辽东山区主要森林类型土壤养分含量特征研究

戴 立

(辽宁省林业发展服务中心，辽宁 沈阳 110036)

森林是陆地生态系统的主体[1]，森林土壤是森林生态系统的重要组分和元素储库，不同土地利用方式直接影响生态系统物质循环过程及要素[2]，研究和了解森林土壤养分含量及特征，对进一步认识森林生态系统的营养元素循环过程、反馈机制和对各种干扰的响应，及实现森林生态系统服务功能的可持续管理均具有重要的理论和实践意义[3]。辽东山区是辽宁省重要的用材林生产基地和水源涵养基地，也是辽宁中部城市群和辽河平原的绿色屏障和重要水源地[4]，本研究以辽东地区柞木林、红松林、落叶松林3种不同森林类型为对象，通过测定其表层土壤中氮素(全氮、硝态氮、铵态氮)、磷素(全磷、有效磷)及有机碳含量，探索不同森林类型对土壤养分含量的影响，为今后合理调控森林土壤氮、磷、碳，改善森林土壤养分环境，并对制定有利于增加林地土壤养分含量森林持续经营的管理措施提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于辽宁省新宾县木奇镇境内，地理位置124°27′E，41°40′N，平均海拔400 m，该区为长白山脉向西南延伸的支脉余脉，属于温带大陆性季风气候，年均气温5～8 ℃，年均降水量700～1 200 mm，年均日照时数2 423.6 h，无霜期125～140 d，植被为长白和华北植物区系交汇处，土壤为棕色森林土。

2 研究方法

2.1 土样采集与制备

选择分布集中、立地条件相似的3种不同森林类型分别设置3个20 m×20 m的样地，共计12个样地，在每个样地内按照“S”型随机设置5个土壤剖面，采集0～10 cm土壤样品，取好后将5点样品混成1个土样，装入自封袋内密封保存，带回实验室测定。将采集的土壤样品自然风干，挑出植物残体、石块土砾后，研磨过100目筛备用，用于土壤化学性质测定。

2.2 化学性质测定

采用凯式定氮仪法测定土壤全氮；采用靛酚蓝比色法测定土壤铵态氮；采用紫外分光光度法测定土壤硝态氮；采用酸溶-钼锑抗比色法测定土壤全磷；采用碱浸提-钼锑抗比色法测定土壤有效磷；采用重铬酸钾-硫酸消化-硫酸亚铁滴定法测定土壤有机碳[5]。

2.3 数据处理

采用Excel 2019进行常规数据的统计及作图，利用SPSS 22.0对不同森林类型土壤化学性质进行方差分析。

3 结果与分析

3.1 不同森林类型土壤氮含量

从图1可以看出，3种林型土壤全氮含量为2.2～4.1 g·kg-1，其中落叶松林土壤全氮含量最高，柞木林次之，红松林最低。方差分析表明，红松林与落叶松林、柞木林的土壤全氮含量之间均存在显著差异(P<0.05)，而落叶松林与柞木林之间差异不显著(P>0.05)。3种林型土壤铵态氮含量为58.7～66.1 mg ·kg-1，表现为柞木林>落叶松林>红松林。方差分析表明，3种林型间铵态氮含量无显著差异(P>0.05)。土壤硝态氮含量表现为落叶松林最高，达98.6 mg ·kg-1，红松林次之，为60.4 mg ·kg-1，柞木林最低，为57.4 mg ·kg-1。

图1 不同林型土壤的氮素含量

3.2 不同森林类型土壤磷含量

从图2可以看出，柞木林土壤全磷含量最高，为421.0 mg ·kg-1，落叶松林为403.9 mg ·kg-1，红松林最低，为327.5 mg ·kg-1。土壤有效磷含量为16.7～20.1 mg ·kg-1，表现为柞木林>落叶松林>红松林。方差分析表明，红松林与落叶松林、柞木林的土壤全磷含量之间均存在显著差异(P<0.05)，落叶松林与柞木林之间差异不显著，而3种林型土壤有效磷含量差异不显著(P>0.05)。

图2 不同林型土壤的磷素含量

3.3 不同森林类型土壤有机碳含量

从图3可以看出，柞木林有机碳含量最高，为70.5 mg ·kg-1，其次是落叶松林，为60.4 mg ·kg-1，红松林最低，为53.8 mg ·kg-1。方差分析表明，3种森林类型下土壤有机碳含量之间差异不显著。

图3 不同林型土壤的有机碳含量

4 结论与讨论

土壤氮、磷、碳含量动态变化与其土壤生产力、大气中温室气体浓度的变化关系密切，因此，土壤氮、磷、碳循环研究一直是土壤学、农学、生态学界重点关注领域。本研究结果表明，3种森林类型土壤全氮含量表现为落叶松林>柞木林>红松林。土壤全氮包括有机态氮和无机态氮，全氮含量代表着土壤中氮总的贮存量和供氮能力[6]。土壤的氮素主要来源于土壤表面枯落物的分解。落叶松和柞树都是落叶林，落叶松林和柞木林的枯落物层高于红松林，导致落叶松林、柞木林土壤全氮含量高于红松林。铵态氮是以铵根离子的形态流通于大气、水、土壤、植物和能充当肥料的枯落物等物质之间[7]。3种林型土壤铵态氮含量表现为柞木林>落叶松林>红松林，铵态氮含量相差不大。土壤中铵态氮含量与全氮含量的差异主要体现在柞木林与落叶松林，这主要是因为柞木林与落叶松林相比，根系对氮素的吸收能力更强，叶片铵态氮含量更高[8]，枯落物对土壤氮素补充能力也更强。土壤铵态氮含量可以反映出土壤供氮能力，本研究中，3种林型土壤中铵态氮含量均较高，说明供氮能力较强。3种林型土壤硝态氮含量表现为落叶松林>红松林>柞木林。硝态氮同铵态氮一样，易被植物体吸收，但硝态氮极易溶于水，易造成养分流失[9]。养分的流失程度取决于植被茂密程度，即地表枯落物层的厚度和林地的垂直结构。而红松林与落叶松林、柞木林相比，土壤中硝态氮的含量低于落叶松林，稍高于柞木林，这可能因为红松林土壤中有机氮的矿化作用和无机氮的固持作用更强[10]。此外，在通气性较好的土壤中，铵态氮也易转化为硝态氮[11]。

磷是植物生长发育所必需的营养元素之一，能被植物吸收利用的磷主要来源于土壤，而土壤磷素主要来自于土壤中枯落物的分解[12]。本研究3种森林类型土壤中全磷和有效磷含量表现均为柞木林>落叶松林>红松林。土壤全磷含量是土壤中磷元素的总贮存量，包括有机磷和无机磷，而土壤有效磷是可以被植物直接吸收利用的，其含量反映了土壤的供肥能力[13]。土壤有效磷的含量也与土壤表层的枯落物分解有关[14]，柞木林和落叶松林枯落物层厚，因此含量要高于红松林。

森林储存了占整个陆地生态系统2/3以上的有机碳，在调节全球生态系统碳平衡中起了巨大作用[15]，而人类活动、林分状况和自然环境条件的变化是影响森林碳储量的主要因素[16]。本研究中3种森林类型土壤中有机碳含量表现为柞木林>落叶松林>红松林。土壤有机碳主要来自于土壤表层枯落物的腐烂分解[17]，柞木林由于人为干扰较少，枯落物层较厚，土壤有机碳最高。落叶松林和红松林由于人为干扰较多，例如间伐、果实采摘等；而落叶松林的枯落物层较红松林厚，因此落叶松林的有机碳含量高于红松林。