不同郁闭度天山云杉林土壤养分特征

2023-10-11李思瑶夏晓莹陈玉雯马小龙米尔扎提柯尼加里木阿丽耶麦麦提王卫霞

新疆农业科学 2023年9期

席丽,李思瑶,夏晓莹,陈玉雯,李林,王杰,马小龙,米尔扎提·柯尼加里木,阿丽耶·麦麦提,王卫霞

(新疆农业大学林学与风景园林学院/新疆教育厅干旱区林业生态与产业技术重点实验室,乌鲁木齐 830052)

0 引言

【研究意义】森林土壤是植物所需营养物质的重要来源[1],了解森林土壤特性能避免土壤养分失衡,有助于保持土壤肥力水平,提高林分质量及生产力。天山云杉林自然更新较困难[2],而土壤养分失衡会导致植被生长受阻[3]。郁闭度作为人为可调控因子,直接影响着林下的光照、温度、湿度等林分内环境因子[4],并作用于森林土壤使其属性发生变化[5-6]。掌握不同郁闭度下天山云杉林土壤养分特征,研究其变化规律对森林土壤资源定向管理具有重要意义。【前人研究进展】前人对不同郁闭度下土壤养分特征的研究多集中在马尾松林,黄智军等[7]为了阐明郁闭度对马尾松林土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)、钾(K)含量及生态化学计量特征的影响,以福建省长汀县马尾松林为研究对象,研究结果显示,郁闭度为0.8时,土壤养分含量相对较高。魏大平[8]在研究中表明郁闭度对各个季节下的马尾松人工林土壤C含量都有显著影响。【本研究切入点】天山云杉(Piceaschrenkiana)是新疆山地森林中分布最广,蓄积量最大的森林生态树种。目前,天山云杉林有关郁闭度的研究主要体现在地表水氮磷含量特征[9]、降水水质的特征[10]、地表径流和土壤侵蚀特征的研究[11],而关于郁闭度对天山云杉林土壤养分的影响机制鲜有报道。需研究不同郁闭度下天山云杉林土壤养分特征。【拟解决的关键问题】以不同郁闭度天山云杉林为研究对象,研究郁闭度对天山云杉林土壤养分的影响,为新疆山地森林生态系统的生态恢复及天山云杉林的可持续生态经营提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

以新疆农业大学实习林场(43°16′～43°26′N;86°46′～87°00′ E)为研究区, 位于头屯河上游,平均海拔约2 200 m,林区年均降水量约为600 mm,5～8月生长季集中降水量约占60%,年平均温度3℃,年日照大于1 300 h,无霜期140 d。地势南高北低,坡度多在10°～40°,森林主要分布在北、东北和西北坡。主要乔木树种为天山云杉,其土壤类型为普通灰褐色森林土,主要草本为老鹳草(Geraniumwilfordii)、林地早熟禾(Poanemoralis)、黒穗笞草(Carexatrata)等。

1.2 方法

2020年8月在新疆农业大学实习林场天山云杉林区域进行样地布设,选取地形、林龄等条件相近、不同郁闭度等级的样方共12个,样方规格为30 m×30 m,采用对角线法测定样方郁闭度。在每个样方内按上、中、下坡布设3个采样点,每个采样点挖取土壤剖面,按0～20 cm、20～60 cm分层采集土壤样品,并将每个样地的3个采样点样品分层混合,根据四分法留取1 000 g带回实验室,共采集土样24份。土样在室内自然风干,测定土壤有机质(OM)、全氮(TN)、碱解氮(AN)、速效磷(AP)、速效钾(AK)等指标。其中有机质采用重铬酸钾容量法、全氮采用凯氏定氮法、碱解氮采用碱解扩散法、速效磷采用钼锑抗分光光度法、速效钾采用醋酸铵浸提火焰光度计法。表1

表1 样地基本概况

1.3 数据处理

根据划分标准,当变异系数CV≤0.1时,为弱变异性;当 0.1

2 结果与分析

2.1 土壤养分描述性统计特征

研究表明,0～20 cm土层土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、全氮的平均值分别为154.03、106.25、23.36、138.12、4.59 g/kg。20～60 cm土层土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、全氮的平均值分别为38.78、47.12、13.65、115、1.24 g/kg。各土壤养分变异性均处于中等水平,均在15%～56%。在显著水平0.05单样本K-S正态检验下,各指标或其对数转换后均服从正态分布。表2

表2 土壤养分描述性统计

2.2 不同郁闭度土壤养分分布特征

研究表明,随着郁闭度的增加,0～20 cm土层土壤有机质、全氮含量显著上升,20～60 cm土层土壤土壤有机质、全氮含量在郁闭度0.2～0.6呈上升趋势,在郁闭度0.6～0.8呈下降趋势。各郁闭度条件下0～20 cm土层土壤有机质、全氮含量均高于20～60 cm土层,其中郁闭度在0.4、0.6、0.8条件下,0～20 cm土层土壤有机质、全氮含量显著高于20～60 cm土层(P<0.05)。郁闭度对天山云杉林土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量没有显著影响,随着郁闭度的增加,0～20 cm土层土壤碱解氮、速效磷含量逐渐上升,而土壤速效钾含量呈先上升后下降趋势;20～60 cm土层土壤碱解氮、速效钾含量在郁闭度0.6条件下有最大值,而土壤速效磷含量在郁闭度0.8条件下呈现最大。郁闭度和土层对天山云杉林土壤C/N均没有显著影响,C/N值变化幅度较小,比较稳定。图1

2.3 土层与郁闭度的交互作用对土壤养分的影响

研究表明,郁闭度对整个土壤剖面中土壤养分含量没有显著性影响(P> 0.05)。土层对天山云杉林土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、全氮含量有极显著影响(P<0.01),而对碳氮比C/N没有显著影响。郁闭度与土层的交互作用对天山云杉林土壤有机质、碱解氮、全氮含量均有显著影响(P<0.05),其中对土壤有机质、全氮具有极显著影响(P<0.01)。表3

表3 土层和郁闭度的交互作用下土壤养分特征

2.4 土壤养分相关性

研究表明,各土壤养分指标含量之间均呈正相关关系,其中土壤有机质、碱解氮、速效磷、全氮两两之间均呈极显著正相关关系,有机质与碱解氮、全氮的相关系数是0.852、0.984。表4

3 讨论

3.1调查范围内天山云杉林土壤养分指标均表现中等程度变异,与王千军等[12]得出结果较为一致,同时,两研究结果均表现出碳、氮变异系数大于磷、钾这一现象,土壤C、N是衡量土壤养分的重要指标,动植物残骸与腐殖质是森林生态系统碳、氮的主要补给者,加上牧民放牧及动物粪便等影响,土壤碳、氮的变异系数往往会偏大。天山云杉林土壤养分存在明显的垂直分布特征,即0～20 cm表层土壤养分含量显著高于20～60 cm土层,这主要是由于凋落物分解、根系残体和分泌物的累积,为0～20 cm的表层土提供了丰富的有机质[13];而20～60 cm土层土壤接近母质层,土壤有机质转化能力较低,与已有的研究结果相符[14-16]。

3.2林分郁闭度直接影响着森林群落的光、热、水分等生态因子的分配,进而影响林地土壤养分和林木生长发育[17]。随着郁闭度的增大,0～20 cm土层土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷含量均呈递增趋势变化,其中有机质、全氮含量显著增加,20～60 cm土层各土壤养分指标随郁闭度变化趋势不一致,且均不具有显著差异。随着土壤深度的增加,郁闭度对土壤养分的影响逐渐减弱,邹佳何等[18]研究结果表明,郁闭度对表层土壤养分影响最明显,郁闭度(0.8)条件有利于天山云杉林下土壤碳、氮养分的积累,与张洪亮等[19]的研究结果一致,可能是高郁闭度天山云杉林凋落物较多,增加了碳、氮养分归还量,同时,高郁闭度可以减小地表径流,减少了土壤碳、氮养分流失[13]。研究土壤养分指标还包括速效磷、速效钾,研究结果显示速效磷、速效钾受郁闭度影响较小,土壤中钾元素、磷元素主要源自矿物与岩石,其主要受土壤类型与土壤母质的影响,不易受到植被的影响,同时,土壤钾元素属于容易迁移的元素,容易迁移至深层土壤中,所以速效钾的聚表性较其他元素弱。曾全超等[20]研究表明C/N比受水热条件的影响较小,研究结果显示C/N比随郁闭度和土层的变化,没有明显的变化趋势,因为尽管土壤有机C和全N在空间上的变异性较大,但土壤有机C和全N的含量随着郁闭度和土层的变化规律一致,使得整个土壤层C/N比值相对稳定。C/N是反映土壤C、N养分状况的指标,较高的土壤C/N微生物需要从土壤中摄取N来满足生长需要,而较低的土壤C/N说明超过微生物所需的N会被释放到土壤中[21],土壤C/N介于18.62～20.65,随着郁闭度的增加较稳定,高于青海云杉林[22]土壤C/N水平范围(16.07～19.37),研究区土壤有机质矿化速度较慢,且与青海云杉林相比,天山云杉林土壤pH偏小[23],N含量偏低,故C/N较高。

3.3相关性分析表明,各土壤养分含量之间均呈正相关关系,土壤有机质、碱解氮、速效磷、全氮两两之间均呈极显著正相关关系,其中有机质与碱解氮、全氮的相关系数是0.985、0.980,与前人研究结果一致,即土壤有机质的积累对土壤氮素的含量起主导性作用[24],土壤中氮、磷、钾的含量与有机质含量有关,与王海燕等[25]研究结果一致。