樟子松成熟林年生长对土壤碳·氮·磷变化的影响

摘要 [目的]揭示樟子松成熟林年生长对土壤碳、氮、磷的影响。[方法]以科尔沁沙地樟子松人工成熟林为研究对象，以截根处理为对照，采集0～10、10～20、20～40和40～60 cm土层土壤样品，测定土壤有机碳、全氮、碱解氮、全磷、有效磷含量，研究樟子松成熟林年生长对有机碳、全氮、碱解氮、全磷、有效磷的影响。[结果]樟子松成熟林经过1年生长，有机碳含量、碱解氮含量和速效磷含量变化显著，但全氮和全磷变化微小。截根后林地有机碳生长季增加显著，而未截根的增加不显著。速效磷截根后生长季显著增加；未截根样地生长季增加不显著。樟子松成熟林在7—9 月有机碳含量、碱解氮和速效磷的变化量显著高于5—7、9—11和 11 月至次年5月。樟子松成熟林在10～20 cm土层土壤有机碳、碱解氮和速效磷的变化量显著高于 0～10、20～40和 40～60 cm土层。[结论]樟子松成熟林年生长促使有机碳含量、碱解氮含量和速效磷含量显著积累，樟子松成熟林在7—9 月10～20 cm土层生长显著。

关键词 樟子松成熟林；土壤碳、氮、磷；林分生长；垂直变化

中图分类号 S791.253 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）02-0105-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.02.022

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Annual Growth on Soil Carbon， Nitrogen and Phosphorus in Mature Pinus sylverstris var. mongolica Plantations

HAN Zong-yu¹， LEI Ze-yong¹， WANG Guo-chen² et al

（1.College of Environment Science and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin，Liaoning 123000;2.Liaoning Institute of Sandy Land Management and Utilization，Fuxin，Liaoning 123000）

Abstract [Objective]To reveal the effects of mature Pinus sylverstris var. mongolica annual growth on soil carbon， nitrogen and phosphorus.[Method]The artificial mature forest of Pinus sylverstris var. mongolica in Horqin Sandy land was selected as the research objects，and the root amputation handing was treated as a control， and the soil samples of 0-10，10-20，20-40，40-60 cm layers were collected to determine the soil organic carbon，total nitrogen，alkali-hydrolyzed nitrogen，total phosphorus，available phosphorus content.The effects of annual growth on soil carbon， nitrogen and phosphorus in the mature forest of Pinus sylverstris var.mongolica in Horqin Sandy Land were studied.[Result]The results showed that soil organic carbon content， soil alkali-hydrolyzed nitrogen content and soil available phosphorus content had significant changes， but soil total nitrogen and soil total phosphorus had little changes. The growth of organic carbon in forest land increased significantly after cutting roots， but not in open roots. Soil available phosphorus increased significantly in the growing season after root cutting. There was no significant increase in the growth season of uncut root plots.The changes of soil organic carbon， soil alkali-hydrolyzed nitrogen and soil available phosphorus in the mature forest from July to September were significantly higher than those from May to July， from September to November and from November to May of the next year. The changes of soil organic carbon， soil alkali-hydrolyzed nitrogen and soil available phosphorus in the 10-20 cm soil layer were significantly higher than those in the 0-10， 20-40 and 40-60 cm soil layers.[Conclusion]The annual growth of mature forest of Pinus sylverstris var. mongolica induced the significant accumulation of soil organic carbon content， soil alkali-hydrolytic nitrogen content and soil available phosphorus content， and the mature forest of Pinus sylverstris var. mongolica grew significantly in the soil layer of 10-20 cm from July to September.

Key words Pinus sylverstris var. mongolica;Soil carbon，nitrogen and phosphorus;Stand growth;Vertical variaton

基金项目 国家自然科学基金面上项目（31570709）。

作者简介 韩宗育（1997—），男，辽宁庄河人，硕士研究生，研究方向：林业生态工程。*通信作者，教授，硕士，从事林业生态工程、水土保持与荒漠化防治研究。

收稿日期 2023-03-26

在森林生态系统中，土壤是存储营养物质的主要场所，土壤中碳、氮和磷含量影响着植物的生长发育^[1]。土壤有机碳是评价土壤质量的主要因素之一，在森林生态系统碳循环中发挥着重要作用^[2]。土壤有机碳输入的主要方式是动植物残体破碎分解，有机碳主要输出方式是地表径流和土壤呼吸^[3]。氮素是植物成活所必要的养分元素，也是植物生长发育的限制性元素^[4]。氮素循环较为复杂，在循环中土壤微生物起着重要作用^[5]。磷是生态系统中植物生长不可或缺的营养元素，但土壤中含磷化合物分解速率低^[6]。凋落物分解和大气干湿沉降是土壤磷主要输入方式^[7]，输出方式是植物生长吸收利用和降雨淋溶^[8]。

沙地樟子松（Pinus sylverstris var. mongolica）原产于我国呼伦贝尔红花尔基地区，具有耐寒、抗旱和较速生等优良特性，在半干旱环境下长势良好^[9]。在 20 世纪中期，樟子松人工林成功引种到科尔沁沙地东南缘的章古台地区^[10]，该树种现已成为我国防沙治沙、 “三北”防护林、北方防沙带建设等重大工程的主要树种之一，为我国生态环境建设作出巨大贡献。然而，自20世纪 90 年代以来，我国最早引种沙地樟子松成功的辽宁省章古台地区，樟子松人工林出现严重的生长衰退问题。多位学者从栽植密度^[11]、群落稳定性^[12]、林分竞争^[13]、病虫害^[14]、土壤微生物^[15]、土壤养分^[16]、水分维持^[17]等角度进行了研究，取得了一些重大进展。然而，由于沙土地土壤养分含量瘠薄，风蚀严重，养分问题影响复杂，尤其是成熟林的生长如何影响养分问题尚不清楚，阻碍了樟子松人工林生态系统的科学经营。基于此，笔者以章古台地区成熟的樟子松人工林为基础，研究其年生长对土壤碳、氮和磷含量变化的影响，理清基于林分生长的土壤碳、氮、磷变化规律，旨在为沙地樟子松人工林科学管理提供理论支撑。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于辽宁省沙地治理与利用研究所章古台试验基地（

122°23′～122°33′E，42°39′～42°43′N）， 该地降水集中于 6—8 月，年降水量约 500 mm，年蒸发量约 1 600 mm。极端最低气温 -33.4 ℃，极端最高气温 43.2 ℃，年均气温 4.6～6.3 ℃。年平均风速 4.5 m/s，大风多集中在春季，多年平均无霜期为 154 d。土壤类型为风沙土，包括生草风沙土和流动风沙土2个亚类，流动风沙土以沙粒为主，占 94.7%，物理黏粒占 5.3%，有机质含量 0.60～0.16 g/kg，全氮含量 0.17～0.38 g/kg，包括流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘和平缓沙地等地貌类型，pH 6.7 左右，代表性植物有中华萎陵菜（Potentillaan serina）、中华隐子草 （Cleistogenes chinensis）、胡枝子（Lespedeza daurica）、大果榆（Ulmus macrocarpa）和蒺藜梗（Agriophyllum squarrosum）等^[18]。研究区营建樟子松固沙林前为固定半固定沙地。

1.2 试验地选择

试验标准地的选取遵循以下原则：①标准地所处的林地要有足够大的面积，各标准地间的距离不少于 50 m，避免紧靠道边、农田，排除混交林;②各林龄林分标准地附近均有一定面积的天然草地，选择各林分对照样地;③标准地尽可能为平坦沙地。根据以上原则总共选取3 块标准地进行研究，标准地面积均为 20 m×20 m。在各标准地随机在树冠下选择 3 个 1 m×1 m 的样方和对照样方，去除地表上自然产生的凋落物后，在裸露地表上均匀放置分解袋。为了消除根系对土壤养分的吸收，试验前半年在每个试验样方四周挖 100 cm 深、30 cm 宽的沟，将双层钢丝网（孔径为 0.1 mm）靠壁埋入，然后填入土壤，即四周进行截根处理，而对照样方不进行截根处理。

1.3 土壤样品采集

试验于 2021 年 5 月开始，叶凋落物分解时段分别设为 60、120、180、365 d，各时段设 3 次重复，于 2021 年 7、9、11月和 2022 年 5 月在取走凋落物袋时，采集凋落物袋下部的土壤样品和对照样品，在每块样地上按 4 个土层（ 0～10、10～20、20～40、40～60 cm）取样，带回实验室，室温风干后研磨过筛，用于土壤化学性质测定。