白于山區(qū)不同坡位油松人工林土壤理化性質(zhì)差異

摘要為探究不同坡位油松林下土壤理化性質(zhì)的空間分布特征，以白于山區(qū)典型油松人工林為例，選取立地條件一致、植被分布狀況相似的油松人工林3處，于坡上、坡中、坡下分別采集0～＜10、10～＜40、40～＜60cm土層土樣，分析不同坡位條件下土壤物理性質(zhì)及化學(xué)指標(biāo)的差異。結(jié)果表明：（1）土壤含水率、孔隙度、速效氮、有機(jī)質(zhì)含量、C/N、N/P均表現(xiàn)出坡下>坡中>坡上的變化規(guī)律，土壤容重、土壤pH則表現(xiàn)為坡上>坡中>坡下的規(guī)律。（2）坡位與土壤含水率、孔隙度、速效氮、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷均呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），其相關(guān)性排序?yàn)椋汉?孔隙度>有機(jī)質(zhì)>全氮>速效氮>全磷，說(shuō)明坡位是影響土壤含水率變化的主要因素。（3）無(wú)論哪一坡位條件下，土壤容重隨土層深度的增加而增加，孔隙度則隨土層深度的增加而減小。在經(jīng)營(yíng)管理中，應(yīng)充分考慮坡位因素，同時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加上、中坡位的油松人工林土壤養(yǎng)分，提高肥力，因地制宜，促進(jìn)白于山區(qū)困難立地人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。

關(guān)鍵詞油松；坡位；土壤理化性質(zhì)

中圖分類(lèi)號(hào)：S791.254;S714.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2023.03.004

DifferencesinSoilPhysicalandChemicalPropertiesofPinustabulaeformisForestatDifferentSlopePositionsinBaiyuMountainArea

GaoTianjian

（ForestryCollege，NorthwestUniversityofAgricultureandForestryScienceandTechnology，Yangling712100，China）

AbstractTakingthetypicalPinustabulaeformisplantationinBaiyumountainareaasanexample，thespatialdistributioncharacteristicsofsoilphysicalandchemicalpropertiesunderPinustabulaeformisforestatdifferentslopepositionswereexplored.ThreePinustabulaeformisplantationswiththesamesiteconditionsandsimilarvegetationdistributionwereselected.Soilsamplesof0-＜10cm，10-＜40cm，40-＜60cmsoillayerswerecollectedfromtheupper，middleandlowerslopes，respectively，toanalyzethedifferencesofsoilphysicalpropertiesandchemicalindexesunderdifferentslopeconditions.Theresultsshowedthefollowingthreeaspects.（1）Soilmoisturecontent，porosity，availablenitrogen，organicmattercontent，C/NandN/Pallshowedthechangeruleoflowerslope>middleslope>upperslope，whilesoilbulkdensityandsoilpHshowedtheruleofupperslope>middleslope>lowerslope.（2）Slopepositionwaspositivelycorrelatedwithsoilwatercontent，porosity，availablenitrogen，organicmatter，totalnitrogenandtotalphosphorus（P<0.01），andthecorrelationorderwaswatercontent>porosity>organicmatter>totalnitrogen>availablenitrogen>totalphosphorus，whichindicatedthatslopepositionwasthemainfactoraffectingsoilwatercontent.（3）Nomatterwhichslopepositionconditions，soilbulkdensityincreasedwiththeincreaseofsoildepth，andporositydecreasedwiththeincreaseofsoildepth.Intheoperationandmanagement，thefactorsofslopepositionshouldbefullyconsidered，andatthesametime，andthesoilnutrientsandfertilityoftheupperandmiddleslopeofPinustabulaeformisplantationshouldappropriatelybeincreasedtopromotethesustainablemanagementoftheplantationonthedifficultsiteintheBaiyumountainareaaccordingtolocalconditions.

KeywordsPinustabuliformis;positiononslope;soilphysicalandchemicalproperties

油松（Pinustabulaeformis）是我國(guó)北方主要造林樹(shù)種，適應(yīng)性強(qiáng)，栽培面積大，在困難立地森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)中占有極其重要的地位[1]。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷等化學(xué)元素及含水率、孔隙度等物理性質(zhì)是植被生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中最重要的限制因子，也是衡量土壤養(yǎng)分、土質(zhì)及細(xì)根分布狀況的重要參數(shù)，了解土壤養(yǎng)分分布規(guī)律，對(duì)了解森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、碳匯等具有十分重要的意義[2]。目前，關(guān)于油松人工林的研究，集中體現(xiàn)在密度調(diào)控[3]、樹(shù)冠模型建立[4]、林下更新[5]對(duì)地上地下生物量分配的影響等方面。

白于山區(qū)植被稀少，黃土裸露，土壤侵蝕嚴(yán)重，是陜西省植被蓋度最小、生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一[6]。已有研究表明，山地森林生態(tài)系統(tǒng)的地形因素對(duì)土壤養(yǎng)分的分配格局具有重要影響，其中坡位是關(guān)鍵影響因素之一[7，8]，而鮮有學(xué)者以白于山區(qū)油松林地為研究對(duì)象，開(kāi)展坡位對(duì)土壤養(yǎng)分及物理性質(zhì)的影響研究。因此，本研究選擇白于山區(qū)典型油松林地，探究坡位與林地土壤理化性質(zhì)的關(guān)系，旨在揭示地形對(duì)林分土壤理化性質(zhì)的影響，為困難立地造林及森林經(jīng)營(yíng)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于陜西省榆林市定邊縣，地理坐標(biāo)37°15′74″E，107°56′22″N，海拔1587m，屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，主要特點(diǎn)是：春多風(fēng)、夏干旱、秋陰雨、冬嚴(yán)寒，日照充足，雨季遲且雨量年際變化大，年平均氣溫7.9℃，年平均日照2743.3h，年均降水量316.9mm，年平均無(wú)霜期141d左右，絕對(duì)無(wú)霜期110d，土壤大多為細(xì)沙黃綿土，主要植被類(lèi)型有油松（Pinustabulaeformis）、側(cè)柏（Platycladusorientalis）、水桐（Camptothecaacuminata）、大果榆（Ulmusmacrocarpa）、臭椿（Ailanthusaltissima）、沙棗（Elaeagnusangustifolia）、百里香（Thymusmongolicus）、長(zhǎng)芒草（Stipabungeana）、針茅（Stipacapillata）、沙打旺（Astragalusadsurgens）、檸條（Caraganakorshinskii）、沙棘（Hippophaerhamnoides）、苜蓿（Medicagosativa）等。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦翁卣鳎x取具有代表性的典型人工油松林作為研究對(duì)象，樣地信息如表1所示。

2材料與方法

2.1樣地布設(shè)與樣品采集

于研究區(qū)內(nèi)選擇立地條件一致、植被分布情況相似的油松人工林3處，坡度15°左右，于坡面設(shè)置上、中、下3個(gè)坡位（坡長(zhǎng)100m），于每個(gè)坡位上平行設(shè)置15m×15m的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地，采用多點(diǎn)取樣的方法，用環(huán)刀分層采集0～＜10、10～＜40、40～＜60cm土層土樣，用于土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。

2.2指標(biāo)測(cè)定

土壤有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法，全氮（TN）采用濃硫酸消煮－半微量凱氏定氮法測(cè)定，堿解N采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，全磷（TP）采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定，速效磷采用雙酸提取后利用鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀用中性醋酸銨浸提后用火焰光度計(jì)測(cè)定。土壤孔隙度、土壤容重、含水率用環(huán)刀法測(cè)定[9，10]。

2.3數(shù)據(jù)處理及分析

利用Excel2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用Origin2021完成數(shù)據(jù)繪圖，用SPSS25.0中單因素方差分析法（One-wayANOVA）對(duì)不同坡位條件下的土壤理化指標(biāo)進(jìn)行差異性分析，并采用Duncan法進(jìn)行多重比較（α=0.05），用Pearson法對(duì)土壤理化性質(zhì)及坡位之間的相關(guān)性進(jìn)行分析。

3結(jié)果與分析

3.1不同坡位油松林土壤物理性質(zhì)分布規(guī)律

不同坡位油松林土壤含水率、容重及孔隙度隨土層深度的變化規(guī)律如表2所示。

由表2可知，土壤含水率與孔隙度均表現(xiàn)出坡下（17.84%、57.50%）>坡中（14.49%、55.84%）>坡上（9.58%、50.94%）的變化規(guī)律，土壤容重則表現(xiàn)為坡上（1.35g.cm-3）>坡中（1.20g.cm-3）>坡下（1.14g.cm-3）的規(guī)律。無(wú)論哪一坡位，土壤含水率均以10～＜40cm土層最高。土壤容重隨土層深度的增加而增大，土壤孔隙度的變化規(guī)律則與之相反。任一土層的土壤容重均呈現(xiàn)出坡上>坡中>坡下的規(guī)律，土壤孔隙度則呈坡下>坡中>坡上的規(guī)律，土壤含水率在0～＜10cm土壤表層以坡中為最大，達(dá)13.64%，在10cm土層深度以下則呈坡下>坡中>坡上的變化規(guī)律。

3.2不同坡位油松林土壤化學(xué)性質(zhì)分布規(guī)律

由表3可知，土壤pH呈坡上>坡中>坡下的變化規(guī)律，速效氮的變化規(guī)律則與之相反。由圖1和圖2可知，有機(jī)質(zhì)、全氮及全磷均表現(xiàn)為坡下（12.67、0.87、0.57mg.kg-1）>坡中（9.54、0.77、0.53mg.kg-1）>坡上（6.39、0.49、0.47mg.kg-1）。無(wú)論哪一坡位，速效磷含量均以0～＜10cm土壤表層為最高，速效鉀含量均以40～＜60cm土層為最低，且與其余土層差異顯著（P<0.05）。土壤pH則隨土層深度的加深而增大（P>0.05），說(shuō)明土層深度的變化對(duì)土壤pH無(wú)顯著影響。

由圖1可知，同一坡位條件下，土壤有機(jī)質(zhì)含量均隨土層深度的加深而顯著降低（P<0.05），同一土層深度條件下，土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈現(xiàn)坡下>坡中>坡上的變化規(guī)律。

由圖2可知，在坡上、坡中兩坡位，土壤全氮含量均隨土層深度的加深而降低，全磷含量以10～＜40cm土層為最高，且表層土壤（0～＜10cm）全氮含量與其余土層差異顯著（P<0.05）。全氮及全磷含量的最低值均出現(xiàn)在坡上40～＜60cm土層，其值分別為0.34和0.43g.kg-1。

3.3不同坡位條件下油松林土壤化學(xué)計(jì)量比特征

由圖3、圖4可知，C/N在不同坡位的均值總體呈坡下（14.69）>坡上（12.68）>坡中（12.29）的變化規(guī)律，C/P和N/P均值總體呈坡下（23.08、1.57）>坡中（18.13、1.46）>坡上（13.67、1.04）的變化規(guī)律。任一坡位，土壤C/N均隨土層深度的增加而降低，且C/N最小值出現(xiàn)在坡上40～＜60cm處，最大值出現(xiàn)在坡下0～＜10cm處，其值分別為10.99和16.22。除坡下外，C/P、N/P均隨土層深度的加深而減小，且最大值均出現(xiàn)在坡中0～＜10cm處（24.43、1.81），最小值均出現(xiàn)在坡上40～＜60cm處（8.87、0.80）。

3.4坡位與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

將坡位與土壤理化指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析（表4），結(jié)果表明，坡位與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01，r=-0.592），與土壤含水率、孔隙度、速效氮、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷均呈顯著（P<0.05）或極顯著正相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)rmax=0.847，rmin=0.462，其相關(guān)性排序?yàn)椋汉?孔隙度>有機(jī)質(zhì)>全氮>速效氮>全磷，說(shuō)明坡位是影響土壤含水率變化的主要因素，含水率的變化引起土壤孔隙度的改變（P<0.01，r=0.538），進(jìn)而引起孔隙度在不同坡位上的變化（P<0.01，r=0.798）。

土壤有機(jī)質(zhì)含量除與土壤深度、土壤容重、pH呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）外，其與坡位、含水率、孔隙度、速效氮、速效磷、全氮、全磷均呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05或P<0.01），說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加會(huì)促進(jìn)元素的積累，表明土壤有效養(yǎng)分一部分來(lái)源于林地枯落物、有機(jī)物的輸入。

4討論與結(jié)論

4.1坡位對(duì)白于山區(qū)油松林地土壤理化性質(zhì)的影響

坡位是影響土壤有機(jī)質(zhì)形成及水分分布狀況的重要限制因子，余明等[11]以杉木林為研究對(duì)象，結(jié)果表明，土壤養(yǎng)分含量普遍表現(xiàn)為坡下>坡中>坡上，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是不同坡位上，土壤水熱資源分配不均，物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生差異，坡上光照條件最強(qiáng)，削弱了土壤水分固持能力，促使有機(jī)碳向坡下轉(zhuǎn)移，同時(shí)，雨水沖刷也是促使養(yǎng)分向坡下轉(zhuǎn)移的重要因素。本研究結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、含水率、孔隙度均呈現(xiàn)坡下>坡中>坡上的規(guī)律，這表明坡下土壤養(yǎng)分和持水能力更好，這可能是受自然作用的影響，坡下枯落物較多，土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，孔隙度較大，使土壤持水能力增加，養(yǎng)分蓄積能力增加，這與前人研究結(jié)果一致[12，13]。本研究中，全氮和全磷主要集中在下坡位，且土壤養(yǎng)分含量呈坡上>坡下的規(guī)律，說(shuō)明油松根系對(duì)養(yǎng)分的吸收促使土壤養(yǎng)分含量降低[14]，在林分管理時(shí)應(yīng)加以重視。

本研究中，任一土層深度的土壤容重均呈現(xiàn)坡上>坡下的規(guī)律，這可能是因?yàn)槠律祥L(zhǎng)期受雨水沖刷及陽(yáng)光直射，土壤侵蝕嚴(yán)重，緊實(shí)度提高，這與賈茜等[15]的研究結(jié)果一致。

前人研究表明，C/P值低，有利于促進(jìn)微生物分解有機(jī)質(zhì)釋放養(yǎng)分，提高土壤含磷量；而C/P值高則說(shuō)明了土壤微生物對(duì)土壤有效磷有同化作用，出現(xiàn)微生物與作物競(jìng)爭(zhēng)土壤有效磷，具有較強(qiáng)的固磷能力[16]。同時(shí)，當(dāng)土壤N/P＜10時(shí)，區(qū)域植被生長(zhǎng)受到土壤N素限制[17]。本研究中，C/P和N/P總體呈坡下>坡中>坡上的變化規(guī)律，說(shuō)明白于山區(qū)油松林地的氮素流失速度更加強(qiáng)烈，生長(zhǎng)過(guò)程易受氮元素限制，坡上氮素流失速度更為明顯，且坡上油松林的固磷能力更強(qiáng)。

4.2土層深度對(duì)白于山區(qū)油松林地土壤理化性質(zhì)的影響

任一坡位下，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量均隨土層深度的增加而降低，表明C、N、P具表聚效應(yīng)，這可能是隨著土層深度的增加，土壤微生物活動(dòng)增加，養(yǎng)分消耗強(qiáng)度增大，再加上植物根系的影響，底層養(yǎng)分向表層根系的輸送量增加，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量下降[18]。

本研究表明，土壤容重隨土層深度的增加而增加，孔隙度則隨土層深度的增加而減小，說(shuō)明無(wú)論哪一坡位條件下，下層土壤孔隙度均顯著低于上層土壤（P<0.05），這可能是由于土壤本身的團(tuán)聚作用，造成單位體積重力增大，下層土壤更緊實(shí)，因而孔隙更小，這與前人研究結(jié)果一致[19，20]。由此可看出，孔隙度與土壤容重具有一定的相關(guān)性，而本研究結(jié)果表明兩者呈極顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.552），這與本研究結(jié)果相符。3種坡位條件下，0～＜10cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于其他土層，這可能因凋落物分解，在土壤表層積累了較多的腐殖質(zhì)，進(jìn)而造成有機(jī)質(zhì)含量在土壤表層最高[21]。

前人研究表明，土壤的持水、蓄水能力受土壤孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量影響較大[22]。本研究中，有機(jī)質(zhì)與含水率、孔隙度、速效氮、速效磷、全氮、全磷均呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，這可能是由于土壤疏松多孔的結(jié)構(gòu)有效促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的形成，進(jìn)而影響土壤吸水、持水能力，有效改善土壤透氣性[23]，進(jìn)而影響土壤元素的吸收。

本研究以白于山區(qū)油松人工林為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)比不同坡位條件下0～60cm土層土壤的理化性質(zhì)差異，得出以下結(jié)論：（1）總體看，土壤含水率、孔隙度、速效氮、有機(jī)質(zhì)含量、C/N、N/P均表現(xiàn)出坡下>坡中>坡上的變化規(guī)律，土壤容重、土壤pH則表現(xiàn)為坡上>坡中>坡下的規(guī)律。（2）坡位與土壤含水率、孔隙度、速效氮、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷均呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），其相關(guān)性排序?yàn)椋汉?孔隙度>有機(jī)質(zhì)>全氮>速效氮>全磷，說(shuō)明坡位是影響土壤含水率變化的主要因素。（3）無(wú)論哪一坡位條件下，土壤容重隨土層深度的增加而增加，孔隙度則隨土層深度的增加而減小。（4）在日后的經(jīng)營(yíng)管理中，應(yīng)充分考慮坡位因素，同時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮增加中、上坡油松人工林的水分養(yǎng)分條件，因地制宜制定營(yíng)林措施，促進(jìn)養(yǎng)分、肥力維持。

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收稿日期：2022-11-07

基金項(xiàng)目：西北農(nóng)林科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目“林隙對(duì)黃土高原油松人工林天然更新的影響研究”（X202210712266）

作者簡(jiǎn)介：高天?。?002-），男，陜西榆林人，大學(xué)在讀，從事林業(yè)技術(shù)研究，E-mail：494837003@qq.com