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马尾松人工林土壤氮含量变化分析

程建军 曹爱珍 陶席 潘娅 李俊 胡昌平

程建军, 曹爱珍, 陶席, 等. 马尾松人工林土壤氮含量变化分析[J]. 四川林业科技, 2023, 44(2): 111−115 doi: 10.12172/202204080002
引用本文: 程建军, 曹爱珍, 陶席, 等. 马尾松人工林土壤氮含量变化分析[J]. 四川林业科技, 2023, 44(2): 111−115 doi: 10.12172/202204080002
CHENG J J, CAO A Z, TAO X, et al. Analysis of soil nitrogen content changes of Pinus massoniana plantation[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2023, 44(2): 111−115 doi: 10.12172/202204080002
Citation: CHENG J J, CAO A Z, TAO X, et al. Analysis of soil nitrogen content changes of Pinus massoniana plantation[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2023, 44(2): 111−115 doi: 10.12172/202204080002

马尾松人工林土壤氮含量变化分析


doi: 10.12172/202204080002
详细信息
    作者简介:

    程建军(1982—),男,高级工程师,硕士,954098034@pp.com

Analysis of Soil Nitrogen Content Changes of Pinus massoniana Plantation

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    出版历程
    • 收稿日期:  2022-04-08
    • 网络出版日期:  2023-02-03
    • 刊出日期:  2023-04-25

    马尾松人工林土壤氮含量变化分析

    doi: 10.12172/202204080002
      作者简介:

      程建军(1982—),男,高级工程师,硕士,954098034@pp.com

    摘要: 以不同林龄(8、20、32和50年生)马尾松人工林为研究对象,比较不同林龄、土层及月份林地土壤全氮和有效氮含量变化。结果表明:(1)土壤全氮和有效氮含量随林龄的增加而增加;(2)土壤全氮和有效氮含量随着土层深度增加而降低;(3)在一个生长周期内,土壤全氮和有效氮含量不同月份不同龄组间各不相同,总体呈现出升-降-升的变化趋势,随着土壤温度和含水量的升高而增加。

    English Abstract

    • 马尾松作为亚热带常绿针叶树种,主要分布在秦岭淮河以南省份,是我国造林绿化先锋树种,生长快,分布广,耐贫瘠[1-2]。目前我国大部分马尾松人工林重栽植轻管护,林木长慢,蓄积量低,林木老化,出现“老小头”树,生态效益和经济效益差,已严重约了我国林业的可持续发展。

      氮素是植物重要组成物质,参与有机物合成代谢和器官组成,是植物生长发不可或缺的元素[3],土壤氮含量高低是衡量土壤肥力的重要指标。自然界氮绝大部分以难以利用的气态形式存在,少量以有机物和无机盐的形储存于土壤中被植物所吸收利用。关于土壤氮的研究较多,李若楠[4]等研究了天然林向人工林转化过程中,降低了林地土壤氮储量;肖英[3]研究认为土壤氮含量变化与土层深度有关;刘爽[5]认为土壤氮含量与土壤温度、含水量有关。

      目前关于马尾松林土壤氮含量的研究主要在集中在林分密度、混交林以及土壤酶活性等方面,如孙千惠[6]研究了马尾松林分密度、凋落物与土壤氮含量的关系葛晓改[7]的土壤有机质与氮的相关性;徐云岩[8]的土壤C/N格局队土壤氮含量的影响;朱小龙[9]的马尾松针阔混交林酶活性与氮循环的关系。通过研究分析不同林组、不同土层深度马尾松林土壤氮和有效氮在不同月份的含量多少,旨在探讨三个因子间的相互关系,为马尾松人工林营造林以及低效林经营改造提供参考依据。

      • 试验地设在仪陇县的魏家山国有林场、白塔山和立山寨等马尾松人工林营造区,面积673.6hm2,海拔高度408~793 m,E106°45′—106°51′,N31°22′—31°30′,研究区位于盆地北部低山与川中丘陵过渡地带,以低山为主,土壤为紫色土。中亚热带湿润季风气候,全年无霜期290 d以上,雨量充沛,年均气温15.8℃,极端最低温−4.5℃,最高温38.5℃,降水量1075.5 mm,日照时数1435.5 t。试验区近成熟林为马尾松+青冈、柏木、桤木混交林为主,林下灌草有马桑、黄荆、蕨类,枯落层较厚,中、幼龄以纯林为主,灌草层为马桑、黄荆、巴茅、甘草、铁芒箕等,裸露地多。

      • 8年生幼龄林选于白塔山,25年生中龄林和32年生近熟林选于魏家山国有林场,50年生成熟林选于立山寨。分别选择坡度、坡相、坡位及植被组成相近林地,各组设3个重复,样地面积20 m×20 m。随机取样,采样前剥离地表枯枝落叶,土层深度设0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm,取样时间2018年12月—2019年11月,每月上旬取样。

      • 测定土壤全氮(TN)和有效氮(NH4+-N+NO3-N)含量,全氮采用凯氏定氮法测定,有效氮中铵态氮采用氯化钾浸提-靛酚蓝比色法测定,硝态氮采用紫外分光光度法。

      • 数据用excel2007和SPSS17.0软件进行整理分析,对土壤全氮和有效氮含量进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和LSD多重比较(P<0.05)。

      • 不同林龄马尾松林土壤全氮和有效氮平均含量见表1,成熟林>近熟林>中龄林>幼龄林,随林龄的增加而减少。成熟林全氮含量最高达3.64 g·kg−1,幼龄林最低为2.91 g·kg−1,各月份中7月成熟林全氮最高达5.0 g·kg−1,1月幼龄林最低2.24 g·kg−1,不同龄组幼龄林和近、成熟林差异显著,中龄林和成熟林间差异显著,其他龄组间差异不显著,表明马尾松林土壤全氮含量和龄组成正相关。

        表 1  不同林龄土壤全氮、有效氮含量变化

        Table 1.  Changes of soil total nitrogen and available nitrogen content at different agesent agesent ages

        林龄氮含量/(g·kg−1有效氮/(mg·kg−1
        幼龄林2.91±0.49a256.08±26.54a
        中龄林3.09±0.7a270.67±24.81a
        近熟林3.35±0.61ab323.24±47.41b
        成熟林3.64±0.66b367.57±45.3bc
          注:同列数字后不同字母代表差异显著(P<0.05)。  Note: Different letters after numbers in the same column represent significant differences (P<0.05).

        有效氮平均含量和全氮相近,成熟林>近熟林>中龄林>幼龄林,随着林龄增加而增大,其中成熟林最高达367.57 mg·kg−1,幼龄林256.08 mg·kg−1最低,各月份中有效氮含量5月幼龄林最低213.83 mg·kg−1,8月成熟林最高479.17 mg·kg−1。近成熟林有效氮均高于中幼龄林,这可能和近成熟林林下枯枝落叶较多,起到一定的保温保水作用有关,土壤中丰富的有机质含量减少了地表层氮的淋溶损失,在一定程度上补充了土壤氮素含量。

      • 不同土层土壤有机含量不同,通常表土有机质含量高于底土,马尾松林在0~60 cm土层全氮含量见表2,其中0~20 cm>20~40 cm>40~60 cm土层全氮含量,表层土全氮含量占总量的50%,随着土层深度增加而减少,不同土层间差异显著。有效氮含量和全氮含量相近, 0~20 cm含量最高,40~60 cm最低,各层间差异显著,随土层深度增加而减少。

        表 2  不同土层马尾松土壤全氮含量(g·kg−1

        Table 2.  Soil total nitrogen content in different soil layers (g·kg−1

        林龄/土层幼龄林中龄林近熟林成熟林
        0—201.43±0.25a1.47±0.31a1.55±0.33a1.74±0.44a
        20—400.9±0.17b1.0±0.23b1.1±0.21bc1.23±0.23b
        40—600.60±0.11c0.68±0.12b0.68±0.7b0.68±0.11c
          注:同列数字后不同字母代表差异显著(P<0.05)。  Note: Different letters after numbers in the same column represent significant differences (P<0.05).

        可见林地土壤营养主要集中在表层,表层土壤是林木生长营养物质的主要来源,这和土壤氮素具有表聚性有关。不同龄组表层土壤全氮和有效氮含量差异较大,而在40~60 cm层土壤各龄组间全氮和有效氮含量变化幅度在0.6~0.68 g·kg−1和32.49~40.05 mg·kg−1之间,各龄组间无差异,表明深层土壤氮含量相对恒定。

        表 3  不同土层土壤有效氮含量(mg·kg−1

        Table 3.  Soil available nitrogen content in different soil layers (mg·kg−1

        林龄/土层幼龄林中龄林近熟林成熟林
        0—2089.49±13.62a91.77±9.54a97.78±10.61a94.38±11.73a
        20—4051.35±6.50b53.70±5.77b56.68±8.08b57.55±7.67b
        40—6032.49±2.84c34.48±2.7c37.64±4.77c40.05±5.25c
          注:同列数字后不同字母代表差异显著(P<0.05)。  Note: Different letters after numbers in the same column represent significant differences (P<0.05).
      • 在一个生长周期内,马尾松林土壤全氮和有效氮各月份间的变化如图1,全氮含量呈倒“v”形波动,表现为先降低后升高,分别在7—8月份和10-11月份出现两次峰值,而中龄林则在3、6、10月份各出现一次峰值。各林龄马尾松林全氮含量均在7月份最高,10月份次之, 1月份降到最低,这与不同月份土壤温度变化有关,温度越高氮含量越高,林龄越大含量也越高,变化越明显。

        图  1  不同月份马尾松全氮含量/(g·kg−1

        Figure 1.  Soil total nitrogen content in different months (g·kg−1) ifferent months (g·kg−1) ifferent months (g·kg−1

        有效氮含量各月份变化呈现出升-降-升的趋势,呈“w”形, 7月份含量最高,2月份和8月份含量相对较低,变化范围为284.6~304.9 mg·kg−1之间,各龄组间随林龄的增加变化越明显,可能是硝态氮易被雨水淋溶,铵态氮在高温环境下易挥发有关。

        图  2  不同月份马尾松有效氮含量/(mg·kg−1

        Figure 2.  Soil available nitrogen content in different months (mg·kg−1)·kg

      • 试验得出,同地块内相同土层深度中在同一月内测定的土壤全氮和有效氮含量成熟林>近熟林>中龄林>幼龄林,其中近、成熟林含量无差异,而与中、幼龄林差异显著,且随着林龄的增大而增加,表明全氮和有效氮含量与马尾松林龄间正相关。这与陈伏生[10] 赵海燕[11]的土壤氮素含量40年生>30年生>20年生>10年生>5年生,随着林龄增加不断提高的结论相同,而与杨志训[12]土壤全氮含量随林龄增加先升高后降低的结论不同。马尾松从中幼龄林走向近成熟林,随着林龄增加林分逐渐老化生长速度变缓,对养分得吸收利用小于土壤有机质的转化积累,而中、幼龄林分处于生长旺盛期,有机物质合成及生理代谢快,植物从土壤中吸收的氮大于土壤积累, 这也印证了马尾松近成熟林土壤全氮和有效氮含量高于中幼龄林的现象。在试验区内,近成熟林分群落结构完整,植被覆盖度高,乔灌草分布合理,形成针阔混交的稳定生境,林间空地少,丰富的蕨类枯萎增加了凋落层含量,在高温高湿的环境下微生物分解快,促进了有机物的分解和转化,发生氮素归还。葛晓改[7]研究发现亚热带马尾松人工林氮的年归还量为20.61~137.15 kg·hm−2·a−1,广西宣武23年生林分氮归还量是8年生林分的3.45倍,三峡库区马尾松凋落物年归还量随着林龄的增加而增加。

      • 研究表明,马尾松林地土壤全氮、有效氮含量与土层深度成负相关,土层越深土壤氮素含量越少,其中表层土壤中各类矿物质元素含量最高,这和土壤氮素具有表聚性 [13]有关,郭春兰[14]的研究也证实了土壤全氮、硝态氮及铵氮随着土层深度增加而降低,且变化幅度在减小的规律。而植物的大量毛细根系也主要分布在表层,土壤氮素通过根系的吸收被消耗,同时表层土壤相对疏松,土壤孔隙度大,有利于根系的呼吸,水分、养分以及土温表层也高于底层,这都有利于植物生长的有利条件。研究也印证了闫东锋[15]对针叶林、阔叶林和针阔混交林根长、根表面积密度、根体积密度的研究,林地表层细根分布多,根系数量随土层加深而减少的结论。表土直接与外界环境接触易受微生物、动植物以及人类活动的影响,林下草灌层植物的固氮及大气氮沉降,地表植被截流等都能引起土壤氮素的变化,而裸露的地表氮素易遭受雨水淋溶流失,这也中幼龄林氮素含量较低的原因。

      • 不同月份马尾松林土壤全氮、有效氮含量与气温和降雨有一定的关系,夏秋季气温高,降雨多,土壤温度高,含水量大,微生物及各类生物酶活性高,加速了林下有机质分解,增加了地表土壤腐殖质含量,导致大气中氮素的回归固化。试验结果表明,7—8月高温高湿环境下土壤氮素含量最高,而12月到2月份低温干燥的冬春季,土壤氮素含量最低,说明温度、水分通过影响土壤微生物及酶活性,从而影响土壤氮素含量。汪小兰[16] 、牟晓杰[17] 、李世清[18]等研究也表明了土壤氮含量受季节变化影响,夏季高于冬季,随土壤温度的升高含量增加,土壤水分含量低于10.87%对生物体氮影响较大。

      • 通过对不同龄组、不同土层深度马尾松林地在一个生长周期内不同月份全氮、有效氮含量多少的比较,得出马尾松林地土壤全氮和有效氮含量随着林龄的增大而增加,表层土含量高于底层土,随土层深度的增加而降低。在一个生长周期内林龄越高含量变化越明显,各月份含量高低主要受气候度温度和大气降水量的影响,随着温度和降水量的增加而升高。在林业生产中,营林和低效林改造的时段,尽量选择冬春两季进行,有利于减少土壤氮的流失。

    参考文献 (18)

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