华北落叶松人工林凋落物短期管理对土壤养分变化的影响

2021-07-08白高娃王志波李银祥曹恭祥杨跃文薛璐莎邢钰坤

内蒙古林业科技 2021年2期

白高娃，王志波，李银祥，曹恭祥，杨跃文，薛璐莎，季蒙，邢钰坤

(1. 内蒙古自治区林业科学研究院，内蒙古呼和浩特 010010； 2. 内蒙古鄂尔多斯森林生态系统国家定位观测研究站，内蒙古鄂尔多斯 016100； 3. 内蒙古自治区沙地(沙漠)生态系统与生态工程重点实验室，内蒙古呼和浩特 010010； 4. 呼和浩特市森林保护站，内蒙古呼和浩特 010030)

华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)是华北地区主要森林树种，在防风固沙及维持当地森林生态系统稳定性方面发挥着重要作用[1-2]。森林凋落物是林木生长发育过程中的产物[3]，凋落物通过微生物的分解作用释放出营养元素补充土壤中缺失的养分，森林凋落物分解是森林生态系统养分归还土壤的重要环节[4]。国内外对森林凋落物的相关研究较多，王利民[5]在华北落叶松凋落物研究中发现了全氮含量和残留量变化规律。贺红月等[6]研究凋落叶不同比例混合可促进凋落物分解，并且凋落物中的氮和磷呈增加趋势。目前已有的研究主要集中在凋落物添加和去除对凋落物分解速率[7]、土壤养分[8-10]、土壤呼吸[11]、土壤微生物群落[12]的影响等方面。林下凋落物量不变情况下，凋落物管理对土壤影响研究较少。

鉴于此，本文对苏木山华北落叶松林下凋落物进行不同管理，分析土壤养分含量的变化规律，进而揭示凋落物不同管理方式对土壤养分循环的作用，以期为苏木山地区华北落叶松人工林维持土壤肥力和科学管理提供理论参考。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古乌兰察布市兴和县苏木山林场，地处阴山山脉东段南部，地理坐标为40°33′42″N，113°47′25″E，海拔2 100 m，平均坡度15°，属于半干旱大陆性季风气候，年均气温 4.2 ℃，年均降水量为397 mm，年均蒸发量为2 060 mm，无霜期110 d，地带性土壤为灰褐土。林场总面积 2.2 万hm2，主要乔木树种为华北落叶松、油松(Pinustabuliformis)、白桦(Betulaplatyphylla)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)等，主要草本植物为委陵菜(Potentillachinensis)、羊草(Leymuschinensis)、唐松草(Thalictrumaquilegiifoliumvar.sibiricum)、苔草(Carexspp.)、胡枝子(Lespedezabicolor)、地榆(Sanguisorbaofficinalis)等。研究区林龄47 a，平均密度567株·hm-2，平均树高 19.37 m，平均胸径 24.19 cm。林下凋落物平均厚 4.50 cm。

2 研究方法

2018年7月开始设置样方，并对凋落物进行管理，管理方式分为堆积和平铺，并以保持原状作为对照。堆积：将全分解层、半分解层和未分解层凋落物均匀混合后按2 m × 2 m(样方内每两个堆积物中心点距离为2 m)的距离堆积成直径50 cm、高40 cm的圆团状。平铺：将全分解层、半分解层和未分解层翻动、搅拌，混匀后平铺。研究期间对凋落物进行3次管理，分别为2018年7月、9月和2019年5月。每次平铺处理方法相同，即混匀后平铺。堆积处理第2次和第3次管理是将散落的和新掉的凋落物归拢到原堆积位置继续堆积。每种处理设置3个重复，共布设10 m × 10 m样方9块。

2.1 土壤样品的采集及化验

2019年7月进行土样采集。每个样方随机选取5个采样点。其中，堆积处理是在堆积凋落物下采集土样，取样时去除凋落物，用铁锹采集表层(0～10 cm)土壤。将每个样方5个采集点的土壤均匀混合后作为这个样方的土壤样品，共9份土样(平铺处理3份、堆积处理3份、对照3份)，统一编号后装入布袋带回实验室备用。将采回的土样在自然条件下室内通风阴干，去除根系和石块后，风干土过 0.15 mm和2 mm孔径的筛子，进行pH值、有机质、全氮、全钾、全磷、速效磷、速效钾、速效氮含量的测定。pH值采用电位法测定(土水比为1∶2.5)；重铬酸钾外加热法测定土壤有机质含量；全氮采用半微量凯氏法，速效氮采用碱解扩散法；全磷采用碳酸钠熔融法，速效磷采用NaHCO3法；全钾采用氢氧化钠碱熔-火焰光度计法，速效钾采用醋酸铵浸提火焰光度法。

2.2 数据处理

本文采用Excel 2007进行数据整理与表格制作，SAS 9.0 进行数据方差分析。

3 结果与分析

3.1 凋落物不同处理对土壤pH值、有机质含量的影响

由表1可知，凋落物不同处理对土壤pH值产生显著影响(P<0.05)。与对照相比有凋落物处理的土壤pH值呈下降的趋势，凋落物平铺处理下土壤pH值显著低于堆积处理和对照。平铺处理下土壤pH值下降了 7.2%，堆积处理下土壤pH值下降了 3.0%，凋落物不同处理下土壤呈酸性。

表1 凋落物处理对土壤pH值、有机质含量的影响Tab.1 Effects of litter treatment on soil pH value and organic matter

自然条件下，凋落物是林木生长发育过程中的产物，是土壤碳库碳输入的重要来源，对保持土壤肥力具有重要作用。表1结果显示，凋落物不同处理对表层土壤有机质含量存在一定的影响。凋落物短期管理后，平铺处理下土壤有机质含量为 125.81 g·kg-1，相比对照提高了 19.57%，显著高于堆积处理(P<0.05)。堆积处理下土壤有机质含量为 99.17 g·kg-1，与对照相比差异不显著。

3.2 凋落物不同处理对土壤全量养分含量的影响

由表2可知，凋落物堆积和平铺处理下土壤全氮含量比对照分别提高了0.90%、18.86%。方差分析结果显示，凋落物平铺处理下土壤全氮含量显著高于堆积处理和对照(P<0.05)。堆积处理下土壤全氮高于对照，但两者之间无显著差异；对照土壤全磷含量为 1.06 g·kg-1，堆积和平铺处理下土壤全磷含量分别为 1.22 g·kg-1、1.04 g·kg-1。凋落物处理下土壤全磷含量与对照间无显著差异；对照土壤全钾含量为 18.45 g·kg-1，平铺和堆积处理下土壤全钾含量分别为 18.16 g·kg-1和 17.86 g·kg-1，3个处理土壤全钾含量无显著差异，其变化为对照>堆积>平铺。可见，凋落物不同处理对土壤全磷和全钾含量无显著影响，但凋落物平铺处理能够显著增加土壤全氮含量。

表2 凋落物处理对土壤全量养分含量的影响Tab.2 Effects of litter treatment on soil total available nutrient content

3.3 凋落物不同处理对土壤速效养分含量的影响

由表3可知，凋落物不同处理对土壤速效氮的影响为平铺>堆积>对照，与对照(72.29 mg·kg-1)相比，平铺处理和堆积处理下土壤速效氮的含量分别增加了 11.86% 和 1.58%，土壤速效氮含量在3个处理上无显著差异；土壤速效磷含量在3个处理上差异显著，平铺处理下土壤速效磷含量最高(17.98 mg·kg-1)，其次是堆积处理(12.34 mg·kg-1)，与对照(10.08 mg·kg-1)相比分别增加了 78.37% 和 22.42%；土壤速效钾含量同样在凋落物平铺处理下差异显著(P<0.05)，且与对照相比增加了 38.38%。堆积处理下土壤速效钾含量(176.19 mg·kg-1)最小。总体上，通过凋落物平铺处理，显著增加了土壤速效磷和速效钾含量，而凋落物处理对土壤速效氮含量无显著影响。

表3 凋落物处理对土壤速效养分含量的影响Tab.3 Effects of litter treatment on soil available nutrient content

4 讨论

本研究中凋落物不同处理下土壤呈酸性，与对照相比凋落物处理下土壤pH值降低。可能与针叶林的凋落物本身含有单宁和树脂有关，凋落物的管理过程中这些物质在微生物的分解作用下，产生酸性较强的物质，使土壤酸化。

本研究中凋落物平铺处理下土壤pH值从原有的 6.66 下降到 6.18，变化显著，这与有关研究规律不一致。相关研究表明[1]，华北落叶松凋落物分解对土壤有一定的酸化，使土壤pH值下降，但短期内变化无明显的规律。因此在今后的研究中还需连续监测，进一步探究变化趋势。

森林凋落物是森林土壤有机质的主要来源，而土壤中的氮、磷养分很大一部分是以有机态的形式贮藏和积累在土壤中，与土壤中有机质的含量有密切的相关性[13-14]。凋落物的不同处理可能对凋落物的分解数量和质量产生变化，从而影响土壤氮、磷含量。凋落物均匀混合平铺处理使凋落物与土壤表面紧密接触，通过混合平铺有利于提高分解的透气性，同时凋落物混合管理可增加有机质的矿化作用，土壤中输入的新的有机残体有激发土壤有机质的降解作用[15]。另外，凋落物分解主要由土壤生物来实现，凋落物堆积处理相比平铺处理减少了凋落物与土壤生物间的相互作用面积，进而使凋落物分解量减少。还有，在一定雨水条件下平铺处理相比堆积处理和对照对雨水有一定的拦蓄作用，凋落物平铺管理过程中形成一定的空隙来缓解水分的径流，增加养分元素的淋洗和淋溶作用，进而影响土壤养分的积累。本研究中土壤全钾含量在凋落物3种处理下无显著差异，其变化为对照>堆积>平铺，原因为土壤全钾含量主要和该地区土壤母质、风化及成土条件等有关[15]。凋落物平铺处理相比对照和堆积处理土壤速效钾含量显著增加，处理间有显著差异(P<0.05)，其变化为平铺>对照>堆积。这可能与凋落物中钾元素以钾离子的形式存在[6]，随着凋落物的分解在淋洗和淋溶作用下转移到土壤溶液中去，产生不同的变化有关。