樟子松成熟林年生长对土壤碳·氮·磷变化的影响

韩宗育 雷泽勇 王国晨 高志华 刘玉军

摘要 [目的]揭示樟子松成熟林年生長对土壤碳、氮、磷的影响。[方法]以科尔沁沙地樟子松人工成熟林为研究对象，以截根处理为对照，采集0～10、10～20、20～40和40～60 cm土层土壤样品，测定土壤有机碳、全氮、碱解氮、全磷、有效磷含量，研究樟子松成熟林年生长对有机碳、全氮、碱解氮、全磷、有效磷的影响。[结果]樟子松成熟林经过1年生长，有机碳含量、碱解氮含量和速效磷含量变化显著，但全氮和全磷变化微小。截根后林地有机碳生长季增加显著，而未截根的增加不显著。速效磷截根后生长季显著增加；未截根样地生长季增加不显著。樟子松成熟林在7—9 月有机碳含量、碱解氮和速效磷的变化量显著高于5—7、9—11和 11 月至次年5月。樟子松成熟林在10～20 cm土层土壤有机碳、碱解氮和速效磷的变化量显著高于 0～10、20～40和 40～60 cm土层。[结论]樟子松成熟林年生长促使有机碳含量、碱解氮含量和速效磷含量显著积累，樟子松成熟林在7—9 月10～20 cm土层生长显著。

关键词 樟子松成熟林；土壤碳、氮、磷；林分生长；垂直变化

中图分类号 S791.253 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）02-0105-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.02.022

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Annual Growth on Soil Carbon， Nitrogen and Phosphorus in Mature Pinus sylverstris var. mongolica Plantations

HAN Zong-yu， LEI Ze-yong， WANG Guo-chen et al

（1.College of Environment Science and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin，Liaoning 123000;2.Liaoning Institute of Sandy Land Management and Utilization，Fuxin，Liaoning 123000）

Abstract [Objective]To reveal the effects of mature Pinus sylverstris var. mongolica annual growth on soil carbon， nitrogen and phosphorus.[Method]The artificial mature forest of Pinus sylverstris var. mongolica in Horqin Sandy land was selected as the research objects，and the root amputation handing was treated as a control， and the soil samples of 0-10，10-20，20-40，40-60 cm layers were collected to determine the soil organic carbon，total nitrogen，alkali-hydrolyzed nitrogen，total phosphorus，available phosphorus content.The effects of annual growth on soil carbon， nitrogen and phosphorus in the mature forest of Pinus sylverstris var.mongolica in Horqin Sandy Land were studied.[Result]The results showed that soil organic carbon content， soil alkali-hydrolyzed nitrogen content and soil available phosphorus content had significant changes， but soil total nitrogen and soil total phosphorus had little changes. The growth of organic carbon in forest land increased significantly after cutting roots， but not in open roots. Soil available phosphorus increased significantly in the growing season after root cutting. There was no significant increase in the growth season of uncut root plots.The changes of soil organic carbon， soil alkali-hydrolyzed nitrogen and soil available phosphorus in the mature forest from July to September were significantly higher than those from May to July， from September to November and from November to May of the next year. The changes of soil organic carbon， soil alkali-hydrolyzed nitrogen and soil available phosphorus in the 10-20 cm soil layer were significantly higher than those in the 0-10， 20-40 and 40-60 cm soil layers.[Conclusion]The annual growth of mature forest of Pinus sylverstris var. mongolica induced the significant accumulation of soil organic carbon content， soil alkali-hydrolytic nitrogen content and soil available phosphorus content， and the mature forest of Pinus sylverstris var. mongolica grew significantly in the soil layer of 10-20 cm from July to September.

Key words Pinus sylverstris var. mongolica;Soil carbon，nitrogen and phosphorus;Stand growth;Vertical variaton

基金项目 国家自然科学基金面上项目（31570709）。

作者简介 韩宗育（1997—），男，辽宁庄河人，硕士研究生，研究方向：林业生态工程。*通信作者，教授，硕士，从事林业生态工程、水土保持与荒漠化防治研究。

收稿日期 2023-03-26

在森林生态系统中，土壤是存储营养物质的主要场所，土壤中碳、氮和磷含量影响着植物的生长发育。土壤有机碳是评价土壤质量的主要因素之一，在森林生态系统碳循环中发挥着重要作用。土壤有機碳输入的主要方式是动植物残体破碎分解，有机碳主要输出方式是地表径流和土壤呼吸。氮素是植物成活所必要的养分元素，也是植物生长发育的限制性元素。氮素循环较为复杂，在循环中土壤微生物起着重要作用。磷是生态系统中植物生长不可或缺的营养元素，但土壤中含磷化合物分解速率低。凋落物分解和大气干湿沉降是土壤磷主要输入方式，输出方式是植物生长吸收利用和降雨淋溶。

沙地樟子松（Pinus sylverstris var. mongolica）原产于我国呼伦贝尔红花尔基地区，具有耐寒、抗旱和较速生等优良特性，在半干旱环境下长势良好。在 20 世纪中期，樟子松人工林成功引种到科尔沁沙地东南缘的章古台地区，该树种现已成为我国防沙治沙、 “三北”防护林、北方防沙带建设等重大工程的主要树种之一，为我国生态环境建设作出巨大贡献。然而，自20世纪 90 年代以来，我国最早引种沙地樟子松成功的辽宁省章古台地区，樟子松人工林出现严重的生长衰退问题。多位学者从栽植密度、群落稳定性、林分竞争、病虫害、土壤微生物、土壤养分、水分维持等角度进行了研究，取得了一些重大进展。然而，由于沙土地土壤养分含量瘠薄，风蚀严重，养分问题影响复杂，尤其是成熟林的生长如何影响养分问题尚不清楚，阻碍了樟子松人工林生态系统的科学经营。基于此，笔者以章古台地区成熟的樟子松人工林为基础，研究其年生长对土壤碳、氮和磷含量变化的影响，理清基于林分生长的土壤碳、氮、磷变化规律，旨在为沙地樟子松人工林科学管理提供理论支撑。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于辽宁省沙地治理与利用研究所章古台试验基地（

122°23′～122°33′E，42°39′～42°43′N）， 该地降水集中于 6—8 月，年降水量约 500 mm，年蒸发量约 1 600 mm。极端最低气温 -33.4 ℃，极端最高气温 43.2 ℃，年均气温 4.6～6.3 ℃。年平均风速 4.5 m/s，大风多集中在春季，多年平均无霜期为 154 d。土壤类型为风沙土，包括生草风沙土和流动风沙土2个亚类，流动风沙土以沙粒为主，占 94.7%，物理黏粒占 5.3%，有机质含量 0.60～0.16 g/kg，全氮含量 0.17～0.38 g/kg，包括流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘和平缓沙地等地貌类型，pH 6.7 左右，代表性植物有中华萎陵菜（Potentillaan serina）、中华隐子草 （Cleistogenes chinensis）、胡枝子（Lespedeza daurica）、大果榆（Ulmus macrocarpa）和蒺藜梗（Agriophyllum squarrosum）等。研究区营建樟子松固沙林前为固定半固定沙地。

1.2 试验地选择

试验标准地的选取遵循以下原则：①标准地所处的林地要有足够大的面积，各标准地间的距离不少于 50 m，避免紧靠道边、农田，排除混交林;②各林龄林分标准地附近均有一定面积的天然草地，选择各林分对照样地;③标准地尽可能为平坦沙地。根据以上原则总共选取3 块标准地进行研究，标准地面积均为 20 m×20 m。在各标准地随机在树冠下选择 3 个 1 m×1 m 的样方和对照样方，去除地表上自然产生的凋落物后，在裸露地表上均匀放置分解袋。为了消除根系对土壤养分的吸收，试验前半年在每个试验样方四周挖 100 cm 深、30 cm 宽的沟，将双层钢丝网（孔径为 0.1 mm）靠壁埋入，然后填入土壤，即四周进行截根处理，而对照样方不进行截根处理。

1.3 土壤样品采集

试验于 2021 年 5 月开始，叶凋落物分解时段分别设为 60、120、180、365 d，各时段设 3 次重复，于 2021 年 7、9、11月和 2022 年 5 月在取走凋落物袋时，采集凋落物袋下部的土壤样品和对照样品，在每块样地上按 4 个土层（ 0～10、10～20、20～40、40～60 cm）取样，带回实验室，室温风干后研磨过筛，用于土壤化学性质测定。

1.4 土壤理化因子测定方法

土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法－外加热法测定，土壤全氮含量采用半微量开氏法测定，土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定，土壤全磷含量采用 NaOH 熔融-钼锑抗比色法测定，土壤速效磷含量采用 NaHCO 法测定。

1.5 数据处理与分析 按照下式计算土壤理化因子变化量：

ΔX=X-X

式中：ΔX 为样地截去根系处理与样地未截去根系处理的差值；X 为样地截去根系处理的测定值；X 为样地未截去根系处理的测定值。

1.6 统计分析

运用 SPSS 20.0 软件对数据进行统计分析，对土壤碳、氮、磷含量年动态变化以及不同生长月份、不同土层土壤碳、氮、磷变化量进行单因素方差分析，判断不同生长月份、不同土层和年动态变化对土壤碳、氮、磷含量及变化量的影响，并用 Origin 2021 作图。

2 结果与分析

2.1 樟子松成熟林年生长影响下的土壤碳、氮、磷变化特征

图1表明，樟子松成熟林地不论截根与否，有机碳含量随月份增加，在一年中，有机碳含量积累显著增加；另外，有机碳不论是在生长季（5—9月）还是在非生长季（9至翌年 5月）均累积，但非生长季累积不显著；截根和不截根处理林地的有机碳生长季增加均不显著。樟子松成熟林全氮含量在生长季和非生长季均无显著增加，但全氮含量在一年中呈增加趋势，未截根样地全氮含量大于截根样地全氮含量。在未截根样地和截根样地，土壤碱解氮含量均逐月递增，在一年中均显著积累；生长季和非生长季碱解氮含量均无显著增加。截根样地全磷含量在一年中呈波动上升趋势，但趋势不显著；在生长季初期，未截根样地全磷显著积累。土壤速效磷截根后生长季显著增加；未截根样地生长季增加不显著；但速效磷含量在一年中积累显著；速效磷在生长季和非生长季都积累，但均不显著。

2.2 樟子松成熟林年生长对不同土层土壤碳、氮、磷变化的影响

由表1可知，樟子松成熟林土壤有机碳变化量在（79.80±8.25）～（451.50±35.80） mg/kg。除 0～10 cm土壤外，其他土层土壤有机碳变化量随深度增加而降低，且 10～20 cm土层显著高于其他土层。樟子松成熟林年生长过程中，7—9 月的变化量显著高于其他月份，而其他月份间各土层变化量差异不显著（除40～60 cm土层）。由表2可知，樟子松成熟林土壤全氮变化量在（-43.39±21.93）～（6.52±22.16） mg/kg，在 0～60 cm 土层均无显著差异，但在10～60 cm土层随土层深度增加而降低。由表3可知，土壤碱解氮变化量为（0.35±0.00）～（1.94±0.43） mg/kg，变化量在 10～60 cm土层随土层深度增加而降低，且 10～20 cm土层显著高于其他土层（除11月至次年5月20～40 cm土层）。林分年生长过程中，7—9 月碱解氮变化量显著高于其他月份。表4显示，成熟林土壤全磷变化量为（-2.98±4.06）～（5.13±2.36） mg/kg，且各土层间无显著变化。由表5可知，樟子松成熟林土壤速效磷变化量为（0.06±0.01）～（0.27±0.01） mg/kg，其变化量在 10～60 cm 土层随土层深度增加而降低，而在林分年生长中，7—9 月显著高于其他月份。

3 讨论

3.1 樟子松成熟林年生长对土壤碳、氮、磷的影响

樟子松成熟林地不论截根与否，土壤有机碳含量随月份增加，且在一年中，土壤有机碳积累显著。樟子松成熟林生长过程中，每年有大量凋落物，尤其是叶凋落物掉落，随着月份的增加，土壤温度升高，微生物活性增强，叶凋落物开始分解，分解过程中，不易分解的单宁、木质素等物质输入到土壤中，增加了土壤有机碳的含量，导致土壤有机碳的积累。在非生长季尽管微生物活性差，但凋落物在光照、雪水融化及冻融交替的作用下，破碎的植物叶凋落物进入土壤，使非生长季有机碳积累，高嘉等研究发现，冻融环境显著促进了针叶林凋落物有机碳分解破碎。截根后，林地土壤全氮含量没有显著变化，表明截根后的样地微生物活动能力也没有显著变化，因此，土壤有机碳的增加可能来源于截根后根系死亡后的分解，这与张磊等的研究结果类似。

樟子松成熟林全氮含量在生长季和非生长季均无显著增加，但全氮含量在一年中呈增加趋势。和有机碳类似，凋落物分解过程中，随着土壤有机碳含量的增加，土壤中腐殖质含量相应增加，增加了土壤全氮含量，导致土壤全氮的积累。未截根樣地和截根样地土壤碱解氮含量逐月递增，在一年中显著积累。蔡银美等研究表明，植物生长过程中伴随着根系分泌大量的分泌物，由于根系分泌物中富含大量有机酸和糖，有机酸和糖中的草酸和葡萄糖能促使有机氮矿化，矿化后土壤碱解氮积累。

截根样地全磷含量在一年中增加，但增加不显著。这是由于植物根系分泌出有机酸等酸性物质，促进土壤中难溶态磷溶解，使土壤全磷含量积累。研究区 7 月进入高温多雨季，地表温度升高，降雨量增多，土壤动物微生物活跃，根系凋落物及死根分解速率加快，全磷含量增加，使 7 月未截根样地全磷含量显著高于 5 月，且积累显著。截根后速效磷生长季显著增加，但未截根样地生长季增加不显著，但一年中积累显著。截根后土壤中被植物吸收利用的速效磷减少，且生长季相对高温，微生物活跃，凋落物分解加快，截根后生长季土壤速效磷显著增加。而未截根样地由于根系分泌物使土壤磷酸酶活性增强，土壤磷酸酶活性增强，使得有机磷矿化速率加快，增加了速效磷含量，使土壤速效磷含量积累。

3.2 樟子松成熟林年生长对不同土层土壤磷、氮、磷的影响

各土层中土壤有机碳变化量在 7—9 月显著高于其余月份，7—9 月是研究区相对高温季节，光照充足，有利于植物光合作用，光合产物增多，植物生长旺盛，微生物活性强，异氧呼吸增强，故 7—9 月土壤有机碳变化量显著提高。土壤有机碳变化量在 10～20 cm土层显著高于其他土层，可能由于樟子松是一种浅根性树种，樟子松成熟林根系主要分布在 0～40 cm土层，再加上叶凋落物分解的影响，土壤有机碳含量增加随土层深度而逐渐降低，因此 10～20 cm土层有机碳变化量提高更快是根系和凋落物综合影响的结果。

樟子松成熟林年生长对土壤全氮变化量无显著影响。说明樟子松叶凋落物分解、根系分泌物输入、死亡根系分解释放的碱解氮能够满足植物生长发育需求，需要土壤有机氮矿化少。而土壤碱解氮变化量在 7—9 月显著高于其他月份，研究区在 7—9 月降雨相对充沛，促进植物和微生物生长，促进了有机氮的矿化，提高了土壤中尤其是细根层（10～20 cm）碱解氮的含量，供植物和微生物的生长。刘亚玲等研究表明，生长季降水促进塞罕坝樟子松的生长，植物和微生物生长旺盛，消耗土壤中碱解氮增多，7—9 月土壤碱解氮变化量显著高于其他月份。

磷酸酶在土壤磷循环中扮演重要角色，土壤磷酸酶活性影响着土壤有机磷转化速率。由于 7—9 月研究区相对高温环境，温度升高使土壤磷酸酶活性增强，促进土壤中有机磷矿化，矿化后速效磷含量升高，使植物和微生物吸收利用增多，导致 7—9 月土壤速效磷变化量显著上升。和土壤碱解氮情况类似，土壤速效磷变化量在 10～20 cm土层显著高于其他土层，主要是由于樟子松成熟林细根生物量在 10～20 cm土层较多，细根生物量多需要吸收更多的土壤速效磷，使得 10～20 cm土层土壤速效磷变化量显著升高。

4 结论

沙地樟子松成熟后，其成熟林年生长促进了土壤有机碳含量、碱解氮含量和速效磷含量显著积累，土壤全氮和全磷有增加的趋势，但增加不显著。在一年的过程中，樟子松成熟林土壤有机碳变化量、碱解氮变化量和速效磷变化量在7—9 月显著高于其他月份，且 10～20 cm土层的有机碳变化量、碱解氮变化量和速效磷变化量显著高于其他土层。

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