南方紅壤丘陵區(qū)水土保持林對枯落物和土壤養(yǎng)分的影響

曹 智,文仕知,何功秀,周 沁,及 利,楊麗麗

(中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院,湖南 長沙 410000)

土壤有機(jī)碳(soil organic carbon,SOC),是土壤含C有機(jī)物質(zhì)的總和,主要由糖類、木質(zhì)素、黑碳及腐殖質(zhì)組成[1-3]。是土壤養(yǎng)分的重要組成部分,而且參與團(tuán)聚體的形成,對土壤抗蝕能力有很大的影響[4-5]。水熱條件及地上植被是影響土壤有機(jī)碳含量的主要因素,兩者分別通過作用有機(jī)碳的輸入和輸出來影響土壤有機(jī)碳含量[6-9]。因此,探尋土壤有機(jī)碳變化與季節(jié)和植被的響應(yīng),對于維持土壤質(zhì)量有著重要意義。

南方紅壤區(qū)降雨集中,地形復(fù)雜,是我國水土流失的重點(diǎn)區(qū)域[10]。高強(qiáng)度的土壤侵蝕,導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失、地力下降,嚴(yán)重影響了正常的生產(chǎn)生活[11]。地上植被是影響水土流失的主要因素,因此營造水土保持林是改善土壤質(zhì)量、降低水土流失的主要手段。陳洋等[12]的研究表明,植被類型能夠明顯影響水土流失,喬木林的水土保持作用顯著優(yōu)于其他植被類型;肖好燕等[13]在武夷山的研究中,發(fā)現(xiàn)不同林分對土壤有機(jī)碳、土壤可溶性組分存在顯著影響,闊葉林更有利于土壤肥力的恢復(fù)。孫歐文等[14]的研究表明,針闊混交林及闊葉純林的林分持水能力相對高于針葉純林,各林種之間土壤容重、孔隙度等指標(biāo)并無顯著差異。Adam等[15]研究發(fā)現(xiàn),混交林雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn),但林分管理較為復(fù)雜,有較強(qiáng)的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)性。因此關(guān)于混交林配置的研究一直以來都是學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)問題。

杉木(Cunninghamialanceolata)具有生長快、性能好、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高等特點(diǎn),是我國南方主要的造林樹種,總?cè)斯ち种猩寄玖置娣e占比超過60%,由于多代連栽和經(jīng)營管理不善,杉木人工林導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量下降[16]。閩楠(Phoebebournei)作為樟科常綠樹種、國家Ⅱ級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物,是我國南方特有珍貴用材樹種[17]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),杉闊混交林比杉木純林有更高的土壤有機(jī)碳含量及養(yǎng)分儲(chǔ)量,一般混交樹種主要為火力楠(Micheliamacclurei)、木荷(Schimasuperba)、紅錐(Castanopsishystrix)[18-20]等,關(guān)于杉木與閩楠混交林的研究較少,且主要集中于混交后植物生理的變化,如葉的功能性狀、光合特性、林分化學(xué)計(jì)量比[20-21]等,針對杉木-閩楠混交林的土壤養(yǎng)分含量的研究相對不足。因此,選取湖南省永州金洞林場的杉木-閩楠混交林、閩楠純林、杉木純林作為研究對象,探究不同季節(jié)水土保持林土壤養(yǎng)分及凋落物養(yǎng)分的變化,分析不同林分組成對于土壤有機(jī)碳的影響,為紅壤地區(qū)水土保持工作的開展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省永州市金洞林場(26°14′28″N,112°8′15″E),屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候,年均降水量1 600～1 900 mm,年均日照1 529.9 h,年均氣溫16.3～17.7 ℃,無霜期275 d。試驗(yàn)林地于2004年種植杉木、閩楠純林,苗木為1年生裸根苗,初植密度為2 200株·hm-2,2005年對杉木、閩楠進(jìn)行間伐,并在部分杉木純林中補(bǔ)植2年生閩楠苗木。林地內(nèi)主要灌木樹種為鹽膚木(Rhuschinensis)、野桐(Mallotustenuifolius)、喜樹 (Camptothecaacuminata)等;主要草本植物為小紅菊(Dendranthemachanetii)、蒲公英(Taraxacmmongolicum)等。研究區(qū)成土母質(zhì)以砂巖、頁巖、碳質(zhì)板巖為主,土壤為第四紀(jì)紅色壤土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2018年1月,在該林場分別選擇坡度、坡向、海拔、土壤和地形等立地因子相似的3種林分的人工林試驗(yàn)樣地,分別為閩楠純林、杉木純林和杉木-閩楠混交林,林齡均為15 a,均已郁閉。其中混交林中杉木與閩楠樹種比例為5∶5。每個(gè)林分組成分上坡、中坡和下坡各設(shè)置3塊20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地,共9塊標(biāo)準(zhǔn)地(表1)。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic situation of the sample sites

分別于2018年的1月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)、11月(秋季)進(jìn)行土壤和凋落物樣品的采集。

凋落物樣品的采集與處理:在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按“S”形設(shè)置5個(gè)1 m×1 m樣方,用皮尺界定,按未分解層和半分解層收集凋落物,并稱濕重,帶回試驗(yàn)室后,60 ℃烘干,稱量干重。粉碎、研磨過篩(0.149 mm),用于測定凋落物養(yǎng)分的含量。

土壤樣品的采集與處理:在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按照“S”形選取5個(gè)代表性的樣點(diǎn),去除地表凋落物,按照不同土層深度(0～10、10～20 cm和20～30 cm)采集土壤樣品,每個(gè)點(diǎn)取3個(gè)重復(fù),所用樣品裝于自封袋放入4 ℃泡沫箱中立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。將部分分層土樣在蔭庇處進(jìn)行自然風(fēng)干,樣品完全風(fēng)干后,研磨過篩(0.149 mm),用于測定土壤養(yǎng)分含量。環(huán)刀所取土壤用于測定土壤的容重、持水量等物理性質(zhì)。

1.3 測定指標(biāo)

根據(jù)土壤農(nóng)化分析[22],稱取10 g鮮土放置于鋁盒中,在105 ℃下烘干至恒重,計(jì)算土壤含水量;土壤容重采用環(huán)刀法測定;土壤pH用pH儀測定;土壤有機(jī)碳(SOC)和凋落物全C(TC)采用重鉻酸鉀-濃硫酸高溫外熱法測定;全N(TN)采用凱氏定氮法測定;Avio 500ICP(Thermo Fisher Scientific,美國)測定全P、全K、全Ca、全Mg的含量?？扇苄杂袡C(jī)碳(DOC)使用提取液中總有機(jī)碳(TOC)含量表示,總有機(jī)碳(TOC)的測定采用外加熱重鉻酸鉀氧化法,使用紫外分光光度計(jì)(UV-120-02,Shimadzu)測定吸光值;可溶性有機(jī)N(DON)采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法?？扇苄杂袡C(jī)P(DOP)采用過硫酸鉀氧化-鉬藍(lán)比色法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016和IBM SPSS 23.0軟件處理數(shù)據(jù)。采用單因素(one-way ANOVA)和雙因素方差分析(two-way ANOVA)檢驗(yàn)不同處理間的差異顯著性(LSD,α=0.05)。采用Canoco 5.0將土壤有機(jī)碳與土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行冗余分析(RDA),并進(jìn)行Mantel檢驗(yàn)計(jì)算各因子對土壤有機(jī)碳變異的解釋程度。所有數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分組成的土壤理化性質(zhì)

林分組成對土壤可溶性有機(jī)P和全K在各林分間無顯著差異,其余養(yǎng)分指標(biāo)存在顯著影響(表2)。在0～10 cm,杉木-閩楠混交林與閩楠純林土壤有機(jī)質(zhì)含量分別為27.19 g·kg-1和25.83 g·kg-1,比杉木純林分別高35.10%和28.33%;杉木純林土壤全N含量為1.18 g·kg-1,比杉木-閩楠混交林與閩楠純林分別低39.83%和49.15%;杉木-閩楠混交林土壤全P含量與杉木純林無顯著差異,且兩者都顯著低于閩楠純林(P<0.05)。不同土層間的土壤有機(jī)碳、全N、可溶性有機(jī)碳、可溶性有機(jī)N存在顯著差異,其他養(yǎng)分指標(biāo)在各土層間差異不顯著。

表2 不同林分土壤理化性質(zhì)Table 2 Seasonal dynamics of soil physicochemical properties in different forest stands

2.2 不同林分組成的凋落物養(yǎng)分特征

不同林分組成之間的凋落物全C、全K、全Ca、全Mg無顯著差異,其他養(yǎng)分指標(biāo)均受到林分組成的顯著影響(表3)。在未分解層,不同林分間凋落物全C存在顯著差異,杉木純林凋落物全C含量最高為488.87 g·kg-1,比杉木-閩楠混交林高11.95%;凋落物全N無顯著差異;在半分解層,杉木純林凋落物全N含量最低為5.88 g·kg-1,比杉木-閩楠混交林低54.25%。在各分解層,杉木-閩楠混交林凋落物全P、可溶性有機(jī)P顯著低于閩楠純林。

表3 不同林分凋落物理化性質(zhì)Table 3 Seasonal dynamics of physical properties of litter in different forest stands

2.3 不同林分組成土壤與凋落物養(yǎng)分的季節(jié)響應(yīng)

季節(jié)和林分組成的交互作用對土壤全K無顯著影響,對其他土壤養(yǎng)分指標(biāo)均存在顯著影響(表4)。林分組成對土壤有機(jī)碳、土壤K、可溶性有機(jī)P無顯著影響,對其他養(yǎng)分指標(biāo)存在顯著性影響(P<0.05);季節(jié)因子僅對土壤K、土壤可溶性有機(jī)碳、土壤可溶性有機(jī)P存在顯著性影響(P<0.05),對其他養(yǎng)分元素不存在顯著影響。林分組成和季節(jié)因子的單一作用不會(huì)對土壤有機(jī)碳產(chǎn)生顯著影響,但會(huì)對土壤可溶性有機(jī)碳產(chǎn)生顯著影響。

表4 林分和季節(jié)對土壤養(yǎng)分影響的雙因素方差分析Table 4 Two-way ANOVA on the effects of stands and seasons on soil nutrients

林分組成和季節(jié)的交互作用對凋落物全C、全N、可溶性有機(jī)N存在顯著影響,對其他養(yǎng)分指標(biāo)均無顯著影響(表5)。林分組成對凋落物總C及其礦質(zhì)元素?zé)o顯著影響,對其他養(yǎng)分指標(biāo)存在顯著性影響(P<0.05);季節(jié)更替對凋落物所測所有養(yǎng)分指標(biāo)均存在顯著影響(P<0.05)。

表5 林分組成和季節(jié)對凋落物養(yǎng)分影響的雙因素方差分析Table 5 Two-way ANOVA on the effects of stands and seasons on litter nutrients g·kg-1

2.4 土壤有機(jī)碳與土壤環(huán)境、凋落物特征相關(guān)關(guān)系分析

將土壤有機(jī)碳和土壤可溶性有機(jī)組分作為響應(yīng)變量,將土壤環(huán)境因子與凋落物養(yǎng)分因子作為解釋變量進(jìn)行冗余分析并進(jìn)行Mantel檢驗(yàn)(圖1)。0～10 cm土層對土壤有機(jī)碳的總體變異解釋度最高,第1排序軸解釋度為36.72%,第2排序軸解釋度為11.07%,20～30 cm土層對總體變異解釋度最低,且低于凋落物層;半分解層對總體變異解釋度高于未分解層。全N、全P、可溶性有機(jī)N、全Mg在土壤與凋落物各層次均與土壤有機(jī)碳呈正相關(guān),可溶性有機(jī)P在0～10 cm土層表現(xiàn)為正相關(guān);全C在未分解層與土壤有機(jī)碳呈負(fù)相關(guān),半分解層呈正相關(guān)。

A.0～10 cm土層;B.10～20 cm土層;C.20～30 cm土層;D.未分解層;E.半分解層;SOM.土壤有機(jī)質(zhì);DOC.可溶性有機(jī)碳;DON.可溶性有機(jī)氮;DOP.可溶性有機(jī)磷;TC.全碳;TN.全氮;TP.全磷;K.全鉀;Ca.全鈣;Mg.全鎂。

土壤可溶性有機(jī)碳、凋落物半分解層可溶性有機(jī)碳與土壤有機(jī)碳呈顯著正相關(guān),凋落物未分解層全K、全Ca與土壤有機(jī)碳呈顯著負(fù)相關(guān)(表6)?？扇苄杂袡C(jī)P僅在凋落物未分解層與土壤有機(jī)碳呈顯著正相關(guān),全N、全P、全Mg在各土層均與土壤有機(jī)碳呈正相關(guān);總體上,土壤有機(jī)碳受可溶性有機(jī)碳、全N、全Mg的影響較大。

表6 土壤有機(jī)碳與養(yǎng)分因子的相關(guān)系數(shù)Table 6 Correlation coefficient between soil organic matter and nutrient factors

3 討論

不同林分組成的森林因在樹種、群落結(jié)構(gòu)等方面的差異,形成了不同的凋落物性質(zhì)和養(yǎng)分條件,這些顯著影響了土壤養(yǎng)分含量。本研究表明,土壤和凋落物養(yǎng)分在林分模式和季節(jié)的交互作用下存在顯著差異,這與大多數(shù)研究一致[23]。不同林分模式由于生理特征的差異,導(dǎo)致凋落物和土壤微生物群落不同,影響了土壤養(yǎng)分的含量[24]。在本研究中,不同林分模式的土壤養(yǎng)分含量為:杉木-閩楠混交林>閩楠純林>杉木純林,表明混交的栽植方式能夠有效改善土壤養(yǎng)分,同黃永珍等[25]研究結(jié)果一致。凋落物作為土壤養(yǎng)分的主要來源之一,直接影響土壤中養(yǎng)分元素的含量[26]。對比純林,混交林中不同種類的凋落物混合產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),使分解的物理環(huán)境發(fā)生了改變,同時(shí)混合凋落物比單一凋落物養(yǎng)分更為豐富,通過淋溶作用進(jìn)行養(yǎng)分周轉(zhuǎn)時(shí),解除了單一凋落物對微生物分解活動(dòng)的養(yǎng)分限制,加速了凋落物的分解。此外,凋落物的C/N也是影響凋落物分解的重要因素,C/N越低其凋落物質(zhì)量越高。相比閩楠凋落物,杉木凋落物質(zhì)量較低,分解緩慢,因此養(yǎng)分釋放較為緩慢,導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量下降;混交林中質(zhì)量差異明顯的凋落物混合時(shí),會(huì)促進(jìn)真菌群落的養(yǎng)分吸收,高質(zhì)量凋落物促進(jìn)其低質(zhì)量凋落物的分解,從而加速整體的分解速率,提高了土壤養(yǎng)分的含量[27]。3種林分組成土壤養(yǎng)分含量隨土層加深遞減,均表現(xiàn)出表聚效應(yīng),是由于在沒有干擾的條件下,凋落物中的養(yǎng)分通過土壤微生物群落的生化作用和異化作用,完成養(yǎng)分的釋放和轉(zhuǎn)移,但該反應(yīng)主要發(fā)生在表層土壤中[28],因此土壤養(yǎng)分隨土壤深度的增加呈下降趨勢。

3種林分組成的土壤和凋落物養(yǎng)分均受到季節(jié)變化的顯著影響,土壤與凋落物養(yǎng)分隨季節(jié)的變化并不一致,季節(jié)因素對土壤養(yǎng)分的影響較大。季節(jié)因素主要通過改變水熱條件,來影響土壤養(yǎng)分含量,總體上,閩楠純林和杉木純林對季節(jié)的響應(yīng)相反,杉木-閩楠混交林與閩楠純林變化相似。水熱條件是影響凋落物分解的重要因素之一,研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,雨季降雨集中,會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的淋溶作用,加速凋落物養(yǎng)分釋放[27],從而降低了凋落物層的養(yǎng)分含量。此外,有研究表明亞熱帶地區(qū)植被凋落物表現(xiàn)出明顯的節(jié)律性,闊葉落葉林一般為雨季的初級(jí)和末期,而針葉林則一般在6月出現(xiàn)凋落物高峰期[27]。這也是導(dǎo)致凋落物養(yǎng)分受季節(jié)影響的重要原因之一。

土壤有機(jī)碳主要來源于植被地上部分的凋落物及其地下部分細(xì)根的殘余物,植被類型的變化會(huì)影響到土壤有機(jī)碳的輸入。本研究表明,不同林分組成的土壤有機(jī)碳確實(shí)存在顯著差異,全N、可溶性有機(jī)碳及全Mg對土壤有機(jī)碳存在顯著影響,符合Lu等[29]的研究結(jié)果。土壤N含量與凋落物中N素的含量息息相關(guān),凋落物中的N含量轉(zhuǎn)而又會(huì)影響凋落物分解的速率。相比闊葉林,針葉林凋落物起始C/N一般較高,不利于微生物生理活動(dòng)的代謝需求,需要吸收外界土壤中的N素來完成分解活動(dòng),導(dǎo)致針葉林土壤N含量下降[23],這與本研究結(jié)果相同。而且,N素與微生物的活性顯著相關(guān),土壤的N素下降導(dǎo)致微生物活性下降,致使土壤有機(jī)碳含量減少[30]。閩楠細(xì)根生長旺盛,表層土壤中細(xì)根與微生物交互活動(dòng)頻繁,能進(jìn)一步促進(jìn)凋落物的分解,發(fā)達(dá)的淺層根系使土層疏松,也有利于有機(jī)碳的存儲(chǔ)。本研究中,季節(jié)對土壤有機(jī)碳的影響主要通過水熱條件的變化來影響土壤及凋落物養(yǎng)分,這與王園博等[23]研究結(jié)果一致。此外,有研究表明,季節(jié)因子會(huì)影響到土壤酶活性和微生物活性,改變土壤有機(jī)碳的礦化進(jìn)程,改變土壤有機(jī)碳的輸入、輸出[8,31]。

4 結(jié)論

林分組成對季節(jié)因子對土壤和凋落物養(yǎng)分均存在顯著影響,杉木-閩楠混交林土壤和凋落物養(yǎng)分顯著高于杉木純林、閩楠純林,其土壤有機(jī)碳、全N、全P比杉木純林高35.07%～52.63%,凋落物礦質(zhì)元素含量比閩楠純林高25.35%～45.16%。林分因子主要通過改變凋落物養(yǎng)分的輸入來影響土壤養(yǎng)分,季節(jié)因子主要通過對C、N及可溶性有機(jī)組分的影響來調(diào)控土壤養(yǎng)分。林分組成和季節(jié)因子均會(huì)對土壤有機(jī)碳產(chǎn)生顯著影響,主要通過影響土壤N素的含量來影響土壤有機(jī)碳的含量。