魯中山區(qū)華山林場典型林分的土壤養(yǎng)分和微生物生物量特征

付德剛，高贊東，韓 敬，汪曉紅，鄭惠中，

趙文太1，戴風龍3，亓軍霞4，許景偉5，囤興建5，李 輝2

（1.山東省林業(yè)保護和發(fā)展服務(wù)中心，山東濟南 250014；2.臨沂大學農(nóng)林科學學院，山東臨沂 276000；3.濟南市萊蕪區(qū)園林綠化和林業(yè)發(fā)展中心，山東 濟南 271100；4.濟南市萊蕪區(qū)國有華山林場，山東 濟南 271100；5.山東省林業(yè)科學研究院，山東 濟南 250014）

土壤是森林系統(tǒng)的重要組成部分[1]，其質(zhì)量直接影響森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[2]。土壤養(yǎng)分參與土壤的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化，對林木生長發(fā)育具有重要影響，是反映土壤質(zhì)量狀況的重要指標[3-5]。土壤微生物是土壤有效養(yǎng)分的重要來源[6,7]，不僅參與物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中的許多生化反應(yīng)，而且通過自身的代謝和周轉(zhuǎn)，促進養(yǎng)分的循環(huán)和植物吸收有效性[8,9]，其性狀隨著自然因素、人為因素而產(chǎn)生變化，能快速反映土壤狀態(tài)，是最為敏感的土壤質(zhì)量生物學指標[10,11]。

隨著我國人工林迅速發(fā)展，近年來植被恢復、土地退化等成為人工林建設(shè)的重點。通過研究不同林分人工林土壤養(yǎng)分情況，探明引起土壤退化的因素，對提高人工林生態(tài)功能，促進人工林健康可持續(xù)發(fā)展有重要的理論和實踐意義[12]。

華山林場位于魯中南山地泰山支脈，境內(nèi)地形條件復雜，典型林分為人工側(cè)柏林和黑松—側(cè)柏混交林。本研究以該林場典型林分下土壤為研究對象，研究其土壤養(yǎng)分含量特征和微生物生物量碳、氮特征，分析兩者之間的相互關(guān)系，為林場的健康持續(xù)經(jīng)營和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

研究區(qū)位于魯中山區(qū)泰山東麓華山林場（36°22′—36°28′N，117°22′—117°33′E）。為溫帶大陸性季風氣候區(qū)，四季分明，雨熱同期，干濕明顯，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季干冷少雪，年均降水量為800 mm。林場屬魯中南山地泰山支脈，境內(nèi)山巒起伏，溝壑縱橫，巖石為火成巖山地，基巖以片麻巖、花崗巖類為主，土壤類型為山地棕壤。林場有喬木50 科200 多種，形成以松類、刺槐、側(cè)柏為主體的森林群落結(jié)構(gòu)。

1.2 研究方法

1.2.1 檢測樣地選擇

根據(jù)實地調(diào)查，通過典型樣地法，2022年5月于華山林場，選取5 種不同林分密度和林分類型的公益人工林Y—1、Y—2、Y—3、Y—4、Y—5，其中Y—1、Y—2 為側(cè)柏純 林，Y—3、Y—4、Y—5為側(cè)柏—黑松混交林，每種公益人工林各設(shè)置3個25.8 m×25.8 m 的標準地（667 m2），林齡15年，屬于幼齡林階段，樣地基本情況見表1。

表1 林地基本概況Table 1 Summary information of typical forest plots

1.2.2 樣品采集與測定

于2022年5月進行土壤樣品采集，在每個標準樣地內(nèi)按對角線布設(shè)3 個試驗樣點，以土壤深度0-20 cm采集表層土壤樣品，將采集的土壤樣品過篩后進行土壤養(yǎng)分和微生物生物量碳、氮測定。

測定方法：電位法測定土壤pH 值；重鉻酸鉀—氧化外加熱法測定有機質(zhì)；高氯酸—硫酸硝化凱氏定氮儀法測定土壤全氮；擴散法測定土壤堿解氮；碳酸氫鈉浸提法測定速效磷；NH4Ac 浸提—火焰光度法測定速效鉀；氯仿熏蒸浸提法測定微生物生物量碳和微生物生物量氮[13,14]。

1.2.3 土壤養(yǎng)分指標選擇和分級標準

基于前人的研究成果[15]，本研究選取了pH 值、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀6 個重要指標，以最大限度代表土壤養(yǎng)分水平。

根據(jù)中國土壤pH 值分級標準和全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準，結(jié)合前人對林地土壤指標的評價標準，設(shè)置林地土壤主要養(yǎng)分分級標準[16]，見表2。

表2 林地土壤主要養(yǎng)分分級標準Table 2 Classification standards of main indicators of forest soil quality

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

運用Excel 進行數(shù)據(jù)整理，運用SPSS17.0 對數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計分析、單因素方差分析、多重比較和相關(guān)性分析。采用變異系數(shù)來分析土壤質(zhì)量指標的變異程度，計算公式為：CV=(SD/M)×100%。式中CV、SD 和M 分別為變異系數(shù)、標準差和平均值。變異系數(shù)（CV）可以用于表征指標敏感性，變異系數(shù)越大表明該指標對差異性也越敏感，當變異系數(shù)＜10%時，為弱變異；當10% ≤變異系數(shù)≤30%時，為中度變異；變異系數(shù)＞30%時，為高度變異[17,18]。

2 結(jié)果分析

2.1 典型林分土壤養(yǎng)分含量分析

由表3統(tǒng)計分析結(jié)果可知，各種土壤養(yǎng)分指標的變異系數(shù)中，只有土壤pH 值的變異系數(shù)僅為4.85%，低于10%，為弱變異，而有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀的變異系數(shù)均大于30%，為高度變異，其中有機質(zhì)和全氮的變異系數(shù)均在80%以上，說明土壤養(yǎng)分變異性強，穩(wěn)定性差。

表3 林地土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計分析結(jié)果Table 3 Descriptive statistical analysis of soil nutrients of forest

通過比較各養(yǎng)分指標的變化范圍和等級占比發(fā)現(xiàn)（表3），土壤pH 值在4.63～5.30 之間，均屬于酸性；有機質(zhì)含量變幅在10.8～93.1 g/kg 之間，平均值為31.6 g/kg，均處于適中及以上等級，其中有40 %處于較高等級，說明有機質(zhì)含量水平處于中上等級；全氮含量在0.40～4.37 g/kg 之間，70%處于“適中”及以下等級，并有30%處于很高等級，說明全氮含量水平變化起伏大；堿解氮含量水平變化亦大，并與全氮等級分布趨勢相似；有效磷含量變幅在15.4～148.0 mg/kg 之間，平均值為67.0 mg/kg，且90%處于很高級別，說明有效磷含量水平很高；速效鉀含量變幅在17.0～56.0 mg/kg 之間，平均值為37.2 mg/kg，30%處于適中等級，70%處于較低及以下等級，整體偏低。

表4所示，通過方差分析發(fā)現(xiàn)，林分密度越大土壤pH 值越高，如側(cè)柏純林林分密度3000 株/hm2土壤pH 值明顯高于1950 株/hm2；側(cè)柏—黑松混交林林分密度1500 株/hm2，土壤pH 值明顯高于1050 株/hm2。說明無論是側(cè)柏純林還是側(cè)柏—黑松混交林，土壤pH 值都受林分密度的影響，這是否與側(cè)柏林分密度影響其次生代謝產(chǎn)物有關(guān)還需要進一步研究。

從土壤養(yǎng)分含量來看，除速效鉀外，土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷含量都隨著林分密度的降低而升高，如側(cè)柏純林中，林分密度1950 株/hm2土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷含量均明顯高于3000 株/hm2（p≤0.05）；側(cè)柏—黑松混交林中，林分密度1050 株/hm2的土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷含量均高于1500 株/hm2（表4）。在一定程度上說明，林分密度越低越有利于土壤中某些特定養(yǎng)分的積累。就速效鉀而言，林分密度對其土壤速效鉀含量影響無明顯規(guī)律，如側(cè)柏純林Y-1 和Y-2 速效鉀含量分別為44.5 mg/kg 和40.0 mg/kg，差異不顯著（p ＞0.05）；側(cè)柏—黑松混交林中，土壤速效鉀含量1050 株/hm2（450 株/hm2側(cè)柏+600 株/hm2黑松）＞1500 株/hm2（450 株/hm2側(cè)柏+1050 株/hm2黑松）＞1050 株/hm2（150 株/hm2側(cè)柏+900 株/hm2黑松），差異顯著（p≤0.05）。

表4 不同林分組成土壤養(yǎng)分含量Table 4 Soil nutrients of different stands

從林分類型來看，本研究中純林土壤養(yǎng)分含量普遍高于混交林，這可能由于側(cè)柏—黑松混交林的林分密度顯著低于側(cè)柏純林，致使其林分生長狀況和林下灌草情況不同造成的。

總體而言，側(cè)柏幼齡林土壤養(yǎng)分受林分密度的影響，林分密度越大土壤養(yǎng)分含量越少（除速效鉀）。

2.2 典型林分土壤微生物生物量碳、氮含量分析

表5所示，微生物生物量碳含量范圍為167.31~381.67 mg/kg，平均值為242.07 mg/kg，較我國森林土壤微生物生物量碳含量（200.57±13.99）～（913.32±39.62）mg/kg）[19]，處于較低水平。變異系數(shù)為22.89%，屬于中度變異，說明土壤微生物生物量碳含量在樣地間變異性較強。微生物生物量氮含量范圍為5.96~73.86 mg/kg，變異系數(shù)為73.42%，屬于高度變異，說明土壤微生物生物量氮含量在樣地間變異性強。

表5 土壤微生物生物量碳、氮含量描述性統(tǒng)計分析結(jié)果Table 5 Descriptive statistical analysis of soil microbial biomass C,N

微生物生物量碳、氮的分布頻率如圖1所示。大部分土壤（60%）的微生物生物量碳含量較低，在160~240 mg/kg 之間；少數(shù)土壤（10 %）的微生物生物量碳含量較高，在320~400 mg/kg 之間。大部分土壤（60 %）的微生物生物量氮含量較低，在5~30 mg/kg 之間；少數(shù)土壤（20%） 的微生物生物量氮含量較高，在55~80 mg/kg 之間。

圖1 微生物生物量碳、氮含量的分布頻率Figure 1 Distribution frequency of microbial biomass carbon,nitrogen

從表6中可以看出，在側(cè)柏純林中，林分密度對土壤微生物生物量碳和土壤微生物生物量氮的影響較大（p ≤0.05），其中林分密度1950 株/hm2的土壤微生物生物量碳含量為3000 株/hm2的1.15 倍，土壤微生物生物量氮含量為3000 株/hm2的85.99%；在側(cè)柏—黑松混交林中，林分密度對土壤微生物生物量碳、氮含量影響不大，各林分密度之間差異不明顯（p ＞0.05）。

表6 不同林分土壤微生物生物量碳、氮含量Table 6 Soil microbial biomass C,N of different stands

從林分類型來看，側(cè)柏純林中的土壤微生物生物量碳、氮含量高于側(cè)柏—黑松混交林，其中Y—2 土壤微生物生物量碳為274.5 mg/kg 明顯高于Y—3、Y—4、Y—5 三個混交林（231.9 mg/kg、239.2 mg/kg、226.9 mg/kg）；Y—1 中土壤微生物生物量氮分別為Y—3、Y—4、Y—5 的1.49、1.21、1.13 倍。

總體而言，側(cè)柏純林土壤微生物生物量碳、氮含量高于側(cè)柏—黑松混交林，且側(cè)柏純林中，林分密度越大土壤微生物生物量碳越低，土壤微生物生物量氮越高（p ≤0.05）。

2.3 土壤微生物生物量碳、氮與土壤養(yǎng)分間相關(guān)分析

如表7所示，研究樣地中的土壤微生物生物量碳含量與全氮、堿解氮呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01），與有機質(zhì)、有效磷呈顯著正相關(guān)（p＜0.05）；土壤微生物生物量氮僅與有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)（p＜0.05），和其他指標無顯著相關(guān)性。土壤pH 值僅與有效磷含量達到顯著負相關(guān)，土壤有機質(zhì)含量僅與全氮含量達顯著正相關(guān)（p＜0.05），與其他指標無顯著相關(guān)性；土壤全氮含量與堿解氮、有效磷含量均達到極顯著正相關(guān)（p＜0.01）；土壤堿解氮含量與有效磷達到極顯著正相關(guān)（p＜0.01）；速效鉀與各指標均無顯著相關(guān)性。總體來看，土壤各養(yǎng)分之間的關(guān)聯(lián)性較強，尤其是有效磷，其含量高低可直接影響土壤微生物生物量碳、全氮、堿解氮含量及pH值，間接影響土壤有機質(zhì)、土壤微生物生物量氮含量。這一定程度上說明，在研究區(qū)域內(nèi)增施磷肥可有效提高其土壤其他養(yǎng)分含量。

表7 土壤微生物生物量碳、氮與化學性質(zhì)間的相關(guān)系數(shù)Table 7 Correlation coefficients among the soil microbial biomass C,N and soil nutrients contents

3 討論與結(jié)論

本研究中除了土壤pH 值，華山林場典型林分的有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量變異性均為高度變異，說明研究地土壤養(yǎng)分穩(wěn)定性差，華山林場溝壑縱橫，由此造成不同程度的養(yǎng)分流失與淋失現(xiàn)象不容忽視。

華山林場典型林分土壤pH 值為酸性，且變異性弱，穩(wěn)定性高，這是由于華山農(nóng)場的土壤類型為山地棕壤，成土母質(zhì)多為酸性花崗巖風化物。研究場地土壤有機質(zhì)含量處于中上水平，全氮和堿解氮含量水平變化起伏大，并有相似的等級分布趨勢，說明兩者分布不均勻。有效磷含量水平很高，有效鉀含量水平整體偏低，說明研究地林木生長受限因素主要是有效鉀。

在側(cè)柏純林樣地中，林分密度1950 株/hm2土壤養(yǎng)分含量明顯高林分密度3000 株/hm2，這與前人研究的魯中山地不同密度側(cè)柏人工林土壤質(zhì)量特性結(jié)果一致[15]。有學者研究表明，土壤表層養(yǎng)分含量受凋落物的種類、數(shù)量、質(zhì)量及林下灌草等環(huán)境因子的綜合影響[20,21]，而本研究中側(cè)柏純林的土壤養(yǎng)分含量明顯高于側(cè)柏—黑松交林，與李小倩等[22]研究的混交林土壤養(yǎng)分含量高于純林有所不同，這可能由于本研究區(qū)中側(cè)柏—黑松混交林林分密度過低（林分密度≤1500 株/hm2），林齡較小，林下凋落物稀少，不利于土壤養(yǎng)分累積造成的。

華山林場典型林分土壤微生物生物量碳含量與全氮、堿解氮含量呈極顯著正相關(guān)，與有機質(zhì)、有效磷含量呈顯著正相關(guān)；而土壤微生物生物量氮僅與有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)，說明研究區(qū)土壤微生物生物量碳對土壤的有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷的供給非常敏感，可作為評價土壤養(yǎng)分情況的指標。

本研究中土壤有效磷和土壤微生物生物量碳、全氮、堿解氮含量成顯著正相關(guān)，與土壤pH 值呈顯著負相關(guān)，而土壤微生物生物量碳與土壤有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)，土壤有機質(zhì)又與土壤微生物生物量氮呈顯著正相關(guān)，這說明土壤有效磷含量，可直接影響土壤微生物生物量碳、全氮、堿解氮含量及pH 值，間接影響土壤有機質(zhì)、土壤微生物生物量氮含量。因此筆者建議可在側(cè)柏幼齡林（土壤貧瘠）中增施磷肥以調(diào)整其土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)，提高其生長量。

土壤微生物生物量碳、氮是可溶性有機碳、氮的重要來源[23]。土壤養(yǎng)分和微生物含量的變化受到立地土壤環(huán)境條件和植物、種植制度及管理方法等因素的影響，有學者研究表明，在0—20cm 的林地表層影響土壤微生物量和土壤養(yǎng)分含量受凋落物的種類、數(shù)量、質(zhì)量及環(huán)境因子的綜合作用[24,25]。本研究中，僅對不同林分結(jié)構(gòu)和有限研究指標進行了分析，將來可進一步研究立地條件和土壤養(yǎng)分和微生物生物量的關(guān)系，為改善人工林生境條件，實現(xiàn)林場可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。