黄土丘陵区针叶纯林养分循环和枯落物分解导致土壤极化风险分析

张晓曦，刘增文，邴塬皓，朱博超，米彩红

(1 西北农林科技大学 a 水土保持研究所，b 资源环境学院，c 林学院，陕西 杨凌 712100；2 农业部 西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100)

退耕还林以来，黄土高原大规模的人工植被得以恢复，但是由于大多以单一树种组成的乔灌纯林为主，许多连续生长或者多代连栽的纯林出现生长衰退、土壤退化和林木更新困难等连生或连栽障碍现象[1]。其实，关于人工林衰退现象早就被广泛关注[2-7]，对此刘增文等[8]提出了“土壤极化”理论，即“由于人工纯林树种生物生态学特性的单一性、对物质吸收循环利用的选择性和对环境效应的特殊性，土壤性质往往偏离原平衡态并呈现向正向或负向极端化发展的趋势”，其中，正向或增益性极化(养分富集或生物活性提高)有利于土壤的改良，而负向或破坏性极化(养分亏损或生物活性降低)则导致土壤退化。在实践中为了对土壤极化进行有效的调控，防止土壤负向或破坏性极化的发生，就必须对纯林土壤极化的成因和风险进行研究，目前这方面的研究还较少。为此，本研究选择陕北黄土丘陵区具有典型代表性的侧柏、落叶松和油松人工针叶纯林为对象，通过测算林地养分循环以及开展枯落物混土分解培养试验，研究林木生长过程中对土壤养分循环利用的选择性以及枯落物分解对土壤产生的特殊环境效应，进而分析其所导致的土壤极化风险，为当地纯林改造和土壤极化防治提供科学理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区及标准地概况

本研究设在陕北黄陵县双龙林场，其地处黄土高原中部暖温带半湿润黄土丘陵区，年均温9.4 ℃,1月均温 -4.7 ℃，7月均温21.9 ℃，无霜期150 d，年均降水量630.9 mm，相对湿度平均为64%。在区内最具有典型代表性的地段，选择土壤基础性质相似(均为灰褐色森林土，孔隙度49.43%～58.11%，团聚体含量870.7～931.7 g/kg，毛管持水量350.1～445.4 g/kg，pH值8.10～8.20)、进入成熟生长期且郁闭度达到0.90以上的侧柏(Platycladusorientalis)、华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)和油松(Pinustabulaeformis)人工纯林，分别建立20 m×20 m的标准地(表1)。3块纯林标准地的林下植被极其稀少，仅见少量白刺花(Sophoradavidii)、黄荆(Vitexnegundo)、羊胡子草(Carexrigescens)和冰草(Agropyroncristatum)等灌草植物，林下植被总盖度小于15%。

表 1 黄土丘陵区3种针叶人工纯林标准地的基本状况

1.2 研究方法

1.2.1 林分生物量和生产力测算 林分生物量和生产力的测算均采用前人所建立的预测模型[9-11]进行，即根据平均树高(H)、平均胸径(D)代入测算模型Wi=a(D2H)b，其中Wi为林木叶、枝、干或根系生物量，a、b为模型参数，求单株不同器官生物量及总生物量。此外，以生长锥法实测标准木(每标准地2株)历年胸径，以胸径-树高曲线法推算历年树高，采用生物量预测模型，推算各器官的生物量年增长量，即林分净生产力。

1.2.2 植物及土壤样品采集 于秋末冬初旺盛生长期(2011年11月末)，在每个标准地内选择生长正常的3株标准木作为取样木，采集树木树冠中部不同方向的叶、枝(1～2年生幼枝)以及距地面1.3 m高处不同方向干材和干皮，采用挖掘法采集根系(分为细根(Φ<0.5 cm)和粗根(Φ≥0.5 cm))混合样品，经漂洗干净后在65 ℃下迅速杀青烘干、粉碎过孔径1 mm土壤筛备用。同时，在每个标准地内均匀设置5个 1 m×1 m大小的小样方，直接测定年凋落物量和林地枯落物积累量，并分别采集多年积累的枯落物和当年刚凋落尚未分解的枯落叶样品；清理枯落物层(包括半分解层)后,收集每个样方腐殖质层(0～10 cm土层)及10～40 cm土层的全部土壤，将5个样方的土壤充分混合后取部分带回室内，除去叶片、根系、石块等杂物后直接以鲜土过孔径5 mm的土壤筛备用。

1.2.3 样品养分含量测定和林地养分循环测算 所有采集的植物和土壤样品的N、P、K养分含量均于2011-12按照常规方法[12]测定。林地养分积累量根据各个器官的生物量与其养分含量的乘积计算；养分循环通量根据“吸收=存留+归还”的平衡关系计算[13]，其中养分年存留量的测算根据固定(非凋落)器官的生物量年增长量(林分净生产力)与其养分含量的乘积计算，养分年归还量根据年凋落物量与当年凋落物中的养分含量的乘积计算。

1.2.4 养分循环特征参数计算 森林养分循环特征用吸收系数、循环系数和养分生产力等指标来表征[14]，其中，吸收系数为单位面积林木每年所吸收的某种养分量与土壤(0～40 cm土层)中相应养分有效积累量之比；循环系数为单位面积林木某养分每年随凋落物的归还量与年吸收量之比；养分生产力为林木从土壤吸收单位质量养分所能生产的木材蓄积量质量。养分循环导致土壤极化的风险通过土壤养分年亏损率来反映[13]，即单位面积上林木每年从土壤净吸收的某种养分量与土壤(0～40 cm土层)中相应养分积累量之比(由于当地林地基本没有地表径流发生，而随干湿沉降、母质风化等向土壤的养分输入是一个长时间尺度的气候和地质循环过程，相对于仅仅以年为时间尺度的生物循环过程而言，其循环通量一般很少，循环速度也很慢，所以在本研究中略去不计)。

1.2.5 枯落物混土分解培养试验及土壤生物学性质测定 于2012-01，分别将所采集的3种针叶林地的过筛腐殖质层(0～10 cm土层)土壤和林木当年枯落叶、细根样品，按照土壤+枯落叶(S+L)、土壤+根系(S+R)和不与任何枯落物混合的原土(对照，CK)等3种混合处理方式，其中土壤与枯落叶(根系)以干质量比100∶2进行充分混合(鲜土以含水率折算成干土)。然后分别取3 kg经充分混合的土壤与枯落叶(根系)混合样装入不透水塑料培养钵(钵口直径为18 cm,钵体高16 cm)，每处理3个重复。在培养钵中加蒸馏水，调节土壤湿度为田间持水量的50%(预先测定田间持水量，计算应加水量，加水后充分混合，保证土壤湿度均匀)，用薄膜覆盖钵口(留3个通气孔)，然后放在室温(20～25 ℃)下进行分解培养。在培养过程中，每周定期揭开钵口用喷水器均匀补充水分，调节土壤湿度不变(培养钵质量保持恒定)。连续培养120 d，直到观察根系、枯落叶基本分解完全为止。

将分解培养好的每个土样充分混合后平摊于干净的瓷盘中，拣除残留的枯落物碎屑后，取部分鲜土用稀释平板法测定微生物数量，其余土样风干后用于测定其他生物化学指标。其中，脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，蔗糖酶活性采用Na2S2O3滴定法测定，过氧化氢酶活性采用KMnO4滴定法测定，多酚氧化酶活性用碘量滴定法测定，脱氢酶活性采用三苯基四唑氯化物比色法测定，碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，蛋白酶活性采用茚三酮比色法测定[15]。

1.3 数据处理

应用Excel 2003软件进行数据处理，用LSD法对混入枯落叶、根系分解后针叶纯林土壤生物学性质变化进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 3种针叶人工纯林养分积累、循环规律及其导致土壤养分极化的风险

养分积累既是养分循环的基础，也是养分循环的结果。表2表明，侧柏纯林的N主要积累于叶和干，其次为根，而在枝中很少；P主要积累于干，其次为根，而在叶和枝中很少；K主要积累于干，其次为根和叶，而在枝中很少。落叶松纯林的N主要积累于根和叶，其次为干和枝；P主要积累于根和干，其次为叶和枝；K主要积累于根，其次为干，枝和叶中均较少。油松纯林的N基本均匀积累于不同器官；P主要积累于根，其次为枝、叶和干；K主要积累于根，其次为枝和叶，干中较少。可见，干作为生长钝性器官，由于其生物量大，故会积累较多的养分；而作为生长活性器官的根和叶也是养分积累的主要场所。

表 2 黄土丘陵区3种针叶人工纯林生物量中的养分积累量

表3～5表明，3种林地类型中，侧柏纯林对N具有高吸收、快速循环和低养分生产力的特点，对P、K都具有中度吸收、中速循环和中等养分生产力的特点，表明侧柏林属于对N快速循环浪费，而对P、K中速循环适度利用型；侧柏纯林土壤有效养分的年亏损率表现为K>P>N，全量养分年亏损率表现为P>K>N。由此表明，侧柏纯林土壤在生长季节短期内会出现K负向极化(亏损)的风险要高于P、N；但是长期而言则更易导致P出现负向极化，而N出现负向极化的风险较小。

表 3 黄土丘陵区3种针叶人工纯林的土壤(0～40 cm)有效养分积累量及养分循环通量

表 4 黄土丘陵区3种针叶人工纯林的养分循环参数

表3～5显示，3种林地类型中，落叶松纯林对N、P、K都具有低吸收、慢速循环和高养分生产力的特点，表明落叶松林属于对N、P、K慢速循环节约利用型；落叶松纯林土壤有效养分的年亏损率表现为N>P>K，全量养分年亏损率表现为P>N>K。由此表明，落叶松纯林土壤在生长季节短期内会出现N负向极化(亏损)的风险要高于P、K；但是长期而言则更易导致P的负向极化，而K出现负向极化的风险较小。

表3～5还显示，与其他2种林地类型相比，油松纯林对N具有中度吸收、中速循环和中等养分生产力的特点，对P、K都具有高吸收、高速循环和低养分生产力的特点，表明油松纯林属于对N中速循环利用，而对P、K快速循环浪费型；油松纯林土壤有效养分的年亏损率表现为K>N>P，全量养分年亏损率表现为P>N>K。由此表明，油松纯林土壤在生长季节短期内会出现K负向极化(亏损)的风险；但是长期来讲则更易导致P出现负向极化，而N出现负向极化的风险中等。

表 5 黄土丘陵区3种针叶人工纯林的土壤养分年亏损率

2.2 3种针叶人工纯林枯落物分解导致土壤生物学性质的极化风险

由图1可知，侧柏纯林土壤中，加入枯落叶分解后，土壤碱性磷酸酶、脲酶、脱氢酶、蛋白酶活性和微生物数量分别较对照提高了33.49%，88.86%，93.43%，7.21%，74.84%，说明加入枯落叶后引起了这些土壤性质发生正向极化；多酚氧化酶活性较对照降低了17.19%，表明发生了负向极化。加入根系分解后，土壤多酚氧化酶、碱性磷酸酶、脲酶、脱氢酶活性分别较对照提高了7.26%，49.28%，27.07%，72.05%，表明这些性质发生了正向极化；微生物数量、蔗糖酶和过氧化氢酶活性分别较对照降低了18.81%，8.35%，29.66%，表明加入枯落叶后，以上土壤性质发生了负向极化。

图1表明，落叶松纯林土壤中，加入枯落叶分解后土壤蛋白酶、碱性磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性和微生物数量分别较对照提高了14.26%，89.56%，8.29%，27.03%，54.76%，125.41%，表明加入枯落叶后改善了这些土壤生物学性质，使其向正向极化方向发展；土壤多酚氧化酶活性显著降低了13.32%，表明发生了负向极化。加入根系混合分解后，土壤蛋白酶、多酚氧化酶、碱性磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性和微生物数量分别较对照提高了14.98%，6.18%，57.30%，79.43%，105.41%，50.48%，113.35%，表明这些性质向正向极化方向发展。

图1还表明，油松纯林土壤中，加入枯落叶分解后土壤蔗糖酶、蛋白酶、碱性磷酸酶、脲酶、脱氢酶活性和微生物数量分别较对照提高了21.61%， 47.81%，165.08%，51.55%，147.76%，133.65%，表明发生了不同程度的正向极化；土壤多酚氧化酶和过氧化氢酶活性分别较对照降低了28.32%，33.43%，表明发生了负向极化。加入根系分解后,土壤蔗糖酶、蛋白酶、多酚氧化酶、碱性磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性和微生物数量较对照提高了9.35%，27.82%，57.83%，21.19%，56.95%，6.13%，6.57%，66.98%，表明引起了这些土壤性质发生正向极化。

3 讨 论

林木对养分需求的选择性导致了纯林养分循环规律因树种和养分不同而具有明显差异。一般而言，高吸收、快速循环的养分具有较低的养分生产力(浪费利用型)，相反低吸收、慢速循环的养分具有较高的养分生产力(节约利用型)[16]。而且，养分由土壤-林木-枯落物的方向流动时，高吸收、快速循环养分在整个生态系统中的流通率大，呈“粗直管型”(粗进粗出)；高吸收、慢速循环养分从土壤到林木的流通率较大，而从林木到土壤的流通率较小，呈“漏斗型”(粗进细出)；低吸收、慢速循环养分在整个生态系统中的流通率较小，呈“细直管型”(细进细出)；低吸收、快速循环养分从土壤到林木的流通率较小，而从林木到土壤的流通率较大，呈“喇叭型”(细进粗出)。据此分析，本研究中，侧柏纯林的N、油松纯林的P和K流动均呈明显的“粗直管浪费利用型”，而落叶松纯林的N、P和K流动均呈明显的“细直管节约利用型”，至于侧柏纯林的P和K、油松纯林的N流动则介于二者之间。3种针叶人工纯林中均未出现“漏斗型”或“喇叭型”养分流态，而且N、P的循环特征具有同步性，这种现象是否在其他树种林地具有普遍性还有待进一步研究来验证。在不考虑其他养分输入的情况下，林地养分循环最终影响土壤养分亏损速率[14]，其中有效养分亏损直接影响土壤对林木生长季节的养分补给能力，而全量养分亏损影响土壤的长期养分补给潜力。可见，不同林地各养分的循环特征将直接导致土壤养分极化风险的差异性。

图 1 黄土丘陵区3种针叶人工纯林枯落物分解对土壤生物学性质极化的影响

林地土壤的生物学性质受到枯落物分解的影响，枯落叶和根系由于来源于不同林木的地上和地下器官，对土壤的影响会表现出一定差异。其中，枯落叶基本继承了生活叶的基质特征，而且数量多、覆盖广，对土壤的影响作用也会比较大；而根系受土壤影响，枯死分解后又反作用于土壤，所以对土壤的影响比枯落叶更为直接。本研究结果表明，侧柏纯林的枯落叶和根系以及落叶松和油松纯林的枯落叶分解均会引起土壤某些生物学性质发生明显负向极化。这就意味着，枯落物分解在加速林地养分循环和补充土壤养分的同时，也会使得某些土壤生物学性质发生恶化，反映了纯林枯落物对土壤影响的双向性。

4 结 论

1)根据3种纯林的养分循环特征，可知侧柏和油松纯林生长季节短期内存在K负向极化风险，落叶松纯林生长季节短期内存在N负向极化风险；3种纯林在长期内均存在P负向极化风险。据此，在营林过程中，应在生长季节内对侧柏和油松纯林补充K肥，对落叶松纯林补充N肥，并长期对3种纯林补充P肥。

2)侧柏和油松纯林土壤生物学性质发生负向极化的风险高于落叶松纯林。其中，侧柏枯落叶分解会引起土壤多酚氧化酶活性发生负向极化，根系分解会引起土壤微生物数量、蔗糖酶和过氧化氢酶活性发生明显负向极化；油松枯落叶分解会引起土壤多酚氧化酶和过氧化氢酶活性发生负向极化；落叶松枯落叶分解会引起土壤多酚氧化酶活性发生明显负向极化。

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