席 麗,李思瑤,夏曉瑩,陳玉雯,李 林,王 杰,馬小龍,米爾扎提·柯尼加里木,阿麗耶·麥麥提,王衛(wèi)霞

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院/新疆教育廳干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】森林土壤是植物所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要來(lái)源[1],了解森林土壤特性能避免土壤養(yǎng)分失衡,有助于保持土壤肥力水平,提高林分質(zhì)量及生產(chǎn)力。天山云杉林自然更新較困難[2],而土壤養(yǎng)分失衡會(huì)導(dǎo)致植被生長(zhǎng)受阻[3]。郁閉度作為人為可調(diào)控因子,直接影響著林下的光照、溫度、濕度等林分內(nèi)環(huán)境因子[4],并作用于森林土壤使其屬性發(fā)生變化[5-6]。掌握不同郁閉度下天山云杉林土壤養(yǎng)分特征,研究其變化規(guī)律對(duì)森林土壤資源定向管理具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】前人對(duì)不同郁閉度下土壤養(yǎng)分特征的研究多集中在馬尾松林,黃智軍等[7]為了闡明郁閉度對(duì)馬尾松林土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)、鉀(K)含量及生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的影響,以福建省長(zhǎng)汀縣馬尾松林為研究對(duì)象,研究結(jié)果顯示,郁閉度為0.8時(shí),土壤養(yǎng)分含量相對(duì)較高。魏大平[8]在研究中表明郁閉度對(duì)各個(gè)季節(jié)下的馬尾松人工林土壤C含量都有顯著影響?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】天山云杉(Piceaschrenkiana)是新疆山地森林中分布最廣,蓄積量最大的森林生態(tài)樹(shù)種。目前,天山云杉林有關(guān)郁閉度的研究主要體現(xiàn)在地表水氮磷含量特征[9]、降水水質(zhì)的特征[10]、地表徑流和土壤侵蝕特征的研究[11],而關(guān)于郁閉度對(duì)天山云杉林土壤養(yǎng)分的影響機(jī)制鮮有報(bào)道。需研究不同郁閉度下天山云杉林土壤養(yǎng)分特征。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以不同郁閉度天山云杉林為研究對(duì)象,研究郁閉度對(duì)天山云杉林土壤養(yǎng)分的影響,為新疆山地森林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)恢復(fù)及天山云杉林的可持續(xù)生態(tài)經(jīng)營(yíng)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

以新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)習(xí)林場(chǎng)(43°16′～43°26′N;86°46′～87°00′ E)為研究區(qū), 位于頭屯河上游,平均海拔約2 200 m,林區(qū)年均降水量約為600 mm,5～8月生長(zhǎng)季集中降水量約占60%,年平均溫度3℃,年日照大于1 300 h,無(wú)霜期140 d。地勢(shì)南高北低,坡度多在10°～40°,森林主要分布在北、東北和西北坡。主要喬木樹(shù)種為天山云杉,其土壤類型為普通灰褐色森林土,主要草本為老鸛草(Geraniumwilfordii)、林地早熟禾(Poanemoralis)、黒穗笞草(Carexatrata)等。

1.2 方 法

2020年8月在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)習(xí)林場(chǎng)天山云杉林區(qū)域進(jìn)行樣地布設(shè),選取地形、林齡等條件相近、不同郁閉度等級(jí)的樣方共12個(gè),樣方規(guī)格為30 m×30 m,采用對(duì)角線法測(cè)定樣方郁閉度。在每個(gè)樣方內(nèi)按上、中、下坡布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn),每個(gè)采樣點(diǎn)挖取土壤剖面,按0～20 cm、20～60 cm分層采集土壤樣品,并將每個(gè)樣地的3個(gè)采樣點(diǎn)樣品分層混合,根據(jù)四分法留取1 000 g帶回實(shí)驗(yàn)室,共采集土樣24份。土樣在室內(nèi)自然風(fēng)干,測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)(OM)、全氮(TN)、堿解氮(AN)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)等指標(biāo)。其中有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法、全氮采用凱氏定氮法、堿解氮采用堿解擴(kuò)散法、速效磷采用鉬銻抗分光光度法、速效鉀采用醋酸銨浸提火焰光度計(jì)法。表1

表1 樣地基本概況

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)劃分標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)變異系數(shù)CV≤0.1時(shí),為弱變異性;當(dāng) 0.1

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)特征

研究表明,0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮的平均值分別為154.03、106.25、23.36、138.12、4.59 g/kg。20～60 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮的平均值分別為38.78、47.12、13.65、115、1.24 g/kg。各土壤養(yǎng)分變異性均處于中等水平,均在15%～56%。在顯著水平0.05單樣本K-S正態(tài)檢驗(yàn)下,各指標(biāo)或其對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后均服從正態(tài)分布。表2

表2 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計(jì)

2.2 不同郁閉度土壤養(yǎng)分分布特征

研究表明,隨著郁閉度的增加,0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量顯著上升,20～60 cm土層土壤土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量在郁閉度0.2～0.6呈上升趨勢(shì),在郁閉度0.6～0.8呈下降趨勢(shì)。各郁閉度條件下0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量均高于20～60 cm土層,其中郁閉度在0.4、0.6、0.8條件下,0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量顯著高于20～60 cm土層(P<0.05)。郁閉度對(duì)天山云杉林土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量沒(méi)有顯著影響,隨著郁閉度的增加,0～20 cm土層土壤堿解氮、速效磷含量逐漸上升,而土壤速效鉀含量呈先上升后下降趨勢(shì);20～60 cm土層土壤堿解氮、速效鉀含量在郁閉度0.6條件下有最大值,而土壤速效磷含量在郁閉度0.8條件下呈現(xiàn)最大。郁閉度和土層對(duì)天山云杉林土壤C/N均沒(méi)有顯著影響,C/N值變化幅度較小,比較穩(wěn)定。圖1

2.3 土層與郁閉度的交互作用對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

研究表明,郁閉度對(duì)整個(gè)土壤剖面中土壤養(yǎng)分含量沒(méi)有顯著性影響(P> 0.05)。土層對(duì)天山云杉林土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮含量有極顯著影響(P<0.01),而對(duì)碳氮比C/N沒(méi)有顯著影響。郁閉度與土層的交互作用對(duì)天山云杉林土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、全氮含量均有顯著影響(P<0.05),其中對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮具有極顯著影響(P<0.01)。表3

表3 土層和郁閉度的交互作用下土壤養(yǎng)分特征

2.4 土壤養(yǎng)分相關(guān)性

研究表明,各土壤養(yǎng)分指標(biāo)含量之間均呈正相關(guān)關(guān)系,其中土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、全氮兩兩之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,有機(jī)質(zhì)與堿解氮、全氮的相關(guān)系數(shù)是0.852、0.984。表4

3 討 論

3.1調(diào)查范圍內(nèi)天山云杉林土壤養(yǎng)分指標(biāo)均表現(xiàn)中等程度變異,與王千軍等[12]得出結(jié)果較為一致,同時(shí),兩研究結(jié)果均表現(xiàn)出碳、氮變異系數(shù)大于磷、鉀這一現(xiàn)象,土壤C、N是衡量土壤養(yǎng)分的重要指標(biāo),動(dòng)植物殘骸與腐殖質(zhì)是森林生態(tài)系統(tǒng)碳、氮的主要補(bǔ)給者,加上牧民放牧及動(dòng)物糞便等影響,土壤碳、氮的變異系數(shù)往往會(huì)偏大。天山云杉林土壤養(yǎng)分存在明顯的垂直分布特征,即0～20 cm表層土壤養(yǎng)分含量顯著高于20～60 cm土層,這主要是由于凋落物分解、根系殘?bào)w和分泌物的累積,為0～20 cm的表層土提供了豐富的有機(jī)質(zhì)[13];而20～60 cm土層土壤接近母質(zhì)層,土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化能力較低,與已有的研究結(jié)果相符[14-16]。

3.2林分郁閉度直接影響著森林群落的光、熱、水分等生態(tài)因子的分配,進(jìn)而影響林地土壤養(yǎng)分和林木生長(zhǎng)發(fā)育[17]。隨著郁閉度的增大,0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷含量均呈遞增趨勢(shì)變化,其中有機(jī)質(zhì)、全氮含量顯著增加,20～60 cm土層各土壤養(yǎng)分指標(biāo)隨郁閉度變化趨勢(shì)不一致,且均不具有顯著差異。隨著土壤深度的增加,郁閉度對(duì)土壤養(yǎng)分的影響逐漸減弱,鄒佳何等[18]研究結(jié)果表明,郁閉度對(duì)表層土壤養(yǎng)分影響最明顯,郁閉度(0.8)條件有利于天山云杉林下土壤碳、氮養(yǎng)分的積累,與張洪亮等[19]的研究結(jié)果一致,可能是高郁閉度天山云杉林凋落物較多,增加了碳、氮養(yǎng)分歸還量,同時(shí),高郁閉度可以減小地表徑流,減少了土壤碳、氮養(yǎng)分流失[13]。研究土壤養(yǎng)分指標(biāo)還包括速效磷、速效鉀,研究結(jié)果顯示速效磷、速效鉀受郁閉度影響較小,土壤中鉀元素、磷元素主要源自礦物與巖石,其主要受土壤類型與土壤母質(zhì)的影響,不易受到植被的影響,同時(shí),土壤鉀元素屬于容易遷移的元素,容易遷移至深層土壤中,所以速效鉀的聚表性較其他元素弱。曾全超等[20]研究表明C/N比受水熱條件的影響較小,研究結(jié)果顯示C/N比隨郁閉度和土層的變化,沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì),因?yàn)楸M管土壤有機(jī)C和全N在空間上的變異性較大,但土壤有機(jī)C和全N的含量隨著郁閉度和土層的變化規(guī)律一致,使得整個(gè)土壤層C/N比值相對(duì)穩(wěn)定。C/N是反映土壤C、N養(yǎng)分狀況的指標(biāo),較高的土壤C/N微生物需要從土壤中攝取N來(lái)滿足生長(zhǎng)需要,而較低的土壤C/N說(shuō)明超過(guò)微生物所需的N會(huì)被釋放到土壤中[21],土壤C/N介于18.62～20.65,隨著郁閉度的增加較穩(wěn)定,高于青海云杉林[22]土壤C/N水平范圍(16.07～19.37),研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)礦化速度較慢,且與青海云杉林相比,天山云杉林土壤pH偏小[23],N含量偏低,故C/N較高。

3.3相關(guān)性分析表明,各土壤養(yǎng)分含量之間均呈正相關(guān)關(guān)系,土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、全氮兩兩之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,其中有機(jī)質(zhì)與堿解氮、全氮的相關(guān)系數(shù)是0.985、0.980,與前人研究結(jié)果一致,即土壤有機(jī)質(zhì)的積累對(duì)土壤氮素的含量起主導(dǎo)性作用[24],土壤中氮、磷、鉀的含量與有機(jī)質(zhì)含量有關(guān),與王海燕等[25]研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

4.1研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分均為中等變異性,具有明顯的表聚性,主要集中在0～20 cm土層。

4.20～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、全氮隨郁閉度的增大呈遞增的趨勢(shì),其中有機(jī)質(zhì)、全氮含量增加顯著;20～60 cm土層土壤養(yǎng)分隨郁閉度變化趨勢(shì)不一致且均無(wú)顯著差異。整個(gè)土壤剖面上天山云杉林郁閉度達(dá)到0.8時(shí)更有利于土壤養(yǎng)分的積累。

4.3土壤有機(jī)質(zhì)與堿解氮、速效磷、全氮兩兩之間呈極顯著正相關(guān)。