关帝林区河岸林土壤全磷生长季变化对外源磷输入的响应

王卫锋，单凯，张芸香，郭晋平

(山西农业大学 林学院，山西 太谷，030801)



关帝林区河岸林土壤全磷生长季变化对外源磷输入的响应

王卫锋，单凯，张芸香，郭晋平*

(山西农业大学 林学院，山西 太谷，030801)

河岸林的氮磷滤除作用是流域生态系统的重要过程。为进一步明确河岸林的磷素滤除机制及其影响因素，本研究以山西省关帝山文峪河上游华北落叶松林、杨桦林及云杉林3种典型河岸林为对象，研究了外源磷输入梯度下3种河岸林土壤全磷含量的时空变异特征及其林型间差异。研究结果表明，自然状态下3种河岸林土壤全磷含量存在差异，华北落叶松林最低，云杉林最大。5月初施加磷肥之后，3种河岸林土壤全磷含量随着时间的变化表现相似的趋势，即随月份增加而逐渐降低；但林型间土壤全磷含量下降速率存在差异，华北落叶松林下降速率最快，云杉林下降速率最慢。8月份之后，随着磷输入剂量增加华北落叶松林各磷输入梯度之间无差异，但云杉林土壤全磷含量随磷输入剂量不断增加。通过土壤全磷含量和土壤其他性质进行相关分析表明，土壤容重、pH及有机质含量可能是影响河岸林土壤全磷含量变化的主要因素。

河岸林；土壤全磷；磷输入；关帝山

河岸植被带是位于高地和水体之间的生态交错区，具有明显的边缘效应[1,2]。河岸带不仅能维持河流良好的水文状况，减少水土流失，并且能对从高地进入河道的径流发挥净化作用[3,4]。河岸带依靠植物吸收、与土壤颗粒物结合沉积、微生物作用、土壤吸附等物理、化学和生物作用对磷有一定的滤除作用[5]，研究发现河岸植被带能够滤除大部分来自高地的氮和磷[6]。河岸林是河岸植被带的重要类型，森林植被对净化溪流水质具有重要作用[7]。水体中磷的来源包括包括工业污水和生活污水等点源污染和农业过施化肥农药等面源污染，并使水体中磷含量大量增加[8～11]。磷被认为是水体富营养化的最小限制因子，人们普遍将其含量作为富营养化的标志[12]。随着我国工业化的加速，产生了越来越多的工业污水，工业污水中的含磷量也越来越高。

河岸林对氮磷等营养元素的滤除作用以及如何通过河岸植被带净化河流水质是国际上的研究热点。国内关于河岸带的研究集中在植物群落、物种丰富度以及生态水文学特征等方面[13,14]，但对河岸林土壤对外源磷输入下土壤磷素的时空变化特征的研究还较少。本文通过对文峪河上游3种主要河岸林土壤进行外源磷肥加载试验，研究土壤磷含量在时间空间格局上的变化，分析土壤容重、有机质含量、pH、含水量等土壤属性与土壤全磷含量之间的相关性，以此探讨影响土壤全磷分布的主要因素。研究结果有利于阐明河岸林土壤磷虑除功能和机制，并为我国北方地区河岸林的规划管理提供理论依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究地区位于关帝山林区文峪河上游庞泉沟国家级自然保护区。地理坐标37°45′～37°59′N，111°21′～111°37′E，平均海拔1 927.4m。气候属于温暖带大陆性季风气候带，同时受山地气候影响，年均温3～4℃，夏季雨量充沛，年均降水量800 mm左右。主要林分类型有华北落叶松林、云杉林、云杉落叶松混交林、杨桦林等。研究地区主要的土壤类型有山地棕色森林土、山地淋溶褐土、山地褐土和粗骨性褐土。

1.2 研究方法

1.2.1 试验样地设置

根据试验地前期研究工作[15,16]，在文峪河上游的庞泉沟自然保护区，选择落叶松林、杨桦林及云杉林3种主要河岸林，在距离河岸15～30 m处设置样地，在每种河岸林的样地中随机设置3组重复，每组重复沿河流方向设置5个3 m×3 m样方。样地设置完成后进行初次采样，调查样地基本理化性质，如表1所示。

表1 关帝山3种河岸林土壤基本性质Table 1 Soil properties of three riparian forest types

1.2.2 磷素的外源输入

样地设置和施加磷肥在2012年的5月初进行，调查样地基本属性之后施加磷肥，将肥料均匀施入样方中，并防止人与牲畜干扰。每个样方的磷肥加载量分别为0、50、100、150和200 g，用CK，P1，P2，P3，P4表示，所施磷肥为磷酸二氢钾(KH2PO4)。

1.2.3 土壤样品采集和预处理

土壤样品采集时间为2012年5月中旬到9月中旬，初次采样发生在施加磷肥之后2～3天，之后每个月采集一次，采集方法为土钻法，每个样方分三层取样，0～15 cm为第一层，15～30 cm为第二层，30～50 cm为第三层，每一层均匀取五个点，混合均匀封装带回实验室。取回土壤样品，先测定含水量，然后风干3～5天，过100目筛，测定土壤全氮，全磷，有机磷，有效磷，有机质，pH值。

1.2.4 土壤理化指标测定

土壤全氮：将CuSO4、K2SO4以9∶1混合为催化剂，浓H2SO4消煮，半微量凯氏定氮法。土壤全磷：硫酸-高氯酸酸消煮，钼锑抗比色法。土壤有机磷：采用550℃灼烧-0.6 mol·L-11/2H2SO4浸提法。土壤有效磷：根据土壤pH值，酸性土壤采用双酸浸提-钼蓝比色法，碱性中性土壤采用0.5mol·L-1NaHCO3提取-钼蓝比色法。土壤有机质：400℃灼烧法。土壤pH值：采用2.5∶1水土比，复合电极酸度计法。

1.2.5 数据处理

使用Spss17.0 对数据进行差异显著性和相关性分析，使用SigmaPlot12.0 绘图。

2 结果与分析

2.1 磷输入下3种河岸林土壤全磷含量的变化

外源磷输入下3种河岸林的土壤全磷含量从5月中旬到8月中旬持续下降,到9月中旬试验结束开始趋于平缓或略有上升(图1)。在6月中旬到7月中旬之间，各施磷处理的土壤全磷含量随时间下降整体趋势是华北落叶松林最快，云杉林最慢。7月初，华北落叶松林各磷输入处理间无明显差异。且随着磷输入剂量增加，3种河岸林土壤全磷含量随时间下降幅度越大：即P4>P3>P2>P1。3种河岸林之间相比较，云杉林土壤全磷含量最高，且外源磷输入能显著提高其全磷含量，而华北落叶松林土壤全磷含量最低，且随着磷输入强度的增加并未进一步提高土壤全磷含量(图1)。

图1 磷输入下3种河岸林土壤全磷含量的变化(a)华北落叶松林，(b)杨桦林，(c)云杉林Fig.1 Changes of soil TP content in three riparian forest types(a) larch forest，(b) poplar-birch forest，(c) spruce fores

2.2 3种河岸林土壤全磷含量在土壤剖面上的动态

对于表层(0～15 cm)土壤，在5月中旬到7月中旬之间，3种河岸林的全磷含量快速下降。在7月中旬到9月中旬之间，落叶松林全磷含量缓慢下降趋于平缓，杨桦林全磷含量缓慢上升，云杉林全磷含量则快速上升。在5月中旬到9月中旬之间，3种河岸林土壤表层全磷含量整体呈下降趋势。落叶松林淋溶层(15～30 cm)土壤全磷含量在5月中旬到7月中旬之间缓慢上升，之后开始下降，但在9月中旬小幅增加。杨桦林和云杉林淋溶层土壤全磷含量在试验过程中呈不规则变化，总体呈下降趋势，但在5月中旬到6月中旬之间有所上升(图2)。

华北落叶松林淀积层(30～50 cm)土壤全磷含量随季节变化缓慢，在5月中旬到6月中旬之间缓慢下降，然后开始缓慢上升，在7月中旬以后趋于平缓。杨桦林淀积层土壤全磷含量随季节的变化与其淋溶层一致。云杉林淀积层土壤全磷含量在5月中旬到6月中旬之间上升明显，然后开始下降，在7月中旬以后趋于平缓，整体有所上升。华北落叶松林淋溶层与淀积层全磷含量差异很小，并且随时间的变化差异比较稳定(图2)。

图2 关帝山3种河岸林土壤剖面全磷含量变化(a)华北落叶松林，(b)杨桦林，(c)云杉林Fig.2 The dynamics of soil TP content in soil profile of three riparian forest types(a) larch forest，(b) poplar-birch forest，(c) spruce forest

2.3 河岸林土壤全磷含量变化的影响因素

为了研究河岸林土壤全磷含量变化的影响因素，对土壤容重、含水量、pH、有机质含量及全氮含量与土壤施肥之后9月份河岸林土壤磷含量与进行相关性分析，结果见表2。施肥后，华北落叶松林土壤全磷含量与土壤容重呈极显著负相关；与含水量和pH无显著相关关系；与土壤有机质含量呈显著正相关。与华北落叶松林不同，施肥之后，杨桦林土壤全磷含量与土壤容重没有显著相关关系，与含水量也无显著相关关系；与pH呈显著负相关；与土壤有机质含量和全氮含量没有显著相关关系。云杉林土壤全磷含量与土壤容重和土壤pH呈极显著负相关，而与土壤含水量和土壤有机质含量呈显著正相关。

表2 不同河岸林土壤全磷含量与其他参数相关性分析

注：表中*表示在0.05水平显著；**表示在0.01水平显著。

Note： * indicates significant difference atP<0.05;** indicates significant difference atP<0.01.

3 讨论与结论

3.1 讨论

植物磷吸收的季节差异是河岸林土壤全磷含量随季节变化的重要原因。在植物快速生长季，植物会大量吸收土壤中的有效磷，使土壤全磷含量下降[17]，而土壤有机磷是有效磷的主要来源[18]，所以土壤有机磷含量也会下降。随着季节的变化，降雨的强度不同。发生强降雨时，容易产生地表径流，地表径流越强，土壤磷素流失越多[19]。在植物凋落衰败期，一部分植物磷会通过植物分泌作用和枯枝落叶的腐烂作用回归到环境中，使土壤全磷含量上升。本研究中河岸带土壤全磷含量在7、8月份迅速下降，是因为处于雨季，经常发生强降雨，产生较强地表径流，导致土壤磷素流失；3种河岸林土壤全磷含量在9月份都出现反弹，是由于植物磷对土壤的归还。这些结论都与前人研究结果一致。

降水年内分布不均也是影响河岸林土壤磷含量的因素。6月份第一次采样时，该时间内研究地区降水量较小，地表径流发生程度低，由于土壤对磷的吸附作用较强，土壤中磷主要随径流产生的侵蚀泥沙流失[20]。所以此时只是依靠植物和微生物吸收土壤中的磷素，但植物和微生物只能吸收土壤中一小部分磷素，所以对于加载磷肥的处理，土壤中残留了大量磷肥，而对照处理由于没有外源磷素的输入，土壤全磷含量有所下降，但下降速度缓慢。6月中旬到8月中旬之间，研究地区的降雨量和雨强均较大，并产生地表径流，导致土壤中磷素的大量流失并随降水入渗到深层土壤，且降雨使土壤含水量升高，增强植物和微生物的吸收作用，所以各处理在6月中旬到8月中旬之间呈下降趋势，下降速度较快。

土壤容重可能对表层磷的截留作用和分布有显著影响。王辉等[19]室内控制模拟试验结果显示表层土壤容重越大，地表径流冲刷越强，入渗流越弱，土壤流失量越大，土壤磷流失也随之增多，而随入渗流向下层迁移的磷越少。本研究中也发现云杉林土壤容重最小，有利于土壤磷随入渗迁移，因此土壤全磷含量越高，与上述研究结果一致。但落叶松林和杨桦林两种林型的土壤容重与全磷含量没有显著相关关系，可能是由于在这两种林型下，土壤容重对全磷含量的影响受到了pH和凋落物组成等其他因素的干扰。

3.2 结论

关帝山林区自然状态下3种河岸林土壤全磷含量存在差异，华北落叶松林最低而云杉林最大。外源磷输入下3种河岸林土壤全磷含量随月份增加而逐渐降低；但林型间土壤全磷含量下降速率存在差异，华北落叶松林下降速率最快，而云杉林的下降速率最慢。8月份之后，随着磷输入剂量增加华北落叶松林各磷输入梯度之间差异不显著，但云杉林土壤全磷含量随磷输入剂量不断增加。通过土壤全磷含量和土壤其他性质进行相关分析表明，土壤容重、pH及有机质含量可能是影响河岸林土壤全磷含量变化的主要因素。

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(编辑：马荣博)

Effects of External Phosphorus Inputs on Soil Total Phosphorus of Three Typical Riparian Forests in Guandi Mountain

Wang Weifeng,Shan Kai,Zhang Yunxiang,Guo Jinping*

(CollegeofForestry，ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030801,China)

The role of riparian forests as nutrient filters is an important process in watershed ecosystem.To further define the mechanism and the influence factors of this process,this study chose three typical riparian forests (Larixprincipis-rupprechtiiconiferous forest,Betulaplatyphyllabroad-leaved forest andPiceameyericoniferous wood) in Wenyu river on the Guandi Mountain of Shanxi province as research materials.The spatial and temporal variation features of soil total phosphorus content (TP) in these riparian forests under phosphorus inputs and their difference were studied.The results showed that the soil total phosphorus content among the three forest types had difference without phosphorus input.The soil TP of larch forest was lowest and that of spruce forest was highest after applying phosphate fertilizer in early may.And the soil TP of three riparian forests showed the same trend after phosphorus input treatments,which continued to decline before middle of August.But the soil TP of larch forest declined most quickly and spruce forest most slowly.The increase of the TP of larch forest did not have difference among different phosphorus input gradients.However,the soil TP of spruce forest were significantly increased with phosphorus input gradients.Correlationship analyses showed that soil bulk density,soil pH and organic matter may be the major factors for soil TP changes in riparian forests.

Riparian forest;Soil total phosphorus;Phosphate input;Guandi Mountain

2015-03-04

2015-04-24

王卫锋(1985-)，男(汉)，河南浚县人，讲师，博士，研究方向：植物生理生态

*通讯作者：郭晋平，教授，博士生导师。Tel：13935406926；E-mail: jinpguo@126 com

国家自然科学基金(30970480 );山西农业大学引进人才博士基金(2013YJ18);山西农业大学科技创新基金 (2014001)

S718.55

A

1671-8151(2015)03-0301-05