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

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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