桑根達(dá)來(lái)不同林齡榆樹林土壤養(yǎng)分特征

林 灝，李鋼鐵，李俊杰，張?jiān)滦?/p>

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)

正藍(lán)旗桑根達(dá)來(lái)鎮(zhèn)位于錫林郭勒盟南部，正藍(lán)旗中段、渾山達(dá)克沙地腹地、地處高原、南北走向。桑根達(dá)來(lái)鎮(zhèn)的草原總面積為16.14萬(wàn)hm2，占全鎮(zhèn)土地總面積的98.83%，當(dāng)前可利用草原面積14.25萬(wàn)hm2[1]。草原的土壤以風(fēng)沙為主，極其脆弱。黑栗鈣土分布在塔拉沙丘陵之間，栗鈣土分布在東南低丘，少量的草甸土分布在湖盆洼地。渾善達(dá)克沙地屬于榆樹疏林草原，由于氣候變化和人類不合理的開發(fā)利用，造成了渾善達(dá)克沙地原已固定的沙丘再度活化，流動(dòng)沙丘逐年增多，活動(dòng)沙丘逐年增加。植被覆蓋率逐年下降，可用的草地逐年退化，可用的耕地利用率逐年下降。沙漠化土地類型也在發(fā)生變化，草場(chǎng)沙化率達(dá)78%以上。許多草場(chǎng)和牧場(chǎng)因?yàn)檫^(guò)度放牧等原因造成了土地荒漠化面積進(jìn)一步擴(kuò)大，造成了桑根達(dá)來(lái)生態(tài)環(huán)境脆弱[2]，土壤肥力的維持和提高已經(jīng)成為當(dāng)?shù)丨h(huán)境保護(hù)和管理的關(guān)鍵。為了恢復(fù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，充分發(fā)揮防風(fēng)、固沙、節(jié)水的作用，需要對(duì)桑根達(dá)土壤進(jìn)行研究。

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要部分，土壤養(yǎng)分作為衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，碳、氮、磷和鉀等營(yíng)養(yǎng)元素不僅代表土壤肥力狀況，也是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必需營(yíng)養(yǎng)元素[3]。魏曉帥[4]通過(guò)研究表明，樟子松人工林土壤理化性質(zhì)隨林齡增加在不同沙地中表現(xiàn)不同，毛烏素沙地土壤容重和養(yǎng)分含量明顯降低，科爾沁沙地養(yǎng)分含量明顯升高，呼倫貝爾沙地土壤養(yǎng)分則呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)，沙地土壤理化性質(zhì)受有機(jī)質(zhì)影響較大，因此測(cè)定土壤中氮、磷、鉀及有機(jī)質(zhì)的含量可以在一定程度上表現(xiàn)出土壤養(yǎng)分的變化特征。夏志光等[5]通過(guò)實(shí)地考察與試驗(yàn)調(diào)查的方法，對(duì)赤峰市巴林右旗的黃花林場(chǎng)沙漠化撂荒的栗鈣土區(qū)在栽植沙棗和榆樹后的土壤理化性質(zhì)變化進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，沙棗和榆樹的生長(zhǎng)可使土壤密度有效降低，從而改善土壤孔隙狀況，提高土壤表層有機(jī)質(zhì)含量和速效氮含量，有效改善土壤水、氣、熱狀況，土壤肥力得到提高，有效防止土壤荒漠化加劇。

榆樹(UlmuspumilaL.)，又稱春榆、白榆，是榆樹科落葉喬木。榆樹是一種根系發(fā)達(dá)，耐旱，耐寒，對(duì)土壤條件適應(yīng)性強(qiáng)的普通樹種。在環(huán)境保護(hù)、涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙等方面發(fā)揮著重要作用[6]，是干旱半干旱沙區(qū)造林的理想樹種。同時(shí)通過(guò)對(duì)桑根達(dá)來(lái)所在的渾善達(dá)克沙地的研究表明，榆樹是該地的建群種，渾善達(dá)克沙地以草原植被為主，針闊葉喬木、榆樹疏林等超地帶性植被明顯[7]。趙娜[8]研究了渾善達(dá)克沙地榆樹林樹木密度與土壤養(yǎng)分含量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)土壤養(yǎng)分含量的分布情況表現(xiàn)為樹木分布密集區(qū)>樹木分布稀疏區(qū)>樹木零散分布區(qū)，即土壤速效氮、速效磷、速效鉀及有機(jī)質(zhì)的含量與樹木密度成正比。這說(shuō)明榆樹雖然會(huì)對(duì)營(yíng)林地的土壤養(yǎng)分造成消耗，但種植榆樹對(duì)土壤肥力狀況的改善更為明顯。這就為大規(guī)模榆樹造林及改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性提供了可能，但目前對(duì)榆樹林的研究主要集中于土壤養(yǎng)分與榆樹空間位置和土壤養(yǎng)分含量與榆樹密度關(guān)系的探討[9-10]，而對(duì)于不同林齡及土層榆樹林的土壤養(yǎng)分差異性研究鮮見報(bào)道。因此，筆者以桑根達(dá)來(lái)3種樹齡榆樹林為研究對(duì)象，采集0～10、10～20和20～40 cm土層的榆樹根系土壤，探究不同林齡土壤養(yǎng)分變化特征及其隨樹齡的變化規(guī)律，以期為該地區(qū)榆樹林的養(yǎng)分管理、提質(zhì)增效及近自然改造提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況研究區(qū)位于渾善達(dá)克沙地，地處內(nèi)蒙古高原，地理坐標(biāo)為 42°23′09″～ 44°15′02″N，116°20′19″～ 118°26′16″E。海拔高度為 1 200～1 700 m。該區(qū)域?qū)儆谥袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫 2～4 ℃，年均降水量250～540 mm，年均蒸發(fā)量1 300～1 900 mm。土壤以風(fēng)沙土為主，丘間低地和固定半固定沙丘相間分布。渾善達(dá)克沙地主要分布在錫林郭勒盟和赤峰市境內(nèi)，東緣延生到克什克騰旗，西部從正鑲白旗延伸到鑲黃旗、蘇尼特右旗，腹地位于正藍(lán)旗，南緣位于多倫縣，北部接錫林浩特市、阿巴嘎旗、蘇尼特左旗。該沙地種子植物 1 191 種，草該植物共有 900 種，占該區(qū)總種數(shù)的 85.2%； 榆樹(UlmuspumilaL.) 是渾善達(dá)克沙地的建群種，從數(shù)量上在木本植物中占決對(duì)優(yōu)勢(shì)，此外還有沙地云杉(PiceameyeriRehd.et Wils.) 、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.) 、山楊(PopulusdavidianaDode) 、遼東櫟(QuercuswutaishanseaMary) 等數(shù)量較少的喬木。

1.2 樣地設(shè)置依據(jù)相似可比的原則，在外業(yè)調(diào)查中，將樣地盡量選擇在立地條件相同或相似的風(fēng)沙土區(qū)，在進(jìn)行林業(yè)調(diào)查時(shí)，用生長(zhǎng)錐法獲得榆樹林的實(shí)際林齡。選擇3個(gè)不同林齡(10、25、40 a)榆樹林為研究對(duì)象，選取營(yíng)林措施、海拔、坡向、坡度、土壤母質(zhì)等立地條件基本一致或相近的林地，分別設(shè)置3塊20 m×20 m的樣地，樣地間隔20 m，共9塊。

1.3 樣品采集采樣時(shí)間為2020年8月(植物生長(zhǎng)旺盛時(shí)期)，在每個(gè)樣方內(nèi)按“Z”字體路線尋找長(zhǎng)勢(shì)較為一致的3株榆樹為采樣點(diǎn)，作深度為40 cm土層的土壤剖面，依次采取0～10、10～20、20～40 cm土層土壤樣品，根據(jù)樹齡與土層編號(hào)后裝入自封袋。土樣過(guò)2 mm篩，去除凋落物和石塊等雜物。將過(guò)篩后的土樣在室內(nèi)風(fēng)干，用于土壤氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)及pH的測(cè)定。

1.4 樣品的測(cè)定在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)所收集的土壤樣品進(jìn)行養(yǎng)分元素的測(cè)定：土壤的pH采用電位法測(cè)定；速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定[11]；速效鉀含量采用NH4OAC浸提-火焰光度法測(cè)定；速效氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定[12]。

1.5 數(shù)據(jù)分析采用Excel 2016進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)用SPSS對(duì)林齡和土層深度及二者協(xié)同作用對(duì)榆樹根系土壤養(yǎng)分各項(xiàng)指標(biāo)的影響進(jìn)行雙因素方差分析，用單因素方差分析同一土層和林齡對(duì)其相關(guān)指標(biāo)的影響，并對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)之間進(jìn)行相關(guān)性分析，探究各養(yǎng)分含量的相互作用規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 林齡和土層處理對(duì)土壤養(yǎng)分雙因素方差分析通過(guò)雙因素方差分析可知(表1)，林齡對(duì)榆樹根系土壤的速效氮、速效磷、速效鉀含量及pH有顯著影響，而對(duì)有機(jī)質(zhì)含量無(wú)顯著影響；土層對(duì)土壤的速效磷、有機(jī)質(zhì)含量及pH有顯著影響，對(duì)速效氮和速效鉀含量無(wú)顯著影響；二者的協(xié)同作用僅對(duì)速效磷含量有極顯著影響，對(duì)速效氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量及pH無(wú)顯著影響。

表1 林齡和土層處理對(duì)土壤養(yǎng)分雙因素方差分析結(jié)果Table 1 Effects of forest age and soil layer treatment on soil nutrients by two-way ANOVA

2.2 不同林齡榆樹林土壤養(yǎng)分特征

2.2.1速效氮含量變化情況。由圖1a可知，桑根達(dá)來(lái)榆樹根系土壤的速效氮含量在35.93～51.26 mg/kg，0～10、10～20 cm土層的速效氮含量隨著林齡的增長(zhǎng)總體呈上升趨勢(shì)，20～40 cm土層速效氮含量呈先下降后上升趨勢(shì)。10 a時(shí)土壤的速效氮含量隨垂直方向深入呈上升趨勢(shì)，而25 a與40 a土壤速效氮含量隨垂直方向深入呈先上升后下降的趨勢(shì)。3個(gè)林齡各土層土壤速效氮含量差異不顯著。

2.2.2速效磷含量變化情況。從圖1b可見，速效磷含量在25.5～134.4 mg/kg，在0～10與20～40 cm土層中速效磷含量隨著林齡的增長(zhǎng)呈先降低后升高趨勢(shì)，在10～20 cm土層中速效磷含量呈先升高后降低趨勢(shì)，25 a速效磷含量顯著高于其他2個(gè)齡級(jí)。10 a與25 a隨土層深度增加，速效磷含量先升高后降低，40 a隨土層深度增加速效磷含量先降低后升高，其中25 a時(shí)10～20 cm土層土壤速效磷含量最高，0～10 cm土層土壤速效磷含量最低。25 a與40 a的各土層土壤速效磷含量差異顯著。

2.2.3速效鉀含量變化情況。從圖1c可見，速效鉀含量在49.46～132.93 mg/kg，速效鉀含量隨林齡的增長(zhǎng)總體呈上升趨勢(shì)，且3種林齡的土壤速效鉀含量均隨著土層垂直方向加深呈現(xiàn)先降低后升高趨勢(shì)，25 a尤為明顯，隨林齡增加20～40 cm土層土壤速效鉀含量升高幅度更明顯。3種林齡的土壤速效鉀含量均隨土層深度垂直方向增加呈先降低后升高的趨勢(shì)，在10 a時(shí)各土層土壤速效鉀含量差異不大。

2.2.4有機(jī)質(zhì)含量變化情況。從圖1d可見，有機(jī)質(zhì)含量在11.43～16.01 g/kg，在0～10 cm土層中隨林齡增長(zhǎng)有機(jī)質(zhì)含量有略微下降，10～20 cm土層中隨林齡的增長(zhǎng)有機(jī)質(zhì)含量呈上升趨勢(shì)，林齡對(duì)20～40 cm土層的榆樹根系土壤有機(jī)質(zhì)含量作用不顯著。10 a土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度垂直方向增加呈先降低后升高的趨勢(shì)，25 a土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度垂直方向增加呈降低趨勢(shì)，40 a土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度垂直方向增加呈先升高后降低的趨勢(shì)。

2.2.5pH變化情況。從圖1e可見，pH在3個(gè)土層中均呈現(xiàn)出隨林齡增大呈先上升后下降的趨勢(shì)，但0～10和10～20 cm土層10～25 a期間上升不明顯，25～40 a期間pH下降幅度很大。在40 a的土層中土壤pH隨土層深度垂直方向增加呈明顯的上升趨勢(shì)，而其他林齡中各土層深度的pH差異不明顯。

圖1 不同林齡榆樹根系土壤理化性質(zhì)Fig.1 Physical and chemical properties of elm root soil at different forest ages

2.3 土壤養(yǎng)分因子相關(guān)性分析土壤養(yǎng)分各因子之間存在不同程度的相關(guān)性(表2)，pH與速效氮、速效磷和速效鉀含量間存在極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，速效氮與速效鉀和速效磷間存在顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表2 土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析Table 2 Analysis of soil physical and chemical properties

3 結(jié)論與討論

(1)通過(guò)雙因素方差分析可知，樹木生長(zhǎng)年限是榆樹根系土壤氮、磷、鉀及pH的重要影響因素，而隨著榆樹林土層垂直方向加深，土壤速效磷、有機(jī)質(zhì)含量、pH有較大的分布差異性，而樹木生長(zhǎng)年限和土層深度的協(xié)同作用共同決定了榆樹林根系土壤速效磷含量情況，這與郭雨華[13]的研究結(jié)果一致。

(2)桑根達(dá)來(lái)的榆樹根系土壤養(yǎng)分指標(biāo)隨著林木生長(zhǎng)年限不同存在一定的差異，土壤速效氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量隨著樹木生長(zhǎng)年限的增加均呈不同程度的升高趨勢(shì)，這是由于隨著林齡的不斷增加，冠幅不斷增加，地表枯落物不斷增多，枯落物在土壤動(dòng)物和微生物的分解作用下形成腐殖質(zhì)產(chǎn)生養(yǎng)分元素進(jìn)入土壤，而榆林的形成增加了沙地表面的粗糙程度，改善了土壤容重、通氣狀況以及保水能力，也增加了土壤養(yǎng)分的儲(chǔ)量[14]；土壤速效磷含量表現(xiàn)出了特異性，在土壤表層表現(xiàn)出隨林齡增長(zhǎng)先降低后升高的趨勢(shì)，中層表現(xiàn)出隨林齡增長(zhǎng)先升高后降低的趨勢(shì)，而到了深層又表現(xiàn)出隨林齡增長(zhǎng)先降低后升高的趨勢(shì)，這是由于磷在土壤中容易被固定[15]，沙質(zhì)土壤的單粒結(jié)構(gòu)保水保肥的性能較差，且在樹木生長(zhǎng)初期郁閉度較低，表層土壤更容易被淋失后在中層發(fā)生沉積，而隨著林齡增長(zhǎng)，郁閉度增高，表層土壤的磷含量也越來(lái)越高。這說(shuō)明榆林不僅可以起到防風(fēng)固沙的作用，而且可以在很大程度上改善土壤理化性質(zhì)。

(3)土壤pH在25～40 a的階段隨著樹齡的增加不斷降低，這是由于植物根系分泌物中含有一些低分子的有機(jī)酸[16]，地表也會(huì)沉積更多的腐殖質(zhì)，因此隨樹木生長(zhǎng)年限的增加土壤酸性會(huì)不斷增強(qiáng)，這與崔麗娜等[17]研究結(jié)果一致。土壤pH與土壤速效氮、速效磷、速效鉀含量極顯著負(fù)相關(guān)，有機(jī)酸在根系周圍的土壤中富集，能促進(jìn)土壤中對(duì)氮、磷、鉀的釋放，提高植物對(duì)養(yǎng)分的吸收[18]，而土壤中的微生物活動(dòng)如解磷微生物也能分泌有機(jī)酸，降低土壤pH，活化土壤中的養(yǎng)分，促進(jìn)不同磷酸鹽、鉀鹽等土壤化合物中養(yǎng)分的釋放，從而提高土壤養(yǎng)分的有效含量。