魯中山區華山林場典型林分的土壤養分和微生物生物量特征

付德剛，高贊東，韓 敬，汪曉紅，鄭惠中，

趙文太1，戴風龍3，亓軍霞4，許景偉5，囤興建5，李 輝2

（1.山東省林業保護和發展服務中心，山東濟南 250014；2.臨沂大學農林科學學院，山東臨沂 276000；3.濟南市萊蕪區園林綠化和林業發展中心，山東 濟南 271100；4.濟南市萊蕪區國有華山林場，山東 濟南 271100；5.山東省林業科學研究院，山東 濟南 250014）

土壤是森林系統的重要組成部分[1]，其質量直接影響森林生態系統的穩定[2]。土壤養分參與土壤的物質循環和能量轉化，對林木生長發育具有重要影響，是反映土壤質量狀況的重要指標[3-5]。土壤微生物是土壤有效養分的重要來源[6,7]，不僅參與物質轉化過程中的許多生化反應，而且通過自身的代謝和周轉，促進養分的循環和植物吸收有效性[8,9]，其性狀隨著自然因素、人為因素而產生變化，能快速反映土壤狀態，是最為敏感的土壤質量生物學指標[10,11]。

隨著我國人工林迅速發展，近年來植被恢復、土地退化等成為人工林建設的重點。通過研究不同林分人工林土壤養分情況，探明引起土壤退化的因素，對提高人工林生態功能，促進人工林健康可持續發展有重要的理論和實踐意義[12]。

華山林場位于魯中南山地泰山支脈，境內地形條件復雜，典型林分為人工側柏林和黑松—側柏混交林。本研究以該林場典型林分下土壤為研究對象，研究其土壤養分含量特征和微生物生物量碳、氮特征，分析兩者之間的相互關系，為林場的健康持續經營和土壤管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于魯中山區泰山東麓華山林場（36°22′—36°28′N，117°22′—117°33′E）。為溫帶大陸性季風氣候區，四季分明，雨熱同期，干濕明顯，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季干冷少雪，年均降水量為800 mm。林場屬魯中南山地泰山支脈，境內山巒起伏，溝壑縱橫，巖石為火成巖山地，基巖以片麻巖、花崗巖類為主，土壤類型為山地棕壤。林場有喬木50 科200 多種，形成以松類、刺槐、側柏為主體的森林群落結構。

1.2 研究方法

1.2.1 檢測樣地選擇

根據實地調查，通過典型樣地法，2022年5月于華山林場，選取5 種不同林分密度和林分類型的公益人工林Y—1、Y—2、Y—3、Y—4、Y—5，其中Y—1、Y—2 為側柏純 林，Y—3、Y—4、Y—5為側柏—黑松混交林，每種公益人工林各設置3個25.8 m×25.8 m 的標準地（667 m2），林齡15年，屬于幼齡林階段，樣地基本情況見表1。

表1 林地基本概況Table 1 Summary information of typical forest plots

1.2.2 樣品采集與測定

于2022年5月進行土壤樣品采集，在每個標準樣地內按對角線布設3 個試驗樣點，以土壤深度0-20 cm采集表層土壤樣品，將采集的土壤樣品過篩后進行土壤養分和微生物生物量碳、氮測定。

測定方法：電位法測定土壤pH 值；重鉻酸鉀—氧化外加熱法測定有機質；高氯酸—硫酸硝化凱氏定氮儀法測定土壤全氮；擴散法測定土壤堿解氮；碳酸氫鈉浸提法測定速效磷；NH4Ac 浸提—火焰光度法測定速效鉀；氯仿熏蒸浸提法測定微生物生物量碳和微生物生物量氮[13,14]。

1.2.3 土壤養分指標選擇和分級標準

基于前人的研究成果[15]，本研究選取了pH 值、有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀6 個重要指標，以最大限度代表土壤養分水平。

根據中國土壤pH 值分級標準和全國第二次土壤普查養分分級標準，結合前人對林地土壤指標的評價標準，設置林地土壤主要養分分級標準[16]，見表2。

表2 林地土壤主要養分分級標準Table 2 Classification standards of main indicators of forest soil quality

1.2.4 數據處理

運用Excel 進行數據整理，運用SPSS17.0 對數據進行描述性統計分析、單因素方差分析、多重比較和相關性分析。采用變異系數來分析土壤質量指標的變異程度，計算公式為：CV=(SD/M)×100%。式中CV、SD 和M 分別為變異系數、標準差和平均值。變異系數（CV）可以用于表征指標敏感性，變異系數越大表明該指標對差異性也越敏感，當變異系數＜10%時，為弱變異；當10% ≤變異系數≤30%時，為中度變異；變異系數＞30%時，為高度變異[17,18]。

2 結果分析

2.1 典型林分土壤養分含量分析

由表3統計分析結果可知，各種土壤養分指標的變異系數中，只有土壤pH 值的變異系數僅為4.85%，低于10%，為弱變異，而有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀的變異系數均大于30%，為高度變異，其中有機質和全氮的變異系數均在80%以上，說明土壤養分變異性強，穩定性差。

表3 林地土壤養分描述性統計分析結果Table 3 Descriptive statistical analysis of soil nutrients of forest

通過比較各養分指標的變化范圍和等級占比發現（表3），土壤pH 值在4.63～5.30 之間，均屬于酸性；有機質含量變幅在10.8～93.1 g/kg 之間，平均值為31.6 g/kg，均處于適中及以上等級，其中有40 %處于較高等級，說明有機質含量水平處于中上等級；全氮含量在0.40～4.37 g/kg 之間，70%處于“適中”及以下等級，并有30%處于很高等級，說明全氮含量水平變化起伏大；堿解氮含量水平變化亦大，并與全氮等級分布趨勢相似；有效磷含量變幅在15.4～148.0 mg/kg 之間，平均值為67.0 mg/kg，且90%處于很高級別，說明有效磷含量水平很高；速效鉀含量變幅在17.0～56.0 mg/kg 之間，平均值為37.2 mg/kg，30%處于適中等級，70%處于較低及以下等級，整體偏低。

表4所示，通過方差分析發現，林分密度越大土壤pH 值越高，如側柏純林林分密度3000 株/hm2土壤pH 值明顯高于1950 株/hm2；側柏—黑松混交林林分密度1500 株/hm2，土壤pH 值明顯高于1050 株/hm2。說明無論是側柏純林還是側柏—黑松混交林，土壤pH 值都受林分密度的影響，這是否與側柏林分密度影響其次生代謝產物有關還需要進一步研究。

從土壤養分含量來看，除速效鉀外，土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷含量都隨著林分密度的降低而升高，如側柏純林中，林分密度1950 株/hm2土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷含量均明顯高于3000 株/hm2（p≤0.05）；側柏—黑松混交林中，林分密度1050 株/hm2的土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷含量均高于1500 株/hm2（表4）。在一定程度上說明，林分密度越低越有利于土壤中某些特定養分的積累。就速效鉀而言，林分密度對其土壤速效鉀含量影響無明顯規律，如側柏純林Y-1 和Y-2 速效鉀含量分別為44.5 mg/kg 和40.0 mg/kg，差異不顯著（p ＞0.05）；側柏—黑松混交林中，土壤速效鉀含量1050 株/hm2（450 株/hm2側柏+600 株/hm2黑松）＞1500 株/hm2（450 株/hm2側柏+1050 株/hm2黑松）＞1050 株/hm2（150 株/hm2側柏+900 株/hm2黑松），差異顯著（p≤0.05）。

表4 不同林分組成土壤養分含量Table 4 Soil nutrients of different stands

從林分類型來看，本研究中純林土壤養分含量普遍高于混交林，這可能由于側柏—黑松混交林的林分密度顯著低于側柏純林，致使其林分生長狀況和林下灌草情況不同造成的。

總體而言，側柏幼齡林土壤養分受林分密度的影響，林分密度越大土壤養分含量越少（除速效鉀）。

2.2 典型林分土壤微生物生物量碳、氮含量分析

表5所示，微生物生物量碳含量范圍為167.31~381.67 mg/kg，平均值為242.07 mg/kg，較我國森林土壤微生物生物量碳含量（200.57±13.99）～（913.32±39.62）mg/kg）[19]，處于較低水平。變異系數為22.89%，屬于中度變異，說明土壤微生物生物量碳含量在樣地間變異性較強。微生物生物量氮含量范圍為5.96~73.86 mg/kg，變異系數為73.42%，屬于高度變異，說明土壤微生物生物量氮含量在樣地間變異性強。

表5 土壤微生物生物量碳、氮含量描述性統計分析結果Table 5 Descriptive statistical analysis of soil microbial biomass C,N

微生物生物量碳、氮的分布頻率如圖1所示。大部分土壤（60%）的微生物生物量碳含量較低，在160~240 mg/kg 之間；少數土壤（10 %）的微生物生物量碳含量較高，在320~400 mg/kg 之間。大部分土壤（60 %）的微生物生物量氮含量較低，在5~30 mg/kg 之間；少數土壤（20%） 的微生物生物量氮含量較高，在55~80 mg/kg 之間。

圖1 微生物生物量碳、氮含量的分布頻率Figure 1 Distribution frequency of microbial biomass carbon,nitrogen

從表6中可以看出，在側柏純林中，林分密度對土壤微生物生物量碳和土壤微生物生物量氮的影響較大（p ≤0.05），其中林分密度1950 株/hm2的土壤微生物生物量碳含量為3000 株/hm2的1.15 倍，土壤微生物生物量氮含量為3000 株/hm2的85.99%；在側柏—黑松混交林中，林分密度對土壤微生物生物量碳、氮含量影響不大，各林分密度之間差異不明顯（p ＞0.05）。

表6 不同林分土壤微生物生物量碳、氮含量Table 6 Soil microbial biomass C,N of different stands

從林分類型來看，側柏純林中的土壤微生物生物量碳、氮含量高于側柏—黑松混交林，其中Y—2 土壤微生物生物量碳為274.5 mg/kg 明顯高于Y—3、Y—4、Y—5 三個混交林（231.9 mg/kg、239.2 mg/kg、226.9 mg/kg）；Y—1 中土壤微生物生物量氮分別為Y—3、Y—4、Y—5 的1.49、1.21、1.13 倍。

總體而言，側柏純林土壤微生物生物量碳、氮含量高于側柏—黑松混交林，且側柏純林中，林分密度越大土壤微生物生物量碳越低，土壤微生物生物量氮越高（p ≤0.05）。

2.3 土壤微生物生物量碳、氮與土壤養分間相關分析

如表7所示，研究樣地中的土壤微生物生物量碳含量與全氮、堿解氮呈極顯著正相關（p＜0.01），與有機質、有效磷呈顯著正相關（p＜0.05）；土壤微生物生物量氮僅與有機質呈顯著正相關（p＜0.05），和其他指標無顯著相關性。土壤pH 值僅與有效磷含量達到顯著負相關，土壤有機質含量僅與全氮含量達顯著正相關（p＜0.05），與其他指標無顯著相關性；土壤全氮含量與堿解氮、有效磷含量均達到極顯著正相關（p＜0.01）；土壤堿解氮含量與有效磷達到極顯著正相關（p＜0.01）；速效鉀與各指標均無顯著相關性?？傮w來看，土壤各養分之間的關聯性較強，尤其是有效磷，其含量高低可直接影響土壤微生物生物量碳、全氮、堿解氮含量及pH值，間接影響土壤有機質、土壤微生物生物量氮含量。這一定程度上說明，在研究區域內增施磷肥可有效提高其土壤其他養分含量。

表7 土壤微生物生物量碳、氮與化學性質間的相關系數Table 7 Correlation coefficients among the soil microbial biomass C,N and soil nutrients contents

3 討論與結論

本研究中除了土壤pH 值，華山林場典型林分的有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量變異性均為高度變異，說明研究地土壤養分穩定性差，華山林場溝壑縱橫，由此造成不同程度的養分流失與淋失現象不容忽視。

華山林場典型林分土壤pH 值為酸性，且變異性弱，穩定性高，這是由于華山農場的土壤類型為山地棕壤，成土母質多為酸性花崗巖風化物。研究場地土壤有機質含量處于中上水平，全氮和堿解氮含量水平變化起伏大，并有相似的等級分布趨勢，說明兩者分布不均勻。有效磷含量水平很高，有效鉀含量水平整體偏低，說明研究地林木生長受限因素主要是有效鉀。

在側柏純林樣地中，林分密度1950 株/hm2土壤養分含量明顯高林分密度3000 株/hm2，這與前人研究的魯中山地不同密度側柏人工林土壤質量特性結果一致[15]。有學者研究表明，土壤表層養分含量受凋落物的種類、數量、質量及林下灌草等環境因子的綜合影響[20,21]，而本研究中側柏純林的土壤養分含量明顯高于側柏—黑松交林，與李小倩等[22]研究的混交林土壤養分含量高于純林有所不同，這可能由于本研究區中側柏—黑松混交林林分密度過低（林分密度≤1500 株/hm2），林齡較小，林下凋落物稀少，不利于土壤養分累積造成的。

華山林場典型林分土壤微生物生物量碳含量與全氮、堿解氮含量呈極顯著正相關，與有機質、有效磷含量呈顯著正相關；而土壤微生物生物量氮僅與有機質呈顯著正相關，說明研究區土壤微生物生物量碳對土壤的有機質、全氮、堿解氮、有效磷的供給非常敏感，可作為評價土壤養分情況的指標。

本研究中土壤有效磷和土壤微生物生物量碳、全氮、堿解氮含量成顯著正相關，與土壤pH 值呈顯著負相關，而土壤微生物生物量碳與土壤有機質呈顯著正相關，土壤有機質又與土壤微生物生物量氮呈顯著正相關，這說明土壤有效磷含量，可直接影響土壤微生物生物量碳、全氮、堿解氮含量及pH 值，間接影響土壤有機質、土壤微生物生物量氮含量。因此筆者建議可在側柏幼齡林（土壤貧瘠）中增施磷肥以調整其土壤養分結構，提高其生長量。

土壤微生物生物量碳、氮是可溶性有機碳、氮的重要來源[23]。土壤養分和微生物含量的變化受到立地土壤環境條件和植物、種植制度及管理方法等因素的影響，有學者研究表明，在0—20cm 的林地表層影響土壤微生物量和土壤養分含量受凋落物的種類、數量、質量及環境因子的綜合作用[24,25]。本研究中，僅對不同林分結構和有限研究指標進行了分析，將來可進一步研究立地條件和土壤養分和微生物生物量的關系，為改善人工林生境條件，實現林場可持續發展提供依據。