模擬水淹-干旱脅迫對水杉幼樹實(shí)生土壤營養(yǎng)元素含量的影響

馬 朋, 李昌曉, 任慶水, 楊予靜, 馬 駿

西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715

模擬水淹-干旱脅迫對水杉幼樹實(shí)生土壤營養(yǎng)元素含量的影響

馬 朋, 李昌曉*, 任慶水, 楊予靜, 馬 駿

西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715

模擬三峽庫區(qū)消落帶水位變化情況，對2年生水杉幼樹實(shí)生土壤pH值和主要營養(yǎng)元素含量進(jìn)行研究。試驗(yàn)共設(shè)置3個(gè)處理階段，階段1為淹水處理階段，包括常規(guī)供水組(C)，半淹組(H)和全淹組(F)；階段2為干旱處理階段，包括常規(guī)供水(C)，半淹(H)，全淹(F)，常規(guī)供水-輕度干旱(CD)，半淹-輕度干旱(HD)和全淹-輕度干旱(FD)6種不同水分處理組；階段3時(shí)將所有處理組恢復(fù)到正常供水處理，每種水分處理均設(shè)置水杉幼樹實(shí)生土壤與無植物空白對照土壤。測試的指標(biāo)包括pH值，有機(jī)質(zhì)(OM)、堿解氮(AN)、有效磷(AP)、速效鉀(AK)、全氮(TN)、全磷(TP)和全鉀(TK)含量。研究結(jié)果表明，階段1結(jié)束時(shí)，C組和H組水杉幼樹盆栽土壤的氮素及TP含量較無植物組顯著下降，H組的AP含量及F組的氮素和TP含量顯著升高；與正常供水組(C組)相比，淹水處理增高了水杉幼樹盆栽土壤的pH值和OM含量，降低了其AP含量，而F組水杉土壤的TN、TP和AN含量分別較C組顯著升高17.1%，16.9%和34.2%。階段2結(jié)束時(shí)，前期水淹增加了水杉幼樹實(shí)生土壤pH值、OM、AN和AP含量后期對干旱的敏感性；與無植物組相比，水杉幼樹的栽植增加了除C組外的其他水分處理組土壤的OM含量；在水杉盆栽土壤中，與C組相比，H和F組的pH值分別升高2.6%和3.8%，OM含量卻未出現(xiàn)顯著差異。經(jīng)過21 d的正常供水處理，H、HD組水杉土壤的pH值較無植物組土壤顯著下降，所有水淹組土壤的OM含量則顯著升高，與此同時(shí)，C組、CD組的TN和CD組的TP含量顯著升高；各淹水處理組的水杉土壤在恢復(fù)生長后，其pH值及多項(xiàng)營養(yǎng)元素含量均已恢復(fù)至C組水平，HD和FD組水杉土壤的所有化學(xué)性質(zhì)亦恢復(fù)至CD組水平。在對水杉幼樹盆栽土壤化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)分析中發(fā)現(xiàn)，OM、TN、TP和AN含量兩兩之間存在極顯著的正相關(guān)，pH值與OM、TN、TP、TN含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。研究證實(shí)，在三峽庫區(qū)消落帶適度營造水杉對于恢復(fù)庫區(qū)植被、改良土壤肥力狀況具有積極作用，但是在水庫退水期時(shí)應(yīng)及時(shí)澆水灌溉，避免將其置于干旱環(huán)境當(dāng)中。

消落帶；土壤營養(yǎng)；水杉幼樹；三峽庫區(qū)；恢復(fù)生長

消落帶是指水體水位因季節(jié)性漲落而形成的周期性水淹-干旱交替的水陸銜接地帶[1-2]。三峽工程自竣工以來，在庫區(qū)形成了一個(gè)垂直落差達(dá)30m的消落帶區(qū)域[3-4]，該消落帶的反季節(jié)調(diào)度方式使其冬季因蓄水將面臨長時(shí)間、大深度的水淹，夏季由于排水以及高溫則出現(xiàn)一定程度的干旱[5-6]，長期作用勢必導(dǎo)致原有消落帶土壤的理化和生物性質(zhì)發(fā)生改變[7]。研究表明，消落帶植被體系重建可以有效防治水土流失[8]、提高土壤肥力[9]、增強(qiáng)岸坡的穩(wěn)定性[10]，目前，許多學(xué)者針對三峽庫區(qū)消落帶濕地植被的恢復(fù)與重建做了大量的研究，并取得顯著成果[11-13]，其中，水杉(Metasequoiaglyptostroboides)被認(rèn)為是良好的庫岸帶造林樹種之一[14]。

水杉不僅適應(yīng)性強(qiáng)，而且生長速度快，輕度耐鹽堿、耐水淹，在我國丹江口水庫消落區(qū)大量存活[15]。三峽水庫消落帶土壤與水體聯(lián)系緊密，若將水杉栽植于三峽庫區(qū)消落帶，前期水淹-后期干旱以及恢復(fù)生長處理對其生長土壤的pH值和營養(yǎng)元素含量的影響還無從知曉，因此，開展不同水分條件對水杉幼樹實(shí)生土壤化學(xué)性質(zhì)影響的研究十分必要。本研究模擬三峽庫區(qū)消落帶水文變化情況，設(shè)計(jì)前期水淹—后期干旱脅迫的盆栽試驗(yàn)，對2年生水杉實(shí)生幼樹土壤的主要營養(yǎng)元素含量變化進(jìn)行研究，旨在從土壤微生態(tài)的角度認(rèn)識(shí)消落帶植被重建后其土壤主要營養(yǎng)元素含量的變化機(jī)制，為當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)建設(shè)提供技術(shù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究樹種和地點(diǎn)

本試驗(yàn)選擇2年生水杉幼樹(取自四川鄰水縣苗圃)作為研究對象，2012年11月下旬將生長基本一致的45株幼苗帶土盆栽(土壤為取自三峽庫區(qū)忠縣汝溪河流域消落帶的混勻紫色土，每盆裝約5 kg，盆中央內(nèi)徑18 cm，盆高20cm)，與此同時(shí)，取裝有相同土壤且大小一致的45盆不栽植苗木的盆缽作為空白對照，將所有盆缽放置于三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基地大棚下(海拔高度249 m，透明頂棚，四周開敞)進(jìn)行相同土壤基質(zhì)、光照和水分馴化適應(yīng)。試驗(yàn)于2013年1月正式開展，此時(shí)苗木的高度為(97.05±1.53)cm，基莖為(0.85±0.11)mm。供試土壤的基本特征見表1。

表1 供試土壤營養(yǎng)元素含量初始值(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Table 1 Baseline data of nutrient contents in soil provided for experimental use (mean±SE)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 干旱階段水杉幼樹清晨葉水勢(階段2)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.1 Predawn leaf water potential of Metasequoia glyptostroboides saplings under light drought stress in Phase 2 (mean±SE)

本試驗(yàn)根據(jù)三峽庫區(qū)消落帶水文變化情況，共設(shè)置3個(gè)不同水分處理階段。階段1為淹水處理期，共3個(gè)處理組，包括常規(guī)供水組(C)，即控制土壤含水量為田間持水量的60%—63%(采用稱重法確定)；半淹組(H)，即將苗盆放入水池中，向池內(nèi)注入水并保持淹至植物中部；全淹組(F)，即將苗盆放入水池中，向池內(nèi)注入水并保持淹沒植物頂端20cm。75 d后，每組隨機(jī)選擇6盆土壤(含3盆無植物對照組土壤)進(jìn)行破壞性取樣。階段2為干旱處理期，將階段1剩余的樣本再隨機(jī)平分為兩個(gè)處理組，一組繼續(xù)保持階段1的水分處理，另一組進(jìn)行輕度干旱脅迫處理(即保證植株葉片的清晨葉水勢小于-0.5 MP，6:00—7:00時(shí)，采用美國Wescor公司生產(chǎn)的Psypro露點(diǎn)水勢儀對水杉幼苗上部充分發(fā)育成熟的葉片進(jìn)行水勢測定，具體監(jiān)測結(jié)果圖1)。

此時(shí)，除了C、H和F3個(gè)處理組外，還增加了CD組(常規(guī)供水-輕度干旱處理)、HD組(半淹-輕度干旱處理)、和FD組(全淹-輕度干旱處理)3個(gè)處理組，試驗(yàn)處理期為60d(由于達(dá)到半干旱狀態(tài)需10d，故階段2處理時(shí)間共70d)。階段3為恢復(fù)處理階段，此時(shí)將所有的處理組均恢復(fù)到正常田間水分管理，21 d后取樣測試。整個(gè)處理階段持續(xù)166 d，處理結(jié)束時(shí)共取90個(gè)土壤樣品。具體的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表2。

1.3 土壤樣品采集與土壤性質(zhì)測定

對試驗(yàn)土壤進(jìn)行取樣時(shí)，先把植株的地上部分刈割下來(整個(gè)處理階段所有植株的存活率為100%，對植物指標(biāo)的測定結(jié)果將另作報(bào)道)，將苗盆中的土壤倒出，去除其中的根系與雜物，然后將每盆土壤充分混勻，在室內(nèi)風(fēng)干后研磨，過篩。過篩后的土壤用于土壤pH值、有機(jī)質(zhì)(OM)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、堿解氮(AN)、有效磷(AP)、速效鉀(AP)含量的測定。無植物組做相同處理。土壤pH值測定采用電位計(jì)法(土∶水 = 1∶2.5)；土壤有機(jī)質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀外加熱法；土壤全N含量測定采用全自動(dòng)凱氏定氮儀(瑞士Büchi公司生產(chǎn)的Distillation Unit B-324)；用堿解-擴(kuò)散法測定土壤堿解氮含量；土壤全P、速效P含量利用鉬銻抗比色法；全K、速效K含量采用原子吸收光譜儀(美國PE公司生產(chǎn)的AA800)。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)測定土壤指標(biāo)，采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)(Independent-samplesTtest)分析水杉幼樹盆栽土壤與無植物組土壤化學(xué)性質(zhì)之間的差異顯著性。用單因素方差分析(One-way ANOVA)揭示同一取樣時(shí)間下不同水分處理組的土壤化學(xué)性質(zhì)，若檢驗(yàn)結(jié)果表明分析因素對土壤化學(xué)性質(zhì)具有顯著影響，則采用Tukey檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較。采用Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)水杉幼樹土壤各指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系。本研究采用SPSS 20.0(SPSS Inc., USA)軟件和Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用Origin 8.5(Origin lab Corporation)制圖。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Experiment design

2 結(jié)果與分析

2.1 水杉幼樹實(shí)生土壤化學(xué)性質(zhì)對水淹的響應(yīng)(階段1)

對階段1不同水分處理下的土壤pH值和營養(yǎng)元素含量進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，與無植物組相比，不同水分處理組的水杉幼樹盆栽土壤pH值和OM含量并未出現(xiàn)顯著性差異。以水分處理為因子，對水杉幼樹實(shí)生土壤性質(zhì)進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明，經(jīng)過75 d的水淹處理后，與C組相比，H和F組土壤的pH值和OM含量均顯著提高(P< 0.05)(圖2)。

圖2 階段1不同水分處理下盆栽土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.2 The change of pH value and organic matter content in soils under different water treatments in phase 1 (mean±SE) C:正常供水Conventional Water Supply, H:半淹Half Flooding, F:全淹Full Flooding

不同水分處理下土壤的氮、磷和鉀含量則呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律(圖3)：與無植物對照組土壤相比，水杉幼樹土壤TN、TP和AN含量的變化趨勢一致，即C、H組顯著降低，F(xiàn)組極顯著上升；這與K含量在有無植物土壤中均無顯著性差異形成對比；H組水杉幼樹土壤AP含量顯著低于無植物組，C和F組則與其未出現(xiàn)顯著性差異(圖3)。

對于水杉幼樹實(shí)生土壤(圖3)，與C組相比，全淹組(F)的TN、TP和AN含量分別顯著升高了17.1%，16.9%和34.2%；而半淹組(H)的三個(gè)指標(biāo)較C組并未出現(xiàn)顯著差異(P> 0.05)；經(jīng)過階段1的淹水處理，H、F組的AP含量較C組分別顯著下降了48.3%和57.6%；而K含量在3個(gè)水分處理組之間未出現(xiàn)顯著性差異(圖3)。

圖3 階段1不同水分處理下盆栽土壤N、P、K含量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.3 The change of N, P and K content in soils under different water treatments in phase 1 (mean±SE)

2.2 水杉幼樹實(shí)生土壤化學(xué)性質(zhì)對干旱的響應(yīng)(階段2)

在階段2處理結(jié)束后，與無植物組土壤相比，不同水分處理組的水杉幼樹實(shí)生土壤化學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律(圖4)，其中，栽植水杉幼樹的所有水分處理組土壤的pH值較無植物組土壤無顯著性變化；而除C組外，水杉幼樹盆栽土壤OM含量均顯著或極顯著高于無植物組；就土壤壤全量營養(yǎng)元素含量而言，除F組的TN含量和C組的TP含量顯著升高、CD組的TP含量顯著下降外，水杉栽植并未顯著影響其土壤的全量養(yǎng)分含量(表3)；而就速效養(yǎng)分而言，C組水杉幼樹盆栽土壤的AN和AK含量、HD組的AN含量、F組和CD組的AP含量均較無植物組顯著極顯著下降，H組和CD組AN含量和FD組的AP含量較無植物組土壤顯著上升，其余處理組水杉幼樹土壤的速效養(yǎng)分含量較對照組未出現(xiàn)顯著差異(表4)。

對水杉幼樹盆栽土壤化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行單因素方差分析表明，就pH值而言，持續(xù)水淹組(H、F)仍顯著高出C組3.9%和4.3%，與此同時(shí)，HD和FD組的土壤pH值顯著高出CD組2.6%和3.8%。對于土壤OM含量，H和F組較C組均未出現(xiàn)顯著性變化，且HD和FD組與CD組之間亦無顯著性差異存在(P> 0.05)(圖4)。

圖4 階段2不同水分處理下盆栽土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.4 The change of pH value and organic matter content in soils under different water treatments in phase 2 (mean±SE)C:正常供水, H:半淹, F:全淹, CD:常規(guī)供水-輕度干旱Conventional Water Supply-Light Drought, HD:半淹-輕度干旱Half Flooding-Light Drought, FD:全淹-輕度干旱Full Flooding-Light Drought

水杉幼樹實(shí)生土壤全量養(yǎng)分含量在階段2呈現(xiàn)不同規(guī)律的變化。其中，與C組相比，H組土壤的TN含量顯著降低了18.9%，而與F組之間則沒有顯著性差異(P> 0.05)；與干旱對照組(CD)相比，HD和FD組土壤TN含量未出現(xiàn)顯著性差異。就土壤TP含量而言，H和F組與C組并未出現(xiàn)顯著性差異，同時(shí)，HD、FD組也并未與CD組出現(xiàn)顯著差異(P> 0.05)。另外，F(xiàn)組土壤TK含量顯著高出C組17.9%，H組土壤TK含量與C組之間則沒有顯著性差異存在；與此同時(shí)，HD和FD組土壤TK含量與CD組之間亦未無顯著性差異存在(P> 0.05)(表3)。

表3 階段2不同水分處理下盆栽土壤全氮、全磷、全鉀含量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Table 3 The change of TN, TP and TK content in soils under different water treatments in phase 2 (mean±SE)

不同字母表示不同水分處理組間土壤營養(yǎng)元素含量間差異顯著(P< 0.05) C：正常供水, H:半淹, F:全淹, CD:規(guī)供水-輕度干旱, HD:半淹-輕度干旱，F(xiàn)D：全淹-輕度干旱

對水杉幼樹實(shí)生土壤速效養(yǎng)分含量進(jìn)行單因素方差分析表明，與C組相比，F(xiàn)組土壤AN含量沒有出現(xiàn)顯著差異(P> 0.05)，而H組則顯著升高17.9%；與CD組相比，HD組和FD組水杉土壤AN含量分別顯著下降21.6%和16.6%。就土壤AP含量而言，H、F組與C組相比并無顯著差異(P> 0.05)，HD、FD組較CD組則顯著升高(P< 0.05)。階段2處理結(jié)束后，所有組別土壤的AK含量仍無顯著性差異存在(表4)(P> 0.05)。

2.3 水杉幼樹實(shí)生土壤化學(xué)性質(zhì)對復(fù)水的響應(yīng)(階段3)

經(jīng)過21d的恢復(fù)生長，除H組、HD組水杉幼樹土壤pH值較無植物組顯著下降外，其余處理組的pH值與無植物組土壤間均無顯著性差異(圖5)；而除C組和CD組的水杉盆栽土壤OM含量較無植物組無顯著性差異外，所有淹水處理組的水杉盆栽土壤的OM含量則顯著或極顯著地高于無植物對照組(圖5)。水杉幼樹土壤除C組的TN含量和CD組的TN、TP及AN含量較無植物組顯著上升，F(xiàn)組的TK含量、C和CD組的AP含量顯著下降外，各處理組的水杉盆栽土壤N、P、K含量較無植物組間已無顯著性差異(表5，表6)。

表4 階段2不同水分處理下盆栽土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Table 4 The change of AN, AP and AK content in soils under different water treatments in phase 2 (mean±SE)

單因素方差分析結(jié)果表明(圖5)，階段3時(shí)所有水分處理組的水杉幼樹實(shí)生土壤pH值均恢復(fù)至C組水平(P> 0.05)；除了H組土壤OM含量顯著高出C組18.7%外，其余組別的土壤OM含量也恢復(fù)至C組水平，HD和FD組土壤OM含量與CD組之間亦無顯著性差異存在(P> 0.05)。

圖5 階段3不同水分處理下盆栽土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.5 The change of pH value and organic matter content in soils under different water treatments in phase 3 (mean±SE) C：正常供水, H:半淹, F:全淹, CD:規(guī)供水-輕度干旱, HD:半淹-輕度干旱，F(xiàn)D：全淹-輕度干旱

與C組相比，F(xiàn)組水杉幼樹實(shí)生土壤的TN含量沒有出現(xiàn)顯著變化，而H組仍顯著低于C組27.1%；HD、FD組分別和CD組之間沒有顯著性差異(P> 0.05)。同時(shí)，所有處理組土壤的TP含量均恢復(fù)到了C組的水平，且HD、FD組與CD組也未出現(xiàn)顯著差異。另外，F(xiàn)組的水杉幼樹實(shí)生土壤TK含量在恢復(fù)生長后顯著高于C組，而HD和FD與C組之間未出現(xiàn)顯著性差異(P> 0.05)(表5)。

所有處理組的水杉幼樹實(shí)生土壤AN含量在經(jīng)歷恢復(fù)生長后均恢復(fù)到正常供水組(C)水平，且HD和FD組與CD之間也分別未出現(xiàn)顯著性差異(P> 0.05)。21 d的正常供水后，H和F組土壤AP含量顯著低于C組(P< 0.05)；與CD組相比，HD和FD組土壤AP含量沒有顯著變化。與此同時(shí)，所有處理組水杉幼樹實(shí)生土壤之間的AK含量仍未出現(xiàn)顯著差異(表6)。

表5 階段3不同水分處理下盆栽土壤全氮、全磷、全鉀含量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Table 5 The change of TN, TP and TK content in soils under different water treatments in phase 3 (mean±SE)

表6 階段3不同水分處理下盆栽土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Table 6 The change of AN, AP and AK content in soils under different water treatments in phase 3 (mean±SE)

2.4 水杉幼樹盆栽土壤化學(xué)性質(zhì)間的相關(guān)性分析

對水杉幼苗盆栽土壤化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，pH值與OM、TN、TP及AN含量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，而與全鉀含量呈顯著正相關(guān)。OM含量與TN、TP及AN含量呈現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系，但與TK含量卻呈極顯著負(fù)相關(guān)。TN含量與TP、AN含量呈極顯著正相關(guān)，卻與TK含量呈顯著負(fù)相關(guān)；TP含量與AN含量呈極顯著正相關(guān)，與TK含量呈顯著負(fù)相關(guān)；同時(shí)，TK含量與AK含量呈顯著正相關(guān)，與AN含量呈顯著負(fù)相關(guān)(表7)。

3 討論

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要場所，其營養(yǎng)成分的變化與地表植被類型[16-17]、不同用地方式[18-19]和人類活動(dòng)[20-21]等因素有著密切聯(lián)系。三峽庫區(qū)消落帶土壤每年有5—6個(gè)月的時(shí)間(因高程而異)浸泡在水體中[22]，其余時(shí)間出露成陸，每年都始終處于季節(jié)性的干濕交替變化之中。該區(qū)域土壤在淹沒時(shí)會(huì)受到因水位漲落所造成的重力侵蝕和水浪的沖刷，在落干期會(huì)受到地表徑流和雨水淋溶的影響[23]。一般而言，周期性的水位消漲一方面會(huì)加速消落區(qū)土壤對營養(yǎng)物質(zhì)的機(jī)械吸收、物理吸收、化學(xué)吸收和生物吸收等過程，另一方面會(huì)促進(jìn)土壤養(yǎng)分的釋放、溶解和擴(kuò)散過程[24]，但是在三峽庫區(qū)消落帶這一特殊區(qū)域，土壤營養(yǎng)元素含量的變化還要結(jié)合當(dāng)?shù)厮奶卣?、氣候類型、植被種類和元素特殊理化性質(zhì)等方面綜合考慮。

表7 水杉幼樹實(shí)生土壤化學(xué)特性間的相關(guān)性分析Table 7 Correlations between soil chemical properties of M. glyptostroboides saplings

**a=0.05下相關(guān)性達(dá)到極顯著水平； *a=0.01下相關(guān)性達(dá)到顯著水平(兩尾檢驗(yàn))

3.1 水杉幼樹實(shí)生土壤化學(xué)性質(zhì)對水淹的響應(yīng)(階段1)

土壤酸堿度是土壤的最重要化學(xué)性質(zhì)，它與土壤微生物的活動(dòng)、有機(jī)質(zhì)的合成和分解、各類營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化與釋放及有效性、土壤保持養(yǎng)分的能力都有關(guān)系；其高低可控制和影響土壤中的微生物區(qū)系，進(jìn)而影響絕大多數(shù)營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化方向、轉(zhuǎn)化過程、轉(zhuǎn)化形態(tài)及其有效性等[25]。前人針對三峽消落帶模擬試驗(yàn)以及其他流域的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過淹水，酸性土壤pH值升高，堿性土壤pH值降低，最終都趨近于中性[26-27]，但是與之不同，本研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷淹水處理會(huì)顯著提高水杉幼樹盆栽土壤的pH值，這可能是因?yàn)樵谙託鈴?qiáng)烈的還原條件下，土壤內(nèi)形成大量堿性的還原性碳酸鐵錳，溶解度較大，導(dǎo)致土壤pH值升高[28]。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中營養(yǎng)元素的重要來源，是表征土壤肥力與質(zhì)量的重要指標(biāo)[29]，其含量不僅可以直接影響土壤的理化性質(zhì)，同時(shí)還與土壤氮磷的全量和有效量有緊密的聯(lián)系，也是土壤穩(wěn)定性的重要保證[30]。本階段可能是由于處理時(shí)間較短，水杉凋落物少且水杉凋落物較難分解的緣故[31]，栽植水杉的盆栽土壤OM含量較無植物組并無顯著性差異；而不同水分處理組中，水杉幼樹盆栽土壤OM含量較C組均顯著上升，這是由于淹水導(dǎo)致氧化還原電位低，形成大量還原性物質(zhì)，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)大量積累[32]。

土壤中氮磷含量主要與植物體內(nèi)的養(yǎng)分循環(huán)過程有關(guān)[33]，而在消落帶這一特殊的水陸銜接地帶，其全量養(yǎng)分同時(shí)也受水位周期性改變的影響[18]。本研究中可能由于正常供水組和半淹組水杉幼樹生長未受到抑制，需消耗較多的N、P，使得C組和H組土壤的TN、TP、AN含量及H組土壤的AP含量較無植物對照組顯著下降；而F組水杉由于生長受到抑制，其土壤TN、TP和AN含量顯著高于無植物組。TK含量主要由土壤的成土母巖類型所決定，同時(shí)也受到人為施肥的影響[33]，而整個(gè)研究中并未進(jìn)行人為施肥活動(dòng)，故土壤TK含量主要來源于土壤母質(zhì)，本階段的水杉土壤TK較空白組無顯著差異，進(jìn)一步說明植被因素對土壤TK含量影響不大。另一方面，對于F組的水杉幼樹土壤，主要是由于本研究中水杉土壤中的TN和TP含量與OM含量有密切的相關(guān)性，其TN和TP含量變化與OM含量相似，其含量均較C組顯著增加(圖3)。

土壤速效養(yǎng)分是表征土壤肥力的重要指標(biāo)，其含量水平高低對于植物的生長起著關(guān)鍵性作用、可以一定程度上反映出土壤近期速效營養(yǎng)對植物生長的供應(yīng)狀況[34]。堿解氮是來源于植物凋落物的分解后釋放出的氨態(tài)氮和硝態(tài)氮及固氮微生物降解的化合態(tài)氮，是植物可以利用的氮素狀態(tài)。本研究中，F(xiàn)組水杉盆栽土壤AN含量與TN含量的趨勢類似，均顯著高于C組；而H和F組土壤的AP含量均在本階段顯著下降，可能是由于淹水所引起的土壤pH升高，導(dǎo)致正磷酸鹽量的降低[35]，間接導(dǎo)致AP含量的下降。

3.2 水杉幼樹實(shí)生土壤化學(xué)性質(zhì)對干旱的響應(yīng)(階段2)

經(jīng)過本階段的干旱處理后，HD和FD組土壤pH值仍較CD組顯著升高(圖4)，說明前期水淹增加了水杉幼樹盆栽土壤pH值后期對干旱脅迫的敏感性。本階段處理結(jié)束后，栽植水杉的盆栽土壤除C組外，各水分處理組的OM含量均顯著或極顯著增加，與水杉幼樹枯枝落葉以及死亡根系進(jìn)入到土壤中有關(guān)，還可能與土壤微生物種群和數(shù)量的增加有一定關(guān)系。與此同時(shí)，由于土壤的暴露，土壤中氧氣增加，微生物活性顯著上升，加速了對有機(jī)質(zhì)的分解速率，降低了有機(jī)質(zhì)含量[36]，致使HD和FD組水杉幼樹盆栽土壤OM含量下降至CD組水平(圖4)。

此階段中HD和FD組水杉土壤全量養(yǎng)分含量均較CD組無顯著性差異，說明前期的水淹并未增加水杉幼樹實(shí)生土壤全量養(yǎng)分含量后期對干旱的敏感性。而H組和F組水杉土壤TN含量在階段2較階段1顯著下降，其原因主要是在淹水期間，一方面一些易釋放形態(tài)的氮進(jìn)入到水體中，使得消落帶土壤中的全氮含量下降；另一方面則是由于土壤有機(jī)物質(zhì)的分解，增加TN向水體的釋放量[37]。另外，隨著處理時(shí)間的繼續(xù)，土壤TK含量在H組有顯著上升趨勢，這可能與水淹使得土壤從水中吸附營養(yǎng)元素有關(guān)[38]。

另外，HD和FD組的土壤AN含量均較CD組顯著下降，而AP含量則顯著升高，這說明前期水淹增加了水杉幼樹實(shí)生土壤AN和AP含量后期對干旱的敏感性。前人研究發(fā)現(xiàn)，影響土壤磷素釋放的環(huán)境因素除了水中溶解氧、pH值、氧化還原電位、溫度、生物等方面外，土壤周圍環(huán)境水體組成、水文情勢也是影響土壤磷素釋放的重要因子[39-40]。長期淹水處理(141 d)后H組和F組水杉幼樹AP含量較C組仍顯著下降，主要是由于長期淹水所引起的強(qiáng)烈厭氧狀態(tài)易使Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+，進(jìn)而與P素形成可溶性的磷酸亞鐵鹽，與磷酸鹽一起釋入上覆水中，導(dǎo)致淹水組土壤AP含量下降[41]。

3.3 水杉幼樹實(shí)生土壤化學(xué)性質(zhì)對復(fù)水的響應(yīng)(階段3)

本研究區(qū)域內(nèi)的土壤pH值偏堿性，在所有處理結(jié)束后，H和HD組水杉盆栽土壤pH較無植物組顯著下降，說明水杉栽植對土壤的酸堿度有一定的改善作用，這與前人研究結(jié)果[42]類似；另外，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)除C和CD組水杉盆栽土壤OM含量較無植物組顯著或極顯著升高，說明水杉對消落帶土壤肥力有顯著改良作用。對于水杉盆栽土壤而言，階段3處理結(jié)束后，所有水分處理組土壤的pH值、OM、TP、AN和AK含量均與C組無顯著性差異存在(P> 0.05)，說明短期的正常供水處理可以使得水杉幼樹盆栽土壤pH值及多項(xiàng)營養(yǎng)元素含量迅速恢復(fù)至對照組水平。另外，H組和F組水杉土壤的AP含量較C組顯著下降，極可能是由于濕干交替的環(huán)境增加土壤釋放磷素的趨勢[43-44]，使土壤AP含量顯著降低。

4 結(jié)論

本研究中，水杉栽植對消落帶土壤具有一定的改良作用，并通過對土壤的改良進(jìn)一步促進(jìn)自身的生長發(fā)育。三峽庫區(qū)內(nèi)土壤退化嚴(yán)重，土壤肥力在逐步下降；且隨侵蝕程度的增加，土壤中有機(jī)質(zhì)及N、P含量將普遍缺乏[45]，因此，在三峽庫區(qū)消落帶適度營造水杉對于恢復(fù)庫區(qū)植被、改良土壤肥力狀況具有積極作用；此外，前期水淹增強(qiáng)了水杉幼樹盆栽土壤pH值、AN和AP含量對后期干旱脅迫的敏感性，且短期恢復(fù)生長處理可將水杉土壤pH值及多項(xiàng)營養(yǎng)元素含量迅速恢復(fù)至正常供水組水平，因此在庫區(qū)水位處于落干期時(shí)應(yīng)注意定期澆水抗旱，保證其土壤含水量達(dá)到正常水平。

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Effects of simulated submergence and drought on the nutrient content of soils planted with Dawn Redwood (Metasequoiaglyptostroboides) saplings

MA Peng, LI Changxiao*, REN Qingshui, YANG Yujing, MA Jun

KeyLaboratoryfortheEco-EnvironmentoftheThreeGorgesReservoirRegionoftheMinistryofEducation,CollegeofLifeSciences,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China

This study investigated the effect of how water availability influences the pH and nutrient content of soils planted with two-year-old Dawn Redwood (Metasequoiaglyptostroboides) saplings, by applying different water treatments to simulate the water-level-fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir in this study. The treatments involved 3 phases. In the first phase, the treatments were presented with a conventional water supply (C), half flooding (H), and full flooding (F). Light drought was introduced in the second phase, and included six:conventional water supply (C), half flooding (H), full flooding (F), conventional water supply followed by light drought (CD), half flooding followed by light drought (HD), and full flooding followed by light drought (FD). In the third phase, all treatments were returned to the conventional water supply. Each treatment group lasted 166 days in total, and contained soil samples planted with two-year-oldM.glyptostroboidessaplings and soils without vegetation. The pH value, organic matter (OM), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), total potassium (TK), alkali hydrolysable nitrogen (AN), available phosphorus (AP), and available potassium (AK) content in soils containingM.glyptostroboidessoils and non-vegetated soils were measured after each 166-day treatment. After phase I, compared to non-vegetated soils (control),M.glyptostroboidessoil in groups C and H had highly significant lower nitrogen and TP content and the H treatment had lower AP content, while the F treatment had higher nitrogen and TP content. Compared with the control (group C), flooding treatment increased the pH value and content of OM, whereas AP content decreased. Compared to the control, the TN, TP, and AN content in group H ofM.glyptostroboidessoils increased by 17.1%, 16.9%, and 34.2%, respectively. After the drought treatment of phase II, flooding had a significant effect on the subsequent sensitivity of pH value, as well as OM, AN, and AP content inM.glyptostroboidessoils. Compared to the control, the OM content in the soils of all the water treatment groups (excluding group C) increased significantly in the soils planted withM.glyptostroboides. Concurrently, compared with group C, the pH value increased by 2.6%and 3.8%in group H and F, respectively; however, the OM content was not significantly different inM.glyptostroboidessoils. After the water supply was resumed to the level of the control for all treatments, compared to the control, the pH value ofM.glyptostroboidessoils in group H and HD decreased. In contrast, the OM content in the soils of all the flooding treatment groups and the TN content in soils of group C and CD content increased significantly. In addition, compared to the control, the OM content significantly increased in all the previous flooding treatment groups. The pH value and a number of nutrient contents under the flooding treatments recovered to the level of the control group after recovery growth treatment. All of the chemical properties of the HD and FD groups inM.glyptostroboidessoils also recovered to the level of the CD group. The correlation analysis of soil chemical properties inM.glyptostroboidessaplings soils showed that a very significant, positive correlation was present among OM, TP, TN, and AN content. However, the pH value exhibited a highly negative relationship with OM, TN, TP, and TN content. The results showed thatM.glyptostroboidesis viable for revegetating the water-level-fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir, but that timely irrigation during the drawdown time period is necessary.

water-level-fluctuating zone; soil nutrients;Metasequoiaglyptostroboidessaplings; the Three Gorges Reservoir; recovery growth

重慶市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(CSTC2013JJB00004)；國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201004039)；留學(xué)回國人員科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(教外司留[2010-1561])；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(XDJK2013A011)資助

2014- 05- 11; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期:

日期:2015- 05- 18

10.5846/stxb201405110966

*通訊作者Corresponding author.E-mail:lichangx@swu.edu.cn

馬朋, 李昌曉, 任慶水, 楊予靜, 馬駿.模擬水淹-干旱脅迫對水杉幼樹實(shí)生土壤營養(yǎng)元素含量的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(23):7763- 7773.

Ma P, Li C X, Ren Q S, Yang Y J, Ma J.Effects of simulated submergence and drought on the nutrient content of soils planted with Dawn Redwood (Metasequoiaglyptostroboides) saplings.Acta Ecologica Sinica,2015,35(23):7763- 7773.