冀北坝上不同樟子松林的土壤养分及其与林木生长的关系

丁 丽，许 晴，许中旗*，张 菲，张 岩，程 顺，崔同祥

(1.河北农业大学 林学院，河北省林木种质资源与森林保护重点实验室，河北 保定 071000；2.塞罕坝机械林场，河北 围场 068450)

土壤是森林生态系统的重要组成部分[1]。土壤养分含量是林分立地条件的重要组成部分，对林分的生长具有重要影响[2-3]。已有研究表明，林分的径生长更多取决于林分的密度[4-5]，而高生长则直接取决于林分的立地条件[6-8]，土壤养分含量是立地条件的重要方面。同时，森林会通过凋落物及根系对森林土壤养分含量产生明显影响，这种影响对土壤肥力的维持至关重要[9-10]，因此了解林分土壤养分状况，尤其是人工林的土壤养分状况是森林经营的前提。樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)是欧洲赤松的一个地理变种，主要分布在我国的大兴安岭北部，具有生长快、成材早、抗逆性强等特性，是我国诸多松树种类中最为耐寒耐旱的树种之一，成为我国“三北”防护林工程和治沙工程的主要造林树种[11]。位于冀北坝上地区的塞罕坝机械林场现有的樟子松人工林种植面积达1万hm2，是该地区第2大造林树种[12]。如何实现这些樟子松人工林的合理经营已成为当地亟待解决的重要问题，这些樟子松分布在不同的立地条件下(如山地、曼甸等)，其生长状况也存在明显差异[13]，了解这些樟子松人工林的土壤状况是实现其合理经营的基础。本研究以塞罕坝机械林场的樟子松人工林为对象，采用野外典型抽样调查和室内分析测定相结合的方法对该地樟子松人工林的土壤养分进行分析，探讨该地区樟子松人工林土壤养分条件的差异及其与林分生长之间的关系，为樟子松人工林的可持续经营提供科学依据。

1 研究区概况

塞罕坝机械林场位于河北省围场满族蒙古族自治县最北部，地理位置42°02′-42°36′N、116°51′-117°39′E，地处冀北山地及蒙古高原交汇地带，地势分为坝上、坝下2部分，坝上以丘陵、曼甸为主，坝下为山地地形。该地属寒温带大陆性季风气候，春秋两季短暂而干燥，冬季漫长而寒冷。林区经常有大风、干旱、风砂、霜冻等不良天气，灾害性极大。年均气温-1.4℃，极端最高、最低气温分别为30.9℃和-42.8℃。年均日照时数2 368 h，年均无霜期60 d。年均降水量438 mm，其中6-8月占据68%，年平均降水天数134 d，年平均积雪天数169 d。年平均蒸发量1 230 mm。另外，该地区多风沙天气，年平均大风天气80 d左右。塞罕坝林区土壤类型主要为灰色森林土、山地棕壤和风砂土。塞罕坝机械林场总经营面积9.507万hm2，有林地面积7.2万hm2，树种主要为落叶松(Larixgmelinii)、樟子松、白桦(Betulaplatyphylla)等[14]。

根据塞罕坝林区樟子松林的分布情况，将樟子松林生长的立地分为6种类型:坝上东部曼甸砂质土、坝上西部曼甸砂质土、坝上山地壤质土、坝下坡地砂质土、坝下坡地壤质土、坝下平地壤质土(表1)。

表1 样地概况

2 研究方法

2.1 标准地设置

2014年7-8月，在前期调查和实地考察的基础上，针对塞罕坝林区现有的樟子松人工林林分情况，以地理条件和林分年龄为依据在大唤起林场、千层板林场、北曼甸林场、三道河口林场的樟子松林分内分别设置标准地11、12、2、2块，标准地面积根据地形、地势、林分特征、林龄及林分面积而定，一般为600 m2(20 m×30 m)，个别样地面积为400 m2(20 m×20 m)。

2.2 样地调查

在设立的样地内进行每木检尺，调查胸径、树高、林龄及冠幅。然后，选取12块林龄相近和立地条件有代表性的样地。其中，大唤起5块，千层板6块，北曼甸1块。在每块样地内选择处于林冠上层、生长状况良好、无病虫害、不断梢的优势木，伐倒，进行树干解析，通过树干解析分析其高生长过程。

2.3 土壤的采集与处理

在每一样地内，分别挖取2个土壤剖面，深至30 cm，然后进行分层取样，每10 cm一层。将2个剖面的同一层的土壤混合均匀，取每层1 kg左右的混合样品装入布质土壤袋中，带回室内备用。将野外采集的土壤样品阴干后，拣出枯枝落叶、植物根、石子等，然后碾碎，使之通过1.00 mm土壤筛，装入密封袋成待测样品。

2.4 土壤养分分析

在实验室内对土壤样品进行理化性质分析，主要测定土壤有机质、pH、碱解N、速效 P、速效 K、全N、全P、全K等。应用的主要分析方法有：有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法，碱解氮用碱解扩散吸收法，全氮用半微量凯氏定氮法，速效磷用碳酸氢钠浸提法，全磷用钼锑抗比色法，速效钾采用NH4OAc浸提，使用火焰光度计测定；全钾采用火焰光度计法[15]。

2.5 数据分析

使用Excel 2013进行数据统计，SPSS17.0进行回归分析。

3 结果与分析

3.1 不同樟子松林土壤养分含量及pH的比较

塞罕坝地区樟子松人工林的6种立地类型的土壤养分含量见表2。由表2可知，樟子松人工林的土壤养分在不同立地间呈现出相似的变化规律。各养分元素含量都以坝上山地壤质土和坝下山地壤质土为最高，其次为坝上东部曼甸和坝下山地砂质土，坝上西部曼甸砂质土和坝下平地壤质土最低。以有机质为例，坝上山地壤质土和坝下山地壤质土表层(0～10 cm)土壤有机质的含量分别为61.31 g·kg-1和65.64 g·kg-1，坝上东部曼甸砂质土和坝下山地砂质土分别为33.81 g·kg-1和27.61 g·kg-1，坝上西部曼甸砂质土和坝下平地壤质土则分别为21.06 g·kg-1和17.64 g·kg-1。

表2 不同樟子松林地的土壤养分含量及pH值

注：括号中的数据为标准差。

总的规律是壤质土的土壤养分含量都相对较高，而砂质土则相对较低，这是由于壤质土土壤质地更细，对土壤养分元素的吸附能力更强，有更高的养分保持能力，而砂质土保持养分的能力则相对较低[16]。坝下平地壤质土的土壤养分含量较低的原因主要由于该林地临近居民区，林内干扰(比如放牧等)比较严重，影响了土壤养分的积累。不同樟子松林的不同立地之间pH值没有明显差异，均在5.17～6.68，土壤呈酸性。

塞罕坝樟子松林地中各种土壤养分含量都随土层深度的增加而呈逐渐下降的趋势，这符合一般森林土壤养分含量的分布格局。因为森林土壤的养分主要来源于地上凋落物的分解及土壤中根系的周转。随凋落物分解而进入土壤的养分随深度的增加逐渐减少，同时，根系在土壤中的分布也随土壤深度的增加逐渐减少，2种因素共同作用使得土壤养分含量随土壤深度的增加而呈下降趋势。而pH值则与土壤的深度没有明显的相关关系。

另外，根据全国第二次土壤普查养分分级标准[17]，各樟子松林土壤养分含量都属于中等以上水平，说明该地区樟子松林的土壤肥力状况相对较好。

3.2 坝上与坝下樟子松林土壤养分含量及pH的比较

樟子松人工林在塞罕坝机械林场的坝上和坝下地区都有分布。坝上及坝下地区樟子松人工林土壤养分及pH值见表3。总体来看，除速效磷外，各种坝上及坝下地区樟子松人工林的土壤养分含量较为接近(表3)。

表3 坝上与坝下樟子松林土壤养分含量及pH的比较

另外，尽管坝上和坝下地区土壤养分含量总体上较为接近，但是坝下地区樟子松人工林不同林地之间土壤养分含量的差异明显>坝上地区。坝上地区各土壤养分含量的变异系数分别为0.49、0.40、0.44、0.34、0.35、0.22、0.23和0.06，而坝下分别为0.76、0.58、0.60、0.46、0.54、0.29、0.24和0.06。这主要是因为坝上地区为高原，地势较为平坦，各林分之间的立地条件差异相对较小，而坝下地形为山地，地势起伏变化比较大，立地条件的空间变异较大，因此坝下不同樟子松人工林土壤之间的差异相对较大。

3.3 不同养分元素与土壤有机质的关系

由图1可以看出，各种养分元素都随土壤有机质含量的增加而增加。土壤全氮及水解氮含量与土壤有机质均为显著的直线回归关系，全氮、水解氮与土壤有机质的回归关系的决定系数分别达到了0.807和0.973 1，说明二者与土壤有机质的关系非常密切，土壤有机质对全氮及水解氮的变化解释量分别达到了80.7%和97.31%。全磷与土壤有机质的关系为幂函数关系，决定系数也达到了0.876 5，而速效磷与土壤有机质的关系为直线，决定系数为0.382 7。全钾与土壤有机质的关系为对数函数关系，决定系数达到了0.875 2，而速效钾与有机质的关系为幂函数关系，决定系数也达到了0.765，说明钾元素与土壤有机质也有明显的相关关系。以上结果说明，各种养分元素含量与有机质都有紧密的数量关系，只是数量关系的形式不同，即各养分元素与有机质均有不同程度的正相关关系，随有机质含量的升高而升高，但各养分含量变化的程度却各不相同。有机质与全氮、速效氮、全磷、全钾、速效钾都为显著相关，这说明土壤有机质含量的高低在一定程度上代表着全氮、速效氮、全磷、全钾、速效钾含量的高低。因此，土壤有机质水平可作为衡量土壤养分状况的指标，通过有机质含量的测定就可以判断其总体养分含量的水平。

另外，从图中可以看出，土壤pH值随土壤有机质含量的增加呈逐渐下降的趋势。这可能是因为樟子松为常绿针叶树，其凋落物含有较多的酸性物质，土壤有机质含量越高，其pH越低。

图1 不同土壤养分及pH值与土壤有机质的关系

3.4 樟子松高生长与土壤养分的关系

树高受林分密度的影响较小，因此树高生长能够反映立地条件的优劣[18-19]。塞罕坝地区樟子松人工林20 a优势木树高与0～30 cm土层养分含量的相关关系见图2，可以看出，20 a优势木树高与各种土壤养分含量都没有表现出明显的相关性，这说明，该地区樟子松的高生长受土壤养分含量的影响较小。这与土壤养分含量越高、立地条件越好，而林木高生长越大的观点有所不同。其原因在于：一是林木的生长受多种因素的影响，除受土壤养分的影响之外，还受地形、土壤质地及水分等诸多生态因子的影响；二是樟子松是耐贫瘠树种[20]，所调查林地土壤中，即使是养分元素含量较低的土壤，也能满足樟子松生长对养分元素的要求。

同时，从图2也可以看出，樟子松的生长与土层厚度存在正的相关关系，说明土层越厚，樟子松的高生长量越大。说明对樟子松来说，土层厚度是比土壤养分含量更为重要的指标，也说明了樟子松适宜深厚的土壤，即使是养分含量较低的土壤。邱贵福[21]对张家口地区不同立地条件的樟子松生长的研究也表明，阳坡厚层土上的樟子松生长量最大[21]。这也在一定程度上说明了为什么樟子松多分布于土壤养分含量并不十分丰富的砂地上。因此，樟子松人工造林应该选择土层深厚的立地条件。

4 结论与讨论

塞罕坝地区樟子松林土壤不同养分元素在各林分之间的变化呈现出相同的规律，都以坝上山地壤质土和坝下山地壤质土为最高，其次为坝上东曼甸砂质土和坝下山地砂质土，坝上西部曼甸砂质土和坝下平地砂质土最低。同时，不同林分之间，土壤pH值和全钾含量的差别相对较小，而其他养分元素差异则相对较大。

塞罕坝地区坝上和坝下地区土壤养分含量总体上较为接近，但是坝下地区樟子松人工林不同林地之间土壤养分含量的差异明显>坝上地区。

图2 树高与土壤养分的相关关系

樟子松林土壤中全氮、水解氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾的含量均随有机质的增加而增加，而且具有紧密的回归关系，但回归关系的形式各不同。可基于回归关系通过有机质来估测其他土壤养分元素的含量。

樟子松优势木树高与土壤养分含量之间没有表现出明显的正相关关系，但优势木树高与土壤厚度有正的相关关系，樟子松适宜土层深厚的立地条件，而对土壤养分含量要求不高。

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