外源氮磷輸入對文峪河上游典型河岸林土壤屬性的影響

李素新，郭小宇，張蕓香，郭晉平

(1.山西農(nóng)業(yè)大學林學院，山西 太谷 030801； 2.山西農(nóng)業(yè)大學城鄉(xiāng)建設(shè)學院，山西 太谷 030801)

?

外源氮磷輸入對文峪河上游典型河岸林土壤屬性的影響

李素新1，郭小宇1，張蕓香1，郭晉平2

(1.山西農(nóng)業(yè)大學林學院，山西 太谷 030801； 2.山西農(nóng)業(yè)大學城鄉(xiāng)建設(shè)學院，山西 太谷 030801)

以關(guān)帝山文峪河上游3種典型河岸林為研究對象進行了外源氮磷輸入試驗。通過對土壤定期取樣、試驗室化驗分析，對不同河岸林外源氮磷加載前后土壤屬性進行分析，結(jié)果表明：外源氮磷輸入前土壤全氮和硝態(tài)氮含量、土壤pH值及土壤含水量在不同類型河岸林之間的差異都達到極顯著水平(p<0.01)，土壤全磷、速效磷和銨態(tài)氮含量差異不顯著；外源氮輸入后土壤全氮、硝態(tài)氮、速效磷、含水量在不同類型河岸林之間表現(xiàn)極顯著差異；外源磷輸入后3種河岸林土壤全磷含量差異不顯著，而其它屬性指標均表現(xiàn)出極顯著性差異。關(guān)鍵詞： 文峪河； 河岸林； 外源氮磷； 土壤屬性

河岸林是以森林植被為主體的河岸帶，生物多樣性豐富，土地生產(chǎn)力高，在流域景觀中發(fā)揮著獨特的水文功能和生態(tài)功能。河岸林土壤介于河流與農(nóng)田或高地森林之間，能夠截留、過濾由陸地生態(tài)系統(tǒng)向河流傳輸?shù)挠袡C物與無機物，如，地表水、泥石流、各種養(yǎng)分、枯枝落葉等，進而影響河流中泥沙、營養(yǎng)元素等的含量及分布。

氮磷是林木生長必不可少的營養(yǎng)元素，森林土壤的含氮量明顯高于非林地。森林土壤中氮的循環(huán)不僅是森林生態(tài)系統(tǒng)中氮素循環(huán)最重要和最活躍的過程，也是氮素生物地球化學循環(huán)的重要組成部分。磷在植物的光合作用、呼吸作用和生物膜等結(jié)構(gòu)功能中具有重要的生理作用。加載外源氮磷，通過植被的吸收、轉(zhuǎn)化、土壤微生物的硝化和反硝化等方式，可引起河岸林土壤的本底屬性發(fā)生變化。

該地區(qū)的河岸帶植被及林地土壤研究已經(jīng)取得較多成果，但主要集中在植物群落結(jié)構(gòu)多樣性、林地枯落物特性、河岸帶土壤有機碳及氮含量等方面，外源營養(yǎng)元素加載對土壤屬性的影響研究較少。筆者以文峪河上游3種典型河岸林為研究對象，對不同河岸林外源氮磷加載前后土壤屬性進行了分析，比較了不同外源氮磷加載量對土壤屬性的影響，旨在為河岸帶流域的生態(tài)科學管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

文峪河上游位于呂梁山脈中段關(guān)帝山林區(qū)的龐泉溝國家級自然保護區(qū)，地理坐標東經(jīng)111°21′～111°37′，北緯37°45′～37°59′.屬于受季風影響和控制的暖溫帶大陸性山地氣候，年均溫4.2 ℃，年均降水量822.6 mm.該區(qū)域自然植被茂盛，高、中山地域喬木以寒溫性華北落葉松、白杄和青杄為主，灌木主要有沙棘、毛榛、金花忍冬、土莊繡線菊等，草本植物主要有披針苔草、蕨類、瓣蕊唐松草、蒿類等。地帶性土壤東部為草原褐土，西部為黃綿土。由于關(guān)帝山山體高大，地方氣候分異特征明顯，受地質(zhì)、地貌、氣候、生物及人為活動的影響，在不同海拔處依次分布著不同類型的土壤，山體上部至山體下部主要的土壤類型有亞高山草甸土、山地草原草甸土、山地棕色森林土、山地淋溶褐土、山地褐土、褐土性土或粗骨性褐土(東坡)、黃綿土(西坡)。

1.2 樣地設(shè)置與調(diào)查

2011年4月底，在文峪河流域上游大草坪溝內(nèi)選取具有代表性的針葉(落葉松、云杉)混交林、闊葉(白樺、茶條槭)混交林和灌木(沙棘等)林3種植被類型的河岸林，調(diào)查并記錄其地理位置、海拔、坡向、坡度、土壤類型和林型等基本因子。3種植被類型的河岸林基本情況見表1.

表1 樣地基本情況

在每個類型的典型河岸林內(nèi)設(shè)置10條垂直于河道的樣帶，寬5 m，長25 m.對樣帶內(nèi)所有喬木樹種進行每木檢尺，測定記錄其樹種、胸徑和樹高。并在每條樣帶內(nèi)按5 m 1個距離梯度設(shè)置1個試驗樣點進行分層取土，即0 m～5 m，5 m～10 m，10 m～15 m，15 m～20 m和20 m～25 m.初次取樣完成后，分別進行氮磷養(yǎng)分的外源輸入，氮素輸入采用含氮46.4%的尿素，設(shè)計5個輸入量梯度，分別為N0：0.00 g/m2(空白對照)，N1：9 g/m2，N2：12 g/m2，N3：15 g/m2和N4：18 g/m2.磷素輸入采用含磷量為12%的過磷酸鈣，設(shè)計5個輸入量梯度，分別為P0：0.00 g/m2(空白對照)，P1：3.28 g/m2，P2：6.55 g/m2，P3：9.82 g/m2和P4：12.00 g/m2.每個樣帶外源加載一個梯度輸入量，經(jīng)過6個月的生長和土壤響應，于10月底在同樣的取樣點進行土樣采集。土壤取樣采用土鉆法，在表層30 cm范圍內(nèi)采集土壤混合樣品(重復采樣3次，混勻)，2次共取樣300個，帶回實驗室進行分析。

1.3 測定方法

土壤全氮采用凱氏定氮法測定，土壤全磷采用HClO4-H2SO4法測定，土壤銨態(tài)氮采用KCl浸提-靛酚藍比色法測定，土壤硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法測定，土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，土壤含水量采用105 ℃烘干法測定，pH值采用電位法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)用Date Desk 6.1進行方差分析和差異性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型河岸林土壤本底屬性及其差異性分析

同一地區(qū)不同類型河岸林土壤理化屬性的本底性質(zhì)差異性是分析土壤對外源氮磷輸入的響應和承載力的基礎(chǔ)。為此，先對氮磷外源輸入前各種河岸林試驗標準地的土壤屬性進行調(diào)查取樣和分析，結(jié)果見第30頁表2.

表2 不同河岸林土壤的本底屬性

由表2可見，3種河岸林土壤全氮含量，最低為2.14 g/kg，最高為3.55 g/kg；其中，闊葉林下土壤全氮含量的變化最大，3者比較，灌木林≥闊葉林>針葉林。3種河岸林的土壤銨態(tài)氮含量差異不顯著，含量大小為闊葉林≥灌木林≥針葉林.3種河岸林的土壤硝態(tài)氮含量以灌木林最高，達到9.52 mg/kg，與闊葉林和針葉林的差異均達到顯著水平；3者比較，灌木林>針葉林≥闊葉林。土壤全磷和速效磷含量在3種河岸林類型之間的差異性不顯著，土壤全磷含量針葉林≥闊葉林≥灌木林，土壤速效磷含量針葉林≥灌木林≥闊葉林。土壤pH值在3種河岸林之間總體差別不大，介于6.17～6.41之間，3者表現(xiàn)為闊葉林≥針葉林≥灌木林。3種河岸林土壤含水量普遍較低，其差異趨勢與土壤pH值一致，灌木林最低，為15.20%；闊葉林最高，為19.70%；3者比較，闊葉林≥針葉林≥灌木林。

侯大同從此與湯家結(jié)緣。五年后，湯翠大學畢業(yè)偶遇侯大同，才知道他還單著。經(jīng)過幾次戀愛的湯翠已經(jīng)拋去一切對愛情不切實際的幻想，侯大同的好很快重新漫上湯翠的心。沒想到，侯大同竟然不樂意。湯家分析來分析去，侯大同缺少拒絕的理由。湯翠漂亮不說，工作也體面，市統(tǒng)計局公務(wù)員。侯大同呢，父母不在了，雖說賣地補償?shù)膬商追孔佣細w了他，畢竟沒個固定工作，像個游民。不愁吃不愁穿不假，在外面說起來到底氣短。湯翠覺得，侯大同這樣的人不可能因為兩套房子看不上她。原因只剩一個，侯大同自卑，怕自己配不上她。找到癥結(jié)，湯翠像當年的侯大同一樣，勇往直前，一舉拿下侯大同。

依據(jù)土壤屬性指標測定數(shù)據(jù)，對不同類型河岸林土壤屬性進行差異顯著性檢驗，結(jié)果見表3.

表3 不同河岸林土壤氮磷含量的差異顯著性

由表3可見，外源氮磷輸入前土壤全氮和硝態(tài)氮含量、土壤pH值及土壤含水量在不同類型河岸林之間的差異性均達到極顯著水平(p<0.01)，土壤銨態(tài)態(tài)、全磷及速效磷含量的差異性沒有達到顯著水平。

2.2 外源氮輸入對不同類型河岸林土壤屬性的影響

不同強度的外源氮素輸入處理后，經(jīng)過6個月河岸林植物吸收、土壤微生物的硝化和反硝化等作用，不同類型河岸林土壤氮磷含量和相關(guān)屬性會發(fā)生變化。超過土壤最大承載量的外源氮輸入，在經(jīng)過一定時間自然排除后的含量能在一定程度上反映不同類型河岸林土壤的氮磷承載潛力。

對外源氮輸入后3種河岸林土壤氮磷含量和各相關(guān)屬性指標之間的差異性進行多重比較，結(jié)果見表4.

表4 不同類型河岸林外源氮輸入后的土壤屬性

由表4可見，研究地區(qū)3種河岸林類型在外源氮素輸入后，經(jīng)過一個生長季節(jié)，土壤全氮、硝態(tài)氮、速效磷含量及土壤含水量在3種類型之間的差異均顯著。土壤全氮含量是灌木林≥闊葉林>針葉林，銨態(tài)氮含量是闊葉林≥灌木林≥針葉林，硝態(tài)氮含量是灌木林>針葉林≥闊葉林；土壤全磷含量是闊葉林≥針葉林≥灌木林，速效磷含量是針葉林≥灌木林>闊葉林。相應的土壤含水量闊葉林顯著大于灌木林，表現(xiàn)為闊葉林≥針葉林≥灌木林。土壤pH值3者之間差異均不顯著，表現(xiàn)為闊葉林≥針葉林≥灌木林。

對3種河岸林土壤在外源氮加載后的土壤氮磷含量和相關(guān)屬性測定結(jié)果進行差異顯著性方差分析，結(jié)果見第31頁表5.

表5 外源氮輸入后河岸林土壤屬性的差異顯著性

2.3 外源磷輸入對不同類型河岸林土壤屬性的影響

對3種河岸林輸入外源磷素后的土壤氮磷含量及相關(guān)屬性指標之間的差異性進行多重比較，結(jié)果見表6.

表6 不同類型河岸林外源磷輸入后的土壤屬性

由表6可見，外源磷輸入后，3種河岸林的土壤全氮含量灌木林≥針葉林>闊葉林；灌木林全氮含量最高，為2.64 g/kg；闊葉林最低，為1.91 g/kg，針葉林與灌木林差異不顯著。土壤銨態(tài)氮含量針葉林與闊葉林和灌木林之間差異顯著，闊葉林與灌木林之間差異不顯著；3種河岸林中，針葉林銨態(tài)氮含量最高，為11.82 mg/kg，闊葉林最低，為7.57 mg/kg，表現(xiàn)為針葉林>灌木林≥闊葉林。土壤硝態(tài)氮含量在3種河岸林之間都有顯著差異，表現(xiàn)為灌木林>針葉林>闊葉林。土壤全磷含量沒有顯著差異，表現(xiàn)為闊葉林≥針葉林≥灌木林的趨勢。土壤速效磷含量表現(xiàn)為針葉林>闊葉林≥灌木林，針葉林的含量最高，為11.20 mg/kg；灌木林最低，為9.11 mg/kg，灌木林與闊葉林之間差異不顯著。外源磷輸入后3種河岸林的土壤pH值相互之間差異均顯著，表現(xiàn)為灌木林>闊葉林>針葉林，灌木林土壤pH值最高，達到7.67，偏弱堿性；針葉林最低，為6.50；闊葉林為7.12，接近中性。3種河岸林的土壤含水量在針葉林和闊葉林之間無顯著差異，表現(xiàn)為針葉林≥闊葉林>灌木林；針葉林含水量最高，為19.97%，灌木林最低，為14.90%.

對3種河岸林外源磷輸入后的土壤氮磷含量及相應的土壤pH值和土壤含水量進行雙因素方差分析，結(jié)果見表7.

表7 外源磷輸入后河岸林土壤屬性的差異顯著性

由表7可見，外源磷輸入后3種河岸林土壤中除全磷含量差異不顯著外，其它屬性指標均表現(xiàn)出極顯著的差異性。不同的外源磷輸入量導致土壤銨態(tài)氮含量和土壤pH值表現(xiàn)出極顯著差異，全氮含量表現(xiàn)出顯著差異。河岸類型與外源磷輸入量的交互作用使土壤pH值的差異極顯著，其它屬性指標的差異性均沒有達到顯著水平。

3 結(jié)論與討論

對研究區(qū)3種典型河岸林分別加載5個外源氮磷輸入量梯度，通過取樣化驗分析，結(jié)果表明：外源氮磷輸入前土壤全氮和硝態(tài)氮含量、土壤pH值及土壤含水量在不同類型河岸林之間的差異都達到極顯著水平(p<0.01)，土壤全磷、速效磷和銨態(tài)氮含量差異不顯著。土壤全氮含量灌木林≥闊葉林>針葉林，硝態(tài)氮含量灌木林>針葉林≥闊葉林；針葉林全磷含量最高，闊葉林速效磷含量最低；土壤pH值闊葉林與灌木林差異顯著，闊葉林≥針葉林≥灌木林；土壤含水量闊葉林≥針葉林≥灌木林。

外源氮輸入后土壤全氮、硝態(tài)氮、速效磷、含水量4個指標在不同類型河岸林之間均表現(xiàn)為極顯著差異；土壤pH值、銨態(tài)氮在輸入不同含量的外源氮后差異達到極顯著水平，土壤硝態(tài)氮達到顯著水平；土壤pH值、銨態(tài)氮含量在不同交互作用下差異達到極顯著水平，全磷含量差異性顯著。外源氮素輸入后，經(jīng)過一個生長季節(jié)，3種河岸林類型土壤的全氮含量都出現(xiàn)下降的趨勢。李冬林等的分析結(jié)果表明，河岸帶土壤有機質(zhì)和全氮兩者呈極顯著正相關(guān)r=0.934，這與 Neff 等的研究結(jié)果(在研究中發(fā)現(xiàn)，施加氮顯著加快了輕組有機質(zhì)的分解，重組有機質(zhì)部分穩(wěn)定)一致。

外源磷輸入后導致3種河岸林土壤全磷含量差異不顯著，而其它屬性指標都表現(xiàn)出極顯著的差異性，這與劉德燕等采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗研究外源磷輸入對沼澤濕地土壤養(yǎng)分的影響結(jié)果相近。不同的外源磷輸入量導致土壤銨態(tài)氮含量和土壤pH值表現(xiàn)出極顯著差異，全氮含量表現(xiàn)出顯著差異。河岸類型與外源磷輸入量的交互作用使土壤pH值的差異性極顯著，其它屬性指標的差異均沒有達到顯著水平。

[1] Story, A.，Moore, R.D.，and Macdonald， J.S.. Steam temperatures in two shaded reaches below cutblocks and logging roads：downstream cooling linked to subsurface hydrology[J].Can. J. For. Res， 2003(33)：1 383-1 396.

[2] 陳吉泉.河岸植被特征及在生態(tài)系統(tǒng)和景觀中的作用[J].應用生態(tài)學報，1996，7(4)：439-444.

[3] 杜育梅，劉國道.植物利用磷素的有效性研究進展[J].華南熱帶農(nóng)業(yè)大學學報，2007，13(2)：41-47.

[4] 郭躍東.關(guān)帝山文峪河流域上游河岸林群落特征環(huán)境梯度研究[D].太谷：山西農(nóng)業(yè)大學，2006.

[5] 吉久昌，郭躍東，張蕓香,等.文峪河上游河岸林群落類型及其生態(tài)適應性特征分析[J].生態(tài)學報，2009，29(3)：1 587-1 595.

[6] 張蕓香，張晉明，郭晉平.文峪河上游河岸林凋落物及其分解過程研究[J].林業(yè)科學研究，2011，24(5)：634-640.

[7] 楊秀清，韓有志.關(guān)帝山森林土壤有機碳和氮素的空間變異特征[J].林業(yè)科學研究，2011，24(2)：223-229.

[8] 李冬林，韓 麗，阮宏華，等.秦淮河河岸帶土壤理化性質(zhì)分析[J].南京林業(yè)大學學報，2008，32(4)：17-22.

[9] Neff J C，Townsend A R，Geixner G，etal.Variable effects of nitrogen additions on the stability and turnover of soil carbon [J].Nature，2002(419)：915-917.

[10] 劉德燕，宋長春.磷輸入對濕地土壤有機碳礦化及可溶性碳組分的影響[J].中國環(huán)境科學，2008，28(9)：769-774.

[11] 鄧小文，張 巖，韓士杰，等.外源氮輸入對長白山紅松凋落物早期分解的影響[J].北京林業(yè)大學學報，2007(6)：16-22.

[12] 劉德燕，宋長春，王 麗，等.外源氮輸入對濕地土壤有機碳礦化及可溶性有機碳的影響[J].環(huán)境科學，2008(12)：3 525-3 530.

[13] 馬利民，張 明，劉 叢，等.外源磷對消落區(qū)土壤性質(zhì)及磷釋放的影響[J].環(huán)境化學，2008(1)：73-76.

Influence of Exogenous Nitrogen and Phosphorus Inputs on Typical Riparian Forest Soil Properties in Upstream Wenyu River

Li Suxin1， Guo Xiaoyu1， Zhang Yunxiang1， Guo Jinping2

(1.CollegeofForestry,ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030801,China；2.CollegeofUrbanandRuralConstruction,ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030801,China)

Taking three types riparian forest of upstream in Wenyu river as study object, the test studied the influence of nitrogen and phosphorus inputs. Through regularly collecting, testing and analyzing the soil, it analyzed the soil properties before and after exogenous nitrogen and phosphorus inputs in different riparian forests. The results were as follows: before exogenous nitrogen and phosphorus input, difference of soil total nitrogen and nitrate content, pH and the soil moisture content in different riparian forests reached extremely significant level (p<0.01), soil total phosphorus and available phosphorus were no significant difference; after exogenous nitrogen input, soil total nitrogen, nitrate nitrogen, available phosphorus, water content showed significant difference between different riparian forests; after exogenous phosphorus input in three kinds riparian forest soil, total phosphorus content was not significant difference, while all the other property indexes showed significant differences.

Wenyu river； Riparian forest; Exogenous nitrogen and phosphorus； Soil properties

2015-01-01

國家自然科學基金項目(30970480)；山西省留辦基金項目(2008079)；山西農(nóng)業(yè)大學科技創(chuàng)新基金(201217)

李素新(1981— )，女，山西廣靈人，2009年畢業(yè)于山西農(nóng)業(yè)大學，講師。

郭晉平(1963— )，男，山西原平人，教授，博導，主要從事森林生態(tài)、森林培育和景觀生態(tài)方面的教學科研工作。

S714

A

1007-726X(2015)02-0028-05