趙偉文，梁文俊，魏曦

(山西農(nóng)業(yè)大學 林學院，山西 太谷 030801)

土壤是林業(yè)生產(chǎn)的基礎，是植物生長的載體，其最大的特征就是具有肥力[1]。而土壤有無為植物生長提供和協(xié)調(diào)養(yǎng)分等能力，是判斷土壤是否具有生產(chǎn)力的綜合依據(jù)。土壤養(yǎng)分是土壤肥力的基礎，豐缺狀況直接體現(xiàn)土壤的肥力的高低[2]。通過研究不同林分人工林土壤肥力的消耗情況，探明引起土壤退化的因素，對我國林木的經(jīng)營和管理具有重要的理論和實踐意義[3]。土壤有機質是土壤的重要組成部分[4]，是土壤微生物賴以生存的能源基礎，提高土壤有機質含量能夠促使團聚體的形成[5]，不僅能為植被生長提供養(yǎng)分，而且影響土壤結構形成、土壤養(yǎng)分有效性的利用率以及土壤生物多樣性復雜程度[6～8]。土壤全量氮磷含量情況反映土壤對植被提供養(yǎng)分的能力，它們和土壤有機質的動態(tài)平衡共同構成土壤肥力的指標。

目前，隨著林地面積不斷擴大，一些人工林出現(xiàn)了明顯的衰退[9～13]。從目前來看，關于人工林是否會導致土壤肥力衰退尚未形成統(tǒng)一結論。孫嘉等[14]研究表明，東北落葉松人工林在高林分密度條件下，土壤有酸化的趨勢；付志芳等[15]發(fā)現(xiàn)不同林分人工林都在不同程度上導致林地土壤肥力退化，還有一些研究表明營造人工林也導致明顯的地力衰退[16，17]。然而，景麗等[18]研究發(fā)現(xiàn)，油松人工林和油松天然林兩林分土壤養(yǎng)分狀況無明顯的差異，如侯庸等[19]對河北華北落葉松研究表明，隨著華北落葉松人工林林齡的增加，土壤全氮、速效鉀等營養(yǎng)元素以及有機質含量有逐漸增加的趨勢；王宏星等[20]在小隴山研究表明，日本華北落葉松人工林在成熟林階段其土壤有機質、全量氮磷鉀等營養(yǎng)元素沒有明顯的下降；也有研究表明棗樹土壤有機質含量與土壤含水量存在顯著負相關，與棗樹根系分布有密切相關[21]。

為了研究不同林分間人工林土壤養(yǎng)分的差異，本研究以山西農(nóng)業(yè)大學林學院林業(yè)站內(nèi)9塊不同林分人工林林下土壤為研究對象，提示不同人工林土壤主要營養(yǎng)元素含量的變化規(guī)律，旨在了解林業(yè)站內(nèi)人工林土壤肥力狀況，為林業(yè)站后期的經(jīng)營和對土壤管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗研究區(qū)位于山西省晉中市太谷縣山西農(nóng)業(yè)大學林學院林業(yè)站，地理坐標為112°28′～113°01′E，37°12′～37°32′N，海拔767～1 100 m左右。該研究區(qū)屬溫暖帶大陸性氣候，四季分明，冬長夏短，晝夜溫差大，年平均氣溫約6.5 ℃；1月份氣溫在-7 ℃左右；7月氣溫在23 ℃左右，無霜期140～180 d，年降水量480～550 mm左右，主要集中在7～9月。

林地內(nèi)主要喬木有側柏(Platycladusorientalis(L.)Franco)、油松(PinustabuliformisCarrière)、青杄云杉(PiceawilsoniiMast.)、刺柏(JuniperusformosanaHayata)、白楊(PopulustomentosaCarr)、柿子樹(DiospyroskakiThunb.)、棗樹(ZiziphusjujubaMill.)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、文冠果(XanthocerassorbifoliumBunge)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)等。

1.2 研究方法

1.2.1 每木檢尺

選取9塊樣地，每塊樣地大小為30 m×30 m，試驗于2018年8月進行，每塊樣地每排每列每間隔2 m進行測量，對樣地內(nèi)的樹木進行每木檢尺，獲得胸徑、樹高、冠幅、密度，同時測定土壤含水量、土壤硬度、土壤緊實度值。Ⅰ號樣地為油松，Ⅱ號樣地為側柏，Ⅲ號樣地為青杄云杉，Ⅳ號樣地為刺槐，Ⅴ號樣地為棗樹，Ⅵ號樣地為柿子樹，Ⅶ號樣地為白楊，Ⅷ號樣地為刺柏，Ⅸ號樣地為荒地，作為空白對照(表1)。

1.2.2 樣品采集與測定

每塊樣地采用蛇形線采樣法隨機取土，用土鉆取樣，按0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm三個層次采集各土層的土樣，各樣地每個深度隨機取3個重復，放入鋁盒內(nèi)保存帶回實驗室，將土樣中的雜質去除，自然風干、研磨、過篩，最后進行理化性質及土壤肥力的測定。

土壤含水量測定：土壤水分儀(TDR300，美國)；土壤緊實度測定：土壤緊實度儀(TJSD-750，浙江)；土壤硬度測定：土壤硬度計(TYD-2，浙江)；

土壤有機質測定：重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法，利用濃H2SO4和K2Cr2O7混合產(chǎn)生的稀釋熱促使有機質氧化；

土壤全磷測定：濃硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法；

土壤全氮測定：凱式定氮法[14]。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003統(tǒng)計數(shù)據(jù)、SPSS22.0進行數(shù)據(jù)的差異性分析，顯著性水平設定為P<0.05。

表1 樣地基本情況Table 1 The basic conditions of experimental plots

2 結果分析

2.1 不同林分間土壤物理性質的差異

不同林分類型樣地土壤物理性質存在明顯的差異，各林分間土壤含水量與土壤緊實度的變化最大(圖1)。側柏樣地土壤含水量最大，高于荒地，側柏樣地側根發(fā)達，同時喜生于濕潤肥沃的土壤，根系對水的利用率較高；刺槐樣地土壤含水量最小，低于荒地，刺槐對水分較敏感，過多水分易導致死亡，因此土壤含水量最小。柿子樹樣地土壤緊實度最大，高于荒地。柿子樹具有深根性，根系持續(xù)向下生長導致土壤結持力增大，土粒間隙變小，從而土壤緊實度變大；刺槐樣地土壤緊實度最小，小于荒地。刺槐根蘗性強，樣地林分稀疏，深層根系長出的幼根向上生長，導致表層土壤劫持力減小，土壤緊實度最小；柿子樹土壤硬度最大，高于荒地。土壤硬度反映土壤透水性、透氣性，柿子樹樣地的土壤含水量高，因此土壤硬度最高；刺柏樣地主側根發(fā)達，根系間的相互作用，使得樣地土壤松弛，土壤硬度最小。土壤物理性質間存在顯著差異，土壤含水量與硬度、緊實度均呈現(xiàn)顯著負相關(表2)。

2.2 不同林分間土壤肥力變化

不同林分對土壤有機質含量存在顯著影響(表3)。各樣地表層有機質含量明顯高于20～60 cm土層，隨著土壤深度的增加，有機質不斷減小，有明顯的表聚性。0～20 cm土層屬于表層土壤，林木凋落物的分解和根系分泌物的產(chǎn)生和積累提供了大量的有機質。同時表層土壤聚集參與有機質分解活動的微生物，因此表層土壤有機質含量高于深層土壤。其中，側柏土壤有機質含量最高，且高于荒地；側柏屬于針葉類植物，屬淺根性，同時側根發(fā)達，隨著林木的生長，側根向四周發(fā)展，針葉的凋落不斷給該樣地提供有機質，因而高于其它樣地。同時，側柏樣地林分密度較高，為土壤有機質的積累與保存提供了良好的條件；棗樹土壤有機質含量最低，且低于荒地土壤有機質含量。棗樹屬于落葉喬木，林齡較大，同時該樣地林分密度較小，凋落物隨環(huán)境因子影響較大，不能及時歸還土壤，導致土壤有機質含量最?。换牡厝藶橥烁?，開放系統(tǒng)逐漸封閉，營養(yǎng)物質和凋落物重新返回系統(tǒng)，同時無其它微生物的消耗，因此荒地的土壤有機質保持在一定的水平。油松與側柏樣地0～20 cm，20～40 cm土壤有機質變化趨勢相同，但油松樣地在40～60 cm有機組質含量急劇下降，主要是由于油松屬深根性喬木，根系向下生長，吸取土壤中大量的有機質，導致深層土壤有機質減幅較大；側柏根系主要分布表層，對養(yǎng)分吸收量較高，對深層土壤有機質消耗不大，因此0～60 cm土層減幅平穩(wěn)。

圖1 不同林分土壤含水量、土壤硬度、土壤緊實度差異Fig.1 Differences in soil moisture, soil hardness and soil compactness of different stands

表2 土壤主要物理特性的Pearson相關系數(shù)Table 2 Pearson correlation coefficient among soil physical properties

注：*P<0.05；**P<0.01。下同。

Note:*P<0.05;**P<0.01. The same below.

注：同列不同小寫字母表示P<0.05差異顯著。下同。

Note:Different small letters indicated siginificnat diffences with in the same column(P<0.05). The same below.

不同林分各層土壤全氮含量變化一致(表4)，林分與土壤全氮含量有顯著性差異(P<0.05)。各林分0～20 cm土層土壤全氮含量顯著高于其它土層，同時土壤全氮含量均隨土層深度的增加逐漸減小。植物由于蒸騰耗養(yǎng)，養(yǎng)分向根際的轉移速率增加，當速率大于植物自身對養(yǎng)分的吸收率時，會使土壤氮元素在根際發(fā)生積累，最終隨土層深度增加土壤全氮含量呈現(xiàn)下降的趨勢。側柏的土壤全氮最大，高于荒地，這與側柏的凋落物返回土壤有關。側柏低矮，林分緊密，凋落物分解較慢，表層土壤全氮含量最高。棗樹樣地土壤全氮最小，低于荒地；棗樹耐旱且該經(jīng)常翻耕，枯落物較少，該區(qū)域土壤砂性較強，土壤保肥蓄水能力較差，因此棗樹樣地土壤全氮含量最小。白楊與刺柏在0～20 cm，20～40 cm土層，土壤全氮變化穩(wěn)定。刺柏樣地在40～60 cm土層深度，土壤全氮突降，而白楊樣地土壤全氮平穩(wěn)下降，刺柏樣地的林分密度明顯高于白楊，內(nèi)部微生物的種內(nèi)競爭較為激烈，因此在深層土壤全氮減幅較大；白楊林分密度最小，土壤水熱條件和通氣狀況較好，各土層之間穩(wěn)定變化。

土壤全磷含量的高低在一定程度上反映出土壤磷素的儲量和潛在的供應能力，從表5可以看出，9種不同林分人工林土壤全磷含量在0.98 g·kg-1～0.14 g·kg-1之間，說明該研究區(qū)全磷含量均處于中級水平。表層土壤全磷均高于其它土層，同時隨著土層深度的增加基本呈現(xiàn)減小的趨勢。大體呈現(xiàn)出：不同林分土壤全磷含量在0～20 cm和40～60 cm土層上存在顯著差異(P<0.05),20～40 cm土層深度各林分類型全磷間無顯著差異(P>0.05)。側柏樣地土壤全磷含量最高，且高于荒地；棗樹樣地土壤全磷含量最小，且低于荒地。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是針葉類喬木大量的凋落物提供了大量的磷酸根，同時土壤有機質是全磷的主要來源，從上述研究表明側柏樣地的土壤有機質含量最高，土壤全磷最高。棗樹林分密度較小，土壤有機質含量較小，土壤中的養(yǎng)分多用于自身及果實成熟的消耗，因而土壤全磷含量最小。側柏樣地與棗樹樣地在0～20 cm，20～40 cm，土壤全磷減幅程度相當，在40～60 cm棗樹樣地土壤全磷的增幅明顯高于側柏，可能的原因是棗樹屬于闊葉喬木，根系分布在中層，對深層土壤全磷消耗不大，同時林分較稀疏，磷元素在土壤移動能力增強，因此深層土壤全磷積累較多，只在0～40 cm土層上消耗大；側柏屬淺根性喬木，側根極為發(fā)達，林分密度較高，凋落物的返還及時補充土壤養(yǎng)分，因此各層土壤全磷浮動較小。

表4 不同林分各層土壤全氮含量/g·kg-1Table 4 Different forest stands in soil total nitrogen content

表5 不同林分各層土壤全磷含量/g·kg-1Table 5 Different forest stands in soil total phosphorus content

2.3 土壤理化性質相關性分析

9種林分類型0～60 cm土壤理化性質的相關性分析(表6)表明，土壤有機質與土壤全氮存在顯著正相關性，相關系數(shù)為0.254，土壤有機質與全磷呈極顯著正相關，相關系數(shù)為0.956，土壤全氮與全磷呈顯著相關性，相關系數(shù)為0.206。土壤有機質與全氮、全磷分別存在顯著正相關性和極顯著正相關性，表明土壤有機質在改善土壤地力和促進土壤養(yǎng)分循環(huán)方面起著重要的作用。

表6土壤主要化學特性的Pearson相關系數(shù)

Table6 Pearson correlation coefficient among soil properties

土壤化學性質Soil chemical properties土壤有機質SOC土壤全氮TD土壤全磷TP土壤有機質1.000土壤全氮0.254?1.000土壤全磷0.956??0.206?1.000

3 討論

土壤是由地形和植被等多種環(huán)境因子相互作用形成的[22]，不同林分會對土壤養(yǎng)分含量的分布產(chǎn)生影響，不同林分和其所處的立地條件不同。本研究發(fā)現(xiàn)，不同林分土壤含水量存在明顯的差異，這與紀文婧等[23]研究山西太岳林分類型土壤理化性質結果一致，但與方偉東等[24]研究長白山土壤水源涵養(yǎng)能力的結果不同。該研究結果受時間、空間等環(huán)境因素較小。土壤含水量能夠反映一定區(qū)域的水分情況，土壤的物質轉化和代謝過程與水分有密切關系[25]。側柏樣地土壤含水量最高，原因是由于該樣地表層土壤積累的凋落物較厚，同時土壤孔隙度較大，有利于雨水的累積，大量的凋落物覆蓋在土壤表面，減少了土壤的增發(fā)量，因此該樣地土壤的含水量要明顯高于其它樣地，這與李嘉等[26]對北方典型樣地得出的結論相似。土壤中毛管孔隙能夠儲存一定量的水，一般來說，毛管孔隙度隨土層深度的增加而呈現(xiàn)減小趨勢。土壤的孔隙度和毛管孔隙度不同造成了不同林分間土壤持水力的差異性[23]。研究還表明，土壤緊實度和土壤硬度與土壤含水量存在顯著相關性，含水量的減小，使土壤土粒間結持力增大，發(fā)生緊實，從而導致土壤緊實度、土壤硬度的增大，這與祝飛華等[27]對耕作區(qū)土壤緊實度和土壤含水量關系的研究的結果相同。

土壤有機質對土壤理化性質都有很重要的作用，土壤有機質在一定深度上體現(xiàn)土壤肥力情況。本研究表明，土壤有機質均隨土層深度的增加而減小，與程瑞梅等[28]研究的三峽庫區(qū)植被土壤有機質含量變化結果相同。由于表層聚集的凋落物和表層淺根系分布較多，導致土壤表層有機質的含量高于深層。所有樣地中側柏樣地土壤有機質含量最高，側柏有機質明顯高于其它8種林分類型，這與王勛曜等[29]關于側柏根系發(fā)達，土壤中分布較多，對土壤有機質的利用率高于其它林分的研究結果一致；棗樹樣地土壤有機質含量最低，魏國良等[21]對棗樹根系的分布及土壤養(yǎng)分的研究表明，棗樹根系較發(fā)達，該林分土壤養(yǎng)分較低，與本研究的結果一致?？赡苁怯捎跅棙錁拥爻Ｄ耆藶榉乇碓脖辉獾絿乐仄茐?，土壤極度退化，導致有機質含量較低。

不同林分土壤全氮與土壤有機質含量的變化規(guī)律大致相似，與耿玉清等[30]對北京森林土壤養(yǎng)分的分析結果具有相似性。土壤氮元素主要來源于地表凋落物的分解，還取決于生物量的累積，最終導致氮元素表聚性明顯，表層的氮元素通過雨水滲透和其它方式向土壤深層轉移，最終導致土壤全氮含量隨土層深度的增加而減小。研究表明9塊樣地中側柏樣地的全氮含量最高，與石利軍等[31]對不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分特征的研究結果一致，該研究結果表明側柏樣地容重小，孔隙度打，有利于作物所需空氣及營養(yǎng)物質的輸送；棗樹樣地土壤全氮含量最小，有研究表明棗樹養(yǎng)分與根系分布有密切相關[21]，本試驗研究表明可能是棗樹常年經(jīng)過人工翻耕，凋落物得不到保存，因此土壤全氮含量最小。

土壤全磷與土壤有機質含量和土壤類型也存在著聯(lián)系,土壤全磷含量在0～20 cm和40～60 cm土層差異性顯著，與20～40 cm土層沒有差異變化，土壤全磷受土壤成土作用和母質對其影響很大，這與劉興詔等[32]對森林土壤理化性質得出的結果不同。土壤全磷的來源相對固定，主要來源于及巖石的風化和凋落物的礦化，但礦化和風化過程耗時較長[22]，從而導致土壤全磷含量在土壤中變化不同，不同植被間差異性顯著。側柏的土壤全磷含量最高，棗樹土壤全磷含量最小，這與馮天驕等[33]對黃土高原典型小流域土壤養(yǎng)分的研究結果相似。土壤理化性質各指標間存在一定的相關性[34]，土壤有機質與土壤全氮呈顯著正相關，土壤中C：N相對穩(wěn)定，這系列研究表明，土壤有機質是樹木生長發(fā)育所需的必要養(yǎng)分，影響土壤理化性質，對改善土壤物理結構等方面具有積極的作用。

4 結論

(1)研究區(qū)不同林分類型土壤物理性質變化存在明顯差異，側柏樣地土壤含水量最高(27.21%)，刺槐樣地土壤含水量最小(16.85%)；側柏樣地土壤硬度最小(400.75 kg·cm-2)，柿子樹樣地土壤硬度、緊實度最大(529.41 kg·cm-2、14.27 Pa)，刺槐樣地土壤緊實度最小(5.37 Pa)。研究表明土壤含水量與土壤硬度、土壤緊實度呈顯著負相關，土壤硬度與土壤緊實度呈顯著正相關。

(2)不同林分土壤有機質、土壤全氮含量均隨土層深度的增加呈減小的趨勢，表層大量的凋落物及微生物提供了大量的土壤養(yǎng)分；土壤全磷含量隨土層變化不明顯，0～20 cm,20～40 cm土層全磷含量減小，20～40 cm,40～60 cm土壤全磷含量增加，可能是磷元素在土壤轉移能力較差所致。同時土壤有機質與土壤全氮、土壤全磷分別呈現(xiàn)正相關性和極顯著正相關性，土壤全氮與土壤全磷呈顯著正相關，養(yǎng)分含量規(guī)律很大程度上歸結于植被本身生長發(fā)育的需求，反映了這塊樣地不同林分類型土壤養(yǎng)分分布特征。

(3)側柏樣地土壤理化性質含量最高，高于其他樣地；棗樹樣地土壤理化性質含量最小，低于其他樣地。側柏樣地凋落物較多，枯落物返還給土壤，導致側柏樣地土壤含水量、土壤全氮、土壤全磷含量明顯高于其他樣地；棗樹樣地林分密度較小，同時屬于落葉喬木，該樣地凋落物受人為干擾影響較大，樣地內(nèi)養(yǎng)分的歸還較少，土壤養(yǎng)分低于其他樣地。

綜上所述，該地區(qū)土壤肥力一般，白楊、油松和棗樹樣地土壤養(yǎng)分明顯低于荒地，說明樣地內(nèi)營養(yǎng)元素儲備能力不強。林業(yè)站通過人工種植及撫育等措施，改善林分內(nèi)生境條件，進而改善凋落物的組成和性質，同時增加根系豐富度，充分保護土壤中的養(yǎng)分，并通過提高生物多樣性，促使地表凋落物快速分解，提高土壤養(yǎng)分儲備并恢復該地區(qū)地力，減少水土及養(yǎng)分的大量流失。本研究只對一段時間內(nèi)的各林地養(yǎng)分進行研究，要進一步系統(tǒng)研究土壤養(yǎng)分消耗情況，后期還需對不同林齡各林分樣地土壤養(yǎng)分隨時間變化消耗情況進行細致研究，以期為不同林分類型樣地人工恢復土壤肥力提供科學的依據(jù)及有效的措施。