辽宁北部樟子松人工林土壤养分含量变化研究

王诗童 王伟 曹宇

摘  要：为了解辽宁北部樟子松人工林土壤养分含量变化情况，以辽宁北部昌图县付家机械林场樟子松人工林土壤为对象，开展不同林龄林分土壤养分情况调查研究。结果表明：不同林龄樟子松人工林土壤碳、氮、磷等养分含量变化存在显著差异，表层土壤（0-10cm）养分含量普遍高于亚表层土壤（10-20cm）。随着樟子松林龄增加，土壤有机碳、全氮显著增加，全磷变化不明显，碱解氮表现为先增加后减少，速效磷含量持续减少，土壤C/N无明显变化规律。相关分析表明，表层土壤（0-10cm）土壤有机碳含量与全氮含量正相关，与碱解氮含量负相关；土壤全氮含量与碱解氮、全磷、速效磷含量负相关。辽宁北部樟子松人工林土壤养分特征表现为不同林龄林分土壤碳、氮、磷含量存在表层富集现象；随林龄增加，土壤碳、氮养分归还增加，使土壤能够得到有效补充，但土壤磷有效性较低，是限制土壤氮有效转化的因素之一。

关键词： 樟子松；人工林；土壤养分含量

中图分类号：                                文献标识码：A

Changes of Soil Nutrient content for Pinus sylvestris var. mongolica Plantations in North Liaoning Province

Wang Shitong1， Wang wei2， Cao Yu3

（1.National Forestry and Grassland Bureau Survey Planning and Design Institute， Beijing 100714， P.R. China; 2. State-owned Changtu Quantou Forest Farm in Liaoning Province， Changtu 112517， China; 3. Liaoning Research Institute of Sand Land Control and Utilization， Fuxin 123000， China）

Abstract  The soil nutrients of Pinus sylvestris var. mongolica plantation in Fujia mechanical Forest farm of Changtu County， northern Liaoning Province were investigated. The results showed that there were significant differences in soil carbon， nitrogen and phosphorus contents among different forest ages， and the nutrient content of surface soil （0-10cm） was generally higher than that of subsurface soil （10-20cm）. With the increasing of age of Pinus sylvestris， soil organic carbon and total nitrogen increased significantly， total phosphorus did not change significantly， alkali-hydrolyzed nitrogen increased first and then decreased， available phosphorus content continued to decrease， and soil C/N did not change significantly. Correlation analysis showed that soil organic carbon content in surface soil （0-10cm） was positively correlated with total nitrogen content and negatively correlated with alkali-hydrolyzable nitrogen content， while soil total nitrogen content was negatively correlated with alkali-hydrolyzable nitrogen， total phosphorus and available phosphorus content. The characteristics of soil nutrients of Pinus sylvestris var. mongolica plantation in northern Liaoning showed that the contents of soil carbon， nitrogen and phosphorus were enriched in the surface layer of different ages， and the return of soil carbon and nitrogen nutrients increased with the increase of forest age， so that the soil could be effectively replenished and the availability of soil phosphorus is low， which is one of the factors limiting the effective transformation of soil nitrogen.

Key words  Pinus sylvestris var. mongolica ; plantation ; soil nutrient content

土壤养分是构成土壤肥力的物质基础，森林土壤是维持林木健康生长的基质，其肥力特征影响并控制着林木的健康状态[1，2]。对于人工林建设而言，土壤养分的优劣是影响林木生长重要的因素之一[3]。林分土壤养分状况的差异使得林木生长产生很大不同，反过来林木的生长会通过根系分泌物、吸收和释放等方式影响土壤碳氮磷等元素的含量和形态[1，4，5]。因此森林土壤养分的研究为林业生产经营提供了重要依据。

樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）是欧洲赤松的地理变种，具有耐干旱、瘠薄，生长快，适应性强等优良特性。上世纪50年代，樟子松在科尔沁沙地东南缘的辽宁省彰武县章古台成功引种后，便成为我国“三北”地区主要的固沙造林树种之一[6，7]。我国“三北”地区的多项防风固沙工程建设中，樟子松的营造均取得了良好的造林与示范效果。辽宁省北部的昌图县付家机械林场，自上世纪60～70年代营造樟子松防风固沙林，发展至今各类樟子松人工林面积达5486 hm2，占林场总经营面积的63.6 %。目前，关于樟子松土壤化学计量方面的研究，国内学者先后在其主要引种区开展过不同程度的研究[2，6-9]，而与辽宁北部地区相关的报道较少。因此，开展当地樟子松人工林土壤养分变化研究，对补充完善樟子松引种区土壤地力评价及为生产经营提供指导依据具有重要意义。

1研究区概况

研究区位于辽宁省铁岭市昌图县西北部的付家机械林场（43°31′N，124°30′E），地处科尔沁沙地东南边缘一线，辽宁、吉林、内蒙古三省区交汇处。地貌属辽河冲积平原类型，地势比较平坦，兼有少量椭圆型或圆形沙丘分布，平均海拔高度134.15 m。当地气候属温带半湿润半干旱大陆性季风气候，年降水量550～607 mm，降水变率大，多集中在七、八月间，年蒸发量1843 mm，是降水量的3倍左右，相对湿度59%。年均气温6.3 ℃，年积温3208 ℃，无霜期145～155 d。土壤类型为风沙土，分为生草风沙土和流动风沙土两个亚类。风沙土物理沙粒含量较高，有机质含量和其他养分含量比较低，pH值6～7之间。

2研究方法

2.1样品采集与测定

试验林分为樟子松纯林，林龄为10 a、20 a、30 a和40 a四个龄组。分别在每个龄组内，选择生境条件一致，坡度、坡位、海拔高度近似的典型地块设置3个样方，每个样方面积为30 m×20 m。在样方内使用土钻沿“S”形进行取样，取样深度为0-10 cm、10-20 cm，采用四分法取其混合样约1 kg带回实验室。将取好的土样自然风干，分别过20目，100目筛。将筛后土样装进自封袋，注明编号用于养分含量的测定。采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定土壤有机碳含量；采用凯式定氮法测定土壤全氮；采用碱解扩散法测定土壤碱解氮；采用酸溶-钼锑抗比色法测定土壤全磷；采用碳酸氢钠法测定测定土壤速效磷[10]。样地基本特征见表1。

2.2数据处理

对所获得数据用Excel软件进行归纳整理。各指标差异性检验采用SPSS23.0软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA），Pearson检验进行相关分析（α= 0.05）。

3 结果与分析

3.1 樟子松人工林土壤有机碳含量的变化

土壤有机碳是构成土壤有机物质的异质混合体之一，其组分具有影响土壤肥力或土壤质量的关键作用。由图1可知，不同林龄林分土壤中有机碳的变化范围在5.1 g/kg ～ 25.1 g/kg之间，0-10 cm深度土壤中的有机碳含量显著高于10-20 cm深度（P<0.05），其中林龄40 a林下土壤有机碳含量最高，0-10cm为25.1 g/kg，10-20 cm为10.7 g/kg。随着樟子松林龄增大，0-10 cm深度土壤中有机碳含量呈逐渐增加趋势，30 a和40 a林分土壤有机碳含量显著高于10 a和20 a（P<0.05）；10-20 cm深度，40 a林分土壤中有机碳含量显著高于其他林分（P<0.05）。

3.2 樟子松人工林土壤全氮含量的变化

土壤全氮含量是反映土壤供氮潜力的指标，对评价土壤肥力和生态系统健康有重要作用，反映了土壤中氮素的总量和氮素循环的情况。由图2可知，不同林龄林分土壤中全氮含量变化范围在0.60 g/kg ～ 2.33 g/kg之间，0-10 cm深度土壤中的全氮含量显著高于10-20 cm深度（P<0.05），其中林龄40 a的土壤全氮含量最高，0-10 cm深度土壤可达到2.33 g/kg，10-20 cm深度土壤为1.61 g/kg。随着樟子松林龄增大，0-10 cm深度土壤中全氮含量呈逐渐增加趋势，40 a林分土壤全氮含量显著高于20 a和30 a（P<0.05），显著高于10 a（P<0.05）；10-20 cm深度土壤中全氮含量变化趋势相似，40 a林分土壤全氮含量显著高于30 a（P<0.05），显著高于10 a和20 a（P<0.05）。

3.3 樟子松人工林土壤碱解氮含量的变化

土壤中氮的形态主要为无机氮和易分解的有机氮，例如铵态氮、硝态氮、氨基酸和易水解蛋白等，是当季植物吸收和利用的主要氮素，直接影响植物的生长和发育。由图3可知，不同林龄林分0-20 cm深度土壤碱解氮含量总体变化范围为2.99 mg/kg ～ 7.22 mg/kg。0-10 cm深度土壤中的碱解氮含量与10-20 cm深度土壤无显著差异（P>0.05）。随着樟子松林龄增大，0-10 cm和10-20 cm深度土壤碱解氮含量整体上呈现先增加后降低的趋势，在20 a林分达到最高值，10 a和20 a林分显著高于30 a和40 a林分土壤碱解氮含量（P<0.05）。

3.4 樟子松人工林土壤全磷含量的变化

土壤全磷是土壤中有机磷和无机磷的总和，是评价土壤肥力的重要指标之一。由图4可知，除30 a林分以外，其他林龄林分相同深度土壤中全磷含量无显著差异（P>0.05），0-10 cm深度土壤中的全磷含量显著高于10-20 cm深度土壤，其中40 a林分最高为0.021 g/kg。随着樟子松林龄增大，0-10 cm深度土壤中全磷含量整体上呈增加趋势，10-20 cm深度土壤中全磷含量呈降低趋势。

3.5 樟子松人工林土壤速效磷含量的变化

土壤速效磷通常为无机态，是植物生长所必需的可直接吸收利用的磷元素。由图5可知，不同林龄林分土壤中速效磷含量的变化范围在0.16 mg/kg ～1.49 mg/kg之间，0-10 cm深度土壤中的速效磷含量显著高于10-20 cm深度（P<0.05），其中林龄为10 a的土壤速效磷含量显著高于其他林龄林分，0-10 cm土壤达到1.49 mg/kg，10-20 cm土壤为0.49 mg/kg。随着樟子松林龄增大，0-10 cm和10-20 cm深度土壤速效磷含量均呈现不同程度的减少，10 a林分土壤有效磷含量显著高于20 a、30 a、40 a（P<0.05）。

3.6 樟子松人工林土壤C/N随林龄的变化

土壤C/N是土壤碳、氮素循环的重要影响因素。由图6可知，从整体上看，不同林龄林分的土壤C/N无显著差异（P>0.05），0-10 cm土壤C/N约为11.12，10-20 cm土壤C/N。随着樟子松林龄增大，0-10 cm和10-20 cm深度土壤C/N无明显变化规律，其中0-10 cm深度土壤C/N最高值出现在30 a林分，10-20 cm深度土壤C/N最高值出现在10 a林分。

3.7 樟子松人工林土壤养分因子相关性分析

通过对不同林龄樟子松人工林土壤有机碳、全氮、碱解氮、全磷、速效磷及碳氮比等因子相关分析，得到各土壤养分因子相关系数矩阵（表2）。在0-10 cm深度，土壤有机碳含量与全氮呈极显著正相关，与碱解氮含量呈显著负相关；土壤全氮含量与碱解氮呈极显著负相关，与全磷、速效磷含量呈显著负相关。在10-20 cm深度，各土壤养分因子含量无显著相关性。

4讨论与结论

土壤碳、氮、磷是植物生长所必要的元素，且存在表层富集现象[2，6，7]。本研究中，樟子松人工林土壤有机碳、全氮、碱解氮、全磷、速效磷含量也表现出此种特点，造成此现象的原因是随着林龄的增加，林木枯枝落叶层逐渐增厚，土壤表层有机质分布增多，加之表层土壤通气性好，利于土壤微生物生长和代谢，微生物分解转化的有机碳不断增多，促进了土壤碳积累[9]。贾婷[11]等发现湿地松人工林生态系统中，幼龄林土壤碳和氮含量显著低于中龄林和成熟林，中龄林土壤全磷含量显著高于其他林龄。李鹏[12]等的研究结果也有相似结论，但其研究结果中，土壤全磷含量随着林龄的增加呈先降低后升高的趋势。本研究中，辽宁北部不同林龄樟子松人工林土壤有机碳、全氮与林龄增加呈正相关，说明在无环境扰动的情况下，随着樟子松人工林林龄的增加，树木以枯枝落叶、淋溶等形式进行的养分归还活动越来越频繁。加之土壤动物和微生物的分解，使得土壤碳库和氮库得到了补充；全磷含量整体上无显著变化，且速效磷逐渐降低，这与前人研究结果相似[13，14]。可能与磷素作为科尔沁沙地土壤的主要限制因素有关，易形成难溶性盐沉淀[8]，在土壤中不易迁移，土壤磷元素含量始终维持在较低水平[1，3]。此外，随着林分发育，樟子松人工林土壤环境易酸化，也会促使无机磷转化为团聚体内磷或闭蓄态磷，降低土壤磷的有效性[2，15]。土壤碱解氮含量在20 a樟子松林分突然下降（图3），可能与土壤磷有效性降低有关，土壤速效磷含量无法维持10 a时的水平（图5），二者不能形成有效互补，使得磷酸酶、脲酶等有关土壤养分归还和转化的酶难于形成，即使土壤全氮含量维持在较高水平，也无法形成有效的铵态氮、硝态氮、易水解磷等为植物所用[16]。因此，针对辽宁北部地区樟子松人工林土壤地力维持，应结合林分不同发育阶段土壤养分情况及养分需求匹配关系，合理施用氮肥、适时配施磷肥。

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