贵州龙里林场马尾松湿地松人工林土壤养分分布特征

倪晓薇 ，宁 晨 ，闫文德 ，刘之洲 ，陈 毅 ，宁晓波

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004；3.贵州省林业厅，贵州 贵阳 550001）

贵州龙里林场马尾松湿地松人工林土壤养分分布特征

倪晓薇1，2，宁 晨1，2，闫文德1，2，刘之洲1，2，陈 毅1，2，宁晓波3

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004；3.贵州省林业厅，贵州 贵阳 550001）

采用现场实测与实验室分析相结合的研究方法，对贵州龙里林场外来引进树种湿地松Pinus elliottii人工林及本地树种马尾松Pinus massoniana人工林不同土壤层理化性质及养分元素特征进行了研究。结果表明：2种林分土壤pH值为4.38～4.53，均表现为弱酸性；湿地松人工林有机质、全氮、磷、钾、钙含量均高于马尾松人工林；微量元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Cr在2种林分中差异显著（P＜0.05）；主成分分析法表明林分综合环境因子变量各指标受影响程度为NH4-N＞Zn＞速效P＞Co＞Mn＞Cu＞Mg＞N＞P＞速效K。这些数据表明，马尾松人工林对各养分元素的利用效率均高于湿地松人工林，马尾松的生长对养分的渴求高于湿地松。关键词：马尾松；湿地松；人工林；土壤养分元素；微量元素

引进优良速生树种在我国林业生产建设和森林植被恢复方面取得了巨大成绩，国内已有很多成功的报道[1-2]，相思、桉树和国外松等已成为我国南方森林景观的组成树种。然而，相关报道发现引进外来树种存在对环境胁迫耐受程度低等问题[3]，并可能造成不良的生态后果，如削减土壤肥力及改变林下生物多样性等[4-5]，国内对这方面的研究较少[6]。

马尾松Pinus massoniana是我国松树中分布最广、数量最多的树种，其适应能力强，耐干旱、瘠薄，是南方低山丘陵区群落演替的先锋树种，也是荒山绿化造林的主要树种。在该区马尾松林的面积达1.13×107hm2，蓄积量为3.4×108m3，占全国总造林面积的20%，仅次于杉木人工林的造林面积[7-8]。湿地松Pinus elliottii原产于美国东南部，我国自20世纪30年代开始引种，由于它适应性强，生长快，木材用途广，松脂产量高，目前已成为我国南方主要的造林树种之一，南方11个省区湿地松造林面积达1.9×106hm2[9]。国内已分别对它们的生长发育规律、生物产量和养分循环进行了研究[10-15]。

刘海等[16]研究了林龄相同的4年生马尾松、湿地松幼树生物量和养分积累，结果表明除钾、镁含量为湿地松＞马尾松之外，氮、磷、钙、铁含量均为马尾松＞湿地松，湿地松幼林对各养分元素的利用效率均高于马尾松。田大伦等[17]研究了马尾松和湿地松人工林的生物量动态变化，养分积累与分配以及养分循环特征进行比较，结果表明湿地松人工林各器官和总的养分积累量均高于马尾松，湿地松林养分循环速率低,周转时间长，需要的养分多，比马尾松林维持地力的能力差。陈志勇等[18]研究了相似生境下 5 年生的马尾松、湿地松幼树凋落物生物量、热值及养分元素之间相关性，结果表明除春季生物量为马尾松小于湿地松之外，马尾松幼林夏季、秋季、冬季凋落物生物量均高于湿地松幼林，且同龄马尾松在生长过程中自肥能力比湿地松较强。

本土树种的马尾松与外来树种湿地松系同一个属，但原生于不同地域环境树种在相同立地条件下造成土壤养分含量方面有什么差异，国内尚少见报道。土壤养分是由一定程度融合的人工养分和自然养分组成，自然养分是在土壤形成过程中本身存在的，而人工养分是由于人们在生产过程中不断输入而造成的。土壤养分反映了土壤为植物生长提供及协调营养条件和环境条件的能力，是土壤物理、化学和生物学性质的综合反映，是土地生产力的基础。这一系列问题的研究可为本土树种人工林的经营管理以及评价引进外来树种的生态后果提供科学依据。因此，本研究以贵州龙里林场的马尾松和湿地松人工林为研究对象，分析2种不同林分下土壤大量营养元素以及微量营养元素含量状况，比较不同林分类型在同层土壤条件下土壤养分状况尤其是微量元素状况的关系，尽可能地合理利用土壤，对人工林进行合理的施肥，适当的施肥有利于土壤养分状况的改善[19]，保持生态环境的可持续发展，并为有效科学的植树造林以及正确施肥提供依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

实验样地设置在贵州省龙里林场，地理位置 为 北 纬 26°22′～ 26°45′、 东 经 106°45′～107°11′之间，处于苗岭山脉中段，长江流域乌江水系与珠江流域红水河水系的分水岭，乌江三级支流三元河从林区流过，地势西北高、东南低，属中亚热带季风湿润气候，多年平均气温14.8℃，降水量1 089.3 mm，相对湿度77%。龙里林场成土母岩主要为砂页岩。土壤以黄壤为主，另有少量黄棕壤、草甸土。pH值在5.5～6.5之间，呈微酸性。

1.2 土壤样品采集

在研究区选取20年生同龄且林分密度相近的马尾松人工林、湿地松人工林，并分别在每个林分中依据坡位设置上中下3个样地，每个样地内随机设置3个采样点进行土样采集，每个样点根据土层厚度和根系分布情况按照0～15、15～30、＞30 cm分层次取土。每个层次用布袋取土约1 kg，剔除根系、石块等杂物，用于土壤理化性质的分析，采用200 cm3标准环刀取土，用于土壤容重和含水率的测定。在距离林地200 m以外用同样的方法取同等数量的土样作为对照土壤。

1.3 土壤理化及化学分析法

土壤容重和自然含水率采用环刀法测定，土壤pH值采用SJ-4A型pH酸度计法(水浸提)测定；有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定；全氮采用半微量凯氏定氮法测定；硝态氮采用双波长分光光度法测定，铵态氮采用纳氏试剂比色法测定；全磷采用钼锑抗比色法测定；速效磷采用盐酸氟化铵浸提—钼锑抗比色法；速效钾采用醋酸铵浸提—火焰光度计法；全量钾、钙、镁及微量元素采用碳酸钠碱熔—盐酸提取，用Hp3510原子吸收分光光度计测定。

2 数据处理

利用Excel2010，SPSSl3.0及R 3.2.4进行数据处理，并利用R中vegan package的adonis命令对数据进行MANOVA多元方差检验。

3 结果与分析

3.1 土壤养分元素含量的变化

2种林分土壤养分元素含量的研究结果如表1所示。由表1可知，2种林地均呈酸性，pH值在4.38～4.58之间，土壤pH值随土壤深度变化趋势不明显。总体比较，能看出马尾松人工林土壤pH值最强。土壤酸度是土壤肥力状况的重要影响因子，土壤有机质分解、土壤矿质营养元素的释放与转移，以及土壤发生过程中的元素迁移都与土壤pH值有关。

表1 不同林分类型土壤养分元素含量†Table 1 Contents of macro-nutrients in soil layers of Pinus massoniana and Pinus elliottii plantations

在表层土壤中，有机质含量在湿地松人工林（23.50 g/kg）中远高于马尾松人工林（16.56 g/kg），但在深层土壤中，马尾松人工林（14.21 g/kg）却略大于湿地松人工林含量（13.99 g/kg）。对任意层土壤相比较，全氮含量在湿地松人工林中均显著高于马尾松人工林（p＜0.05），镁元素在2种不同林分中的含量排列顺序和有机质含量分布呈现一致性。

通过比较各林分速效养分可发现，在任何土壤层中，湿地松人工林铵态氮和硝态氮含量均高于马尾松人工林。在表层土壤（0～15 cm）速效钾含量比较，湿地松人工林（15.42 mg/kg）＞马尾松人工林（10.61 mg/kg）；而速效磷含量马尾松人工林（1.24 mg/kg）＞湿地松人工林（1.18 mg/kg）。在深层土壤中（＞30 cm），速效磷和速效钾含量分布特征与表层土壤相反。

2种林分与同一地区无林空地相比，各养分元素均低于无林空地，其主要原因可归结为：造林后随着大量植物种类的增加，对土壤中大量元素的吸收、积累增多，以至土壤中大量元素贮量减少；由于Ca是植物体中不易移动的元素，被植被吸收后生物循环缓慢，故在土壤中呈现下降趋势；K元素最易淋溶，生物循环系数大，故在土壤中贮量下降幅度小；氨氮在林分土壤中的大幅增加表明随着植物根系生长及其伴随土壤微生物的增多，加快土壤中有机物的矿化作用，转换为易于植物根系吸收和微生物利用的速效氮形式；土壤中速效磷的降低表明附着在土壤胶体中的速效磷被植物及根系微生物通过根系分泌物及酶加以吸收利用。由此可见，土壤中大量元素贮量虽有减少，但因其减少幅度不大，另外，通过凋落物及死地被物中含有丰富的营养元素可补充，不会引起土壤肥力下降，而对提高土壤营养元素的利用起到促进的作用。

3.2 土壤微量元素含量的变化

土壤各层微量元素含量变化由表2所示。铅、铁、铜、锌、锰、铬、钴的含量在2种不同林分中均是湿地松人工林最高，马尾松人工林含量较低。在表层土壤（0～15 cm）中，马尾松人工林与湿地松人工林的微量元素铅、钴、铬、铁含量具有差异显著性（P＜0.05）；在中层土壤（15～30 cm）中，2种林分微量元素镍、钴、铬、铁、铜、锌、锰含量差异明显；在最深层土壤（＞30 cm）中，铅、钴、铬、铁、锌、锰、镉均存在差异显著性（P＜0.05）。从总体上看，马尾松人工林植被对土壤中微量元素的利用程度高于湿地松人工林。

表2 不同林分类型土壤微量元素含量†Table 2 Contents of micro-nutrients in soil layers of Pinus massoniana and Pinus elliottii plantations

3.3 土壤各养分元素相关性分析

从总体来看，MANOVA 多元方差分析表明差异显著（p＜0.001），说明土壤类型各养分元素组成受林分类型影响。主成分轴1（PCA 49.6%）和轴2（PCA 16.8%）表明各样地土壤养分差异主要受速效养分（氨氮、硝氮、速效P、速效K）以及各微量元素影响（见图1）。林分综合环境因子变量各指标受影响程度为NH4-N＞Zn＞速效P＞Co＞Mn＞Cu＞Mg＞N＞P＞速效K。

图1 土壤各养分元素主成分分析PCAFig.1 Principle cardinal analysis of soil nutrients contents among Pinus massoniana and Pinus elliottii plantations

由表3、4可知，在2种林分中，全氮与全磷之间，存在极显著正相关性（p＜0.01）；2种林分中的全磷与C/N存在负相关性（p＜0.05）。在湿地松人工林土壤中，速效钾和硝态氮之间具有极显著正相关性（p＜0.01）；镁与全钾之间有极显著正相关性（p＜0.01），相反，其与钙之间具有显著负相关性（p＜0.05）；钙与微量元素之间均具有负相关性；钾与大部分微量元素具有极显著正相关性（p＜0.01），如与铅、镍、铁、锌、锰；有机质、全氮分别与微量元素铬、铜之间具有极显著正相关性（p＜0.05）；在湿地松人工林土壤

中的微量元素之间均是正相关，铜与锌、锌与锰、锰与铅都具有极显著正相关性（p＜0.01）；而铁与锰、锰与铜、锰与钴之间具有显著正相关性（p＜0.05）（见表3）。

表3 湿地松人工林养分元素相关性Table 3 Pearson’s correlation matrix of soil physicochemical properties in Pinus elliottii plantation

表4 马尾松人工林养分元素分析†Table 4 Pearson’s correlation matrix of soil physicochemical properties in Pinus massoniana plantation

由表4可知，在马尾松人工林中，全氮与全磷之间具有极显著正相关性（p＜0.01），与铵态氮之间存在显著负相关性（p＜0.05），与全镁、速效磷之间具有显著正相关性（p＜0.05）；全磷与速效磷有显著正相关性（p＜0.05）；大量元素镁与微量元素铁、铜、锌、锰之间具有极显著正相关性（p＜0.01）；众多微量元素之间存在相关性，如铁、锌、锰两两之间有极显著正相关性（p＜0.01）；镍与钴、铁、铜、锌、锰均具有极显著正相关性（p＜0.01）。

4 结论与讨论

在林龄相近的2个林分中，湿地松人工林土壤中有机质、全氮、磷、钾、镁、铁及速效养分含量均高于马尾松人工林。这些数据表明,马尾松人工林对各养分元素的利用效率均高于湿地松人工林，马尾松的生长对氮的渴求高于湿地松。植被作为土壤有机质的主要来源，对土壤化学性质也有深刻的影响[20]。在表层土壤（0～15 cm）内，湿地松林的土壤容重、含水率和pH值均高于马尾松，说明湿地松林的土壤熟化度高于马尾松林，这与刘海等[16]人研究结果一致。

大量研究表明，立地条件可影响林木对土壤养分的吸收利用，土壤中养分元素的含量高低直接影响着群落生产力，土壤养分越丰富，群落生产力越低[21]。在本研究中，湿地松人工林任一深度的土壤微量元素铅、镍、钴、铬、铜、锰、锌、镉含量均高于马尾松人工林，表明本研究区域内马尾松林内植被对土壤微量元素的利用程度高于湿地松。

土壤中各环境因子并不是单独起作用的，它们之间存在着影响和制约的关系，并且研究区域的大气候环境也制约着土壤环境因子起作用的范围[22]。本研究中，钾、铁、镁、锰、锌等元素之间均具有极显著正相关性（p＜0.01)，可表明土壤中的元素与元素之间起着相辅相成的作用，互相影响。土壤有机质、全氮、全磷两两之间呈极显著正相关性（p＜0.01)，土壤全磷与C/N呈负相关性，与速效磷之间呈不显著相关性，表明两者相互影响不大，但同时还受到针叶林地貌状况、地化特征及根系菌根及微生物等的影响，因此是一个较为复杂的相互关联变化，其更深层次的原因仍待探讨。

本研究仅对湿地松和马尾松人工林的土壤养分分布情况进行了比较，较为单一、少量，在今后的研究中可以适当加上两种森林凋落物的养分状况，因为了解森林凋落物养分的积累量，对森林经营管理和林地肥力维持机制具有重要的意义[23]。更合理、更系统、更全面的对比分析本土树种马尾松与外来引进树种湿地松人工林之间的差异性，有利于保护管理不同森林类型，维持其生态平衡。

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[本文编校：谢荣秀]

Soil nutrients status of masson pine and slash pine plantations in Guizhou Longli forest farm

NI Xiaowei1,2, NING Chen1,2, YAN Wende1,2, LIU Zhizhou1,2, CHEN Yi1,2, NING Xiaobo3
(1.Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2.National Engineering Lab. for Applied Technology of Forestry and Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China;3.Forestry Bureau of Guizhou Province, Guiyang 550001, Guizhou, China)

In this study, we appliedfield sampling and soil property analysis methods to investigate the soil nutrients difference between introduced afforestation species slash pine (Pinus elliottii) and native species masson pine (Pinus massoniana) plantations in Longli forest farm, Guizhou, China. The results showed that: a) pH value ranges from 4.38～4.53, indicate the soil belonging to acid-soil type;b) the content of organic matter, total N, total P, total K, and Ca were significantly (p＜0.05) higher in slash pine plantation when comparing with masson pine; c) micronutrients Fe, Cu, Zn, Mn, Co, Cr were significantly（p＜ 0.05） higher in slash pine plantation;d) Principe Cardinal Analysis results showed that the main factors of soil property was affected by NH4-N ＞ Zn＞ available P＞ Co＞Mn＞ Cu＞ Mg＞ N＞ P＞ available K. The results imply that masson pine had a higher ability to acculmulate soil macro- and micronutrient in that case masson pine is eager for more soil nutrients.

Pinus massoniana;Pinus elliottii; plantation; soil nutrients; micronutrients

S714.8；S791.248；S791.246

A

1673-923X(2017)09-0049-08

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.09.009

2016-12-12

国家林业公益性行业科研专项（201404316）；国家自然科学基金项目（31070410，30571487，30870455）

倪晓薇，硕士研究生

宁 晨，讲师，博士，E-mail：ningchen0059@hotmail.com

倪晓薇，宁 晨，闫文德，等,贵州龙里林场马尾松湿地松人工林土壤养分分布特征[J].中南林业科技大学学报，2017,37(9): 49-56.