几个东南沿海防护林树种对土壤碳、氮及主要盐基阳离子的影响

黄猛　丁国昌　李树斌　林宇　黄玉梅　赵苗菲　黄志群　何宗明

摘要：探索福建东南沿海退化木麻黄林地的改良树种——纹荚相思、巨尾桉、卷荚相思、厚荚相思、肯氏相思5种主要植物群落类型的土壤碳、氮含量及主要盐基阳离子的特征。结果表明，不同植被类型、不同土壤层所含碳、氮含量不尽相同，但垂直分布规律比较一致，即土壤表层集中了大部分的养分，并随土层深度的加深而降低。在0～10 cm土层，碳、氮含量分别占总量的48.6%～64.7%、38.4%～55.5%，与木麻黄林相比（CK），纹荚相思林土壤碳、氮含量分别增加4.2%、21.75%;不同树种、不同土壤层的盐基阳离子含量各不相同，其中Ca2+、Na+的含量远高于Mg2+;Na+含量最高，其次为Ca2+，Mg2+含量最低。作为最活跃的0～10 cm土壤层，纹荚相思林的交换性Na+的含量最高，为 0.23 g/kg;交换性Mg2+可能是东南滨海沙地土壤碳、氮含量的决定因子。

關键词：沿海防护林;碳含量;氮含量;盐基阳离子

中图分类号： S718.5  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）04-0242-04

我国海岸线总长度达3.2万km，其中大陆海岸线 1.8万km，岛屿海岸线1.4万km，是受台风影响最为严重的国家之一。福建省地处我国东南沿海，拥有3 000多km海岸线，是受台风影响最大的省份之一。沿海防护林是抵御台风等重大自然灾害、保证沿海地区经济发展和人们生命财产安全的重要屏障。由于沿海沙地环境恶劣，很少树种能适应这种环境。木麻黄作为防护林树种于20世纪50年代引种至我国，并取得了成功。随后在我国热带与亚热带的沿海沙地上建造了大量的木麻黄防护林，这在改善当地生态环境、抵御自然灾害方面发挥了重要的作用[1]。然而，目前的纯木麻黄防护林树种结构单一，生物多样性差，且基本进入衰退期，抵御自然灾害的能力大大降低，更新营造该防护林具有重要意义[2-4]。遗憾的是，木麻黄二代林更新困难。因此，学者们通过不懈的引种试验，试图能够寻找到替代木麻黄的树种，现已筛选出一些较适宜于沙地造林的树种，如肯氏相思、厚荚相思等具有固氮能力的相思类树种[5-8]。这些树种在丰富我国沿海地区防护林的树种资源、增强防护林生物多样性、抵御自然灾害、提高防护林生态系统稳定性、增加土壤养分含量、改善土壤结构、持续高效发挥防护林的防护效能及改善防护林景观等方面具有重要作用。

针对木麻黄及其他沿海防护林树种方面的研究，资料比较丰富，内容涉及树种选择、肥土能力及遗传改良等各个方面[1，9-10]，但在木麻黄迹地上同时轮作6个不同固氮树种达13年，探索不同固氮树种对滨海沙地的影响以及进一步评价不同固氮树种的适应性，还未曾见报道。

由于滨海沙地恶劣的环境条件，和其他荒漠化沙地一样，造成了滨海沙地土壤碳、氮资源的总量及其可获性较低，特别是氮已成为影响该土地类型第一性生产力的主要因子之一。同时，因为海边沙地受海水的影响，其盐基阳离子含量一般远高于内陆林地，这也成为限制滨海沙地植物多样性的因素，而氮沉降可以降低土壤黏粒结合的钙、镁、钾和钠等营养成分[11]。恶劣环境中的土壤碳氮时间动态变化及不同植物物种对土壤碳、氮含量的影响，引起了越来越多的科学家的重视[12-14]。因此，为了分析从木麻黄迹地轮作不同固氮树种以来，该迹地的滨海沙地土壤特征，特别是碳、氮和主要盐基阳离子含量是否发生变化，本研究探索福建省长乐大鹤国有防护林林场木木麻黄采伐迹地轮作13年不同树种后的土壤碳、氮含量和盐基离子含量及相关分析，以期揭示固氮树种对滨海沙地改良机理。同时，也为筛选出滨海沙地木麻黄林的轮作混交树种以及防护林维护与更新、构建良好的滨海景观提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于福建省福州市长乐区大鹤国有防护林场，该林场东临东海，总面积约369 hm2，地貌属沿海台地，地理坐标为119°40′～119°43′E、25°57′～25°59′N。海拔高度为5～13 m，平均高度10 m，多为坡状沙丘，沙丘坡度最大为8°。土壤多为风沙土，土层深厚，深度可达6～10 m，肥力中等，保水能力低。气候属南亚热带海洋性季风气候，光热丰富，雨量充沛，最高气温35 ℃，最低气温0 ℃，年平均气温为19.2 ℃，年均降水量为1 200～1 600 mm，年日照时数为1 800～2 300 h，年总积温为4 600～6 200 ℃，年平均湿度为77%，无霜期 326 d。盛行东北风，年平均风速4 m/s，台风多发生在7月或8月，每年平均4～6次，最高风力可达12级以上，台风发生时常伴随着暴雨或者大暴雨。由于原生植物已破坏殆尽，防护林中林下天然植被稀少，零星分布的植物有硕苞蔷薇（Rosa bracteata）、马缨丹（Lantana camara）、茅莓（Rubus parvifolius）等。

1.2 试验材料

参试材料为肯氏相思（Acacia cuminghamia）、卷荚相思（A. cincinnata）、厚荚相思（A. crassicarpa）、纹荚相思（A. aulacocarpa）、巨尾桉（Eucalyptus granddis×E.urophylla）5个树种和木麻黄（Casuarina equisetifolia Forst.）。试验苗木除木麻黄为水培苗外，其他均为容器苗，苗高约 20 cm。其中4种相思树从福建省漳浦中西国有林场调运而来，于2003年3月进行造林，造林措施为植穴规格60 cm×40 cm×35 cm，造林初植密度为2 500株/hm2，株、行距均为2.0 m，客土栽植，并于当年9月追施复合肥1次，100 g/株。参试各树种按水平方向块状排列，每一树种面积1 300～3 500 m2（受当时苗木数量的限制）。2015年8月进行林地生长状况调查（表1）。

1.3 研究方法

2015年8月，选择试验林分内典型地段，沿同一水平线，分别在4个相思树种以及巨尾桉、木麻黄林分内各设置 25.8 m×25.8 m的标准地3块，对每个样地每种树的树高、胸径、冠幅等生长指标进行调查。

土壤样品采集及预处理：在上述6个群落类型内，于0～10、10～20、20～40、40～60 cm 4个层次上分别采集土壤样品;每次在每一群落类型内随机选取12个点，用土壤取样器进行采样，同一群落的土壤样品按土壤层次充分混合。每次采集完土样后迅速用20目土壤标准筛过滤，然后用自封袋密封编号。土样全部取完后带回实验室自然风干待测，共采集土壤样品72个。

土样检测：用碳氮分析仪（Vario MAX CN，德国）直接检测土壤中的碳、氮含量;用离子色谱仪测定交换性阳离子含量（戴安ICS-1600型），交换性阳离子含量测定参照国家农业行业标准NY/T 295—1995《中性土壤阳离子交换量和交换性盐基的测定》，所有样品的测定工作由福建师范大学地理科学学院完成。

1.4 数据处理

采用SPSS 19.0软件进行数据分析。用逐步回归法分析主要盐基阳离子含量对碳、氮含量的影响。

2 结果与分析

2.1 不同树种不同土壤层的碳含量

由表2可知，在0～10 cm土层，纹荚相思林土壤碳含量最高，为2 787.1 mg/kg，巨尾桉林最低，为1 623.2 mg/kg，二者之间差异显著（P<0.05）;与同层度的巨尾桉林土壤碳含量相比，纹荚相思林土壤碳含量提高71.7%;纹荚相思林、卷荚相思林和木麻黄林土壤碳含量均显著大于巨尾桉林、厚荚相思林（P<0.05），后2个树种之间差异未达到显著水平（P>0.05）;6个植被类型土壤碳含量高低表现为纹荚相思>木麻黄>卷荚相思>肯氏相思>厚荚相思>巨尾桉。在10～20 cm 土层，6个植被类型土壤碳含量高低表现为木麻黄>卷荚相思>厚荚相思>巨尾桉>肯氏相思>纹荚相思，其中木麻黄林和卷荚相思林土壤碳含量显著高于纹荚相思林（P<0.05），前2个树种土壤碳含量未达到差异显著水平（P>0.05）。在20～40 cm土层，6个植被类型土壤碳含量高低表现为卷荚相思>木麻黄>巨尾桉>肯氏相思>厚荚相思>纹荚相思，卷荚相思林土壤碳含量显著大于纹荚相思林。

在0～10 cm土层，与对照林（木麻黄林）相比，仅纹荚相思林土壤碳含量大于对照样地，但差异未达到显著水平（P>0.05），巨尾桉林和厚荚相思林土壤碳含量均显著低于木麻黄林（P<0.05），肯氏相思林和卷荚相思林与对照样地相比，土壤碳含量也均降低。在10～20 cm土层，对照样地的土壤碳含量最高，显著大于纹荚相思林和肯氏相思林。在20～40 cm 土层，仅卷荚相思林地土壤碳含量高于对照样地，其他树种林地土壤碳含量均低于对照样地。在40～60 cm土层，6个植被类型土壤碳含量之间均无显著差异（P>0.05）。

6个植被类型土壤碳含量均在0～10 cm最高，均显著高于其他的土层（P<0.05），其他3个土层的碳含量之间的差异未达到显著水平（P>0.05）。

2.2 不同树种不同土壤层的氮含量

由表3可知，在0～10 cm土层，6个植被类型土壤氮含量高低表现为纹荚相思>卷荚相思>木麻黄>肯氏相思>厚荚相思>巨尾桉，其中纹荚相思林、卷荚相思林、木麻黄林、肯氏相思林、厚荚相思林、巨尾桉林在0～10 cm土层氮含量占0～60 cm氮含量的55.49%、46.00%、44.48%、45.04%、39.33%、39.30%。在0～10 cm土层，纹荚相思林土壤氮含量显著高于除卷荚相思外的其他几个树种（P<0.05），肯氏相思林土壤氮含量与木麻黄林、巨尾桉林及厚荚相思林的差异未達到显著水平（P>0.05）。在10～20 cm土层，厚荚相思林与卷荚相思林土壤氮含量显著高于其他几个树种（P<0.05），厚荚相思林与卷荚相思林土壤氮含量差异未达到显著水平（P>0.05）;巨尾桉林、肯氏相思林土壤氮含量之间差异也未达到显著水平。在20～40 cm土层，木麻黄林土壤氮含量最高，为76.2 mg/kg，纹荚相思林含量最低，为 55.9 mg/kg，其他几个树种土壤氮含量之间差异未达到显著水平（P>0.05）。

在0～10 cm土层，纹荚相思林与卷荚相思林土壤氮含量高于对照样地，其他样地均低于对照样地;在10～20 cm土层，厚荚相思与卷荚相思林土壤氮含量高于对照样地，其他样地均低于对照样地;在20～60 cm土层，木麻黄林土壤氮含量均高于其他林地。但在40～60 cm土层，6个植被类型土壤氮含量之间均无显著差异（P>0.05）。

6个植被类型土壤氮含量与碳含量表现一样，均在0～10 cm 土层最高，显著高于其他土层（P<0.05），其他3个土层氮含量之间的差异未达到显著水平（P>0.05）。

2.3 不同树种不同土壤层的盐基阳离子剖面特征

从表4可以看出，不同树种在不同土壤层的盐基阳离子含量各不相同，但变化规律并不明显。其中Ca2+、Na+含量远高于Mg2+含量，Na+含量最高，在5.49～22.78 g/kg之间;其次为Ca2+含量，在3.81～9.58 g/kg之间;Mg2+含量最低，在 0.21～1.76 g/kg之间;但是作为土壤层最活跃的0～10 cm土壤层，纹荚相思交换性Na+和交换性Ca2+的含量皆高于其他树种，其交换性Na+含量为0.23 g/kg，肯氏相思次之，交换性Na+含量为0.18 g/kg。纹荚相思交换性Ca2+含量为 0.11 g/kg，木麻黄和卷荚相思次之，交换性Ca2+含量皆为 0.10 g/kg。在土壤层次相同的所有树种中，交换性Mg2+含量差异不明显。在10～20、20～40、40～60 cm土壤样层中，各树种的盐基阳离子差异较大，规律不尽明显。

2.4 各盐基离子对土壤碳、氮含量的影响

通过碳、氮含量与各盐基阳离子的逐步回归分析，滨海沙地的碳、氮含量与交换性镁含量呈负相关（图1），土壤碳含量与各盐基主要阳离子回归方程：y=4 126-47 274x，式中：y为土壤全碳含量，mg/kg;x为交换性镁含量，g/kg;r2=0.57，P<0.001，F=107.9，n=84。土壤氮含量与各盐基主要阳离子回归方程：y=324.05-3 338.8x，式中：y为土壤全氮含量，mg/kg;x为交换性镁含量，g/kg;r2=0.62，P<0.001，F=135.2，n=84。

3 讨论与结论

土壤有机碳和氮素不仅是土壤的重要组成部分，而且是生态系统中极其重要的生态因子，因而一直倍受生态学、土壤学等多个学科的关注[15]。森林生态系统的碳、氮循环过程是土壤、植物和微生物之间相互作用的一个过程，森林土壤的碳、氮转化过程也受土壤微生物群落结构组成及多样性的影响[16-17]。土壤有机碳、氮含量主要受动植物残体、凋落物、植物根系、降水、微生物分解作用以及树种等的影响，并且在一定程度上，土壤氮素的水平也会影响土壤中有机碳的含量[18]。本研究表明，不同植被类型在同一土层碳、氮含量均不相同。有相关研究报道，第一性生产通过输入枯死物直接影响土壤有机质，地上植被的生物量和物种组成对土壤特性都有影响[19-22]。由于本研究对象是不同的植被类型，产生不同种类的凋落物，且凋落物分解程度也不一样，因此输入土壤中的碳氮量将会不一样，导致不同植被类型土壤碳、氮含量不一样，其中纹荚相思在0～10 cm土壤层的碳、氮含量都最高，因此，纹荚相思可能是木麻黄二代林地最为理想的轮作与替代树种，但从纹荚相思的生长指标来看，生长状况并不是最好的，这有待进一步的研究。

土壤碳、氮含量在土壤剖面上具有相同的垂直分布特征，即随着土层深度的增加而减少，但是不同土层碳、氮含量差别较大。本研究结果显示，在土层0～10 cm，土壤碳、氮含量最高且变化较大;在土层10～20、20～40 cm，土壤碳、氮含量逐渐变小，且变化较小;在土层40～60 cm，6个植被类型土壤碳、氮含量之间均无显著差异（P>0.05），该结果与大多数结论[23-25]一致，但与单贵莲等的研究结果[26-28]不同。由于林分地表凋落物的分解，以致大量碳氮元素输入到土壤中，在 0～10 cm土层，碳、氮含量最高。因为植物根系具有向地性，随着根系不断地向地心引力方向生长，深层土壤的营养元素被吸收同化从而导致地表凋落物分解补充减少。所以，随着土层深度的增加，土壤碳氮含量表现为下降趋势。同时，这也给大家一个启示：要继续开展林分凋落物及养分循环方面的研究，进一步探索不同固氮树种对木麻黄迹地的更新效果。

土壤高含盐量一直是影响沿海沙地植物生长分布的主要因子之一。目前有关盐基阳离子对海边植物的影响多集中在滩涂地，且盐基阳离子对滩涂植物生长、生存和生物多样性的影响多数集中在土壤Na+上，不同区域滨海滩涂盐基离子组成存在较大差异，导致其沿海沙地的盐基阳离子也存在较大差异[29]。但本研究发现，滨海沙地的碳、氮含量是由交换性Mg2+含量决定的，这与前人的研究结果[30-31]不尽相同，有待进一步研究。

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