不同龄组兴安落叶松林土壤养分及其化学计量特征

2021-08-05韩晓荣马秀枝李依倩

林业资源管理 2021年3期

韩晓荣,杨林,马秀枝,梁蕾,李依倩,梁芝

(内蒙古农业大学林学院,呼和浩特 010019)

土壤在陆地生态系统中具有重要的地位,它为植物的生长发育过程提供了养分与水分,并协调了植物对于土壤中各营养元素的吸收与利用[1-2]。碳(C)、氮(N)、磷(P)是生物体组成的基本化学元素,植物的生长发育各阶段离不开这些元素之间的相互作用[3-5],它们之间的相互作用保证了生物体的正常生长与价值的发挥[6-9],土壤的C,N,P含量以及化学计量比特征对土壤地力的维持、提高林木质量和提高森林生产力具有重要作用[10-12]。研究森林生态系统中不同龄组兴安落叶松林土壤养分含量及化学计量特征,能够反映出土壤的质量、植物各生长阶段的生长状况以及整个森林生态系统中物质循环的具体过程以及能量的逐级流动[13-14],揭示不同龄组兴安落叶松林土壤养分的限制性和有效性[15-18],对于完善森林生态系统服务功能和生态效益具有重要的意义[19],也有助于探究森林土壤养分循环规律,对提升森林生态系统服务功能和实现森林可持续发展均具有重要的意义[20-22]。

兴安落叶松(Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen)是大兴安岭的优势树种,是重要的工业原料和防护树种之一。大兴安岭地区土壤肥沃且无污染,土壤有机质和碳、氮、磷等元素含量居全国之首。近年来,对于大兴安岭地区土壤养分含量及化学计量特征的相关研究逐渐增多,证实了土壤养分含量受到微生物群落组成、不同龄组树种组成以及优势树种的生长速率等相关因素的影响。通过研究不同龄组兴安落叶松林土壤养分含量及C,N,P化学计量特征,能够揭示土壤C,N,P含量的变化规律以及它们之间的相互作用机制[23-24],可为兴安落叶松林经营与管理以及应对全球气候变化所带来的种种问题提供重要科学依据。

1 研究区概况

试验在大兴安岭森林国家野外科学观测研究站附近完成,样地的平均海拔在1 000 m左右；大兴安岭地区冬季为7个月左右,干燥而寒冷,平均气温在10 ℃以下；夏季则较短,一般为1个月左右,平均气温在22℃以上；降水主要集中在7—8月,年均日照时数2 595h。该区土壤肥沃且无污染,土壤有机质和各种微量元素含量丰富,主要土壤类型为棕色针叶林土,有利于多种类型植物的生长。

2 研究方法

2.1 样地设置和样品采集

选择4个不同龄组(幼龄林,31a生；中龄林,77a生；近熟林,99a生；成熟林,121a生)[25]的杜香-兴安落叶松林,各龄组设置3个20 m×20 m的样地。各龄组内的3个样地间最短距离不小于3 km。在进行样地设置的过程中,调查并记录海拔、坡向、经纬度等基本信息(表1)。

表1 兴安落叶松林样地信息统计表

2.2 数据处理

原始数据首先用Excel 2010进行整理,然后用SPSS 19.0进行单因素方差分析以及正态分布检验。土壤SOC,TN,TP以单位质量的养分含量(g/kg)表示,土壤的C∶N,C∶P,N∶P以质量比表示。利用逐步回归分析和皮尔逊相关系数来描述土壤养分含量及化学计量各指标之间的相关程度。在进行数据分析的过程中,将显著性检验的值设定为α=0.05[27-28]。

3 结果与分析

3.1 土壤容重

如图1所示,幼、中、近、成熟林土壤容重依次为1.06,0.95,1.05,0.73 g/cm3。随着兴安落叶松林林龄的不断增加,幼龄林土壤容重最大,成熟林最小。通过方差分析得知,4个龄组的土壤容重之间差异不显著。

图1 兴安落叶松林土壤容重

3.2 土壤SOC含量

由图2可知,兴安落叶松林幼、中、近、成熟林0～10 cm土层土壤SOC含量分别为47.41,68.38,122.30,95.53 g/kg,是10～20 cm土壤SOC含量的1.903,1.716,2.279,1.909倍。在0～10 cm土层,土壤SOC含量的变化范围为47.41～122.30 g/kg,近熟林最高,方差分析表明,近熟林土壤SOC与其他3个龄组具有显著性差异。在10～20 cm土层,土壤SOC含量在24.91～53.66 g/kg之间变化,近熟林最大,方差分析可知,各龄组土壤SOC均不具有显著差异。在同一龄组10～20 cm土层,土壤SOC含量均低于0～10 cm土层,通过方差分析,不同土层土壤SOC含量近熟林和成熟林不具有显著差异,幼龄林和中龄林差异达到显著水平。

注:不同小写字母表示各土壤养分指标不同龄组间差异显著(p<0.05)。

3.3 土壤TN 铵态氮硝态氮含量

1) 土壤TN。如图3所示,幼、中、近、成熟林4个龄组兴安落叶松林0～10 cm土层土壤TN含量分别为2.26,2.73,4.14,4.02 g/kg,是10～20 cm土壤TN含量的1.725,1.452,1.663,1.887倍。土壤TN含量在0～10 cm变化范围为2.26～4.14 g/kg,土壤TN含量在幼龄林、中龄林与近熟林之间差异性显著。10～20 cm土层土壤TN含量的变化范围为1.31～2.49 g/kg,由方差分析可知,各龄组10～20 cm土壤TN含量差异性均不显著。同一龄组0～10 cm土壤TN含量均高于10～20 cm,不同土层土壤TN含量幼龄林和中龄林差异达到显著水平,近熟林和成熟林不具有显著差异。

注:不同小写字母表示各土壤养分指标不同龄组间差异显著(p<0.05)。

2) 土壤铵态氮。幼、中、近、成熟林4个龄组兴安落叶松林0～10 cm土层土壤铵态氮含量分别为3.77,3.19,3.93,0.99 mg/kg,是10～20 cm的1.122,0.941,1.040,0.266倍。在0～10 cm土层,土壤铵态氮的变化范围为0.99～3.93 mg/kg,近熟林最高,由方差分析得知,各龄组0～10 cm土层土壤铵态氮含量不具有显著性差异。在10～20 cm,土壤铵态氮含量在3.36～3.78 mg/kg之间变化,幼龄林最低,由方差分析得知,各龄组土壤铵态氮含量差异均不显著。幼龄林和近熟林0～10 cm土壤铵态氮含量高于10～20 cm,中龄林和成熟林则相反。在同一龄组,0～10 cm和10～20 cm土壤铵态氮含量差异性不显著。

3) 土壤硝态氮。幼、中、近、成熟林4个龄组兴安落叶松林0～10 cm土壤硝态氮含量分别为1.55,1.11,1.38,0.99 mg/kg,是10～20 cm的1.582,0.835,1.516,0.961倍。在0～10 cm土层,土壤硝态氮含量的变化范围为0.99～1.55 mg/kg,幼龄林最高。在10～20 cm,土壤硝态氮的含量变化范围为0.91～1.33 mg/kg,中龄林最高。由方差分析得知,各龄组0～10 cm,10～20 cm土壤硝态氮含量差异性均不显著。幼龄林和近熟林10～20 cm土壤硝态氮含量低于0～10 cm,中龄林和成熟林则相反；同一龄组0～10 cm和10～20 cm土壤硝态氮含量之间均不具有显著差异。

3.4 土壤TP含量

如图4所示,幼、中、近、成熟林4个龄组兴安落叶松林0～10 cm土层土壤TP含量分别为0.69,0.55,0.67,0.69 g/kg,是10～20 cm的1.131,1.058,1.264,1.190倍。在0～10 cm土层,幼龄林的土壤TP含量均值最高,成熟林次之,各龄组0～10 cm土壤TP含量无显著差异。在10～20 cm,土壤TP含量为0.52～0.61 g/kg,幼龄林均值最高,成熟林次之,中龄林最低,土壤TP含量在各龄组差异性均不显著。在同一龄组不同土层间,10～20 cm土壤TP含量均低于0～10 cm。由方差分析得知,土壤TP含量在同一龄组不同土层间均不具有显著差异。

注:不同小写字母表示各土壤养分指标不同龄组间差异显著(p<0.05)。

3.5 土壤 C,N,P 化学计量比

1) 土壤C∶N。如图5所示,幼、中、近、成熟林4个龄组兴安落叶松林0～10 cm土壤C∶N分别为20.89,25.38,29.54,24.10,是10～20 cm的1.102,1.082,1.379,1.115倍。土壤C∶N在0～10 cm,10～20 cm都表现为随着林龄的增加先升高而后降低,0～10 cm土层近熟林最高,10～20 cm中龄林最高。由方差分析得知,0～10 cm土壤C∶N在幼龄林、成熟林与近熟林具有显著差异,10～20 cm幼龄林与中龄林之间差异显著,在同一龄组不同土层间土壤C∶N均不具有显著差异。

2) 土壤C∶P。幼、中、近、成熟林4个龄组兴安落叶松林0～10 cm土壤C∶P分别为72.51,126.68,183.63,138.28,是10～20 cm的1.668,1.699,1.842,1.578倍。土壤C∶P在0～10 cm,10～20 cm均随着林龄的增加先升高后降低,近熟林达到最高。由方差分析得知,0～10 cm土层除中龄林与成熟林,土壤C∶P在各龄组之间都具有显著差异,10～20 cm只有幼龄林土壤C∶P与其他林龄之间差异性显著,不同土层土壤C∶P幼龄林和成熟林差异达到显著水平,中龄林和近熟林不具有显著差异。

3) 土壤N∶P。幼、中、近、成熟林4个龄组兴安落叶松林0～10 cm土壤N∶P分别为3.45,4.98,6.21,5.83,是10～20 cm的1.527,1.423,1.335,1.550倍。土壤N∶P在0～10 cm,10～20 cm均随着林龄的增加先升高后降低,近熟林达到最高。由方差分析得知,0～10 cm,10～20 cm只有幼龄林与其他龄组之间的土壤N∶P差异显著；同一龄组不同土层间,土壤N∶P均不具有显著差异。由兴安落叶松林土壤 C,N,P 化学计量比得知,在同一龄组不同土层间,0～10 cm土壤C∶N,C∶P,N∶P均大于10～20 cm。

注:不同小写字母表示各土壤养分指标不同龄组间差异显著(p<0.05)。

3.6 土壤养分含量及其化学计量比之间的相关性

3.7 土壤容重与土壤养分及其化学计量比之间的关系

土壤容重与土壤养分及其化学计量比之间满足的回归方程、相关关系以及所对应的R2,如表3所示,由此能够得出结论:土壤容重对土壤SOC,TN,TP具有不同程度的影响；土壤C∶N随着土壤容重的增加先升高后降低,造成这种变化趋势的原因是某些因素导致土壤TN的增加速度在中间某一阶段高于土壤SOC的增加速度,进而导致了土壤C∶N的下降；土壤C∶P,N∶P随着土壤容重的增加而逐渐降低,是因为土壤TP随容重的增加而增加,而土壤SOC,TN随土壤容重的增加而逐渐降低,所以土壤TP的上升速度比土壤SOC,TN高。

表3 土壤容重与土壤养分及其化学计量比间的关系

4 讨论

4.1 土壤理化性质随林龄的变化特征

通过本研究能够得知,兴安落叶松林的龄组和土层深度对土壤容重有着不同的影响,土壤容重随着林龄的增加表现出降低的变化趋势,这与很多研究所得出的结论大同小异。在同一龄组,随着土层深度的加深,土壤养分含量逐渐降低,这与曹娟等[29]和张珊[30]所进行相关试验得出的结论具有一致性。由方差分析得知,林龄对土壤养分含量具有重要的影响,这与崔宁洁等[31]得出的结论:随着森林林龄的不断增加土壤TP变化不显著而土壤TN呈现出明显的增加趋势相一致,但是与土壤SOC呈现明显的降低趋势的结论具有很大的差异,造成这种差异的原因是兴安落叶松林林下植被不同而导致土壤理化性质等存在差异,以及兴安落叶松林对土壤养分的需求不同,也可能是因为在进行实验的过程中对于龄组的划分方法不同,以及人类活动对表层土壤产生了影响而导致的。

4.2 土壤化学计量特征随林龄的变化

土壤C∶N能够确定土壤中营养物质的平衡情况及土壤质量,它影响着土壤中C,N元素的循环与利用过程；土壤C∶P能够较直观地反映植物的生长速度以及土壤磷素的矿化能力；土壤N∶P能够反映生态系统营养结构的变化以及有机质的分解过程；所以土壤C∶N,C∶P,N∶P在兴安落叶松林不同龄组的变化过程能够影响到植物对营养物质的吸收和利用过程,进而影响植物的整个生长发育进程以及森林资源的可持续发展[32-33]。在本研究得出的相关结论中,各龄组兴安落叶松林林下土壤C∶N值为18.96～29.54,明显高于我国以及世界的标准均值,这就说明该研究区内土壤微生物的数量不足且分解能力较弱,不利于N元素的释放,进而影响了植物对养分的吸收利用,对植物的生长发育过程产生了重大的影响。土壤C∶P,N∶P,随着林龄的不断增加,表现出先增高后降低的变化趋势,这与孙娇等[34]对不同林龄刺槐林土壤团聚体化学计量特征及其与土壤养分的关系中所得出的随林龄增加土壤C∶P逐渐增高的结论一致。本研究中土壤C∶P的值均高于我国土壤C∶P的平均值,造成这种结果的原因可能是由于本研究区位于我国东北部,土壤肥沃且土壤中含有较高的N,P等元素。