王新英 史军辉 刘茂秀
(新疆林业科学院,乌鲁木齐,830046)
塔里木河流域不同龄组胡杨林土壤理化性质及相关性1)
王新英 史军辉 刘茂秀
(新疆林业科学院,乌鲁木齐,830046)
采用典型样地设置、野外调查和室内测定与分析相结合的方法,研究了不同林龄天然胡杨林土壤理化性质的变化特征及其相关性。结果表明:(1)随着林龄增加,土壤有机质、碱解N、速效P、速效K质量分数和土壤密度先增加后降低,土壤含水量降低,土壤总盐质量分数波动性较大,呈倒“W”型变化;土壤养分状况在近、成熟林阶段最佳;(2)随着土层深度的增加,各龄组土壤密度增加,总盐、碱解N、速效P、速效K质量分数和土壤含水量却随着土壤深度的增加而降低,土壤有机质质量分数仅在幼龄林中随着土壤深度的增加而降低;幼龄林、中龄林、成熟林和过熟林土壤养分主要集中在0~20 cm土层,近熟林则主要集中在0~10 cm和≥20~40 cm土壤层次;(3)0~40 cm土层,各龄组土壤理化性质总体上差异显著,60 cm以下土层差异不显著,说明林龄对土壤碱解N、速效P、速效K质量分数的影响随着土壤深度的增加而降低;(4)土壤理化性质之间关系密切,土壤密度与土壤速效P和速效K呈显著正相关(P=0),土壤水分与土壤盐分(P=0.011)、土壤速效K(P=0.028)呈显著负相关,土壤有机质、碱解N、速效P、速效K质量分数均呈显著正相关(P=0)。
塔里木河;胡杨林;土壤理化性质
Through the typical sample set, field investigation, laboratory measurement and analysis, the correlation and variation characteristics of soil physical and chemical properties in different ages ofPopuluseuphraticaforest were studied to provide data support and theoretical guidance for Tarim River BasinPopuluseuphraticaforest resources management and maintenance. The content of soil organic matter, soil alkaline hydrolysis N, soil rapidly available P and K, and the volume weight of soil increased and then decreased with the increase of the age; however, the soil moisture content decreased, and the total salt content of the soil showed an obvious W-shaped fluctuation trend, and the soil nutrient condition reached an optimum state at the near-mature and mature forest stages. The volume weight of soil increased with the increase of the soil depth in different age classes, while the content of soil moisture, soil total salt, soil alkaline hydrolysis N, and soil rapidly available P and K showed the opposite trends. The content of soil organic matter merely decreased with the increase of the soil depth in the young forest, and the soil nutrient accumulated mainly in 0-20 cm soil layer in the young, half-mature, mature and over-mature forests, otherwise, it accumulated mainly in 0-10 cm and 20-40 cm layers in the near-mature forest, respectively. There was a significant difference between the physical and chemical proprieties of soil in different age classes in the layer 0-40 cm, while there was no significant difference below 60 cm, suggesting that the effect of age class on the content of soil alkaline hydrolysis N, soil rapidly available P and K decreased with the increase of the soil depth. There was a close correlation between the physical and chemical proprieties of soil, the volume weight of soil was significantly positively correlated to the soil rapidly available P and K (P=0), the soil moisture content was significantly negatively correlated to the soil salinity (P=0.011) and the soil rapidly available K (P=0.028), while the soil organic matter, the soil alkaline hydrolysis N, the soil rapidly available P and the soil rapidly available K were significantly positively correlated to each other in content (P=0).
森林土壤是森林生态系统的物质基础,是林木生长所需矿物营养主要来源,为森林的生长发育、繁衍生息提供了必要的环境条件,对植物群落结构和功能具有重要影响,是植物群落演替过程中不可或缺的研究内容[1]。土壤养分及其含量影响着森林生态系统植被的更新和演替,并维持着地球上的生态系统平衡。同时,森林生态系统中植被的群落组成、结构及多样性的变化又反过来影响土壤的形成、发育以及土壤养分的有效性[2-3],因此,研究不同林龄森林群落的土壤理化性质,了解森林生长发育过程与森林土壤理化性质间相互作用关系,对于森林更新、保护具有比较重要的理论与实践意义。
胡杨(PopuluseuphraticaOliv.)又称异叶杨,是杨属中最古老、最原始的树种,具有极强的抗逆性,能在干旱、盐碱化、多风沙的恶劣环境下生长,是新疆荒漠河岸林植被重要的建群种和表征种,是构成内陆河岸林生态系统的主体,对维持环境脆弱区的生态平衡具有非常重要的生态作用[4]。目前,对天然胡杨林土壤水盐空间变化、土壤根际微生物等研究较多[5-8],土壤理化性质的研究仅针对不同区域的胡杨林土壤进行了探讨[9],关于不同龄组天然胡杨林土壤理化性质的研究尚未见报道。本研究以塔里木河流域不同龄组天然胡杨林为研究对象,以野外样方调查和室内分析相结合的方法,研究其土壤理化性质变化特征及相关性,探讨胡杨林土壤养分的动态变化特征,旨在为塔里木河流域胡杨林资源的经营和管护提供数据支撑和理论指导。
研究区域位于新疆巴音郭楞蒙古自治州轮台县轮南镇塔里木胡杨林自然保护区,东西长109.7 km,南北宽47.1 km,是全世界原始胡杨林面积最大,分布最集中,保存最完整的地区。该地区海拔912 m,属于暖温带大陆性干旱气候,年平均气温10.9 ℃,年平均温度日均差14.6 ℃,≥10 ℃积温4 125.3 ℃,无霜期180~224 d,年平均降水量65.5 mm,年平均蒸发量2 024 mm,年平均风速1.8 m/s。该地区草本植物主要有芦苇(Phragmitesaustralis)、胀果甘草(GlycyrrhizainflataBatalin)、骆驼刺(AlhagisparsifoliaShap)等,灌木主要以多枝柽柳(TamarixramosissimaLcdeb)、铃铛刺(Halimodendronhalodendron)为主,胡杨为该地区乔木层主要建群种,它们共同构成了塔里木河中游荒漠河岸群落;研究区土壤类型主要为风沙土。
2.1 样地设置和样品采集
2013年9月,通过对塔里木河流域胡杨林自然保护区的野外踏查,选取群落特征相近,立地条件基本一致的不同林龄的天然胡杨林为研究对象。胡杨龄组的划分参照王世绩[10]等对胡杨的研究结果,龄组分别为幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林,每个龄组设置3个标准样地,共15块标准样地。标准样地规格为100 m×100 m的正方形,四角以管径为3 cm的PVC管定点,四边拉线。将每个标准样地划分为100个10 m×10 m的小样方,采用每木检尺的方法对胸径大于1.0 cm的乔木进行调查,主要测定乔木的胸径、树高、冠幅、第一活枝高和群落郁闭度等林分特征。试验样地概况见表1。
在每个标准样地中,采用“S”形布点法设置采样点,每个标准样地中设置8个采样点,采样深度为100 cm,土壤养分样品按采样层次分别采集0~10、≥10~20、≥20~40、≥40~60、≥60~100 cm土层的土样;每个标准样地中开挖土壤剖面2个,剖面深度和取样层次同土壤养分采样点一致,采集环刀样用于测定土壤密度,每层次均为3次重复,取样结束后将土壤依次回填;土壤含水量和土壤总盐采样点设置与土壤养分采样点一致,但采样深度为0~20 cm和≥20~80 cm,使用已称重的铝盒取土样,采用烘干法,测定土壤含水量。将用于土壤盐分和土壤养分测定的土样在自然条件下风干,除去石块、根系等杂物后,磨碎过筛,待测备用。
表1 标准样地概况
注:表中数据为“平均值±标准误差”。
2.2 样品测定
土壤密度根据LY-T1215-1999林业行业标准测定;土壤含水量采用烘干法测定;土壤总盐采用残渣烘干法;土壤有机质采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法测定;土壤碱解氮采用碱解蒸馏法测定;土壤速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提钼锑抗比色法测定;土壤速效钾采用NH4OAc浸提—火焰光度法测定[11]。
2.3 数据处理
采用Excel 2007作图,SPSS17.0进行数据统计,分别对不同龄组胡杨林土壤因子进行单因素方差分析和多重比较(LSD)。对土壤理化性质进行Pearson相关分析。
3.1 土壤物理性质
3.1.1 土壤密度
土壤密度是表征土壤物理性质的重要指标,影响土壤养分的有效性和植物生长。一般认为土壤密度值为1.1~1.49 g·cm-3,表示土壤孔隙较适宜,>1.4 g·cm-3则土壤孔隙较小,<1.1 g·cm-3则土壤孔隙较大[12]。由表2可知,不同龄组天然胡杨林随着林龄的增加,土壤密度呈先增加后降低再增加的趋势,1 m土体土壤平均密度为中龄林最大,达1.42 g·cm-3,成熟林最小,仅为1.26 g·cm-3,说明胡杨林土壤土壤孔隙较适宜。幼龄林、中龄林与成熟林、过熟林之间土壤密度差异显著,近熟林与其他龄组之间土壤密度差异不显著。相同土壤层比较,0~10 cm土层近熟林与其他龄组差异显著,≥10~20 cm土层幼龄林与中龄林、成熟林之间差异显著,与其他龄组差异不显著;≥20~40 cm土层幼龄林与近熟林、过熟林差异显著,≥40~60 cm土层各龄组之间差异不显著,≥60~100 cm土层中龄林和成熟林、过熟林差异显著。同一龄组的土壤密度随着土壤深度的增加而增加(过熟林除外)。
表2 不同龄组胡杨林土壤密度 g·cm-3
注:表中数据为“平均值±标准误差”,同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。
3.1.2 土壤含水量
由表3可以看出,土壤平均含水量随着胡杨林林龄的增加而降低,其中幼龄林土壤含水量显著高于其他龄组,其他各龄组之间差异不显著;相同土层比较,均是幼龄林显著高于其他龄组,其他各龄组之间差异不显著。0~20 cm土层幼龄林土壤含水量分别为中龄林、近熟林、成熟林、过熟林的5.64、4.17、7.95、11.89倍,≥20~80 cm土层幼龄林含水量分别为其他各龄组的3.06~2.42倍。就土壤垂直结构而言,各龄组土壤含水量随着土层深度的增加而增加(幼龄林除外)。
表3 不同龄组胡杨林土壤含水量 %
注:表中数据为“平均值±标准误差”,同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。
3.2 土壤化学性质
3.2.1 总盐质量分数
土壤盐分的高低直接影响植物的生长,土壤中过多的盐分会对植物产生离子毒害,造成生理干旱,破坏正常代谢,从而抑制植物体的正常生长。随着林龄的增加,胡杨林100 cm土层土壤总盐呈倒“W”型变化趋势,其中幼龄林和近熟林土壤盐质量分数差异不显著且最低,分别为0.86、0.81 g·kg-1;中龄林、成熟林和过熟林土壤总盐质量分数差异不显著,分别为1.51、1.98、1.82 g·kg-1;各龄组胡杨林随着土层深度的增加,土壤总盐质量分数降低(成熟林除外)。相同土层比较,幼龄林和近熟林以及成熟林和过熟林之间差异不显著,仅中龄林和其他龄组之间差异显著。同一龄组的土壤上层盐分质量分数高于下层(成熟林除外)。
3.2.2 有机质质量分数
土壤有机质是反映土壤肥力的一个重要指标,对保持土壤肥力具有重要意义。由表5可知,对各龄组土壤有机质质量分数,仅幼龄林和中龄林、近熟林、成熟林、过熟林之间差异显著,中龄林、近熟林、成熟林、过熟林之间差异不显著。100 cm土层中,幼龄林土壤有机质质量分数最低,仅为4.41 g·kg-1,其他龄组土壤有机质质量分数较为接近,分别为8.01、8.05、7.93、7.96 g·kg-1。相同土壤层次比较,也仅幼龄林和中龄林、近熟林、成熟林、过熟林之间差异显著,中龄林、近熟林、成熟林、过熟林之间差异不显著。随着土壤深度的增加,幼龄林土壤有机质质量分数逐渐降低,其他各龄组有机质质量分数呈波动性变化,且变化幅度较小。
表4 不同龄组胡杨林土壤总盐质量分数
g·kg-1
注:表中数据为“平均值±标准误差”,同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。
表5 不同龄组胡杨林土壤有机质质量分数 g·kg-1
注:表中数据为“平均值±标准误差”,同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。
3.2.3 速效养分
N、P、K是植物生长发育所必需的三大基本元素,土壤碱解N、速效P、速效K质量分数反映了土壤中N、P、K的现实供应状况,对植物的生长发育起着十分重要的作用,与植物群落演替密切相关,是土壤化学肥力的重要因素[13]。
由表6可知,随着胡杨林林龄的增加,1 m土体土壤碱解N质量分数呈先增加后降低的趋势,近熟林碱解N质量分数最高,为30.19 mg·kg-1;幼龄林质量分数最低,为13.69 mg·kg-1;中龄林、成熟林和过熟林质量分数差异不显著,质量分数分别为22.02、20.87、22.70 mg·kg-1。相同土壤层次比较,近熟林碱解N质量分数在各层次中均最高,成熟林和过熟林在各土层中均差异不显著,说明土壤碱解N质量分数随着林龄的增加在降低。随着土壤深度的增加,胡杨幼龄林、中龄林和成熟林土壤碱解N质量分数降低,而近熟林和成熟林则在≥20~40 cm土层出现小幅增加。
表6 不同龄组胡杨林土壤碱解N质量分数 mg·kg-1
注:表中数据为“平均值±标准误差”,同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。
由表7可知,胡杨林土壤中速效P的变化趋势与碱解N一致,随着胡杨林林龄的增加,1 m土体土壤速效P质量分数先增加后降低,幼龄林质量分数最低,仅为1.42 mg·kg-1;成熟林质量分数最高,达16.48 mg·kg-1。同层比较而言,成熟林在各土层中速效P质量分数均最高;≥10~20 cm土层各龄组土壤速效P质量分数差异显著,≥40~60 cm土层为幼龄林、中龄林与近、成、过熟林之间差异显著,≥60~100 cm土层仅过熟林和其他各龄组之间差异显著,幼、中、近、成熟林之间差异不显著。随着土壤深度的增加,胡杨林各龄组(除成熟林)土壤速效P质量分数呈波动性下降趋势。以上分析说明林龄对土壤速效P的影响随着土壤层次的增加在减弱。
表7 胡杨不同龄组土壤速效P质量分数 mg·kg-1
注:表中数据为“平均值±标准误差”,同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。
由表8可知,随着胡杨林林龄的增加,土壤速效K质量分数呈先增加后降低的趋势,成熟林速效K质量分数显著高于其他龄组,达838.57 mg·kg-1;幼龄林最低,仅为83.97 mg·kg-1,各龄组速效K质量分数由高到低顺序为:成熟林、过熟林、近熟林、中龄林、幼龄林,且各龄组之间差异显著(除中近熟林和过熟林之间、中龄林和近熟林之间)。相同土层比较,成熟林和其他龄组在各土层速效K质量分数差异显著,而过熟林和近熟林在各土层速效K质量分数差异均不显著(≥10~20 cm土层除外),幼龄林和中龄林土壤速效K质量分数在0~20 cm土层差异显著,≥20~100 cm土层差异不显著。幼龄林和成熟林土壤速效K质量分数随着土壤层次的增加而降低,中龄林和过熟林则是先降低后增加再降低,近熟林则是先增加后降低;幼龄林、中龄林、成熟林和过熟林土壤速效K质量分数在0~10 cm土层最高,近熟林则在≥20~40 cm土层最高。
3.3 土壤理化性质相关性分析
土壤是复杂的系统,其理化性质相互影响,相互作用,共同影响植物体的生长。土壤物理性质直接决定土壤的透水通气能力,而土壤养分需要以水分为介质被植物体吸收利用,存在着一定的相关性。
表8 胡杨不同龄组土壤速效K质量分数 mg·kg-1
注:表中数据为“平均值±标准误差”,同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。
由表9可知,土壤密度与土壤速效P、K呈极显著正相关,土壤水分与土壤盐分、土壤速效K呈显著负相关,土壤盐分除与土壤水分呈显著负相关外,与其他指标相关性不显著;土壤有机质与土壤碱解N、速效P、速效K呈极显著正相关,土壤碱解N、速效P、速效K之间呈极显著正相关。
表9 胡杨林土壤理化性质的相关系数
注:** 表示在0.01水平(双侧)上显著相关,*表示在0.05水平(双侧)上显著相关。
土壤密度的变化受土壤质地、土壤结构及土壤有机质质量分数等影响,这些因素的变化需较长时期才能体现出来。本研究表明林龄对天然胡杨林土壤密度影响显著,而对人工林的研究则与之相反[14]。这可能是由于人工林龄组分级年限短,胡杨天然林龄组分级年限较长,随着林龄的增加,植物根系不断生长,凋落物量增加,使土壤结构疏松,导致不同龄组之间土壤密度差异显著。天然胡杨林地表层易分解的凋落物,使上层土体结构相对疏松,引起胡杨林土壤密度在垂直结构上随着土壤深度的增加而增加,人工林和其他天然林也表现出此种变化特征[15-16]。
林地土壤的水分状况是决定植物生长及系统构成的重要指标[17]。本研究中仅幼龄林土壤含水量显著高于其他龄组,而其他4个龄组之间差异不显著,说明林龄对土壤含水量影响不显著,这与人工林的研究不一致[18]。天然林相对于人工林而言,无人工灌溉,以天然降水和地下水补给存活,加之天然胡杨林主要分布在干旱荒漠区,降水量极少,林下灌木层和草本层植被较少,土壤表层蒸发量大,致使表层土壤含水量小于底层,这与云南松次生林土壤表现一致[19],而与人工林土壤特征不一致[15,20-21]。
张汉春[22]的研究表明,随着林龄的增加,土壤养分水平随林龄的增加而降低,而本研究结果表明,随着天然胡杨林林龄的增加,土壤中的有机质、碱解N、速效P、速效K质量分数均呈先增加后降低的趋势,其中土壤有机质和碱解N在近熟林阶段质量分数最高,速效P、K则是在成熟林阶段质量分数最高。这主要是由于凋落物随着林龄的增长会逐渐增加[23],胡杨从幼龄林到成熟林阶段,枯枝落叶层增厚,土壤微生物的数量增加,加快了养分的分解,促使土壤中有效养分质量分数增加,使胡杨林土壤处于养分累积阶段。过熟林阶段,林木稀疏,地表裸露严重,土壤微生物数量锐减,林木归还给土壤养分减少,导致土壤中有效养分质量分数降低。胡杨林土壤表层有凋落物覆盖,土壤动物和微生物种群数量最多,有机质的分解速率较高,伴随着土层加深,微生物活动减弱[8],生物残体减少,使胡杨林土壤中碱解N、速效P、速效K质量分数随着土层深度的增加而降低。人工林和其他天然林均呈现出这种变化特征[24-26]。
土壤理化性质之间关系密切,尤其是土壤养分之间的相关性更为密切。本研究中土壤水分与土壤盐分呈显著负相关,这主要是由于盐分水溶性较高,土壤水分对土壤盐分有淋溶作用,符合水盐的运移规律。在天然胡杨林中,土壤养分主要受到所归还的凋落物质量的影响,土壤有机质是土壤中各种营养元素的重要来源,表层凋落物以及动物残体的分解会增加土壤养分。因此,胡杨林土壤有机质、碱解N、速效P、速效K之间存在极显著的正相关性,土壤养分之间存在较为显著的正相关性,这与人工林的研究结果一致[23,27-28]。
综上所述,林龄对天然胡杨林土壤密度、土壤盐分、土壤碱解N、速效P、速效K影响显著,而对土壤含水量和土壤有机质影响不显著;土壤养分状况在近熟林和成熟林阶段最佳;土壤理化性质之间有极显著的相关性。天然林土壤中碱解N、速效P、速效K主要来源于土壤有机质的分解,而本研究中土壤有机质质量分数在中龄林、近熟林、成熟林和过熟林阶段差异不显著,但速效养分在以上4个阶段差异显著,这可能是由土壤酶活性及土壤中微生物活动影响所致。因此,今后可对不同林龄和不同深度胡杨林土壤微环境进行深入细致的研究,为进一步揭示天然胡杨林不同发育阶段与土壤物质循环相互作用及其养分的转化过程,进而为塔里木河流域天然胡杨林资源的管理、保护和可持续发展提供数据支持。
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Physicochemical Properties and Correlations of the Soils in thePopuluseuphraticaForests of Different Ages in the Tarim River Basin//
Wang Xinying, Shi Junhui, Liu Maoxiu
(Xinjiang Academy of Forestry Science, Urumqi 830046, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University,2016,44(9):63-68.
Tarim River;Populuseuphratica; Soil physicochemical property
王新英,女,1981年6月生,新疆林业科学院造林治沙研究所,助理研究员,E-mail:xjauwxy@126.com。
2015年6月22日。
S714.2
1)自治区科研机构创新发展专项资金项目(2016D04003)。
责任编辑:王广建。