不同密度樟子松人工林土壤养分变化特征

张日升，迟琳琳*，肖 巍，宋 鸽

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

土壤是林分生长和生态功能发挥的保障，森林生态系统稳定与土壤的健康息息相关[1]。作为影响林木生长重要因子的林分密度，决定了林分的空间结构，影响林分中光、热、水分等环境因子的分配，决定林下物种的结构及多样性的变化，改变凋落物的输入数量与质量，影响养分输入；也会影响到群落生产力及生物量分配格局，从而影响到植被对土壤养分的吸收[2]。有研究发现林分密度适中的马尾松Pinusmassoniana林可以在一定程度上改善林下土壤肥力[3]；密度为750～900 株·hm-2长白落叶松Larixolgensis林土壤养分含量显著高于其他密度。40年生密度1 500～2 000株·hm-2的华北落叶松Larixprincipis-rupprechtii有利于维持林地土壤健康。可见，林分密度影响着森林土壤养分特征，适宜的密度有利于土壤养分的积累[4]。

樟子松Pinussylvestrisvar.mongolica原产于我国大兴安岭和呼伦贝尔沙地，具有耐旱、耐寒、耐瘠薄、生长快等特点，作为防风固沙林的主要针叶树种，已经引种到三北地区多个省、市和自治区。然而，自1991年起，在辽宁章古台地区出现了部分樟子松人工林退化死亡现象，随后在辽宁所有引种栽培区、吉林、内蒙古等地也出现了类似情况[5]。有关研究表明土壤养分失衡是樟子松人工林退化的原因之一[6]。王凯等[7]对不同密度樟子松人工林土壤碳磷化学计量特征研究后认为，38年生的樟子松人工林密度1 550株·hm-2时，土壤养分浓度较高；于东伟等[8]研究樟子松中龄林时认为密度1 025～1 175株·hm-2时，土壤全氮、全磷、全钾含量较高。此外还有专家研究了不同密度樟子松人工林枯落物、土壤水分变化、土壤粒径特征等方面的变化[9]。彰武章古台固沙造林实验林场的樟子松密度实验林已生长近40年(1980年栽植)，以此为实验地，研究樟子松人工林不同林分密度土壤养分特征，揭示密度对土壤养分变化的影响，为维持樟子松人工林稳定提供科学依据。

1 研究方法

1.1 研究区自然概况

研究区位于科尔沁沙地南部的章古台地区(42°43′～42°51′N， 121°53′～122°22′E)，属中温带亚湿润干旱地区，隶属辽宁省阜新市彰武县。干旱多风，年降水量450～500 mm，多集中于6-8月，蒸发量约为降水量的3倍，空气相对湿度60.4%。年均气温6.82 ℃，无霜期154 d。年均风速3.0～3.7 m·s-1。土壤类型以风沙土为主，占89.4%，有机质及其它养分含量都比较低。该地区1955年开始营建樟子松人工林，除营林干扰外，其它人为干扰来自于樵采和放牧。

1.2 样地的选择

样地设在辽宁省彰武章古台固沙造林实验林场1980年造林的樟子松密度实验林。该实验林总面积16.0 hm2，按照不同密度、不同株行距，共设25个实验小区，每个小区面积为6 400 m2，密度625～40 000株·hm-2。实验小区分布集中，能够保证土壤性质、林下生境等情况基本一致。在小区中设置观测样地，面积600～1 000 m2。造林后样地内没有进行过间伐等人为降低密度的措施。根据实验地樟子松生长状况和研究需要，选择4种不同密度的样地(表1)进行调查。

表1 不同密度樟子松林分土壤调查标准地基本情况

1.3 样品采集与测定

2018年9月，在4种不同密度林分随机布设面积为10 m×10 m的3个样方，采用每木检尺方法测定胸径、树高等指标。在样地内按“S”形选10个点，分别取0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土层的土壤，四分法舍取，取土约1 kg，阴干后放入已消毒塑料袋内保存，拿回实验室测定。

土壤有机质采用水合热重铬酸钾氧化-容量法测定；全氮采用H2SO4-加速剂消煮半微量凯氏定氮法测定；碱解氮采用1.0 mol·L-1NaOH碱解扩散法测定；全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；速效磷采用NaHCO3-钼锑抗比色法测定。全钾采用NaOH熔融-火焰光度法测定；速效钾采用1.0 mol·L-1NH4OAc浸提-火焰光度法测定[10]。

1.4 数据处理

采用Excel 2007 软件进行数据处理和图表制作；采用DPS 14.0对不同林龄的养分差异进行单因素方差分析，采用LSD 法比较各指标间的差异性，显著性水平设为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 林分密度对土壤有机质的影响

从图1可以看出，在垂直剖面上，不同密度樟子松人工林土壤有机质含量总体表现为随着土层深度增加逐渐降低。在0～10 cm土层，有机质含量最高的是样地1(7.985 7 g·kg-1)，明显高于其他样地同一土层，其次是样地4(7.448 2 g·kg-1)，显著高于样地3(6.181 2 g·kg-1)和样地2(5.8357 g·kg-1)。10～20 cm土层有机质含量与0～10 cm土层有机质含量表现一致。在20～40 cm土层，样地3的有机质含量为2.380 4 g·kg-1，显著高于其它样地的差异显著(P<0.05)。

注：不同小写字母表示同一土层不同样地土壤样本

同一土层有机质含量。40～60 cm和60～80 cm土层的土壤有机质含量变化趋势一致，均是样地3含量最高，其次是样地2，再次是样地1，最低的是样地4。

将0～80 cm土层的有机质含量以20 cm为一个层次进行排序(将0～10 cm和10～20 cm土层有机质含量的平均值作为0～20 cm土层的数据，以下0～80 cm土层氮、磷、钾的平均含量计算方法相同)，有机质含量从高到低分别是样地3(2.941 8 g·kg-1)、样地1(2.481 1 g·kg-1)、样地2(2.413 9 g·kg-1)、样地4(2.025 2 g·kg-1)。

2.2 林分密度对土壤氮含量的影响

从表2可以看出，在垂直剖面上，0～10 cm土层全氮和碱解氮含量明显高于其他土层的含量，全氮含量最高的是样地2，碱解氮含量最高的是样地3。10～20 cm土层全氮含量从高到低依次为样地2>样地4>样地1>样地3，样地3的碱解氮含量显著高于其它样地。样地4的20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土层的全氮含量显著高于其它样地，其次是样地3；样地3的20～40 cm土层碱解氮含量最高。各样地40～60 cm和60～80 cm土层全氮和碱解氮含量差异不明显。0～80 cm土层全氮含量平均值从高到低依次为样地4>样地3>样地2>样地1。总体来说，全氮含量随着林分密度的减小逐渐升高，碱解氮含量从高到低依次为样地3>样地4=样地2>样地1。

表2 不同密度樟子松人工林的土壤氮含量

2.3 林分密度对土壤磷含量的影响

从表3可以看出，章古台沙地磷含量较低，在垂直剖面上，磷含量也呈现随着土层深度的增加而逐渐降低的趋势。4个样地0～10 cm土层的全磷含量差异不显著，样地2和样地3在10～80 cm各土层全磷和速效磷的含量均较高，且各土层间差异不显著。样地1、样地2的0～10 cm表层土速效磷含量显著高于样地3和样地4，这可能与密度大的林分地表枯枝落叶层较厚有直接关系。0～80 cm土层全磷含量平均值从高到低依次为样地3>样地2>样地1>样地4，速效磷含量平均值从高到低依次为样地2>样地1>样地3>样地4。

表3 不同密度樟子松人工林的土壤磷含量

2.4 林分密度对土壤钾含量的影响

从表4可以看出，章古台地区沙土中钾含量较高。在垂直剖面上，与全氮等养分含量相似，全钾和速效钾含量也呈现随着土层深度的增加逐渐降低的趋势。0～10 cm土层，样地4的全钾含量最高，样地2的10～20 cm、60～80 cm土层都明显高于其他样地，同时样地2的0～80 cm土层平均全钾含量是4个样地中最高的；0～80 cm土层平均速效钾含量从高到低依次为样地2>样地3>样地4>样地1。

表4 不同密度樟子松人工林的土壤钾含量

3 讨论与结论

3.1 讨 论

沙地樟子松的细根主要分布在0～100 cm土层中，其中0～80 cm分布最多[11]，因此这一土层的养分含量影响着树木的生长与健康。从以上分析可以看出，样地2和样地3的土壤养分含量较高，而样地4的0～80 cm土层养分含量较低，但样地4的林分生长健康。通过计算每个样地中每株树木平均可以利用的养分量(表5)，可以看出4个样地中密度越小的样地，每株树木最大可利用的养分量越多。根据以往的研究结果，当樟子松人工林林龄30～40年时，适宜密度为500株·hm-2左右[12]，这与样地4的密度相近。因此可以确定40年左右的樟子松人工林密度为500株·hm-2左右时，林分的土壤养分可以满足树木生长需求。

表5 样地中每株树木平均可利用的养分量

3.2 结 论

在垂直剖面上，樟子松人工林土壤养分(有机质、氮、磷、钾)总体表现为0～10 cm表层土壤有机质含量最高，呈现“表聚现象”，随着土层深度的增加，养分含量逐渐降低。

密度为1 568株·hm-2和1 029株·hm-2的樟子松人工林土壤养分含量较高；在0～80 cm土层内，碱解氮、全磷含量随着密度的减小呈先增加后降低的趋势，有机质、全钾含量变化不规则。

一定密度范围内，密度越小，每株树木平均可利用的养分量越多。40年左右的樟子松人工林密度为500株·hm-2左右时，土壤养分可以满足树木生长需求。