柳 葉, 任 悅, 高廣磊,2,3,4?, 丁國棟,2,3,4, 張 英,2,3, 王家源, 郭 躍

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京；2.北京林業(yè)大學林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心，100083，北京；3.北京林業(yè)大學水土保持國家林業(yè)和草原局重點實驗室，100083，北京；4.寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，751500，寧夏鹽池； 5. 鄂爾多斯市林業(yè)和草原事業(yè)發(fā)展中心，017010，內蒙古鄂爾多斯)

土壤碳(C)、氮(N)和磷(P)是表征土壤肥力和生產力的重要指標，對調節(jié)植物生長和驅動養(yǎng)分循環(huán)具有關鍵作用[1]。其中，森林土壤有機碳是全球碳循環(huán)的重要組成部分，其儲量約占全球土壤碳儲量的73%[2]；土壤氮、磷儲量深刻影響著森林生態(tài)系統(tǒng)的凈初級生產力和功能[3]；因此，研究森林土壤碳氮磷儲量對于深入理解森林生態(tài)系統(tǒng)功能和可持續(xù)經營管理有重要意義。

土壤碳氮磷儲量存在較強的空間異質性和時間變異性[4]。氣候可以通過各種直接和間接的生態(tài)過程影響土壤碳氮磷儲量。降水改變土壤含水量，抑制或促進土壤微生物和酶的活性，進而影響土壤有機質分解和積累平衡[5-6]。海拔和溫度也通過影響土壤含水量及土壤密度間接對土壤碳氮磷儲量產生影響。此外，林齡可以影響植物-土壤的反饋調節(jié)，是土壤碳氮磷儲量的重要影響因素之一[7]。隨著林分生長，凋落物數(shù)量和分解的養(yǎng)分返還量均不斷增加。根系分泌物是土壤養(yǎng)分的主要來源之一，其分布也會直接影響土壤有機碳的垂直分布[8]。植物干物質合成累積量隨著林齡增加逐漸減少，生產力的不斷下降降低了植物對土壤養(yǎng)分量的需求，土壤養(yǎng)分儲量呈上升趨勢[9]。

沙地樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)具有耐寒、耐旱、耐貧瘠等特性，是干旱半干旱區(qū)防風固沙、水土保持和速生用材的優(yōu)良樹種[10]。20世紀中期以來，沙地樟子松人工林廣泛營建于我國北方多個沙區(qū)[11]。由于種植地區(qū)和年限不同，沙地樟子松林土壤碳氮磷儲量可能存在較大差異，而對樟子松土壤碳氮磷儲量的相關研究多僅集中某一地區(qū)[5，12]。鑒于此，筆者以呼倫貝爾沙地、科爾沁沙地和毛烏素沙地中齡、近熟和成熟樟子松人工林為對象，通過分析土壤碳氮磷儲量特征以及土壤特性和氣候的相關性，探究引種地區(qū)和林齡對沙地樟子松林土壤碳氮磷儲量分布的影響，以期為沙地樟子松人工林可持續(xù)經營管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)分別位于內蒙古自治區(qū)紅花爾基樟子松國家森林公園、遼寧省章古臺沙地森林公園和陜西省紅石峽沙地植物園。

紅花爾基樟子松森林公園位于呼倫貝爾沙地東南部(E 115 °31′，N 47 °05′)，海拔606 m。半濕潤大陸性季風氣候，春季干燥多風，夏季高溫多雨，秋季溫涼短促，無霜期90 d左右。年均溫度僅為-0.4 ℃，年均降水量359.4 mm，年蒸發(fā)量1 174 mm，年均日照時間為2 558.6 h。土壤為風沙土，養(yǎng)分含量較低。優(yōu)勢植物種主要有樟子松、白樺(Betulaplatyphylla)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)和沙蒿(Artemisiadesertorum)等。

章古臺沙地森林公園位于科爾沁沙地東南部(E 122°22′，N 42°23′)，海拔226 m。中溫帶亞濕潤大陸性季風氣候，干旱多風，且侵蝕性風力集中，光照充足，晝夜溫差大，無霜期超過150 d。年均降水量526.5 mm，降雨多集中在6—8月，年蒸發(fā)量1 932.7 mm，年均溫度8 ℃，年均日照時間為2 615.2 h。土壤類型為風沙土，有機質及其他養(yǎng)分濃度較低。優(yōu)勢植物種主要有樟子松、胡枝子(Lespedezabicolor)和賴草(Leymussecalinus)等。

紅石峽沙地植物園位于毛烏素沙地東南部(E 109°42′，N 38°20′)，海拔1 100 m。暖溫帶大陸性季風氣候，干燥多風，冬、春季風沙較大，降水年際變化率大。年均溫度9.1 ℃，年均日照時間為2 914 h，年均降水量365.7 mm，年蒸發(fā)量為2 502 mm。土壤類型為風沙土通透性好，保水性差，相對貧瘠。優(yōu)勢植物種主要有樟子松、紫穗槐(Amorphafruticosa)和花棒(Hedysarumscoparium)等[10]。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與分析

筆者于2017年沙地樟子松生長旺盛期7—9月進行野外調查與樣品采集工作。以中齡(21～30 a)、近熟(31～40 a)和成熟(41～50 a)3個齡組的沙地樟子松人工林為研究對象，在每個林齡內隨機布設3個樣方，并選取3株標準木，樣方面積為20 m×20 m。在樹木基部周圍清除枯落物層后挖掘土壤刨面，按0～20和20～40 cm深度分層收集土壤樣品，混勻帶回實驗室。環(huán)刀采集的土壤樣品用于測定土壤密度。

土壤樣品在通風處風干并挑出細根和石塊等，研磨后過100目篩。有機碳濃度采用重鉻酸鉀氧化稀釋熱法，土壤樣品用硫酸-高氯酸消煮后，全氮濃度采用靛酚藍比色法測定，全磷濃度采用鉬銻抗比色法測定。環(huán)境因子的測定中，土壤含水量(soil water content，SWC)、孔隙度(soil porosity，SP)采用烘干法測定，pH使用pH計測定(土水比為1∶2.5)。另一部分土樣帶回實驗室冷凍保存，用于測定土壤酶活性，土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶使用多功能酶標儀測定[13]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

土壤碳(氮，磷)儲量計算公式為:

SC(N,P)i=ciρidi/10；

(1)

(2)

式中：SC(N，P)i為第i層土壤碳(氮或磷)儲量，kg/m2；ci為第i層土壤碳(氮或磷)質量分數(shù)，g/kg；ρi為第i層土壤密度，g/cm3；di為第i層土層厚度，cm；TC(N,P)為土壤0～40 cm碳(氮或磷)總儲量，kg/m2。

氣象數(shù)據(jù)(溫度和降水量)均來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。采用SPSS 26.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，Origin 2018軟件和R 4.0.3繪圖。采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)分析不同地區(qū)相同齡組和相同地區(qū)不同齡組間沙地樟子松土壤碳氮磷濃度、儲量間差異(α=0.05)，采用嵌套雙因素方差分析法分析地區(qū)、林齡及其相互作用對土壤碳氮磷濃度和儲量的影響(α=0.05)。采用Pearson相關系數(shù)分析不同深度土壤碳氮磷儲量之間的相關性，RDA分析法用于分析環(huán)境因子對碳氮磷儲量之間的相關性。

3 結果與分析

3.1 沙地樟子松林土壤碳氮磷濃度特征

研究區(qū)不同齡組沙地樟子松林土壤有機碳、全氮和全磷質量分數(shù)分別為0.63～11.73、0.05～0.67和0.1～0.64 g/kg(圖1)。0～20 cm土層碳、氮質量分數(shù)均高于20～40 cm，磷質量分數(shù)差異不明顯。毛烏素沙地土壤碳質量分數(shù)顯著低于其他2個研究區(qū)(HL：80.4%，HQ：53.8%)(P<0.05)?？茽柷呱车刂旋g林和成熟林氮質量分數(shù)顯著低于其他2個研究區(qū)(P<0.05)。隨著林齡的增加，土壤碳質量分數(shù)均先增加后減少，最大值出現(xiàn)在近熟林，氮質量分數(shù)逐漸增加。地區(qū)對碳氮磷質量分數(shù)均有顯著影響(P<0.05)，林齡對土壤碳氮磷質量分數(shù)(除20～40 cm土層磷質量分數(shù))有顯著影響(表1)。

表1 地區(qū)和齡組下土壤碳氮磷濃度方差分析Tab.1 Variance analysis of SOC, N, and P contentunder the different areas and age groups

3.2 沙地樟子松林土壤碳氮磷儲量特征

沙地樟子松人工林土壤碳、氮、磷儲量分別為1.78～34.38、0.33～2.09和0.48～1.83 kg/m2(圖2)，土壤碳儲量顯著大于氮磷儲量(表2)。0～20 cm土層碳氮儲量均高于20～40 cm，磷儲量差異并不明顯。呼倫貝爾沙地碳儲量最高?？茽柷呱车卣磷铀赏寥赖獌α康陀谄渌?個沙地(P<0.05)。隨著林齡的增加，土壤碳儲量先增加后減少，最大值出現(xiàn)在近熟林，氮儲量逐漸增加。地區(qū)對碳氮磷儲量有顯著影響(P<0.05)，林齡顯著影響各土層碳氮儲量和總儲量，對0～20 cm土層磷儲量無顯著影響(P>0.05，表3)。

表2 沙地樟子松林土壤碳氮磷儲量均值Tab.2 Average C, N, and P storage of Pinus sylvestris var.mongolica plantations kg/m2

表3 地區(qū)和齡組下土壤碳氮磷儲量方差分析Tab.3 Variance analysis of C, N, and P storage underthe area and age group

圖2 沙地樟子松林土壤碳氮磷儲量Fig.2 soil carbon, nitrogen, and phosphorus storage in Pinus sylvestris var. mongolica plantation

3.3 沙地樟子松林土壤碳氮磷儲量相關性

沙地樟子松林土壤碳氮磷儲量間相關性表明(圖3)在0～20 cm土層，氮儲量和磷儲量呈現(xiàn)出顯著負相關關系。在20～40 cm土層，磷儲量和碳儲量呈較顯著正相關關系。氮和磷總儲量之間呈顯著負相關關系。

3.4 沙地樟子松林土壤碳氮磷儲量與環(huán)境相關性

環(huán)境因子與沙地樟子松土壤碳氮磷總儲量冗余分析(RDA)結果表明(圖4)，前2軸可以解釋樟子松土壤碳氮磷儲量變異的99.95%。碳儲量與孔隙度、土壤含水量、蔗糖酶和磷酸酶呈正相關，與降水量負相關性最高；孔隙度、蔗糖酶和磷酸酶與氮儲量呈正相關，與磷儲量負相關，碳氮儲量與孔隙度相關性最高。

4 討論

4.1 沙地樟子松林土壤碳氮磷儲量特征

研究區(qū)沙地樟子松林土壤碳氮儲量遠低于中國人工林土壤平均水平和中國森林土壤氮儲量(107.1和10.96 kg/m2)[14-15]，土壤磷儲量則高于中國表層土壤磷儲量估算值(0.35 kg/m2)[16]。針葉凋落物難分解，針葉分泌物降低土壤pH，抑制土壤微生物和土壤動物的活性，影響?zhàn)B分歸還過程[17]。

土壤磷質量分數(shù)自濕潤地區(qū)向干旱、半干旱地區(qū)呈增加趨勢，且沙地水熱條件較差，影響土壤的快速固定、礦化和風化，限制磷素流失，使土壤全磷儲量較高[16]；磷元素具有固持作用和遲效狀態(tài)，因此在不同土層間無明顯差異[17]。表層土壤能直接吸收根系生長代謝和凋落物輸入的有機碳、氮，具有富集作用[8,18]，因此土壤碳儲量和氮儲量。

有餅圖和數(shù)字顯示的結果均存在顯著性，Corr為相關性。SC1為0～20 cm土層碳儲量，kg/m2；SN1為0～20 cm土層氮儲量；SP1為土層磷儲量；SC2為20～40 cm土層碳儲量，kg/m2；SN2為20～40 cm土層氮儲量；SP2為土層20～40 cm磷儲量；TC為0～40 cm土層碳儲量；TN為0～40 cm土層氮儲量；TP為0～40 cm土層磷儲量，下同。The results with Sector Graph and numbers in the figure are both significant. Corr: correlation. SC1: C storage of 0-20 cm soil layer, kg/m2. SN1: N storage of 0-20 cm soil layer. SP1: P storage of 0-20 cm soil layer. SC2: C storage of 20-40 cm soil layer, kg/m2. SN2: N storage of 20-40 cm soil layer. SP2: P storage of 20-40 cm soil layer. TC: C storage of 0-40 cm soil layer. TN: N storage of 0-40 cm soil layer. TP: P storage of 0-40 cm soil layer. The same below. 圖3 沙地樟子松各層土壤碳氮磷儲量間相關性Fig.3 Correlation of C, N, and P storage in different forest types of Pinus sylvectris var. mongolica

4.2 地區(qū)對沙地樟子松林土壤碳氮磷儲量的影響

土壤碳氮磷儲量與土壤環(huán)境、氣候條件密切相關[4]。本研究中3個沙地不同的土壤特性和氣候導致土壤碳氮儲量差異顯著。沙地樟子松人工林土壤碳氮儲量與溫度、降水量呈負相關關系，是因為低溫限制土壤微生物活性，提高微生物碳利用效率，增大土壤養(yǎng)分固存潛力[18]。呼倫貝爾沙地年均溫在零下，因此碳儲量較高。土壤碳儲量與土壤pH負相關，說明酸性增強會影響以真菌為主的微生物活性、多樣性和群落組成，減緩分解作用，利于有機碳積累[19]。土壤溫、濕度影響著土壤氮素礦化，高溫和干旱使林木更易受到害蟲和病原體侵害影響林木對土壤的反饋調節(jié)[20]。氮儲量和磷儲量的環(huán)境因子相關性相反，這可能是因為大氣氮沉降量的增加使土壤酸化，影響磷素的歸還和固持能力[21]，干旱半干旱地區(qū)土壤中的大量碳酸鈣限制了磷的可利用性，導致磷成為該類生態(tài)系統(tǒng)重要限制因子[16]。土壤酶活性與菌根對根際激發(fā)效益的調控有關，可直接影響土壤養(yǎng)分循環(huán)與植物生長[22]。蔗糖酶參與土壤有機碳的礦化，碳儲量隨活性的降低而減少；脲酶催化尿素水解，本研究中脲酶與氮儲量呈負相關，可能是因為當?shù)蛔鳛榱帜旧L限制因子時，氮濃度過高反而會一定程度抑制脲酶分泌[23-24]。

顏色不同表示樣本不同，形狀不同表示林齡不同。Different colors in the legend indicate different samples, and different shapes indicate different stand ages. SWC: soil water content. SP: soil porosity.圖4 環(huán)境因子與土壤碳氮磷儲量的RDA分析Fig.4 RDA analysis of environmental factors and C, N and P storage in the soil of Pinus sylvectris var. mongolica

4.3 林齡對沙地樟子松林土壤碳氮磷儲量的影響

林齡對土壤碳氮儲量有顯著影響。本研究中，沙地樟子松林土碳儲量呈先增加后減小的趨勢，與秦嶺油松人工林的碳儲量研究結果一致[25]。這是因為樟子松在幼齡和中齡時期處于快速生長階段，動植物殘體、凋落物和根系分泌物的輸入量會隨著林齡的增加而增加[18]。林分成熟后，由于營養(yǎng)供應限制、林木衰老等原因導致種群生物量開始下降，凋落物歸還量改變。成熟林土壤養(yǎng)分消耗量增加，使消耗量與累積量之間不平衡，最終影響土壤碳儲量[12]。土壤氮儲量隨林齡增加而增加，表明隨著沙地樟子松林發(fā)展，土壤養(yǎng)分正向積累。3個沙地土壤磷儲量隨林齡變化無明顯規(guī)律，且在不同齡組間無顯著差異，這可能是由于磷首要通過含磷礦物源風化進入土壤，因此土壤磷儲量主要受土壤母質的影響，使其在同一地區(qū)不同林齡上的變異性較小[26]。

5 結論

呼倫貝爾、科爾沁和毛烏素沙地樟子松人工林土壤有機碳、氮、磷儲量均值分別為11.92、0.83和0.91 kg/m2。地區(qū)對土壤碳氮磷儲量均有顯著影響(P<0.05)。呼倫貝爾沙地樟子松林土壤碳儲量顯著高于科爾沁和毛烏素沙地，科爾沁沙地樟子松林土壤氮儲量顯著低于其他2個沙地(P<0.05)。林齡對土壤碳氮儲量影響顯著(P<0.05)。隨著林齡的增加，碳儲量均先增加后減小，氮儲量逐漸增加。樟子松林土壤碳儲量與降水量相關性最大，氮磷儲量與孔隙度相關性最大，且氮磷儲量之間呈顯著負相關關系(P<0.05)。磷是沙地樟子松林生長的重要限制因子，其儲量主要受環(huán)境因素和氮的影響，而非林齡。在對樟子松林的經營管理中可適當添加磷肥，應考慮到地區(qū)的環(huán)境差異性，因地制宜地采取管護措施，同時加強成熟林的管護，減少人為活動對樟子松林的破壞，降低碳損失。