关帝山不同林龄华北落叶松人工林土壤化学计量特征及土壤理化性质分析

王平安，任旭明，薄夫京，张芸香，郭晋平

（1.山西农业大学林学院，山西太谷030801；2.北方功能油料树种培育与研发山西省重点实验室，山西太谷030801）

土壤作为植物生长的载体和所需养分的主要 来源，对植物的生长起着举足轻重的作用。土壤理化性质反映了土壤为植物生长发育供应、协调营养元素（水分和养分）的能力。而土壤生态化学计量特征可在一定程度上反映土壤中主要元素对植物生长的限制状况。目前，对土壤理化性质及生态化学计量特征研究主要集中在不同海拔[1-3]、不同林分密度[4-5]、不同林龄[6-11]、不同林型[12-13]、不同类型生态系统[1，3，14-20]方面。刘杰等[7]对河北塞罕坝林场不同林龄的华北落叶松人工林进行研究，结果表明，中龄林阶段土壤质量最好，林分质量最高。张芸等[9]对福建三明莘口林场不同林龄杉木人工林研究发现，发育到近熟林时林下土壤物理-水分条件逐渐恶化。邱新彩等[6]对北京延庆区不同林龄油松人工林研究表明，北京地区油松人工成熟林土壤通气透水性和养分状况更好。由此可见，不同研究区域不同林分类型在不同的生长阶段，其林下土壤的理化性质存在差异性。且对于特定的研究区域，影响土壤生态化学计量特征的主要土壤理化性质存在差异，如土壤含水量和容重是影响茂兰喀斯特自然保护区森林土壤和塔里木盆地北缘土壤主要元素含量及其化学计量比的重要因子[21-22]，土壤pH、容重是影响木麻黄下土壤C、N、P化学计量特征的主要影响因子[23]。

本研究以关帝山不同林龄华北落叶松人工林下土壤为对象，阐明关帝山不同林龄华北落叶松人工林下土壤质量优劣，并阐明影响土壤生态化学计量特征的主要土壤理化性质，以期为关帝山华北落叶松人工林下土壤养分循环机制研究奠定基础，为华北落叶松人工林近自然经营和质量提升提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西省西部吕梁山脉中段的关帝山林区，地理坐标为37°20′～38°20′N，110°18′～111°18′E。区域气候为暖温带大陆性山地气候，年均温4.3℃，年均降水量822.6 mm，年均相对湿度70.9%。

1.2 试验方法

2018年7月和2019年7月，在庞泉沟国家级自然保护区的神尾沟和孝文山林场的社堂沟、野沙沟，选取林龄分别为11、25、35、45 a的华北落叶松人工林，要求样地的海拔范围控制在2 000～2 220 m、坡向为阴坡和半阴坡、坡度在16°～26°、坡位从中下部到中上部，立地条件基本一致，林相整齐未受破坏，在每个林龄的不同林分中设置面积为20 m×20 m的重复样地3、5、9、3块，4个林龄共设样地20块。林内混交有少数白桦（Betula platyphlla）、辽东栎（Quercus liaotungensis），林下灌木树种主要有绣线菊（Spiraea salicifolia）、黄刺玫（Rosa xanthina）等，草本植物主要有苔草（Carex spp.）、茅草（Imperata cylindrica）、早熟禾（Poa annua L.）、小红菊（Dendranthema chanetii）等。样地具体情况列于表1。

表1 样地概况

在每个样地内随机取3个样点，先剥掉凋落物层（包括未分解和半分解）到露出腐殖质层，用土钻分0～10、10～20、20～30 cm3层取样，每层3个样点的土样混合为此层的混合土壤样品，按四分法取500 g土样装入自封袋，共60个土壤样品，用于测定土壤总碳、总氮、总磷、硝态氮、铵态氮、速效磷、pH等指标。同时在样地内随机挖3个土壤剖面，分3层（0～10、10～20、20～30 cm）用环刀采集原状土，共180份土壤样品，用于测定土壤含水率、容重等指标。

土壤样品分别装入塑料自封袋，做好记录、贴好标签，带回实验室待测。

1.3 测定指标及方法

土壤样品在室内风干，2 mm孔径过筛，去除根系、石块等杂质，研磨后过0.149 mm筛，装袋待测。土壤样品总碳含量用TOC分析仪（multi N/C 2100分析仪，德国耶拿）测定；总氮含量采用凯氏定氮法测定；土壤总磷含量采用浓硫酸-高氯酸消煮结合钼锑抗比色法测定。土壤pH采用酸度计法测定；土壤铵态氮使用2 mol/L氯化钾浸提-靓酚蓝比色法测定；土壤硝态氮采用酚二磺酸比色法测定；土壤速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定。土壤含水率采用称重法测定，容重采用环刀法测定。

土壤含水率＝（土壤鲜质量-土壤烘干质量）/

1.4 数据处理及分析

采用SPSS 19.0的单因素方差分析（One-way ANOVAs）分析不同林龄华北落叶松人工林下土壤C、N、P含量及其化学计量比、理化性质的林龄和土层差异，显著性水平设为0.05；如果组间方差齐则用Duncan法进行两两比较，如果组间方差不齐则用Tamhane's T2法进行两两比较。采用SPSS19.0主成分分析法分析并计算各林龄林下土壤质量得分。采用Canoco 5软件分析影响土壤C、N、P含量及化学计量比的主要土壤理化因子。

2 结果与分析

2.1 不同林龄华北落叶松人工林土壤生态化学计量特征分析

各林龄华北落叶松人工林下土壤各层C、N、P含量及C/P、N/P、C/N（11 a除外）均有随土层深度增大而减小的趋势。各林龄华北落叶松人工林土壤各层C、N含量及C/P、N/P均随林龄增大呈先增大后减小的趋势；P含量随林龄增大呈增大趋势，C/N随林龄增大呈减小趋势。其中，C、N含量及C/N、C/P、N/P在各林龄间差异都显著。与11 a华北落叶松人工林相比，35 a华北落叶松人工林土壤总碳、总氮均值分别增加了108.23%和420.00%（表2）。

表2 不同林龄华北落叶松人工林不同土层C、N、P含量比较

2.2 不同林龄华北落叶松人工林土壤理化性质分析

各林龄华北落叶松人工林土壤含水率、总孔隙度、通气度（35 a除外）、硝态氮、速效磷、铵态氮均随土层深度增加呈减小的趋势，土壤容重、pH值均随土层深度增加呈增加的趋势。其中，各林龄华北落叶松人工林土壤各层含水率、总孔隙度、硝态氮、速效磷均随林龄增大呈先增大后减小的趋势，土壤各层pH值、容重均随林龄增大呈先减小后增大的变化趋势；土壤各层通气度、铵态氮均随林龄增大而增大。各林龄所有土壤理化性质间差异均显著。与11 a华北落叶松人工林相比，35 a华北落叶松人工林下土壤含水率、总孔隙度、速效磷均值分别增加86.71%、32.74%、58.85%，土壤容重、pH值分别下降了29.71%、24.49%（表3）。

2.3 华北落叶松人工林土壤质量评价

采用土壤总碳、总氮、总磷、含水率、容重、通气度、总孔隙度、pH、铵态氮、硝态氮、速效磷等11个指标构建评价体系，通过主成分分析对关帝山林区不同林龄华北落叶松人工林土壤质量进行评价。首先，对0～10、10～20、20～30 cm土壤的11个指标进行KMO和Bartlett球形检验，10～20、20～30 cm结果分别为0.491、0.513，均小于0.6，0～10 cm结果为0.697＞0.6，因此，选取0～10 cm土壤数据进行主成分分析。对不同林龄华北落叶松人工林0～10cm土层土壤指标进行主成分分析，提取出4个主成分，且4个主成分的累计贡献率为90.77%，特征值＞1，因此，提取的4个主成分可用于关帝山林区不同林龄华北落叶松人工林土壤质量评价（表4）。

表3 不同林龄华北落叶松人工林不同土层土壤理化性质比较

表4 不同林龄华北落叶松人工林0～10 cm土层土壤指标主成分分析

由表5可知，各主成分与土壤指标的表达式为：FAC1_1＝0.16×总碳＋0.17×总氮＋0.06×总磷＋0.06×含水率-0.16×容重＋0.16×通气度＋0.07×总孔隙度-0.16×pH＋0.13×铵态氮＋0.03×硝态氮＋0.13×速效磷；FAC2_1＝0.01×总碳＋0.02×总氮-0.17×总磷＋0.34×含水率＋0.10×容重-0.10×通气度-0.35×总孔隙度-0.08×pH-0.03×铵态氮＋0.29×硝态氮＋0.18×速效磷；FAC3_1＝-0.19×总碳-0.14×总氮＋0.29×总磷-0.37×含水率＋0.20×容重-0.20×通气度＋0.13×总孔隙度＋0.05×pH＋0.50×铵态氮＋0.46×硝态氮＋0.39×速效磷；FAC4_1＝0.21×总碳＋0.15×总氮＋0.76×总磷＋0.18×含水率＋0.25×容重-0.24×通气度-0.32×总孔隙度＋0.00×pH＋0.02×铵态氮-0.31×硝态氮-0.05×速效磷。式中，总碳、总氮等11个指标均为经过标准 化 变 换 后 的 标 准 变 量；FCA1_1、FAC2_1、FAC3_1、FAC4_1分别表示各主成分的因子得分。

表5 成分得分系数矩阵

根据成分系数得分矩阵，主成分1主要反映了总碳、总氮、容重、通气性、pH；主成分2主要反映了含水率、总孔隙度；主成分3主要反映了铵态氮、硝态氮、速效磷；主成分4主要反映了总磷。

根据表达式：综合得分＝5.55×主成分1/（5.55＋2.41＋1.02＋1.00）＋2.41×主成分2/（5.55＋2.41＋1.02＋1.00）＋1.02×主成分3/（5.55＋2.41＋1.02＋1.00）＋1.00×主成分4/（5.55＋2.41＋1.02＋1.00），计算综合得分。由于每个林龄样地重复数分别为3、5、9、3。因此，根据每个林龄的重复数计算此林龄的平均得分值作为此林龄的土壤质量得分值。结果表明，关帝山林区不同林龄华北落叶松人工林土壤质量综合得分排名为35 a＞25 a＞45 a＞11 a（表6）。

2.4 华北落叶松人工林土壤生态化学计量特征与理化性质关系分析

对土壤C、N、P含量及计量比与土壤其他理化性质进行冗余分析，根据向前选择的结果，排除土壤总孔隙度、通气度因子，选择土壤含水量、容重、硝态氮、铵态氮、速效磷、pH为解释变量，对响应变量土壤C、N、P含量及计量比进行解释。由表7可知，土壤C、N、P含量及计量比在前2个排序轴的解释量分别为57.19%、4.18%，累计解释量为61.37%。前2个排序轴对土壤C、N、P含量及计量比与其他理化因子关系累计解释量达99.17%，表明第1轴、第2轴可以很好地反映土壤C、N、P含量及计量比与其他理化因子的关系，第1轴的土壤C、N、P含量及计量比与其他理化因子关系累计解释量达92.42%，表明第1轴在对土壤C、N、P含量及计量比与其他理化因子关系解释中起主要作用。

表6 不同林龄华北落叶松人工林土壤质量综合得分

表7 土壤C、N、P含量及其计量比的变化解释量冗余分析

对土壤理化因子与排序轴的相关关系分析表明，土壤容重与第1轴的相关系数最大，其次是土壤pH和土壤速效磷、含水量；第2轴主要反映了土壤铵态氮的影响；第3轴和第4轴主要反映土壤硝态氮的影响（表8）。

表8 理化因子与排序轴的相关关系分析

由图1可知，土壤pH和土壤容重的箭头连线较长，对土壤C、N、P含量及计量比的解释量大；土壤pH、容重与土壤C/N呈正相关，与土壤C、N、P含量及C/P、N/P都呈负相关；土壤含水量与土壤P含量、C/N呈负相关，与土壤C、N含量及C/P、N/P呈正相关；土壤速效磷、铵态氮与土壤C/N呈负相关，与土壤C、N、P含量及C/P、N/P呈正相关；土壤硝态氮与土壤C/N、P含量呈负相关，与土壤C、N含量及C/P、N/P都呈正相关。

蒙特卡罗置换检验结果表明，土壤pH、容重、速效磷、含水量、铵态氮、硝态氮对土壤C、N、P含量及计量比的影响逐渐减小；土壤pH（P＝0.002＜0.01）、容重（P＝0.004＜0.01）对土壤C、N、P含量及计量比的影响极显著，所占解释量分别为44.8%、43.7%，土壤速效磷（P＝0.018）和含水量（P＝0.044）、铵态氮（P＝0.318）、硝态氮（P＝0.368）的所占解释量分别为27.1%、19.8%、5.7%、5.1%，对土壤C、N、P含量及计量比无显著影响（表9）。

表9 理化环境因子解释的重要性排序和显著性检验结果

3 讨论

3.1 不同林龄华北落叶松人工林土壤生态化学计量特征及理化性质

本研究中同一林龄土壤含水率、总孔隙度、通气度、硝态氮、铵态氮、速效磷、总碳、总氮、总磷均随土壤深度的增加而下降，土壤容重、pH随土层加深而增加，钱旭等[24]、魏新等[25]、武慧君等[26]、郭爽等[27]、邱新彩等[6]的研究也得出一致结果。

吴晋霞等[28]、王彦武等[29]、李际平等[30]的研究表明，土壤容重随林龄增加呈先减小后增大。这与本研究得出的结果一致。近熟林时期土壤容重小、总孔隙度大、含水率高，表明近熟林时期土壤疏松，孔隙度大，储水能力强。这是由于近熟林时期土壤扎根深所致。土壤扎根越深，越有利于土壤养分的吸收，这也导致近熟林时期土壤总碳、总氮、硝态氮、速效磷含量最高。近熟林时期土壤pH最小，表明此时土壤中积累了大量的酸性物质，这是由于近熟林时期林分郁闭度大，林内光照条件差，大量凋落物积累，分解产生大量酸性成分，在分解过程当中产生大量酸性物质积累于土壤表层。同时近熟林时凋落物厚度大[31]，减少了水分的蒸散，使得近熟林时期土壤水分含量高。

各林龄华北落叶松人工林C/N随林龄增大而减小，这是由于虽然土壤总碳和总氮的变化趋势一致，但土壤总碳的变化趋势滞后于土壤总氮的变化趋势。本研究表明，土壤各层C/P、N/P均有随林龄增大呈先增大后减小的趋势。汪宗飞等[32]对黄土高原子午岭地区油松人工林土壤生态化学计量特征研究发现，土壤C/P、N/P随林龄增加而增加。陆媛等[33]对黄土高原子午岭地区不同林龄辽东栎林土壤生态化学计量特征研究发现，土壤C/P先增加后减小，N/P无显著性差异。淑敏等[34]对科尔沁引种的不同林龄樟子松研究发现，土壤C/P先减小后增加，N/P无显著性差异。本研究认为，近熟林时期土壤C/P、N/P最高，这可能是由于研究树种及研究区域不同所造成的。

3.2 关帝山华北落叶松人工林土壤质量综合评价

关帝山林区不同林龄华北落叶松人工林土壤质量综合得分排名为：35 a＞25 a＞45 a＞11 a。从幼龄林到近熟林，土壤质量上升，从近熟林到成熟林阶段，土壤质量下降。这是由于在近熟林之前，随着林龄的增长，总碳、总氮、总磷、含水率、通气度、总孔隙度逐渐增加，养分含量增加；近熟林到成熟林阶段，总碳、总氮、总磷、含水率、总孔隙度减小，养分含量减小，且与华北落叶松人工幼林相比，近熟林土壤总碳、总氮、含水率、总孔隙度、速效磷均值分别增加了108.23%、420.00%、86.71%、32.74%、58.85%，土壤容重、pH均值分别下降了29.71%、24.49%。这也说明了近熟林时期土壤理化性状都得到较大改善，土壤质量最好。纪文婧等[35]对太岳山不同林龄华北落叶松人工林的研究中指出，幼龄林和成熟林时期，华北落叶松人工林的生物量、营养元素积累量和年存留量较低，这也是幼龄林和成熟林土壤质量低的原因之一。张希彪等[36]对黄土丘陵区人工油松林研究得出，随林龄的增加，人工油松林到达成熟期，养分的周转期长，归还给林地的养分速率慢，更多的关注自身的生长，更多的消耗林地的养分，成熟期时林地土壤质量低，这与本研究的结果一致。所以，华北落叶松人工林处于高林龄时期，应进行人为干预，改善林内微生境，提升土壤质量。

3.3 影响华北落叶松人工林土壤C、N、P含量及计量特征的主要土壤理化性质

各土层土壤容重和pH均对土壤的C、N、P含量及计量特征有极显著影响。土壤pH作为土壤酸碱性的重要指标，对土壤微生物的活性有重要影响，间接对土壤的养分产生影响[37]。各层土壤pH与对应层土壤C/N呈正相关，与C、N、P含量及C/P、N/P都呈负相关。随着土壤pH的增加，土壤中微生物活动及土壤酶活性受限，土壤C、N、P含量减少。土壤容重是土壤紧实程度的重要指标，容重越小，越有利于根系下扎，吸收养分[38-39]。土壤容重与土壤C/N呈正相关，与C、N含量及C/P、N/P都呈负相关。随着土壤容重的增大，土壤越紧实，根系下扎越困难，吸收养分越艰难，因此，土壤C、N含量减小。钟春柳等[23]研究认为，土壤容重、pH是影响C、N、P生态化学计量特征的重要因子，与本研究的结果一致。张蕊等[40]在对祁连山草混植被的研究中得出，土壤容重、含水率对土壤生态化学计量特征有重要影响，与本研究的结果相似。土壤含水率对土壤生态化学计量特征有很大影响，是因为其研究区祁连山北坡属于温带干旱气候，降水量少，因而，土壤含水率成为影响生态化学计量特征的一个重要影响因素[40]。本研究区属温带大陆性气候，降水丰沛，土壤含水率未成为影响土壤生态化学计量特征的重要影响因素。因此，关帝山林区华北落叶松人工林土壤pH和容重成为驱动土壤C、N、P含量及计量特征变化的主要因子。

4 结论

本研究结果表明，各林龄华北落叶松人工林土壤各层C、N含量及C/P、N/P、含水率、总孔隙度、硝态氮、速效磷均随林龄增大呈先增大后减小的趋势，pH、容重随林龄增大呈先减小后增大的变化趋势；P含量、通气度、铵态氮随林龄增大而增大，C/N随林龄增大呈减少趋势。对关帝山林区11、25、35、45 a华北落叶松人工林土壤质量进行评价，其土壤质量得分分别为-2.94、0.38、0.70、0.22，其中，35 a林下土壤质量综合评分最高。土壤pH和容重对土壤的C、N、P含量及化学计量比有极显著影响。关帝山林区华北落叶松人工林在近熟林阶段的土壤质量最好，且土壤pH和容重是驱动土壤C、N、P含量及计量特征变化的主要因子。