王平安，任旭明，薄夫京，張蕓香，郭晉平

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西太谷030801；2.北方功能油料樹種培育與研發(fā)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太谷030801）

土壤作為植物生長的載體和所需養(yǎng)分的主要 來源，對植物的生長起著舉足輕重的作用。土壤理化性質(zhì)反映了土壤為植物生長發(fā)育供應(yīng)、協(xié)調(diào)營養(yǎng)元素（水分和養(yǎng)分）的能力。而土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征可在一定程度上反映土壤中主要元素對植物生長的限制狀況。目前，對土壤理化性質(zhì)及生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征研究主要集中在不同海拔[1-3]、不同林分密度[4-5]、不同林齡[6-11]、不同林型[12-13]、不同類型生態(tài)系統(tǒng)[1，3，14-20]方面。劉杰等[7]對河北塞罕壩林場不同林齡的華北落葉松人工林進(jìn)行研究，結(jié)果表明，中齡林階段土壤質(zhì)量最好，林分質(zhì)量最高。張蕓等[9]對福建三明莘口林場不同林齡杉木人工林研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)育到近熟林時(shí)林下土壤物理-水分條件逐漸惡化。邱新彩等[6]對北京延慶區(qū)不同林齡油松人工林研究表明，北京地區(qū)油松人工成熟林土壤通氣透水性和養(yǎng)分狀況更好。由此可見，不同研究區(qū)域不同林分類型在不同的生長階段，其林下土壤的理化性質(zhì)存在差異性。且對于特定的研究區(qū)域，影響土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的主要土壤理化性質(zhì)存在差異，如土壤含水量和容重是影響茂蘭喀斯特自然保護(hù)區(qū)森林土壤和塔里木盆地北緣土壤主要元素含量及其化學(xué)計(jì)量比的重要因子[21-22]，土壤pH、容重是影響木麻黃下土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量特征的主要影響因子[23]。

本研究以關(guān)帝山不同林齡華北落葉松人工林下土壤為對象，闡明關(guān)帝山不同林齡華北落葉松人工林下土壤質(zhì)量優(yōu)劣，并闡明影響土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的主要土壤理化性質(zhì)，以期為關(guān)帝山華北落葉松人工林下土壤養(yǎng)分循環(huán)機(jī)制研究奠定基礎(chǔ)，為華北落葉松人工林近自然經(jīng)營和質(zhì)量提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省西部呂梁山脈中段的關(guān)帝山林區(qū)，地理坐標(biāo)為37°20′～38°20′N，110°18′～111°18′E。區(qū)域氣候?yàn)榕瘻貛Т箨懶陨降貧夂?，年均?.3℃，年均降水量822.6 mm，年均相對濕度70.9%。

1.2 試驗(yàn)方法

2018年7月和2019年7月，在龐泉溝國家級自然保護(hù)區(qū)的神尾溝和孝文山林場的社堂溝、野沙溝，選取林齡分別為11、25、35、45 a的華北落葉松人工林，要求樣地的海拔范圍控制在2 000～2 220 m、坡向?yàn)殛幤潞桶腙幤?、坡度?6°～26°、坡位從中下部到中上部，立地條件基本一致，林相整齊未受破壞，在每個(gè)林齡的不同林分中設(shè)置面積為20 m×20 m的重復(fù)樣地3、5、9、3塊，4個(gè)林齡共設(shè)樣地20塊。林內(nèi)混交有少數(shù)白樺（Betula platyphlla）、遼東櫟（Quercus liaotungensis），林下灌木樹種主要有繡線菊（Spiraea salicifolia）、黃刺玫（Rosa xanthina）等，草本植物主要有苔草（Carex spp.）、茅草（Imperata cylindrica）、早熟禾（Poa annua L.）、小紅菊（Dendranthema chanetii）等。樣地具體情況列于表1。

表1 樣地概況

在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)取3個(gè)樣點(diǎn)，先剝掉凋落物層（包括未分解和半分解）到露出腐殖質(zhì)層，用土鉆分0～10、10～20、20～30 cm3層取樣，每層3個(gè)樣點(diǎn)的土樣混合為此層的混合土壤樣品，按四分法取500 g土樣裝入自封袋，共60個(gè)土壤樣品，用于測定土壤總碳、總氮、總磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、pH等指標(biāo)。同時(shí)在樣地內(nèi)隨機(jī)挖3個(gè)土壤剖面，分3層（0～10、10～20、20～30 cm）用環(huán)刀采集原狀土，共180份土壤樣品，用于測定土壤含水率、容重等指標(biāo)。

土壤樣品分別裝入塑料自封袋，做好記錄、貼好標(biāo)簽，帶回實(shí)驗(yàn)室待測。

1.3 測定指標(biāo)及方法

土壤樣品在室內(nèi)風(fēng)干，2 mm孔徑過篩，去除根系、石塊等雜質(zhì)，研磨后過0.149 mm篩，裝袋待測。土壤樣品總碳含量用TOC分析儀（multi N/C 2100分析儀，德國耶拿）測定；總氮含量采用凱氏定氮法測定；土壤總磷含量采用濃硫酸-高氯酸消煮結(jié)合鉬銻抗比色法測定。土壤pH采用酸度計(jì)法測定；土壤銨態(tài)氮使用2 mol/L氯化鉀浸提-靚酚藍(lán)比色法測定；土壤硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法測定；土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定。土壤含水率采用稱重法測定，容重采用環(huán)刀法測定。

土壤含水率＝（土壤鮮質(zhì)量-土壤烘干質(zhì)量）/

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用SPSS 19.0的單因素方差分析（One-way ANOVAs）分析不同林齡華北落葉松人工林下土壤C、N、P含量及其化學(xué)計(jì)量比、理化性質(zhì)的林齡和土層差異，顯著性水平設(shè)為0.05；如果組間方差齊則用Duncan法進(jìn)行兩兩比較，如果組間方差不齊則用Tamhane's T2法進(jìn)行兩兩比較。采用SPSS19.0主成分分析法分析并計(jì)算各林齡林下土壤質(zhì)量得分。采用Canoco 5軟件分析影響土壤C、N、P含量及化學(xué)計(jì)量比的主要土壤理化因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡華北落葉松人工林土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征分析

各林齡華北落葉松人工林下土壤各層C、N、P含量及C/P、N/P、C/N（11 a除外）均有隨土層深度增大而減小的趨勢。各林齡華北落葉松人工林土壤各層C、N含量及C/P、N/P均隨林齡增大呈先增大后減小的趨勢；P含量隨林齡增大呈增大趨勢，C/N隨林齡增大呈減小趨勢。其中，C、N含量及C/N、C/P、N/P在各林齡間差異都顯著。與11 a華北落葉松人工林相比，35 a華北落葉松人工林土壤總碳、總氮均值分別增加了108.23%和420.00%（表2）。

表2 不同林齡華北落葉松人工林不同土層C、N、P含量比較

2.2 不同林齡華北落葉松人工林土壤理化性質(zhì)分析

各林齡華北落葉松人工林土壤含水率、總孔隙度、通氣度（35 a除外）、硝態(tài)氮、速效磷、銨態(tài)氮均隨土層深度增加呈減小的趨勢，土壤容重、pH值均隨土層深度增加呈增加的趨勢。其中，各林齡華北落葉松人工林土壤各層含水率、總孔隙度、硝態(tài)氮、速效磷均隨林齡增大呈先增大后減小的趨勢，土壤各層pH值、容重均隨林齡增大呈先減小后增大的變化趨勢；土壤各層通氣度、銨態(tài)氮均隨林齡增大而增大。各林齡所有土壤理化性質(zhì)間差異均顯著。與11 a華北落葉松人工林相比，35 a華北落葉松人工林下土壤含水率、總孔隙度、速效磷均值分別增加86.71%、32.74%、58.85%，土壤容重、pH值分別下降了29.71%、24.49%（表3）。

2.3 華北落葉松人工林土壤質(zhì)量評價(jià)

采用土壤總碳、總氮、總磷、含水率、容重、通氣度、總孔隙度、pH、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷等11個(gè)指標(biāo)構(gòu)建評價(jià)體系，通過主成分分析對關(guān)帝山林區(qū)不同林齡華北落葉松人工林土壤質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。首先，對0～10、10～20、20～30 cm土壤的11個(gè)指標(biāo)進(jìn)行KMO和Bartlett球形檢驗(yàn)，10～20、20～30 cm結(jié)果分別為0.491、0.513，均小于0.6，0～10 cm結(jié)果為0.697＞0.6，因此，選取0～10 cm土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。對不同林齡華北落葉松人工林0～10cm土層土壤指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，提取出4個(gè)主成分，且4個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為90.77%，特征值＞1，因此，提取的4個(gè)主成分可用于關(guān)帝山林區(qū)不同林齡華北落葉松人工林土壤質(zhì)量評價(jià)（表4）。

表3 不同林齡華北落葉松人工林不同土層土壤理化性質(zhì)比較

表4 不同林齡華北落葉松人工林0～10 cm土層土壤指標(biāo)主成分分析

由表5可知，各主成分與土壤指標(biāo)的表達(dá)式為：FAC1_1＝0.16×總碳＋0.17×總氮＋0.06×總磷＋0.06×含水率-0.16×容重＋0.16×通氣度＋0.07×總孔隙度-0.16×pH＋0.13×銨態(tài)氮＋0.03×硝態(tài)氮＋0.13×速效磷；FAC2_1＝0.01×總碳＋0.02×總氮-0.17×總磷＋0.34×含水率＋0.10×容重-0.10×通氣度-0.35×總孔隙度-0.08×pH-0.03×銨態(tài)氮＋0.29×硝態(tài)氮＋0.18×速效磷；FAC3_1＝-0.19×總碳-0.14×總氮＋0.29×總磷-0.37×含水率＋0.20×容重-0.20×通氣度＋0.13×總孔隙度＋0.05×pH＋0.50×銨態(tài)氮＋0.46×硝態(tài)氮＋0.39×速效磷；FAC4_1＝0.21×總碳＋0.15×總氮＋0.76×總磷＋0.18×含水率＋0.25×容重-0.24×通氣度-0.32×總孔隙度＋0.00×pH＋0.02×銨態(tài)氮-0.31×硝態(tài)氮-0.05×速效磷。式中，總碳、總氮等11個(gè)指標(biāo)均為經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn) 化 變 換 后 的 標(biāo) 準(zhǔn) 變 量；FCA1_1、FAC2_1、FAC3_1、FAC4_1分別表示各主成分的因子得分。

表5 成分得分系數(shù)矩陣

根據(jù)成分系數(shù)得分矩陣，主成分1主要反映了總碳、總氮、容重、通氣性、pH；主成分2主要反映了含水率、總孔隙度；主成分3主要反映了銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷；主成分4主要反映了總磷。

根據(jù)表達(dá)式：綜合得分＝5.55×主成分1/（5.55＋2.41＋1.02＋1.00）＋2.41×主成分2/（5.55＋2.41＋1.02＋1.00）＋1.02×主成分3/（5.55＋2.41＋1.02＋1.00）＋1.00×主成分4/（5.55＋2.41＋1.02＋1.00），計(jì)算綜合得分。由于每個(gè)林齡樣地重復(fù)數(shù)分別為3、5、9、3。因此，根據(jù)每個(gè)林齡的重復(fù)數(shù)計(jì)算此林齡的平均得分值作為此林齡的土壤質(zhì)量得分值。結(jié)果表明，關(guān)帝山林區(qū)不同林齡華北落葉松人工林土壤質(zhì)量綜合得分排名為35 a＞25 a＞45 a＞11 a（表6）。

2.4 華北落葉松人工林土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征與理化性質(zhì)關(guān)系分析

對土壤C、N、P含量及計(jì)量比與土壤其他理化性質(zhì)進(jìn)行冗余分析，根據(jù)向前選擇的結(jié)果，排除土壤總孔隙度、通氣度因子，選擇土壤含水量、容重、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、pH為解釋變量，對響應(yīng)變量土壤C、N、P含量及計(jì)量比進(jìn)行解釋。由表7可知，土壤C、N、P含量及計(jì)量比在前2個(gè)排序軸的解釋量分別為57.19%、4.18%，累計(jì)解釋量為61.37%。前2個(gè)排序軸對土壤C、N、P含量及計(jì)量比與其他理化因子關(guān)系累計(jì)解釋量達(dá)99.17%，表明第1軸、第2軸可以很好地反映土壤C、N、P含量及計(jì)量比與其他理化因子的關(guān)系，第1軸的土壤C、N、P含量及計(jì)量比與其他理化因子關(guān)系累計(jì)解釋量達(dá)92.42%，表明第1軸在對土壤C、N、P含量及計(jì)量比與其他理化因子關(guān)系解釋中起主要作用。

表6 不同林齡華北落葉松人工林土壤質(zhì)量綜合得分

表7 土壤C、N、P含量及其計(jì)量比的變化解釋量冗余分析

對土壤理化因子與排序軸的相關(guān)關(guān)系分析表明，土壤容重與第1軸的相關(guān)系數(shù)最大，其次是土壤pH和土壤速效磷、含水量；第2軸主要反映了土壤銨態(tài)氮的影響；第3軸和第4軸主要反映土壤硝態(tài)氮的影響（表8）。

表8 理化因子與排序軸的相關(guān)關(guān)系分析

由圖1可知，土壤pH和土壤容重的箭頭連線較長，對土壤C、N、P含量及計(jì)量比的解釋量大；土壤pH、容重與土壤C/N呈正相關(guān)，與土壤C、N、P含量及C/P、N/P都呈負(fù)相關(guān)；土壤含水量與土壤P含量、C/N呈負(fù)相關(guān)，與土壤C、N含量及C/P、N/P呈正相關(guān)；土壤速效磷、銨態(tài)氮與土壤C/N呈負(fù)相關(guān)，與土壤C、N、P含量及C/P、N/P呈正相關(guān)；土壤硝態(tài)氮與土壤C/N、P含量呈負(fù)相關(guān)，與土壤C、N含量及C/P、N/P都呈正相關(guān)。

蒙特卡羅置換檢驗(yàn)結(jié)果表明，土壤pH、容重、速效磷、含水量、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮對土壤C、N、P含量及計(jì)量比的影響逐漸減?。煌寥纏H（P＝0.002＜0.01）、容重（P＝0.004＜0.01）對土壤C、N、P含量及計(jì)量比的影響極顯著，所占解釋量分別為44.8%、43.7%，土壤速效磷（P＝0.018）和含水量（P＝0.044）、銨態(tài)氮（P＝0.318）、硝態(tài)氮（P＝0.368）的所占解釋量分別為27.1%、19.8%、5.7%、5.1%，對土壤C、N、P含量及計(jì)量比無顯著影響（表9）。

表9 理化環(huán)境因子解釋的重要性排序和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

3 討論

3.1 不同林齡華北落葉松人工林土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征及理化性質(zhì)

本研究中同一林齡土壤含水率、總孔隙度、通氣度、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、總碳、總氮、總磷均隨土壤深度的增加而下降，土壤容重、pH隨土層加深而增加，錢旭等[24]、魏新等[25]、武慧君等[26]、郭爽等[27]、邱新彩等[6]的研究也得出一致結(jié)果。

吳晉霞等[28]、王彥武等[29]、李際平等[30]的研究表明，土壤容重隨林齡增加呈先減小后增大。這與本研究得出的結(jié)果一致。近熟林時(shí)期土壤容重小、總孔隙度大、含水率高，表明近熟林時(shí)期土壤疏松，孔隙度大，儲(chǔ)水能力強(qiáng)。這是由于近熟林時(shí)期土壤扎根深所致。土壤扎根越深，越有利于土壤養(yǎng)分的吸收，這也導(dǎo)致近熟林時(shí)期土壤總碳、總氮、硝態(tài)氮、速效磷含量最高。近熟林時(shí)期土壤pH最小，表明此時(shí)土壤中積累了大量的酸性物質(zhì)，這是由于近熟林時(shí)期林分郁閉度大，林內(nèi)光照條件差，大量凋落物積累，分解產(chǎn)生大量酸性成分，在分解過程當(dāng)中產(chǎn)生大量酸性物質(zhì)積累于土壤表層。同時(shí)近熟林時(shí)凋落物厚度大[31]，減少了水分的蒸散，使得近熟林時(shí)期土壤水分含量高。

各林齡華北落葉松人工林C/N隨林齡增大而減小，這是由于雖然土壤總碳和總氮的變化趨勢一致，但土壤總碳的變化趨勢滯后于土壤總氮的變化趨勢。本研究表明，土壤各層C/P、N/P均有隨林齡增大呈先增大后減小的趨勢。汪宗飛等[32]對黃土高原子午嶺地區(qū)油松人工林土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征研究發(fā)現(xiàn)，土壤C/P、N/P隨林齡增加而增加。陸媛等[33]對黃土高原子午嶺地區(qū)不同林齡遼東櫟林土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征研究發(fā)現(xiàn)，土壤C/P先增加后減小，N/P無顯著性差異。淑敏等[34]對科爾沁引種的不同林齡樟子松研究發(fā)現(xiàn)，土壤C/P先減小后增加，N/P無顯著性差異。本研究認(rèn)為，近熟林時(shí)期土壤C/P、N/P最高，這可能是由于研究樹種及研究區(qū)域不同所造成的。

3.2 關(guān)帝山華北落葉松人工林土壤質(zhì)量綜合評價(jià)

關(guān)帝山林區(qū)不同林齡華北落葉松人工林土壤質(zhì)量綜合得分排名為：35 a＞25 a＞45 a＞11 a。從幼齡林到近熟林，土壤質(zhì)量上升，從近熟林到成熟林階段，土壤質(zhì)量下降。這是由于在近熟林之前，隨著林齡的增長，總碳、總氮、總磷、含水率、通氣度、總孔隙度逐漸增加，養(yǎng)分含量增加；近熟林到成熟林階段，總碳、總氮、總磷、含水率、總孔隙度減小，養(yǎng)分含量減小，且與華北落葉松人工幼林相比，近熟林土壤總碳、總氮、含水率、總孔隙度、速效磷均值分別增加了108.23%、420.00%、86.71%、32.74%、58.85%，土壤容重、pH均值分別下降了29.71%、24.49%。這也說明了近熟林時(shí)期土壤理化性狀都得到較大改善，土壤質(zhì)量最好。紀(jì)文婧等[35]對太岳山不同林齡華北落葉松人工林的研究中指出，幼齡林和成熟林時(shí)期，華北落葉松人工林的生物量、營養(yǎng)元素積累量和年存留量較低，這也是幼齡林和成熟林土壤質(zhì)量低的原因之一。張希彪等[36]對黃土丘陵區(qū)人工油松林研究得出，隨林齡的增加，人工油松林到達(dá)成熟期，養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)期長，歸還給林地的養(yǎng)分速率慢，更多的關(guān)注自身的生長，更多的消耗林地的養(yǎng)分，成熟期時(shí)林地土壤質(zhì)量低，這與本研究的結(jié)果一致。所以，華北落葉松人工林處于高林齡時(shí)期，應(yīng)進(jìn)行人為干預(yù)，改善林內(nèi)微生境，提升土壤質(zhì)量。

3.3 影響華北落葉松人工林土壤C、N、P含量及計(jì)量特征的主要土壤理化性質(zhì)

各土層土壤容重和pH均對土壤的C、N、P含量及計(jì)量特征有極顯著影響。土壤pH作為土壤酸堿性的重要指標(biāo)，對土壤微生物的活性有重要影響，間接對土壤的養(yǎng)分產(chǎn)生影響[37]。各層土壤pH與對應(yīng)層土壤C/N呈正相關(guān)，與C、N、P含量及C/P、N/P都呈負(fù)相關(guān)。隨著土壤pH的增加，土壤中微生物活動(dòng)及土壤酶活性受限，土壤C、N、P含量減少。土壤容重是土壤緊實(shí)程度的重要指標(biāo)，容重越小，越有利于根系下扎，吸收養(yǎng)分[38-39]。土壤容重與土壤C/N呈正相關(guān)，與C、N含量及C/P、N/P都呈負(fù)相關(guān)。隨著土壤容重的增大，土壤越緊實(shí)，根系下扎越困難，吸收養(yǎng)分越艱難，因此，土壤C、N含量減小。鐘春柳等[23]研究認(rèn)為，土壤容重、pH是影響C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的重要因子，與本研究的結(jié)果一致。張蕊等[40]在對祁連山草混植被的研究中得出，土壤容重、含水率對土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征有重要影響，與本研究的結(jié)果相似。土壤含水率對土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征有很大影響，是因?yàn)槠溲芯繀^(qū)祁連山北坡屬于溫帶干旱氣候，降水量少，因而，土壤含水率成為影響生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的一個(gè)重要影響因素[40]。本研究區(qū)屬溫帶大陸性氣候，降水豐沛，土壤含水率未成為影響土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的重要影響因素。因此，關(guān)帝山林區(qū)華北落葉松人工林土壤pH和容重成為驅(qū)動(dòng)土壤C、N、P含量及計(jì)量特征變化的主要因子。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，各林齡華北落葉松人工林土壤各層C、N含量及C/P、N/P、含水率、總孔隙度、硝態(tài)氮、速效磷均隨林齡增大呈先增大后減小的趨勢，pH、容重隨林齡增大呈先減小后增大的變化趨勢；P含量、通氣度、銨態(tài)氮隨林齡增大而增大，C/N隨林齡增大呈減少趨勢。對關(guān)帝山林區(qū)11、25、35、45 a華北落葉松人工林土壤質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，其土壤質(zhì)量得分分別為-2.94、0.38、0.70、0.22，其中，35 a林下土壤質(zhì)量綜合評分最高。土壤pH和容重對土壤的C、N、P含量及化學(xué)計(jì)量比有極顯著影響。關(guān)帝山林區(qū)華北落葉松人工林在近熟林階段的土壤質(zhì)量最好，且土壤pH和容重是驅(qū)動(dòng)土壤C、N、P含量及計(jì)量特征變化的主要因子。