南方紅壤丘陵區水土保持林對枯落物和土壤養分的影響

曹 智,文仕知,何功秀,周 沁,及 利,楊麗麗

(中南林業科技大學 林學院,湖南 長沙 410000)

土壤有機碳(soil organic carbon,SOC),是土壤含C有機物質的總和,主要由糖類、木質素、黑碳及腐殖質組成[1-3]。是土壤養分的重要組成部分,而且參與團聚體的形成,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碳含量的主要因素,兩者分別通過作用有機碳的輸入和輸出來影響土壤有機碳含量[6-9]。因此,探尋土壤有機碳變化與季節和植被的響應,對于維持土壤質量有著重要意義。

南方紅壤區降雨集中,地形復雜,是我國水土流失的重點區域[10]。高強度的土壤侵蝕,導致土壤養分流失、地力下降,嚴重影響了正常的生產生活[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于其他植被類型;肖好燕等[13]在武夷山的研究中,發現不同林分對土壤有機碳、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。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、孔隙度等指標并無顯著差異。Adam等[15]研究發現,混交林雖然具有諸多優點,但林分管理較為復雜,有較強的不確定性和風險性。因此關于混交林配置的研究一直以來都是學術界的熱點問題。

杉木(Cunninghamialanceolata)具有生長快、性能好、經濟價值高等特點,是我國南方主要的造林樹種,總人工林中杉木林面積占比超過60%,由于多代連栽和經營管理不善,杉木人工林導致土壤養分含量下降[16]。閩楠(Phoebebournei)作為樟科常綠樹種、國家Ⅱ級重點保護植物,是我國南方特有珍貴用材樹種[17]。經研究發現,杉闊混交林比杉木純林有更高的土壤有機碳含量及養分儲量,一般混交樹種主要為火力楠(Micheliamacclurei)、木荷(Schimasuperba)、紅錐(Castanopsishystrix)[18-20]等,關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、林分化學計量比[20-21]等,針對杉木-閩楠混交林的土壤養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,探究不同季節水土保持林土壤養分及凋落物養分的變化,分析不同林分組成對于土壤有機碳的影響,為紅壤地區水土保持工作的開展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區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、閩楠進行間伐,并在部分杉木純林中補植2年生閩楠苗木。林地內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。研究區成土母質以砂巖、頁巖、碳質板巖為主,土壤為第四紀紅色壤土。

1.2 試驗設計

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。每個林分組成分上坡、中坡和下坡各設置3塊20 m×20 m的標準地,共9塊標準地(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:在標準地內按“S”形設置5個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),用于測定凋落物養分的含量。

土壤樣品的采集與處理:在每塊標準地內按照“S”形選取5個代表性的樣點,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,每個點取3個重復,所用樣品裝于自封袋放入4 ℃泡沫箱中立即運回實驗室。將部分分層土樣在蔭庇處進行自然風干,樣品完全風干后,研磨過篩(0.149 mm),用于測定土壤養分含量。環刀所取土壤用于測定土壤的容重、持水量等物理性質。

1.3 測定指標

根據土壤農化分析[22],稱取10 g鮮土放置于鋁盒中,在105 ℃下烘干至恒重,計算土壤含水量;土壤容重采用環刀法測定;土壤pH用pH儀測定;土壤有機碳(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碳(DOC)使用提取液中總有機碳(TOC)含量表示,總有機碳(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(UV-120-02,Shimadzu)測定吸光值;可溶性有機N(DON)采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法?？扇苄杂袡CP(DOP)采用過硫酸鉀氧化-鉬藍比色法。

1.4 數據處理

采用Excel 2016和IBM SPSS 23.0軟件處理數據。采用單因素(one-way ANOVA)和雙因素方差分析(two-way ANOVA)檢驗不同處理間的差異顯著性(LSD,α=0.05)。采用Canoco 5.0將土壤有機碳與土壤養分指標進行冗余分析(RDA),并進行Mantel檢驗計算各因子對土壤有機碳變異的解釋程度。所有數據為平均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 不同林分組成的土壤理化性質

林分組成對土壤可溶性有機P和全K在各林分間無顯著差異,其余養分指標存在顯著影響(表2)。在0～10 cm,杉木-閩楠混交林與閩楠純林土壤有機質含量分別為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碳、全N、可溶性有機碳、可溶性有機N存在顯著差異,其他養分指標在各土層間差異不顯著。

表2 不同林分土壤理化性質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,其他養分指標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P顯著低于閩楠純林。

表3 不同林分凋落物理化性質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分的季節響應

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

表4 林分和季節對土壤養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

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

表5 林分組成和季節對凋落物養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 土壤有機碳與土壤環境、凋落物特征相關關系分析

將土壤有機碳和土壤可溶性有機組分作為響應變量,將土壤環境因子與凋落物養分因子作為解釋變量進行冗余分析并進行Mantel檢驗(圖1)。0～10 cm土層對土壤有機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N、全Mg在土壤與凋落物各層次均與土壤有機碳呈正相關,可溶性有機P在0～10 cm土層表現為正相關;全C在未分解層與土壤有機碳呈負相關,半分解層呈正相關。

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.土壤有機質;DOC.可溶性有機碳;DON.可溶性有機氮;DOP.可溶性有機磷;TC.全碳;TN.全氮;TP.全磷;K.全鉀;Ca.全鈣;Mg.全鎂。

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

表6 土壤有機碳與養分因子的相關系數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、群落結構等方面的差異,形成了不同的凋落物性質和養分條件,這些顯著影響了土壤養分含量。本研究表明,土壤和凋落物養分在林分模式和季節的交互作用下存在顯著差異,這與大多數研究一致[23]。不同林分模式由于生理特征的差異,導致凋落物和土壤微生物群落不同,影響了土壤養分的含量[24]。在本研究中,不同林分模式的土壤養分含量為: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分,同黃永珍等[25]研究結果一致。凋落物作為土壤養分的主要來源之一,直接影響土壤中養分元素的含量[26]。對比純林,混交林中不同種類的凋落物混合產生協同效應,使分解的物理環境發生了改變,同時混合凋落物比單一凋落物養分更為豐富,通過淋溶作用進行養分周轉時,解除了單一凋落物對微生物分解活動的養分限制,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越低其凋落物質量越高。相比閩楠凋落物,杉木凋落物質量較低,分解緩慢,因此養分釋放較為緩慢,導致土壤養分含量下降;混交林中質量差異明顯的凋落物混合時,會促進真菌群落的養分吸收,高質量凋落物促進其低質量凋落物的分解,從而加速整體的分解速率,提高了土壤養分的含量[27]。3種林分組成土壤養分含量隨土層加深遞減,均表現出表聚效應,是由于在沒有干擾的條件下,凋落物中的養分通過土壤微生物群落的生化作用和異化作用,完成養分的釋放和轉移,但該反應主要發生在表層土壤中[28],因此土壤養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分均受到季節變化的顯著影響,土壤與凋落物養分隨季節的變化并不一致,季節因素對土壤養分的影響較大。季節因素主要通過改變水熱條件,來影響土壤養分含量,總體上,閩楠純林和杉木純林對季節的響應相反,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,研究區屬亞熱帶季風氣候,雨季降雨集中,會產生強烈的淋溶作用,加速凋落物養分釋放[27],從而降低了凋落物層的養分含量。此外,有研究表明亞熱帶地區植被凋落物表現出明顯的節律性,闊葉落葉林一般為雨季的初級和末期,而針葉林則一般在6月出現凋落物高峰期[27]。這也是導致凋落物養分受季節影響的重要原因之一。

土壤有機碳主要來源于植被地上部分的凋落物及其地下部分細根的殘余物,植被類型的變化會影響到土壤有機碳的輸入。本研究表明,不同林分組成的土壤有機碳確實存在顯著差異,全N、可溶性有機碳及全Mg對土壤有機碳存在顯著影響,符合Lu等[29]的研究結果。土壤N含量與凋落物中N素的含量息息相關,凋落物中的N含量轉而又會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的代謝需求,需要吸收外界土壤中的N素來完成分解活動,導致針葉林土壤N含量下降[23],這與本研究結果相同。而且,N素與微生物的活性顯著相關,土壤的N素下降導致微生物活性下降,致使土壤有機碳含量減少[30]。閩楠細根生長旺盛,表層土壤中細根與微生物交互活動頻繁,能進一步促進凋落物的分解,發達的淺層根系使土層疏松,也有利于有機碳的存儲。本研究中,季節對土壤有機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分,這與王園博等[23]研究結果一致。此外,有研究表明,季節因子會影響到土壤酶活性和微生物活性,改變土壤有機碳的礦化進程,改變土壤有機碳的輸入、輸出[8,31]。

4 結論

林分組成對季節因子對土壤和凋落物養分均存在顯著影響,杉木-閩楠混交林土壤和凋落物養分顯著高于杉木純林、閩楠純林,其土壤有機碳、全N、全P比杉木純林高35.07%～52.63%,凋落物礦質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分的輸入來影響土壤養分,季節因子主要通過對C、N及可溶性有機組分的影響來調控土壤養分。林分組成和季節因子均會對土壤有機碳產生顯著影響,主要通過影響土壤N素的含量來影響土壤有機碳的含量。