落叶松人工林土壤主要营养元素时空变异

2013-09-06庞凤艳

森林工程 2013年3期

孟春，罗京，庞凤艳

(1.东北林业大学森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室，哈尔滨 150040;2.哈尔滨市林业科学研究院，哈尔滨 150029)

土壤养分是土壤肥力的重要物质基础，它不仅是植物营养元素的主要来源，同时也是影响土壤与空气间气体交换 (尤其是CO2)的重要因素。因此，国内外学者多年来对土壤营养元素及时空变异进行了大量的研究［1－2］。对于土壤营养元素的空间变异性，研究者多采取对不同利用类型和不同深度(层次)土壤进行取样来讨论其变异性［3－6］;对于土壤营养元素的时间变异性，研究者多以年为时间跨度来讨论其变异性［7－11］。对不同利用类型和不同深度 (层次)土壤进行取样研究，可以较好地揭示土壤营养元素的空间变异，而以年为时间跨度研究土壤营养元素的时间变异则忽视了植物生长季节性变化对土壤营养元素的影响。因此，本文以落叶松人工林地为研究对象，以月为时间跨度，并结合前人对该林地土壤营养元素的研究结果来讨论土壤营养元素的时空变异性。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究地概况

东北林业大学哈尔滨实验林场位于哈尔滨市区内马家沟河西岸 (N45°15'，E128°37')，地形平缓，土壤为地带性黑土，水分条件良好。属于温带季风性气候，年平均气温3.5℃，年积温2 757℃，年降水量534 mm。

本次实验选取该林场内落叶松 (Larix gmeliniRupr)人工林为研究样地，该样地于1959年春季用2年实生苗造林，初植密度0.5 m×1 m，前3年按常规方法进行抚育，1963年隔一行去一行。观测期内，每1 hm2样地上活立木864株，平均高22 m，平均胸径18 cm，活立木蓄积58.86 m3，下草盖度20%。

1.2 研究方法

在选定样地上，以对角线形随机选取5个取样点，在每个取样点挖出深约50 cm的土壤剖面。分别于2011年5月15日、6月24日、8月8日、9月15日和10月2日，分5次在每个剖面上从地表向下分别在5 cm、15 cm、30 cm和45 cm处取样，土样编号后放入取样袋中，带回室内进行烘干、粉碎、过筛，制备土样供测定土壤营养化学元素之用。土壤全N采用半微量凯氏法测定，土壤水解性N采用碱解－扩散法测定，土壤全P采用氢氧化钠－钼锑抗比色法测定，土壤有效性P采用0.025 mol/L硫酸浸提法测定，土壤全K、速效性K采用火焰光度法测定，土壤C元素采用水合热法测定，土壤pH值采用水浸电位法测定。除K元素进行4次测定外，其他各元素均进行了5次测定。

1.3 数据分析

采用经典统计方法计算每次取样同层次各项测度指标的平均值、标准差。采用变异系数 (CV)说明各项指标的变异程度:CV=(S为标准差;为均值)。CV≤0.1属于弱变异性，0.1＜CV＜1属于中等变异性，CV≥1属于强变异性［12］。采用方差分析说明各指标时空差异的显著性。

2 结果与分析

2.1 N元素

观测期内土壤全N含量平均值为901.69 mg·kg－1(见表1)，低于1983年该林地土壤全 N观测值［13］。土壤全N含量虽然不同深度处差异性并不显著 (p＞0.05)，含量最低的30cm处较含量最高的5 cm处仅低了17.46%，但呈现出上层 (5 cm)和下层 (40 cm)含量较高、中层 (15 cm和30 cm)较低的变化趋势，这一变化趋势与陈喜全［13］1983对该林地土壤全N沿深度方向变化趋势 (下降)的研究结果有所不同。各次取样间土壤全N含量差异性显著 (p＜0.05)。8月8日和9月15日两次取样中各层次土壤全N含量较低，其余三次取样中各层次土壤全N含量较高，含量最低的9月15日较含量最高的6月24日低了25.77%。观测期内土壤全N含量平均变异系数为0.38，属中等变异。15 cm和30 cm深度处的变异性大于5 cm和45 cm深度处的变异性，而各次取样间变异系数无明显规律性变化。

观测期内土壤水解性N含量平均值为306.52 mg/kg(见表1)。不同深度处土壤水解性N含量差异不显著 (p＞0.05)，且无显著规律性变化，含量最低的45 cm处比含量最高的30 cm处仅低了10.09%。各次取样间土壤水解性N含量差异性显著 (p＜0.05)，5月15日和10月2日两次取样土壤水解性N含量较高，其余三次取样土壤水解性N含量较低，含量最低的9月15日较含量最高的5月15日低了30.83%。观测期内土壤水解性N含量平均变异系数为0.40，属中等变异。15 cm深度处的变异系数大于其它各处，5 cm、30 cm和40 cm深度处变异系数基本相等;6月24日取样变异系数稍大于其它各次取样，5月15日、8月8日、9月15日和10月2日取样变异系数基本相等。

2.2 P元素

观测期内土壤全P含量平均值为285.63 ug/g(见表2)，低于1983该林地土壤全 P的观测值［13］。土壤全P含量虽然在不同深度处差异性并不显著 (p＞0.05)，但却呈现随深度增加而增加的趋势，45 cm深度处较5 cm深度处增加了12.32%，这一变化趋势与陈喜全［13］1983对该林地土壤全P沿深度方向变化趋势的研究结果相同。各次取样间土壤全P含量差异性显著 (p＜0.05)，从5月15日第一次取样至10月2日第五次取样土壤全P含量呈现先减小后增加的变化趋势。8月8日取样土壤全P含量较5月15日取样土壤全P含量减少了35.74%。观测期内土壤全P含量平均变异系数为0.41，属中等变异。从5 cm至45 cm深度方向上变异系数呈减小的变化趋势，而各次取样间变异系数无明显规律性变化。

表1 落叶松林地土壤N元素统计值Tab.1 Statistical values of N content in Larix gmelini Rupr land mg·kg－1

表2 落叶松林地土壤P元素统计值Tab.2 Statistical values of P content in Larix gmelini Rupr land μg·g－1

观测期内土壤速效P含量平均值为3.29 ug/g(见表2)。虽然不同深度处土壤速效P含量不差异显著 (p＞0.05)，但呈现随深度增加先减小后增加的变化趋势，5 cm深度处速效P含量最高，15 cm深度处速效P含量最低，15 cm深度处速效P含量较5cm深度处减小了29.97%。各次取样间土壤速效P含量差异性显著 (p＜0.05)，从5月15日第一次取样至10月2日第五次取样土壤速效P含量呈现先减小后增加的变化趋势，土壤速效P含量最低的8月8日较含量最高的10月2日低了28.17%。观测期内土壤速效P含量平均变异系数为0.49，属中等变异。变异系数随深度的增加呈现先增加后减小的变化趋势，15 cm处的变异系数最大，45 cm出变异系数最小，各次取样间变异系数差异不大，且无显著变化规律。

2.3 K元素

观测期内土壤全K含量平均值为740.07 mg/kg(见表3)。不同深度处土壤全K含量差异性不显著(p＞0.05)，且未呈现出规律性的变化趋势，最小值 (15 cm深度处)比最大值 (5 cm深度处)仅小了5.73%。各次取样间土壤全K含量差异性显著 (p＜0.05)，从6月24日第一次取样至10月2日第四次取样土壤全K含量呈现出先减小后增加的变化趋势。土壤全K含量最低的9月5日较含量最高的6月24日低了31.78%。观测期内土壤全K含量平均变异系数为0.17，属中等变异。变异系数随深度的增加呈现逐渐减小的变化趋势，各次取样间变异系数呈增大的变化趋势。

表3 落叶松林地土壤K元素统计值Tab.3 Statistical values of K content in Larix gmelini Rupr land mg·kg－1

观测期内土壤速效K含量平均值为70.30 mg/kg(见表3)。不同深度处土壤速效K含量差异性不显著 (p＞0.05)，且未呈现出规律性的变化趋势，最小值 (15 cm深度处)比最大值 (5 cm深度处)仅小了8.22%。各次取样间土壤速效K含量差异性虽不显著 (p＞0.05)，但各次取样土壤速效K含量平均值却表现出先增加后减小的变化趋势，最大值 (8月8日)较最小值 (6月24日)大了13.05%。观测期内土壤速效K含量平均变异系数为0.17，属中等变异。变异系数随深度增加表现为先增加后减小，而在各次取样间变异系数则表现为先减小后增加。

2.4 C元素

观测期内土壤C元素含量平均值为17.38 g/kg(见表4)，略低于1983年该林地土壤C元素的观测值［13］。不同深度处土壤C元素差异性虽不显著(p＞0.05)，最小值 (5 cm深度处)比最大值(15 cm深度处)仅小了7.92%，但却表现出随深度增加先增加后减小的变化趋势，这与陈喜全［13］1983年对该林地土壤C元素的观测值随深度变化的趋势恰好相反。各次取样间C元素差异性显著(p＜0.05)，从5月15日第一次取样至10月2日第五次取样土壤C元素含量呈现递增的变化趋势，10月2日取样土壤C元素含量较5月15日取样增加了19.06%。观测期内土壤C元素平均变异系数为0.19，属中等变异。变异系数随深度增加表现为先减小后增加，而各次取样间变异系数差异不大，且无显著变化规律。

表4 落叶松林地土壤C元素统计值Tab.4 Statistical values of C content in Larix gmelini Rupr land g·kg－1

2.5 pH值

观测期内土壤pH值平均值为5.61，低于1983年该林地土壤pH值的观测值［13］。不同深度处土壤pH值差异性虽不显著 (p＞0.05)，各层pH值变化很小，最小值 (5 cm深度处)比最大值 (15 cm深度处)仅小了0.89%，但却表现出随深度增加先增加后减小的变化趋势，这与陈喜全［13］1983年对该林地土壤pH值随深度变化的趋势略有不同。各次取样间土壤pH值差异性显著 (p＜0.05)，从5月15日第一次取样至10月2日第五次取样土壤pH值呈现先减小后增加的变化趋势，最小值 (9月15日)较最大值 (5月15日)减小了10.56%。观测期内土壤pH值平均变异系数为0.04，属弱变异。不论在深度方向上还是在各次取样间变异系数均变化不大，且无显著变化规律。

表5 落叶松林地土壤pH值统计值Tab.5 Statistical values of pH in Larix gmelini Rupr land

3 结论与讨论

长期栽培人工针叶纯林会导致地力下降，影响林木生长，尤其是落叶松纯林［14］。陈立新等人［15］对大兴安岭地区落叶松林地不同发育阶段土壤肥力的研究显示，随林龄的增加，除有机质含量略有增加外，全P、速效K含量均下降，土壤酸度则增加。在有对比数据的几个土壤营养元素中，本文的研究结果，支持了上述结论，土壤全N、全P、C元素含量均较1983年的观测值下降，而土壤酸度上升。造成这一结果的原因既与落叶松生长从土壤中吸收营养元素有关，也与落叶松凋落物层的分解特征和分解产物有关。落叶松凋落物分解 (矿化)速度慢，养分难以真正归还到土壤中去，造成土壤有效养分库的过度消耗［16－17］，并且，落叶松凋落物的单产、树脂含量较高，而矿质元素 (灰分)含量较低，从长远观点看只能使土壤向着板结、酸化和贫脊的方向发展［18］。

土壤营养元素在土壤剖面垂直方向上含量的变化既与成土过程有关，也与植物生长、枯落物和残体的分解以及不同元素的特性有关，所以，即使土壤类型相同，但利用方式不同，土壤营养元素在土壤剖面垂直方向上含量的变化趋势也会明显不同。相对于1983年该林地而言，经过近30年的生长，落叶松林已从中龄林生长为成熟林，生长速度降低、根系发达。此时，分解周期极短的细根分解成为影响土壤营养元素变化的一个重要因素［19］。在细根分解过程中，对于土壤有机质、全N、全P而言是个增值的过程，而对于K元素而言则是个相对减少的过程［20］，因此，尽管上述各营养元素总量相对于1983年有所下降，但在土壤剖面垂直方向上含量的变化趋势与1983年有所不同。0～40 cm的A层富含根系，45 cm处属于AB层，根系极少见［13］，根系的这一分布特点决定了C元素由于积累而呈现随深度增加先增加后较小的变化趋势，并且由于落叶松细根分解产物的特性决定了土壤pH值也呈现同样的变化趋势;全N由于根系对水解性N的吸收而呈现随深度增加先减小后增加的变化趋势，水解性N表现出与全N相近似的变化趋势。K元素 (包括全K和速效K)则由于自身对植物体生长时期的选择差异而在细根分解中含量极少导致其含量在深度方向无明显的增加或减小。全P含量在土壤剖面垂直方向上的变化极具特殊性，本次观测结果与1983年的观测具有同样的变化趋势，即随深度增加全P含量呈增加的趋势，这可能是由于磷的移动性小［21］，只是在淋溶作用下使全P发生沉积而使下层较上层具有高的全P含量;而由于在15～30 cm深度处土壤pH值较高，降低了磷的有效性［22］，导致速效P呈现随深度增加先减小后增加的变化趋势而区别于全P的变化趋势。

除C元素外，其他各项土壤营养元素均表现出生长旺盛月份含量 (或值)较低，其他月份含量 (或值)较高的变化趋势。N、P、K元素作为植物体的营养元素，生长初期 (6月份)在植物体内都有较高的积累［23－24］，导致经7、8月份植物速生期的波动变化后，土壤中N、P、K元素含量降低。C元素和pH值的月份变化则与细根的分解相关，即细根分解导致土壤C元素的积累而使之增加;pH值在细根分解旺盛月份降低。

由于研究样地是经由松花江、阿什河的长期侵蚀、搬运和堆积作用下，形成的复微度分割的冲积平原和河漫滩沼泽湿地［13］，土壤和营养元素的空间差异不大，在栽植落叶松纯林后，由于树种单一，对土壤营养元素的空间差异影响甚微，因此，除pH值为弱变异外，其他各元素仅为中等变异，林地土壤均质性较好。

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