（P>0.05）。

2.3 不同樹種不同土壤層的鹽基陽離子剖面特征

從表4可以看出，不同樹種在不同土壤層的鹽基陽離子含量各不相同，但變化規律并不明顯。其中Ca2+、Na+含量遠高于Mg2+含量，Na+含量最高，在5.49～22.78 g/kg之間;其次為Ca2+含量，在3.81～9.58 g/kg之間;Mg2+含量最低，在 0.21～1.76 g/kg之間;但是作為土壤層最活躍的0～10 cm土壤層，紋莢相思交換性Na+和交換性Ca2+的含量皆高于其他樹種，其交換性Na+含量為0.23 g/kg，肯氏相思次之，交換性Na+含量為0.18 g/kg。紋莢相思交換性Ca2+含量為 0.11 g/kg，木麻黃和卷莢相思次之，交換性Ca2+含量皆為 0.10 g/kg。在土壤層次相同的所有樹種中，交換性Mg2+含量差異不明顯。在10～20、20～40、40～60 cm土壤樣層中，各樹種的鹽基陽離子差異較大，規律不盡明顯。

2.4 各鹽基離子對土壤碳、氮含量的影響

通過碳、氮含量與各鹽基陽離子的逐步回歸分析，濱海沙地的碳、氮含量與交換性鎂含量呈負相關（圖1），土壤碳含量與各鹽基主要陽離子回歸方程：y=4 126-47 274x，式中：y為土壤全碳含量，mg/kg;x為交換性鎂含量，g/kg;r2=0.57，P<0.001，F=107.9，n=84。土壤氮含量與各鹽基主要陽離子回歸方程：y=324.05-3 338.8x，式中：y為土壤全氮含量，mg/kg;x為交換性鎂含量，g/kg;r2=0.62，P<0.001，F=135.2，n=84。

3 討論與結論

土壤有機碳和氮素不僅是土壤的重要組成部分，而且是生態系統中極其重要的生態因子，因而一直倍受生態學、土壤學等多個學科的關注[15]。森林生態系統的碳、氮循環過程是土壤、植物和微生物之間相互作用的一個過程，森林土壤的碳、氮轉化過程也受土壤微生物群落結構組成及多樣性的影響[16-17]。土壤有機碳、氮含量主要受動植物殘體、凋落物、植物根系、降水、微生物分解作用以及樹種等的影響，并且在一定程度上，土壤氮素的水平也會影響土壤中有機碳的含量[18]。本研究表明，不同植被類型在同一土層碳、氮含量均不相同。有相關研究報道，第一性生產通過輸入枯死物直接影響土壤有機質，地上植被的生物量和物種組成對土壤特性都有影響[19-22]。由于本研究對象是不同的植被類型，產生不同種類的凋落物，且凋落物分解程度也不一樣，因此輸入土壤中的碳氮量將會不一樣，導致不同植被類型土壤碳、氮含量不一樣，其中紋莢相思在0～10 cm土壤層的碳、氮含量都最高，因此，紋莢相思可能是木麻黃二代林地最為理想的輪作與替代樹種，但從紋莢相思的生長指標來看，生長狀況并不是最好的，這有待進一步的研究。

土壤碳、氮含量在土壤剖面上具有相同的垂直分布特征，即隨著土層深度的增加而減少，但是不同土層碳、氮含量差別較大。本研究結果顯示，在土層0～10 cm，土壤碳、氮含量最高且變化較大;在土層10～20、20～40 cm，土壤碳、氮含量逐漸變小，且變化較小;在土層40～60 cm，6個植被類型土壤碳、氮含量之間均無顯著差異（P>0.05），該結果與大多數結論[23-25]一致，但與單貴蓮等的研究結果[26-28]不同。由于林分地表凋落物的分解，以致大量碳氮元素輸入到土壤中，在 0～10 cm土層，碳、氮含量最高。因為植物根系具有向地性，隨著根系不斷地向地心引力方向生長，深層土壤的營養元素被吸收同化從而導致地表凋落物分解補充減少。所以，隨著土層深度的增加，土壤碳氮含量表現為下降趨勢。同時，這也給大家一個啟示：要繼續開展林分凋落物及養分循環方面的研究，進一步探索不同固氮樹種對木麻黃跡地的更新效果。

土壤高含鹽量一直是影響沿海沙地植物生長分布的主要因子之一。目前有關鹽基陽離子對海邊植物的影響多集中在灘涂地，且鹽基陽離子對灘涂植物生長、生存和生物多樣性的影響多數集中在土壤Na+上，不同區域濱海灘涂鹽基離子組成存在較大差異，導致其沿海沙地的鹽基陽離子也存在較大差異[29]。但本研究發現，濱海沙地的碳、氮含量是由交換性Mg2+含量決定的，這與前人的研究結果[30-31]不盡相同，有待進一步研究。

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