孟 春，羅 京，龐鳳艷

(1.東北林業(yè)大學(xué)森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040;2.哈爾濱市林業(yè)科學(xué)研究院，哈爾濱 150029)

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，它不僅是植物營(yíng)養(yǎng)元素的主要來(lái)源，同時(shí)也是影響土壤與空氣間氣體交換 (尤其是CO2)的重要因素。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多年來(lái)對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素及時(shí)空變異進(jìn)行了大量的研究［1－2］。對(duì)于土壤營(yíng)養(yǎng)元素的空間變異性，研究者多采取對(duì)不同利用類型和不同深度(層次)土壤進(jìn)行取樣來(lái)討論其變異性［3－6］;對(duì)于土壤營(yíng)養(yǎng)元素的時(shí)間變異性，研究者多以年為時(shí)間跨度來(lái)討論其變異性［7－11］。對(duì)不同利用類型和不同深度 (層次)土壤進(jìn)行取樣研究，可以較好地揭示土壤營(yíng)養(yǎng)元素的空間變異，而以年為時(shí)間跨度研究土壤營(yíng)養(yǎng)元素的時(shí)間變異則忽視了植物生長(zhǎng)季節(jié)性變化對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素的影響。因此，本文以落葉松人工林地為研究對(duì)象，以月為時(shí)間跨度，并結(jié)合前人對(duì)該林地土壤營(yíng)養(yǎng)元素的研究結(jié)果來(lái)討論土壤營(yíng)養(yǎng)元素的時(shí)空變異性。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究地概況

東北林業(yè)大學(xué)哈爾濱實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)位于哈爾濱市區(qū)內(nèi)馬家溝河西岸 (N45°15'，E128°37')，地形平緩，土壤為地帶性黑土，水分條件良好。屬于溫帶季風(fēng)性氣候，年平均氣溫3.5℃，年積溫2 757℃，年降水量534 mm。

本次實(shí)驗(yàn)選取該林場(chǎng)內(nèi)落葉松 (Larix gmeliniRupr)人工林為研究樣地，該樣地于1959年春季用2年實(shí)生苗造林，初植密度0.5 m×1 m，前3年按常規(guī)方法進(jìn)行撫育，1963年隔一行去一行。觀測(cè)期內(nèi)，每1 hm2樣地上活立木864株，平均高22 m，平均胸徑18 cm，活立木蓄積58.86 m3，下草蓋度20%。

1.2 研究方法

在選定樣地上，以對(duì)角線形隨機(jī)選取5個(gè)取樣點(diǎn)，在每個(gè)取樣點(diǎn)挖出深約50 cm的土壤剖面。分別于2011年5月15日、6月24日、8月8日、9月15日和10月2日，分5次在每個(gè)剖面上從地表向下分別在5 cm、15 cm、30 cm和45 cm處取樣，土樣編號(hào)后放入取樣袋中，帶回室內(nèi)進(jìn)行烘干、粉碎、過(guò)篩，制備土樣供測(cè)定土壤營(yíng)養(yǎng)化學(xué)元素之用。土壤全N采用半微量凱氏法測(cè)定，土壤水解性N采用堿解－擴(kuò)散法測(cè)定，土壤全P采用氫氧化鈉－鉬銻抗比色法測(cè)定，土壤有效性P采用0.025 mol/L硫酸浸提法測(cè)定，土壤全K、速效性K采用火焰光度法測(cè)定，土壤C元素采用水合熱法測(cè)定，土壤pH值采用水浸電位法測(cè)定。除K元素進(jìn)行4次測(cè)定外，其他各元素均進(jìn)行了5次測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算每次取樣同層次各項(xiàng)測(cè)度指標(biāo)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差。采用變異系數(shù) (CV)說(shuō)明各項(xiàng)指標(biāo)的變異程度:CV=(S為標(biāo)準(zhǔn)差;為均值)。CV≤0.1屬于弱變異性，0.1＜CV＜1屬于中等變異性，CV≥1屬于強(qiáng)變異性［12］。采用方差分析說(shuō)明各指標(biāo)時(shí)空差異的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 N元素

觀測(cè)期內(nèi)土壤全N含量平均值為901.69 mg·kg－1(見表1)，低于1983年該林地土壤全 N觀測(cè)值［13］。土壤全N含量雖然不同深度處差異性并不顯著 (p＞0.05)，含量最低的30cm處較含量最高的5 cm處僅低了17.46%，但呈現(xiàn)出上層 (5 cm)和下層 (40 cm)含量較高、中層 (15 cm和30 cm)較低的變化趨勢(shì)，這一變化趨勢(shì)與陳喜全［13］1983對(duì)該林地土壤全N沿深度方向變化趨勢(shì) (下降)的研究結(jié)果有所不同。各次取樣間土壤全N含量差異性顯著 (p＜0.05)。8月8日和9月15日兩次取樣中各層次土壤全N含量較低，其余三次取樣中各層次土壤全N含量較高，含量最低的9月15日較含量最高的6月24日低了25.77%。觀測(cè)期內(nèi)土壤全N含量平均變異系數(shù)為0.38，屬中等變異。15 cm和30 cm深度處的變異性大于5 cm和45 cm深度處的變異性，而各次取樣間變異系數(shù)無(wú)明顯規(guī)律性變化。

觀測(cè)期內(nèi)土壤水解性N含量平均值為306.52 mg/kg(見表1)。不同深度處土壤水解性N含量差異不顯著 (p＞0.05)，且無(wú)顯著規(guī)律性變化，含量最低的45 cm處比含量最高的30 cm處僅低了10.09%。各次取樣間土壤水解性N含量差異性顯著 (p＜0.05)，5月15日和10月2日兩次取樣土壤水解性N含量較高，其余三次取樣土壤水解性N含量較低，含量最低的9月15日較含量最高的5月15日低了30.83%。觀測(cè)期內(nèi)土壤水解性N含量平均變異系數(shù)為0.40，屬中等變異。15 cm深度處的變異系數(shù)大于其它各處，5 cm、30 cm和40 cm深度處變異系數(shù)基本相等;6月24日取樣變異系數(shù)稍大于其它各次取樣，5月15日、8月8日、9月15日和10月2日取樣變異系數(shù)基本相等。

2.2 P元素

觀測(cè)期內(nèi)土壤全P含量平均值為285.63 ug/g(見表2)，低于1983該林地土壤全 P的觀測(cè)值［13］。土壤全P含量雖然在不同深度處差異性并不顯著 (p＞0.05)，但卻呈現(xiàn)隨深度增加而增加的趨勢(shì)，45 cm深度處較5 cm深度處增加了12.32%，這一變化趨勢(shì)與陳喜全［13］1983對(duì)該林地土壤全P沿深度方向變化趨勢(shì)的研究結(jié)果相同。各次取樣間土壤全P含量差異性顯著 (p＜0.05)，從5月15日第一次取樣至10月2日第五次取樣土壤全P含量呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢(shì)。8月8日取樣土壤全P含量較5月15日取樣土壤全P含量減少了35.74%。觀測(cè)期內(nèi)土壤全P含量平均變異系數(shù)為0.41，屬中等變異。從5 cm至45 cm深度方向上變異系數(shù)呈減小的變化趨勢(shì)，而各次取樣間變異系數(shù)無(wú)明顯規(guī)律性變化。

表1 落葉松林地土壤N元素統(tǒng)計(jì)值Tab.1 Statistical values of N content in Larix gmelini Rupr land mg·kg－1

表2 落葉松林地土壤P元素統(tǒng)計(jì)值Tab.2 Statistical values of P content in Larix gmelini Rupr land μg·g－1

觀測(cè)期內(nèi)土壤速效P含量平均值為3.29 ug/g(見表2)。雖然不同深度處土壤速效P含量不差異顯著 (p＞0.05)，但呈現(xiàn)隨深度增加先減小后增加的變化趨勢(shì)，5 cm深度處速效P含量最高，15 cm深度處速效P含量最低，15 cm深度處速效P含量較5cm深度處減小了29.97%。各次取樣間土壤速效P含量差異性顯著 (p＜0.05)，從5月15日第一次取樣至10月2日第五次取樣土壤速效P含量呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢(shì)，土壤速效P含量最低的8月8日較含量最高的10月2日低了28.17%。觀測(cè)期內(nèi)土壤速效P含量平均變異系數(shù)為0.49，屬中等變異。變異系數(shù)隨深度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)，15 cm處的變異系數(shù)最大，45 cm出變異系數(shù)最小，各次取樣間變異系數(shù)差異不大，且無(wú)顯著變化規(guī)律。

2.3 K元素

觀測(cè)期內(nèi)土壤全K含量平均值為740.07 mg/kg(見表3)。不同深度處土壤全K含量差異性不顯著(p＞0.05)，且未呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化趨勢(shì)，最小值 (15 cm深度處)比最大值 (5 cm深度處)僅小了5.73%。各次取樣間土壤全K含量差異性顯著 (p＜0.05)，從6月24日第一次取樣至10月2日第四次取樣土壤全K含量呈現(xiàn)出先減小后增加的變化趨勢(shì)。土壤全K含量最低的9月5日較含量最高的6月24日低了31.78%。觀測(cè)期內(nèi)土壤全K含量平均變異系數(shù)為0.17，屬中等變異。變異系數(shù)隨深度的增加呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)，各次取樣間變異系數(shù)呈增大的變化趨勢(shì)。

表3 落葉松林地土壤K元素統(tǒng)計(jì)值Tab.3 Statistical values of K content in Larix gmelini Rupr land mg·kg－1

觀測(cè)期內(nèi)土壤速效K含量平均值為70.30 mg/kg(見表3)。不同深度處土壤速效K含量差異性不顯著 (p＞0.05)，且未呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化趨勢(shì)，最小值 (15 cm深度處)比最大值 (5 cm深度處)僅小了8.22%。各次取樣間土壤速效K含量差異性雖不顯著 (p＞0.05)，但各次取樣土壤速效K含量平均值卻表現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì)，最大值 (8月8日)較最小值 (6月24日)大了13.05%。觀測(cè)期內(nèi)土壤速效K含量平均變異系數(shù)為0.17，屬中等變異。變異系數(shù)隨深度增加表現(xiàn)為先增加后減小，而在各次取樣間變異系數(shù)則表現(xiàn)為先減小后增加。

2.4 C元素

觀測(cè)期內(nèi)土壤C元素含量平均值為17.38 g/kg(見表4)，略低于1983年該林地土壤C元素的觀測(cè)值［13］。不同深度處土壤C元素差異性雖不顯著(p＞0.05)，最小值 (5 cm深度處)比最大值(15 cm深度處)僅小了7.92%，但卻表現(xiàn)出隨深度增加先增加后減小的變化趨勢(shì)，這與陳喜全［13］1983年對(duì)該林地土壤C元素的觀測(cè)值隨深度變化的趨勢(shì)恰好相反。各次取樣間C元素差異性顯著(p＜0.05)，從5月15日第一次取樣至10月2日第五次取樣土壤C元素含量呈現(xiàn)遞增的變化趨勢(shì)，10月2日取樣土壤C元素含量較5月15日取樣增加了19.06%。觀測(cè)期內(nèi)土壤C元素平均變異系數(shù)為0.19，屬中等變異。變異系數(shù)隨深度增加表現(xiàn)為先減小后增加，而各次取樣間變異系數(shù)差異不大，且無(wú)顯著變化規(guī)律。

表4 落葉松林地土壤C元素統(tǒng)計(jì)值Tab.4 Statistical values of C content in Larix gmelini Rupr land g·kg－1

2.5 pH值

觀測(cè)期內(nèi)土壤pH值平均值為5.61，低于1983年該林地土壤pH值的觀測(cè)值［13］。不同深度處土壤pH值差異性雖不顯著 (p＞0.05)，各層pH值變化很小，最小值 (5 cm深度處)比最大值 (15 cm深度處)僅小了0.89%，但卻表現(xiàn)出隨深度增加先增加后減小的變化趨勢(shì)，這與陳喜全［13］1983年對(duì)該林地土壤pH值隨深度變化的趨勢(shì)略有不同。各次取樣間土壤pH值差異性顯著 (p＜0.05)，從5月15日第一次取樣至10月2日第五次取樣土壤pH值呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢(shì)，最小值 (9月15日)較最大值 (5月15日)減小了10.56%。觀測(cè)期內(nèi)土壤pH值平均變異系數(shù)為0.04，屬弱變異。不論在深度方向上還是在各次取樣間變異系數(shù)均變化不大，且無(wú)顯著變化規(guī)律。

表5 落葉松林地土壤pH值統(tǒng)計(jì)值Tab.5 Statistical values of pH in Larix gmelini Rupr land

3 結(jié)論與討論

長(zhǎng)期栽培人工針葉純林會(huì)導(dǎo)致地力下降，影響林木生長(zhǎng)，尤其是落葉松純林［14］。陳立新等人［15］對(duì)大興安嶺地區(qū)落葉松林地不同發(fā)育階段土壤肥力的研究顯示，隨林齡的增加，除有機(jī)質(zhì)含量略有增加外，全P、速效K含量均下降，土壤酸度則增加。在有對(duì)比數(shù)據(jù)的幾個(gè)土壤營(yíng)養(yǎng)元素中，本文的研究結(jié)果，支持了上述結(jié)論，土壤全N、全P、C元素含量均較1983年的觀測(cè)值下降，而土壤酸度上升。造成這一結(jié)果的原因既與落葉松生長(zhǎng)從土壤中吸收營(yíng)養(yǎng)元素有關(guān)，也與落葉松凋落物層的分解特征和分解產(chǎn)物有關(guān)。落葉松凋落物分解 (礦化)速度慢，養(yǎng)分難以真正歸還到土壤中去，造成土壤有效養(yǎng)分庫(kù)的過(guò)度消耗［16－17］，并且，落葉松凋落物的單產(chǎn)、樹脂含量較高，而礦質(zhì)元素 (灰分)含量較低，從長(zhǎng)遠(yuǎn)觀點(diǎn)看只能使土壤向著板結(jié)、酸化和貧脊的方向發(fā)展［18］。

土壤營(yíng)養(yǎng)元素在土壤剖面垂直方向上含量的變化既與成土過(guò)程有關(guān)，也與植物生長(zhǎng)、枯落物和殘?bào)w的分解以及不同元素的特性有關(guān)，所以，即使土壤類型相同，但利用方式不同，土壤營(yíng)養(yǎng)元素在土壤剖面垂直方向上含量的變化趨勢(shì)也會(huì)明顯不同。相對(duì)于1983年該林地而言，經(jīng)過(guò)近30年的生長(zhǎng)，落葉松林已從中齡林生長(zhǎng)為成熟林，生長(zhǎng)速度降低、根系發(fā)達(dá)。此時(shí)，分解周期極短的細(xì)根分解成為影響土壤營(yíng)養(yǎng)元素變化的一個(gè)重要因素［19］。在細(xì)根分解過(guò)程中，對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P而言是個(gè)增值的過(guò)程，而對(duì)于K元素而言則是個(gè)相對(duì)減少的過(guò)程［20］，因此，盡管上述各營(yíng)養(yǎng)元素總量相對(duì)于1983年有所下降，但在土壤剖面垂直方向上含量的變化趨勢(shì)與1983年有所不同。0～40 cm的A層富含根系，45 cm處屬于AB層，根系極少見［13］，根系的這一分布特點(diǎn)決定了C元素由于積累而呈現(xiàn)隨深度增加先增加后較小的變化趨勢(shì)，并且由于落葉松細(xì)根分解產(chǎn)物的特性決定了土壤pH值也呈現(xiàn)同樣的變化趨勢(shì);全N由于根系對(duì)水解性N的吸收而呈現(xiàn)隨深度增加先減小后增加的變化趨勢(shì)，水解性N表現(xiàn)出與全N相近似的變化趨勢(shì)。K元素 (包括全K和速效K)則由于自身對(duì)植物體生長(zhǎng)時(shí)期的選擇差異而在細(xì)根分解中含量極少導(dǎo)致其含量在深度方向無(wú)明顯的增加或減小。全P含量在土壤剖面垂直方向上的變化極具特殊性，本次觀測(cè)結(jié)果與1983年的觀測(cè)具有同樣的變化趨勢(shì)，即隨深度增加全P含量呈增加的趨勢(shì)，這可能是由于磷的移動(dòng)性?。?1］，只是在淋溶作用下使全P發(fā)生沉積而使下層較上層具有高的全P含量;而由于在15～30 cm深度處土壤pH值較高，降低了磷的有效性［22］，導(dǎo)致速效P呈現(xiàn)隨深度增加先減小后增加的變化趨勢(shì)而區(qū)別于全P的變化趨勢(shì)。

除C元素外，其他各項(xiàng)土壤營(yíng)養(yǎng)元素均表現(xiàn)出生長(zhǎng)旺盛月份含量 (或值)較低，其他月份含量 (或值)較高的變化趨勢(shì)。N、P、K元素作為植物體的營(yíng)養(yǎng)元素，生長(zhǎng)初期 (6月份)在植物體內(nèi)都有較高的積累［23－24］，導(dǎo)致經(jīng)7、8月份植物速生期的波動(dòng)變化后，土壤中N、P、K元素含量降低。C元素和pH值的月份變化則與細(xì)根的分解相關(guān)，即細(xì)根分解導(dǎo)致土壤C元素的積累而使之增加;pH值在細(xì)根分解旺盛月份降低。

由于研究樣地是經(jīng)由松花江、阿什河的長(zhǎng)期侵蝕、搬運(yùn)和堆積作用下，形成的復(fù)微度分割的沖積平原和河漫灘沼澤濕地［13］，土壤和營(yíng)養(yǎng)元素的空間差異不大，在栽植落葉松純林后，由于樹種單一，對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素的空間差異影響甚微，因此，除pH值為弱變異外，其他各元素僅為中等變異，林地土壤均質(zhì)性較好。

【參 考 文 獻(xiàn)】

［1］黃紹文，金繼運(yùn)．土壤特性空間變異研究進(jìn)展［J］．土壤肥料，2002，(1)8-14

［2］馮 曉，喬 淑，胡 峰，等．土壤養(yǎng)分空間變異研究進(jìn)展［J］．湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，49(7):1738-1741

［3］Li X，Chen Z，Chen H，et al．Spatial distribution of soil nutrients and their response to land use in eroded area of south China［J］．Procedia Environmental Sciences，2011，10:14-19

［4］Wei Y，Bai Y，Jin J，et al．Spatial variability of soil chemical properties in the reclaiming marine foreland to yellow sea of China［J］．Agricultural Sciences in China，2009，8(9):1103-1111．

［5］于 洋，劉吉平，徐艷艷．東北典型黑土區(qū)土壤養(yǎng)分空間分異影響因素分析［J］．水土保持研究，2009，16(5):66-69．

［6］李雙異，劉慧嶼，張旭東，等．東北黑土地區(qū)主要土壤肥力質(zhì)量指標(biāo)的空間變異性［J］．土壤通報(bào)，2006，37(2):221-227．

［7］Huang B，Sun W，Zhao Y，et al．Temporal and spatial variability of soil organic matter and total nitrogen in an agricultural ecosystem as affected by farming practices［J］．Geoderma，2007，139(34):336-345．

［8］Yang Z，Zhang Q，Wang Y，et al．Spatial and temporal variability of soil properties under caragana microphylla shrubs in the northwestern Shanxi loess plateau［J］．China Journal of Arid Environments，2011，75(6):538-544．

［9］Prasolovaa N V，Xu Z，Saffigna P G，et al．Spatial-temporal variability of soil moisture，nitrogen availability indices and other chemical properties in hoop pine(Araucaria cunninghamii)plantations of subtropical Australia［J］．Forest Ecology and Management，2000，136(1-3):1-10．

［10］Cui B，Zhao H，Li X，et al．Temporal and spatial distributions of soil nutrients in Hani terraced paddy fields，southwestern China［J］．Procedia Environmental Sciences，2010，2:1032-1042．

［11］汪景寬，李雙異，張旭東，等．20年來(lái)東北典型黑土地區(qū)土壤肥力質(zhì)量變化［J］．中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2007，15(1):19 －24．

［12］劉淑娟，張 偉，王克林，等．桂西北喀斯特峰叢洼地土壤物理性質(zhì)的時(shí)空分異及成因［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，21(9):2249－2256．

［13］陳喜全．關(guān)于哈爾濱林場(chǎng)土壤發(fā)生分類的探討［J］．東北林學(xué)院學(xué)報(bào)，1983，11(3):12 －18．

［14］王慶成，王春麗，張國(guó)珍．落葉松純林與水曲柳落葉松混交林土壤理化性質(zhì)分析．東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)［J］．1994，22(6):24 －29．

［15］陳立新，肖 洋．大興安嶺林區(qū)落葉松林地不同發(fā)育階段土壤肥力演變與評(píng)價(jià)［J］．中國(guó)水土保持科學(xué)，2006，4(5):50 －55．

［16］王秀石．落葉松人工林上壤因子變化規(guī)律的研究［J］．吉林林業(yè)科技，1982，(4):1 －11．

［17］崔國(guó)發(fā)．人工林地力衰退機(jī)理及其防止對(duì)策［J］．世界林業(yè)研究，1996(5):61－69．

［18］陳喜全，郭秋慧，王政權(quán)．落葉松純林與落葉松胡桃楸混交林下土壤理化性質(zhì)的研究［J］．東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1991(19):258－274．

［19］張秀娟，吳 楚，梅 莉，等．水曲柳和落葉松人工林根系分解與養(yǎng)分釋放［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，17(8):1370－1376 ．

［20］刑存旺，張艷華．胡桃秋與落葉松人工混交林土壤化學(xué)性質(zhì)的研究［J］．東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，23(5):64－71 ．

［21］林大儀．土壤學(xué)［M］．北京:中國(guó)林業(yè)出版社，2002．

［22］張宏芝，朱清科，趙磊磊，等．陜北黃土坡面微地形土壤化學(xué)性質(zhì)［J］．中國(guó)水土保持科學(xué)，2011，9(5):20－25 ．

［23］李俊清，宮偉光．東北主要造林樹種的營(yíng)養(yǎng)元素含量特征分析［J］．植物生態(tài)學(xué)與地植物學(xué)學(xué)報(bào)，1991，15(4):380 －385．

［24］單莉莉，鄭 紅，張 健，等．CO2濃度與N素形態(tài)對(duì)白樺幼苗－N 代謝的影響［J］．森林工程，2011，27(5):20－21．