水曲柳人工林与天然林土壤中不同形态钾素的含量与分布

（东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

钾是影响植物生长的三大营养元素之一，参与植物体内几乎所有的生理生化过程[1]。钾是多种酶的活化剂，在植株体内蛋白质代谢、碳水化合物代谢及呼吸代谢中具有重要功能[2-3]。缺钾不仅会导致植物的生理失调，影响植物的光合作用，还可以减慢氮的代谢，降低植物吸收利用氮的能力[4]。但是并非所有的钾都会被植物快速有效利用，土壤钾对植物生长影响的快速有效性取决于土壤钾的存在形态、分布状况及无效钾向有效钾的转换程度[5]。分析比较土壤中各形态钾素的含量及其分布对土壤的施肥及植物培育措施的确定具有十分重要的指导意义。

根据钾存在的化学形态及其对植物的有效性，把土壤中全部的钾（亦称为全钾）分为水溶性钾、非特殊吸附性钾、特殊吸附性钾、非交换性钾和矿物钾5 种形态[6]。通常把水溶性钾、非特殊吸附性钾和特殊吸附性钾合称为速效钾，把速效钾和非交换性钾中的有效部分合称为有效钾[7-8]。在评价土壤钾对当季植物的有效性时，往往以速效钾作为主要指标，同时考虑非交换性钾的含量；而在评价土壤钾对植物的长期有效性时，则不仅要考虑速效钾的水平，更要注意非交换性钾的贮量及其释放速率[7]。国外对森林土壤钾素的含量、有效性以及Q/I 曲线特征等方面有着较为深入的研究[9-11]，而过去我国森林土壤钾素的相关研究则多集中在全钾和速效钾含量方面[12-14]，研究非交换性钾的不多[1,8]，涉及土壤供钾潜力和无效钾向有效钾转换程度的更少[8]。土壤钾素的表聚和层化特征分析是准确选择造林树种和进行合理施肥管理的重要基础[8]。多数研究者也观测到了土壤钾素的表聚和层化现象[8,15-17]，但对土壤钾素的表聚程度和层化的比率少有数量化表述[15-16]。

水曲柳Fraxinus mandschurica是中国东北地区重要的商品大径材培育树种，“十三五”期间科技部组织东北林业大学等高校和科研单位从林分结构控制和林地营养控制等方面开展研究，试图攻克水曲柳大径材培育的关键技术。目前已经进行了水曲柳人工林和水曲柳天然林土壤C、N、P 营养的相关研究[18-20]，对林地土壤钾素的相关研究才刚刚开始。本研究以水曲柳人工林为对象，对照水曲柳天然林，测定了林下土壤各形态钾素含量，分析了土壤非交换性钾的转化和各形态钾素的层化比率，以期为水曲柳人工林土壤K 肥的诊断、施用和林分的科学培育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及林分的选取

试验地位于黑龙江省尚志市西侧帽儿山实验林场东北林业大学森林培育实验站（45°23′～45°26′N、127°26′～127°39′E），长白山张广才岭西坡小岭余脉，为松嫩平原向张广才岭过渡的低山丘陵区[20]。在山地8°东坡中部选取水曲柳天然林隔带采伐后营造的33年生红皮云杉-水曲柳混交林（编号MPc）、红松-水曲柳混交林（编号MPn）、长白落叶松-水曲柳混交林（编号ML）和水曲柳纯林（编号PF）为研究对象，对照林分为同一山坡中部未采伐的原有以胡桃楸和水曲柳为主的天然混交林（编号NF）（表1）。

表1 研究林分状况†Table 1 General information of the study plantations

1.2 样品采集及指标测定

2019年7月，在各林型林分中分别设置3 个20 m×20 m 的样方。在每个样方内以“S”形设置5 个点，每个点按0～10、10～20 和20～30 cm土层分别采集土样。土壤样品自然风干后一部分过1 mm 土筛，用于各形态钾素含量的测定，其余部分继续过0.149 mm 土筛，用于全钾含量的测定。

水溶性钾用去离子水（水土比10∶1）25℃恒温振荡30 min 浸提；非特殊吸附性钾用0.5 mol·L-1中性醋酸镁溶液浸提；特殊吸附性钾用1 mol·L-1中性醋酸铵浸提（水土比、浸提温度和振荡时间与水溶性钾相同）；非交换性钾用1 mol·L-1硝酸溶液煮沸10 min 浸提[6]。浸提后的稀释液均用火焰光度计（FP6400，上海悦丰）测定。有效钾用2 mol·L-1的冷硝酸浸提-火焰光度法测定，全钾含量用NaOH 熔融-火焰光度法测定[21]。非特殊吸附性钾、特殊吸附性钾、非交换性钾和矿物钾均用差减法计算得出：非特殊吸附性钾=醋酸镁浸提钾-水溶性钾；特殊吸附性钾=醋酸铵浸提钾（速效钾）-醋酸镁浸提钾；非交换性钾=硝酸消煮钾-醋酸铵浸提钾；矿物钾=全钾-硝酸消煮钾[7]。土壤pH 值采用水浸提电位法测定[21]。

1.3 数据处理

实验数据采用Microsoft Excel 2007 和IBM SPSS Statistics 23.0 软件整理分析，各统计数据均采用均值和标准误差表示。采用One-way ANOVA对5 种林型土壤各形态钾素、非交换性钾转换量、转换率和层化比率进行方差分析，并做LSD 多重比较（a=0.05）。土壤非交换性钾转换量、转换率和各形态钾素含量层化比率的计算公式如下：

式中：CC 和CR 分别表示土壤非交换性钾转换量和转换率；VK、AK 和NEK 分别表示土壤有效钾、速效钾和非交换性钾含量；SR1和SR2分别表示10～20 cm 土层与0～10 cm 土层某形态钾素含量的比值和20～30 cm 土层与0～10 cm 土层土壤某形态钾素含量的比值；Kx、Ky 和Kz 分别表示0～10、10～20 和20～30 cm 土层某形态钾素含量。

2 结果与分析

2.1 水曲柳人工林和天然林土壤中5 种形态钾素含量

水曲柳人工林和天然林各土层水溶性钾、非特殊吸附性钾和特殊吸附性钾含量分别为17.71～64.16、13.95～153.57 和20.70～226.68 mg·kg-1。水曲柳人工林与天然林相比，除20～30 cm 土层水曲柳天然林与长白落叶松-水曲柳混交林水溶性钾含量间无显著差异外，其余各土层水曲柳天然林土壤水溶性钾、非特殊吸附性钾和特殊吸附性钾含量均显著高于水曲柳人工林，其中人工林以红皮云杉-水曲柳混交林土壤水溶性钾、非特殊吸附性钾和特殊吸附性钾含量为最低，长白落叶松-水曲柳混交林为最高。垂直空间上，除红皮云杉-水曲柳混交林土壤水溶性钾含量和水曲柳天然林土壤非特殊吸附性钾、特殊吸附性钾含量只有0～10 cm土层显著高于10～20 和20～30 cm 土层外，水曲柳人工林和水曲柳天然林各土层间水溶性钾、非特殊吸附性钾和特殊吸附性钾含量均差异显著，从高到低依次为0～10、10～20 和20～30 cm土层（P＜0.05）（表2）。

水曲柳人工林和天然林各土层非交换性钾含量为462.90～687.48 mg·kg-1，水曲柳人工林均显著低于水曲柳天然林，水曲柳人工林以红皮云杉-水曲柳土壤非交换性钾含量为最低，长白落叶松-水曲柳为最高（P＜0.05）。垂直空间上，水曲柳天然林各土层非交换性钾含量差异显著，从高到低依次为0～10、10～20 和20～30 cm 土层。红松-水曲柳混交林和长白落叶松-水曲柳混交林各土层非交换性钾含量均为0～10 cm 土层显著高于10～20 和20～30 cm 土层。水曲柳纯林非交换性钾含量为0～10 cm 土层显著高于20～30 cm土层，红皮云杉-水曲柳混交林各土层间非交换性钾含量均未表现出明显的差异（P＜0.05）。同土层各林型间及同林型各土层间矿物钾含量均未表现出明显的差异（表2）。

2.2 水曲柳人工林和水曲柳天然林土壤非交换性钾转换状况

水曲柳人工林和天然林各土层非交换性钾转换量分别为2.65～40.74 和8.49～26.14 mg·kg-1，转换率分别为0.55%～7.31%和1.41%～3.76%。在0～10 cm 土层，水曲柳天然林非交换性钾转换量和转换率均显著高于长白落叶松-水曲柳混交林，而红皮云杉-水曲柳混交林非交换性钾转换率则显著高于水曲柳天然林。人工林非交换性钾转换量和转换率在0～10 cm 土层皆以红皮云杉-水曲柳混交林为最高，长白落叶松-水曲柳混交林为最低（P＜0.05）；在10～20 cm 土层，两者除红皮云杉-水曲柳混交林和红松-水曲柳混交林间无显著差异外，其他各林型间差异显著，从高到低依次为长白落叶松-水曲柳混交林、水曲柳纯林、水曲柳天然林、红皮云杉-水曲柳混交林和红松-水曲柳混交林（P＜0.05）；在20～30 cm 土层，红皮云杉-水曲柳混交林、红松-水曲柳混交林和水曲柳纯林非交换性钾转换量和转换率均显著高于水曲柳天然林。人工林两者皆以红皮云杉-水曲柳混交林为最高，长白落叶松-水曲柳混交林为最低（P＜0.05）（表3）。

垂直空间上的土壤非交换性钾转换量和转换率，红皮云杉-水曲柳混交林0～10 和20～30 cm 土层显著高于10～20 cm 土层（P＜0.05），长白落叶松-水曲柳混交林10～20 cm 土层显著高于0～10 和20～30 cm 土层，水曲柳天然林0～10 cm 显著高于20～30 cm 土层（P＜0.05）。红松-水曲柳混交林转换量上0～10 和20～30 cm 土层显著高于10～20 cm 土层，转换率从高到低依次为20～30、0～10 和10～20 cm 土层（P＜0.05）（表3）。

2.3 土壤5 种形态钾素的层化比率

水曲柳人工林和水曲柳天然林的土壤非交换性钾和矿物钾在林型间无显著差异，也未表现出明显的层化和表聚现象，水溶性钾、非特殊吸附性钾、特殊吸附性钾则表现出明显的表聚和层化现象。水曲柳人工林与天然林相比，红皮云杉-水曲柳混交林土壤非特殊吸附性钾SR1显著高于水曲柳天然林，红皮云杉-水曲柳混交林、红松-水曲柳混交林和水曲柳纯林土壤特殊吸附性钾SR1显著高于水曲柳天然林，红皮云杉-水曲柳混交林和红松-水曲柳混交林土壤特殊吸附性钾SR2显著高于水曲柳天然林（P＜0.05）。在水曲柳人工林中，土壤非特殊吸附性钾SR1以及特殊吸附性钾SR1、SR2均以红皮云杉-水曲柳混交林为最大，长白落叶松-水曲柳混交林为最小（P＜0.05）（表4）。

3 讨 论

3.1 土壤各形态钾素的含量及影响因素

研究结果表明，长期培育水曲柳人工林会造成除矿物钾外土壤各形态钾素含量下降，其中以红皮云杉-水曲柳混交林下降最多，长白落叶松-水曲柳混交林下降最少。这与多数学者对天然林转变成人工林后土壤地力变化的研究结果一致[22-24]。造成森林转换后土壤各形态钾素含量减少的重要原因可能是凋落物归还量的差异。人工林在幼龄时期，地上凋落物归还量极少，且有研究表明，在人工林达到成熟后，其凋落物归还量仍显著低于天然林[25-26]。

†率比及量含素钾态形各壤土林然天与林工人柳曲2 水表Table 2 Contents and ratios of the different forms of potassium in the soil of Fraxinus mandshurica plantation and natural forest率Percent/%比96.47 MK 钾物矿量 Content /(mg·kg-1)0.29 Aa含16.65±率Percent /%比2.83 NEK 钾性换交非量 Content /(mg·kg-1)含488.36±4.94 Ad率Percent /%比0.27 SAK 钾性附吸殊量 Content /(mg·kg-1)2.01 Ad NASK特含47.27±率Percent /%比0.21钾性附吸殊2.47 Ad特含非量 Content /(mg·kg-1)36.63±率Percent /%比0.22 WSK 钾性溶量 Content /(mg·kg-1)1.23 Ad层Soil layer / cm水含37.67±10土0 ～型Forest types类分林96.93 0.14 Aa 16.53±2.71 462.90±9.67 Ac 0.23 2.78 Bc 39.08±0.14 2.28 Bd 24.08±0.12 0.49 Bd 20.36±20 10 ～MPc 96.93 96.09 0.52 Aa 0.20 Aa 16.29±16.91±2.76 3.02 463.86±16.49 Ac 531.45±18.03 Ac 0.12 0.35 2.14 Cd 20.70±2.41 Acd 61.63±0.08 0.28 1.75 Cd 13.95±2.46 Acd 49.47±0.11 0.26 1.83 Bc 1.33 Ac 17.71±45.52±30 10 20 ～0 ～96.70 0.29 Aa 16.78±2.75 477.81±10.63 Bc 0.24 2.23 Bbc 40.87±0.17 2.21 Bc 30.36±0.14 1.43 Bc 24.81±20 10 ～MPn 96.84 95.21 0.32 Aa 0.13 Aa 16.86±16.67±2.79 3.37 485.14±12.50 Bc 589.32±13.87 Ab 0.16 0.65 2.62 Cc 28.37±113.12±1.10 Ab 0.09 0.46 1.53 Cd 0.58 Ab 15.05±79.97±0.12 0.31 0.25 Cbc 0.66 Ab 20.40±54.75±30 10 20 ～0 ～96.06 0.12 Aa 16.68±3.23 560.35±17.66 Bb 0.27 1.89 Bb 46.93±0.24 1.11 Bb 41.41±0.21 1.48 Bb 37.03±20 10 ～ML 96.42 95.83 0.10 Aa 0.51 Aa 16.70±16.95±3.06 3.17 529.30±14.09 Bb 560.99±12.18 Abc 0.21 0.42 2.02 Cb 2.67 Ac 35.56±73.63±0.15 0.32 1.88 Cb 3.06 Ac 25.88±56.20±0.16 0.26 0.71 Ca 1.41 Ac 27.87±46.69±30 10 20 ～0 ～96.32 0.23 Aa 16.82±3.04 530.83±7.71 ABb 0.25 0.73 Bbc 43.18±0.18 1.61 Bc 31.55±0.21 1.90 Bb 36.04±20 10 ～PF 96.69 93.80 0.29 Aa 0.52 Aa 16.85±17.12±2.89 3.77 503.51±18.63 Bbc 687.48±16.53 Aa 0.17 1.24 0.39 Cbc 29.72±226.68±12.60 Aa 0.12 0.84 0.40 Cc 20.52±153.57±10.25 Aa 0.13 0.35 0.25 Cb 1.83 Aa 22.40±64.16±30 10 20 ～0 ～95.19 0.34 Aa 16.96±3.60 642.35±6.33 Ba 0.57 100.72±2.97 Ba 0.40 1.61 Ba 71.14±0.24 1.50 Ba 42.57±20 10 ～NF 95.72 0.28 Aa 16.96±3.36 594.55±8.33 Ca 0.44 2.93 Ba 78.46±0.31 2.48 Ba 54.99±0.17 0.95 Ca 30.05±30 20 ～字写大同不，standard error.著显异差间型林同不示表母字写小同不。0.05).The same below.差误准标±值均平为示表据数中表。钾物矿示表MK”，“钾性换交非示表NEK”，“钾性附吸殊特示表SAK”，“。钾同性下附特0.05）。吸殊非表（P ＜示NASK”著显异差，“间层钾土性同溶不水型示林表一WSK”同示表† “母“WSK” stands for water soluble K,“NASK” stands for Non-specifically K,“SAK” stands for Specifically-absorptive K,“NEK” stand for Non-exchangeable K,“MK” stands for Mineral K.The data in the table are expressed as mean ±Different small letters means significant difference between different forest types,different capital letters indicate significant differences between different soil layers of the same forest type (P ＜

表3 水曲柳人工林与天然林土壤非交换性钾转换量及转换率Table 3 Conversion content and conversion rate of non exchangeable potassium in soil of Fraxinus mandshurica plantation and natural forest

表4 水曲柳人工林与天然林各形态钾素的层化比率†Table 4 Stratifi cation ratio of various forms of potassium in Fraxinus mandshurica plantation and natural forest

研究区水曲柳人工林土壤水溶性钾、非特殊吸附性钾、特殊吸附性钾、非交换性钾均显著低于水曲柳天然林，含量从大到小依次为长白落叶松-水曲柳混交林、水曲柳纯林、红松-水曲柳混交林以及红皮云杉-水曲柳混交林，表明长白落叶松-水曲柳混交林和水曲柳纯林比红皮云杉-水曲柳混交林造成K 素含量下降的程度小。不同林分，因组成树种不同，树叶及凋落物中营养元素的差异和凋落物贮量、养分归还量及归还速率也不同，导致营养元素向土壤归还量不同，改善土壤钾素肥力的程度也会存在差异[27]。酸性土壤胶体带负电荷较少，陪伴离子以H+和Al3+为主[28]，相对于长白落叶松-水曲柳混交林和水曲柳纯林，红皮云杉-水曲柳混交林和红松-水曲柳混交林土壤的H+和Al3+数量更多，对钾的结合能力也就更差。

3.2 土壤非交换性钾的供钾潜力及活化

土壤非交换性钾作为速效钾的储备库，在土壤钾素循环中发挥着重要作用[29]。与水曲柳天然林相比，4 种类型水曲柳人工林土壤非交换性钾含量均呈现不同程度的下降。依据土壤非交换性钾含量300～600 mg·kg-1属于中等水平，大于600 mg·kg-1属于丰富水平的评级标准[21]，本研究区水曲柳人工林土层非交换性钾含量均处于中等水平，而水曲柳天然林0～20 cm 土层处于丰富水平。4 种类型水曲柳人工林土壤各有效形态钾含量本来就以红皮云杉-水曲柳混交林为最低，而最低的有效形态钾含量中还包含有最低非交换性钾含量最高程度转换而来的部分，进一步说明培育红皮云杉-水曲柳混交林较其他类型水曲柳人工林会有更低的土壤有效形态钾含量。

3.3 土壤钾素的表聚与层化

水曲柳人工林和水曲柳天然林土壤速效形态钾各组分均出现了明显的表聚和层化现象。森林凋落物归还到林地表面促进团粒结构的形成，改善土壤结构和孔隙度状况，提升土壤有机质和团聚体的数量[30-31]，进而导致表层土壤中更多的速效形态钾被吸附保蓄，减弱了速效形态钾向非交换性钾的转化[15]，虽然淋溶过程使一部分钾素向下输运，但树木生长过程中根系需要吸收大量的钾素。本研究中长白落叶松-水曲柳混交林较其他3 种类型水曲柳人工林表聚与层化现象更加明显，可能与其上层凋落物钾补充和下层钾消耗的共同作用有关。同时长白落叶松-水曲柳混交林土壤pH 值显著高于其他3 种类型水曲柳人工林，意味着长白落叶松-水曲柳混交林上层土壤钾素向下淋溶和迁移会慢于其他3 种类型水曲柳人工林[32]。

本研究对象人工林相对较弱的K 素迁移性制约了上层对下层的及时补给，可能会导致下层土壤缺钾。虽然树木根系的高强度活动会促进非交换性钾向速效态钾的转换，但是4 种类型水曲柳人工林土壤非交换性钾初始转换量和转换率均较低，满足不了树木根系对钾素的要求。根据土壤有效形态钾含量低于100～120 mg·kg-1属于缺钾土壤的一般评价标准[21]，本研究中长白落叶松-水曲柳混交林和水曲柳纯林在20～30 cm 土层、红松-水曲柳混交林和红皮云杉-水曲柳混交林在10～30 cm 土层可能缺钾，应当选择适宜的点位定期进行根系施钾。

林地土壤钾素循环是一个复杂的动态过程。本研究比较了4 种类型水曲柳人工林和天然林土壤水溶性钾、非特殊吸附性钾、特殊吸附性钾、非交换性钾和矿物钾含量的差异，并分析了非交换性钾的转换和各形态钾素的层化状况，对于林地土壤钾肥的施用和林分的科学培育具有一定的指导意义。但是仅仅知晓各形态钾素含量及其分布状况尚不能完全调控林地土壤钾的供给过程，还需深入研究土壤各形态钾素含量及其分布状况的环境影响因素。通过控制这些因素，调节土壤钾素的固定和释放过程及各形态钾素之间的转化速率，从而改善土壤供钾能力。

土壤钾素和钾肥研究一直是土壤植物营养与施肥领域最有活力的研究内容。20世纪80年代以来，农业土壤含钾矿物的特征与分布规律，土壤钾含量、状态和有效性，土壤钾素肥力评价方法等相关研究均得到了较大发展[33-35]。林业土壤钾的研究则仅仅停留在钾素含量方面[12-14]，未来林业应充实上述相关研究内容，以丰富我国林地土壤钾素的知识理论体系，更好地为森林培育服务。

4 结 论

水曲柳人工林土壤水溶性钾、非特殊吸附性钾、特殊吸附性钾、非交换性钾含量均低于水曲柳天然林。4 种水曲柳人工林中，红皮云杉-水曲柳混交林含量最低，长白落叶松-水曲柳混交林含量最高。红松-水曲柳混交林和红皮云杉-水曲柳混交林在10～30 cm 土层有效形态钾含量为85.35～98.69 mg·kg-1，长白落叶松水曲柳混交林和水曲柳纯林在20～30 cm 土层有效形态钾含量为89.05～97.46 mg·kg-1，可能缺钾。

水曲柳人工林各土层非交换性钾含量为462.90～589.32 mg·kg-1，属中等水平；水曲柳天然林0～20 cm 土层非交换性钾含量则超过600 mg·kg-1，属丰富水平。4 种人工林中，0～10 和20～30 cm土层非交换性钾转换量与转换率以红皮云杉-水曲柳混交林为最高，10～20 cm 土层非交换性钾转换量与转换率以长白落叶松-水曲柳混交林为最高。

水曲柳人工林和水曲柳天然林土壤速效形态钾和有效形态钾均出现了明显的表聚和层化现象。水曲柳人工林中，土壤速效形态钾的表聚和层化程度以红皮云杉-水曲柳混交林最轻，长白落叶松-水曲柳混交林最重。

基于水曲柳人工林土壤与水曲柳天然林土壤的对比结果，依据水曲柳人工林土壤速效形态钾与有效形态钾含量的变化及非交换性钾的转换情况，及时有效地对水曲柳人工林土壤施用钾肥，可改善水曲柳人工林土壤质量，促进水曲柳人工林生长。