樟子松固沙林凋落物分解对土壤碳·氮·磷的影响

摘要  选择辽宁省章古台樟子松固沙林中9块样地原位布设凋落物分解试验，研究凋落物分解下不同土层深度（0～60 cm）的有机碳、全氮、碱解氮、全磷、有效磷含量及其变化量的动态变化规律。结果表明：T1、T2分解时段（60、120 d）的土壤有机碳含量增长率自表层向深部呈减弱趋势；T1～T3时段（60、180、360 d）土壤碱解氮的变化量随土层的增加而逐渐减小，T1、T2分解时段0～20 cm土层土壤碱解氮与20～60 cm土层土壤存在显著差异（P<0.05）；各土层有效磷的变化量最大值均出现在T3时段，各层T1～T3时段土壤有效磷变化量均呈递增趋势，随着凋落物分解时间的增加，各层土壤有效磷增加量渐趋平衡，至后期（T4）相差不大。综合来看，研究区沙地土壤全氮、全磷含量变化不显著，而土壤有机碳、碱解氮和有效磷含量及变化量在分解初期表层高于深层，各养分垂向迁移能力表现为有机碳＞碱解氮＞有效磷。

关键词  樟子松；有机碳；碱解氮；有效磷；凋落物

中图分类号  S 714   文献标识码  A   文章编号  0517-6611（2023）05-0113-05

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2023.05.026

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Litter Decomposition on Soil Carbon， Nitrogen， and Phosphorus in Sand-fixing Forest of Pinus sylvestris var. mongolica

LI Wen-jiu1， LEI Ze-yong1，2， WANG Guo-chen3 et al

（1. College of Environmental Science and Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin， Liaoning 123000; 2 .Degenerate Land Ecological Governance Research Institute， Liaoning Technical University， Fuxin， Liaoning 123000; 3. Liaoning Institute of Sandy Land Control and Utilization， Fuxin， Liaoning 123000）

Abstract  The dynamics of organic carbon， total nitrogen， available nitrogen， total phosphorus and available phosphorus contents and changes at different soil depths （0-60 cm） under decomposition of litter were investigated in nine in situ plots in Zhangguotai Pinus sylvestris var. mongolica sand-fixing forest in Liaoning Province.The results showed that the growth rate of soil organic carbon content in the T1 and T2 decomposition period（60， 120 d） decreased from the surface to the deep， the change amount of soil alkali-hydrolyzable nitrogen in T1-T3 period（60， 80， 360 d） gradually decreased with the increase of soil layer. There was a significant difference between 0-20 cm soil alkali-hydrolyzable nitrogen and 20-60 cm soil alkali-hydrolyzable nitrogen in T1 and T2 decomposition periods; the maximum change of available phosphorus in each soil layer appeared in T3 period， and the change of available phosphorus in each soil layer from T1 to T3 period showed an increasing trend. With the increase of litter decomposition time， the change of available phosphorus in each soil layer gradually balanced， and there was no significant difference in the later period （T4）. On the whole， the content of total nitrogen and total phosphorus in the study area did not change significantly， but the content and variation of soil organic carbon， available nitrogen and available phosphorus were higher in the surface layer than in the deep layer at the initial stage of decomposition， and the vertical migration ability of each nutrient was organic carbon > available nitrogen > available phosphorus.

Key words  Pinus sylvestris var. mongolica;Soil organic carbon;Available nitrogen;Available phosphorus;Litter

森林凋落物又称枯落物，是连接森林地上植被和地下土壤的重要桥梁，在森林植被生长发育过程中起着不可替代的作用，是土壤养分的主要来源［1］。土壤碳、氮、磷质量分数的变化可以反映土壤养分状况。土壤碳、氮和磷是陆地生态系统植被生长发育的重要营养元素，能够反映土壤碳蓄积动态及养分供应能力［2］，是衡量森林生态系统物质循环和能量流动的重要指标［3-4］。土壤有机碳对维护生态环境，保护土地资源及农林业的可持续发展均具有重要作用。氮是植物在生长过程中从土壤中吸收利用最多的养分元素，其各种转化过程是评价森林生态系统功能的重要指标，而土壤磷作为植物所需磷元素的唯一来源，不仅用于合成植物体结构成分，并且参与多种生化反应过程［5］。

樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica）天然分布于我国大兴安岭北部山地和呼伦贝尔沙地草原，具有耐寒、耐旱、耐贫瘠和较速生等优良特性。自20世纪50年代在我国辽宁省章古台地区成功引种以来，樟子松作为优良的固沙造林树 种被迅速引种栽植。以往有关樟子松人工固沙林的研究集中于樟子松林营建与管理、衰退机制以及樟子松的适应性研究等方面，由于樟子松人工林处于半干旱地区，森林土壤发育较缓慢，凋落物的分解是其土壤碳、氮、磷形成的重要因素［6-7］。目前国内外关于半干旱地区沙地樟子松凋落物分解对土壤碳、氮、磷影响的研究相对缺乏，影响了樟子松人工林的经营管理。因此，笔者以科尔沁沙地辽宁省沙地治理与利用研究所章古台试验林场的樟子松成熟林为研究样地，研究沙地樟子松林凋落物分解对0～60 cm深度土壤碳、氮、磷的影响，旨在分析樟子松成熟林凋落物分解对土壤碳、氮、磷垂直分布的影响规律，为沙地樟子松人工林科学管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地设立在中国东北科尔沁沙地的辽宁省沙地治理与利用研究所章古台试验林场（42°39′～42°43′N，122°23′～122°33′E），该地为中国北方典型草原与农地交错地带，海拔高度平均为225 m。研究地地处中温带，大陆性季风气候，年均气温4.6～6.3 ℃，年降水量450 mm左右。年平均风速4.5 m/s，春季多大风、扬沙天气。土壤类型主要为风沙土和流动风沙土，pH 6.7。代表性植物有中华委陵菜（Potentilla anserina）、中华隐子草（Cleistogenes chinensis）、山杏（Armeniaca sibirica）、兴安胡枝子（Lespedeza daurica）等，营建樟子松固沙林前为沙质固定草地［8］。

1.2 研究方法

1.2.1    试验地设置。

于章古台试验林场樟子松成熟林设置9块30 m×20 m标准样地。在9块标准地中的每个标准地设立凋落物原位分解小区，采用凋落物分解袋进行（凋落物分解袋孔径为0.5 mm，大小为200 cm2），每个凋落物袋装凋落物3 g，凋落物袋布设土壤表层深度5 cm（除去凋落物层和草根层后将地表土壤覆盖至分解袋上，尽量保持原有土层层次和厚度），用铁丝固定，使其在自然条件下分解。凋落物分解于2020年5月20日开始，分解时段分别设为60、120、180、360 d（分别为处理T1、T2、T3、T4），每块样地每个时段凋落物分解设3次重复；每个分解时段结束后每块样地取走3个分解袋；同时分土层（0～10、10～20、20～40、40～60 cm）采集凋落物分解袋取后下方土壤样品。

在试验开始前0.5 a，试验小区四周用壕沟法埋设200目双层钢丝网进行截根，深度1 m，阻止外围根系进入小区，排除植物生长对土壤碳、氮、磷含量的影响。为了消除试验过程中不断有新的凋落物输入带来影响，每月对试验地掉入的凋落物人工清理一次直至试验结束。为了避免降雨过程中外部径流流入试验小区，小区四周用隔板隔离，样地外部径流通过开挖的截水沟排走。

1.2.2    土壤样品的采集与测定。

根据试验设计，于2020年5月20日（T0）在各试验小区分土层（0～10、10～20、20～40、40～60 cm）采集土壤样品，每层3次重复，将每层重复土样混合均匀后按四分法取500 g带回实验室，除去样品中的植物根系和石块，室温风干后过1 mm网筛，测定土壤有机碳、全氮、碱解氮、全磷、有效磷含量作为基础数据。每个小区分别于2020年7月20日（T1）、9月20日（T2）、11月20日（T3）和2021年5月20日（T4）收取凋落物分解袋3袋，分层（0～10、10～20、20～40、40～60 cm）采集收回的凋落物分解袋下方的土壤样品，将3个凋落物分解袋下方的土壤样品分层均匀混合后取500 g带回实验室处理，测定土壤有机碳、全氮、碱解氮、全磷、有效磷含量。每次合计36个土壤样品。

土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法-外加热法，土壤全氮含量采用半微量开氏法，土壤碱解氮含量采用碱解扩散法，土壤全磷含量测定采用NaOH熔融-钼锑抗比色法，土壤有效磷含量采用NaHCO3法［9］。

1.2.3    数据处理。

按下式计算土壤理化因子变化量与变化率：

△Xit=Xit－Xit-1

Pi=△Xit/△t

式中，Xit为凋落物分解下土壤有机碳、碱解氮、全氮、有效磷与全磷等土壤化学因子i在t时间的测定值，Xit-1为土壤化学因子i在时间t-1的测定值，△Xit为凋落物分解下土壤化学因子i在t时间的变化量；t为取样时间，t-1为前一次取样时间，△t为取样时间间隔，间隔期为30 d。