關(guān)帝林區(qū)河岸林土壤全磷生長季變化對外源磷輸入的響應(yīng)

王衛(wèi)鋒，單凱，張蕓香，郭晉平

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 太谷，030801)

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關(guān)帝林區(qū)河岸林土壤全磷生長季變化對外源磷輸入的響應(yīng)

王衛(wèi)鋒，單凱，張蕓香，郭晉平*

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 太谷，030801)

河岸林的氮磷濾除作用是流域生態(tài)系統(tǒng)的重要過程。為進一步明確河岸林的磷素濾除機制及其影響因素，本研究以山西省關(guān)帝山文峪河上游華北落葉松林、楊樺林及云杉林3種典型河岸林為對象，研究了外源磷輸入梯度下3種河岸林土壤全磷含量的時空變異特征及其林型間差異。研究結(jié)果表明，自然狀態(tài)下3種河岸林土壤全磷含量存在差異，華北落葉松林最低，云杉林最大。5月初施加磷肥之后，3種河岸林土壤全磷含量隨著時間的變化表現(xiàn)相似的趨勢，即隨月份增加而逐漸降低；但林型間土壤全磷含量下降速率存在差異，華北落葉松林下降速率最快，云杉林下降速率最慢。8月份之后，隨著磷輸入劑量增加華北落葉松林各磷輸入梯度之間無差異，但云杉林土壤全磷含量隨磷輸入劑量不斷增加。通過土壤全磷含量和土壤其他性質(zhì)進行相關(guān)分析表明，土壤容重、pH及有機質(zhì)含量可能是影響河岸林土壤全磷含量變化的主要因素。

河岸林；土壤全磷；磷輸入；關(guān)帝山

河岸植被帶是位于高地和水體之間的生態(tài)交錯區(qū)，具有明顯的邊緣效應(yīng)[1,2]。河岸帶不僅能維持河流良好的水文狀況，減少水土流失，并且能對從高地進入河道的徑流發(fā)揮凈化作用[3,4]。河岸帶依靠植物吸收、與土壤顆粒物結(jié)合沉積、微生物作用、土壤吸附等物理、化學(xué)和生物作用對磷有一定的濾除作用[5]，研究發(fā)現(xiàn)河岸植被帶能夠濾除大部分來自高地的氮和磷[6]。河岸林是河岸植被帶的重要類型，森林植被對凈化溪流水質(zhì)具有重要作用[7]。水體中磷的來源包括包括工業(yè)污水和生活污水等點源污染和農(nóng)業(yè)過施化肥農(nóng)藥等面源污染，并使水體中磷含量大量增加[8～11]。磷被認為是水體富營養(yǎng)化的最小限制因子，人們普遍將其含量作為富營養(yǎng)化的標志[12]。隨著我國工業(yè)化的加速，產(chǎn)生了越來越多的工業(yè)污水，工業(yè)污水中的含磷量也越來越高。

河岸林對氮磷等營養(yǎng)元素的濾除作用以及如何通過河岸植被帶凈化河流水質(zhì)是國際上的研究熱點。國內(nèi)關(guān)于河岸帶的研究集中在植物群落、物種豐富度以及生態(tài)水文學(xué)特征等方面[13,14]，但對河岸林土壤對外源磷輸入下土壤磷素的時空變化特征的研究還較少。本文通過對文峪河上游3種主要河岸林土壤進行外源磷肥加載試驗，研究土壤磷含量在時間空間格局上的變化，分析土壤容重、有機質(zhì)含量、pH、含水量等土壤屬性與土壤全磷含量之間的相關(guān)性，以此探討影響土壤全磷分布的主要因素。研究結(jié)果有利于闡明河岸林土壤磷慮除功能和機制，并為我國北方地區(qū)河岸林的規(guī)劃管理提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地區(qū)位于關(guān)帝山林區(qū)文峪河上游龐泉溝國家級自然保護區(qū)。地理坐標37°45′～37°59′N，111°21′～111°37′E，平均海拔1 927.4m。氣候?qū)儆跍嘏瘞Т箨懶约撅L(fēng)氣候帶，同時受山地氣候影響，年均溫3～4℃，夏季雨量充沛，年均降水量800 mm左右。主要林分類型有華北落葉松林、云杉林、云杉落葉松混交林、楊樺林等。研究地區(qū)主要的土壤類型有山地棕色森林土、山地淋溶褐土、山地褐土和粗骨性褐土。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗樣地設(shè)置

根據(jù)試驗地前期研究工作[15,16]，在文峪河上游的龐泉溝自然保護區(qū)，選擇落葉松林、楊樺林及云杉林3種主要河岸林，在距離河岸15～30 m處設(shè)置樣地，在每種河岸林的樣地中隨機設(shè)置3組重復(fù)，每組重復(fù)沿河流方向設(shè)置5個3 m×3 m樣方。樣地設(shè)置完成后進行初次采樣，調(diào)查樣地基本理化性質(zhì)，如表1所示。

表1 關(guān)帝山3種河岸林土壤基本性質(zhì)Table 1 Soil properties of three riparian forest types

1.2.2 磷素的外源輸入

樣地設(shè)置和施加磷肥在2012年的5月初進行，調(diào)查樣地基本屬性之后施加磷肥，將肥料均勻施入樣方中，并防止人與牲畜干擾。每個樣方的磷肥加載量分別為0、50、100、150和200 g，用CK，P1，P2，P3，P4表示，所施磷肥為磷酸二氫鉀(KH2PO4)。

1.2.3 土壤樣品采集和預(yù)處理

土壤樣品采集時間為2012年5月中旬到9月中旬，初次采樣發(fā)生在施加磷肥之后2～3天，之后每個月采集一次，采集方法為土鉆法，每個樣方分三層取樣，0～15 cm為第一層，15～30 cm為第二層，30～50 cm為第三層，每一層均勻取五個點，混合均勻封裝帶回實驗室。取回土壤樣品，先測定含水量，然后風(fēng)干3～5天，過100目篩，測定土壤全氮，全磷，有機磷，有效磷，有機質(zhì)，pH值。

1.2.4 土壤理化指標測定

土壤全氮：將CuSO4、K2SO4以9∶1混合為催化劑，濃H2SO4消煮，半微量凱氏定氮法。土壤全磷：硫酸-高氯酸酸消煮，鉬銻抗比色法。土壤有機磷：采用550℃灼燒-0.6 mol·L-11/2H2SO4浸提法。土壤有效磷：根據(jù)土壤pH值，酸性土壤采用雙酸浸提-鉬藍比色法，堿性中性土壤采用0.5mol·L-1NaHCO3提取-鉬藍比色法。土壤有機質(zhì)：400℃灼燒法。土壤pH值：采用2.5∶1水土比，復(fù)合電極酸度計法。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

使用Spss17.0 對數(shù)據(jù)進行差異顯著性和相關(guān)性分析，使用SigmaPlot12.0 繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 磷輸入下3種河岸林土壤全磷含量的變化

外源磷輸入下3種河岸林的土壤全磷含量從5月中旬到8月中旬持續(xù)下降,到9月中旬試驗結(jié)束開始趨于平緩或略有上升(圖1)。在6月中旬到7月中旬之間，各施磷處理的土壤全磷含量隨時間下降整體趨勢是華北落葉松林最快，云杉林最慢。7月初，華北落葉松林各磷輸入處理間無明顯差異。且隨著磷輸入劑量增加，3種河岸林土壤全磷含量隨時間下降幅度越大：即P4>P3>P2>P1。3種河岸林之間相比較，云杉林土壤全磷含量最高，且外源磷輸入能顯著提高其全磷含量，而華北落葉松林土壤全磷含量最低，且隨著磷輸入強度的增加并未進一步提高土壤全磷含量(圖1)。

圖1 磷輸入下3種河岸林土壤全磷含量的變化(a)華北落葉松林，(b)楊樺林，(c)云杉林Fig.1 Changes of soil TP content in three riparian forest types(a) larch forest，(b) poplar-birch forest，(c) spruce fores

2.2 3種河岸林土壤全磷含量在土壤剖面上的動態(tài)

對于表層(0～15 cm)土壤，在5月中旬到7月中旬之間，3種河岸林的全磷含量快速下降。在7月中旬到9月中旬之間，落葉松林全磷含量緩慢下降趨于平緩，楊樺林全磷含量緩慢上升，云杉林全磷含量則快速上升。在5月中旬到9月中旬之間，3種河岸林土壤表層全磷含量整體呈下降趨勢。落葉松林淋溶層(15～30 cm)土壤全磷含量在5月中旬到7月中旬之間緩慢上升，之后開始下降，但在9月中旬小幅增加。楊樺林和云杉林淋溶層土壤全磷含量在試驗過程中呈不規(guī)則變化，總體呈下降趨勢，但在5月中旬到6月中旬之間有所上升(圖2)。

華北落葉松林淀積層(30～50 cm)土壤全磷含量隨季節(jié)變化緩慢，在5月中旬到6月中旬之間緩慢下降，然后開始緩慢上升，在7月中旬以后趨于平緩。楊樺林淀積層土壤全磷含量隨季節(jié)的變化與其淋溶層一致。云杉林淀積層土壤全磷含量在5月中旬到6月中旬之間上升明顯，然后開始下降，在7月中旬以后趨于平緩，整體有所上升。華北落葉松林淋溶層與淀積層全磷含量差異很小，并且隨時間的變化差異比較穩(wěn)定(圖2)。

圖2 關(guān)帝山3種河岸林土壤剖面全磷含量變化(a)華北落葉松林，(b)楊樺林，(c)云杉林Fig.2 The dynamics of soil TP content in soil profile of three riparian forest types(a) larch forest，(b) poplar-birch forest，(c) spruce forest

2.3 河岸林土壤全磷含量變化的影響因素

為了研究河岸林土壤全磷含量變化的影響因素，對土壤容重、含水量、pH、有機質(zhì)含量及全氮含量與土壤施肥之后9月份河岸林土壤磷含量與進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。施肥后，華北落葉松林土壤全磷含量與土壤容重呈極顯著負相關(guān)；與含水量和pH無顯著相關(guān)關(guān)系；與土壤有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)。與華北落葉松林不同，施肥之后，楊樺林土壤全磷含量與土壤容重沒有顯著相關(guān)關(guān)系，與含水量也無顯著相關(guān)關(guān)系；與pH呈顯著負相關(guān)；與土壤有機質(zhì)含量和全氮含量沒有顯著相關(guān)關(guān)系。云杉林土壤全磷含量與土壤容重和土壤pH呈極顯著負相關(guān)，而與土壤含水量和土壤有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)。

表2 不同河岸林土壤全磷含量與其他參數(shù)相關(guān)性分析

注：表中*表示在0.05水平顯著；**表示在0.01水平顯著。

Note： * indicates significant difference atP<0.05;** indicates significant difference atP<0.01.

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

植物磷吸收的季節(jié)差異是河岸林土壤全磷含量隨季節(jié)變化的重要原因。在植物快速生長季，植物會大量吸收土壤中的有效磷，使土壤全磷含量下降[17]，而土壤有機磷是有效磷的主要來源[18]，所以土壤有機磷含量也會下降。隨著季節(jié)的變化，降雨的強度不同。發(fā)生強降雨時，容易產(chǎn)生地表徑流，地表徑流越強，土壤磷素流失越多[19]。在植物凋落衰敗期，一部分植物磷會通過植物分泌作用和枯枝落葉的腐爛作用回歸到環(huán)境中，使土壤全磷含量上升。本研究中河岸帶土壤全磷含量在7、8月份迅速下降，是因為處于雨季，經(jīng)常發(fā)生強降雨，產(chǎn)生較強地表徑流，導(dǎo)致土壤磷素流失；3種河岸林土壤全磷含量在9月份都出現(xiàn)反彈，是由于植物磷對土壤的歸還。這些結(jié)論都與前人研究結(jié)果一致。

降水年內(nèi)分布不均也是影響河岸林土壤磷含量的因素。6月份第一次采樣時，該時間內(nèi)研究地區(qū)降水量較小，地表徑流發(fā)生程度低，由于土壤對磷的吸附作用較強，土壤中磷主要隨徑流產(chǎn)生的侵蝕泥沙流失[20]。所以此時只是依靠植物和微生物吸收土壤中的磷素，但植物和微生物只能吸收土壤中一小部分磷素，所以對于加載磷肥的處理，土壤中殘留了大量磷肥，而對照處理由于沒有外源磷素的輸入，土壤全磷含量有所下降，但下降速度緩慢。6月中旬到8月中旬之間，研究地區(qū)的降雨量和雨強均較大，并產(chǎn)生地表徑流，導(dǎo)致土壤中磷素的大量流失并隨降水入滲到深層土壤，且降雨使土壤含水量升高，增強植物和微生物的吸收作用，所以各處理在6月中旬到8月中旬之間呈下降趨勢，下降速度較快。

土壤容重可能對表層磷的截留作用和分布有顯著影響。王輝等[19]室內(nèi)控制模擬試驗結(jié)果顯示表層土壤容重越大，地表徑流沖刷越強，入滲流越弱，土壤流失量越大，土壤磷流失也隨之增多，而隨入滲流向下層遷移的磷越少。本研究中也發(fā)現(xiàn)云杉林土壤容重最小，有利于土壤磷隨入滲遷移，因此土壤全磷含量越高，與上述研究結(jié)果一致。但落葉松林和楊樺林兩種林型的土壤容重與全磷含量沒有顯著相關(guān)關(guān)系，可能是由于在這兩種林型下，土壤容重對全磷含量的影響受到了pH和凋落物組成等其他因素的干擾。

3.2 結(jié)論

關(guān)帝山林區(qū)自然狀態(tài)下3種河岸林土壤全磷含量存在差異，華北落葉松林最低而云杉林最大。外源磷輸入下3種河岸林土壤全磷含量隨月份增加而逐漸降低；但林型間土壤全磷含量下降速率存在差異，華北落葉松林下降速率最快，而云杉林的下降速率最慢。8月份之后，隨著磷輸入劑量增加華北落葉松林各磷輸入梯度之間差異不顯著，但云杉林土壤全磷含量隨磷輸入劑量不斷增加。通過土壤全磷含量和土壤其他性質(zhì)進行相關(guān)分析表明，土壤容重、pH及有機質(zhì)含量可能是影響河岸林土壤全磷含量變化的主要因素。

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(編輯：馬榮博)

Effects of External Phosphorus Inputs on Soil Total Phosphorus of Three Typical Riparian Forests in Guandi Mountain

Wang Weifeng,Shan Kai,Zhang Yunxiang,Guo Jinping*

(CollegeofForestry，ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030801,China)

The role of riparian forests as nutrient filters is an important process in watershed ecosystem.To further define the mechanism and the influence factors of this process,this study chose three typical riparian forests (Larixprincipis-rupprechtiiconiferous forest,Betulaplatyphyllabroad-leaved forest andPiceameyericoniferous wood) in Wenyu river on the Guandi Mountain of Shanxi province as research materials.The spatial and temporal variation features of soil total phosphorus content (TP) in these riparian forests under phosphorus inputs and their difference were studied.The results showed that the soil total phosphorus content among the three forest types had difference without phosphorus input.The soil TP of larch forest was lowest and that of spruce forest was highest after applying phosphate fertilizer in early may.And the soil TP of three riparian forests showed the same trend after phosphorus input treatments,which continued to decline before middle of August.But the soil TP of larch forest declined most quickly and spruce forest most slowly.The increase of the TP of larch forest did not have difference among different phosphorus input gradients.However,the soil TP of spruce forest were significantly increased with phosphorus input gradients.Correlationship analyses showed that soil bulk density,soil pH and organic matter may be the major factors for soil TP changes in riparian forests.

Riparian forest;Soil total phosphorus;Phosphate input;Guandi Mountain

2015-03-04

2015-04-24

王衛(wèi)鋒(1985-)，男(漢)，河南?？h人，講師，博士，研究方向：植物生理生態(tài)

*通訊作者：郭晉平，教授，博士生導(dǎo)師。Tel：13935406926；E-mail: jinpguo@126 com

國家自然科學(xué)基金(30970480 );山西農(nóng)業(yè)大學(xué)引進人才博士基金(2013YJ18);山西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金 (2014001)

S718.55

A

1671-8151(2015)03-0301-05