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[作者简介 ] 孙平(1986-),女 , 山东泰安市人 , 硕士研究生 , 主
要从事遥感与地理信息系统应用研究。
[收稿日期 ] 2010-08-01
(责任编辑　李杨杨)
蒋家沟新银合欢人工林土壤养分
分布及其与细根的关系
郭灵辉 1, 2, 3 ,王道杰 1, 2 ,张云红1 , 4 ,陈　东 1, 2, 3
(1.中国科学院 山地灾害与地表过程重点实验室 ,四川 成都 610041;
2.中国科学院 /水利部 成都山地灾害与环境研究所 ,四川 成都 610041;
3.中国科学院 研究生院 ,北京 100049;4.山东师范大学 人口资源与环境学院 ,山东 济南 250014)
[关键词 ] 新银合欢;土壤养分;细根;蒋家沟;东川
[摘　要 ] 采用分层挖掘法对东川蒋家沟新银合欢人工林土壤养分分布特征及其与细根的关系进行了研究 , 结果表明:
除全钾外 , 土壤表层养分含量相对优越 , 集聚现象明显 ,随土层深度的增加土壤养分含量降低且趋于贫瘠;3年生新银合
欢林土壤养分表聚程度 、土壤养分状况明显优于 20年生 , 20年生与 9年生基本一致;新银合欢细根主要集中于 0— 100
cm土层 , 0— 20 cm土层富集明显 , 且在垂直剖面上呈对数函数递减。回归分析显示 , 土壤养分(碱解氮 、速效磷 、有机质 、
速效钾和全氮)与细根质量间存在极显著的线性关系 ,其中速效磷同细根质量关系更为密切 , 在一定程度上决定着新银
合欢细根根系的空间分布。
[中图分类号 ] S157　　[文献标识码 ] A　　[文章编号 ] 1000-0941(2010)12-0046-04
　　土壤养分是森林生态系统的重要组成部分 , 参与森林生态
系统的物质循环和能量流动 , 其含量直接影响林木的生长状
况。在不同的土壤环境下 , 植物生长状况不同 , 群落具体的演
替方向和速率具有明显差异 [ 1] 。改良土壤条件可以改善植物
的萌发 、生根条件 ,并启动生态系统的演替过程 [ 2] 。因此 ,了解
人工林恢复过程中的土壤养分时空分布规律 , 对生态环境恢复
与建设意义重大。
土壤中的物质和能量被植物获取和利用是通过根系来实
现的。细根(D≤2 mm)是根系重要的组成部分 ,是植物吸收水
分和养分的主要器官 [ 3] 。 细根的分布特征不仅受制于林木本
身的遗传特性 , 还受制于所处的土壤环境 [ 4] , 同时也影响着土
壤环境。新银合欢(Leucaenaleucocephala)是一种常绿小乔木 ,
生长快 , 萌生力强 ,根系发达且具有固氮能力 , 蒋家沟的造林实
践证明其具有广泛的适应性和很强的抗逆性 , 是营造水土保持
林 、改善干旱贫瘠山坡的先锋树种。目前 , 对新银合欢林土壤
特性及其与细根关系的研究尚未见有报道 , 本文对昆明市东川
区蒋家沟新银合欢林地土壤养分特征及其与细根的关系进行
研究 ,以期为新银合欢人工林人工调控管理 、根土相互作用机
理研究提供科学依据。
1　研究区概况
研究区位于中国科学院东川泥石流观测站所在的蒋家沟
流域(103°06′— 103°13′E, 26°13′— 26°17′N), 属于中山地貌。
区内多年平均气温 20.2℃, 极端最高气温 40.9 ℃,极端最低气
温 -6.2 ℃,年活动积温 7 177 ℃, 年日照时数 2 292.4 h, 年太
阳辐射总量 138.8 kJ/cm2 ,干湿季分明 , 88%的降雨集中在湿季
(8— 10月),年均降雨量 691.3 mm, 年均蒸发量 3 752.17 mm,
蒸发量是降雨量的 5倍多 , 相对湿度 54%, 属于半干旱气候
·46· 中国水土保持 SWCC　2010年第 12期
区 [ 5] 。由于老构造错综复杂 , 新构造活动强烈 , 再加上人类不
合理利用 , 使该流域泥石流广为发育。为有效防治泥石流 , 改
善区域生态环境 , 1988年在该流域荒坡上大量种植新银合欢人
工林 , 种植后封育禁伐。目前整个群落以新银合欢为主 , 并伴
随有少量赤桉(Eucalyptuscamaldulensis)、马桑(Coriarianepalen-
sis)等。
2　研究方法
标准木选取。 2008年 7— 9月进行样地调查 , 在中国科学
院东川泥石流观测站附近新银合欢人工林区设置 20 m×20 m
的调查样地一块 , 坡向向北 ,充分调查样地内新银合欢的胸径 、
树高 、冠幅和枝下高并编号。由于新银合欢人工林生境条件比
较相似 , 经统计分析 ,样地内所调查的 22株样木胸径和树龄具
有很强的相关性(y=2.11x+0.49, R2 =0.97, p<0.05), 故以平
均胸径作为地上标准木选择的依据 ,同时结合株距和林区的扰动
情况 ,最终确定 3年生 、9年生和 20年生 3个龄级标准木各 1株。
根系获取与测定 。用事先设计好的取样器(10 cm×10 cm
×10 cm),在距标准木树干 1.0 m处开挖宽 100 cm、深 160 cm
的土壤剖面 , 自上而下分层取样 , 每层 20 cm,共 8层 , 将获取根
样依次编号并带回实验室。 将每组根样分别倒入桶中 , 加满
水 , 并搅拌均匀 , 过 0.25 mm筛子 , 每组重复 3次 ,尽可能收集
所有根系。用游标卡尺按 D≤2 mm、2 mm5
mm分级 , 把 D≤2 mm的根系归为细根 [ 6] ,并称鲜根质量。
土样获取与养分测定。在开挖剖面获取根样的同时 , 用 10
cm×10cm×10 cm的取样器获取土样 , 每次两个重复 , 然后带
回实验室混合测定。土壤有机质用重铬酸钾氧化 -外加热法
测定 , 全氮含量用半微量开氏法测定 , 碱解氮含量用扩散吸收
法测定 , 全磷含量用氢氧化钠碱熔 -钼锑抗比色法测定 , 速效
磷含量用碳酸氢钠浸提法测定 ,全钾含量用氢氧化钠碱熔 -火
焰光度法测定 , 速效钾含量用 1 mol/L乙酸铵浸提 -火焰光度
法测定。
土壤养分表聚系数。 土壤养分表聚现象可以用表聚系数
来表示 [ 7] , 以 0— 160cm土层养分总含量为参照 , 若 0— 20 cm
土层中某种养分含量与该种养分总含量之比大于该种养分平
均含量与该养分总含量之比 ,则说明该种土壤养分具有表聚现
象 , 数值越大则表聚现象越明显。公式如下:
Ci=N20i/N160i (1)
式中:Ci为第 i种土壤养分表聚系数;N20i表示 0— 20 cm土层中
第 i种土壤养分含量;N160i表示 0— 160cm土层中第 i种土壤养
分含量。
3　结果与分析
3.1　新银合欢林土壤养分时空分布特征
3.1.1　新银合欢林土壤养分表聚特征
表 1为新银合欢林土壤养分表聚系数。表 1显示 , 除全钾
外 ,新银合欢林土壤养分表聚现象明显。在自然生态系统中 ,
表土枯枝落叶和细根的周转是有机质输入的主要途径 , 由于表
土中有机质输入量大 , 土壤有机质含量一般随深度增加而降
低 [ 8] 。土壤有机质中含有丰富的 、植物生长所必需的大量元素
和微量元素 ,碱解氮 、速效磷和速效钾的发展趋势可能与有机
质的积累分解有关。土壤全钾表聚现象不明显 、各土层分布较
均匀 ,这可能与土壤母质有关。王道杰等 [ 9]研究认为本区全钾
含量丰富主要是由土壤中含钾丰富的黏土矿物所致。
表 1　新银合欢林土壤养分表聚系数
林龄(a)
土壤养分表聚系数
有机质 全氮 碱解氮 全磷 速效磷 全钾 速效钾 平均
3 0.24 0.20 0.32 0.15 0.23 0.13 0.27 0.22
9 0.17 0.14 0.18 0.16 0.14 0.12 0.21 0.16
20 0.19 0.17 0.20 0.15 0.14 0.12 0.24 0.17
平均 0.20 0.17 0.23 0.15 0.17 0.12 0.24 0.18
　　新银合欢林土壤养分表聚现象明显 , 但是养分类型不同表
聚程度不同 ,表现为速效钾 >碱解氮 >有机质 >速效磷≥全氮
>全磷 ,表聚系数分别为 0.24、 0.23、0.20、0.17、 0.17和 0.15。
不同养分表聚程度不同 , 可能与有机质中矿物养分含量不同有
关。张世聪等 [ 10]研究表明 , 凋落物中不同矿质养分含量差别明
显。陈灵芝等 [ 11]研究认为 , 植物营养元素含量因植物种的不同
而异 ,同一种植物不同器官营养元素含量也有差异 , 此外植物
年龄 、生境的差异也会导致营养元素的变化。当然 , 这也可能
与根系对不同养分的活化能力大小有关 [ 12] 。
土壤养分表聚程度随林龄变化也有变动 , 表现为 3年生的
高于 20年生的 , 20年生的与 9年生的差别不大 , 其表聚系数分
别为 0.22、0.17和 0.16。不同林龄土壤养分表聚程度差异可
能与有机质积累量有关(表 1), 同时也可能与不同生命期资源
利用策略有关 ,这还需进一步研究。
3.1.2　新银合欢林土壤养分垂直分布特征
新银合欢林土壤养分垂直分布见表 2。由表 2可知 , 除全
表 2　新银合欢林土壤养分垂直分布
土层(cm) 有机质(g/kg) 全氮(g/kg) 碱解氮(mg/kg) 全磷(g/kg) 速效磷(mg/kg) 全钾(g/kg) 速效钾(mg/kg)
0— 20 30.13 1.90 93.35 0.71 6.77 33.74 136.70
20— 40 19.52 1.41 54.14 0.58 4.43 34.05 78.89
40— 60 16.75 1.35 43.04 0.52 3.95 32.81 68.73
60— 80 15.57 1.26 37.36 0.54 4.21 33.32 60.33
80— 100 19.02 1.40 49.65 0.55 4.15 33.95 53.84
100— 120 16.83 1.28 37.87 0.55 4.58 33.20 51.75
120— 140 15.95 1.20 36.50 0.55 5.69 34.72 52.92
140— 160 15.98 1.25 40.11 0.56 5.27 35.47 53.96
　注:养分含量为该层 3个林龄相应养分含量的平均值。
·47·郭灵辉等:蒋家沟新银合欢人工林土壤养分分布及其与细根的关系
钾外 , 各类土壤养分在 0— 80 cm土层中随深度增加呈下降趋
势。其中 , 有机质 、碱解氮 、速效磷和速效钾等易被植物吸收的
养分表层含量较高 , 0— 20 cm土层中含量分别为 30.13 g/kg、
93.35mg/kg、 6.77mg/kg和 136.70 mg/kg,向下骤然减少 , 60—
80 cm土层中仅为 15.57 g/kg、 37.36 mg/kg、 4.21 mg/kg和
60.33 mg/kg, 分别减少了 48%、60%、 38%和 56%;其他养分含
量减少不多。土壤养分的垂直分布主要受风化淋溶 、大气沉降
和生物循环的影响。淋溶作用使养分向下迁移;生物循环使土
壤养分通过植物吸收转移到地上部分 , 再通过枯枝落叶的矿化
分解归还给地表 , 因此生物循环总体上是养分上移的过程 , 这
可能是造成新银合欢林土壤养分垂直变化的重要原因。 80—
100cm土层养分含量明显升高 , 这可能是本区新银合欢种植以
前修路开挖土石堆积覆盖原地表土体所致 , 100— 160 cm土层
养分变化规律不明显 。
3.1.3　不同龄级间新银合欢林土壤养分变化特征
新银合欢林不同龄级间土壤养分变化见表 3。由表 3可
见 , 随林龄的增长土壤有机质 、碱解氮 、速效磷和速效钾呈先减
小后增大的趋势。其中 , 从 3年生至 9年生土壤养分减少较快 ,
减少幅度分别为 9%、23%、23%和 28%;从 9年生至 20年生土
壤养分增加缓慢 , 增加幅度不超过 17%。土壤有机质是土壤的
重要组成部分 , 是衡量土壤肥力的重要指标 , 土壤有机质的变
化在一定程度上反映了土地肥力的变化。吴蔚东等 [ 13]对 1—
28龄杉木林的土壤养分研究表明 , 从造林到幼龄期(5 ～ 8 a),
土壤质量大幅度退化 , 之后随着树龄的增加 , 土壤质量开始缓
慢恢复。侯琳等 [ 14]研究认为 ,封育初期 , 林木个体增大 ,密度增
加 , 林地内的物种丰富度增加 , 物种对地力的消耗大 , 枯枝落叶
归还少 , 有机质随林龄增加而减少 , 经过一段时间的封育 ,群落
物种变化不大 , 增加的多为小植株 , 地力消耗少 , 枯枝落叶归还
量大 , 有机质含量增加。这可能是本区有机质随林龄变化的重
要原因。土壤中碱解氮 、速效磷和速效钾的变化可能与有机质
含量有关。
然而 , 随着林龄的增长 , 土壤中全氮 、全磷含量不断减少 ,
全钾含量不断增加(表 3)。土壤中的氮素绝大多数是储存在有
机质中的有机态氮 , 但是氮素的消长不仅取决于有机质总量 ,
还与土壤微生物 、pH值等有关。本区土壤 pH值为 8.44 ～ 8.
52,属于碱性 , 土壤硝化作用可以顺利进行 [ 14] ,微生物能分解产
生更多的有效态氮供给植物吸收 ,这可能与本区全氮含量减少
有关。同时 , 碱性环境矿物磷处于难容状态 , 有机磷则是植物
磷素吸收的主要来源 , 植物磷素吸收大于有机质分解供给 , 从
而导致全磷含量减少 [ 15] 。全钾含量增加说明钾元素的积累大
于植物消耗。
表 3　新银合欢林不同龄级间土壤养分变化
林龄(a) pH值有机质(g/kg)全氮(g/kg)碱解氮(mg/kg) 全磷(g/kg) 速效磷(mg/kg)全钾(g/kg)速效钾(mg/kg)
3 8.49 19.72 1.46 55.16 0.61 5.60 32.23 85.25
9 8.52 17.97 1.35 42.30 0.57 4.33 33.47 61.57
20 8.44 18.47 1.34 49.56 0.53 4.71 35.03 62.10
　注:养分含量为全剖面相应养分含量的平均值。
3.2　新银合欢细根质量垂直分布特征
新银合欢细根质量垂直剖面分布特征见图 1。从图 1中可
知 , 3年生 、9年生 、 20年生新银合欢细根根系主要集中在 0—
100 cm土层 , 分别占细根总质量的 86%、 81%和 83%。其中 ,
0— 20 cm土层中细根分布最多 , 分别为其总质量的 46%、33%
和 29%,细根根系 “表聚现象”明显。 司建华等 [ 16]对旱区胡杨
林研究发现 , 胡杨细根主要集中分布在 0— 80 cm土层 , 其中
0— 20 cm土层中根系比重最大 ,这与我们的研究结果相似。
图 1　不同龄级新银合欢细根质量垂直分布
进一步分析表明 , 随土层深度的增加细根质量呈减少趋
势。 20— 40 cm土层急剧减少 ,减少幅度分别为其含量的 78%、
41%和 67%;40— 160 cm土层缓慢波动 , 尤其是在土壤养分较
高的土层(80— 100 cm), 根系明显增加。通过回归拟合 , 细根
质量垂直分布基本上呈对数型递减 , 表达式为
Y=a+blnx (2)
式中:Y为细根质量 , g;x为土层深度 , cm;a与 b为回归参数。
相关分析表明 , 3年生 、9年生 、20年生的决定系数分别为 0.75、
0.76和 0.61, p值分别为 0.006、 0.005和 0.022。
在 0— 160 cm土层中 , 随林龄的增加细根质量呈先减小后
增大趋势 , 3年生 、 9年生 、 20年生新银合欢细根质量分别为
29.92、16.23和 19.24g,这可能与土壤养分分布状况(表 3)有
关。
3.3　细根质量与土壤养分的相关分析
土壤养分是植物根系生长的重要资源 , 其含量影响植物根
系的分布与形态 , Sainju等 [ 17]对松林根系研究发现 , 根系丰富
度和密度与土壤中有机质 、全氮 、可溶性磷等元素呈正相关。
根系在土壤中穿插 、根系分解尤其是细根的周转可以改善土壤
理化性质 ,提高土壤肥力;李凌浩等 [ 18]对武夷山甜槠林细根生
物量和生长量的研究表明 , 林木细根周转迅速 ,年分解量大 ,细
根死亡分解是养分向土壤输送的主要途径。
细根主要分布在 0— 100 cm土层中 , 基于此我们对 0— 100
cm剖面细根质量与土壤养分进行了线性拟合(表 4), 发现土壤
养分与细根质量具有较好的线性相关关系(Y=a+bx, 式中:Y
为土壤养分;x为细根质量;a、b为参数), 其中:土壤碱解氮 、速
效磷 、有机质 、全氮和速效钾的含量与细根质量存在极显著的
线性关系 ,决定系数分别为 0.89、0.89、0.88、0.88和 0.81;全磷
表 4　细根质量与土壤养分相关性分析
土壤养分 回归方程 决定系数 R2 p值
有机质 Y=12.885+2.104x 0.88 <0.01
全氮 Y=1.132+0.096x 0.88 <0.01
碱解氮 Y=24.178+9.017x 0.89 <0.01
全磷 Y=0.500+0.023x 0.55 <0.05
速效磷 Y=2.773+0.555x 0.89 <0.01
全钾 Y=32.956+0.178x 0.06 >0.05
速效钾 Y=37.005+12.287x 0.81 <0.01
·48· 中国水土保持 SWCC　2010年第 12期
与细根质量线性相关也达到了显著水平 , 但相关程度较低 , 决
定系数为 0.55;全钾与细根质量线性关系不明显 , 决定系数仅
为 0.06。这也进一步说明全钾主要受当地成土母质的影响 , 而
与植物枯枝落叶和根系分布关系不大。
将细根质量同土壤养分进一步进行多元逐步线性回归分
析 , 发现全钾和碱解氮含量同细根质量偏相关关系不显著 , 而
有机质 、全氮 、全磷和速效钾含量同细根质量偏相关系数达显
著水平(p值分别为 0.014、0.039、0.023和 0.021),速效磷与细
根关系更为密切(p值为 0.008)。这说明新银合欢细根根系的
生长分布虽受各种养分的共同影响 , 但与细根关系最为密切的
是速效磷含量。
4　小　结
通过对不同林龄新银合欢人工林土壤养分分布及其与根
系关系进行分析研究发现:新银合欢林土壤表层养分含量相对
较大 , 集聚现象明显 , 随土层深度的增加土壤养分含量减少且
趋于贫瘠(全钾除外);不同龄级之间 , 3年生新银合欢林土壤养
分表聚程度 、土壤养分含量明显高于 20年生 , 20年生与 9年生
基本一致。林下土壤条件影响着新银合欢的生命活动 , 而新银
合欢的生命活动也作用于土壤环境。本研究探讨了新银合欢
人工林土壤养分的时空特征 , 可为该区人工林合理配置树种 、
适当增施肥料等管理工作提供有益的借鉴。
树木根系是构成树木个体及森林生态系统的重要部分 , 根
系的空间分布特征决定了树木与土壤环境之间的作用空间 , 它
的分布特征及其与土壤环境之间的复杂关系对树木地上部分
的生长有着重要的影响。新银合欢细根根系主要集中在 0—
100cm土层 , 其中 0— 20 cm土层细根富集明显 ,随土层深度的
增加细根质量总体上呈对数型函数递减。回归分析显示土壤
养分(碱解氮 、速效磷 、有机质 、速效钾和全氮)与细根质量具有
较好的线性相关关系 ,尤其是速效磷同细根质量偏相关系数达
极显著水平 , 在一定程度上决定着新银合欢细根根系的空间分
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[作者简介 ] 郭灵辉(1983-), 男 ,河南洛阳市人 , 硕士研究生 ,
主要从事植物生态学方面的研究;责任作者王道
杰(1968-),男 , 四川成都市人 , 副研究员 , 主要从
事水土保持及生态修复等研究工作。
[收稿日期 ] 2010-07-12
(责任编辑　徐素霞)
·49·郭灵辉等:蒋家沟新银合欢人工林土壤养分分布及其与细根的关系