遼寧北部樟子松人工林土壤養分含量變化研究

王詩童 王偉 曹宇

摘 ?要：為了解遼寧北部樟子松人工林土壤養分含量變化情況，以遼寧北部昌圖縣付家機械林場樟子松人工林土壤為對象，開展不同林齡林分土壤養分情況調查研究。結果表明：不同林齡樟子松人工林土壤碳、氮、磷等養分含量變化存在顯著差異，表層土壤（0-10cm）養分含量普遍高于亞表層土壤（10-20cm）。隨著樟子松林齡增加，土壤有機碳、全氮顯著增加，全磷變化不明顯，堿解氮表現為先增加后減少，速效磷含量持續減少，土壤C/N無明顯變化規律。相關分析表明，表層土壤（0-10cm）土壤有機碳含量與全氮含量正相關，與堿解氮含量負相關；土壤全氮含量與堿解氮、全磷、速效磷含量負相關。遼寧北部樟子松人工林土壤養分特征表現為不同林齡林分土壤碳、氮、磷含量存在表層富集現象；隨林齡增加，土壤碳、氮養分歸還增加，使土壤能夠得到有效補充，但土壤磷有效性較低，是限制土壤氮有效轉化的因素之一。

關鍵詞： 樟子松；人工林；土壤養分含量

中圖分類號： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Changes of Soil Nutrient content for Pinus sylvestris var. mongolica Plantations in North Liaoning Province

Wang Shitong1， Wang wei2， Cao Yu3

（1.National Forestry and Grassland Bureau Survey Planning and Design Institute， Beijing 100714， P.R. China; 2. State-owned Changtu Quantou Forest Farm in Liaoning Province， Changtu 112517， China; 3. Liaoning Research Institute of Sand Land Control and Utilization， Fuxin 123000， China）

Abstract ?The soil nutrients of Pinus sylvestris var. mongolica plantation in Fujia mechanical Forest farm of Changtu County， northern Liaoning Province were investigated. The results showed that there were significant differences in soil carbon， nitrogen and phosphorus contents among different forest ages， and the nutrient content of surface soil （0-10cm） was generally higher than that of subsurface soil （10-20cm）. With the increasing of age of Pinus sylvestris， soil organic carbon and total nitrogen increased significantly， total phosphorus did not change significantly， alkali-hydrolyzed nitrogen increased first and then decreased， available phosphorus content continued to decrease， and soil C/N did not change significantly. Correlation analysis showed that soil organic carbon content in surface soil （0-10cm） was positively correlated with total nitrogen content and negatively correlated with alkali-hydrolyzable nitrogen content， while soil total nitrogen content was negatively correlated with alkali-hydrolyzable nitrogen， total phosphorus and available phosphorus content. The characteristics of soil nutrients of Pinus sylvestris var. mongolica plantation in northern Liaoning showed that the contents of soil carbon， nitrogen and phosphorus were enriched in the surface layer of different ages， and the return of soil carbon and nitrogen nutrients increased with the increase of forest age， so that the soil could be effectively replenished and the availability of soil phosphorus is low， which is one of the factors limiting the effective transformation of soil nitrogen.

Key words ?Pinus sylvestris var. mongolica ; plantation ; soil nutrient content

土壤養分是構成土壤肥力的物質基礎，森林土壤是維持林木健康生長的基質，其肥力特征影響并控制著林木的健康狀態[1，2]。對于人工林建設而言，土壤養分的優劣是影響林木生長重要的因素之一[3]。林分土壤養分狀況的差異使得林木生長產生很大不同，反過來林木的生長會通過根系分泌物、吸收和釋放等方式影響土壤碳氮磷等元素的含量和形態[1，4，5]。因此森林土壤養分的研究為林業生產經營提供了重要依據。

樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）是歐洲赤松的地理變種，具有耐干旱、瘠薄，生長快，適應性強等優良特性。上世紀50年代，樟子松在科爾沁沙地東南緣的遼寧省彰武縣章古臺成功引種后，便成為我國“三北”地區主要的固沙造林樹種之一[6，7]。我國“三北”地區的多項防風固沙工程建設中，樟子松的營造均取得了良好的造林與示范效果。遼寧省北部的昌圖縣付家機械林場，自上世紀60～70年代營造樟子松防風固沙林，發展至今各類樟子松人工林面積達5486 hm2，占林場總經營面積的63.6 %。目前，關于樟子松土壤化學計量方面的研究，國內學者先后在其主要引種區開展過不同程度的研究[2，6-9]，而與遼寧北部地區相關的報道較少。因此，開展當地樟子松人工林土壤養分變化研究，對補充完善樟子松引種區土壤地力評價及為生產經營提供指導依據具有重要意義。

1研究區概況

研究區位于遼寧省鐵嶺市昌圖縣西北部的付家機械林場（43°31′N，124°30′E），地處科爾沁沙地東南邊緣一線，遼寧、吉林、內蒙古三省區交匯處。地貌屬遼河沖積平原類型，地勢比較平坦，兼有少量橢圓型或圓形沙丘分布，平均海拔高度134.15 m。當地氣候屬溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，年降水量550～607 mm，降水變率大，多集中在七、八月間，年蒸發量1843 mm，是降水量的3倍左右，相對濕度59%。年均氣溫6.3 ℃，年積溫3208 ℃，無霜期145～155 d。土壤類型為風沙土，分為生草風沙土和流動風沙土兩個亞類。風沙土物理沙粒含量較高，有機質含量和其他養分含量比較低，pH值6～7之間。

2研究方法

2.1樣品采集與測定

試驗林分為樟子松純林，林齡為10 a、20 a、30 a和40 a四個齡組。分別在每個齡組內，選擇生境條件一致，坡度、坡位、海拔高度近似的典型地塊設置3個樣方，每個樣方面積為30 m×20 m。在樣方內使用土鉆沿“S”形進行取樣，取樣深度為0-10 cm、10-20 cm，采用四分法取其混合樣約1 kg帶回實驗室。將取好的土樣自然風干，分別過20目，100目篩。將篩后土樣裝進自封袋，注明編號用于養分含量的測定。采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定土壤有機碳含量；采用凱式定氮法測定土壤全氮；采用堿解擴散法測定土壤堿解氮；采用酸溶-鉬銻抗比色法測定土壤全磷；采用碳酸氫鈉法測定測定土壤速效磷[10]。樣地基本特征見表1。

2.2數據處理

對所獲得數據用Excel軟件進行歸納整理。各指標差異性檢驗采用SPSS23.0軟件進行單因素方差分析（One-way ANOVA），Pearson檢驗進行相關分析（α= 0.05）。

3 結果與分析

3.1 樟子松人工林土壤有機碳含量的變化

土壤有機碳是構成土壤有機物質的異質混合體之一，其組分具有影響土壤肥力或土壤質量的關鍵作用。由圖1可知，不同林齡林分土壤中有機碳的變化范圍在5.1 g/kg ～ 25.1 g/kg之間，0-10 cm深度土壤中的有機碳含量顯著高于10-20 cm深度（P<0.05），其中林齡40 a林下土壤有機碳含量最高，0-10cm為25.1 g/kg，10-20 cm為10.7 g/kg。隨著樟子松林齡增大，0-10 cm深度土壤中有機碳含量呈逐漸增加趨勢，30 a和40 a林分土壤有機碳含量顯著高于10 a和20 a（P<0.05）；10-20 cm深度，40 a林分土壤中有機碳含量顯著高于其他林分（P<0.05）。

3.2 樟子松人工林土壤全氮含量的變化

土壤全氮含量是反映土壤供氮潛力的指標，對評價土壤肥力和生態系統健康有重要作用，反映了土壤中氮素的總量和氮素循環的情況。由圖2可知，不同林齡林分土壤中全氮含量變化范圍在0.60 g/kg ～ 2.33 g/kg之間，0-10 cm深度土壤中的全氮含量顯著高于10-20 cm深度（P<0.05），其中林齡40 a的土壤全氮含量最高，0-10 cm深度土壤可達到2.33 g/kg，10-20 cm深度土壤為1.61 g/kg。隨著樟子松林齡增大，0-10 cm深度土壤中全氮含量呈逐漸增加趨勢，40 a林分土壤全氮含量顯著高于20 a和30 a（P<0.05），顯著高于10 a（P<0.05）；10-20 cm深度土壤中全氮含量變化趨勢相似，40 a林分土壤全氮含量顯著高于30 a（P<0.05），顯著高于10 a和20 a（P<0.05）。

3.3 樟子松人工林土壤堿解氮含量的變化

土壤中氮的形態主要為無機氮和易分解的有機氮，例如銨態氮、硝態氮、氨基酸和易水解蛋白等，是當季植物吸收和利用的主要氮素，直接影響植物的生長和發育。由圖3可知，不同林齡林分0-20 cm深度土壤堿解氮含量總體變化范圍為2.99 mg/kg ～ 7.22 mg/kg。0-10 cm深度土壤中的堿解氮含量與10-20 cm深度土壤無顯著差異（P>0.05）。隨著樟子松林齡增大，0-10 cm和10-20 cm深度土壤堿解氮含量整體上呈現先增加后降低的趨勢，在20 a林分達到最高值，10 a和20 a林分顯著高于30 a和40 a林分土壤堿解氮含量（P<0.05）。

3.4 樟子松人工林土壤全磷含量的變化

土壤全磷是土壤中有機磷和無機磷的總和，是評價土壤肥力的重要指標之一。由圖4可知，除30 a林分以外，其他林齡林分相同深度土壤中全磷含量無顯著差異（P>0.05），0-10 cm深度土壤中的全磷含量顯著高于10-20 cm深度土壤，其中40 a林分最高為0.021 g/kg。隨著樟子松林齡增大，0-10 cm深度土壤中全磷含量整體上呈增加趨勢，10-20 cm深度土壤中全磷含量呈降低趨勢。

3.5 樟子松人工林土壤速效磷含量的變化

土壤速效磷通常為無機態，是植物生長所必需的可直接吸收利用的磷元素。由圖5可知，不同林齡林分土壤中速效磷含量的變化范圍在0.16 mg/kg ～1.49 mg/kg之間，0-10 cm深度土壤中的速效磷含量顯著高于10-20 cm深度（P<0.05），其中林齡為10 a的土壤速效磷含量顯著高于其他林齡林分，0-10 cm土壤達到1.49 mg/kg，10-20 cm土壤為0.49 mg/kg。隨著樟子松林齡增大，0-10 cm和10-20 cm深度土壤速效磷含量均呈現不同程度的減少，10 a林分土壤有效磷含量顯著高于20 a、30 a、40 a（P<0.05）。

3.6 樟子松人工林土壤C/N隨林齡的變化

土壤C/N是土壤碳、氮素循環的重要影響因素。由圖6可知，從整體上看，不同林齡林分的土壤C/N無顯著差異（P>0.05），0-10 cm土壤C/N約為11.12，10-20 cm土壤C/N。隨著樟子松林齡增大，0-10 cm和10-20 cm深度土壤C/N無明顯變化規律，其中0-10 cm深度土壤C/N最高值出現在30 a林分，10-20 cm深度土壤C/N最高值出現在10 a林分。

3.7 樟子松人工林土壤養分因子相關性分析

通過對不同林齡樟子松人工林土壤有機碳、全氮、堿解氮、全磷、速效磷及碳氮比等因子相關分析，得到各土壤養分因子相關系數矩陣（表2）。在0-10 cm深度，土壤有機碳含量與全氮呈極顯著正相關，與堿解氮含量呈顯著負相關；土壤全氮含量與堿解氮呈極顯著負相關，與全磷、速效磷含量呈顯著負相關。在10-20 cm深度，各土壤養分因子含量無顯著相關性。

4討論與結論

土壤碳、氮、磷是植物生長所必要的元素，且存在表層富集現象[2，6，7]。本研究中，樟子松人工林土壤有機碳、全氮、堿解氮、全磷、速效磷含量也表現出此種特點，造成此現象的原因是隨著林齡的增加，林木枯枝落葉層逐漸增厚，土壤表層有機質分布增多，加之表層土壤通氣性好，利于土壤微生物生長和代謝，微生物分解轉化的有機碳不斷增多，促進了土壤碳積累[9]。賈婷[11]等發現濕地松人工林生態系統中，幼齡林土壤碳和氮含量顯著低于中齡林和成熟林，中齡林土壤全磷含量顯著高于其他林齡。李鵬[12]等的研究結果也有相似結論，但其研究結果中，土壤全磷含量隨著林齡的增加呈先降低后升高的趨勢。本研究中，遼寧北部不同林齡樟子松人工林土壤有機碳、全氮與林齡增加呈正相關，說明在無環境擾動的情況下，隨著樟子松人工林林齡的增加，樹木以枯枝落葉、淋溶等形式進行的養分歸還活動越來越頻繁。加之土壤動物和微生物的分解，使得土壤碳庫和氮庫得到了補充；全磷含量整體上無顯著變化，且速效磷逐漸降低，這與前人研究結果相似[13，14]?？赡芘c磷素作為科爾沁沙地土壤的主要限制因素有關，易形成難溶性鹽沉淀[8]，在土壤中不易遷移，土壤磷元素含量始終維持在較低水平[1，3]。此外，隨著林分發育，樟子松人工林土壤環境易酸化，也會促使無機磷轉化為團聚體內磷或閉蓄態磷，降低土壤磷的有效性[2，15]。土壤堿解氮含量在20 a樟子松林分突然下降（圖3），可能與土壤磷有效性降低有關，土壤速效磷含量無法維持10 a時的水平（圖5），二者不能形成有效互補，使得磷酸酶、脲酶等有關土壤養分歸還和轉化的酶難于形成，即使土壤全氮含量維持在較高水平，也無法形成有效的銨態氮、硝態氮、易水解磷等為植物所用[16]。因此，針對遼寧北部地區樟子松人工林土壤地力維持，應結合林分不同發育階段土壤養分情況及養分需求匹配關系，合理施用氮肥、適時配施磷肥。

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