疏伐施肥對白蘭林凋落物層養分和土壤生化性質的影響

王 敏，鄒曉君，嚴萬兵，李 政，陳偉東，嚴利章，薛 立*

疏伐施肥對白蘭林凋落物層養分和土壤生化性質的影響

王 敏1，鄒曉君2，嚴萬兵1，李 政1，陳偉東1，嚴利章1，薛 立2*

(1. 佛山市云勇生態林養護中心，佛山 528518；2. 華南農業大學林學與風景園林學院，廣州 510642)

為撫育白蘭生態景觀林提供科學依據，對闊葉樹種白蘭（）進行疏伐施肥，2017年疏伐白蘭林至750株·hm-2，并對保留木施有機肥和鈣鎂磷肥。2017年疏伐前和2019年用小樣方法在白蘭林采集凋落物層樣品，用五點取樣法采集0 ～ 40 cm土層的土壤樣品。用常規方法測定凋落物的氮、磷、鉀含量及土壤的pH、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量；分別用比色法、磷酸苯二鈉比色法和高錳酸鉀滴定法測定脲酶、磷酸酶及過氧化氫酶活性。研究結果表明，疏伐施肥2年后，2019年的凋落物儲量減少了39%，凋落物氮、磷和鉀儲量分別下降了45%、35%和23%。土壤pH上升了3%，土壤有機質、全氮、全磷、有效磷和速效鉀含量分別增加了34%、3%、21%、79%和5%，全鉀和土壤堿解氮含量分別減少了11%和2%。土壤的脲酶和酸性磷酸酶活性分別減少了14%和32%，而土壤中的過氧化氫酶活性增加了12%。與2017年相比，2019年白蘭林的凋落物C/N顯著上升，而C/P 和N/P顯著下降；土壤C/N和C/P顯著上升，而N/P顯著下降。研究結果顯示疏伐施肥能明顯提高森林的土壤肥力，可推廣和運用于生態景觀林撫育中。

白蘭林；疏伐施肥；凋落物層養分；土壤生化性質；化學計量

近年來，我國的一些人工林由于林分密度過大，導致生長緩慢、土壤肥力下降等問題。疏伐和施肥是森林撫育的重?要手段：疏伐可以通過采伐部分林木，增加保留木的生長空間，改善林內光照、水分、溫度，以減少樹木對空間和土壤養分的競爭，提高森林的生長和質量[1]；施肥則可以補充土壤養分，提高土壤肥力。

森林凋落物分解后將養分歸還土壤，改善了土壤肥力，對于土壤養分的維持具有重要作用。目前，疏伐對凋落物層影響的研究較少，例如 Rietl等[2]報道間伐能加速凋落物分解；趙朝輝等[3]的研究表明，疏伐加速凋落物分解；肖文婭等[4]也發現，適度間伐能夠改變凋落物層溫度和酶活性，促進杉木人工林凋落物的分解。施肥對凋落物的影響則有大量的研究，如施磷肥加快了亞熱帶林凋落物的分解速率[5-6]，而施氮肥效果則隨人工林種類不同而異，可以加速[7]或抑制[6, 8]凋落物分解。

土壤肥力綜合反映土壤的物理、化學和生物特性。有機質、氮( N) 和磷( P) 是土壤肥力的重要組成部分，也是限制土壤生產力的重要因子。有機質通過影響土壤理化和生物學性質而影響樹木吸收土壤水分和養分，維持長期的土壤肥力。N主要參與合成植物體內的氨基酸、蛋白質等的重要元素，P 是核酸的重要組成成分，常常影響樹木的生長發育，限制生態系統初級的生產。土壤酶是主要源自土壤微生物代謝過程、土壤動物和植物根系分泌且具有生物催化活性的物質，在森林凋落物分解和土壤養分礦化等土壤生物化學過程中起著重要作用，反映土壤養分的轉化能力。土壤脲酶能夠將土壤有機氮轉化為可供樹木利用的有效態氮，土壤磷酸酶能促進土壤中有機磷轉化為樹木可吸收的無機態磷，而土壤過氧化氫酶活性可以反映土壤腐殖質化的強度和速度。疏伐改善林內?光照和土壤溫度，提高林下植物多樣性，因而?增加凋落物和加速凋落物?分解，提高了土壤肥力[3]。目前已有一些疏伐影響人工土壤特性的報道，例如黃香蘭等[9]認為疏伐通過影響凋落物分解和林下植物而改變了土壤肥力。王成等[10]發現疏伐增強了土壤微生物活性與土壤礦化過程，促進了土壤養分釋放與土壤肥力恢復。有關學者對于施肥影響土壤肥力進行了廣泛的研究，發現施肥影響土壤微生物和酶活性，引起土壤肥力變化[11-13]。

生態化學計量學主要是研究生態系統中多種化學元素平衡的科學。碳(C)、N和P是土壤肥力的核心組成元素。Ｃ是植物體內的結構性物質，占干生?物量的50%左右，Ｎ和Ｐ分?別是蛋白質和遺傳物質的重要組成元素，這3種元素?在他們的生化功能中形成了強烈的耦合關系。所以，生態化學計量學的研究焦?點為C/N/P。土壤作為?森林生態系統的養分庫，研究其C、N、P 化學計量特征?有助于了解C、N、P的循環和平衡機制。不同森林林下凋落物分解產物的差異，影響土壤中C、?N、P 的分布特征及平衡，因而凋落物和土壤的化學計量成為生態化學計量學的研究熱點。對不同森林?土壤C、N、P 化學計量有較多的報道，如趙維俊等[14]報道青海云杉（）林凋落物的C/N、C/P和N/P均大于土壤的C/N、C/P和N/P；汪宗飛等[15]研究人工油松（）林的化學計量比后發現，隨著林齡的增加，油松凋落物的C/N、C/P和N/P無顯著差異，0～10 cm土層的C/N、C/P和N/P呈顯著增加趨勢；劉興鋒等[16]探討了湘西北石漠化區4種森林土壤化學計量特征，發現土壤C/N 和C/P 均為闊葉林＞針闊混交林＞灌木叢＞針葉林；任啟文等[17]證實，冀北山地森林土壤C/N和C/P隨海拔梯度升高而增加。

白蘭（DC.）是原產印度尼西亞爪哇的常綠喬木樹種，現廣泛栽培于我國華南地區，是著名的庭院觀賞樹種。廣東省佛山市高明云勇生態林養護中心于2008年栽植了白蘭生態景觀林。由于林分密度過大，林木個體競爭激烈，土壤肥力下降，需要撫育以發揮其生態效益和景觀效益。目前對生態景觀林的研究主要集中于樹種配置和選擇[18-19]、美景度分析[20-21]等方面，對生態景觀林的撫育技術研究較少[22]，尚鮮見白蘭林疏伐施肥的報道。筆者通過對白蘭林疏伐施肥，研究其凋落物層養分與土壤生化特性的變化, 以期為提高生態景觀林的生態功能和景觀效益提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究地區概況

試驗地位于廣東省佛山市高明區云勇生態林養護中心（112°40′ E，22°53′ N），養護中心的森林面積為1 928.73 hm2。研究地區屬于亞熱帶季風氣候，年均降雨量2 100 mm，主要集中在6—8月，年平均相對濕度80%。試驗地屬丘陵地形，土壤為花崗巖發育的酸性赤紅壤。2017年，9年生的白蘭林分郁閉度為0.9。林分位于海拔278 m、坡向SW 44°、坡度11°的山坡，主要林下植被有黑面神、三叉苦、扇葉鐵線蕨、烏毛蕨和小葉海金沙。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計 2017年12月在白蘭生態景觀林建立3塊20 m × 20 m的疏伐施肥處理樣地，疏伐施肥處理，同時建立對應的對照（CK）樣地，疏伐按照“疏小留大，照顧均勻”的原則進行。疏伐后保留木密度約為750株·hm-2。疏伐后對保留木施肥，施肥量為施芬藍精制有機肥5 kg·株-1和鈣鎂磷肥1 kg·株-1。在林木上坡位挖出深度為15～20 cm、半徑為100 cm的半月溝，將有機肥和鈣鎂磷肥混合施入半月溝，然后覆土。白蘭林分疏伐施肥2年后，樣地的平均樹高由10.5 m增加到11.8 m，平均胸徑由14.1 cm增加到17.3 cm。

2019年12月在林分內各樣地設置5個1 m × 1 m的小樣方進行凋落物的采集。稱取凋落物鮮重后，取部分樣品帶回實驗室測定氮、磷、鉀含量。用五點采樣法采集各樣地0～40 cm土壤層的土樣，密封帶回實驗室，測定土壤的化學性質及酶活性。

1.2.2 凋落物和土壤化學性質測定 將凋落物在70 ℃恒溫下烘干至恒重。氮用半微量凱氏法測定，磷用鉬蘭比色法測定，鉀用原子吸收分光光度計測定[6]。

采用中華人民共和國國家標準森林土壤測定方法。pH用GB 7859—87的電位法，土壤有機質含量用GB 7857—87的重鉻酸鉀氧化—外加熱法，土壤堿解氮含量用GB 7849—87的堿解—擴散法，土壤速效鉀含量用GB 7856—87的1 mol·L-1乙酸銨浸提—火焰光度法。

用半微量凱氏法測定全氮，用氫氧化鈉堿熔法將土壤樣品溶融后提取待測液，用鉬藍比色法測全磷，火焰光度計測全鉀，土壤有效磷含量采用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉法測定[11]。

脲酶用擴散法，磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法，過氧化氫酶用高錳酸鉀滴定法測定[12]。

1.2.3 數據分析 研究采用Microsoft Excel 2013 軟件進行試驗數據統計和圖表制作，運用-檢驗對不同年份的凋落物養分、土壤養分和酶進行平均數差異檢驗，顯著性水平為< 0.05。

2 結果與分析

2.1 凋落物養分

試驗2年后，CK的凋落物儲量顯著減少了32%（< 0.05），凋落物氮和磷含量分別下降5%和17%，鉀含量顯著提高了48%（< 0.05）（表1）。凋落物氮和磷儲量分別顯著下降了35%和46% （< 0.05），鉀儲量下降了7%。

疏伐施肥2年后，由于2019年的凋落物儲量顯著減少了39%（< 0.05）, 凋落物氮含量下降3%，凋落物磷含量上升10%，凋落物鉀含量顯著提高了26%（< 0.05）。

由于凋落物儲量的急劇下降，使得2019年的凋落物氮和磷儲量分別顯著下降了45%和35%（< 0.05），鉀儲量下降了23%。氮、磷和鉀的儲量由2017年的33.0、1.3和4.7 kg·hm-2下降到2019年的18.1、0.9和3.6 kg·hm-2。

表1 凋落物的儲量和養分(平均值±標準差)

注：同列數值后不同字母表示相同處理在不同年份差異顯著（< 0.05）。下同。

2.2 土壤養分

2019年CK的土壤全氮和有效磷含量分別顯著下降了15%和 25%（< 0.05），其余指標無顯著變化(表2)。

2019年經過疏伐施肥的白蘭林土壤pH沒有顯著變化。土壤有機質由23.24顯著上升到30.93 kg·hm-2，顯著上升了34%（< 0.05）。2019年土壤全氮含量由2017年的1.05增加到1.08，全P由0.19顯著增加到0.23 g·kg-1（< 0.05），增幅分別為3%和21%。全鉀含量由13.25減少到11.80 g·kg-1，減幅為11%。與2017年相比，2019年土壤堿解氮含量由90.19 mg·kg-1下降到88.46 mg·kg-1, 減少了2%；土壤有效磷含量0.80 mg·kg-1顯著增加到1.43 mg·kg-1（< 0.05）, 速效鉀由29.40 mg·kg-1增加到30.99 mg·kg-1, 增幅分別為79%和5%。

表2 土壤化學性質（平均值±標準差）

表3 土壤酶活性（平均值±標準差）

表4 白蘭林凋落物和土壤化學計量比(平均值±標準差)

2.3 土壤酶變化

2019年CK的土壤脲酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶活性與其2017年相比無顯著變化（表3）。與2017年相比，2019年疏伐施肥的白蘭林土壤的脲酶由458 mg·kg-1·d-1下降到396 mg·kg-1·d-1，酸性磷酸酶活性由855 mg·kg-1·h-1顯著下降到584 mg·kg-1·h-1（< 0.05），降幅分別達14%和32%，而土壤過氧化氫酶活性由1.73 mL·g-1·h-1增加到1.92 mL·g-1·h-1，增幅為12%。

2.4 凋落物和土壤化學計量比

2019年CK的土壤C/N顯著大于2017年（< 0.05），其余指標無顯著差異（表4）。2019年經過疏伐施肥的凋落物的白蘭林凋落物C/N比2017年顯著上升了10%（< 0.05），而C/P 和N/P分別顯著下降了10%和50%（< 0.05）。2019年白蘭林的土壤C/N和C/P分別顯著上升了29%和21%（< 0.05），而N/P顯著下降了15%（< 0.05）。

3 討論與結論

3.1 凋落物養分

試驗2年后，疏伐施肥樣地的凋落物儲量下降幅度大于CK，二者均顯著減少。2018年9月特大臺風“山竹”引起林分林窗的產生，提高了林內太陽光照水平，增加了林下的氣溫和土溫，加速了CK凋落物的分解。疏伐提高了林地的太陽輻射和地表溫度，而太陽中的紫外光和地表溫度上升有利于凋落物的分解[23]。許多研究發現，施肥特別是磷肥能加快亞熱帶森林凋落物的分解。例如施磷促進了巴西塞拉多森林凋落物[6]、馬占相思凋落葉[24]和大葉相思凋落葉的分解[7]。因此，疏伐施肥樣地的凋落物儲量顯著下降。

盡管疏伐引起的林內光照增強和溫度上升，南亞熱帶的充沛降雨及施肥加速了凋落物的分解，但是氮和磷不易流失[25]，加上有機肥、特別是磷肥可以補充凋落物氮和磷，因此疏伐施肥2年后凋落物氮含量僅下降3%，而凋落物磷含量上升10%。2年后的凋落物鉀含量顯著上升。佘漢基等[24]的研究表明，外源性氮、磷和氮+磷處理的馬占相思林的凋落葉Ｋ含量在分解初期被淋溶釋放后，隨后呈現波動性上升趨勢。因此凋落物鉀含量的上升可能是施肥、雨水淋溶、微生物吸收及凋落物分解釋放共同作用的結果。2019年疏伐施肥樣地的凋落物儲量急劇下降，導致凋落物氮、磷和鉀儲量的下降。

3.2 土壤化學性質

經過疏伐施肥的土壤pH略微上升。鈣鎂磷肥屬于堿性肥料，能提高土壤pH。但是土壤自身具有緩沖pH的能力[2]，所以土壤?pH變化不大。疏伐施肥促進了凋落物分解，在分解轉化為土壤腐殖質的過程中促進了有機質含量顯著增加。另外，土壤施肥后, 滿足了植物和土壤微生物所需的有效養分, 可以減少有機質的礦質化[10]。

CK的土壤全氮顯著下降，而疏伐施肥的土壤全氮含量增加，全磷含量顯著增加。CK的土壤全氮下降可能與林木生長需求較多的氮有關。疏伐后林地的太陽輻射和土溫增加, 有利于凋落物分解, 加上施肥的效果，可以在滿足林木生長所需求的氮和磷的情況下，增加了土壤氮和磷含量。增加的土壤有效性磷容易與華南地區酸性赤紅壤中的鋁離子和鐵離子結合而增加全磷含量[26]。2019年疏伐施肥的土壤全鉀含量減少。盡管凋落物分解有利于鉀的釋放，但是鉀容易受到雨水的淋溶[27], 加上在凋落物中的富集，引起土壤全鉀含量下降。

2019年疏伐施肥樣地的土壤堿解氮含量減少，可能因為施肥促進了林木生長，加快對土壤可溶性氮的吸收；CK的土壤有效磷含量下降則可能與林木生長吸收了一定量的有效磷有關。疏伐施肥樣地的土壤有效磷含量的顯著增加與凋落物分解加快有關，同時施鈣鎂磷肥直接增加了土壤有效磷含量。疏伐施肥樣地的速效鉀略有增加，可能與有機肥中含鉀有關。肥料提高了微生物活性，有利于土壤全鉀轉化為速效鉀[28]。此外，林分疏伐林可以提高土壤溫度，有利于巖石風化，而試驗林的母巖為富含鉀長石的花崗巖, 因此增加了速效鉀含量[29]。

3.3 土壤酶

2019年疏伐施肥樣地的脲酶下降，可能與其土壤堿解氮含量高有關。土壤堿解氮的增加緩解了土壤中的氮限制，導致土壤微生物分泌的脲酶減少，降低了其活性[11]；酸性磷酸酶活性顯著下降，可能是磷肥抑制了酸性磷酸酶[28]。磷肥降低了土壤微生物與植物對磷的競爭，減少了其以獲取磷為目的去合成磷酸酶的能量投入，降低了磷酸酶的分泌量[11]；土壤過氧化氫酶活性的增加可能與施磷肥有關。南方赤紅壤磷含量較低，磷的增加可以平衡土壤養分，促進了樹木生長和微生物活動，因此提高了過氧化氫酶的活性[12]。

3.4 凋落物和土壤的化學計量

C/N比和C/P都是有效反映凋落物分解速率和凋落物養分釋放的重要指標。本研究中?，2017年和2019年疏伐施肥樣地的凋落物C/N分別為36.69和39.32，大于喀斯特植被（23.72）[30]，黃土高原的刺槐林（17.16）[31]和青海云杉林（33.25）[14]的凋落物養分的Ｃ/Ｎ比，表明與以上林分相比，不利于凋落物分解。?2017年和2019年的凋落物C/P分別為903.65和814.28, 大于喀斯特植被（484）[30]青海云杉林[14]（484.07），與黃土高原子午嶺地區油松林（966.77）[15]相近。白蘭凋落物中的N和P容易被微生物分解，且在華南地區充沛降雨淋失，造成木質素難分解物質的積累，導致C/N和C/P升高。2017年和2019年的凋落物N/P分別為35.14和17.56。通常凋落物N/P小于10.0時凋落物分解為N限制，大于16.0 凋落物分解為P限制[31]。由此判斷，白蘭凋落物分解為P限制。

施肥疏伐處理后，凋落物的C/N 升高，而C/P和N/P下降，表明凋落物分解過程中，C的釋放比N的釋放慢，卻比P的釋放快，而N的釋放也比P的釋放快。凋落物中C/P和N/P的下降表明由于凋落物中的P含量低，在凋落物分解過程中，凋落物中的P不能滿足微生物的生長發育，微生物將固定一部分P至凋落物中, 且吸收率超過自身消耗率，引起P含量升高，最終導致C/P和N/P的下降。

2017年疏伐施肥樣地的土壤C/N為12.78，與我國土壤的平?均值（12）[15]和全球土壤的C/N平均?值(13.33)[33]相近。2019年疏伐施肥樣地的土壤C/N為16.54，高于我國土壤和全球土壤的C/N，主要原因是施有機肥后，提高了有機Ｃ含量。2017年和2019年疏伐施肥樣地的土壤C/P分別為70.62和77.64，低于全球森林土壤的平均水平（81.90）[33]。較低的C/P表明有機質分解速率快, 土壤P有效性高。2019年疏伐施肥樣地的土壤C/P高于2017年與施磷肥有關。另外，研究地點年降水量大、年平均氣溫高, 土壤微生物活躍, 凋落物分解快, 導致森林土壤有機質的快速分解，土壤C含量下降。2017年和2019年疏伐施肥樣地的土壤N/P分別為5.53和4.70，低于全球森林土壤?的（6.60）[33]，這將有利于林地土壤微生物在礦化土壤有機質中釋放較多的磷元素，促進白蘭林生長。

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Effects of thinning and fertilizing on litter nutrients and soil biochemical properties in aDC. plantation

WANG Min1, ZOU Xiaojun2, YAN Wanbing1, LI Zheng1, CHEN Weidong1, YAN Lizhang1, XUE Li2

(1. Maintenance Center of Yunyong Ecological Forest, Foshan 528518;2. College of Forestry and Landscape Architecture, South China Agricultural University, Guangzhou 510642)

Litter and soil play an important role in maintaining forest productivity, but litter nutrient and soil biochemical property can be affected by forest management practices, such as thinning and fertilizing. To examine the effect of thinning and fertilizing on litter nutrient and soil biochemical property in aDC. plantation so as to provide a scientific basis for the reasonable management ofplantations, an experiment of thinning + fertilizing was conducted to theplantation in 2017, litter nutrient and soil biochemical property were measured before thinning + fertilizing and two years after thinning + fertilizing measure, and corresponding indexes were compared. Litter samples were collected in five subquadrat of 1 m × 1 m, and the soil samples were collected by five-point sampling method from 0 - 40 cm depth soil layers in theplantation. Nitrogen, phosphorus and potassium contents in litter, soil pH, organic matter, total nitrogen, total phosphorus, total potassium, alkalized nitrogen, available phosphorus and available potassium were determined by routine methods. Activities of catalase, phosphatase and urease were determined by colorimetry, disodium phenyl phosphate colorimetric method and titration with potassium permanganate, respectively. In comparing with those in 2017, litter amount decreased by 39%, N, P and K amounts of litter decreased by 45%, 35% and 23% in 2019, respectively. The pH of the soil increased by 3%, and the contents of soil organic matter, total N, total P, available P and available K increased by 34%, 3%, 21%, 79% and 5%, respectively, whereas, the total K and alkalized N contents decreased by 11% and 2%, respectively. The soil urease and phosphoric enzyme activities decreased by 14% and 32%, respectively, while soil catalase activity increased by 12%. Compared to 2017, C/N significantly increased, whereas C/P and N/P significantly decreased in litter;C/N and C/P significantly increased, whereas N/P significantly decreased in the soil of theplantation in 2019. The results suggested that the thinning + fertilizing measure can obviously improve the soil fertility of theplantation, which can be used for stand tending of eco-landscape forest.

; thinning and fertilizing; nutrient of litter layer; soil biochemical property; stoichiometry

S153.6; S714.2

A

1672-352X (2021)03-0474-06

10.13610/j.cnki.1672-352x.20210706.013

2021-7-7 10:36:39

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.S.20210706.1646.026.html

2020-09-04

佛山市科學技術局項目（2017AB004124）資助。

王 敏，工程師。E-mail：minwangcq2005@126.com

薛 立，教授，博士生導師。E-mail：forxue@scau.edu.cn