桑根达来不同林龄榆树林土壤养分特征

林 灏，李钢铁，李俊杰，张月欣

(内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古呼和浩特 010018)

正蓝旗桑根达来镇位于锡林郭勒盟南部，正蓝旗中段、浑山达克沙地腹地、地处高原、南北走向。桑根达来镇的草原总面积为16.14万hm2，占全镇土地总面积的98.83%，当前可利用草原面积14.25万hm2[1]。草原的土壤以风沙为主，极其脆弱。黑栗钙土分布在塔拉沙丘陵之间，栗钙土分布在东南低丘，少量的草甸土分布在湖盆洼地。浑善达克沙地属于榆树疏林草原，由于气候变化和人类不合理的开发利用，造成了浑善达克沙地原已固定的沙丘再度活化，流动沙丘逐年增多，活动沙丘逐年增加。植被覆盖率逐年下降，可用的草地逐年退化，可用的耕地利用率逐年下降。沙漠化土地类型也在发生变化，草场沙化率达78%以上。许多草场和牧场因为过度放牧等原因造成了土地荒漠化面积进一步扩大，造成了桑根达来生态环境脆弱[2]，土壤肥力的维持和提高已经成为当地环境保护和管理的关键。为了恢复当地生态系统的稳定性，充分发挥防风、固沙、节水的作用，需要对桑根达土壤进行研究。

土壤养分是土壤肥力的重要部分，土壤养分作为衡量土壤质量的重要指标，碳、氮、磷和钾等营养元素不仅代表土壤肥力状况，也是植物生长发育的必需营养元素[3]。魏晓帅[4]通过研究表明，樟子松人工林土壤理化性质随林龄增加在不同沙地中表现不同，毛乌素沙地土壤容重和养分含量明显降低，科尔沁沙地养分含量明显升高，呼伦贝尔沙地土壤养分则呈现先增加后降低趋势，沙地土壤理化性质受有机质影响较大，因此测定土壤中氮、磷、钾及有机质的含量可以在一定程度上表现出土壤养分的变化特征。夏志光等[5]通过实地考察与试验调查的方法，对赤峰市巴林右旗的黄花林场沙漠化撂荒的栗钙土区在栽植沙枣和榆树后的土壤理化性质变化进行了分析。结果表明，沙枣和榆树的生长可使土壤密度有效降低，从而改善土壤孔隙状况，提高土壤表层有机质含量和速效氮含量，有效改善土壤水、气、热状况，土壤肥力得到提高，有效防止土壤荒漠化加剧。

榆树(UlmuspumilaL.)，又称春榆、白榆，是榆树科落叶乔木。榆树是一种根系发达，耐旱，耐寒，对土壤条件适应性强的普通树种。在环境保护、涵养水源、防风固沙等方面发挥着重要作用[6]，是干旱半干旱沙区造林的理想树种。同时通过对桑根达来所在的浑善达克沙地的研究表明，榆树是该地的建群种，浑善达克沙地以草原植被为主，针阔叶乔木、榆树疏林等超地带性植被明显[7]。赵娜[8]研究了浑善达克沙地榆树林树木密度与土壤养分含量之间的关系，发现土壤养分含量的分布情况表现为树木分布密集区>树木分布稀疏区>树木零散分布区，即土壤速效氮、速效磷、速效钾及有机质的含量与树木密度成正比。这说明榆树虽然会对营林地的土壤养分造成消耗，但种植榆树对土壤肥力状况的改善更为明显。这就为大规模榆树造林及改善当地生态系统稳定性提供了可能，但目前对榆树林的研究主要集中于土壤养分与榆树空间位置和土壤养分含量与榆树密度关系的探讨[9-10]，而对于不同林龄及土层榆树林的土壤养分差异性研究鲜见报道。因此，笔者以桑根达来3种树龄榆树林为研究对象，采集0～10、10～20和20～40 cm土层的榆树根系土壤，探究不同林龄土壤养分变化特征及其随树龄的变化规律，以期为该地区榆树林的养分管理、提质增效及近自然改造提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况研究区位于浑善达克沙地，地处内蒙古高原，地理坐标为 42°23′09″～ 44°15′02″N，116°20′19″～ 118°26′16″E。海拔高度为 1 200～1 700 m。该区域属于中温带大陆性季风气候区，年均气温 2～4 ℃，年均降水量250～540 mm，年均蒸发量1 300～1 900 mm。土壤以风沙土为主，丘间低地和固定半固定沙丘相间分布。浑善达克沙地主要分布在锡林郭勒盟和赤峰市境内，东缘延生到克什克腾旗，西部从正镶白旗延伸到镶黄旗、苏尼特右旗，腹地位于正蓝旗，南缘位于多伦县，北部接锡林浩特市、阿巴嘎旗、苏尼特左旗。该沙地种子植物 1 191 种，草该植物共有 900 种，占该区总种数的 85.2%； 榆树(UlmuspumilaL.) 是浑善达克沙地的建群种，从数量上在木本植物中占决对优势，此外还有沙地云杉(PiceameyeriRehd.et Wils.) 、白桦(BetulaplatyphyllaSuk.) 、山杨(PopulusdavidianaDode) 、辽东栎(QuercuswutaishanseaMary) 等数量较少的乔木。

1.2 样地设置依据相似可比的原则，在外业调查中，将样地尽量选择在立地条件相同或相似的风沙土区，在进行林业调查时，用生长锥法获得榆树林的实际林龄。选择3个不同林龄(10、25、40 a)榆树林为研究对象，选取营林措施、海拔、坡向、坡度、土壤母质等立地条件基本一致或相近的林地，分别设置3块20 m×20 m的样地，样地间隔20 m，共9块。

1.3 样品采集采样时间为2020年8月(植物生长旺盛时期)，在每个样方内按“Z”字体路线寻找长势较为一致的3株榆树为采样点，作深度为40 cm土层的土壤剖面，依次采取0～10、10～20、20～40 cm土层土壤样品，根据树龄与土层编号后装入自封袋。土样过2 mm筛，去除凋落物和石块等杂物。将过筛后的土样在室内风干，用于土壤氮、磷、钾、有机质及pH的测定。

1.4 样品的测定在实验室内对所收集的土壤样品进行养分元素的测定：土壤的pH采用电位法测定；速效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定[11]；速效钾含量采用NH4OAC浸提-火焰光度法测定；速效氮含量采用碱解扩散法测定；有机质含量采用重铬酸钾氧化法测定[12]。

1.5 数据分析采用Excel 2016进行试验数据统计，运用SPSS对林龄和土层深度及二者协同作用对榆树根系土壤养分各项指标的影响进行双因素方差分析，用单因素方差分析同一土层和林龄对其相关指标的影响，并对各项指标之间进行相关性分析，探究各养分含量的相互作用规律。

2 结果与分析

2.1 林龄和土层处理对土壤养分双因素方差分析通过双因素方差分析可知(表1)，林龄对榆树根系土壤的速效氮、速效磷、速效钾含量及pH有显著影响，而对有机质含量无显著影响；土层对土壤的速效磷、有机质含量及pH有显著影响，对速效氮和速效钾含量无显著影响；二者的协同作用仅对速效磷含量有极显著影响，对速效氮、速效钾、有机质含量及pH无显著影响。

表1 林龄和土层处理对土壤养分双因素方差分析结果Table 1 Effects of forest age and soil layer treatment on soil nutrients by two-way ANOVA

2.2 不同林龄榆树林土壤养分特征

2.2.1速效氮含量变化情况。由图1a可知，桑根达来榆树根系土壤的速效氮含量在35.93～51.26 mg/kg，0～10、10～20 cm土层的速效氮含量随着林龄的增长总体呈上升趋势，20～40 cm土层速效氮含量呈先下降后上升趋势。10 a时土壤的速效氮含量随垂直方向深入呈上升趋势，而25 a与40 a土壤速效氮含量随垂直方向深入呈先上升后下降的趋势。3个林龄各土层土壤速效氮含量差异不显著。

2.2.2速效磷含量变化情况。从图1b可见，速效磷含量在25.5～134.4 mg/kg，在0～10与20～40 cm土层中速效磷含量随着林龄的增长呈先降低后升高趋势，在10～20 cm土层中速效磷含量呈先升高后降低趋势，25 a速效磷含量显著高于其他2个龄级。10 a与25 a随土层深度增加，速效磷含量先升高后降低，40 a随土层深度增加速效磷含量先降低后升高，其中25 a时10～20 cm土层土壤速效磷含量最高，0～10 cm土层土壤速效磷含量最低。25 a与40 a的各土层土壤速效磷含量差异显著。

2.2.3速效钾含量变化情况。从图1c可见，速效钾含量在49.46～132.93 mg/kg，速效钾含量随林龄的增长总体呈上升趋势，且3种林龄的土壤速效钾含量均随着土层垂直方向加深呈现先降低后升高趋势，25 a尤为明显，随林龄增加20～40 cm土层土壤速效钾含量升高幅度更明显。3种林龄的土壤速效钾含量均随土层深度垂直方向增加呈先降低后升高的趋势，在10 a时各土层土壤速效钾含量差异不大。

2.2.4有机质含量变化情况。从图1d可见，有机质含量在11.43～16.01 g/kg，在0～10 cm土层中随林龄增长有机质含量有略微下降，10～20 cm土层中随林龄的增长有机质含量呈上升趋势，林龄对20～40 cm土层的榆树根系土壤有机质含量作用不显著。10 a土壤有机质含量随土层深度垂直方向增加呈先降低后升高的趋势，25 a土壤有机质含量随土层深度垂直方向增加呈降低趋势，40 a土壤有机质含量随土层深度垂直方向增加呈先升高后降低的趋势。

2.2.5pH变化情况。从图1e可见，pH在3个土层中均呈现出随林龄增大呈先上升后下降的趋势，但0～10和10～20 cm土层10～25 a期间上升不明显，25～40 a期间pH下降幅度很大。在40 a的土层中土壤pH随土层深度垂直方向增加呈明显的上升趋势，而其他林龄中各土层深度的pH差异不明显。

图1 不同林龄榆树根系土壤理化性质Fig.1 Physical and chemical properties of elm root soil at different forest ages

2.3 土壤养分因子相关性分析土壤养分各因子之间存在不同程度的相关性(表2)，pH与速效氮、速效磷和速效钾含量间存在极显著负相关(P<0.01)，速效氮与速效钾和速效磷间存在显著正相关(P<0.05)。

表2 土壤理化性质相关性分析Table 2 Analysis of soil physical and chemical properties

3 结论与讨论

(1)通过双因素方差分析可知，树木生长年限是榆树根系土壤氮、磷、钾及pH的重要影响因素，而随着榆树林土层垂直方向加深，土壤速效磷、有机质含量、pH有较大的分布差异性，而树木生长年限和土层深度的协同作用共同决定了榆树林根系土壤速效磷含量情况，这与郭雨华[13]的研究结果一致。

(2)桑根达来的榆树根系土壤养分指标随着林木生长年限不同存在一定的差异，土壤速效氮、速效钾、有机质含量随着树木生长年限的增加均呈不同程度的升高趋势，这是由于随着林龄的不断增加，冠幅不断增加，地表枯落物不断增多，枯落物在土壤动物和微生物的分解作用下形成腐殖质产生养分元素进入土壤，而榆林的形成增加了沙地表面的粗糙程度，改善了土壤容重、通气状况以及保水能力，也增加了土壤养分的储量[14]；土壤速效磷含量表现出了特异性，在土壤表层表现出随林龄增长先降低后升高的趋势，中层表现出随林龄增长先升高后降低的趋势，而到了深层又表现出随林龄增长先降低后升高的趋势，这是由于磷在土壤中容易被固定[15]，沙质土壤的单粒结构保水保肥的性能较差，且在树木生长初期郁闭度较低，表层土壤更容易被淋失后在中层发生沉积，而随着林龄增长，郁闭度增高，表层土壤的磷含量也越来越高。这说明榆林不仅可以起到防风固沙的作用，而且可以在很大程度上改善土壤理化性质。

(3)土壤pH在25～40 a的阶段随着树龄的增加不断降低，这是由于植物根系分泌物中含有一些低分子的有机酸[16]，地表也会沉积更多的腐殖质，因此随树木生长年限的增加土壤酸性会不断增强，这与崔丽娜等[17]研究结果一致。土壤pH与土壤速效氮、速效磷、速效钾含量极显著负相关，有机酸在根系周围的土壤中富集，能促进土壤中对氮、磷、钾的释放，提高植物对养分的吸收[18]，而土壤中的微生物活动如解磷微生物也能分泌有机酸，降低土壤pH，活化土壤中的养分，促进不同磷酸盐、钾盐等土壤化合物中养分的释放，从而提高土壤养分的有效含量。