鲁中山区华山林场典型林分的土壤养分和微生物生物量特征

付德刚，高赞东，韩 敬，汪晓红，郑惠中，

赵文太1，戴风龙3，亓军霞4，许景伟5，囤兴建5，李 辉2

（1.山东省林业保护和发展服务中心，山东济南 250014；2.临沂大学农林科学学院，山东临沂 276000；3.济南市莱芜区园林绿化和林业发展中心，山东 济南 271100；4.济南市莱芜区国有华山林场，山东 济南 271100；5.山东省林业科学研究院，山东 济南 250014）

土壤是森林系统的重要组成部分[1]，其质量直接影响森林生态系统的稳定[2]。土壤养分参与土壤的物质循环和能量转化，对林木生长发育具有重要影响，是反映土壤质量状况的重要指标[3-5]。土壤微生物是土壤有效养分的重要来源[6,7]，不仅参与物质转化过程中的许多生化反应，而且通过自身的代谢和周转，促进养分的循环和植物吸收有效性[8,9]，其性状随着自然因素、人为因素而产生变化，能快速反映土壤状态，是最为敏感的土壤质量生物学指标[10,11]。

随着我国人工林迅速发展，近年来植被恢复、土地退化等成为人工林建设的重点。通过研究不同林分人工林土壤养分情况，探明引起土壤退化的因素，对提高人工林生态功能，促进人工林健康可持续发展有重要的理论和实践意义[12]。

华山林场位于鲁中南山地泰山支脉，境内地形条件复杂，典型林分为人工侧柏林和黑松—侧柏混交林。本研究以该林场典型林分下土壤为研究对象，研究其土壤养分含量特征和微生物生物量碳、氮特征，分析两者之间的相互关系，为林场的健康持续经营和土壤管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于鲁中山区泰山东麓华山林场（36°22′—36°28′N，117°22′—117°33′E）。为温带大陆性季风气候区，四季分明，雨热同期，干湿明显，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，冬季干冷少雪，年均降水量为800 mm。林场属鲁中南山地泰山支脉，境内山峦起伏，沟壑纵横，岩石为火成岩山地，基岩以片麻岩、花岗岩类为主，土壤类型为山地棕壤。林场有乔木50 科200 多种，形成以松类、刺槐、侧柏为主体的森林群落结构。

1.2 研究方法

1.2.1 检测样地选择

根据实地调查，通过典型样地法，2022年5月于华山林场，选取5 种不同林分密度和林分类型的公益人工林Y—1、Y—2、Y—3、Y—4、Y—5，其中Y—1、Y—2 为侧柏纯 林，Y—3、Y—4、Y—5为侧柏—黑松混交林，每种公益人工林各设置3个25.8 m×25.8 m 的标准地（667 m2），林龄15年，属于幼龄林阶段，样地基本情况见表1。

表1 林地基本概况Table 1 Summary information of typical forest plots

1.2.2 样品采集与测定

于2022年5月进行土壤样品采集，在每个标准样地内按对角线布设3 个试验样点，以土壤深度0-20 cm采集表层土壤样品，将采集的土壤样品过筛后进行土壤养分和微生物生物量碳、氮测定。

测定方法：电位法测定土壤pH 值；重铬酸钾—氧化外加热法测定有机质；高氯酸—硫酸硝化凯氏定氮仪法测定土壤全氮；扩散法测定土壤碱解氮；碳酸氢钠浸提法测定速效磷；NH4Ac 浸提—火焰光度法测定速效钾；氯仿熏蒸浸提法测定微生物生物量碳和微生物生物量氮[13,14]。

1.2.3 土壤养分指标选择和分级标准

基于前人的研究成果[15]，本研究选取了pH 值、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾6 个重要指标，以最大限度代表土壤养分水平。

根据中国土壤pH 值分级标准和全国第二次土壤普查养分分级标准，结合前人对林地土壤指标的评价标准，设置林地土壤主要养分分级标准[16]，见表2。

表2 林地土壤主要养分分级标准Table 2 Classification standards of main indicators of forest soil quality

1.2.4 数据处理

运用Excel 进行数据整理，运用SPSS17.0 对数据进行描述性统计分析、单因素方差分析、多重比较和相关性分析。采用变异系数来分析土壤质量指标的变异程度，计算公式为：CV=(SD/M)×100%。式中CV、SD 和M 分别为变异系数、标准差和平均值。变异系数（CV）可以用于表征指标敏感性，变异系数越大表明该指标对差异性也越敏感，当变异系数＜10%时，为弱变异；当10% ≤变异系数≤30%时，为中度变异；变异系数＞30%时，为高度变异[17,18]。

2 结果分析

2.1 典型林分土壤养分含量分析

由表3统计分析结果可知，各种土壤养分指标的变异系数中，只有土壤pH 值的变异系数仅为4.85%，低于10%，为弱变异，而有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾的变异系数均大于30%，为高度变异，其中有机质和全氮的变异系数均在80%以上，说明土壤养分变异性强，稳定性差。

表3 林地土壤养分描述性统计分析结果Table 3 Descriptive statistical analysis of soil nutrients of forest

通过比较各养分指标的变化范围和等级占比发现（表3），土壤pH 值在4.63～5.30 之间，均属于酸性；有机质含量变幅在10.8～93.1 g/kg 之间，平均值为31.6 g/kg，均处于适中及以上等级，其中有40 %处于较高等级，说明有机质含量水平处于中上等级；全氮含量在0.40～4.37 g/kg 之间，70%处于“适中”及以下等级，并有30%处于很高等级，说明全氮含量水平变化起伏大；碱解氮含量水平变化亦大，并与全氮等级分布趋势相似；有效磷含量变幅在15.4～148.0 mg/kg 之间，平均值为67.0 mg/kg，且90%处于很高级别，说明有效磷含量水平很高；速效钾含量变幅在17.0～56.0 mg/kg 之间，平均值为37.2 mg/kg，30%处于适中等级，70%处于较低及以下等级，整体偏低。

表4所示，通过方差分析发现，林分密度越大土壤pH 值越高，如侧柏纯林林分密度3000 株/hm2土壤pH 值明显高于1950 株/hm2；侧柏—黑松混交林林分密度1500 株/hm2，土壤pH 值明显高于1050 株/hm2。说明无论是侧柏纯林还是侧柏—黑松混交林，土壤pH 值都受林分密度的影响，这是否与侧柏林分密度影响其次生代谢产物有关还需要进一步研究。

从土壤养分含量来看，除速效钾外，土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷含量都随着林分密度的降低而升高，如侧柏纯林中，林分密度1950 株/hm2土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷含量均明显高于3000 株/hm2（p≤0.05）；侧柏—黑松混交林中，林分密度1050 株/hm2的土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷含量均高于1500 株/hm2（表4）。在一定程度上说明，林分密度越低越有利于土壤中某些特定养分的积累。就速效钾而言，林分密度对其土壤速效钾含量影响无明显规律，如侧柏纯林Y-1 和Y-2 速效钾含量分别为44.5 mg/kg 和40.0 mg/kg，差异不显著（p ＞0.05）；侧柏—黑松混交林中，土壤速效钾含量1050 株/hm2（450 株/hm2侧柏+600 株/hm2黑松）＞1500 株/hm2（450 株/hm2侧柏+1050 株/hm2黑松）＞1050 株/hm2（150 株/hm2侧柏+900 株/hm2黑松），差异显著（p≤0.05）。

表4 不同林分组成土壤养分含量Table 4 Soil nutrients of different stands

从林分类型来看，本研究中纯林土壤养分含量普遍高于混交林，这可能由于侧柏—黑松混交林的林分密度显著低于侧柏纯林，致使其林分生长状况和林下灌草情况不同造成的。

总体而言，侧柏幼龄林土壤养分受林分密度的影响，林分密度越大土壤养分含量越少（除速效钾）。

2.2 典型林分土壤微生物生物量碳、氮含量分析

表5所示，微生物生物量碳含量范围为167.31~381.67 mg/kg，平均值为242.07 mg/kg，较我国森林土壤微生物生物量碳含量（200.57±13.99）～（913.32±39.62）mg/kg）[19]，处于较低水平。变异系数为22.89%，属于中度变异，说明土壤微生物生物量碳含量在样地间变异性较强。微生物生物量氮含量范围为5.96~73.86 mg/kg，变异系数为73.42%，属于高度变异，说明土壤微生物生物量氮含量在样地间变异性强。

表5 土壤微生物生物量碳、氮含量描述性统计分析结果Table 5 Descriptive statistical analysis of soil microbial biomass C,N

微生物生物量碳、氮的分布频率如图1所示。大部分土壤（60%）的微生物生物量碳含量较低，在160~240 mg/kg 之间；少数土壤（10 %）的微生物生物量碳含量较高，在320~400 mg/kg 之间。大部分土壤（60 %）的微生物生物量氮含量较低，在5~30 mg/kg 之间；少数土壤（20%） 的微生物生物量氮含量较高，在55~80 mg/kg 之间。

图1 微生物生物量碳、氮含量的分布频率Figure 1 Distribution frequency of microbial biomass carbon,nitrogen

从表6中可以看出，在侧柏纯林中，林分密度对土壤微生物生物量碳和土壤微生物生物量氮的影响较大（p ≤0.05），其中林分密度1950 株/hm2的土壤微生物生物量碳含量为3000 株/hm2的1.15 倍，土壤微生物生物量氮含量为3000 株/hm2的85.99%；在侧柏—黑松混交林中，林分密度对土壤微生物生物量碳、氮含量影响不大，各林分密度之间差异不明显（p ＞0.05）。

表6 不同林分土壤微生物生物量碳、氮含量Table 6 Soil microbial biomass C,N of different stands

从林分类型来看，侧柏纯林中的土壤微生物生物量碳、氮含量高于侧柏—黑松混交林，其中Y—2 土壤微生物生物量碳为274.5 mg/kg 明显高于Y—3、Y—4、Y—5 三个混交林（231.9 mg/kg、239.2 mg/kg、226.9 mg/kg）；Y—1 中土壤微生物生物量氮分别为Y—3、Y—4、Y—5 的1.49、1.21、1.13 倍。

总体而言，侧柏纯林土壤微生物生物量碳、氮含量高于侧柏—黑松混交林，且侧柏纯林中，林分密度越大土壤微生物生物量碳越低，土壤微生物生物量氮越高（p ≤0.05）。

2.3 土壤微生物生物量碳、氮与土壤养分间相关分析

如表7所示，研究样地中的土壤微生物生物量碳含量与全氮、碱解氮呈极显著正相关（p＜0.01），与有机质、有效磷呈显著正相关（p＜0.05）；土壤微生物生物量氮仅与有机质呈显著正相关（p＜0.05），和其他指标无显著相关性。土壤pH 值仅与有效磷含量达到显著负相关，土壤有机质含量仅与全氮含量达显著正相关（p＜0.05），与其他指标无显著相关性；土壤全氮含量与碱解氮、有效磷含量均达到极显著正相关（p＜0.01）；土壤碱解氮含量与有效磷达到极显著正相关（p＜0.01）；速效钾与各指标均无显著相关性。总体来看，土壤各养分之间的关联性较强，尤其是有效磷，其含量高低可直接影响土壤微生物生物量碳、全氮、碱解氮含量及pH值，间接影响土壤有机质、土壤微生物生物量氮含量。这一定程度上说明，在研究区域内增施磷肥可有效提高其土壤其他养分含量。

表7 土壤微生物生物量碳、氮与化学性质间的相关系数Table 7 Correlation coefficients among the soil microbial biomass C,N and soil nutrients contents

3 讨论与结论

本研究中除了土壤pH 值，华山林场典型林分的有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量变异性均为高度变异，说明研究地土壤养分稳定性差，华山林场沟壑纵横，由此造成不同程度的养分流失与淋失现象不容忽视。

华山林场典型林分土壤pH 值为酸性，且变异性弱，稳定性高，这是由于华山农场的土壤类型为山地棕壤，成土母质多为酸性花岗岩风化物。研究场地土壤有机质含量处于中上水平，全氮和碱解氮含量水平变化起伏大，并有相似的等级分布趋势，说明两者分布不均匀。有效磷含量水平很高，有效钾含量水平整体偏低，说明研究地林木生长受限因素主要是有效钾。

在侧柏纯林样地中，林分密度1950 株/hm2土壤养分含量明显高林分密度3000 株/hm2，这与前人研究的鲁中山地不同密度侧柏人工林土壤质量特性结果一致[15]。有学者研究表明，土壤表层养分含量受凋落物的种类、数量、质量及林下灌草等环境因子的综合影响[20,21]，而本研究中侧柏纯林的土壤养分含量明显高于侧柏—黑松交林，与李小倩等[22]研究的混交林土壤养分含量高于纯林有所不同，这可能由于本研究区中侧柏—黑松混交林林分密度过低（林分密度≤1500 株/hm2），林龄较小，林下凋落物稀少，不利于土壤养分累积造成的。

华山林场典型林分土壤微生物生物量碳含量与全氮、碱解氮含量呈极显著正相关，与有机质、有效磷含量呈显著正相关；而土壤微生物生物量氮仅与有机质呈显著正相关，说明研究区土壤微生物生物量碳对土壤的有机质、全氮、碱解氮、有效磷的供给非常敏感，可作为评价土壤养分情况的指标。

本研究中土壤有效磷和土壤微生物生物量碳、全氮、碱解氮含量成显著正相关，与土壤pH 值呈显著负相关，而土壤微生物生物量碳与土壤有机质呈显著正相关，土壤有机质又与土壤微生物生物量氮呈显著正相关，这说明土壤有效磷含量，可直接影响土壤微生物生物量碳、全氮、碱解氮含量及pH 值，间接影响土壤有机质、土壤微生物生物量氮含量。因此笔者建议可在侧柏幼龄林（土壤贫瘠）中增施磷肥以调整其土壤养分结构，提高其生长量。

土壤微生物生物量碳、氮是可溶性有机碳、氮的重要来源[23]。土壤养分和微生物含量的变化受到立地土壤环境条件和植物、种植制度及管理方法等因素的影响，有学者研究表明，在0—20cm 的林地表层影响土壤微生物量和土壤养分含量受凋落物的种类、数量、质量及环境因子的综合作用[24,25]。本研究中，仅对不同林分结构和有限研究指标进行了分析，将来可进一步研究立地条件和土壤养分和微生物生物量的关系，为改善人工林生境条件，实现林场可持续发展提供依据。