栽植密度對毛白楊林地土壤垂直方向養分的影響

薄慧娟，朱嘉磊，文春燕，聶立水，宋連君

（1.北京林業大學 林學院，北京100083；2.河北省威縣苗圃，河北 邢臺054700）

土壤是森林生態系統的重要組成成分[1]，也是維持林木健康生長的必要基質，其養分含量大小直接影響林木生長速度和質量[2]。在林地中由于養分輸入、輸出以及林木自身養分循環而表現出明顯的垂直分布特征，且因養分類型不同具有顯著差異[3]，這種異質性影響整個生物學和生態學過程[4]。有關垂直方向養分的研究一般將土層劃分為0～20、20～40、40～60和60～100 cm等4個層次[5]，表土層作為整個土體的最上面，養分含量大小對林木生長和評價土壤肥力狀況更有代表性，忽略對表土層更細致的研究，不利于精準地描述土壤養分垂直分布格局。栽植密度是營林措施中一項重要且容易操作的措施，密度大小不僅影響林分結構[6]、 樹冠大小[7]及各器官養分含量[8]， 進而影響林木對土壤養分的吸收[9]； 還會影響凋落物生物量及分解速率[10]，最終對土壤養分狀況產生深刻影響。很多學者對栽植密度與土壤養分含量之間的關系開展了研究[11-12]。有研究表明：馬尾松Pinus massoniana林地土壤養分含量隨密度增大而降低[13]。不同學者研究結論不盡相同，可能是由于研究對象、栽植密度及林齡不同所造成的。預計到2050年，人工林將提供75%的工業木材，其中50%由速生豐產林提供[14-15]。楊樹Populus在中國的栽植面積已達850萬hm2[16]。毛白楊Populus tomentosa適應性較強，具有擴大引栽栽培范圍的潛力[17]，S86品種相對于其他品種有較高的木材量[18]。目前，關于栽植密度對毛白楊S86的影響大多數為地上部分的研究[19]。人工林具有速生、短輪伐期、長期單一化栽植等特點，地力容易出現單一化問題[9]。為此，本研究以10年生毛白楊S86為研究對象，比較3種栽植密度林地土壤6個土層（0～5，5～10，10～20，20～40，40～60和60～100 cm）的養分情況，闡明在不同栽植密度下毛白楊土壤養分的差異情況，為人工林林地土壤的管理及施肥提供有效指導。

1 研究地區與研究方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于河北省威縣苗圃場。該地屬于華北平原中部，地勢平坦，海拔30～50 m。年均氣溫為13.0℃，最低氣溫在1月，為-2.5℃，最高氣溫在7月，為27.0℃。氣候為暖溫帶大陸性半干旱季風氣候，全年日照總時數為2 574.8 h，無霜期198.0 d，平均降水量為497.7 mm，降水主要集中在7-8月。

1.2 試驗設計

選擇三倍體毛白楊無性系S86為試驗材料，于2007年4月挑選長勢大致相同的2年生毛白楊無性系幼苗（平均胸徑為6.1 cm，樹高為5.8 m）進行造林，栽植毛白楊時林地土壤養分概況為：有機質8.60 g·kg-1， 全氮 0.58 g·kg-1， 堿解氮 87.8 mg·kg-1， 有效磷 8.1 mg·kg-1， 速效鉀 90.0 mg·kg-1， 總孔隙度46.7%，田間持水量為26%。采用單因素完全隨機設計。栽植密度3個水平（行距×株距），分別為2 m× 2 m（T1）、 4 m × 3 m（T2）、 4 m × 5 m（T3）。 T1每行 11株， T2每行 7株， T3每行 4株， 分別為 2行， 3次重復共9個小區。小區以南北走向為長，東西走向為寬，保護行的栽植密度為4 m×3 m，設置2行。表1為2016年3種栽植密度下毛白楊生長狀況統計。

1.3 樣品采集與分析

2016年11 月中旬收集土樣，隨機選取試驗小區中央位置的5株樹木，在其東側80 cm處定點取樣。 先剝開凋落物， 用土鉆分別取（0～5、 5～10、 10～20、 20～40、 40～60 和 60～100 cm）6 個土層土壤樣品，將每個小區5個取樣點土層的40～60和60～100 cm的2個土層的5個土樣分別混為1個樣品，土層0～5、 5～10、 10～20 和 20～40 cm 土樣不混合。

另采集3種栽植密度的凋落物，具體方法為每個小區取5個面積為60 cm×60 cm凋落物樣點，烘干稱量得凋落物質量（表1）。樣品經室內風干、研磨、過篩后測定土壤養分。有機質采用重鉻酸鉀外加熱法，堿解氮采用擴散法，有效磷采用鉬銻抗比色法，速效鉀采用火焰光度計法測定[20]。

表1 3種栽植密度下毛白楊S86生長狀況Table 1 Growth status of P.tomentosa S86 under three different planting densities

1.4 數據處理

采用Excel 2010計算和整理數據并進行圖表繪制。數據間的方差分析（one-way ANOVA）、多重比較（Ducan檢驗法）采用SPSS 20.0進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同土層土壤養分分布特征

10年生毛白楊S86林地土層養分所占比例隨土層深度增加而減少，從土層0～20 cm占整個土層的69%～79%減少到60～100 cm土層僅占4%～7%（圖1）。養分所占比例在0～5、5～10和10～20 cm有一定的區別，特別是堿解氮在3個土層間有明顯差異，0～5 cm土層所占比例高達41%～45%。

圖1 3種栽植密度各土層養分所占比例Figure 1 Proportion of nutrient content in each soil layer under three planting densities

2.2 栽植密度對土壤養分質量分數的影響

2.2.1 土壤有機質 3種栽植密度的毛白楊S86林地土壤有機質質量分數分別為1.72～8.57 g·kg-1（T1）、5.20～15.44 g·kg-1（T2）、 4.58～14.86 g·kg-1（T3）， 且隨土層深度的增加而減少（圖 2）。 0～5， 5～10 和 10～20 cm有機質質量分數隨土層變化較為緩慢，20～40，40～60和60～100 cm隨土層增加下降較明顯。方差分析顯示：土層深度對有機質質量分數有顯著影響（P＜0.05），0～5和5～10 cm土層有機質質量分數差異不顯著，但均顯著高于其他土層，10～20、20～40和60～100 cm之間有機質質量分數差異顯著（P＜0.05）。有機質質量分數隨栽植密度和土層變化而變化。0～5、20～40、40～60和60～100 cm土層，有機質質量分數從大到小依次為T2、T3、T1，0～5 cm土層，T2和T3有機質質量分數分別較T1增加80.16%和73.40%；5～10和10～20 cm土層，有機質質量分數從大到小依次為T3、T2、T1（圖2）。總的來說，T1有機質質量分數顯著低于T2和T3。

2.2.2 堿解氮 毛白楊S86林地堿解氮質量分數為6.8～142.7 mg·kg-1（圖3），隨土層深度的增加而減少。土層對堿解氮質量分數影響顯著（P＜0.05），各土層之間（除60～100 cm）差異顯著（P＜0.05）。3種栽植密度下堿解氮質量分數在 0～5、 10～20、 20～40、 40～60 和 60～100 cm 土層從大到小依次為T2、 T3、 T1（圖3）；堿解氮質量分數在5～10 cm土層從大到小依次為T3、T2、T1。隨土層深度增加，不同栽植密度間堿解氮質量分數差異越來越小，可能由于冬季淋溶作用較弱的原因所導致。

圖2 3種栽植密度下毛白楊S86各土層有機質質量分數Figure 2 Contents of organic matter in different soil layers of P.tomentosa S86 under three planting densities

圖3 3種栽植密度下毛白楊S86各土層堿解氮質量分數Figure 3 Contents of available nitrogen in different soil layers of P.tomentosa S86 under three planting densities

2.2.3 有效磷 3種栽植密度的毛白楊S86林地土壤有效磷質量分數分別為1.3～6.1 mg·kg-1（T1）、1.5～12.4 mg·kg-1（T2）和 2.5～11.7 mg·kg-1（T3）， 隨土層深度增加，有效磷質量分數呈下降趨勢（圖 4）， 從 0～5 cm土層占整個土層的31%～37%減少到60～100 cm土層僅占4%～8%（圖1）。栽植密度對有效磷質量分數影響顯著（P＜0.05）。 0～5 cm 土層有效磷質量分數大小依次為：T2（12.4 mg·kg-1）、 T3（11.7 mg·kg-1）、T1（6.1 mg·kg-1）， T1顯著低于 T2和 T3。 有效磷質量分數在土層 5～10、 10～20 和 20～40 cm 表現為 3 條有差異的曲線（圖4）。多重比較結果表明：T2顯著高于T1和T3，T1和T3差異不顯著；40～100 cm土層T3顯著高于 T1和 T2（P＜0.05）。

2.2.4 速效鉀 速效鉀質量分數隨土層增加呈下降趨勢（圖5）。5～10 cm土層速效鉀質量分數顯著高于10～20 cm（P＜0.05）， 與 0～5 cm 土層差異不顯著， 20～40、 40～60和 60～100 cm 土層間速效鉀質量分數差異不顯著。T2的土壤速效鉀質量分數最高，為60.3～278.1 mg·kg-1。T1速效鉀質量分數小于T2和T3（圖5）。方差分析表明：栽植密度對土壤速效鉀質量分數無顯著影響（P＞0.05）。

2.4 10 a后S86林地養分質量分數

10 a后毛白楊S86林地土壤養分質量分數發生變化，堿解氮和有效磷降低，栽植密度越大降低的程度越明顯，特別是堿解氮，在T1處理下降低了60%（表2）。表明隨林齡增加，毛白楊從土壤中吸收越來越多的氮素來供地上部分生長，從而導致土壤氮庫儲量和供氮能力的下降。

速效鉀質量分數增加，增加的幅度和栽植密度相關，T2增加幅度最大；有機質質量分數在T1處理下降低了3.12 g·kg-1，在T2和T3處理下分別增加了0.64和1.39 g·kg-1。

圖4 3種栽植密度下毛白楊S86各土層有效磷質量分數Figure 4 Contents of available phosphorus in different soil layers of P.tomentosa S86 under three planting densities

圖5 3種栽植密度下毛白楊S86各土層速效鉀質量分數Figure 5 Contents of available potassium in different soil layers of P.tomentosa S86 under three planting densities

表2 10 a前后毛白楊S86林地土壤養分質量分數Table 2 Soil nutrient（mean） content in P.tomentosa S86 stand before and after 10 years

3 討論

了解土壤養分垂直分布異質性是管理土壤養分和合理施肥的基礎[21]。本研究發現：0～100 cm土層深度，毛白楊S86人工林有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀質量分數所占比例隨土層深度增加呈降低的垂直分布特征，表層 （0～20 cm）養分所占比例為69%～79%，富集了0～100 cm土層深度內大部分養分。戴奧娜等[22]在研究絲栗栲Castanopsis fargesii林下土壤養分時也充分證實這一點，原因是由于凋落物主要集中在表層[23]。在林木生長過程中，根系從土壤中吸取礦質營養供地上部分吸收，隨后經凋落物分解返回到土壤中。總的來說，養分在不斷地輸出。本研究發現：10 a后毛白楊S86林地堿解氮和有效磷質量分數降低，可見在林木培育過程中，有必要對林地進行土壤養分管理[24]。

以往研究將土壤表層劃分為0～20 cm或者0～10和10～20 cm[2,25]，本研究進一步將土層0～20 cm劃分為0～5，5～10和10～20 cm，發現3個土層的養分所占比例不同，堿解氮在3個土層間存在顯著差異（圖3）， 有機質在 10～20 cm 顯著低于 0～5和 5～10 cm（圖 2）； 有效磷和速效鉀在 0～5和 10～20 cm 差異顯著（圖3和圖4）。研究結果不僅精準地描述了養分在表層土的分布情況，而且為合理的水肥管理提供一定的依據，比如對0～20 cm土層施氮肥，可將大部分肥料施在10～20 cm土層中。

林分栽植密度顯著影響土壤有機質變化，有機質隨密度的增加顯著減少。這可能是由于有機質來源主要為凋落物和根系，栽植密度越低，凋落物越少（表1）。同時，白毛楊S86在低栽植密度下有較高的根系生物量[26]，從而導致有機質較高。林分密度對養分影響的研究結果表現不一致。對毛竹Phyllostachys edulis的研究發現：土壤營養元素隨林分栽植密度的增加呈先逐漸增加后有所下降的趨勢[27]；油松Pinus tabulaeformis等樹種土壤養分隨林分栽植密度的增加而降低[28]。這些差異可能與林分類型、林分栽植密度或凋落物分解速率有關。

本研究發現：有機質和堿解氮在表層對栽植密度的響應最激烈，有效磷在行距×株距為4 m×3 m和4 m×5 m顯著高于2 m×2 m，栽植密度對林地速效鉀無顯著影響。任麗娜等[29]在對油松Pinus tabulaeformis人工林研究后也得出類似的結果，不同土層養分量對栽植密度的響應不一致，可能是由于不同土層養分來源與流失方式不盡相同[30]，比如微生物分布、根系分布以及淋溶和礦化作用等[31]。每一土層主導因素不一樣，具體影響因素還有待進一步研究。

4 結論

10年生毛白楊S86林地土壤有機質和有效養分所占比例隨土層增加而下降，堿解氮有較明顯的垂直分布特征。栽植密度對10年生毛白楊S86林地土壤養分有一定的影響，整體來說行距×株距為4 m×5 m和4 m×3 m時養分高于2 m×2 m，表層土壤有機質和堿解氮對栽植密度的響應最為激烈，有效磷在行距×株距為4 m×3 m和4 m×5 m時顯著高于2 m×2 m。栽植密度對速效鉀沒有顯著影響。因此在華北平原砂壤土地區進行毛白楊林地管理時，結合培育目標在選擇最初栽植密度后，建議對高栽植密度林地進行間伐或者施肥管理，低栽植密度林地可選擇農作物進行套種。在今后將研究毛白楊林地凋落物在不同栽植密度下的分解狀況，從而更準確地了解凋落物層與土壤養分之間的關系。