不同郁閉度天山云杉林土壤養分特征

席 麗,李思瑤,夏曉瑩,陳玉雯,李 林,王 杰,馬小龍,米爾扎提·柯尼加里木,阿麗耶·麥麥提,王衛霞

(新疆農業大學林學與風景園林學院/新疆教育廳干旱區林業生態與產業技術重點實驗室,烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】森林土壤是植物所需營養物質的重要來源[1],了解森林土壤特性能避免土壤養分失衡,有助于保持土壤肥力水平,提高林分質量及生產力。天山云杉林自然更新較困難[2],而土壤養分失衡會導致植被生長受阻[3]。郁閉度作為人為可調控因子,直接影響著林下的光照、溫度、濕度等林分內環境因子[4],并作用于森林土壤使其屬性發生變化[5-6]。掌握不同郁閉度下天山云杉林土壤養分特征,研究其變化規律對森林土壤資源定向管理具有重要意義。【前人研究進展】前人對不同郁閉度下土壤養分特征的研究多集中在馬尾松林,黃智軍等[7]為了闡明郁閉度對馬尾松林土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)、鉀(K)含量及生態化學計量特征的影響,以福建省長汀縣馬尾松林為研究對象,研究結果顯示,郁閉度為0.8時,土壤養分含量相對較高。魏大平[8]在研究中表明郁閉度對各個季節下的馬尾松人工林土壤C含量都有顯著影響?！颈狙芯壳腥朦c】天山云杉(Piceaschrenkiana)是新疆山地森林中分布最廣,蓄積量最大的森林生態樹種。目前,天山云杉林有關郁閉度的研究主要體現在地表水氮磷含量特征[9]、降水水質的特征[10]、地表徑流和土壤侵蝕特征的研究[11],而關于郁閉度對天山云杉林土壤養分的影響機制鮮有報道。需研究不同郁閉度下天山云杉林土壤養分特征?！緮M解決的關鍵問題】以不同郁閉度天山云杉林為研究對象,研究郁閉度對天山云杉林土壤養分的影響,為新疆山地森林生態系統的生態恢復及天山云杉林的可持續生態經營提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

以新疆農業大學實習林場(43°16′～43°26′N;86°46′～87°00′ E)為研究區, 位于頭屯河上游,平均海拔約2 200 m,林區年均降水量約為600 mm,5～8月生長季集中降水量約占60%,年平均溫度3℃,年日照大于1 300 h,無霜期140 d。地勢南高北低,坡度多在10°～40°,森林主要分布在北、東北和西北坡。主要喬木樹種為天山云杉,其土壤類型為普通灰褐色森林土,主要草本為老鸛草(Geraniumwilfordii)、林地早熟禾(Poanemoralis)、黒穗笞草(Carexatrata)等。

1.2 方 法

2020年8月在新疆農業大學實習林場天山云杉林區域進行樣地布設,選取地形、林齡等條件相近、不同郁閉度等級的樣方共12個,樣方規格為30 m×30 m,采用對角線法測定樣方郁閉度。在每個樣方內按上、中、下坡布設3個采樣點,每個采樣點挖取土壤剖面,按0～20 cm、20～60 cm分層采集土壤樣品,并將每個樣地的3個采樣點樣品分層混合,根據四分法留取1 000 g帶回實驗室,共采集土樣24份。土樣在室內自然風干,測定土壤有機質(OM)、全氮(TN)、堿解氮(AN)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)等指標。其中有機質采用重鉻酸鉀容量法、全氮采用凱氏定氮法、堿解氮采用堿解擴散法、速效磷采用鉬銻抗分光光度法、速效鉀采用醋酸銨浸提火焰光度計法。表1

表1 樣地基本概況

1.3 數據處理

根據劃分標準,當變異系數CV≤0.1時,為弱變異性;當 0.1

2 結果與分析

2.1 土壤養分描述性統計特征

研究表明,0～20 cm土層土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮的平均值分別為154.03、106.25、23.36、138.12、4.59 g/kg。20～60 cm土層土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮的平均值分別為38.78、47.12、13.65、115、1.24 g/kg。各土壤養分變異性均處于中等水平,均在15%～56%。在顯著水平0.05單樣本K-S正態檢驗下,各指標或其對數轉換后均服從正態分布。表2

表2 土壤養分描述性統計

2.2 不同郁閉度土壤養分分布特征

研究表明,隨著郁閉度的增加,0～20 cm土層土壤有機質、全氮含量顯著上升,20～60 cm土層土壤土壤有機質、全氮含量在郁閉度0.2～0.6呈上升趨勢,在郁閉度0.6～0.8呈下降趨勢。各郁閉度條件下0～20 cm土層土壤有機質、全氮含量均高于20～60 cm土層,其中郁閉度在0.4、0.6、0.8條件下,0～20 cm土層土壤有機質、全氮含量顯著高于20～60 cm土層(P<0.05)。郁閉度對天山云杉林土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量沒有顯著影響,隨著郁閉度的增加,0～20 cm土層土壤堿解氮、速效磷含量逐漸上升,而土壤速效鉀含量呈先上升后下降趨勢;20～60 cm土層土壤堿解氮、速效鉀含量在郁閉度0.6條件下有最大值,而土壤速效磷含量在郁閉度0.8條件下呈現最大。郁閉度和土層對天山云杉林土壤C/N均沒有顯著影響,C/N值變化幅度較小,比較穩定。圖1

2.3 土層與郁閉度的交互作用對土壤養分的影響

研究表明,郁閉度對整個土壤剖面中土壤養分含量沒有顯著性影響(P> 0.05)。土層對天山云杉林土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮含量有極顯著影響(P<0.01),而對碳氮比C/N沒有顯著影響。郁閉度與土層的交互作用對天山云杉林土壤有機質、堿解氮、全氮含量均有顯著影響(P<0.05),其中對土壤有機質、全氮具有極顯著影響(P<0.01)。表3

表3 土層和郁閉度的交互作用下土壤養分特征

2.4 土壤養分相關性

研究表明,各土壤養分指標含量之間均呈正相關關系,其中土壤有機質、堿解氮、速效磷、全氮兩兩之間均呈極顯著正相關關系,有機質與堿解氮、全氮的相關系數是0.852、0.984。表4

3 討 論

3.1調查范圍內天山云杉林土壤養分指標均表現中等程度變異,與王千軍等[12]得出結果較為一致,同時,兩研究結果均表現出碳、氮變異系數大于磷、鉀這一現象,土壤C、N是衡量土壤養分的重要指標,動植物殘骸與腐殖質是森林生態系統碳、氮的主要補給者,加上牧民放牧及動物糞便等影響,土壤碳、氮的變異系數往往會偏大。天山云杉林土壤養分存在明顯的垂直分布特征,即0～20 cm表層土壤養分含量顯著高于20～60 cm土層,這主要是由于凋落物分解、根系殘體和分泌物的累積,為0～20 cm的表層土提供了豐富的有機質[13];而20～60 cm土層土壤接近母質層,土壤有機質轉化能力較低,與已有的研究結果相符[14-16]。

3.2林分郁閉度直接影響著森林群落的光、熱、水分等生態因子的分配,進而影響林地土壤養分和林木生長發育[17]。隨著郁閉度的增大,0～20 cm土層土壤有機質、全氮、堿解氮、速效磷含量均呈遞增趨勢變化,其中有機質、全氮含量顯著增加,20～60 cm土層各土壤養分指標隨郁閉度變化趨勢不一致,且均不具有顯著差異。隨著土壤深度的增加,郁閉度對土壤養分的影響逐漸減弱,鄒佳何等[18]研究結果表明,郁閉度對表層土壤養分影響最明顯,郁閉度(0.8)條件有利于天山云杉林下土壤碳、氮養分的積累,與張洪亮等[19]的研究結果一致,可能是高郁閉度天山云杉林凋落物較多,增加了碳、氮養分歸還量,同時,高郁閉度可以減小地表徑流,減少了土壤碳、氮養分流失[13]。研究土壤養分指標還包括速效磷、速效鉀,研究結果顯示速效磷、速效鉀受郁閉度影響較小,土壤中鉀元素、磷元素主要源自礦物與巖石,其主要受土壤類型與土壤母質的影響,不易受到植被的影響,同時,土壤鉀元素屬于容易遷移的元素,容易遷移至深層土壤中,所以速效鉀的聚表性較其他元素弱。曾全超等[20]研究表明C/N比受水熱條件的影響較小,研究結果顯示C/N比隨郁閉度和土層的變化,沒有明顯的變化趨勢,因為盡管土壤有機C和全N在空間上的變異性較大,但土壤有機C和全N的含量隨著郁閉度和土層的變化規律一致,使得整個土壤層C/N比值相對穩定。C/N是反映土壤C、N養分狀況的指標,較高的土壤C/N微生物需要從土壤中攝取N來滿足生長需要,而較低的土壤C/N說明超過微生物所需的N會被釋放到土壤中[21],土壤C/N介于18.62～20.65,隨著郁閉度的增加較穩定,高于青海云杉林[22]土壤C/N水平范圍(16.07～19.37),研究區土壤有機質礦化速度較慢,且與青海云杉林相比,天山云杉林土壤pH偏小[23],N含量偏低,故C/N較高。

3.3相關性分析表明,各土壤養分含量之間均呈正相關關系,土壤有機質、堿解氮、速效磷、全氮兩兩之間均呈極顯著正相關關系,其中有機質與堿解氮、全氮的相關系數是0.985、0.980,與前人研究結果一致,即土壤有機質的積累對土壤氮素的含量起主導性作用[24],土壤中氮、磷、鉀的含量與有機質含量有關,與王海燕等[25]研究結果一致。

4 結 論

4.1研究區內土壤養分均為中等變異性,具有明顯的表聚性,主要集中在0～20 cm土層。

4.20～20 cm土層土壤有機質、堿解氮、速效磷、全氮隨郁閉度的增大呈遞增的趨勢,其中有機質、全氮含量增加顯著;20～60 cm土層土壤養分隨郁閉度變化趨勢不一致且均無顯著差異。整個土壤剖面上天山云杉林郁閉度達到0.8時更有利于土壤養分的積累。

4.3土壤有機質與堿解氮、速效磷、全氮兩兩之間呈極顯著正相關。