连栽桉树人工林土壤氮素季节动态特征1)

黄振格 何斌 谢敏洋 张日施 惠柳笛

(广西大学，南宁，530004)

氮素是植物生长必需的主要营养元素之一。在森林生态系统中，氮素既是限制林木生长最重要的环境因子，也是影响森林生态系统生物生产力和森林群落繁衍与更替的重要驱动因素之一[1]。人为活动对土地利用方式的改变打破了陆地生态系统原有的氮素平衡，导致土壤中氮素发生变化[2-5]。因此，研究森林土壤氮素的动态变化及其影响因素，及时了解和掌握土壤氮素供应状况，对促进林地可持续利用和提高林地生产力具有重要意义[6]。目前，国内外有关森林土壤氮素的研究，主要集中在不同森林类型土壤氮素含量以及土壤氮素的相互转化作用等方面[6-12]。

1 研究区概况

以广西国有东门林场为研究区，地理坐标为107°14′～108°E，22°17′～22°30′N。该区属南亚热带季风气候区，年平均气温在22.℃，年最低气温-0.6 ℃，年最高气温39.5 ℃，≥10 ℃的积温为7 502 ℃；年日照时间1 693 h，无霜期长达346 d；年降水量1 050～1 300 mm。研究区地带性土壤为赤红壤，1、2和3桉树代林在栽种桉树前均为马尾松(Pinusmassoniana)人工纯林，与现存马尾松人工林(成熟林，林龄26 a)相互毗邻。各栽植代数桉树林造林前均经过炼山、整地、施基肥，采用尾巨桉(E.urophylla×E.grandis)组培苗定植，株行距为1.7 m×3.4 m。栽植前施基肥0.5 kg·株-1，造林后前2年结合抚育每年追肥2次，总施肥量N 200 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2、K2O 100 kg·hm-2。标准样地均位于山坡中部，海拔在80～95 m，坡度7°～9°，坡向NE30°～35°，土壤类型为砂页岩发育形成的赤红壤，土壤厚度≥80 cm，pH值4.2～4.9。不同栽植代数桉树林和马尾松林林分特征见表1。

表1 不同栽植代数桉树林林分特征

2 材料与方法

2.1 样地设置与样品采集

2.2 土壤理化性质的测定

2.3 数据统计和处理

分别使用Excel 2003和SPSS17.0对数据进行统计和分析，应用单因素方差分析进行不同栽植代数桉树林土壤氮素的差异显著性分析；采用回归相关分析，分析土壤氮素与土壤各养分之间的相关性。

3 结果与分析

3.1 连栽桉树人工林土壤理化性质

从表2可见，不同栽植代数桉树林土壤密度均呈现随土壤深度增加而增大的趋势，而土壤总孔隙度则呈现相反的变化趋势。同一土层中，1～3代桉树林>0～20、>20～40 cm土层土壤密度均小于马尾松林，土壤总孔隙度则均恰好相反。各栽植代数桉树林土壤的pH值，在剖面分布上均随土壤深度增加而增大，而土壤有机质、全磷、速效P和速效K质量分数均表现出随土壤深度增加而下降的趋势。在>0～20 cm土层，土壤pH值随栽植代数增加而逐渐下降，有机质、速效P和速效K的质量分数均随栽植代数增加而逐渐下降，土壤全P质量分数随栽植代数的增加而增大，其主要原因是研究区红壤中有较多的铁、铝离子与桉树经营过程中施入肥料的磷结合，形成难溶的磷酸铁、磷酸铝和闭蓄态磷而失去活性，导致土壤全P质量分数随栽植代数的增加而逐渐增大，而有效P质量分数反而下降，说明磷素的利用率较低。

表2 不同栽植代数桉树林主要土壤理化性质

3.2 连栽桉树人工林土壤氮素特征

由表3可以看出，虽然在营造桉树人工林及其生长过程中，林地土壤不同程度地受到整地、抚育、砍伐等人为因素的影响，但与马尾松人工林相似，不同栽植代数桉树人工林土壤氮素质量分数均存在着与土壤有机质相同的表聚作用现象，即呈现随土壤加深而逐渐下降的变化趋势，且不同土层氮素质量分数之间的差异均达到显著水平(P<0.05)，但>0～20 cm至>20～40 cm土层的下降速度要明显高于>20～40 cm至>40～60 cm土层。

表3 不同栽植代数桉树林土壤氮素的垂直分布特征

3.3 连栽桉树人工林氮素的季节动态变化

3.3.1 土壤TN质量分数的季节变化

从表4可以看出，马尾松和1～3代桉树林土壤TN质量分数均表现出较明显的季节变化特征，同时也因栽植代数和土层的不同而存在一定差异。对于马尾松林，>0～20 cm和>20～40 cm土层TN质量分数以夏季最高，其次是秋季和春季，最低值出现在冬季；>40～60 cm土层，TN质量分数由高到低的顺序为秋季、夏季、春季和冬季。桉树1代林，>0～20 cm土层，TN质量分数由高到低的顺序为夏季、秋季、春季和冬季；>20～40 cm土层，TN质量分数由高到低的顺序为夏季、冬季、秋季、春季；>40～60 cm土层，TN质量分数由高到低的顺序为夏季、春季、秋季和冬季。2代桉树林，>0～20 cm土层，TN质量分数由高到低的顺序为夏季、秋季、春季和冬季；>20～40 cm土层，TN质量分数由高到低的顺序为秋季、春季、夏季和冬季；>40～60 cm土层，TN质量分数由高到低的顺序为夏季、秋季、春季和冬季。3代桉树林，>0～20 cm土层，TN质量分数由高到低的顺序为秋季、夏季、冬季和春季；>20～40 cm土层，TN质量分数由高到低的顺序为秋季、夏季、春季和冬季；>40～60 cm土层，TN质量分数由高到低的顺序为秋季、夏季、春季和冬季。总体上看，马尾松林和1～3代桉树林不同土层TN质量分数最高值均出现在夏季或秋季，而最低值则出现在冬季或春季。

表4 不同栽植代数桉树林全氮的季节动态变化

表5 不同栽植代数桉树林铵态氮的季节动态变化

表6 不同栽植代数桉树林硝态氮的季节动态变化

3.4 桉树人工林土壤氮素及其与其他主要养分的相关性

表7 桉树林土壤氮素及其与其他养分的相关性

4 结论与讨论

有研究表明，桉树林显著降低了土壤有机碳和氮素等养分质量分数，从而引起土地退化[18，24]。而Maqere et al.[17]研究表明，桉树取代灌木稀树草原后，不管是保持林木持续生长还是采用短轮伐期经营，经过60 a后，表层土壤TN质量分数明显增加；邓荫伟等[22]研究也发现，10年生桉树林土壤有机质和TN等养分质量分数均接近或超过马尾松林。本研究表明，与马尾松林相比，桉树林不同土层氮素质量分数均表现出随栽植代数增加而下降的趋势，且以0～20 cm土层的变化趋势比较明显，随着土壤深度的增加，不同栽植代数土壤氮素质量分数的差异逐渐减小。造成这种差别原因是造林地的类型、栽种或轮伐时间以及施肥等管理措施不同而存在差异。在桉树经营过程中，通过施肥可以提高林地土壤氮素水平，满足林木生长需要，但经过多年生长或多代连栽后，仍然出现土壤氮素质量分数随栽植代数增加而逐渐下降的趋势，其主要原因：一是桉树的速生特性和短轮伐期经营(轮伐期为5～7 a)，养分需求量极大，容易导致林地土壤养分消耗过度，而采伐时，“被动”采取全树(包括干、枝、叶、皮和根)利用(经营单位利用树干和和皮，当地村民则拿走枝、叶以及采伐迹地整地时挖出树根)，造成林地养分损失严重[25-26]；二是桉树经营过程中采取的炼山、翻耕整地，清除了地表植被和凋落物层，破坏了土壤结构，造成土壤有机质和氮素的损失；三是桉树栽植后，前3 a采取的铲草抚育尤其是连续施用除草剂，破坏和抑制林下植被的生长，致使林地微环境变差[27]，造成地表土壤裸露，林地易受降雨侵蚀，极易造成水土流失和养分淋溶，导致土壤氮素损失，因此桉树多代连栽使林地土壤氮库演化为一个逐渐退化的过程。从桉树连栽对土壤垂直剖面氮素及其他主要养分的影响看，桉树连栽主要影响土壤表层的氮素变化，随着土层深度的增加，连栽对土壤氮素的影响逐渐减弱。

森林生态系统中氮素主要来源土壤有机质的分解，土壤全N质量分数的消长主要取决于氮的积累和消耗的强弱，尤其是土壤有机质的生物积累及其分解作用相对强弱，因此常常表现出随季节不同而变化的动态特征。本研究中，4种林分各土层TN质量分数最高值多数出现在夏季，最低值则主要出现在冬季，这与林分状况和林内小气候等有关。春季时气温较低，土壤微生物活性和有机氮矿化作用较弱，此时植物开始生长，对速效态N的吸收量逐渐增加，土壤全氮的生物积累较低；夏季时林木生长旺盛，虽然需要从土壤中吸收较多的氮素来满足其生长需要，但充足的水热条件有利于有机物质的矿化分解，以及凋落物的分解促进了土壤TN的生物累积；秋季林木生长速度减缓，对氮素的吸收能力仍然较强，虽然凋落物归还量增加，但水热条件相对夏季较差，导致土壤TN的生物累积能力减弱；进入冬季后，土壤微生物活性和有机氮矿化作用最弱，土壤TN的生物积累也趋于最低。