黑土区不同林龄杨树农田防护林土壤养分变化1)

孙家兴 赵雨森 辛颖

(东北林业大学，哈尔滨,150040)

黑土有机质含量高，养分丰富，适于多种农作物的种植生长，是我国最肥沃的土壤之一，黑土分布区也是我国重要的粮食生产基地。由于东北黑土区春秋两季干燥风大，为了提高粮食产量，降低干热风的危害，为此，建设了大量的农田防护林。农田防护林在充分利用水热资源、改善农田小气候、降低土壤风蚀、增加田间空气湿度、改善土壤结构、减少水土流失、增强土地的长期生产力、有效保护耕地质量、提高作物产量具有重要作用[1-3]。

在黑土开发利用的过程中，水土流失问题严重，有机质含量下降，致使土壤养分流失、土壤板结，土壤状况日益恶化，因此，保护黑土区耕地质量刻不容缓。小黑杨(Populus×xiaohei)是当地农田防护林的主树种，由其构成的农田防护林现多为成、过熟林，生长量下降，甚至出现死亡等防护林衰退现象。对农田防护林的研究多集中在田间作物的增产、土壤理化性质、防风固沙以及建设更新问题上[4-7]。关于防护林林下土壤质量变化的研究则较少。本文以齐齐哈尔市典型黑土区不同林龄的杨树农田防护林为研究对象，以弃耕地为对照，研究分析农田防护林林下土壤养分的变化，以期了解防护林对土壤养分的影响，以及黑土区林下土壤养分的变化规律，为保护黑土区耕地质量和防护林的建设更新及可持续发展提供依据。

1 研究区概况

研究地点位于黑龙江省齐齐哈尔市拜泉县，该地区属中温带大陆性季风气候，土壤肥沃、雨热同期，年平均降水量490 mm，年均积温2 454.5 ℃，年均日照时间2 730 h，无霜期122 d，主要粮食作物有玉米、大豆、马铃薯等。农田防护林的主要构成树种为小黑杨(Populus×xiaohei)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)等。

2 研究方法

2.1 样地选择及取样方法

2016年6月进行实地调查，所选样地均栽植小黑杨(Populus×xiaohei)，林龄分别为26、31、36 a，对照样地为弃耕30 a的无林地(KY)。在选定的样地内分别设置3个取样点，共计12个，林带内取样点位于防护林带株行距的交叉点上，每个取样点分4层，取样深度为0～10、>10～20、>20～40、>40～60 cm。每层用100 cm3环刀取原状土测定土壤密度，每层取3个重复，用铝盒取土壤混合样品，并用塑料盒取原状土带回实验室待用。样地的基本特征如表1所示。

表1 样地基本特征

2.2 样品测定

土壤密度的测定采用环刀法，含水量的测定采用烘干法，土壤pH的测定采用电位法，土壤有机碳的测定采用碳氮分析仪(EL III)，全氮的测定采用开式消煮法，水解性氮的测定采用碱解扩散法，全磷的测定采用硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法，土壤有效磷的测定采用碳酸氢钠法[8]。

2.3 数据分析

数据采用Microsoft Excel 2010进行统计整理，用SPSS19.0进行单因素方差分析，差异显著性检验采用邓肯法(P<0.05)，并进行主成分分析。

3 结果与分析

3.1 土壤含水量、土壤密度及土壤pH的变化

由表2可知，各林龄农田防护林土壤含水量均低于弃耕地土壤含水量，随着土壤深度的增加，土壤含水量逐渐降低；0～10 cm土层，弃耕地土壤含水量达32.72%，比高龄、中龄、低龄农田防护林土壤含水量分别高31.1%、21.7%、28.7%；>40～60 cm土层，弃耕地土壤含水量达30.3%，比高龄、中龄、低龄农田防护林土壤含水量分别高37.5%、46.5%、38%；杨树农田防护林增加了土壤水分消耗，降低了土壤含水量。弃耕地土壤密度均低于各林龄杨树农田防护林，农田防护林的建设使土壤变得紧实，各林龄杨树农田防护林土壤密度随林龄的增大而减小，随深度的增加而增加。土壤pH总体随林龄的增大而增大，弃耕地pH均低于同层各样地。

3.2 不同样地土壤有机碳、全氮、全磷质量分数及其比值的变化

由表3可知，随着土层深度的增加土壤有机碳质量分数均降低，表层土壤有机碳质量分数最高，不同样地之间差异显著(P<0.05)。不同林龄防护林土壤有机碳质量分数在0～10、>10～20 cm土层，随林龄的增大而降低，且各林带土壤有机碳质量分数均高于弃耕地，不同林龄之间差异显著(P<0.05)，其中0～10 cm土层，低龄林土壤有机碳质量分数最高(43.56 g·kg-1)，比弃耕地有机碳质量分数高64.4%，中龄林、高龄林样地土壤有机碳质量分数分别比弃耕地高27.3%、16.6%。在>20～40、>40～60 cm土层，土壤有机碳质量分数随林龄的增大而增大，不同林龄之间差异显著(P<0.05)，其中>40～60 cm土层，高龄林样地土壤有机碳质量分数最高(16.8 g·kg-1)，比弃耕地有机碳质量分数高39.1%，中龄林、低龄林样地有机碳质量分数分别高出弃耕地12.6%、22.4%。

表2 各样地基本物理性质和pH

注：表中数值为“平均值±标准差”，同列不同小写字母表示同一土层不同样地间差异显著(P<0.05)，同列不同大写字母表示同一样地不同土层之间差异显著(P<0.05)。

相同深度随林龄的增大土壤全氮质量分数呈先降低后增加的趋势，总体来看，土壤全氮质量分数由高到低的样地顺序为：HA、LA、KY、MA，变化范围1.53～3.75 g·kg-1，不同林龄之间差异显著(P<0.05)。随着土壤深度的增加，土壤全氮质量分数下降，表层土壤全氮质量分数最高，不同深度之间差异显著(P<0.05)。

0～10 cm土层，土壤全磷质量分数中林龄样地最高为0.58 g·kg-1，高龄林样地最低为0.53 g·kg-1，其他各层土壤全磷质量分数随着林龄的增大而增大，不同林龄之间差异显著(P<0.05)，随着深度的增加，土壤全磷质量分数下降，不同深度之间差异显著(P<0.05)，KY样地土壤全磷质量分数总体高于中龄林、低林龄样地，低于高林龄样地。

土壤w(C)∶w(N)变化范围7.05～11.91，0～10 cm土层，土壤w(C)∶w(N)随林龄的增大而减小，弃耕地的w(C)∶w(N)最小。0～10、>10～20 cm土层，各样地土壤w(C)∶w(N)随着深度的增加而减小，低龄林样地的w(C)∶w(N)最大，弃耕地的w(C)∶w(N)变化无规律可循。

土壤w(C)∶w(P)变化范围31.08～75.7，各样地w(C)∶w(P)最低的是KY样地，最高的是低龄林样地，KY样地与各林龄样地之间差异显著(P<0.05)。

w(N)∶w(P)变化范围4.44～7.07，0～10 cm土层，土壤w(N)∶w(P)从大到小顺序是：HA、LA、KY、MA，>10～20、>20～40、>40～60 cm土层，土壤w(N)∶w(P)随林龄的增大而减小，弃耕地的w(N)∶w(P)小于各林龄样地。

表3 不同林龄土壤有机碳、全氮、全磷质量分数及其比值

注：表中数值为“平均值±标准差”，同列不同小写字母表示同一土层不同样地间差异显著(P<0.05)，同列不同大写字母表示同一样地不同土层之间差异显著(P<0.05)。

3.3 土壤有效养分质量分数的变化

由表4可知，表层土壤有效磷质量分数最高，随着土层深度的增加有效磷质量分数降低，>40～60 cm有效磷质量分数略有上升，表层土壤与深层土壤有效磷质量分数差异显著(P<0.05)。样地各土层之间土壤有效磷质量分数差异显著(P<0.05)。

表4 不同林龄土壤有效磷、水解性氮质量分数

注：表中数值为“平均值±标准差”，同列不同小写字母表示同一土层不同样地间差异显著(P<0.05)，同列不同大写字母表示同一样地不同土层之间差异显著(P<0.05)。

由表4可知，0～10 cm土层，KY样地土壤水解性氮质量分数最低，MA样地土壤水解性氮质量分数最高，随着林龄的增大，水解性氮质量分数先增加后降低，不同林龄样地之间差异显著(P<0.05)，其他各土层水解性氮质量分数总体随着林龄的增大而增大。随着土层深度的增加，水解性氮质量分数下降，不同土层之间差异显著(P<0.05)。

3.4 不同林龄杨树农田防护林土壤质量综合评价

由表5可知，含水量与土壤密度呈极显著负相关，与全磷质量分数呈显著正相关；土壤有机碳与全氮、全磷、有效磷、水解性氮呈极显著正相关；全磷与有效磷呈显著正相关；全氮与全磷、有效磷、水解性氮成极显著正相关，而各因素与土壤pH相关性并不显著。

由表6可知，8个指标对土壤质量进行综合评价并以贡献率为权重进行综合评分，根据解释的总方差可以发现总体高于94.5%的信息可以由前两个主成分来解释，第一主成分的贡献率为57.739%，第二主成分的贡献率为24.658%，前2个主成分可较好的代表8个指标反映土壤的综合质量状况。由成分系数矩阵推出的得分方程可知，在第一主成分中有机质、有效磷、全氮所占权重最高，第二主成分中土壤密度和pH所占权重最高，根据计算积分可知，随着林龄的增大，土壤质量逐渐改善，不同样地土壤质量由高到低依次是高龄林样地、中龄林样地、低龄林样地和弃耕地。

表5 土壤养分因子相关系数

注：*表示相关性显著(P<0.05)，** 表示相关性极显著(P<0.01)。

表6 土壤养分主成分分析初始特征值

4 结论与讨论

土壤水分和土壤密度作为土壤质量评价的重要指标，对养分供应的有效性具有重要影响[9-10]，土壤碳、氮、磷是植物所需的基本元素，是农田防护林带土壤养分的重要组成成分，也是防护林带养分循环和可持续发展的重要影响因子，其质量分数的多少会对林带的生长发育、土壤团聚体、土壤微生物种类与数量、枯落物分解速率以及养分的积累产生重要影响[11-12]。土壤碳、氮、磷化学计量比是新兴生态学领域研究植物与土壤之间相互关系的新思路，也是衡量土壤质量的指标[12]。本研究中，土壤有机碳与全氮、全磷、有效磷、水解性氮呈极显著正相关；全氮与全磷、有效磷、水解性氮极显著正相关；水解性氮与有机碳、全氮、全磷、有效磷极显著正相关，这与康日峰等[13]、吕金林等[14]研究结果一致。

黑土区杨树农田防护林土壤有机碳、氮素是维持防护林可持续发展的重要因素，随着土壤深度的增加，土壤养分质量分数均呈下降趋势，表层质量分数显著高于其他层，这与李栎等、朱凯等、邵英男等[15-17]的研究结果一致，这是因为表层枯落物较多而深层土壤杨树根系较多，吸取了部分养分。土壤含水量随着林龄的增加无明显变化规律，但各林带含水量均高于弃耕地，这与张光辉等[18]的研究结果一致；土壤密度随着林龄的增大而减小，随土层深度的增加而增加。表层土壤养分质量分数随林龄增大有所下降，有机碳质量分数下降幅度较大，深层养分质量分数随林龄增大而有所上升，这可能是因为随着林龄的增大，杨树的死亡根系增多，吸取养分的能力下降，林带因为株行数限制，自身枯落物的保留能力较差这也解释了为什么随着林龄的增大，土壤密度降低[19]。

土壤碳氮比与有机质分解速度呈反比关系，一般而言碳氮比较低则土壤的矿化作用较快[20-21]，通常认为土壤碳氮比在25以下会出现净矿化，土壤中磷的有效性受土壤有机质的分解速率影响，碳磷比较低有助于有机质的分解和养分的释放，提高磷的有效性[19]。氮磷比可以判断土壤对植物的养分供应状况，氮磷比小于14，说明植物的生长受氮元素的限制，氮磷比大于16，主要受磷元素的限制[22]。本研究中土壤碳氮比的变化范围是7.05～11.91，部分低于我国平均水平(10.1～12.1)[23]；0～10 cm土层，土壤全磷质量分数接近全国土壤平均水平(0.56 g·kg-1)，其他各层均低于全国平均水平；低龄林0～10 cm土层，土壤碳磷比达75.7，其他的变化范围是31.08～58.16，低于我国平均水平(61.0)；氮磷比变化范围4.44～7.07，与我国平均水平(5.1)基本持平[24]。说明农田防护林的生长主要受碳氮元素的限制，应适当的补充有机物以及施加氮肥，以保持土壤的碳氮平衡，维持农田防护林的健康生长。

对不同林龄杨树农田防护林带的研究表明：林龄对土壤质量有显著影响，有林地土壤质量优于弃耕地，土壤质量随杨树林龄的增加而逐步提高；杨树农田防护林增加了土壤耗水，使土壤更加紧实；随着林龄的增大，仅表层土壤有机碳以及全磷质量分数有所下降，其余各层土壤有机碳、全磷、全氮、水解性氮等养分质量分数均有所增加，有效磷质量分数略有下降。黑龙江省黑土区杨树防护林带的建设增加了土壤养分质量分数，但降低了土壤水分含量，同时提高了土壤密度。为了杨树农田防护林的可持续发展，建议适当松土的同时，增加碳氮的投入以期降低土壤密度，在生长季对农田防护林补充水分。

受研究地点实际条件所限，本研究选择了不同林龄(26、31、36 a)的黑土区杨树农田防护林带为研究对象，选择林龄整体偏大，范围偏窄。土壤微生物以及土壤酶活性对土壤养分质量分数也会有所影响，为此，对这方面进一步研究，将有助于解释林龄对土壤养分变化的影响。

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