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土壤是森林生态系统的重要组成成分[1],也是维持林木健康生长的必要基质,其养分含量大小直接影响林木生长速度和质量[2]。在林地中由于养分输入、输出以及林木自身养分循环而表现出明显的垂直分布特征,且因养分类型不同具有显著差异[3],这种异质性影响整个生物学和生态学过程[4]。有关垂直方向养分的研究一般将土层划分为0~20、20~40、40~60和60~100 cm等4个层次[5],表土层作为整个土体的最上面,养分含量大小对林木生长和评价土壤肥力状况更有代表性,忽略对表土层更细致的研究,不利于精准地描述土壤养分垂直分布格局。栽植密度是营林措施中一项重要且容易操作的措施,密度大小不仅影响林分结构[6]、树冠大小[7]及各器官养分含量[8],进而影响林木对土壤养分的吸收[9];还会影响凋落物生物量及分解速率[10],最终对土壤养分状况产生深刻影响。很多学者对栽植密度与土壤养分含量之间的关系开展了研究[11-12]。有研究表明:马尾松Pinus massoniana林地土壤养分含量随密度增大而降低[13]。不同学者研究结论不尽相同,可能是由于研究对象、栽植密度及林龄不同所造成的。预计到2050年,人工林将提供75%的工业木材,其中50%由速生丰产林提供[14-15]。杨树Populus在中国的栽植面积已达850万hm2[16]。毛白杨Populus tomentosa适应性较强,具有扩大引栽栽培范围的潜力[17],S86品种相对于其他品种有较高的木材量[18]。目前,关于栽植密度对毛白杨S86的影响大多数为地上部分的研究[19]。人工林具有速生、短轮伐期、长期单一化栽植等特点,地力容易出现单一化问题[9]。为此,本研究以10年生毛白杨S86为研究对象,比较3种栽植密度林地土壤6个土层(0~5,5~10,10~20,20~40,40~60和60~100 cm)的养分情况,阐明在不同栽植密度下毛白杨土壤养分的差异情况,为人工林林地土壤的管理及施肥提供有效指导。
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试验地位于河北省威县苗圃场。该地属于华北平原中部,地势平坦,海拔30~50 m。年均气温为13.0 ℃,最低气温在1月,为-2.5 ℃,最高气温在7月,为27.0 ℃。气候为暖温带大陆性半干旱季风气候,全年日照总时数为2 574.8 h,无霜期198.0 d,平均降水量为497.7 mm,降水主要集中在7-8月。
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选择三倍体毛白杨无性系S86为试验材料,于2007年4月挑选长势大致相同的2年生毛白杨无性系幼苗(平均胸径为6.1 cm,树高为5.8 m)进行造林,栽植毛白杨时林地土壤养分概况为:有机质8.60 g·kg-1,全氮0.58 g·kg-1,碱解氮87.8 mg·kg-1,有效磷8.1 mg·kg-1,速效钾90.0 mg·kg-1,总孔隙度46.7%,田间持水量为26%。采用单因素完全随机设计。栽植密度3个水平(行距×株距),分别为2 m × 2 m(T1)、4 m × 3 m(T2)、4 m × 5 m(T3)。T1每行11株,T2每行7株,T3每行4株,分别为2行,3次重复共9个小区。小区以南北走向为长,东西走向为宽,保护行的栽植密度为4 m × 3 m,设置2行。表 1为2016年3种栽植密度下毛白杨生长状况统计。
栽植密度(行距×株距) 树高/m 胸径/cm 蓄积量/(m3.hm-2) 凋落物量/(3hm-2) T1(2 m × 2 m) 14.60 ± 0.25 c 12.10 ± 0.31 b 157.97 ± 7.78 a 0.69 ± 0.14 b T2(4 m × 3 m) 18.08 ± 0.12 b 13.80 ± 0.24 a 86.80 ± 12.65 b 0.74 ± 0.18 a T3(4 m × 5 m) 21.04 ± 0.35 a 13.90 ± 0.13 a 64.75 ± 11.82 c 0.79 ± 0.04 a 说明:同列不同小写字母表示不同栽植密度毛白杨生长状况差异显著(P<0.05) Table 1. Growth status of P. tomentosa S86 under three different planting densities
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2016年11月中旬收集土样,随机选取试验小区中央位置的5株树木,在其东侧80 cm处定点取样。先剥开凋落物,用土钻分别取(0~5、5~10、10~20、20~40、40~60和60~100 cm)6个土层土壤样品,将每个小区5个取样点土层的40~60和60~100 cm的2个土层的5个土样分别混为1个样品,土层0~5、5~10、10~20和20~40 cm土样不混合。
另采集3种栽植密度的凋落物,具体方法为每个小区取5个面积为60 cm × 60 cm凋落物样点,烘干称量得凋落物质量(表 1)。样品经室内风干、研磨、过筛后测定土壤养分。有机质采用重铬酸钾外加热法,碱解氮采用扩散法,有效磷采用钼锑抗比色法,速效钾采用火焰光度计法测定[20]。
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采用Excel 2010计算和整理数据并进行图表绘制。数据间的方差分析(one-way ANOVA)、多重比较(Ducan检验法)采用SPSS 20.0进行分析。
1.1. 试验地概况
1.2. 试验设计
1.3. 样品采集与分析
1.4. 数据处理
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10年生毛白杨S86林地土层养分所占比例随土层深度增加而减少,从土层0~20 cm占整个土层的69%~79%减少到60~100 cm土层仅占4%~7%(图 1)。养分所占比例在0~5、5~10和10~20 cm有一定的区别,特别是碱解氮在3个土层间有明显差异,0~5 cm土层所占比例高达41%~45%。
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3种栽植密度的毛白杨S86林地土壤有机质质量分数分别为1.72~8.57 g·kg-1(T1)、5.20~15.44 g·kg-1(T2)、4.58~14.86 g·kg-1(T3),且随土层深度的增加而减少(图 2)。0~5,5~10和10~20 cm有机质质量分数随土层变化较为缓慢,20~40,40~60和60~100 cm随土层增加下降较明显。方差分析显示:土层深度对有机质质量分数有显著影响(P < 0.05),0~5和5~10 cm土层有机质质量分数差异不显著,但均显著高于其他土层,10~20、20~40和60~100 cm之间有机质质量分数差异显著(P < 0.05)。有机质质量分数随栽植密度和土层变化而变化。0~5、20~40、40~60和60~100 cm土层,有机质质量分数从大到小依次为T2、T3、T1,0~5 cm土层,T2和T3有机质质量分数分别较T1增加80.16%和73.40%;5~10和10~20 cm土层,有机质质量分数从大到小依次为T3、T2、T1(图 2)。总的来说,T1有机质质量分数显著低于T2和T3。
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毛白杨S86林地碱解氮质量分数为6.8~142.7 mg·kg-1(图 3),随土层深度的增加而减少。土层对碱解氮质量分数影响显著(P < 0.05),各土层之间(除60~100 cm)差异显著(P < 0.05)。3种栽植密度下碱解氮质量分数在0~5、10~20、20~40、40~60和60~100 cm土层从大到小依次为T2、T3、T1(图 3);碱解氮质量分数在5~10 cm土层从大到小依次为T3、T2、T1。随土层深度增加,不同栽植密度间碱解氮质量分数差异越来越小,可能由于冬季淋溶作用较弱的原因所导致。
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3种栽植密度的毛白杨S86林地土壤有效磷质量分数分别为1.3~6.1 mg·kg-1(T1)、1.5~12.4 mg·kg-1(T2)和2.5~11.7 mg·kg-1(T3),随土层深度增加,有效磷质量分数呈下降趋势(图 4),从0~5 cm土层占整个土层的31%~37%减少到60~100 cm土层仅占4%~8%(图 1)。栽植密度对有效磷质量分数影响显著(P < 0.05)。0~5 cm土层有效磷质量分数大小依次为:T2(12.4 mg·kg-1)、T3(11.7 mg·kg-1)、T1(6.1 mg·kg-1),T1显著低于T2和T3。有效磷质量分数在土层5~10、10~20和20~40 cm表现为3条有差异的曲线(图 4)。多重比较结果表明:T2显著高于T1和T3,T1和T3差异不显著;40~100 cm土层T3显著高于T1和T2(P < 0.05)。
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速效钾质量分数随土层增加呈下降趋势(图 5)。5~10 cm土层速效钾质量分数显著高于10~20 cm(P < 0.05),与0~5 cm土层差异不显著,20~40、40~60和60~100 cm土层间速效钾质量分数差异不显著。T2的土壤速效钾质量分数最高,为60.3~278.1 mg·kg-1。T1速效钾质量分数小于T2和T3(图 5)。方差分析表明:栽植密度对土壤速效钾质量分数无显著影响(P>0.05)。
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10 a后毛白杨S86林地土壤养分质量分数发生变化,碱解氮和有效磷降低,栽植密度越大降低的程度越明显,特别是碱解氮,在T1处理下降低了60%(表 2)。表明随林龄增加,毛白杨从土壤中吸收越来越多的氮素来供地上部分生长,从而导致土壤氮库储量和供氮能力的下降。
年份 处 w有机质/(g.kg-1) w碱解氮/(mg.kg-1) w有效磷/(mg.kg-1) w速效钾/(mg.kg-1) 2016 T1 5.5 ± 0.1 c 34.8 ± 0.1c 3.3 ± 0.1 c 113.0 ± 0.1a T2 9.2 ± 0.1 a 53.3 ± 0.1b 6.6 ± 0.1 b 157.0 ± 0.2 a T3 10.0 ± 0.1 a 45.9 ± 0.1 b 5.2 ± 0.1 c 150.0 ± 0.2 a 2007 8.6 ± 0.1b 87.8 ± 0.1 a 8.1 ± 0.1 a 90.0 ± 0.2 b 说明:数据为平均值±标准差,同列不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Table 2. Soil nutrient (mean) content in P. tomentosa S86 stand before and after 10 years
速效钾质量分数增加,增加的幅度和栽植密度相关,T2增加幅度最大;有机质质量分数在T1处理下降低了3.12 g·kg-1,在T2和T3处理下分别增加了0.64和1.39 g·kg-1。