毛烏素沙地樟子松林恢復過程的土壤有機質含量變化特征

張寧寧, 譚凱亮, 亢福仁， 劉普靈

(1.榆林學院 生命科學學院, 陜西省陜北礦區生態修復實驗室, 陜西 榆林 719000; 2.東北林業大學 林學院,哈爾濱 150040; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

樟子松因其對極端低溫環境有著極強的耐受能力，且根系發達，在養分貧乏的地區也可迅速生長，因此在五十年代被榆林市引入用于荒漠化治理而被廣泛種植[1-3]。作為優良的固沙樹種之一，其研究一直是國內外學者關注的熱點。目前對樟子松林的研究主要包括整地和栽培技術研究[1]、樟子松生理特性(林分、樹高、胸徑等)研究[4]、樟子松林下土壤的研究等，其中關注最多的是樟子松恢復過程中林下土壤理化性質的響應研究。如羅維成等[5]對科爾沁沙地的樟子松人工林下植被的土壤水分變化特征進行了研究，結果表明：樟子松人工林演變過程對土壤含水量有顯著影響，土壤平均含水量和樟子松栽植恢復年限呈顯著線性關系；淑敏等[6]研究了不同林齡樟子松人工林針葉—凋落葉—土壤的生態化學計量特征，發現不同林齡的C，N，P含量在3個庫之間均存在顯著差異，且樟子松具有相對穩定的適應特征。牛沙沙等[7]對不同林齡樟子松人工林土壤養分研究表明，林齡對樟子松林地土壤理化性質影響顯著，且土壤肥力由高到低為：中齡林、近熟林、幼齡林。因此，林齡是影響樟子松林下土壤養分的重要因素。而土壤有機質是存在于土壤中的含碳有機物質[8]，可作為體現土壤養分的一個重要方面[9]。馬存平等[10]比較分析了榆林地區不同固沙林地土壤養分變化特征，結果表明：各固沙林地土壤有機質提高幅度最大，在沙區營造固沙林，可有效促進土壤養分積累。這些研究表明樟子松人工林土壤有機質對于土壤理化性質、土壤肥力、生態環境等都有明顯的改良作用，且林齡的作用顯著。

鑒于此，本文以裸地為對照，選取1960s，1970s，1980s種植的立地條件相似的人工樟子松林，研究其土壤有機質含量隨恢復年限的變化規律和垂直變化特征，并進一步分析其豐缺度，以期了解營造樟子松林后林木的生長發育對其林下土壤有機質含量的影響，為毛烏素沙地地區后期樹種引進，沙地改良和生態恢復提供理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域為陜西省榆林市的紅石峽森林公園(東經109°12′，北緯38°16′)，海拔高度1 100 m，占地面積約為178.3 km2。該區屬于暖溫帶干旱半干旱大陸性季風氣候，夏季短促較溫熱，冬季較長且嚴寒，年平均氣溫為10 ℃，夏季最高溫度為37.6 ℃，冬季最低溫度為-32.7 ℃。無霜期較短，全年無霜期150 d左右，氣候干燥，降水較少且分配不均，多年平均降雨量在400 mm左右，降雨多集中在夏季。終年盛行西北風，持續時間長，風力大，土壤類型主要是風沙土[11]。

1.2 樣品采集與測定

在榆林紅石峽森林公園進行土壤取樣(表1)，選擇立地條件相似的1960s，1970s，1980s樟子松林地進行土壤采集，并以裸地作為對照。采用“S”形法在試驗樣地中選擇樣點，每個樣地選擇2個樣點，每個樣點設置3個重復。使用內徑6 cm的土鉆在0—100 cm的土層中分層取土，分層厚度10 cm/樣，將采集的重復樣點樣品充分混合后帶回實驗室，放在室內干燥陰涼通風處風干，并經常翻動。樣品經風干后，四分法取土壤樣品，研磨后全部過0.25 mm的篩子后利用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質含量。

表1 樣地基本情況

1.3 數據分析

使用SPSS 19.0進行數據統計分析，Sigmaplot 12.5繪圖，利用我國在第二次土壤質量普查制定的土壤有機質含量分級與豐缺度指標[12](表2)研究樣地土壤有機質含量的豐富程度。

表2 土壤有機質含量分級與豐缺度指標

2 結果與分析

2.1 樟子松林土壤有機質含量分布特征

2.1.1 土壤有機質垂直變化特征 已有研究表明土壤不同深度的有機質含量不同[13-14]，本文對比研究了不同恢復年限樟子松林的不同土壤層次的有機質含量，結果如圖1。

由圖1可以看出，總體上不同林齡樟子松林及裸地中土壤有機質含量均隨土層深度的增加而逐漸減小。樟子松林和裸地中0—20 cm土層土壤有機質含量均顯著大于其他層次，20—100 cm土層范圍內，土壤有機質含量變化幅度隨深度的增加表現出不同的變化趨勢，但其差異尚達不到顯著水平。

圖1 不同恢復年限樟子松林土壤有機質含量垂直變化特征

2.1.2 不同林齡的土壤有機質含量分布特征 在分析了土壤有機質垂直變化特征的基礎上，分層研究了不同林齡樟子松林的土壤有機質含量變化特征。

由圖1可知在0—10 cm土層中土壤有機質含量的大小排序為：1960s >1970s >1980s >裸地，1960s樟子松林土壤有機質含量最大，其值為10.71 g/kg，裸地土壤有機質含量最小，其值為3.43 g/kg。而在10—20 cm土層中1970s樟子松林土壤有機質含量最大，其值為4.11 g/kg，1980s樟子松林土壤有機質含量最小，其值為1.58 g/kg。20 cm以下土層的土壤有機質含量變化較小。

總體上與裸地相比，不同林齡樟子松林均能顯著提高土壤有機質含量。其中，1960s樟子松林與裸地比較土壤有機質含量提高了212%，1970s提高了210%，1980s提高了177%。方差分析結果表明：1960s，1970s，1980s樟子松林與裸地在0—10 cm層土壤有機質含量差異均達到了顯著水平(p<0.05)；1960s樟子松林在10—40 cm土層與裸地土壤有機質含量差異顯著(p<0.05)，40 cm以下差異不顯著；1970s樟子松林在10—50 cm土層與裸地土壤有機質含量差異顯著(p<0.05)，50 cm以下差異不顯著；1980s樟子松林在10—100 cm土層范圍內與裸地土壤有機質含量均沒有顯著差異。因此，總體趨勢上在0—100 cm土層范圍內土壤有機質含量隨著林齡的增加呈現先增大后減小的變化趨勢。

除此以外，表3可以看出1970s與1980s樟子松林相比土壤有機質含量變化幅度總體上是大于1970s與1960s樟子松林之間的有機質含量變化幅度，在0—10 cm土層中也得到了同樣的結果。因此，隨著林齡的增長，樟子松林土壤有機質含量變化幅度有逐漸減小的趨勢。

表3 不同林齡樟子松林土壤有機質含量相對裸地的變化率 %

注：-表示減少率。

2.2 土壤有機質含量豐缺度

本研究結果表明不同林齡的有機質含量相比裸地均有所提高，為明確不同林齡土壤有機質含量的豐缺程度，對研究區不同林齡樟子松林及裸地中土壤有機質含量等級與豐缺度進行了評價，結果見表4。

表4 不同恢復年限樟子松林0-100 cm土層土壤有機質含量分級與豐缺度

在不同林齡樟子松林及裸地各土層中，0—10 cm層土壤有機質含量較高。1960s和1970s樟子松林地中0—10 cm土層有機質含量分別達到10.71 g/kg，10.63 g/kg，土壤有機質含量表現為5級以上，屬稍缺水平，1980s樟子松林中0—10 cm土層土壤有機質含量為6.05 g/kg，稍大于6級。而不同林齡樟子松林中其他土層(10—100 cm)及裸地中土壤有機質含量只能達到土壤有機質含量分級表中最低標準6 g/kg的一半左右甚至更低，屬于極度缺乏水平。雖然不同林齡樟子松林地中土壤有機質含量均高于裸地，特別是在表層(0—20 cm)，土壤有機質增加最為明顯，但是參考土壤有機質含量分級與豐缺度指標發現樟子松林下土壤有機質積累仍然較少。這是因為試驗區發展的樟子松人工林為單一樹種的同齡同層林，林分結構單一，林分密度較小，并且樟子松屬于針葉常綠樹種，其凋落物積累較少且含有較多的纖維素和木質素等難分解物質等原因造成土壤有機質含量增加較慢。同時受到榆林地區寒冷干燥的氣候環境，以及肥力低下，微生物活動水平較低的土壤性質等綜合因素的影響。

3 討 論

不同恢復年限樟子松林(包括裸地)，土壤剖面有機質含量分布均存在土壤表層大于下層，具有明顯的“表層聚集”特征，并且土層深度越大，有機質含量越低，且在各土層間含量分布差異顯著，該結果與許多研究結果相一致[15-17]。這是由于自然植被(喬木，灌木和草本植物等)產生的枯落物、地下根系分泌的有機物質、衰老死亡的根系和動物殘體等是森林土壤有機質的主要來源，而這些物質常積累在土壤表層，并且表層土壤結構相對于深層土壤結構較好，微生物活動旺盛，所以有機質積累較多。隨著土層深度的增加，動植物殘體以及植物根系分布也逐漸減少，因此0—20 cm層土壤有機質含量多于其他土層，且隨土層深度的增加而逐漸降低。

牛沙沙等[7]研究發現15 a，25 a，32 a生樟子松林0—100 cm土層土壤有機質含量隨林齡增長呈現先增加后減小的趨勢，本論文的研究結果與其一致。但是郭月峰等[18]研究發現5 a，11 a，17 a，23 a，29 a生檸條錦雞兒林地0—150 cm土層中有機質隨林齡增加而增加。這是由于選擇的研究對像，以及林分條件不同造成的。林齡顯著影響土壤的有機質含量的特征，我們研究對象的樟子松林齡在30 a以上，已有大量研究表明近熟林在生長上表現出明顯的衰退跡象，但是具體的衰退程度與立地條件和林地管護等有很大的關系[19]，本研究選擇的林地皆為自然恢復林，后期管護過程無人工施肥現象，因此出現該結果可能與樟子松林本身的林分變化具有很大的關系。

本文研究結果發現不同恢復年限樟子松林與裸地相比均能提高土壤有機質含量，但是林下土壤有機質含量豐富度仍屬于缺乏水平。也有許多研究表明樟子松純林地雖然能夠增加土壤有機質含量，但與其他林相比，有機質含量積累較少[20-21]。所以在今后經營管理樟子松林時要注意在林中施用有機肥料，合理的營林撫育方式或引入其他樹種混交等研究土壤有機質含量變化情況，以期使樟子松人工林發揮最大生態效益。

4 結 論

(1) 樟子松林下土壤有機質含量存在隨土層深度的增加而逐漸降低的變化趨勢，且有明顯的表層富集特征。

(2) 隨著林齡的增加樟子松林中土壤有機質含量變化存在先增加后減小的變化趨勢，但變化幅度逐漸減小。

(3) 相比于裸地，不同恢復年限樟子松林均提高了土壤有機質含量，但總體上土壤有機質含量仍處于缺乏水平。