沙質草地營造樟子松林后土壤容重的變化及其影響因子

張巖松,雷澤勇,于東偉,于德良,周晏平

遼寧工程技術大學環境科學與工程學院,阜新123000

土壤容重是指一定容積內(包括土壤孔隙)的土壤重量,是土壤重要的物理性質之一。土壤容重的變化與土壤孔隙度密切相關,直接影響土壤透氣性、入滲性能、持水能力和溶質遷移潛力等[1- 2],對植物根系的生長和作物產量也會產生間接影響[3]。土地利用和土地覆蓋變化(LUCC, Land-Use and Land-Cover Change)是人類干預土壤容重較為重要和直接的活動。通過改變土地利用方式,可以改變土壤營養循環強度、總量及路徑,從而改變土壤供應作物的營養水平,進而導致土壤肥力狀況發生變化[4]。不同土地利用方式對土壤物理性質的影響已逐漸被重視,許多學者研究表明,土地利用變化對土壤容重產生影響。例如,泰山山前平原荒草地轉變為農田和林地使土壤容重顯著降低[5]；納板河流域自然林轉變為農業用地后土壤容重升高但不顯著[6]；東北黑土區裸地轉變為農田和自然草地后土壤容重均有不同程度降低[7]。此外,在土地利用方式轉變過程中不同土地利用方式對土壤物理性質的影響還決定于土地利用方式轉變的時間長短[8]。目前,土地利用變化對土壤容重影響的研究主要集中于農業用地,對草地造林后土壤容重的影響研究比較缺乏,而且土壤容重變異特征的影響因素尚不明確。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)天然分布于我國大興安嶺北部山地和呼倫貝爾沙地草原,具有耐寒,耐旱,耐貧瘠和較速生等優良特性。自20世紀50年代在我國遼寧省章古臺地區成功引種以來,樟子松作為優良的固沙造林樹種被迅速引種栽植[9]。以往有關樟子松人工固沙林的研究主要集中在樟子松林營建與管理[10- 11]、衰退機制以及樟子松林的適應性研究等方面[12- 14],而對于干旱半干旱區沙質草地營造樟子松林對土壤質量的影響,特別是對土壤容重的影響鮮見報道,胡亞林等[15]對沙質退化草地造林的研究發現,32年樟子松林地相較于沙質草地在0—10 cm土層土壤容重下降了4.93%,現有研究限制了對干旱半干旱地區沙質草地造林生態學效應的全面認識。因此,本文以沙質草地轉變的樟子松人工林作為研究樣地,選擇鄰近草地作為對照,旨在明確沙質草地轉變為樟子松林后土壤容重的變化及其影響因子,為沙地造林后土壤質量演變的研究提供科學支撐。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

研究地設立在中國東北科爾沁沙地的遼寧省固沙造林研究所章古臺試驗林場內(圖1,42°39′—42°43′N,122°23′—122°33′E),該地為中國北方典型草原與農地交錯地帶,海拔高度平均為225 m。地處中溫帶,大陸性季風氣候,年均氣溫4.6℃—6.3℃,年均降水量500 mm左右。年平均風速4.5 m/s,春季多大風、揚沙天氣。土壤類型主要為風沙土和流動風沙土,pH值6.7左右。代表性植物有中華委陵菜(Potentillaanserina)、中華隱子草(Cleistogeneschinensis)、山杏(Armeniacasibirica)、興安胡枝子(Lespedezadaurica)等[9]。營建樟子松固沙林前為沙質固定草地。

圖1 研究區地理位置圖Fig.1 Location map of the study area

1.2 試驗地選擇與土壤樣品的采集

試驗標準地的選取遵循以下原則：(1)標準地要盡可能覆蓋樟子松固沙林不同的林分年齡；(2)標準地間的距離不少于50 m,避免緊靠道邊、農田,排除混交林。(3)標準地生境條件基本一致,依據以上原則,設立幼齡林(5塊)、中齡林(6塊)、成熟林(5塊)和過熟林(4塊)調查樣地20塊(表1)及各林齡臨近的對照草地7塊,每個樣地的面積為20 m×20 m,對林地內樟子松進行每木檢尺,得到林分基本情況(表1)并選定平均木。 我們假定各林齡林分臨近的對照草地值為各測定因子的起始值。

在2017年和2018年的5月期間進行土壤采樣,分別在林地距離平均木1 m的位置和草地中心挖土壤剖面,用環刀0—10、10—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm層的原狀土用于測定土壤含水率和土壤容重,并在選定樣地內(林地和草地)隨機選取6個樣點,分別鉆取上述固定土層的土壤混合均勻,帶回實驗室。土樣自然分干后挑除石塊和植物殘體等雜物,過篩后置于密封袋內用于測定土壤理化特性值。

表1 樟子松人工林樣地基本情況

1.3 土壤理化因子測定方法

土壤容重及土壤含水率采用烘干法,土壤機械組成采用激光粒度分析儀測定,土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法,土壤全氮含量采用半微量開氏法,土壤全磷含量采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法,土壤全鉀(TK, Total potassium)含量采用NaOH熔融-火焰光度法,土壤pH值采用電位法,詳見土壤農業化學分析常規方法[16]。

1.4 計算與數據處理

按下式計算土壤理化因子變化量：

ΔXi=Xi-X0

式中,ΔXi為草地造林某土壤理化因子i的變化量；Xi為樟子松林地某土壤理化因子i的測定值；X0為相應對照草地某土壤理化因子i的測定值。

按下式計算土壤理化因子相對變化率：

式中,ΔXi為草地造林某土壤理化因子i的變化量；X0為相應對照草地某土壤理化因子i的測定值；Pi為草地造林某土壤理化因子i的相對變化率。

將土壤容重相對變化率作為因變量,其他影響因子相對變化率作為自變量進行逐步回歸分析,同時排除各影響因子間共線性關系,得出土壤容重相對變化率回歸方程：

PBD=β0+βiPi

式中,PBD為草地造林土壤容重的相對變化率；β0為常數；Pi為草地造林某土壤理化因子i的相對變化率；βi為草地造林某土壤理化因子i的回歸系數。

那么,土壤容重則可以表示為：

可見,土壤容重相對變化率與其影響因子相對變化率的正負效應和土壤容重與其相應的因子正負效應相同,但系數大小存在差異。

1.5 統計分析

運用SPSS 20.0軟件對上述計算的數據進行統計分析,不同土層的土壤容重變化量采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)進行差異性分析,運用最小顯著差異法(LSD)進行多重比較分析,顯著水平為α=0.05。利用逐步回歸分析建立土壤理化因子變化率對土壤容重變化率影響的模型。選擇與土壤容重變化可能相關的8個土壤理化因子：土壤含水率、粒徑<0.05 mm的土壤細顆粒、粒徑>0.05 mm的土壤粗顆粒、土壤有機碳、土壤全氮、土壤全磷、土壤全鉀、土壤pH值的相對變化率為自變量,土壤容重的相對變化率為因變量,運用逐步回歸分析對自變量進行刪選,滿足允許水平P<0.05的變量進入模型。

2 結果與分析

2.1 樟子松人工林土壤容重變化量垂直分布

由表2可以看出,和天然沙質草地相比,營造樟子松人工固沙林后土壤容重在0—100 cm土層隨著土層深度的增加沒有呈現一致的趨勢和規律。土壤容重的變化在幼齡林的不同土層之間出現最大的變異,其中0—10、10—80、80—100 cm 3個層次間存在顯著差異(P<0.05),土壤容重變化量在0—10 cm最大,在10—80 cm的各層次間無顯著差異,而在80—100 cm最小,變化隨深度的增加而減小,在0—100 cm土層增加約0.10 g/cm3左右。中齡林在0—10 cm土層減小,10—20 cm土層跟草地基本一致,20—100 cm土層增大,但不同土層間土壤容重變化量無顯著差異。成熟林在10—20 cm和60—80 cm土層增大,其余土層減小,0—10 cm土層的變化最小且顯著低于10—40 cm和60—80 cm土層,10—100 cm土層各層次間的變化無顯著差異。過熟林在0—10 cm土層和天然沙質草地基本一致,10—20 cm土層減小,其他土層增大,土壤容重的變化在20—60 cm土層顯著高于除80—100 cm以外其他土層,而在0—20 cm和60—100 cm土層間無顯著差異。

表2 不同齡組土壤容重變化量垂直分布

不同小寫字母表示相同齡組不同土層間差異顯著(P<0.05)

由表2可以看出,和天然沙質草地相比,營造樟子松人工固沙林后土壤容重在0—100 cm土層隨著土層深度的增加逐漸發生變化。土壤容重的變化在幼齡林的不同土層之間出現最大的變異,其中0—10、10—80 cm和80—100 cm 3個層次間存在顯著差異(P<0.05),土壤容重變化量在0—10 cm最大,在10—80 cm的各層次間無顯著差異,而在80—100 cm最小,變化隨深度的增加而減小,在0—100 cm土層增加約0.10 g/cm3左右。中齡林在0—10 cm土層減小,10—20 cm土層跟草地基本一致,20—100 cm土層增大,但不同土層間土壤容重變化量無顯著差異。成熟林在10—20 cm和60—80 cm土層增大,其余土層減小,0—10 cm土層的變化最小且顯著低于10—40 cm和60—80 cm土層,10—100 cm土層各層次間的變化無顯著差異。過熟林在0—10 cm土層和天然沙質草地基本一致,10—20 cm土層減小,其他土層增大,土壤容重的變化在20—60 cm土層顯著高于除80—100 cm以外其他土層,而在0—20 cm和60—100 cm土層間無顯著差異。

2.2 影響土壤容重變化的理化因子

天然沙質草地營造樟子松林后,土壤容重變化受諸多土壤因子影響且不同土層影響因子存在差異。從表3可以看出,在樟子松林地土壤中,0—10 cm土層土壤全磷和全氮分別與土壤容重變化呈顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)的負相關,其中全磷的影響大于全氮的影響；10—20 cm土層土壤容重變化僅與土壤含水率顯著正相關,而其他土層土壤含水率對土壤容重變化的影響不顯著；20—40 cm土層土壤容重變化與土壤有機碳正相關,而與全氮、全磷、全鉀負相關,其中全鉀的影響效果顯著而其他因子極顯著；40—60 cm土層土壤容重變化僅與全磷呈極顯著負相關；60—80 cm土層土壤容重變化與土壤粗顆粒和土壤全氮顯著負相關；80—100 cm土層土壤全鉀和全磷分別與土壤容重變化呈顯著和極顯著的負相關。從不同土層土壤容重變化的回歸分析可以看出,除土壤有機碳外,土壤養分元素與土壤容重變化均呈負相關關系,其中土壤全氮和全磷回歸系數絕對值隨土層深度的增加逐漸減小,說明其對土壤容重變化的影響效果逐漸降低,但土壤全鉀對土壤容重變化的影響并不符合上述規律。

2.3 林齡對土壤容重變化的影響

天然沙質草地轉變為樟子松人工固沙林后,不同林齡的土壤容重變化的垂直分布存在差異(表2),為進一步分析不同土層土壤容重變化與樟子松林林齡的關系,將二者進行回歸分析,結果表明：在整個1 m的深度內,土壤容重的變化均受林齡的顯著影響(圖2)。在樟子松林不同生長階段,土壤容重變化在20—60 cm土層隨林齡的增加表現為先降低后升高,尤其是過熟林,土壤容重變化在20—60 cm土層比成熟林有顯著升高,在20—40 cm土層,37年生樟子松土壤容重變化量最小,其值為-0.01 g/cm3,在40—60 cm土層,39年生樟子松土壤容重變化量最小,其值為-0.04 g/cm3,其余土層土壤容重變化與林齡呈顯著的負相關,其關系可以用線性關系式來表示,土壤容重平均年代際變化速率分別為0.034、0.019、0.020 g/cm3和0.014 g/cm3。按照擬合方程的決定系數來看,林分生長對不同土壤層次容重變化的貢獻率由大到小的依次為40—60、60—80、20—40、10—20、0—10、80—100 cm層。

表3 土壤容重變化率影響因子的回歸分析(只列出顯著相關的土壤因子)

Cs：土壤粗顆粒 Coarse soil；W：土壤含水率 Water content；SOC：土壤有機碳 Soil organic carbon；TN：土壤全氮 Total nitrogen；TP：土壤全磷 Total phosphorus；TK：土壤全鉀 Total potassium

圖2 不同土層土壤容重變化量與林齡的關系Fig.2 Relationship between soil bulk density variation and forest ages in different soil layers

3 討論

3.1 土壤理化因子對土壤容重變化的影響

樟子松人工林土壤容重變化受諸多土壤因子影響。土壤的持水和導水能力與土壤容重密切相關[17],干旱半干旱地區土壤水分條件直接決定植物的生長狀況[18]。一般認為,樟子松固沙林土壤容重與土壤含水率呈負相關關系[19- 20]；而與多數研究結果相反,本研究發現樟子松人工林土壤容重只在10—20 cm土層與土壤含水率正相關,在其他土層均不相關,原因在于沙地土壤粗顆粒含量大,土壤保水性差,土壤含水率低,但營造樟子松人工固沙林后,隨著林木的生長,有效降低了地表風蝕,加快了土壤細顆粒沉積和土壤成土過程[21- 22],地表沉積的土壤細小顆粒在降雨淋溶作用下向下層緩慢運移、填充土壤孔隙[23],導致10—20 cm層土壤容重增加,同時細顆粒含量的增加使得該層土壤保水性能提高,相應提高了該層的土壤含水率,因此土壤容重與土壤含水率正相關。大量研究表明,土壤質地與土壤有機碳含量對土壤容重影響顯著[24- 25],通常作為預測變量建立土壤傳遞函數估算土壤容重[26],我們研究發現土壤有機碳只在20—40 cm土層與土壤容重正相關,土壤質地中的粗顆粒含量僅僅在60—80 cm土層與土壤容重負相關,其他土層土壤有機碳和土壤質地對土壤容重無顯著影響,因此這種傳遞函數并不能準確預測研究地區所有土層的土壤容重。Kaur等[27]對包含沙土的12種土壤容重估算模型進行對比研究,發現利用包含土壤質地和土壤有機碳含量的土壤傳遞函數估算土壤容重同樣不適用于干旱半干旱區沙地。韓光中等[28]對上述12種類型土壤分別建立了最優容重傳遞函數,他們認為干旱地區土壤容重僅與土壤深度顯著相關。在科爾沁沙地,土壤有機碳和全氮主要分布于土壤粘粉粒中[29],在20—40 cm層,含有土壤有機碳的細小顆粒向下運移,增加土壤容重的同時也使土壤有機碳含量升高。隨著樟子松林木的發育,林木根系生長需要吸收土壤有機碳,而林木根系也會促進土壤微團聚體的形成使土壤粗顆粒含量升高,改善土壤結構使土壤容重減小[30],因此,總體來說,土壤有機碳的增加可以明顯改良土壤結構狀況并促進土壤容重降低[17,31]。

森林生態系統養分主要分布于土壤組分、植物組分和枯落物組分中,其中養分貯量最高的是土壤[32]。天然沙質草地轉變為樟子松人工固沙林,土壤容重的變化必然伴隨著土壤養分的重新分配。氮素是植物生命活動的主要限制元素之一,而磷素被認為是干旱半干旱區生態系統的限制性養分因子[33]。本研究發現,土壤全氮在0—10、20—40 cm和60—80 cm土層與土壤容重負相關,土壤全磷在0—10、20—60 cm和80—100 cm土層與土壤容重負相關,對土壤容重變化的影響效果均隨著土層深度的增加逐漸降低；土壤鉀的含量主要與土壤類型及形成母質類型有關,土壤全鉀在20—40 cm和80—100 cm土層與土壤容重負相關。造林初期樟子松林木個體生長所需養分含量高于原天然草地,土壤養分含量及土壤微生物量明顯降低[34],土壤容重增大；隨著樟子松人工林林齡的增加,林地地表枯落物積累量增加,養分通過枯落物分解、細根脫落和根系分泌物等途徑歸還土壤,土壤生物和微生物活動加劇,土壤生物化學反應增強,土壤結構得到改善,土壤容重減小。森林生態系統土壤養分主要來源于枯落物分解歸還[35],這一過程發生在土壤表層,降水淋溶使其分解的養分向下層運移,所以土壤全氮和全磷對土壤容重變化的影響效果均隨著土層深度的增加逐漸降低。然而,土壤中鉀元素主要以速效鉀的形式參與反應,土壤速效鉀移動性和溶解性較好[36],所以未出現上述現象。土壤pH與土壤容重并無顯著相關關系,這可能與干旱半干旱地區氣候條件有關[37]。

3.2 沙質草地營造樟子松林不同生長階段土壤容重變化

沙質草地轉變為樟子松人工林后,林分不同生長階段的土壤容重垂直變化存在差異。天然草地造林的初始階段,由于人為活動的作用使得天然草地土壤結構遭到破壞,土壤緊實度增加,樟子松的生長有效地降低了林間風速,空氣中的細粒物質逐漸沉積充填林地土壤孔隙使其減小[38- 39],此外樟子松根系的發育可能也會擠壓土壤顆粒使土壤孔隙減小,在這些因子的綜合作用下,樟子松幼齡林的林地土壤容重顯著地大于臨近的對照草地；隨著樟子松的生長,林地地表枯落物積累量增加并逐漸分解,樟子松根系的發育使其對土壤結構的改良效果顯著,土壤生物和微生物活動加劇促進土壤容重逐漸減小,樟子松中齡林土壤容重在0—10 cm土層已小于天然草地,在10—20 cm土層與天然草地土壤容重基本一致,其他土層略高于天然草地土壤容重,但各土層之間無顯著差異；而到樟子松成熟林時,土壤容重在大部分層次小于對照草地。另一方面,該地區的樟子松人工林在林齡30—35年后開始衰退[40],樟子松發生衰退后,根系生物量雖然明顯減少[13],但卻產生大量根孔,也會導致土壤容重減小。樟子松過熟林中,隨著林木地上地下的生長減弱,土壤容重增加,土壤容重變化量隨土層深度的增加先升高后降低,樟子松細中根主要集中分布在50 cm以上土層[41],衰退過程使原根區下半部分根系死亡產生大量根孔,而上半部分土壤細小顆粒在降水淋溶作用下向下運移填充土壤孔隙,20—60 cm土層土壤容重明顯高于天然草地。

沙質草地營造樟子松人工林不同土層土壤容重變化隨林齡的增加存在差異。樟子松林在20—60 cm土層土壤容重變化量隨林齡的增加先降低后升高,土壤細小顆粒在降水淋溶作用下向下運移填充根系生物量減少產生的根孔,同時也會使土壤有機碳含量升高,而對于土壤養分而言,死亡的樟子松根系中保留大量養分且腐解過程比較緩慢,抑制土壤養分循環過程,土壤養分含量降低,這些因子綜合作用使得土壤容重變化量又升高；除20—60 cm土層外,樟子松人工林在其他土層土壤容重變化量隨林齡的增加逐漸降低,枯落物的分解和根系作用加速植物-枯落物-土壤系統間的養分循環過程,生物化學反應的發生有利于改良土壤結構,土壤容重減小。此外,在0—10 cm土層和80—100 cm土層擬合方程的決定系數(0.256和0.206)和其他土層相比較小,0—10 cm土層土壤容重變化還受氣候條件、地形地貌、人為活動等其他因素影響[42- 43],而在80—100 cm土層,不同林齡樟子松林木根系分布雖然較少,但引起的土壤養分循環過程是該層次土壤容重變化的主要原因,根系變化引起的全磷和全鉀的波動導致土壤容重反向的變化(表3)。

沙質草地營造樟子松林土壤容重在0—10 cm土層的變化最為明顯(變異系數為78%)。這與有些學者的研究結果基本一致,蘇芳莉等[41]研究認為,樟子松造林后對不同層次的土壤尤其表層土壤具有明顯的改良作用,李少華等[39]對沙區人工檸條林的研究發現,隨深度增加各土層改良效果存在時間上的滯后性,林地土壤0—5 cm土層恢復最快,但土壤養分表聚性的現象不是從造林初期就顯現,胡亞林等[15]認為林地凋落物覆蓋有利于改善0—10 cm表層土壤容重,同時樹木根系生長對土壤容重也會產生影響。

4 結論

天然沙質草地營造樟子松人工固沙林后,在樟子松不同生長發育階段,0—10 cm土層土壤容重變化的變異系數為78%,其他土層變異系數范圍為1.08%—4.35%。土壤容重變化在60—80 cm層與土壤粗顆粒(粒徑>0.05 mm)含量、在0—10、20—40 cm和60—80 cm層與土壤全氮含量、在0—10、20—60 cm和80—100 cm層與土壤全磷含量、在20—40 cm和80—100 cm層與土壤全鉀含量顯著負相關,且土壤全氮和全磷含量對土壤容重的影響效果隨土層深度的增加逐漸降低,土壤容重變化在10—20 cm層與土壤含水率、在20—40 cm層與土壤有機碳含量呈顯著的正相關。因此,可采取封育禁牧措施,保證樟子松林下枯落物的積累,提高土壤養分含量,降低土壤容重,改善土壤結構。隨著樟子松林林齡的增加,土壤容重變化量在0—20 cm和60—100 cm層逐漸降低,在20—60 cm層先降低,到37年左右后升高,表明樟子松林的衰退對土壤結構的影響明顯,建議對37年后的樟子松林逐漸更新。