杨制国，张胜男，闫德仁，黄海广，胡小龙

(1. 内蒙古自治区林业科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010010； 2. 内蒙古多伦浑善达克沙地生态系统国家定位观测研究站，内蒙古 多伦 027300)

土壤环境是森林生态系统功能持续发挥的重要物质支撑，不仅为森林中的动物提供必要的栖息地，也为地表植被的生长提供必需的养分供应[1]。土壤养分是森林生产力的一个重要指标，与林分组成[2]、密度[3]、气候条件[4]、人为干扰[5-6]等因素密切相关。土壤养分不仅能够表征土壤条件动态的敏感变化，反映土壤管理水平，而且对退化土地的恢复、区域土地资源管理和土地持续利用具有重要意义[7]。

油松(Pinustabuliformis)是我国特有的乡土树种之一，具有环境适应性强、抗旱、耐寒等特点，是华北地区山地针叶林最主要的造林树种之一[8]。近年来，人工林的质量提升成为森林可持续经营中关注的热点，而且研究者们越来越重视土壤与植被之间的复杂关系研究[9]。冯文瀚等[10]研究了不同林龄鹅掌楸(Liriodendronchinense)人工林土壤团聚体及其有机碳状况，研究发现成熟林的大团聚体含量比幼龄林和中龄林显著提高 17.84% 和 25.52%，且随着林龄的增加，成熟林土壤团聚体有机碳含量显著高于幼龄林和中龄林。吴菲等[11]分析了不同林龄闽楠(Phoebebournei)人工林土壤细菌群落结构变化，结果表明，闽楠人工林的长期种植会导致土壤微生物和土壤养分发生显著变化，到40 a生时，土壤微生物群落结构、多样性和化学性质均有所下降。郭辉等[12]研究认为华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)根际和非根际土壤有机碳、全氮和速效磷随林龄增加呈先增加后降低趋势，成熟林达到最大，而华北落叶松根际与非根际物种丰富度指数、均匀度指数、优势度指数以及碳源利用丰富度指数也随林龄增加呈先增加后降低的趋势，表现为由幼龄林、中龄林至成熟林逐渐提高，过熟林逐渐降低。彭玉华等[13]研究发现，随着杉木(Cunninghamialanceolata)林龄增加，土壤容重逐渐降低，持水能力和pH值逐渐增加，有机质、水解氮和速效钾含量呈增加-减少-增加的趋势。李永涛等[14]研究表明，绒毛白蜡(Fraxinustomentosa)人工林随林龄增加，各土层养分含量也逐步累加，土壤团聚体稳定性越强。土壤养分含量反映了林木的生长情况以及随林龄增长的变化特征，因而研究不同林龄土壤养分变化特征有助于更全面揭示林木的生长规律。本研究以科尔沁沙地不同发育阶段的油松人工林为研究对象，分析土壤养分含量随林龄的变化规律，为油松人工林的可持续经营提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于科尔沁沙地的东南边缘辽宁省固沙造林研究所章古台试验基地，地理坐标为42°63′—42°74′N，122°47′—122°58′E，平均海拔 253.6 m。本区属暖温带亚湿润干旱气候区，主要气候特点为干旱多风，且侵蚀性风力集中，年平均风速为 3.7～4.6 m·s-1，风速≥ 5.0 m·s-1平均每年出现400次，年降水量450～500 mm，60%～70% 降水集中在6—8月，平均空气湿度为 60.4%；年蒸发量为1 600～1 800 mm，干燥度为 1.2～2.0；年平均气温 6.2 ℃，最高气温 35.2 ℃，最低气温 -29.5 ℃，平均无霜期154 d；主要土壤类型为流动风沙土和砂质草甸土。代表性草本植被有胡枝子(Lespedezabicolors)、虎尾草(Chlorisvirgata)、马唐(Digitariasanguinalis)、无芒隐子草(Cleistogenessongorica)、披碱草(Elymusdahuricus)等。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

2020年8月，根据造林小班选择林龄分别为18 a(y18)、34 a(y34)、43 a(y43)和56 a(y56)的油松人工林，同时以流动沙地(CK)为对照样地。在每种林龄类型中，选择地势平坦且立地条件相似的区域设置3块20 m×20 m的固定样地，调查林分的林龄、树高、胸径、郁闭度、枯落物厚度、植被盖度等。样地概况见表1。

表1 油松人工林样地概况Tab.1 General situation of sample plot of Pinus tabuliformis plantation

2.2 分析样品采集

2020年8月，在样地内按照“S”取样法，除去表层枯落物，采集0～2 cm、2～10 cm和10～20 cm土层，每个样地选取3个点采集土样，分别装入自封袋中带回实验室，在室内风干后过2 mm筛作为分析测定样本。

2.3 土壤性质测定

土壤有机质测定采用重铬酸钾法，全氮和全磷测定采用高氯酸-硫酸消化法，全钾测定采用氢氟酸-高氯酸消化法，速效氮测定采用碱解扩散法，速效磷测定采用碳酸氢钠浸提-分光光度法，速效钾测定采用醋酸铵溶液浸提-原子吸收法。

2.4 数据处理

采用Excel 2016进行数据统计及分析，显著性分析采用SPSS 19.0进行，绘图由Origin 8.6软件完成。

3 结果与分析

3.1 林龄对油松人工林土壤养分含量变化的影响

通过分析可知，土壤有机质含量随着林龄的增加显著增大(P<0.05)；且43 a生油松人工林土壤与18 a生和对照样地土壤差异显著(P<0.05)，43 a生油松人工林土壤有机质含量分别比18 a和对照样地显著提高了 1.86 倍和 4.71 倍(图1A)。造林后，土壤全氮含量(图1B)随林龄增加呈逐渐升高趋势，且34 a、43 a和56 a生的土壤全氮含量与对照样地差异显著，分别比对照样地提高了 2.43 倍、2.70 倍和 2.69 倍。土壤全磷含量(图1C)也在造林后显著提高，并在56 a时达到最大；18 a、34 a、43 a和56 a生油松人工林土壤全磷含量无明显差异。对照样地和不同林龄油松人工林地土壤全钾含量(图1D)无显著差异。

如图1E所示，土壤速效氮含量在34 a和43 a时为 12.61 mg·kg-1和 12.19 mg·kg-1，显著大于18 a生油松人工林(P<0.05)，与对照样地无显著差异。而土壤速效磷含量(图1F)在18 a达到 5.22 mg·kg-1，分别比对照样地、43 a和56 a生油松人工林土壤显著提高 1.57 倍、1.64 倍和 1.68 倍；土壤速效磷含量随林龄的增加逐渐降低。土壤速效钾含量(图1G)在对照样地和18 a生油松人工林土壤中相对较低，并在34 a达到 107.65 mg·kg-1，分别比对照样地、18 a和43 a生油松人工林土壤显著提高 1.56 倍、1.68 倍、1.31 倍，与56 a生油松人工林土壤速效钾含量无显著差异。

注：不同字母表示不同林龄间差异显著(P<0.05)。

3.2 油松人工林不同土层养分含量变化特征

从表2看出，除全钾含量外，0～2 cm、2～10 cm和10～20 cm土层中的有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效钾均随土层深度的增加而减少，且有机质和速效钾含量对土层深度变化的响应较为明显。其中，0～2 cm土层有机质、全氮和全磷含量随林龄增加显著增大，且34 a、43 a和56 a间无显著变化；全钾和速效磷含量随林龄变化无显著差异，速效氮和速效钾含量无明显规律。2～10 cm土层有机质、全氮和全磷含量随林龄增加显著增大，全钾、速效氮和速效钾含量随林龄变化无显著差异，速效磷含量在18 a和34 a生油松人工林地相对较高。10～20 cm土层全氮和速效氮含量随林龄无显著变化，有机质、全磷和速效磷含量在18 a生油松人工林地中较高，速效钾含量在18 a生油松人工林地中较低，10～20 cm土壤养分随林龄变化无明显规律。

表2 不同土层油松人工林土壤养分含量Tab.2 Soil nutrient content of Pinus tabuliformis plantation with different soil layers

3.3 林龄和土层对土壤养分含量的影响

通过双因素方差分析可知(表3)，林龄和土层以及二者交互作用均极显著影响土壤有机质、全氮、全磷和速效钾，但对全钾的影响不显著；林龄和林龄-土层交互作用对速效氮无显著影响，但是土层对速效氮的影响显著；林龄-土层交互作用对速效磷无显著影响，但是林龄能够显著影响土壤速效磷含量，土层能够极显著影响土壤速效磷含量。土层的F值均大于林龄和林龄-土层交互作用，因此，土层对土壤养分的影响最大。

表3 林龄和土层对土壤养分影响的双因素方差分析Tab.3 Two-way analysis of variance for the effects of forest ages and soil layer on soil nutrient

4 讨论

林龄不同导致林下植被多样性、密度以及地表凋落物的储量和分解程度不同，直接影响土壤养分含量的变化[15]。本研究表明，不同林龄油松人工林土壤养分含量存在显著差异。随着林龄的增加，土壤有机质、全氮、全磷含量显著增加，这与土壤表层凋落物的积累和分解具有一定关系[13]。本研究表明随着林龄的增加，土壤速效磷含量呈逐渐减少的趋势，说明土壤速效磷含量随林龄的增加出现了供不应求的现象，该现象也同样出现在樟子松(Pinus sylvestrisvar.mongolica)人工林的生长发育中[16]。其可能原因是随着林龄增加，林木对磷的需求逐渐增加导致的。

本研究表明，土壤养分含量随土层加深逐渐降低，这主要是因为土壤表层凋落物的分解产生大量养分聚集在土壤浅层，使得浅层土壤养分含量较高[17]。梁洋等[18]研究太岳山油松人工林地也进一步说明了0～10cm土层的有机质、全氮、速效钾、氨态氮、硝态氮、有效磷质量分数较10～30cm土层更高。本文的研究结果显示，油松人工林土壤养分含量综合评价相对较好的是43a和56a，其次是34a，18a最差，说明随着油松人工林林龄的增加，土壤养分状况有所改善。

5 结论

(1)随着林龄增加，土壤有机质、全氮、全磷含量显著增加，林龄变化对土壤全钾含量无显著影响；土壤速效氮和速效钾在对照样地和18a生油松人工林土壤中相对较低，在43a和56a生油松人工林土壤中相对较高，而土壤速效磷含量在43a和56a生油松人工林土壤中相对较低，18a生油松人工林相对较高。

(2)土壤养分含量随土层加深逐渐降低，土壤有机质和速效钾含量受土壤深度变化的影响最为明显，表层土壤各化学指标较深层土壤各化学指标对林龄的响应更明显。

(3)土层、林龄、林龄-土层交互作用均对土壤化学指标有较大影响，其影响程度依次为：土层、林龄、林龄-土层交互作用。相比而言，土壤有机质、全氮、全磷和速效钾含量对环境变化更为敏感。