章古臺地區樟子松人工林土壤養分變化規律

劉建華，孫海紅

(1.遼寧省沙地治理與利用研究所，遼寧 阜新 123000；2.遼寧章古臺科爾沁沙地生態系統國家定位觀測研究站，遼寧 阜新 123000)

森林土壤作為森林生態系統的重要組成部分為林木的生長提供了大量養分，同時，林木的生長發育及凋落物的歸還也影響著土壤的理化性質[1-2]。隨著林齡的增加，森林生態系統的結構組成、內部環境及土壤性質均會發生變化，養分分配格局發生變化，進而影響林木生長[3]。因此，系統地分析不同林齡土壤養分含量變化規律[4]，有助于進一步了解林分的物質能量循環過程及環境變化對林分生長具有重要意義。

樟子松Pinussylvestrisvar.mongolica為常綠喬木，具有極強的耐干旱瘠薄、耐寒特性，是我國北方風沙地區主要針葉造林樹種[5]。1955年遼寧省沙地治理與利用研究所將樟子松引種至科爾沁沙地南部章古臺地區進行造林試驗，并獲得成功，建起了我國第一片樟子松引種固沙林。從20世紀90年代開始，章古臺地區部分樟子松人工林出現了衰退現象，隨后在遼寧的其他引種地區以及河北、吉林等地也出現了類似的情況[6-7]。為此相關學者從各方面對樟子松人工林的衰退進行研究，主要集中在其生長規律和營林造林等方面，而從樟子松人工林土壤養分及其隨林齡變化等方面的研究較少。為了揭示樟子松人工林在生長過程中土壤性質的變化規律和機理，探討不同林齡與土壤間的相互關系和影響，本文以章古臺地區樟子松人工林為研究對象，研究不同林齡(9a、19a、27a、38a、47a)、不同土層深度(0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm)的土壤養分狀況及變化規律，分析土壤養分含量與樟子松衰退的關系，以期為章古臺地區樟子松人工林的可持續經營提供理論依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于科爾沁沙地東南緣彰武縣北部章古臺鎮(42°43′～42°51′N，121°53′～122°22′E)，屬于暖溫帶半干旱濕潤氣候區，主要氣候特點是干旱多風，年降水量 450～550 mm，年蒸發量是降水量的3倍，屬典型的半干旱大陸性季風氣候。該地區侵蝕性風力集中，瞬間最大風速可達 32 m·s-1。土壤以風沙土為主，1955年開始營建樟子松人工林，除營林干擾外，人為干擾來自樵采和放牧。

1.2 樣地設置與土壤樣品采集

經過現場勘查，采用空間替代時間法，在章古臺地區選擇立地條件相似的9a、19a、27a、38a、47a共5個林齡的樟子松人工林為研究對象，各樣地基本情況見表1。

表1 章古臺地區不同林齡樟子松人工林基本情況

在樣地內按“S”字形選取10個點，按不同土層深度(0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm)進行取樣，四分法舍取，取土量約1 kg，陰干后備用。

1.3 土壤養分測定

土壤有機質采用水合熱重鉻酸鉀氧化-容量法(魯如坤，1999)；全氮測定采用H2SO4-加速劑消煮半微量凱氏定氮法；速效氮測定采用1.0 mol·L-1NaOH堿解擴散法；全磷測定采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法；速效磷測定采用NaHCO3-鉬銻抗比色法。全鉀測定采用NaOH熔融-火焰光度法；速效鉀測定采用1.0 mol·L-1NH4OAc浸提-火焰光度法(鮑士旦，1999)。3次重復。

1.4 數據處理

數據處理和繪圖采用Excle 2003，數據統計分析及單因素方差分析使用SPSS 17.0。

2 結果與分析

2.1 樟子松人工林不同林齡土壤有機質含量變化規律

有機質含量是影響樟子松人工林生長的重要指標之一，是植物生長所需養分的重要來源[8-10]，并能改善土壤結構和其他理化性質。不同土層深度的樟子松人工林土壤有機質含量0.207 32～10.826 80 g·kg-1，由圖1可知，各林齡樟子松人工林有機質主要集中在土層0～10 cm，說明樟子松人工林對土壤有機質具有“表聚效應”，有機質的含量呈現明顯的層次性，隨土層深度的增加呈下降趨勢。0～10 cm土壤有機質含量隨營建年限增加呈現先升高后逐漸降低的趨勢，在9～27 a顯著升高，27 a達到最高值，38～47 a逐漸降低。

注：不同字母分別表示同一林齡不同土層間差異顯著(P<0.05)。

2.2 樟子松人工林不同林齡土壤養分含量

2.2.1 不同林齡土壤中氮元素含量變化規律

氮是植物生長不可缺少的礦質元素，只有從土壤中獲取充足的氮元素，植物才能正常的生長[11]。通過對樟子松人工林土壤全氮和速效氮含量統計發現(圖2、3)：林齡和土層深度對樟子松人工林土壤氮元素含量具有顯著影響。隨著林齡的增長呈現先升高后降低的趨勢，其中全氮在27 a時達到最高值0.71 g·kg-1，速效氮含量在林齡為38 a時最高14.45 mg·kg-1。隨著土層深度的增加，全氮和速效氮含量逐漸降低。在表層土壤中，全氮含量27a>38a>19a>47a>9a，19～38a顯著高于9a和47a，且隨著土層深度的增加19～38a含量趨近相同。在表層土壤中，速效氮含量38a>27a>47a>19a>9a，27～38a顯著高于其他林齡，且隨著土層深度的增加，不同林齡土壤速效氮含量差異逐漸減小。

圖2 樟子松人工林不同林齡土壤全氮含量變化

圖3 樟子松人工林不同林齡土壤速效氮含量變化

2.2.2 不同林齡土壤中磷元素含量變化規律

由圖4、5可以看出，不同林齡和土層深度對樟子松人工林土壤磷元素含量具有顯著影響。隨著林齡的增長全磷和速效磷含量都呈現先升高后降低的趨勢，土壤中全磷含量為0.062～0.213 g·kg-1，速效磷含量為2.91～6.13 mg·kg-1，且都在19 a時達到最大值。在0～10 cm表層土壤中，全磷和速效磷含量在19 a時顯著高于其他林齡。在10～80 cm土層，隨著土層深度的增加，不同林齡全磷和速效磷含量逐漸降低，且不同林齡間的差異逐漸減小。

圖4 樟子松人工林不同林齡土壤全磷含量變化

2.2.3 不同林齡土壤中鉀元素含量變化規律

不同林齡樟子松人工林的全鉀和速效鉀含量在土壤表層具有顯著差異，由圖6、7可以看出，土壤中鉀元素隨著林齡的增長呈現先升高后降低的趨勢，其中全鉀含量在19a時達到峰值24.2 g·kg-1，顯著高于其他林齡，速效鉀含量在林齡27a時達到峰值58.43 mg·kg-1，不同林齡之間差異顯著。隨著土層深度的加深，不同林齡土壤全鉀和速效鉀含量都呈現逐漸降低的趨勢，其中47a土壤中全鉀和速效鉀含量始終保持較低水平。

圖5 樟子松人工林不同林齡土壤速效磷含量變化

圖6 樟子松人工林不同林齡土壤全鉀含量變化

圖7 樟子松人工林不同林齡土壤速效鉀含量變化

3 討論與結論

3.1 討 論

通過對章古臺地區樟子松人工林林下土壤養分的測定和研究發現，有機質、氮、磷、鉀等養分存在“表聚效應”，0～10 cm土層土壤養分含量顯著高于其他土層，且隨著土層深度的增加，養分含量逐漸下降，這與王凱等的研究結果相似[12-13]。造成這種現象的原因一方面是樟子松和林下植被通過凋落物歸還的養分都積聚在表層所致。另一方面樟子松作為淺根性樹種，根系龐大且分布在表層土壤中，而大多數研究表明[14]，植物根際土壤養分高于非根際土壤，導致樟子松人工林林下土壤養分更多地富集在表層。隨著林齡的增加，樟子松土壤養分的含量呈現先上升后下降的趨勢，其中土壤有機質、全氮、速效鉀、速效氮在幼齡林、中齡林階段呈現上升趨勢，這與蘇芳莉等[15]對章古臺地區樟子松人工林土壤研究結果相似。27a時(近熟林以后)樟子松人工林林下土壤有機質、全氮、速效鉀含量最高，38a時已經開始下降，這與宋曉東[16-17]等的研究結果相同，說明樟子松人工林有改良土壤的作用，近熟林時最佳。磷作為促進植物能量轉換的重要物質，對提高松樹養分的吸收能力有重要作用[18]。全磷和速效磷19a時含量最高，這一結果與趙瓊等對沙地樟子松人工林土壤磷庫的研究結果一致[19]，在27a時開始下降。從以前的研究結果看，樟子松人工林的退化多出現在30年左右，因此磷元素的降低可能是樟子松人工林衰退的重要標志。有機質、全氮、速效鉀、速效氮含量下降時期與樟子松人工林退化的時期相吻合，而鉀元素在章古臺地區含量豐富，不會引起樟子松人工林退化，因此有必要對有機質與氮元素含量對樟子松人工林衰退的影響進行深入研究。

3.2 結 論

通過研究發現章古臺地區樟子松人工林林下土壤養分主要聚集在表層，養分含量隨土壤深度的增加而遞減。同時隨著林齡增加呈先升高后降低的變化趨勢，其中27a時土壤有機質、全氮、速效鉀含量最高，38a時土壤中速效氮含量最高，19a時土壤速效磷和全磷含量最高。分析認為沙地樟子松人工林在30a以后出現地力衰退的現象，在這一時期需要通過降低林分密度，將針葉純林改造成針闊混交林，對林地進行中耕、采用農林復合經營等方式維護樟子松人工林地力，促進林分健康生長。