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白于山区不同坡位油松人工林土壤理化性质差异

2023-05-30高天健

防护林科技 2023年3期
关键词:土壤理化性质坡位油松

摘要為探究不同坡位油松林下土壤理化性质的空间分布特征,以白于山区典型油松人工林为例,选取立地条件一致、植被分布状况相似的油松人工林3处,于坡上、坡中、坡下分别采集0~<10、10~<40、40~<60cm土层土样,分析不同坡位条件下土壤物理性质及化学指标的差异。结果表明:(1)土壤含水率、孔隙度、速效氮、有机质含量、C/N、N/P均表现出坡下>坡中>坡上的变化规律,土壤容重、土壤pH则表现为坡上>坡中>坡下的规律。(2)坡位与土壤含水率、孔隙度、速效氮、有机质、全氮、全磷均呈极显著正相关(P<0.01),其相关性排序为:含水率>孔隙度>有机质>全氮>速效氮>全磷,说明坡位是影响土壤含水率变化的主要因素。(3)无论哪一坡位条件下,土壤容重随土层深度的增加而增加,孔隙度则随土层深度的增加而减小。在经营管理中,应充分考虑坡位因素,同时应适当增加上、中坡位的油松人工林土壤养分,提高肥力,因地制宜,促进白于山区困难立地人工林可持续经营。

关键词油松;坡位;土壤理化性质

中图分类号:S791.254;S714.2文献标识码:Adoi:10.13601/j.issn.1005-5215.2023.03.004

DifferencesinSoilPhysicalandChemicalPropertiesofPinustabulaeformisForestatDifferentSlopePositionsinBaiyuMountainArea

GaoTianjian

(ForestryCollege,NorthwestUniversityofAgricultureandForestryScienceandTechnology,Yangling712100,China)

AbstractTakingthetypicalPinustabulaeformisplantationinBaiyumountainareaasanexample,thespatialdistributioncharacteristicsofsoilphysicalandchemicalpropertiesunderPinustabulaeformisforestatdifferentslopepositionswereexplored.ThreePinustabulaeformisplantationswiththesamesiteconditionsandsimilarvegetationdistributionwereselected.Soilsamplesof0-<10cm,10-<40cm,40-<60cmsoillayerswerecollectedfromtheupper,middleandlowerslopes,respectively,toanalyzethedifferencesofsoilphysicalpropertiesandchemicalindexesunderdifferentslopeconditions.Theresultsshowedthefollowingthreeaspects.(1)Soilmoisturecontent,porosity,availablenitrogen,organicmattercontent,C/NandN/Pallshowedthechangeruleoflowerslope>middleslope>upperslope,whilesoilbulkdensityandsoilpHshowedtheruleofupperslope>middleslope>lowerslope.(2)Slopepositionwaspositivelycorrelatedwithsoilwatercontent,porosity,availablenitrogen,organicmatter,totalnitrogenandtotalphosphorus(P<0.01),andthecorrelationorderwaswatercontent>porosity>organicmatter>totalnitrogen>availablenitrogen>totalphosphorus,whichindicatedthatslopepositionwasthemainfactoraffectingsoilwatercontent.(3)Nomatterwhichslopepositionconditions,soilbulkdensityincreasedwiththeincreaseofsoildepth,andporositydecreasedwiththeincreaseofsoildepth.Intheoperationandmanagement,thefactorsofslopepositionshouldbefullyconsidered,andatthesametime,andthesoilnutrientsandfertilityoftheupperandmiddleslopeofPinustabulaeformisplantationshouldappropriatelybeincreasedtopromotethesustainablemanagementoftheplantationonthedifficultsiteintheBaiyumountainareaaccordingtolocalconditions.

KeywordsPinustabuliformis;positiononslope;soilphysicalandchemicalproperties

油松(Pinustabulaeformis)是我国北方主要造林树种,适应性强,栽培面积大,在困难立地森林可持续经营中占有极其重要的地位[1]。土壤是陆地生态系统的重要组成部分,土壤有机质、氮、磷等化学元素及含水率、孔隙度等物理性质是植被生长发育过程中最重要的限制因子,也是衡量土壤养分、土质及细根分布状况的重要参数,了解土壤养分分布规律,对了解森林生态系统物质循环、碳汇等具有十分重要的意义[2]。目前,关于油松人工林的研究,集中体现在密度调控[3]、树冠模型建立[4]、林下更新[5]对地上地下生物量分配的影响等方面。

白于山区植被稀少,黄土裸露,土壤侵蚀严重,是陕西省植被盖度最小、生态环境最为脆弱的地区之一[6]。已有研究表明,山地森林生态系统的地形因素对土壤养分的分配格局具有重要影响,其中坡位是关键影响因素之一[7,8],而鲜有学者以白于山区油松林地为研究对象,开展坡位对土壤养分及物理性质的影响研究。因此,本研究选择白于山区典型油松林地,探究坡位与林地土壤理化性质的关系,旨在揭示地形对林分土壤理化性质的影响,为困难立地造林及森林经营管理提供科学依据。

1研究区概况

研究区域位于陕西省榆林市定边县,地理坐标37°15′74″E,107°56′22″N,海拔1587m,属温带半干旱大陆性季风气候,主要特点是:春多风、夏干旱、秋阴雨、冬严寒,日照充足,雨季迟且雨量年际变化大,年平均气温7.9℃,年平均日照2743.3h,年均降水量316.9mm,年平均无霜期141d左右,绝对无霜期110d,土壤大多为细沙黄绵土,主要植被类型有油松(Pinustabulaeformis)、侧柏(Platycladusorientalis)、水桐(Camptothecaacuminata)、大果榆(Ulmusmacrocarpa)、臭椿(Ailanthusaltissima)、沙枣(Elaeagnusangustifolia)、百里香(Thymusmongolicus)、长芒草(Stipabungeana)、针茅(Stipacapillata)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、柠条(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、苜蓿(Medicagosativa)等。根据实地调查,结合当地地形特征,选取具有代表性的典型人工油松林作为研究对象,样地信息如表1所示。

2材料与方法

2.1样地布设与样品采集

于研究区内选择立地条件一致、植被分布情况相似的油松人工林3处,坡度15°左右,于坡面設置上、中、下3个坡位(坡长100m),于每个坡位上平行设置15m×15m的3个标准地,采用多点取样的方法,用环刀分层采集0~<10、10~<40、40~<60cm土层土样,用于土壤理化性质的测定。

2.2指标测定

土壤有机质含量的测定采用重铬酸钾外加热法,全氮(TN)采用浓硫酸消煮-半微量凯氏定氮法测定,碱解N采用碱解扩散法测定,全磷(TP)采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定,速效磷采用双酸提取后利用钼锑抗比色法测定,速效钾用中性醋酸铵浸提后用火焰光度计测定。土壤孔隙度、土壤容重、含水率用环刀法测定[9,10]。

2.3数据处理及分析

利用Excel2019进行数据整理,用Origin2021完成数据绘图,用SPSS25.0中单因素方差分析法(One-wayANOVA)对不同坡位条件下的土壤理化指标进行差异性分析,并采用Duncan法进行多重比较(α=0.05),用Pearson法对土壤理化性质及坡位之间的相关性进行分析。

3结果与分析

3.1不同坡位油松林土壤物理性质分布规律

不同坡位油松林土壤含水率、容重及孔隙度随土层深度的变化规律如表2所示。

由表2可知,土壤含水率与孔隙度均表现出坡下(17.84%、57.50%)>坡中(14.49%、55.84%)>坡上(9.58%、50.94%)的变化规律,土壤容重则表现为坡上(1.35g.cm-3)>坡中(1.20g.cm-3)>坡下(1.14g.cm-3)的规律。无论哪一坡位,土壤含水率均以10~<40cm土层最高。土壤容重随土层深度的增加而增大,土壤孔隙度的变化规律则与之相反。任一土层的土壤容重均呈现出坡上>坡中>坡下的规律,土壤孔隙度则呈坡下>坡中>坡上的规律,土壤含水率在0~<10cm土壤表层以坡中为最大,达13.64%,在10cm土层深度以下则呈坡下>坡中>坡上的变化规律。

3.2不同坡位油松林土壤化学性质分布规律

由表3可知,土壤pH呈坡上>坡中>坡下的变化规律,速效氮的变化规律则与之相反。由图1和图2可知,有机质、全氮及全磷均表现为坡下(12.67、0.87、0.57mg.kg-1)>坡中(9.54、0.77、0.53mg.kg-1)>坡上(6.39、0.49、0.47mg.kg-1)。无论哪一坡位,速效磷含量均以0~<10cm土壤表层为最高,速效钾含量均以40~<60cm土层为最低,且与其余土层差异显著(P<0.05)。土壤pH则随土层深度的加深而增大(P>0.05),说明土层深度的变化对土壤pH无显著影响。

由图1可知,同一坡位条件下,土壤有机质含量均随土层深度的加深而显著降低(P<0.05),同一土层深度条件下,土壤有机质含量均呈现坡下>坡中>坡上的变化规律。

由图2可知,在坡上、坡中两坡位,土壤全氮含量均随土层深度的加深而降低,全磷含量以10~<40cm土层为最高,且表层土壤(0~<10cm)全氮含量与其余土层差异显著(P<0.05)。全氮及全磷含量的最低值均出现在坡上40~<60cm土层,其值分别为0.34和0.43g.kg-1。

3.3不同坡位条件下油松林土壤化学计量比特征

由图3、图4可知,C/N在不同坡位的均值总体呈坡下(14.69)>坡上(12.68)>坡中(12.29)的变化规律,C/P和N/P均值总体呈坡下(23.08、1.57)>坡中(18.13、1.46)>坡上(13.67、1.04)的变化规律。任一坡位,土壤C/N均随土层深度的增加而降低,且C/N最小值出现在坡上40~<60cm处,最大值出现在坡下0~<10cm处,其值分别为10.99和16.22。除坡下外,C/P、N/P均随土层深度的加深而减小,且最大值均出现在坡中0~<10cm处(24.43、1.81),最小值均出现在坡上40~<60cm处(8.87、0.80)。

3.4坡位与土壤理化性质的相关性分析

将坡位与土壤理化指标进行相关性分析(表4),结果表明,坡位与土壤容重呈极显著负相关(P<0.01,r=-0.592),与土壤含水率、孔隙度、速效氮、有机质、全氮、全磷均呈显著(P<0.05)或极显著正相关(P<0.01),相关系数rmax=0.847,rmin=0.462,其相关性排序为:含水率>孔隙度>有机质>全氮>速效氮>全磷,说明坡位是影响土壤含水率变化的主要因素,含水率的变化引起土壤孔隙度的改变(P<0.01,r=0.538),进而引起孔隙度在不同坡位上的变化(P<0.01,r=0.798)。

土壤有机质含量除与土壤深度、土壤容重、pH呈极显著负相关(P<0.01)外,其与坡位、含水率、孔隙度、速效氮、速效磷、全氮、全磷均呈显著或极显著正相关关系(P<0.05或P<0.01),说明土壤有机质含量的增加会促进元素的积累,表明土壤有效养分一部分来源于林地枯落物、有机物的输入。

4讨论与结论

4.1坡位对白于山区油松林地土壤理化性质的影响

坡位是影响土壤有机质形成及水分分布状况的重要限制因子,余明等[11]以杉木林为研究对象,结果表明,土壤养分含量普遍表现为坡下>坡中>坡上,出现这一现象的原因可能是不同坡位上,土壤水热资源分配不均,物质循环产生差异,坡上光照条件最强,削弱了土壤水分固持能力,促使有机碳向坡下转移,同时,雨水冲刷也是促使养分向坡下转移的重要因素。本研究结果表明,土壤有机质、全氮、全磷、含水率、孔隙度均呈现坡下>坡中>坡上的规律,这表明坡下土壤养分和持水能力更好,这可能是受自然作用的影响,坡下枯落物较多,土壤有机质含量较高,孔隙度較大,使土壤持水能力增加,养分蓄积能力增加,这与前人研究结果一致[12,13]。本研究中,全氮和全磷主要集中在下坡位,且土壤养分含量呈坡上>坡下的规律,说明油松根系对养分的吸收促使土壤养分含量降低[14],在林分管理时应加以重视。

本研究中,任一土层深度的土壤容重均呈现坡上>坡下的规律,这可能是因为坡上长期受雨水冲刷及阳光直射,土壤侵蚀严重,紧实度提高,这与贾茜等[15]的研究结果一致。

前人研究表明,C/P值低,有利于促进微生物分解有机质释放养分,提高土壤含磷量;而C/P值高则说明了土壤微生物对土壤有效磷有同化作用,出现微生物与作物竞争土壤有效磷,具有较强的固磷能力[16]。同时,当土壤N/P<10时,区域植被生长受到土壤N素限制[17]。本研究中,C/P和N/P总体呈坡下>坡中>坡上的变化规律,说明白于山区油松林地的氮素流失速度更加强烈,生长过程易受氮元素限制,坡上氮素流失速度更为明显,且坡上油松林的固磷能力更强。

4.2土层深度对白于山区油松林地土壤理化性质的影响

任一坡位下,土壤有机质、全氮、全磷含量均随土层深度的增加而降低,表明C、N、P具表聚效应,这可能是随着土层深度的增加,土壤微生物活动增加,养分消耗强度增大,再加上植物根系的影响,底层养分向表层根系的输送量增加,导致土壤养分含量下降[18]。

本研究表明,土壤容重随土层深度的增加而增加,孔隙度则随土层深度的增加而减小,说明无论哪一坡位条件下,下层土壤孔隙度均显著低于上层土壤(P<0.05),这可能是由于土壤本身的团聚作用,造成单位体积重力增大,下层土壤更紧实,因而孔隙更小,这与前人研究结果一致[19,20]。由此可看出,孔隙度与土壤容重具有一定的相关性,而本研究结果表明两者呈极显著负相关(r=-0.552),这与本研究结果相符。3种坡位条件下,0~<10cm土层土壤有机质含量均显著高于其他土层,这可能因凋落物分解,在土壤表层积累了较多的腐殖质,进而造成有机质含量在土壤表层最高[21]。

前人研究表明,土壤的持水、蓄水能力受土壤孔隙度、有机质含量影响较大[22]。本研究中,有机质与含水率、孔隙度、速效氮、速效磷、全氮、全磷均呈显著或极显著正相关关系,这可能是由于土壤疏松多孔的结构有效促进了土壤团聚体的形成,进而影响土壤吸水、持水能力,有效改善土壤透气性[23],进而影响土壤元素的吸收。

本研究以白于山区油松人工林为研究对象,通过对比不同坡位条件下0~60cm土层土壤的理化性质差异,得出以下结论:(1)总体看,土壤含水率、孔隙度、速效氮、有机质含量、C/N、N/P均表现出坡下>坡中>坡上的变化规律,土壤容重、土壤pH则表现为坡上>坡中>坡下的规律。(2)坡位与土壤含水率、孔隙度、速效氮、有机质、全氮、全磷均呈极显著正相关(P<0.01),其相关性排序为:含水率>孔隙度>有机质>全氮>速效氮>全磷,说明坡位是影响土壤含水率变化的主要因素。(3)无论哪一坡位条件下,土壤容重随土层深度的增加而增加,孔隙度则随土层深度的增加而减小。(4)在日后的经营管理中,应充分考虑坡位因素,同时应适当考虑增加中、上坡油松人工林的水分养分条件,因地制宜制定营林措施,促进养分、肥力维持。

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收稿日期:2022-11-07

基金项目:西北农林科技大学大学生创新训练项目“林隙对黄土高原油松人工林天然更新的影响研究”(X202210712266)

作者简介:高天健(2002-),男,陕西榆林人,大学在读,从事林业技术研究,E-mail:494837003@qq.com

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