章古台地区樟子松人工林土壤养分变化规律

刘建华，孙海红

(1.辽宁省沙地治理与利用研究所，辽宁 阜新 123000；2.辽宁章古台科尔沁沙地生态系统国家定位观测研究站，辽宁 阜新 123000)

森林土壤作为森林生态系统的重要组成部分为林木的生长提供了大量养分，同时，林木的生长发育及凋落物的归还也影响着土壤的理化性质[1-2]。随着林龄的增加，森林生态系统的结构组成、内部环境及土壤性质均会发生变化，养分分配格局发生变化，进而影响林木生长[3]。因此，系统地分析不同林龄土壤养分含量变化规律[4]，有助于进一步了解林分的物质能量循环过程及环境变化对林分生长具有重要意义。

樟子松Pinussylvestrisvar.mongolica为常绿乔木，具有极强的耐干旱瘠薄、耐寒特性，是我国北方风沙地区主要针叶造林树种[5]。1955年辽宁省沙地治理与利用研究所将樟子松引种至科尔沁沙地南部章古台地区进行造林试验，并获得成功，建起了我国第一片樟子松引种固沙林。从20世纪90年代开始，章古台地区部分樟子松人工林出现了衰退现象，随后在辽宁的其他引种地区以及河北、吉林等地也出现了类似的情况[6-7]。为此相关学者从各方面对樟子松人工林的衰退进行研究，主要集中在其生长规律和营林造林等方面，而从樟子松人工林土壤养分及其随林龄变化等方面的研究较少。为了揭示樟子松人工林在生长过程中土壤性质的变化规律和机理，探讨不同林龄与土壤间的相互关系和影响，本文以章古台地区樟子松人工林为研究对象，研究不同林龄(9a、19a、27a、38a、47a)、不同土层深度(0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm)的土壤养分状况及变化规律，分析土壤养分含量与樟子松衰退的关系，以期为章古台地区樟子松人工林的可持续经营提供理论依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于科尔沁沙地东南缘彰武县北部章古台镇(42°43′～42°51′N，121°53′～122°22′E)，属于暖温带半干旱湿润气候区，主要气候特点是干旱多风，年降水量 450～550 mm，年蒸发量是降水量的3倍，属典型的半干旱大陆性季风气候。该地区侵蚀性风力集中，瞬间最大风速可达 32 m·s-1。土壤以风沙土为主，1955年开始营建樟子松人工林，除营林干扰外，人为干扰来自樵采和放牧。

1.2 样地设置与土壤样品采集

经过现场勘查，采用空间替代时间法，在章古台地区选择立地条件相似的9a、19a、27a、38a、47a共5个林龄的樟子松人工林为研究对象，各样地基本情况见表1。

表1 章古台地区不同林龄樟子松人工林基本情况

在样地内按“S”字形选取10个点，按不同土层深度(0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm)进行取样，四分法舍取，取土量约1 kg，阴干后备用。

1.3 土壤养分测定

土壤有机质采用水合热重铬酸钾氧化-容量法(鲁如坤，1999)；全氮测定采用H2SO4-加速剂消煮半微量凯氏定氮法；速效氮测定采用1.0 mol·L-1NaOH碱解扩散法；全磷测定采用NaOH熔融-钼锑抗比色法；速效磷测定采用NaHCO3-钼锑抗比色法。全钾测定采用NaOH熔融-火焰光度法；速效钾测定采用1.0 mol·L-1NH4OAc浸提-火焰光度法(鲍士旦，1999)。3次重复。

1.4 数据处理

数据处理和绘图采用Excle 2003，数据统计分析及单因素方差分析使用SPSS 17.0。

2 结果与分析

2.1 樟子松人工林不同林龄土壤有机质含量变化规律

有机质含量是影响樟子松人工林生长的重要指标之一，是植物生长所需养分的重要来源[8-10]，并能改善土壤结构和其他理化性质。不同土层深度的樟子松人工林土壤有机质含量0.207 32～10.826 80 g·kg-1，由图1可知，各林龄樟子松人工林有机质主要集中在土层0～10 cm，说明樟子松人工林对土壤有机质具有“表聚效应”，有机质的含量呈现明显的层次性，随土层深度的增加呈下降趋势。0～10 cm土壤有机质含量随营建年限增加呈现先升高后逐渐降低的趋势，在9～27 a显著升高，27 a达到最高值，38～47 a逐渐降低。

注：不同字母分别表示同一林龄不同土层间差异显著(P<0.05)。

2.2 樟子松人工林不同林龄土壤养分含量

2.2.1 不同林龄土壤中氮元素含量变化规律

氮是植物生长不可缺少的矿质元素，只有从土壤中获取充足的氮元素，植物才能正常的生长[11]。通过对樟子松人工林土壤全氮和速效氮含量统计发现(图2、3)：林龄和土层深度对樟子松人工林土壤氮元素含量具有显著影响。随着林龄的增长呈现先升高后降低的趋势，其中全氮在27 a时达到最高值0.71 g·kg-1，速效氮含量在林龄为38 a时最高14.45 mg·kg-1。随着土层深度的增加，全氮和速效氮含量逐渐降低。在表层土壤中，全氮含量27a>38a>19a>47a>9a，19～38a显著高于9a和47a，且随着土层深度的增加19～38a含量趋近相同。在表层土壤中，速效氮含量38a>27a>47a>19a>9a，27～38a显著高于其他林龄，且随着土层深度的增加，不同林龄土壤速效氮含量差异逐渐减小。

图2 樟子松人工林不同林龄土壤全氮含量变化

图3 樟子松人工林不同林龄土壤速效氮含量变化

2.2.2 不同林龄土壤中磷元素含量变化规律

由图4、5可以看出，不同林龄和土层深度对樟子松人工林土壤磷元素含量具有显著影响。随着林龄的增长全磷和速效磷含量都呈现先升高后降低的趋势，土壤中全磷含量为0.062～0.213 g·kg-1，速效磷含量为2.91～6.13 mg·kg-1，且都在19 a时达到最大值。在0～10 cm表层土壤中，全磷和速效磷含量在19 a时显著高于其他林龄。在10～80 cm土层，随着土层深度的增加，不同林龄全磷和速效磷含量逐渐降低，且不同林龄间的差异逐渐减小。

图4 樟子松人工林不同林龄土壤全磷含量变化

2.2.3 不同林龄土壤中钾元素含量变化规律

不同林龄樟子松人工林的全钾和速效钾含量在土壤表层具有显著差异，由图6、7可以看出，土壤中钾元素随着林龄的增长呈现先升高后降低的趋势，其中全钾含量在19a时达到峰值24.2 g·kg-1，显著高于其他林龄，速效钾含量在林龄27a时达到峰值58.43 mg·kg-1，不同林龄之间差异显著。随着土层深度的加深，不同林龄土壤全钾和速效钾含量都呈现逐渐降低的趋势，其中47a土壤中全钾和速效钾含量始终保持较低水平。

图5 樟子松人工林不同林龄土壤速效磷含量变化

图6 樟子松人工林不同林龄土壤全钾含量变化

图7 樟子松人工林不同林龄土壤速效钾含量变化

3 讨论与结论

3.1 讨 论

通过对章古台地区樟子松人工林林下土壤养分的测定和研究发现，有机质、氮、磷、钾等养分存在“表聚效应”，0～10 cm土层土壤养分含量显著高于其他土层，且随着土层深度的增加，养分含量逐渐下降，这与王凯等的研究结果相似[12-13]。造成这种现象的原因一方面是樟子松和林下植被通过凋落物归还的养分都积聚在表层所致。另一方面樟子松作为浅根性树种，根系庞大且分布在表层土壤中，而大多数研究表明[14]，植物根际土壤养分高于非根际土壤，导致樟子松人工林林下土壤养分更多地富集在表层。随着林龄的增加，樟子松土壤养分的含量呈现先上升后下降的趋势，其中土壤有机质、全氮、速效钾、速效氮在幼龄林、中龄林阶段呈现上升趋势，这与苏芳莉等[15]对章古台地区樟子松人工林土壤研究结果相似。27a时(近熟林以后)樟子松人工林林下土壤有机质、全氮、速效钾含量最高，38a时已经开始下降，这与宋晓东[16-17]等的研究结果相同，说明樟子松人工林有改良土壤的作用，近熟林时最佳。磷作为促进植物能量转换的重要物质，对提高松树养分的吸收能力有重要作用[18]。全磷和速效磷19a时含量最高，这一结果与赵琼等对沙地樟子松人工林土壤磷库的研究结果一致[19]，在27a时开始下降。从以前的研究结果看，樟子松人工林的退化多出现在30年左右，因此磷元素的降低可能是樟子松人工林衰退的重要标志。有机质、全氮、速效钾、速效氮含量下降时期与樟子松人工林退化的时期相吻合，而钾元素在章古台地区含量丰富，不会引起樟子松人工林退化，因此有必要对有机质与氮元素含量对樟子松人工林衰退的影响进行深入研究。

3.2 结 论

通过研究发现章古台地区樟子松人工林林下土壤养分主要聚集在表层，养分含量随土壤深度的增加而递减。同时随着林龄增加呈先升高后降低的变化趋势，其中27a时土壤有机质、全氮、速效钾含量最高，38a时土壤中速效氮含量最高，19a时土壤速效磷和全磷含量最高。分析认为沙地樟子松人工林在30a以后出现地力衰退的现象，在这一时期需要通过降低林分密度，将针叶纯林改造成针阔混交林，对林地进行中耕、采用农林复合经营等方式维护樟子松人工林地力，促进林分健康生长。