多代刺槐能源林对土壤理化性质的影响

（北京林业大学 林学院，北京 100083）

人工林地力衰退一般是指人工林下的土壤养分含量、林分生产力的下降和林地环境质量的降低。具体而言是人工林在培育过程中,由于人类生产活动的干扰导致土地的不合理利用，土壤养分流失，从而地力不断衰退[1]。以森林可持续利用为目标,提高人工林生产力与森林的生态系统稳定和谐, 已经引起世界林学界的关注，是亟待解决的重大问题[2]。

刺槐Robinia pseudoacaciaL作为一种燃料型生物质能源树种，国内外许多国家正在研究如何开发这种能源树种，目前利用的主要方式有液化、固化、气化和生物质直接燃烧等几种。[3]刺槐不仅热值高，而且根系发达、生长迅速、萌蘖性强，具有适应性范围广、耐干旱、耐瘠薄的特点，而且人工刺槐林有直接和间接的多种水土保持功能,其中拦截降水、涵养水源、减少迁流与冲刷等属直接效应，改良土壤、提高土壤渗透性和抗蚀性等属间接效应[4]。实验林中的刺槐经过一次皆伐后形成的二代刺槐萌蘖林。二代林皆伐后形成三代刺槐萌蘖林。除抚育更新和皆伐外，均未实施过任何水肥及人工管理，林分自然状态下生长，人为干扰情况较少，生长状况良好，具有一定的代表性。本研究对不同代的刺槐人工林对土壤理化性质的影响，土壤营养元素变化情况进行综合评价分析，并定量研究其变化特征，旨在探索刺槐能源林培育过程中林地土壤营养元素的变化规律，为科学合理地进行经营提供重要的理论依据。

1　试验地概况

试验地位于河南省洛阳市洛宁县呂村林场，地理位置为111°8′～ 111°50′E， 北 纬 34°6′～34°38′N，该林场所属地区属暖温带大陆性季风气候，受海陆季风影响，春旱多风、夏热多雨、秋爽日照长、冬季寒冷少雨雪，气温年较差大，四季分明，雨热同季。夏季呈现东南风，冬季呈现西北风，年平均气温为13.7 ℃，最高气温为42 ℃，最低气温为 -21 ℃，无霜期215 d，年降水量606 mm，多集中在7—9月份，占全年降水量 47%，年平均相对湿度69%。土壤为褐土。

2　研究方法

2.1　样地设置

根据实验需要在吕村林场选取生物质刺槐能源林林地。选取海拔，坡度，坡向尽量一致的一代，二代，三代成熟刺槐能源林，林龄大致为20年生，样地面积为20 m×20 m，株行距为3 m×3 m，每代刺槐林地3次重复，刺槐林地共计9块样地，在样地附近选取3处荒地作为对比试验，共计12块样地，样地设置和土壤取样方法一致，采样时间一致，以此来尽量减少环境背景不同所造成的差异。对刺槐林林木进行每木检尺，记录胸径、枝下高、树高、郁闭度（见表1）。

表1　试验地基本概况Table 1　Profiles of sample plots

2.2　土样采集与处理

试验地为为山地森林，取样地为刺槐山坡林地，60 cm土层以下为母质层，含有母岩风化产物，不符合实验要求，其他层次土壤取样符合森林土壤取样标准，各土层在不同层取样范围内。

在选取的一代林，二代林，三代林林地内，在每个样地中随机选取5棵林木，以每棵树为中心，在距离树干基部100 cm处，挖土壤垂直剖面，选取0～20、20～40、40～60 cm位置进行土壤取样，刺槐林地每个林木取样5个，刺槐林地共取土样225个，在荒地选取5个点挖土壤剖面，共计15个土壤剖面，以相同方式进行土壤取样，共计土样45个。手工捡出土壤中大的石砾、植物根系、动植物残体等杂质，每个样点将5个同一位点的样品充分混合后,用四分法取大约1 kg的土样，置于室内自然风干，留作土壤理化性质的测定，一部分土样置于低温冰箱，用于土壤微生物指标的测定。

2.3　土壤理化性质测定方法

土壤物理性质的测定用环刀法测定土壤容重、土壤孔隙度、土壤含水率。

(1) 土壤容重的测定

实验设备及用品

①环刀：用无缝钢管制成，一端有刃口，便于压入土中。环刀容积一般为100 cm3。钢制环刀托：上有两个小孔，在环刀采样时，空气由此排出。

② 削土小刀，小铁铲，木锤。土壤容重的计算：

计算公式为：D=m /v。公式中：D为土壤容重（g/cm3）；m为环刀内干土重（g）；v为环刀体积（cm3）；

（2）孔隙度的计算

毛管孔隙度=毛管持水量×土壤容重/水的密度。

非毛管孔隙度=(最大持水量－毛管持水量)×土壤容重/水的密度。

总孔隙度=非毛管孔隙度＋毛管空隙度。

（3）土壤水分的测定

土壤含水率=环刀内湿土重-环刀内干土重/环刀内干土重。

式中，X为土壤田间持水量（%）；m0为烘干空铝盒质量（g）；m1为烘干前铝盒与湿土样质量之和（g）；m2为烘干后铝盒与干土样质量之和（g）。

（4）土壤化学性质的测定

土壤pH值：采用酸度计法（水土比2.5∶1）测定。

土壤有机质：用重铬酸钾—硫酸消化法测定。

全N全磷：浓硫酸—H2O2消煮流动分析仪测定，速效N：采用碱解扩散法测定。

速效 N（mg·kg-1）=NV×14 000/m。

公式：N为标准硫酸的当量浓度；V为滴定样品消耗标准硫酸的滴定量；14 000代表氮原子的摩尔质量；m表示烘干土样的质量。

速效P采用NaHCO3浸提钼锑抗比色法测定。

公式中：ρ表示从工作曲线上查的P的质量浓度；V为显色时定容体积；ts为为分取倍数；m为风干土质量；k为将风干土换算成烘干土质量的系数；

速效K采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定。

速效 K（mg·kg-1）=ρ×V/m。

公式中：ρ为从工作曲线上查得测读液钾的ppm数；V表示浸提剂体积；m是烘干土样的质量[5]。

2.4　数据分析

运用Excel2013软件进行数据汇总和作图，SPSS19.0软件采用多因素方差分析和Duncan进行差异性检验，检验不同代刺槐林和荒地同一深度，不同样地的差异性以及同一处理不同深度的差异性。

3　结果与分析

3.1　土壤物理性质

3.1.1　土壤容重

有林地有植被覆盖，且林下有大量凋落物，可防止降雨的直接击打，另外有林地根系比较发达，穿插作用比较强，土壤中生物比较多，活动强烈，可以导致土壤疏松多孔[6]。由表2知刺槐能源林土壤容重，其中在0～20 cm处，CK＞二代林＞一代林＞三代林。在40～60 cm处，二代林＞CK ＞一代林＞三代林，在40～60 cm处，二代林＞CK ＞一代林＞三代林。0～20 cm处，对照与一代和二代林均没有显著差异，40～60 cm处，对照与二代林没有显著差异。0～20 cm，二代林比一代林高8.9%，三代林比一代林低3.5%。20～40 cm，二代林比一代林高8.9%，三代林比一代林低2.7%，在40～60 cm处，二代林比一代林低3.1%，三代林比一代林低9.9%。

表2　多代刺槐能源林土壤容重（平均值±标准差）†Table 2　Changes of unite weight in the multi-generations locust energy forest(mean±SD)　(g·cm-3)

3.1.2　土壤孔隙性

土壤孔隙度大小、数量及分配是土壤物理性质的基础，与持水性均是表征土壤肥力的重要指标，对林木根系伸展、物质转化、土壤排水、通气等都会产生直接影响[7]。

多代刺槐能源林的土壤孔隙性由表3所示，毛管孔隙度是指土壤毛管水所占据的孔隙，是土壤孔隙的重要指标之一。在0～20 cm处，二代林＞一代林＞三代林＞CK，一代林与二代林之间差异不显著。在20～40 cm处，二代林＞一代林＞三代林＞CK，一代林与三代林之间差异不显著。在40～60 cm处，二代林＞三代林＞CK＞一代林。一代林与荒地的差异不显著。同一类型的样地，随土壤深度增加，土壤毛管孔隙度降低且差异显著。

非毛管孔隙度是土壤空气流动的主要通道，是土壤迅速储水的场所，非毛管孔隙度越大， 表明土壤中可以吸持的无效水少，有效水的储存多。在0～20 cm处，三代林＞CK一代林＞二代林，差异显著。在20～40 cm处，，三代林＞CK＞一代林＞二代林。三代林与荒地的差异不显著，在40～60 cm处，一代林＞三代林＞CK＞二代林。一代林与三代林的差异不显著。同一类型的样地，随土壤深度增加，土壤非毛管孔隙度变化无规律，这可能与土壤生物活动有关。

表3　多代刺槐能源林土壤孔隙性（平均值±标准差）†Table 3　Changes of soil porosity in the multi-generations locust energy forest(mean±SD)

非毛管孔隙度和毛管孔隙度相加的和即为土壤总孔隙度，是评价储水性和肥力特性的基本特性之一[8]。刺槐林地比荒地的孔隙度显著增大，说明刺槐林有利于土壤通透性和持水性的改善。在0～20 cm处，三代林＞一代林＞二代林＞CK，在20～40 cm处，三代林＞一代林＞CK＞二代林,在40～60 cm处，三代林＞一代林＞CK＞二代林。在0～20 cm处，二代林比一代林低4.0%，三代林比一代林高4.1%。在20～40 cm处，二代林比一代林低10.8%，三代林比一代林高3.3%，在40～60 cm处，二代林比一代林低5.4%，三代林比一代林高10.0%。这与土壤容重的趋势恰好相反。土壤容重越大，土壤孔隙度越小，土壤越紧实，在同一类型的样地，土壤总孔隙度随土壤深度增加不断降低。

3.1.3　土壤水分

土壤中的毛管水达到最大值时的土壤含水量称为田间持水量。刺槐林地的田间持水量显著高于荒地，林分小气候及截留作用使林内土壤水分比荒地多，相同土壤深度下，不同代刺槐林地的田间持水量差异不显著。同一类型样地，田间持水量随土壤深度增加，不断降低。

由表4可知，相同土层深度下，田间持水量在0～20 cm处，二代林比一代林低0.46%，三代林比一代林高2.3%，在20～40 cm处，二代林比一代林高3.6%，三代林比一代林高1.5%，在40～60 cm处，二代林比一代林高3.6%，三代林比一代林高3.2%。

表4　多代刺槐能源林土壤水分（平均值±标准差）†Table 4　Changes of soil moisture content in the multigenerations locust energy forest(mean±SD)

土壤含水量受外界环境影响比较大，天气炎热时，表层土壤水分蒸发比较快，表层土壤含水量就低，阴雨天气表层土壤含水量就高，相同土层深度，各代林对土壤含水量的变化差异不显著。荒地随土壤深度增加土壤含水量降低，刺槐林地随土壤深度增加，土壤含水量增加，差异不显著。

3.2　多代刺槐能源林土壤化学性质

土壤养分是林地肥力的重要指标之一。土壤有机质是土壤中各种营养元素特别是氮、磷的重要来源，也是土壤微生物必不可少的碳源和能源。氮、磷和钾是植物生长和发育所需的大量营养元素之一，也是植物从土壤中吸收量最大的元素之一[9]。

3.2.1　土壤pH值

荒地和刺槐林地土壤pH值都呈弱酸性，pH值均值介于6.12和6.98之间（表5）。同一土层深度，不同代刺槐林地与荒地没有明显规律，但刺槐林地pH值均低于荒地pH值，差异不显著，说明刺槐林地对土壤pH值影响不大。同一类型样地，土壤pH值随土壤深度增加均呈降低趋势，表层土壤pH值最高，差异显著。

3.2.2　土壤有机质

土壤有机质是林地土壤养分的主要来源，能够促进微生物活动，维系土壤良好理化性质，是表征土壤肥力的重要指标[11]。由表6可知，相同类型样地，土壤有机质含量随土壤深度增加，不断降低，差异显著。这是由于土壤深度增加，枯落物少，土壤微生物活动弱，导致的土壤有机质含量高。相同土层深度下，土壤有机质含量均呈现三代林＞二代林＞一代林＞CK，差异显著。0～20 cm处，二代林比一代林高41.4%，三代林比一代林高53.9%，在20～40 cm处，二代林比一代林高33.1%，三代林比一代林高52.8%，在40～60 cm处，二代林比一代林高29.5%，三代林比一代林高47.5%。

表5　多代刺槐能源林土壤pH（平均值±标准差）†Table 5　Changes of soil pH in the multi-generations locust energy forest(mean±SD)

表6　多代刺槐能源林土壤有机质（平均值±标准差）†Table 6 Changes of soil organic content in the multi-generations locust energy forest(mean±SD)　g·kg-1

3.2.3　土壤全氮与全磷

土壤全N 含量是衡量土壤氮素供应状况的重要指标，直接影响植物的生长发育。土壤全N 含量的大小主要决定于土壤有机质的积累与分解强度[10]。分析结果表明（表7），相同类型样地，随土壤深度增加，土壤全氮含量不断降低，差异显著。相同土层深度下，土壤全氮含量均呈现三代林＞二代林＞一代林＞CK，差异显著。全氮含量在0～20 cm处，二代林比一代林高37.0%，三代林比一代林高51.8%，在20～40 cm处，二代林比一代林高36.7%，三代林比一代林高55.1%，在40～60 cm处，二代林比一代林高29.8%，三代林比一代林高46.8%。

表7　多代刺槐能源林土壤全量养分质量分数（平均值±标准差）†Table 7　Changes of soil total nutrient in the multigenerations locust energy forest(mean±SD)

土壤全磷含量的变化就没有明显的规律，同一林地，随土壤深度的增加，全磷含量下降，各土层之间差异显著，但相同深度下，磷含量变化空间分布有所不同，在0～20 cm处，三代林＞二代林＞一代林＞CK，差异显著。在20～40 cm和40～60 cm处呈现了不同规律的变化：20～40 cm处，二代林＞一代林＞三代林＞荒地；40～60 cm处，一代林＞二代林＞三代林＞荒地。全磷含量在0～20 cm处，二代林比一代林高6.0%，三代林比一代林高36.2%；在20～40 cm处，二代林比一代林高1.1%，三代林比一代林低13.6%；在40～60 cm处，二代林比一代林低16.4%，三代林比一代林高27.4%。

3.2.4　土壤速效养分含量

土壤养分是土壤中含有植物生长代谢所需要的营养物质，是反映土壤肥力的基础指标，土壤速效养分是评价土壤供肥能力的主要指标，其含量的多少体现着生态环境条件下土壤养分可被植物吸收转化能力的大小以及人们施肥管理水平的高低。土壤养分的有效性不应只表现于其数量的多少，也表现于土壤有效养分的时间有效性和空间有效性等方面[12]。

多代刺槐能源林的土壤速效养分结果如表8所示，土壤速效氮含量与全氮含量呈正相关关系。相同林地的速效氮的含量随土壤深度的增加，不断降低，差异显著。相同深度下，不同林地速效氮含量三代林＞二代林＞一代林＞CK，差异显著。在0～20 cm处，二代林与三代林差异不显著。速效氮含量在0～20 cm处，二代林比一代林高36.3%，三代林比一代林高39.8%，在20～40 cm处，二代林比一代林高33.1%，三代林比一代林高51.9%，在40～60 cm处，二代林比一代林高28.4%，三代林比一代林高46.4%。

表8　多代刺槐能源林土壤速效养分质量分数（平均值±标准差）†Table 8　Changes of soil available nutrient in the multigenerations locust energy forest(mean±SD)

同一林地，随土壤深度的增加，速效磷含量均下降，差异显著。相同深度下，速效磷含量变化空间分布有所不同；在0～20 cm处，三代林＞二代林＞一代林＞CK；20～40 cm处，三代林＞二代林＞CK＞一代林；40～60 cm处三代林＞一代林＞二代林＞CK。差异显著。在相同土层深度下，速效磷含量在0～20 cm处，二代林比一代林高37.4%，三代林比一代林高86.9%；在20～40 cm处，二代林比一代林高49.1%，三代林比一代林高30.7%；在40～60 cm处，二代林比一代林低4.1%，三代林比一代林高39.6%。

速效钾含量的变化规律有所不同，同一类型样地，随土壤深度增加，速效钾含量降低。20～40 cm处与40～60 cm处差异不显著，这可能是由于钾在土壤中容易被淋溶转移，地表枯落物分解进入表层土壤的钾养分也会有一部分转移到下层土壤中。相同土层深度，0～20 cm处，速效钾含量三代林＞二代林＞一代林＞CK，差异显著。20～40 cm处和40～60 cm处二代林＞三代林＞一代林＞CK，差异显著。在0～20 cm处，二代林比一代林高45.0%，三代林比一代林高93.8%，在20～40 cm处，二代林比一代林高42.8%，三代林比一代林高26.5%，在40～60 cm处，二代林比一代林高40.5%，三代林比一代林高19.5%。

4　结论与讨论

（1）土壤物理性质方面，刺槐林的土壤容重显著低于荒地，表层土壤容重CK＞二代林＞一代林＞三代林，对照与一代和二代林均没有显著差异，这可能是由于随着种植代数的增加，郁闭度增加，林下环境变得更加潮湿，在高温高湿的条件下，微生物作用强烈，土壤的矿化度上升，因此容重有一定程度的增加。同一类型的样地，随土层深度的增加，土壤容重均增加，这是由于土层越深枯落物含量越少，微生物活动不频繁，土壤越紧实。刺槐林土壤总孔隙度和毛管孔隙度显著大于荒地，非毛管孔隙度无明显的规律。相同土层深度，土壤总孔隙度在0～20 cm处，二代林比一代林低4.0%，三代林比一代林高4.1%；在20～40 cm处，二代林比一代林低10.8%，三代林比一代林高3.3%；在40～60 cm处，二代林比一代林低5.4%，三代林比一代林高10.0%。同一类型的样地，随土壤深度增加，土壤总孔隙度和毛管孔隙度降低。刺槐林地的田间持水量显著高于荒地，林分小气候及截留作用使林内土壤水分比荒地多，相同土壤深度下，各代刺槐林地的田间持水量差异不显著，相同土层深度下，同一类型样地，随土壤深度增加，田间持水量不断降低。土壤含水量受外界环境影响比较大，各代林对土壤含水量的变化差异不显著，刺槐林地随土壤深度增加，土壤含水量增加，差异不显著，这是由于土壤层次越深，水分被蒸发的越少。

（2）在土壤的化学性质方面，土壤有机质是土壤养分的重要指标，土壤有机质含量均呈现三代林＞二代林＞一代林＞CK，差异显著，在不同土层深度下，土壤有机质都呈现随种植代数增加，土壤有机质含量不断增加。在0～20 cm处，二代林、三代林分别比一代林高41.4%， 53.9%，在20～40 cm处，二代林、三代林分别比一代林高33.1%，52.8%，在40～60 cm处，二代林、三代林分别比一代林高29.5%，47.5%。氮含量与土壤有机质的变化趋势基本相同，氮含量增加的原因刺槐是一种固氮树种,能够吸收大气中的氮气转变为植物可吸收利用的化合态氮 (NH4+和NO3-)和有机态氮,增加了土壤氮素含量[13]。全氮含量与速效氮含量随着刺槐种植代数增加，显著提高。土壤磷含量变化没有明显的规律，主要是因为土壤磷含量变异系数较大,极易受外界环境的影响，土壤中的磷主要来自于土壤母岩，而且土壤中磷矿石比较多，不同类型样地的土壤磷含量就不同[14]。钾含量刺槐林地显著高于荒地。全磷含量在0～20 cm处，二代林比一代林高6.0%，三代林比一代林高36.2%，在20～40 cm处，二代林比一代林高1.1%，三代林比一代林低13.6%，在40～60 cm处，二代林比一代林低16.4%，三代林比一代林高27.4%。而速效磷含量呈现了不断递增的现象。相同土层深度下，速效钾含量不断增加，差异显著。总的来说，刺槐改善了土壤的化学性质。

（3）树木对土壤养分具有“表聚效应”[15]，即各种养分在土壤剖面中的含量具有明显的层次性，表层与下层养分含量之间存在显著的差异性。本试验研究结果表明土壤表层有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效钾含量高于深层，呈现出垂直结构变化，随土壤深度增加，含量不断降低。这可能是由于表层土壤蓄积的枯落物比较多，经过微生物分解后，产生了大量的有机质和营养元素，积累在土壤表层。但是速效钾20～40 cm处与40～60 cm处差异不显著，这可能是由于钾在土壤中容易被淋溶迁移，地表枯落物分解进入表层土壤的钾养分也会有一部分转移到下层土壤中[16]。

（4） 多代刺槐能源林在栽植培育过程中，土壤理化性质得到有效改良，一系列相关研究也表明利用刺槐林可以有效改良土壤结构，改善土壤养分含量[13-16]。 关于刺槐林的研究大多集中于不同林龄刺槐林土壤含水量、养分方面。本研究的创新性在于以多代刺槐能源林为研究对象，结果表明多代刺槐能源林能有效改善土壤理化性质，为刺槐的连作和改善地力衰退现象的研究提供了有效的技术支持和理论指导。

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