紫花地丁對榆林樟子松人工林土壤水分和養分的影響

摘 要：干旱區樟子松人工林在生長發育過程中出現了不同程度的早衰。以8 a生樟子松人工純林和樟子松×紫花地丁喬草配置群落為研究對象，采用典型取樣法，測定土壤有機質、有效P、速效K、硝態N、銨態N等理化指標。結果表明，除了銨態N，純林土壤養分含量均隨著土層深度的增加呈現下降的趨勢； 0～5 cm土層，喬草配置群落有機質和銨態N含量均高于純林，其中銨態N達到顯著水平，5～15 cm和15～25 cm土層，純林土壤有機質和硝態N含量顯著高于喬草配置群落；喬草配置群落速效K和有效P含量隨著土層深度的增加呈現先下降后升高的變化趨勢，15～25 cm土層，喬草配置群落有效P含量顯著高于純林；喬草配置群落土壤各層含水量均高于純林，且15～25 cm土層，喬草配置群落土壤含水量顯著高于純林。

關鍵詞：榆林樟子松人工林;紫花地丁;土壤理化指標

中圖分類號：S714.8 文獻標識碼：A 文章編號：0488-5368（2025）01-0046-05

Effects of Viola sylvestris on Soil Water and Nutrients of Pinus camphor Plantation in Yulin

ZHANG Jing ， CUI Jie， FANG Ting， WANG Jingbo， BAI Xiaoxia

（School of Life Sciences， Yulin University， Yulin， Shaanxi 719000， China）

Abstract：" Premature aging has been observed to varying degrees in the growth and development of Pinus sylvestris plantations in arid regions. This study investigated the soil physicochemical properties， including organic matter， available phosphorus （P）， available potassium （K）， nitrate nitrogen （NO-3-N）， and ammonium nitrogen （NH+4-N）， in 8-year-old pure plantations of Pinus sylvestris and mixed plantations of Pinus sylvestris "× Viola philippica. A typical sampling method was used to assess soil samples across three depths （0～5 cm， 5～15 cm， and 15～25 cm）. The results showed that：Except for ammonium nitrogen， the soil nutrient content of pure forests decreased with increasing soil depth. In the 0～5 cm soil layer， the organic matter and ammonium nitrogen contents in mixed forests were higher than in pure forests， with ammonium nitrogen being statistically significant. In the 5～15 cm and 15～25 cm soil layers， the organic matter and nitrate nitrogen contents in pure forests were significantly higher than in mixed forests.The available potassium and phosphorus contents in mixed forests decreased initially and then increased as soil depth increased. In the 15～25 cm soil layer， the available phosphorus content in mixed forests was significantly higher than in pure forests.The soil water content in all layers of mixed forests was higher than in pure forests， with a statistically significant difference observed at the 15～25 cm soil layer.

Key words： Pinus sylvestris plantation in Yulin； Viola philippica； Soil physicochemical index

榆林樟子松（ Pinus sylvestris var. mongolica ）在生長發育過程中出現了不同程度的早衰現象。有研究認為，造成樟子松人工林早衰的原因包括結構層次簡單、樹種單一、造林面積過大等，從而導致人工林出現了地力衰退、生物多樣性嚴重降低、病蟲害加劇等系列生態問題^[1]。毛烏素沙地樟子松人工林衰退是多種生物和非生物因子綜合作用的結果，氣候、緯度、養分、水分、地力等因子都可能會造成人工林的衰退，而養分供給不及時造成的森林機制下降，是人工林早衰的一大因素^[2]。與闊葉樹相比，樟子松純林不利于土壤微生物的發生與發展，養分歸還緩慢，直接影響了土壤微生物庫中的營養元素貯存量^[3]，從而造成人工林土壤肥力下降。

地上植被是影響土壤營養元素的重要因素，不同的植被類型會形成不同的林內環境，同時也形成不同的土壤環境。林下植被在調節林下環境、改善土壤養分環境以及促進養分吸收方面發揮著重要的作用^[4]。紫花地丁（ Viola philippica） 是多年生草本植物，根系發達且綠期長^[5]，具有抗寒性、抗旱性、耐鹽堿、耐陰性等多種抗性，繁殖能力強^[6～9]，同時，紫花地丁在保護環境方面效益明顯。研究表明，紫花地丁每周滯塵量為6.49 g/m 吸熱量為18 748.75 kj/d，釋養量為37.646 g/d^[10]。另外，紫花地丁作為生命力旺盛的野生草本植物，通過自身蒸騰作用來調節土壤含水量^[11]。在不同的生長期內，紫花地丁對N、P、K的吸收差異明顯，從而造成根際土壤成分的變化^[10]。

本研究通過在樟子松人工純林下種植地被植物，利用地被植物根系與土壤的相互作用來影響人工林土壤環境，從而明晰樟子松人工林在生長發育過程中出現的具體問題，為科學解決人工林早衰問題提供借鑒。

1 研究區概況

研究區位于陜西省榆林市榆林學院實訓基地，地處109.725 6°E，38.297 9°N， 冬季寒冷、夏季炎熱，為大陸性季風氣候，海拔為1 080 m，年平均氣溫為9.1 ℃，地勢平坦，熱量充沛、光照充足、降雨偏少，年均降水量385.5 mm，年蒸發量2 502 mm，年均日照時數2 914 h。區域內盛行西北風，且干濕交替明顯，土壤成分以沙壤土為主，土壤肥力較低、且保水性較差^[12]。研究植物為8 a生樟子松純林和8 a生樟子松×紫花地丁喬草配置群落。

2 研究方法

2.1 標準地概況

2022年4月，選好試驗地后，從榆林紅石峽沙地森林公園苗木基地購置樟子松幼苗200株，先在土壤內添加適量腐熟有機肥，配制成適宜苗木生長的沙壤土，然后將帶土球幼苗移栽到試驗地，移栽好后，將樣地劃分為2個試驗小區。2022年8月，從榆林紅石峽沙地森林公園挖取紫花地丁苗100株，移栽到其中一個試驗小區內，移栽好后，先對紫花地丁進行適度遮光處理，待緩苗20 d后統一管理，之后觀察記錄苗木的生長狀況。

2.2 樣品采集與處理

2023年5月，選擇生長狀況相似、株高相近的樟子松純林和樟子松×紫花地丁喬草配置群落，各設6塊標準地，每塊面積為3 m×3 m。首先確定取樣點，然后使用環刀垂直取樣，分別在土層0～5 cm、5～15 cm、15～25 cm處取土，每個樣點重復三次，將土樣封裝好帶回實驗室進行冷藏儲存備用。標準地基本概況見表1和表2。

2.3 土壤各養分指標測定

在實驗室內對整理好的土壤樣品實施養分元素檢測。測定指標包括有機質、硝態N、銨態N、有效P、速效K。有機質采用重鉻酸鉀容量法（也稱外加熱法），硝態N和銨態N采用氯化鉀浸提法；有效P采用雙酸浸提-鉬銻抗比色測定法；速效K采用NH4OAc－火焰光度計測定法^[13]。

2.4 土壤含水率測定

采用烘干法來測點土壤含水率（W）。待土樣充滿已編號的鋁盒后，測定鋁盒+土壤鮮重的重量，記為S1，再將該鋁盒置于37 ℃的烘箱內，烘干24 h后，再次測定鋁盒+土壤干重的重量，記為S2，鋁盒的重量記為A，計算公式如下：

W（%）=（S1-S2）/（S2-A）×100

2.5 數據分析

使用Excel2020進行數據統計，采用SPSS18.0進行回歸分析^[14]。采用單因素方差分析，對不同樟子松人工林土壤養分含量進行顯著性檢驗（α=0.05）。

3 結果與分析

3.1 不同樟子松人工林對土壤有機質的影響

有機質是土壤養分的主要來源，在促進土壤結構形成與改善土壤物理性質發面發揮著重要的作用^[14]，作為微生物生命活動的能源，有機質在一定程度上能反映土壤的健康狀況^[15]。結果表明，隨著土層深度的增加，不同樟子松人工林土壤有機質呈現下降趨勢，0～5 cm土層，樟子松×紫花地丁喬草配置群落有機質含量高于純林，5～15 cm與15～25 cm土層，純林有機質含量均顯著高于喬草配置群落（ P ＜0.05），5～15 cm土層喬草配置群落有機質極顯著低于0～5 cm土層（ P ＜0.05），見圖1。

3.2 不同樟子松人工林對土壤有效P的影響

土壤磷是影響植物生長發育的重要元素之一。其中能被植物吸收、利用的部分稱為有效P，有效P含量的高低可判斷土壤磷素養分的供應水平^[16]。由圖2可知，樟子松人工純林有效P含量隨著土層深度的增加呈下降趨勢，0～5 cm土層與5～15 cm土層含量差異顯著（ P ＜0.05），樟子松×紫花地丁喬草配置群落有效P含量隨著土層深度的增加呈先降低后升高的趨勢，15～25 cm土層，喬草配置群落含量顯著高于純林（ P ＜0.05）。而0～5 cm土層，表現為純林有效P含量顯著高于喬草配置群落（ P ＜0.05）。

3.3 不同樟子松人工林對土壤速效K的影響

速效K能促進植物的光合作用，有利于植物體內酶活性、糖代謝以及蛋白質的合成，還可提高植物抗寒、抗旱、耐鹽堿、抗病蟲害等環境適應能力^［17］，因此，可以說，土壤中的鉀元素含量對植物生長發育起著至關重要的作用。由圖3可知，樟子松人工純林速效K含量隨著土層深度的增加呈現下降趨勢；樟子松×紫花地丁喬草配置群落土壤速效K含量與有效P含量變化趨勢相同，均隨著土層深度的增加呈現先下降后升高趨勢，同一土層，純林和喬草配置群落速效K含量差異不顯著，但0～5 cm與5～15 cm土層速效K含量均差異顯著（ P ＜0.05）。

3.4 不同樟子松人工林對土壤硝態N的影響

與土壤有機質的變化趨勢相同，不同樟子松人工林土壤硝態N含量均隨著土層深度的增加逐漸降低。如圖4所示，0～5 cm土層，樟子松純林硝態N含量最高（5.22 mg/kg），顯著高于5～15 cm土層（3.48 mg/kg）和15～25 cm土層（3.46 mg/kg） （ P ＜0.05）。0～5 cm土層樟子松×紫花地丁喬草配置群落土壤硝態N與5～15 cm土層含量差異顯著（ P ＜0.05），且5～15 cm和15～25 cm土層，純林硝態N含量均顯著高于喬草配置群落（ P ＜0.05）。

3.5 不同樟子松人工林對土壤銨態N的影響

銨態N易于被還原，可直接被植物和微生物利用。0～5 cm土層樟子松×紫花地丁喬草配置群落土壤銨態N顯著高于樟子松純林（ P＜0.05），且顯著高于其他土層（P ＜0.05），5～15 cm土層，純林銨態N顯著高于喬草配置群落（ P ＜0.05），15～25 cm土層，二者差異不明顯。見圖5所示。

3.6 不同樟子松人工林對土壤含水量的影響

降水與蒸發量、植物種類、土壤類型以及地下水深度等因素都會影響土壤含水量。由圖6可知，隨著土層深度的增加，不同人工林土壤含水量表現出不同的變化趨勢，樟子松純林土壤含水率隨著土層深度的增加呈現先升高后降低的趨勢，樟子松×紫花地丁喬草配置群落土壤含水率隨著土層深度的增加而增加，15～25 cm土層，喬草配置群落土壤含水率比純林高60.32%，差異顯著（ P ＜0.05）。

4 討論

榆林沙地樟子松人工林土壤養分元素隨著土層深度的增加，表現出明顯的、一致的規律性，不同樟子松人工林土壤養分含量均隨著土層深度的增加呈現下降的趨勢，這一結果與一般森林土壤的養分變化趨勢相

同[18，2]。0～5 cm土層，純林土壤速效K、硝態N、有效P含量均高于喬草配置群落，速效K和硝態N含量變化幅度小，有效P變化幅度大，達到顯著性水平，這是由于紫花地丁對 P 素的消耗，造成樟子松×紫花地丁喬草配置群落表層土壤有效P含量下降；而喬草配置群落有機質含量高于純林，說明紫花地丁作為林下地被的填充植物，產生的落葉、莖干、果實等組織為表層土壤有機質的轉化提供了原材料，另外，喬草配置群落銨態氮含量顯著高于純林，說明純林土壤受硝化作用的影響，銨態氮轉化為硝態氮，銨態氮含量下降，而喬草配置群落環境中，受微生物活動的限制，硝化作用減弱，銨態氮含量相對較高。

5～15 cm土層，純林土壤有機質、速效K、硝態N、銨態N、有效P含量均高于喬草配置群落，其中有機質和硝態N含量變化幅度大，達到顯著性水平，產生這一特征的原因是，紫花地丁作為生命力旺盛的野生鄉土植物、利用自身蒸騰作用，大大調節并增加了土壤含水量，從而提高了有機質分解的速度，另外，紫花地丁具有綠期長、生命力旺盛的特點，為促進植物生長、延長生長期，紫花地丁消耗了大量的氮元素，造成該層土壤硝態N含量顯著低于純林^[19]。

15～25 cm土層與5～15 cm土層有機質和硝態N、銨態N含量變化態勢相同，純林顯著高于喬草配置群落，但速效K和有效P含量高于純林，且該層有效P含量變化幅度大，達到顯著性水平，這是由于紫花地丁根際分泌的一種P活化酶有助于P礦化所致^[20]，同時，由于紫花地丁對N、P、K元素的吸收差異，造成土壤成分的變化^[10]。

不同于土壤養分元素的變化趨勢，樟子松×紫花地丁喬草配置群落土壤各層含水量均高于樟子松純林，且15～25 cm土層，喬草配置群落與純林土壤含水量變化幅度大，達到顯著性水平。這一特征表明，紫花地丁的地上部分能有效地截留水分，使水分積聚在土壤表層，表層的土壤水受到重力影響向下滲漏，從而提高了各層土壤的含水率［21，22］。

5 結論

（1）除了銨態氮，樟子松純林土壤養分含量均隨著土層深度的增加呈現下降的趨勢。

（2）0～5 cm土層，樟子松×紫花地丁喬草配置群落有機質、銨態N含量高于樟子松純林，5～15 cm和15～25 cm土層，樟子松純林土壤有機質和硝態N含量顯著高于喬草配置群落。

（3）樟子松×紫花地丁喬草配置群落速效K和有效P含量隨著土層深度的增加呈現先下降后升高的變化趨勢，15～25 cm土層，喬草配置群落有效P含量高于純林，達到顯著性水平。

（4）樟子松×紫花地丁喬草配置群落土壤各層含水量均高于樟子松純林，且15～25 cm土層，喬草配置群落與純林土壤含水量變化幅度大，達到顯著性水平。[HJ65x]

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收稿日期：2024-03-01 修回日期：2024-04-24

基金項目：陜西省科技廳一般項目（2021JQ-831）；陜西省科技廳計劃項目（2019JQ-904）；榆林市科技局產學研合作項目（CXY-2022-90）。

第一作者簡介：張靜（1982-），女，副教授，碩士，主要從事植物生理生化研究。

通信作者：白曉霞。