气候因子对辽宁省樟子松人工林土壤氮含量的影响

毛禹 雷泽勇 李宏伟 周凤艳 徐畅

摘要 [目的]揭示氣候对樟子松人工林土壤氮含量的影响。[方法]通过选择半干旱地区（辽宁省朝阳市、阜新市）和湿润地区（抚顺市、本溪市、大连市）生长的樟子松人工成熟林样地为研究对象（临近的原土地利用为对照），采集0～5、5～10、10～20、20～30、30～40 cm层的土壤样品，测定其氮、磷、有机碳、pH、含水率、土壤颗粒组成，研究土壤氮（全氮、碱解氮）随土层分布特征，并探讨土壤其他理化因子对土壤氮的影响。[结果]樟子松人工林地土壤氮含量随气候变化有显著不同，湿润地区土壤全氮增加，半干旱地区全氮含量降低;而土壤碱解氮含量在2类气候区均有所增加。土壤氮含量随土层分布方面，2类气候区的表层土壤氮变化高于其他土层。半干旱地区的5～10 cm土壤全氮、0～5 cm土壤碱解氮变化受土壤pH影响，5～10 cm土壤碱解氮变化受土壤速效磷影响;湿润地区的0～5、20～30 cm土壤全氮主要受土壤含水率的影响，而10～20 cm土壤全氮受土壤细颗粒影响。[结论]相比于辽宁省半干旱地区，湿润地区营建樟子松人工林更有利于土壤氮的积累，半干旱地区土壤氮素的积累则相对较慢。应该促进该地区林地枯落物的分解，以免樟子松的生长发育受到氮缺乏的限制，确保不同气候区的樟子松人工林的经营可持续化。

关键词 樟子松;土壤全氮;土壤pH;土壤含水率

中图分类号 S-718.5  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）22-0133-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.22.032

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Climate Factors on Soil Nitrogen Content of Pinus sylvestris var.mongolica Plantation in Liaoning Province

MAO Yu  LEI Ze-yong   LI Hong-wei3 et al （1.School of Environment，Liaoning Technical University，Fuxin， Liaoning 123000;2.Degenerate Land Ecological Governance Research Institute，Liaoning Technical University，Fuxin， Liaoning 123000;3.  Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project Construction Co.，Ltd.， Xian， Shaanxi 710000）

Abstract [Objective]To reveal the effects of climate on soil nitrogen of Pinus sylvestris var.mongolica plantation.[Method]The mature plantations of Pinus sylvestris var. mongolica growing in semi-arid areas （Chaoyang City， Fuxin City， Liaoning Province） and humid areas （Fushun City， Benxi City， Dalian City） were selected as the research objects （the adjacent original land use was used as the control）， and the soil samples of 0-  5-10， 10-20， 20-30，30-40 cm layers were collected to determine the nitrogen， phosphorus， organic carbon， pH， water content， and soil particle composition. The distribution characteristics of soil nitrogen （total nitrogen， alkali hydrolyzable nitrogen） and its changes with soil layer were studied， and the effects of other soil physical and chemical factors on soil nitrogen were discussed.[Result] The results showed that the change of soil nitrogen content of Pinus sylvestris var. mongolica plantation was significantly different with climate change， the total nitrogen content of soil increased in humid areas， and decreased in semi-arid areas;the content of soil alkali hydrolyzable nitrogen increased in both types of climate areas. In terms of the distribution of soil nitrogen content with soil layers， the variation of surface soil nitrogen in the two climatic zones was significantly higher than that in other soil layers. In semi-arid area， the changes of total nitrogen and alkali hydrolyzable nitrogen in 5-10 cm soil and 0-5 cm soil were affected by soil pH， and the changes of alkali hydrolyzable nitrogen in 5-10 cm  soil were affected by soil available phosphorus;in humid area， the changes of total nitrogen in 0-5 cm and 20-30 cm soil were mainly affected by soil moisture content， while the changes of total nitrogen in 10-20 cm soil were affected by soil fine particles.

[Conclusion]Compared with the semi-arid areas of Liaoning Province， the construction of Pinus sylvestris var. mongolica plantations in humid areas is more conducive to the accumulation of soil nitrogen， while the accumulation of soil nitrogen in semi-arid areas is relatively slow.It is necessary to promote the decomposition of forest litter in semi-arid areas， so as to avoid the limitation of nitrogen deficiency on the growth and development of Pinus sylvestris var. mongolica plantations in different climatic regions， and ensure the sustainable development of Pinus sylvestris var. mongolica plantations in different climatic regions.

Key words Pinus sylvestris var. mongolica;Soil total nitrogen;Soil pH;Soil water content

土壤为陆地生态系统中养分存储提供了一个必要空间。土壤养分含量不仅能够反映林地土壤质量高低，同时也能反映地表植被格局的真实变化[1]。氮作为陆地生态系统中植物体的基本组成元素[2]，对植物的生长发育和物质代谢等功能的发挥至关重要。其中，氮含量及其有效性能够限制植物体生长发育[3]。植物通过根系吸收土壤中的养分元素，并通过叶片的光合作用生产有机物质，分配到植物体的各个器官，用以维持生命活动。这些有机物质在衰老后部分以凋落物的形式归还土壤，从而完成氮素在生态系统中的循环过程[4]。而气候变化能够直接作用于生态系统，对土壤微生物、植物群落的初级生产力以及多样性造成影响，改变土壤理化性质而影响土壤生态环境[5]。从干旱生态系统到半湿润生态系统，降水会制约植物的生产力和凋落物的分解[6]，温度变化也会影响土壤有机氮的矿化作用[7]，两者影响土壤氮的收支平衡，进而影响土壤氮贮存。因此，探究不同气候条件下土壤氮的变化及影响因子对生态系统氮循环具有重要意义。

樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）是欧洲赤松（Pinus sylvestris）在远东地区的地理变种，具有耐干旱、耐瘠薄土壤的特性[8]。自1955年在辽宁省章古台地区成功固沙造林以来，樟子松被陆续推广到辽宁省其他地区，改善了当地生态环境，丰富了当地物种多样性，并推动了辽宁省不同气候区森林后备资源的发展[9]。目前国内外研究表明，樟子松的营建不仅能够改善沙地土壤氮的有效性[10]，还能够有效促进土壤氮的固定[11]，但樟子松人工林的生长始终受氮的限制[12]。然而，以往的研究集中于半干旱地区，而有关于湿润地区营建樟子松人工林后土壤氮的变化及影响因子鲜见报道。为了揭示湿润地区造林后土壤氮的变化与半干旱地区相似性，以及影响土壤氮变化因子的是否相同，該研究以辽宁省半干旱区、湿润区营建的樟子松林成熟林为样地对象，研究2类气候区土壤氮（全氮、碱解氮）及其随土层分布的变化特征，并探讨了土壤其他理化因子对土壤氮的影响，以揭示不同气候地区樟子松人工林对土壤氮素的动态影响，为气候变化条件下樟子松人工林经营提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验样地选择在半干旱地区[阜新市（彰武县、阜蒙县）、朝阳市（建平县、凌源市）]和湿润地区[辽宁本溪市（桓仁县）、抚顺市（清原县）、大连市（瓦房店市）]（图1）。样地基本信息见表1。

半干旱地区样地土壤主要类型为风砂土和褐土，属华北、蒙古植物区系，代表性植物有小白蒿、中华委陵、黄柳、中华隐子草、大果榆、胡枝子和蒺藜梗等[13]。

湿润地区样地土壤主要类型为山地棕色森林土[14]，属长白植物区系，代表性木本植物有红皮云杉、轮叶百合、单花鸢尾、长白茶、长白落叶松、大黄柳、东北山梅花、东北杏等。

1.2 试验地选择与土壤样品的采集

2018年7月，对上述研究区林地进行踏查，选择成熟的樟子松人工林（37～45 a）样地，样地大小为20 m×20 m，进行每木调查得到样地基本情况（表2）。依据调查选出标准木，距标准木1 m处挖掘100 cm×100 cm×40 cm的土壤剖面，用环刀（容积200 cm3）收集0～5、5～10、10～20、20～30、30～40 cm层的原状土，用于测定土壤容重和土壤孔隙度。同时在每个样地内随机选取5个样点，按上述固定土层分别采样，同时每个试验样地就近选择对照样地（造林前的土地利用样地为对照），按上述步骤采样，所有样品带回实验室处理。在实验室，将相同土层的土壤样品充分混匀，用四分法留取500 g样品，除去植物根系和石块等杂物，室温风干处理后粉碎过筛，用于氮、磷、有机碳、pH、含水率、土壤颗粒组成的测定。

1.3 土壤理化因子测定方法

土壤有机碳含量的测定采用重铬酸钾容量法-外加热法，土壤全氮含量的测定采用半微量开氏法，土壤碱解氮含量的测定采用碱解扩散法，土壤全磷含量的测定采用 NaOH 熔融-钼锑抗比色法，土壤速效磷含量的测定采用 NaHCO3 法，土壤含水率的测定采用烘干法，土壤机械组成采用激光粒度分析仪测定，土壤 pH 的测定采用电位法[15]。

1.4 数据处理与分析 按下式计算土壤理化因子变化量：

ΔXi=Xl-X0（1）

式中，ΔXi 为草地造林某土壤理化因子 i 的变化量;Xl为樟子松林地某土壤理化因子 i 的测定值;X0为相应对照样地某土壤理化因子 i 的测定值。

按下式计算土壤理化因子相对变化率：

Pi=ΔXiX0（2）

式中，ΔXi 为造林某土壤理化因子 i 的变化量;X0 为相应对照样地某土壤理化因子 i 的测定值;Pi为造林某土壤理化因子 i 的相对变化率。

将土壤氮（土壤全氮、碱解氮） 相对变化率分别作为因变量，其他影响因子相对变化率作为自变量进行逐步回归分析，同时排除各影响因子间共线性关系，得出土壤氮相对变化率回归方程：

PNi=β0+βiPi（3）

式中，PNi为草地造林各土壤氮的相对变化率;β0 为常数;Pi 为草地造林某土壤理化因子 i 的相对变化率;βi为草地造林某土壤理化因子i的回归系数。则土壤氮可以表示为

Ni=βiN0X0Xi+N0（1+β0-βi）（4）

式中，Ni 为草地造林土壤氮测定值;N0 为相应对照草地土壤氮的测定值。可见，土壤各氮相对变化率与其影响因子相对变化率的正负效应和土壤各养分因子与其相应的因子正负效应相同，但系数大小存在差异。

1.5 统计分析

运用 SPSS 20.0对上述计算的数据进行统计分析，对不同土层的土壤氮含量变化进行方差分析，判断土层对土壤氮含量变化的影响是否显著;运用最小二乘法（LSD） 检验方法进行多重比较分析，判断不同气候区土壤氮在垂直分布的差异性，显著水平为α= 0.05。利用逐步回归分析建立土壤理化因子变化率对土壤氮变化率影响的模型。在同一气候区内，以土壤氮的相对变化率为因变量，选择与土壤氮变化可能相关的土壤理化因子土壤有机碳、土壤全磷、土壤速效磷、土壤含水率、粒径>0.05 mm 的土壤细颗粒、粒径 0.05～0.25 mm 的土壤粗颗粒、土壤 pH的相对变化率为自变量，运用逐步回归分析对自变量进行删选，满足允许水平 P<0.05的变量进入模型。

2 结果与分析

2.1 不同气候地区樟子松林地土壤氮变化

由表3可知，营建樟子松人工林后，同一气候区内土壤全氮、土壤碱解氮的变化随土层增加无显著差异。与对照相比，营造樟子松人工林后，湿润区土壤全氮含量增加，且增量随土层深度增加而逐漸降低，而半干旱地区土壤全氮含量降低。土壤碱解氮在2个气候区比对照样地均有所增加，且半干旱地区碱解氮的增加量随土层深度增加而逐渐降低，但增量间差异不显著。

2.2 影响土壤氮变化的理化因子 由表4、5可知，半干旱地区营建樟子松人工林后，5～10 cm土壤全氮、0～5 cm土壤碱解氮变化与土壤pH呈显著负相关（P<0.05）;5～10 cm土壤碱解氮变化与土壤速效磷呈显著负相关（P<0.05）。湿润区营建樟子松人工林后，土壤含水率显著影响了0～5 cm土壤全氮含量的增加（P<0.05），极显著影响了20～30 cm土壤全氮的变化（P<0.01）;10～20 cm土壤全氮与土壤细颗粒呈显著正相关（P<0.05）。

3 讨论

3.1 气候变化对樟子松人工林地土壤氮变化的影响

营建樟子松人工林后，湿润地区土壤全氮含量增加，且增量随土层深度的增加而逐渐降低，而半干旱地区土壤全氮含量降低。研究表明，土壤中的氮素来源于大气的干湿沉降[16]、共生固氮、凋落物和土壤有机质的分解、岩石风化[17]。樟子松林分建立后，氮沉降和地上凋落物降解对表层土壤的氮贡献显著[18-20]。气候因子对氮库空间格局分布至关重要[21]，降水、温度等气候因子改变，影响着植被的生长[22]及凋落物的分解。半干旱地区缺乏水分，土壤贫瘠，因而所产生的凋落物较少。而与半干旱地区相比，湿润地区土壤肥沃，水热条件良好，森林生态系统具有较高的生产力，对应凋落物产量较高，对土壤氮的输入量呈现正面反应[23]，土壤中全氮含量也随之增加。另一方面，湿润地区引种的樟子松林，凋落物内部木质素含量较低，耐分解的化合物较少，易分解。土壤中酶和微生物活性[24]相对较高，土壤微生物群落可以通过产生纤维素酶、木质素降解酶、蛋白质酶直接参与凋落物的分解，提高了樟子松凋落物在土壤中的分解速率，从而加强土壤养分的周转[25]，也会使全氮含量增加。樟子松根系的分布随着土壤深度的增加而逐渐减少[26]，由此导致土壤全氮的分布随着土壤深度的增加而减少。

土壤碱解氮能反映土壤近期氮素供应情况，要保持在一定的水平，用以保证植物生长和微生物的生长。当碱解氮浓度低时，会加速有机氮的矿化分解，导致全氮降低;而当碱解氮浓度升高，在雨水的作用下易流失，导致土壤酸化。2个气候区相比于对照样地，土壤碱解氮均有所增加，这与樟子松人工林营建有关。孔涛等[27]对沙地樟子松的土壤养分研究及赵隽宇等[28]对广西松树人工林土壤养分研究也得到了相似结论。在辽宁省半干旱区、湿润区各研究样地营林后，均能够提升土壤的吸水保水能力，林地覆被程度较高，人为扰动的影响较少，相比于对照样地，樟子松林的营建使得地表枯落物堆积量及根系分泌物量增加[29]，供给量远大于植物自身消耗以及微生物的固定，从而导致各气候样地不同土层的碱解氮均有所增加。半干旱地区碱解氮的增加量随土层深度增加而逐渐降低，但增量间差异不显著。凋落物、植物根系及其分泌物在腐烂过程中形成养分元素，这些养分元素在表层土壤中进行聚集，随着土层深度的增加，土壤有养分含量逐渐减少，半干旱地区环境贫瘠，石漠化和水土流失严重[30]，土壤养分含量低，长期季节性土壤侵蚀和降雨淋溶现象，也会加剧不同土层中氮的不平衡分布[20]，从而导致土壤各土层增量差异不显著。

3.2 影响土壤氮变化的理化因子分析

在半干旱地区营建樟子松人工林后，5～10 cm土壤全氮、0～5 cm土壤碱解氮变化与土壤pH呈显著负相关，大多数土壤养分元素的有效性均会受到土壤pH的影响[31]，这与王晖等[32]研究结果一致。土壤酸性条件下，微生物的种类和数量均较少，微生物活性低（固定氮的能力随之降低），有机质分解缓慢，有机氮的矿化作用降低，因此，有机质含量与氮素含量密切相关。pH降低时，有机质含量升高，氮素含量也会随之增高[33];反之pH 升高，会增加土壤有机质的可溶性，会为土壤微生物提供充足的含碳、氮基团的物质，土壤有机氮的矿化得以促进[34]，从而导致氮素含量降低。5～10 cm土壤碱解氮变化与土壤速效磷呈显著负相关，这与于东伟等[11]的研究结果一致。氮素和磷素在土壤中转化过程中相互影响、相互制约[35]，具有一定的耦合作用。氮和磷均是植物生长的重要元素，对樟子松的生长、发育极其重要。很多生态系统的生产力均会受到氮、磷限制或者氮磷的共同限制[36-37]。随着土壤有效磷的增加，有效地促进了植物对有效氮的吸收，导致土壤中碱解氮的降低。赵欣然等[38]研究发现，对樟子松人工林土壤添加单一氮时，土壤氮素与磷素呈负相关关系，表明添加氮可明显降低土壤速效磷含量。

在湿润地区营建樟子松人工林后，土壤含水率显著影响0～5 cm土壤全氮含量的增加，极显著影响20～30 cm土壤全氮的变化。降水是土壤水分输入的重要来源，大量研究结果表明，土壤水分与降水之间存在正相关关系[39]。土壤氮素主要源自凋落物的分解，凋落物内部含水量与其分解有关，高水分含量会促进凋落物分解速率，降水量越大，凋落物储水越多，分解产生的氮素也会随之增多。其次，樟子松人工林的营建也能降低树林间的风速，加快土壤中的细颗粒沉积、土壤成土的进程，细颗粒沉积加速了土壤养分的增加，提高了林地土壤的持水性能。10～20 cm土壤全氮与土壤细颗粒呈显著正相关，这与颜安等[40-41]的研究结果一致。在樟子松的生长过程中，根系凋落物及分泌物会在土壤中快速转化成腐殖质[42-43]，能够促进土壤中氮素的积累和土壤颗粒的细化。

4 结论

在辽宁各气候区样地营建樟子松人工林后，湿润地区土壤全氮含量增加，半干旱地区全氮含量降低;而土壤碱解氮含量在2类气候区均有所增加。土壤氮含量随土层分布方面，2类气候区的表层土壤氮变化均高于其他土层。半干旱地区的5～10 cm土壤全氮、0～5 cm土壤碱解氮变化受土壤pH的影响，5～10 cm土壤碱解氮变化受土壤速效磷的影响;湿润地区的0～5、20～30  cm土壤全氮主要受土壤含水率的影响，而10～20 cm土壤全氮受土壤细颗粒的影响。

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