華北落葉松人工林凋落物短期管理對土壤養(yǎng)分變化的影響

白高娃，王志波，李銀祥，曹恭祥，楊躍文，薛璐莎，季 蒙，邢鈺坤

(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 2. 內(nèi)蒙古鄂爾多斯森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016100； 3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)沙地(沙漠)生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)工程重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 4. 呼和浩特市森林保護站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010030)

華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)是華北地區(qū)主要森林樹種，在防風(fēng)固沙及維持當(dāng)?shù)厣稚鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。森林凋落物是林木生長發(fā)育過程中的產(chǎn)物[3]，凋落物通過微生物的分解作用釋放出營養(yǎng)元素補充土壤中缺失的養(yǎng)分，森林凋落物分解是森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分歸還土壤的重要環(huán)節(jié)[4]。國內(nèi)外對森林凋落物的相關(guān)研究較多，王利民[5]在華北落葉松凋落物研究中發(fā)現(xiàn)了全氮含量和殘留量變化規(guī)律。賀紅月等[6]研究凋落葉不同比例混合可促進凋落物分解，并且凋落物中的氮和磷呈增加趨勢。目前已有的研究主要集中在凋落物添加和去除對凋落物分解速率[7]、土壤養(yǎng)分[8-10]、土壤呼吸[11]、土壤微生物群落[12]的影響等方面。林下凋落物量不變情況下，凋落物管理對土壤影響研究較少。

鑒于此，本文對蘇木山華北落葉松林下凋落物進行不同管理，分析土壤養(yǎng)分含量的變化規(guī)律，進而揭示凋落物不同管理方式對土壤養(yǎng)分循環(huán)的作用，以期為蘇木山地區(qū)華北落葉松人工林維持土壤肥力和科學(xué)管理提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古烏蘭察布市興和縣蘇木山林場，地處陰山山脈東段南部，地理坐標(biāo)為40°33′42″N，113°47′25″E，海拔2 100 m，平均坡度15°，屬于半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫 4.2 ℃，年均降水量為397 mm，年均蒸發(fā)量為2 060 mm，無霜期110 d，地帶性土壤為灰褐土。林場總面積 2.2 萬hm2，主要喬木樹種為華北落葉松、油松(Pinustabuliformis)、白樺(Betulaplatyphylla)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)等，主要草本植物為委陵菜(Potentillachinensis)、羊草(Leymuschinensis)、唐松草(Thalictrumaquilegiifoliumvar.sibiricum)、苔草(Carexspp.)、胡枝子(Lespedezabicolor)、地榆(Sanguisorbaofficinalis)等。研究區(qū)林齡47 a，平均密度567株·hm-2，平均樹高 19.37 m，平均胸徑 24.19 cm。林下凋落物平均厚 4.50 cm。

2 研究方法

2018年7月開始設(shè)置樣方，并對凋落物進行管理，管理方式分為堆積和平鋪，并以保持原狀作為對照。堆積：將全分解層、半分解層和未分解層凋落物均勻混合后按2 m × 2 m(樣方內(nèi)每兩個堆積物中心點距離為2 m)的距離堆積成直徑50 cm、高40 cm的圓團狀。平鋪：將全分解層、半分解層和未分解層翻動、攪拌，混勻后平鋪。研究期間對凋落物進行3次管理，分別為2018年7月、9月和2019年5月。每次平鋪處理方法相同，即混勻后平鋪。堆積處理第2次和第3次管理是將散落的和新掉的凋落物歸攏到原堆積位置繼續(xù)堆積。每種處理設(shè)置3個重復(fù)，共布設(shè)10 m × 10 m樣方9塊。

2.1 土壤樣品的采集及化驗

2019年7月進行土樣采集。每個樣方隨機選取5個采樣點。其中，堆積處理是在堆積凋落物下采集土樣，取樣時去除凋落物，用鐵鍬采集表層(0～10 cm)土壤。將每個樣方5個采集點的土壤均勻混合后作為這個樣方的土壤樣品，共9份土樣(平鋪處理3份、堆積處理3份、對照3份)，統(tǒng)一編號后裝入布袋帶回實驗室備用。將采回的土樣在自然條件下室內(nèi)通風(fēng)陰干，去除根系和石塊后，風(fēng)干土過 0.15 mm和2 mm孔徑的篩子，進行pH值、有機質(zhì)、全氮、全鉀、全磷、速效磷、速效鉀、速效氮含量的測定。pH值采用電位法測定(土水比為1∶2.5)；重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機質(zhì)含量；全氮采用半微量凱氏法，速效氮采用堿解擴散法；全磷采用碳酸鈉熔融法，速效磷采用NaHCO3法；全鉀采用氫氧化鈉堿熔-火焰光度計法，速效鉀采用醋酸銨浸提火焰光度法。

2.2 數(shù)據(jù)處理

本文采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理與表格制作，SAS 9.0 進行數(shù)據(jù)方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 凋落物不同處理對土壤pH值、有機質(zhì)含量的影響

由表1可知，凋落物不同處理對土壤pH值產(chǎn)生顯著影響(P<0.05)。與對照相比有凋落物處理的土壤pH值呈下降的趨勢，凋落物平鋪處理下土壤pH值顯著低于堆積處理和對照。平鋪處理下土壤pH值下降了 7.2%，堆積處理下土壤pH值下降了 3.0%，凋落物不同處理下土壤呈酸性。

表1 凋落物處理對土壤pH值、有機質(zhì)含量的影響Tab.1 Effects of litter treatment on soil pH value and organic matter

自然條件下，凋落物是林木生長發(fā)育過程中的產(chǎn)物，是土壤碳庫碳輸入的重要來源，對保持土壤肥力具有重要作用。表1結(jié)果顯示，凋落物不同處理對表層土壤有機質(zhì)含量存在一定的影響。凋落物短期管理后，平鋪處理下土壤有機質(zhì)含量為 125.81 g·kg-1，相比對照提高了 19.57%，顯著高于堆積處理(P<0.05)。堆積處理下土壤有機質(zhì)含量為 99.17 g·kg-1，與對照相比差異不顯著。

3.2 凋落物不同處理對土壤全量養(yǎng)分含量的影響

由表2可知，凋落物堆積和平鋪處理下土壤全氮含量比對照分別提高了0.90%、18.86%。方差分析結(jié)果顯示，凋落物平鋪處理下土壤全氮含量顯著高于堆積處理和對照(P<0.05)。堆積處理下土壤全氮高于對照，但兩者之間無顯著差異；對照土壤全磷含量為 1.06 g·kg-1，堆積和平鋪處理下土壤全磷含量分別為 1.22 g·kg-1、1.04 g·kg-1。凋落物處理下土壤全磷含量與對照間無顯著差異；對照土壤全鉀含量為 18.45 g·kg-1，平鋪和堆積處理下土壤全鉀含量分別為 18.16 g·kg-1和 17.86 g·kg-1，3個處理土壤全鉀含量無顯著差異，其變化為對照>堆積>平鋪?？梢?，凋落物不同處理對土壤全磷和全鉀含量無顯著影響，但凋落物平鋪處理能夠顯著增加土壤全氮含量。

表2 凋落物處理對土壤全量養(yǎng)分含量的影響Tab.2 Effects of litter treatment on soil total available nutrient content

3.3 凋落物不同處理對土壤速效養(yǎng)分含量的影響

由表3可知，凋落物不同處理對土壤速效氮的影響為平鋪>堆積>對照，與對照(72.29 mg·kg-1)相比，平鋪處理和堆積處理下土壤速效氮的含量分別增加了 11.86% 和 1.58%，土壤速效氮含量在3個處理上無顯著差異；土壤速效磷含量在3個處理上差異顯著，平鋪處理下土壤速效磷含量最高(17.98 mg·kg-1)，其次是堆積處理(12.34 mg·kg-1)，與對照(10.08 mg·kg-1)相比分別增加了 78.37% 和 22.42%；土壤速效鉀含量同樣在凋落物平鋪處理下差異顯著(P<0.05)，且與對照相比增加了 38.38%。堆積處理下土壤速效鉀含量(176.19 mg·kg-1)最小?？傮w上，通過凋落物平鋪處理，顯著增加了土壤速效磷和速效鉀含量，而凋落物處理對土壤速效氮含量無顯著影響。

表3 凋落物處理對土壤速效養(yǎng)分含量的影響Tab.3 Effects of litter treatment on soil available nutrient content

4 討論

本研究中凋落物不同處理下土壤呈酸性，與對照相比凋落物處理下土壤pH值降低?？赡芘c針葉林的凋落物本身含有單寧和樹脂有關(guān)，凋落物的管理過程中這些物質(zhì)在微生物的分解作用下，產(chǎn)生酸性較強的物質(zhì)，使土壤酸化。

本研究中凋落物平鋪處理下土壤pH值從原有的 6.66 下降到 6.18，變化顯著，這與有關(guān)研究規(guī)律不一致。相關(guān)研究表明[1]，華北落葉松凋落物分解對土壤有一定的酸化，使土壤pH值下降，但短期內(nèi)變化無明顯的規(guī)律。因此在今后的研究中還需連續(xù)監(jiān)測，進一步探究變化趨勢。

森林凋落物是森林土壤有機質(zhì)的主要來源，而土壤中的氮、磷養(yǎng)分很大一部分是以有機態(tài)的形式貯藏和積累在土壤中，與土壤中有機質(zhì)的含量有密切的相關(guān)性[13-14]。凋落物的不同處理可能對凋落物的分解數(shù)量和質(zhì)量產(chǎn)生變化，從而影響土壤氮、磷含量。凋落物均勻混合平鋪處理使凋落物與土壤表面緊密接觸，通過混合平鋪有利于提高分解的透氣性，同時凋落物混合管理可增加有機質(zhì)的礦化作用，土壤中輸入的新的有機殘體有激發(fā)土壤有機質(zhì)的降解作用[15]。另外，凋落物分解主要由土壤生物來實現(xiàn)，凋落物堆積處理相比平鋪處理減少了凋落物與土壤生物間的相互作用面積，進而使凋落物分解量減少。還有，在一定雨水條件下平鋪處理相比堆積處理和對照對雨水有一定的攔蓄作用，凋落物平鋪管理過程中形成一定的空隙來緩解水分的徑流，增加養(yǎng)分元素的淋洗和淋溶作用，進而影響土壤養(yǎng)分的積累。本研究中土壤全鉀含量在凋落物3種處理下無顯著差異，其變化為對照>堆積>平鋪，原因為土壤全鉀含量主要和該地區(qū)土壤母質(zhì)、風(fēng)化及成土條件等有關(guān)[15]。凋落物平鋪處理相比對照和堆積處理土壤速效鉀含量顯著增加，處理間有顯著差異(P<0.05)，其變化為平鋪>對照>堆積。這可能與凋落物中鉀元素以鉀離子的形式存在[6]，隨著凋落物的分解在淋洗和淋溶作用下轉(zhuǎn)移到土壤溶液中去，產(chǎn)生不同的變化有關(guān)。

5 結(jié)論

(1)華北落葉松凋落物管理(平鋪和堆積)對林地土壤養(yǎng)分含量有不同的影響，其中凋落物平鋪處理對改善土壤養(yǎng)分的效果好于堆積處理。凋落物平鋪處理下土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀含量呈顯著增加的趨勢，而凋落物堆積和平鋪處理對土壤全磷、全鉀、速效氮的影響不顯著。

(2)凋落物通過平鋪管理歸還養(yǎng)分特征，對改善華北落葉松林地土壤性狀和維持林地地力養(yǎng)分平衡有著重要作用。