張寧寧, 譚凱亮, 亢福仁， 劉普靈

(1.榆林學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院, 陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 榆林 719000; 2.東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,哈爾濱 150040; 3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

樟子松因其對(duì)極端低溫環(huán)境有著極強(qiáng)的耐受能力，且根系發(fā)達(dá)，在養(yǎng)分貧乏的地區(qū)也可迅速生長(zhǎng)，因此在五十年代被榆林市引入用于荒漠化治理而被廣泛種植[1-3]。作為優(yōu)良的固沙樹(shù)種之一，其研究一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。目前對(duì)樟子松林的研究主要包括整地和栽培技術(shù)研究[1]、樟子松生理特性(林分、樹(shù)高、胸徑等)研究[4]、樟子松林下土壤的研究等，其中關(guān)注最多的是樟子松恢復(fù)過(guò)程中林下土壤理化性質(zhì)的響應(yīng)研究。如羅維成等[5]對(duì)科爾沁沙地的樟子松人工林下植被的土壤水分變化特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：樟子松人工林演變過(guò)程對(duì)土壤含水量有顯著影響，土壤平均含水量和樟子松栽植恢復(fù)年限呈顯著線性關(guān)系；淑敏等[6]研究了不同林齡樟子松人工林針葉—凋落葉—土壤的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征，發(fā)現(xiàn)不同林齡的C，N，P含量在3個(gè)庫(kù)之間均存在顯著差異，且樟子松具有相對(duì)穩(wěn)定的適應(yīng)特征。牛沙沙等[7]對(duì)不同林齡樟子松人工林土壤養(yǎng)分研究表明，林齡對(duì)樟子松林地土壤理化性質(zhì)影響顯著，且土壤肥力由高到低為：中齡林、近熟林、幼齡林。因此，林齡是影響樟子松林下土壤養(yǎng)分的重要因素。而土壤有機(jī)質(zhì)是存在于土壤中的含碳有機(jī)物質(zhì)[8]，可作為體現(xiàn)土壤養(yǎng)分的一個(gè)重要方面[9]。馬存平等[10]比較分析了榆林地區(qū)不同固沙林地土壤養(yǎng)分變化特征，結(jié)果表明：各固沙林地土壤有機(jī)質(zhì)提高幅度最大，在沙區(qū)營(yíng)造固沙林，可有效促進(jìn)土壤養(yǎng)分積累。這些研究表明樟子松人工林土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)于土壤理化性質(zhì)、土壤肥力、生態(tài)環(huán)境等都有明顯的改良作用，且林齡的作用顯著。

鑒于此，本文以裸地為對(duì)照，選取1960s，1970s，1980s種植的立地條件相似的人工樟子松林，研究其土壤有機(jī)質(zhì)含量隨恢復(fù)年限的變化規(guī)律和垂直變化特征，并進(jìn)一步分析其豐缺度，以期了解營(yíng)造樟子松林后林木的生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)其林下土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響，為毛烏素沙地地區(qū)后期樹(shù)種引進(jìn)，沙地改良和生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域?yàn)殛兾魇∮芰质械募t石峽森林公園(東經(jīng)109°12′，北緯38°16′)，海拔高度1 100 m，占地面積約為178.3 km2。該區(qū)屬于暖溫帶干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候，夏季短促較溫?zé)?，冬季較長(zhǎng)且嚴(yán)寒，年平均氣溫為10 ℃，夏季最高溫度為37.6 ℃，冬季最低溫度為-32.7 ℃。無(wú)霜期較短，全年無(wú)霜期150 d左右，氣候干燥，降水較少且分配不均，多年平均降雨量在400 mm左右，降雨多集中在夏季。終年盛行西北風(fēng)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，風(fēng)力大，土壤類型主要是風(fēng)沙土[11]。

1.2 樣品采集與測(cè)定

在榆林紅石峽森林公園進(jìn)行土壤取樣(表1)，選擇立地條件相似的1960s，1970s，1980s樟子松林地進(jìn)行土壤采集，并以裸地作為對(duì)照。采用“S”形法在試驗(yàn)樣地中選擇樣點(diǎn)，每個(gè)樣地選擇2個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)。使用內(nèi)徑6 cm的土鉆在0—100 cm的土層中分層取土，分層厚度10 cm/樣，將采集的重復(fù)樣點(diǎn)樣品充分混合后帶回實(shí)驗(yàn)室，放在室內(nèi)干燥陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，并經(jīng)常翻動(dòng)。樣品經(jīng)風(fēng)干后，四分法取土壤樣品，研磨后全部過(guò)0.25 mm的篩子后利用重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量。

表1 樣地基本情況

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，Sigmaplot 12.5繪圖，利用我國(guó)在第二次土壤質(zhì)量普查制定的土壤有機(jī)質(zhì)含量分級(jí)與豐缺度指標(biāo)[12](表2)研究樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量的豐富程度。

表2 土壤有機(jī)質(zhì)含量分級(jí)與豐缺度指標(biāo)

2 結(jié)果與分析

2.1 樟子松林土壤有機(jī)質(zhì)含量分布特征

2.1.1 土壤有機(jī)質(zhì)垂直變化特征 已有研究表明土壤不同深度的有機(jī)質(zhì)含量不同[13-14]，本文對(duì)比研究了不同恢復(fù)年限樟子松林的不同土壤層次的有機(jī)質(zhì)含量，結(jié)果如圖1。

由圖1可以看出，總體上不同林齡樟子松林及裸地中土壤有機(jī)質(zhì)含量均隨土層深度的增加而逐漸減小。樟子松林和裸地中0—20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著大于其他層次，20—100 cm土層范圍內(nèi)，土壤有機(jī)質(zhì)含量變化幅度隨深度的增加表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，但其差異尚達(dá)不到顯著水平。

圖1 不同恢復(fù)年限樟子松林土壤有機(jī)質(zhì)含量垂直變化特征

2.1.2 不同林齡的土壤有機(jī)質(zhì)含量分布特征 在分析了土壤有機(jī)質(zhì)垂直變化特征的基礎(chǔ)上，分層研究了不同林齡樟子松林的土壤有機(jī)質(zhì)含量變化特征。

由圖1可知在0—10 cm土層中土壤有機(jī)質(zhì)含量的大小排序?yàn)椋?960s >1970s >1980s >裸地，1960s樟子松林土壤有機(jī)質(zhì)含量最大，其值為10.71 g/kg，裸地土壤有機(jī)質(zhì)含量最小，其值為3.43 g/kg。而在10—20 cm土層中1970s樟子松林土壤有機(jī)質(zhì)含量最大，其值為4.11 g/kg，1980s樟子松林土壤有機(jī)質(zhì)含量最小，其值為1.58 g/kg。20 cm以下土層的土壤有機(jī)質(zhì)含量變化較小。

總體上與裸地相比，不同林齡樟子松林均能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。其中，1960s樟子松林與裸地比較土壤有機(jī)質(zhì)含量提高了212%，1970s提高了210%，1980s提高了177%。方差分析結(jié)果表明：1960s，1970s，1980s樟子松林與裸地在0—10 cm層土壤有機(jī)質(zhì)含量差異均達(dá)到了顯著水平(p<0.05)；1960s樟子松林在10—40 cm土層與裸地土壤有機(jī)質(zhì)含量差異顯著(p<0.05)，40 cm以下差異不顯著；1970s樟子松林在10—50 cm土層與裸地土壤有機(jī)質(zhì)含量差異顯著(p<0.05)，50 cm以下差異不顯著；1980s樟子松林在10—100 cm土層范圍內(nèi)與裸地土壤有機(jī)質(zhì)含量均沒(méi)有顯著差異。因此，總體趨勢(shì)上在0—100 cm土層范圍內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著林齡的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。

除此以外，表3可以看出1970s與1980s樟子松林相比土壤有機(jī)質(zhì)含量變化幅度總體上是大于1970s與1960s樟子松林之間的有機(jī)質(zhì)含量變化幅度，在0—10 cm土層中也得到了同樣的結(jié)果。因此，隨著林齡的增長(zhǎng)，樟子松林土壤有機(jī)質(zhì)含量變化幅度有逐漸減小的趨勢(shì)。

表3 不同林齡樟子松林土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)裸地的變化率 %

注：-表示減少率。

2.2 土壤有機(jī)質(zhì)含量豐缺度

本研究結(jié)果表明不同林齡的有機(jī)質(zhì)含量相比裸地均有所提高，為明確不同林齡土壤有機(jī)質(zhì)含量的豐缺程度，對(duì)研究區(qū)不同林齡樟子松林及裸地中土壤有機(jī)質(zhì)含量等級(jí)與豐缺度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同恢復(fù)年限樟子松林0-100 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量分級(jí)與豐缺度

在不同林齡樟子松林及裸地各土層中，0—10 cm層土壤有機(jī)質(zhì)含量較高。1960s和1970s樟子松林地中0—10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量分別達(dá)到10.71 g/kg，10.63 g/kg，土壤有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為5級(jí)以上，屬稍缺水平，1980s樟子松林中0—10 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量為6.05 g/kg，稍大于6級(jí)。而不同林齡樟子松林中其他土層(10—100 cm)及裸地中土壤有機(jī)質(zhì)含量只能達(dá)到土壤有機(jī)質(zhì)含量分級(jí)表中最低標(biāo)準(zhǔn)6 g/kg的一半左右甚至更低，屬于極度缺乏水平。雖然不同林齡樟子松林地中土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于裸地，特別是在表層(0—20 cm)，土壤有機(jī)質(zhì)增加最為明顯，但是參考土壤有機(jī)質(zhì)含量分級(jí)與豐缺度指標(biāo)發(fā)現(xiàn)樟子松林下土壤有機(jī)質(zhì)積累仍然較少。這是因?yàn)樵囼?yàn)區(qū)發(fā)展的樟子松人工林為單一樹(shù)種的同齡同層林，林分結(jié)構(gòu)單一，林分密度較小，并且樟子松屬于針葉常綠樹(shù)種，其凋落物積累較少且含有較多的纖維素和木質(zhì)素等難分解物質(zhì)等原因造成土壤有機(jī)質(zhì)含量增加較慢。同時(shí)受到榆林地區(qū)寒冷干燥的氣候環(huán)境，以及肥力低下，微生物活動(dòng)水平較低的土壤性質(zhì)等綜合因素的影響。

3 討 論

不同恢復(fù)年限樟子松林(包括裸地)，土壤剖面有機(jī)質(zhì)含量分布均存在土壤表層大于下層，具有明顯的“表層聚集”特征，并且土層深度越大，有機(jī)質(zhì)含量越低，且在各土層間含量分布差異顯著，該結(jié)果與許多研究結(jié)果相一致[15-17]。這是由于自然植被(喬木，灌木和草本植物等)產(chǎn)生的枯落物、地下根系分泌的有機(jī)物質(zhì)、衰老死亡的根系和動(dòng)物殘?bào)w等是森林土壤有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源，而這些物質(zhì)常積累在土壤表層，并且表層土壤結(jié)構(gòu)相對(duì)于深層土壤結(jié)構(gòu)較好，微生物活動(dòng)旺盛，所以有機(jī)質(zhì)積累較多。隨著土層深度的增加，動(dòng)植物殘?bào)w以及植物根系分布也逐漸減少，因此0—20 cm層土壤有機(jī)質(zhì)含量多于其他土層，且隨土層深度的增加而逐漸降低。

牛沙沙等[7]研究發(fā)現(xiàn)15 a，25 a，32 a生樟子松林0—100 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量隨林齡增長(zhǎng)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，本論文的研究結(jié)果與其一致。但是郭月峰等[18]研究發(fā)現(xiàn)5 a，11 a，17 a，23 a，29 a生檸條錦雞兒林地0—150 cm土層中有機(jī)質(zhì)隨林齡增加而增加。這是由于選擇的研究對(duì)像，以及林分條件不同造成的。林齡顯著影響土壤的有機(jī)質(zhì)含量的特征，我們研究對(duì)象的樟子松林齡在30 a以上，已有大量研究表明近熟林在生長(zhǎng)上表現(xiàn)出明顯的衰退跡象，但是具體的衰退程度與立地條件和林地管護(hù)等有很大的關(guān)系[19]，本研究選擇的林地皆為自然恢復(fù)林，后期管護(hù)過(guò)程無(wú)人工施肥現(xiàn)象，因此出現(xiàn)該結(jié)果可能與樟子松林本身的林分變化具有很大的關(guān)系。

本文研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同恢復(fù)年限樟子松林與裸地相比均能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，但是林下土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富度仍屬于缺乏水平。也有許多研究表明樟子松純林地雖然能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，但與其他林相比，有機(jī)質(zhì)含量積累較少[20-21]。所以在今后經(jīng)營(yíng)管理樟子松林時(shí)要注意在林中施用有機(jī)肥料，合理的營(yíng)林撫育方式或引入其他樹(shù)種混交等研究土壤有機(jī)質(zhì)含量變化情況，以期使樟子松人工林發(fā)揮最大生態(tài)效益。

4 結(jié) 論

(1) 樟子松林下土壤有機(jī)質(zhì)含量存在隨土層深度的增加而逐漸降低的變化趨勢(shì)，且有明顯的表層富集特征。

(2) 隨著林齡的增加樟子松林中土壤有機(jī)質(zhì)含量變化存在先增加后減小的變化趨勢(shì)，但變化幅度逐漸減小。

(3) 相比于裸地，不同恢復(fù)年限樟子松林均提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，但總體上土壤有機(jī)質(zhì)含量仍處于缺乏水平。