引种降香黄檀和顶果木对石漠化山区土壤磷素转化及其有效性的影响

李 萌,谭许脉,肖 纳,徐浩成,莫雪青,张 文,尤业明,2,黄雪蔓,2,*

1 广西大学林学院,广西森林生态与保育重点实验室, 南宁 530004

2 广西友谊关森林生态系统定位观测研究站, 凭祥 532600

土壤养分对植物的生长起着关键作用,直接影响植物群落的组成、稳定和演替[1]。磷是植物生长发育的必需营养元素之一,与植物体内的各种代谢过程密不可分[2]。植物所利用的磷元素主要来源于土壤,但土壤中的磷素大多与其他物质相结合,以化合状态存在,很难被植物直接吸收利用[3]。土壤中无机磷的含量、存在形态及转化过程等直接影响磷的生物有效性[4],因此如何提高土壤磷素利用率和加快磷素循环已成为国内外许多科学家广泛关注的热点。

土壤微生物是陆地生态系统中的重要组成部分,也是生态系统功能的重要驱动者,并且能敏锐地感知土壤中养分含量的变化[5—6]。土壤微生物生物量是土壤有机质中最为活跃的部分,其含量高低可以表征土壤肥力的变化水平,对维持土壤生态系统平衡有重要意义,其变化能敏感反映出土壤养分有效性的变化和有效表征土壤有机物质的代谢强度,并受土壤 pH、温度、透气性等环境因子影响[7—10]。微生物量一般包括微生物量碳、微生物量氮和微生物量磷。

岩溶地区是地球表层系统的重要组成部分,全球岩溶区面积约5.1亿km2,大约占地球面积的10%[11]。岩溶区生态环境恶劣,土壤贫瘠,水土流失严重,植被覆盖率低[12]。我国西南岩溶区是石漠化最为严重的区域,而且石漠化的面积呈现增加的趋势,且岩溶区生态系统功能急剧退化,严重影响该区域经济社会以及环境的可持续发展。此外,岩溶区成土过程缓慢,土层浅薄,生态系统土壤氮素储量远低于非岩溶区,是典型的生态脆弱带[13—14]。有研究发现,岩溶区退化生态系统恢复初期主要受氮限制,演替后期主要受 磷限制,而在恢复中期,则受 氮、磷共同限制[15]。土壤养分循环相互耦合[16], 氮和磷作为生命元素驱动着其他养分元素的转化和周转,是养分循环中的核心部分[17]。近年来,国家先后启动实施一系列重大生态工程进行石漠化综合治理,其中植被恢复作为一项重要的生态治理措施,由于其不同恢复模式下植物种类及其配置的不同,必然导致凋落物凋落规律、数量和组成,以及林地环境等因素的不同,从而对土壤磷素产生不同的影响[4,15,18]。虽然已有许多国内外学者利用不同方法和途径,研究了有关不同的植物、恢复方式和土地利用类型等对岩溶区土壤磷素的影响[4,15,19],但到目前为止,对不同固氮树种及其种植模式下的石漠化山区土壤无机磷组分变化规律的认识还存在很大的不足,这将影响我们对石漠化山区土壤养分退化成因及其发生机制、养分的维持及演变规律的认识。因此,在石漠化山区植被恢复重建中开展关于引进优良固氮树种及其种植模式对其土壤磷有效性及无机磷组分变化的研究,对于改善石漠化山区土壤质量,缓解其土壤磷素对植被恢复的限制作用具有重要的现实意义。

本研究选取广西石漠化最为严重的马山县作为研究区域,对研究石漠化区土壤肥力恢复及其维持机制具有较强的代表性。选择不同固氮树种及其种植模式恢复起来的纯林和混交林作为研究对象,采用野外监测和室内分析试验相结合的方法,重点探究不同固氮树种及种植模式对石漠化区表层土壤磷素转化和有效性的影响及其驱动因子。通过对上述问题的研究,为定向调控岩溶区表层土壤磷循环过程,长期提高该区土壤磷有效性的树种和种植模式的选择等方面提供重要的科学依据,促进岩溶区生态、经济和社会可持续发展。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究区域位于广西壮族自治区南宁市马山县(23°24′—24°20′N, 107°41′ —108°29′E),地处广西中部略偏西位置,居红水河中段南岸,大明山北麓。马山县的地貌以山区丘陵地形为主,东西部为石山区,西南部和中部为土岭丘陵。该地属于南亚热带季风型气候,年均气温21.3℃,年均降雨量1667.1 mm；夏季多暴雨,易发生洪涝,春秋两季雨水少,易造成干旱；相对湿度76%,年平均无霜期343 d。土壤类型主要以碳酸盐岩发育的石灰土为主,呈弱碱性,石粒含量高,质地粘重,土壤层薄。原生植被属于南亚热带季风常绿阔叶林,但由于长期过度垦殖、放牧、樵采等,原生性森林早已消失,导致基岩裸露,出现大面积石漠化景观。现在境内岩溶地貌发育,生态环境脆弱,是广西石漠化最严重的地区之一。

1.2 试验设计和土壤样品采集

本研究的试验样地是依托中央财政林业科技推广示范资金跨区域重点推广示范项目“广西马山县石山(石灰岩)地区造林绿化优良速生树种栽培技术推广示范”所建的平台上进行。在对研究区的石漠化情况进行全面调查的基础上,选择马山县白山镇民族村约50 hm2典型的石漠化区域作为植被恢复试验地,该试验地稀疏分布的灌木主要有黄荆条、红背山麻杆、地桃花、黄花稔等；草本植物主要有小花露籽草、蔓生莠竹、卷柏、肾蕨和扇叶铁线蕨等,无乔木分布。根据石漠化区因地制宜、耐干旱和热量变化等的树种选择原则,于2011年2月选择石山优良造林的珍贵豆科树种降香黄檀(DalbergiaodoriferaT. Chen)和豆科树种顶果木(AcrocarpusfraxinifoliusWight ex Arn. In Mag.)进行造林试验,分别构建了降香黄檀纯林(The pure plantation ofDalbergiaodorifera)、顶果木纯林(The pure plantation ofAcricarpusfraxinifolius)和降香黄檀/顶果木混交林(The mixed plantation ofDalbergiaodoriferaandAcricarpusfraxinifolius)3种林分类型。同时以相邻的无植被恢复的石山灌丛作为对照(CK)。因顶果木是优良速生树种,适当提高顶果木在混交林中的比例,可以为珍贵树种降香黄檀后期生长过程中干型的塑造(如:减少主干分杈)和生长环境的构建提供更有利的冠层结构,并保障混交林中2个树种能够更好地生长。因此,在混交林的树种比例设置上,采取降香黄檀:顶果木为3:7的混交模式。造林时,降香黄檀的苗高约60—70 cm,地径约为0.3—0.4 cm；顶果木的苗高约25—30 cm,地径约为0.4—0.5 cm。各林分类型具有相似的立地条件(海拔、土层厚度、土壤类型)和抚育措施等,林分建立后,每年的6—8月对各样地进行林分调查,记录样地内林木的树高、胸径和冠幅等。

根据随机区组设计原则,本研究于2019年7月初(植被生长恢复8年后),在整个试验区内随机选择5个实验区组,区组之间的距离不低于200 m。其中,每个区组内均包含4种不同立地类型(具体为对照组、降香黄檀纯林、顶果木纯林和降香黄檀/顶果木混交林),区组内每种立地类型分别设置一个400 m2(20 m×20 m)的样方。整个实验共设置了20个实验样方,并对每个实验样方进行调查,其基本概况详见表1。于2019年8月对每个20 m×20 m样方进行土壤取样,在每个样方内随机布设10个取样点,去除表面的杂质后用土钻(直径10 cm)取0—10 cm深的表层土壤,每个取样样方的土壤经充分混匀后作为一个土壤样品。所有土壤样品当天带回实验室后立即剔除沙石、植物根茎等杂质,过2 mm土壤筛后分为两份。一份存放在4℃冰箱中用于测定土壤速效养分和微生物生物量碳、氮和磷；另一份自然风干后经进一步研磨,全部过0.149 mm土壤筛,用于测定土壤全量养分和pH值。

表1 实验样地基本概况

1.3 土壤分析方法

土壤微生物量碳、氮和磷(MBC、MBN和MBP)采用氯仿熏蒸法提取[22—23]。MBC和MBN用K2SO4(0.5 mol/L)浸提,然后用TOC/TN同步分析仪(Multi N/C 3100)测定。MBP用NaHCO3(0.5 mol/L)浸提,然后采用钼锑抗比色法测定[21]。

石灰性土壤无机磷的形态分级采用蒋柏藩和顾益初的方法[24—25]分为6级。Ca2-P采用NaHCO3(0. 25 mol/L)浸提；Ca8-P采用NH4OAc(0. 5 mol/L)浸提；Ca10-P采用1/2 H2SO4(0. 5 mol/L)浸提；Al-P采用NH4F(0. 5 mol/L)浸提；Fe-P采用NaOH(0. 1 mol/L)+ Na2CO3(0. 1 mol/L)浸提；O-P,又称闭蓄态磷,采用柠檬酸钠(0. 3 mol/L)+连二亚硫酸钠+ NaOH(0. 5 mol/L)浸提。有机磷=总磷-无机磷。

1.4 数据分析

本研究采用土壤磷素活化系数(Phosphorus activation coefficient,简称PAC)来衡量土壤全磷的有效性[4]。其中PAC的计算方式如下:

(1)

式中,AP为速效磷(mg/kg)；TP为总磷(g/kg)。

运用 SPSS 24.0 软件对数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA),采用最小显著差异法(LSD)比较均值之间的差异程度,显著性水平全部设置为P<0.05。采用Canoco 4.5对不同林分的土壤无机磷组分和土壤性质进行冗余分析(RDA)。采用 SigmaPlot 10.0 进行绘图。

2 结果与分析

2.1 固氮树种对石漠化山区表层土壤性质的影响

表2 不同样地类型土壤基本性质

2.2 固氮树种对土壤磷素的活化以及不同形态磷和氮之间关系的影响

土壤磷素活化系数(PAC),即土壤有效磷与全磷的比值,常被用来表示土壤全磷的有效性。PAC大于2%说明全磷中各形态的磷,容易转化为有效磷,供植物吸收利用,反之则不利于全磷转化为有效磷。由图1可知,对照的PAC<2.0%,而降香黄檀纯林、顶果木纯林和降香黄檀/顶果木混交林的PAC值均>2.0%,分别为1.9%,2.5%,3.8%和6.7%。表明固氮树种的引入能有效提高石漠化山区土壤全磷的有效性,其中以混交种植方式的效果最佳(P<0.05)。

图1 不同样地类型中PAC的变化

图2 土壤各种形态磷和氮之间的关系

2.3 固氮树种对石漠化山区表层土壤无机磷组分的影响

由图3可知,降香黄檀/顶果木混交林、顶果木纯林和降香黄檀纯林的土壤Ca2-P含量与对照样地相比分别显著提高203.6%,230.0%和105.4% (P<0.05)；降香黄檀/顶果木混交林和顶果木纯林的土壤Ca2-P含量比降香黄檀纯林的分别显著提高47.8%和60.7% (P<0.05)。降香黄檀/顶果木混交林的土壤Ca8-P含量比顶果木纯林和对照样地分别显著提高28.8%和27.8% (P<0.05)；顶果木纯林的土壤Ca8-P含量比降香黄檀纯林和对照样地分别显著增加30.6%和29.5% (P< 0.05)。降香黄檀/顶果木混交林和顶果木纯林的土壤Ca10-P含量与对照样地相比分别显著增加49.0%和38.2% (P<0.05)；然而,3种固氮树种林分(降香黄檀/顶果木混交林,顶果木纯林和降香黄檀纯林)的土壤Ca10-P含量两两之间差异不显著 (P>0.05)。降香黄檀/顶果木混交林的土壤Al-P含量比降香黄檀纯林和对照样地分别显著增加760.7%和872.6% (P<0.05)；顶果木纯林的土壤Al-P含量比降香黄檀纯林和对照样地分别显著提高599.4%和690.4% (P<0.05)。降香黄檀/顶果木混交林的土壤Fe-P含量比降香黄檀纯林和对照样地分别显著提高91.9%和116.3% (P<0.05)；顶果木纯林的土壤Fe-P含量比降香黄檀纯林和对照样地分别显著提高80.1%和103.1% (P<0.05)。降香黄檀/顶果木混交林的土壤O-P含量比顶果木纯林、降香黄檀纯林和对照样地相比分别显著增加161.2%,218.6%和517.0% (P<0.05)；顶果木纯林的土壤O-P含量比降香黄檀纯林和对照样地相比分别显著增加46.1%和136.2% (P<0.05)；对照样地与降香黄檀纯林的土壤O-P含量没有差异 (P>0.05)。其中,4种林分各无机磷形态含量大小顺序均为:Ca10-P>O-P>Al-P>Fe-P> Ca2-P >Ca8-P。

图3 不同固氮树种及其种植模式对石漠化山区表层土壤无机磷组分的影响

2.4 土壤无机磷组分与土壤基本性质的相关性

以土壤各无机磷组分为因变量,土壤基本性质为解释变量进行冗余分析(RDA)。结果表明,模型筛选出的7个土壤基本性质共同解释了土壤无机磷组分变化的88% (表3,总解释率=条件效应的总和),而通过蒙特卡洛置换检验发现,MBP、SOM和MBN是驱动土壤无机磷组分发生变化的最关键因子(P<0.05),分别解释了土壤无机磷组分变化的74%(P=0.002,F=51.60),5%(P=0.006,F=4.10)和4%(P=0.012,F=3.31)(表3)。在RDA排序的双标图中,第一主轴将对照与顶果木纯林和降香黄檀/顶果木混交林分开,第二主轴将对照与降香黄檀纯林和顶果木纯林分开,表明固氮树种的引入均能改变土壤无机磷组分的组成,其中顶果木纯林和降香黄檀/顶果木混交林对无机磷组分的改变最为明显(图4)。此外,土壤无机磷组分与土壤基本性质存在显著的相关性,除了pH与各土壤无机磷组分呈显著负相关外,其余筛选出的土壤基本性质与各土壤无机磷组分均呈显著正相关(图4)。

表3 基于冗余分析预选的边际效应和条件效应

图4 无机磷组分和各种土壤基本性质的冗余分析

3 讨论

3.1 固氮树种对石漠化山区表层土壤磷有效性的影响

3.2 固氮树种对石漠化山区表层土壤无机磷组分的影响

土壤磷包括有机磷和无机磷两大类,虽然土壤有机磷占土壤总磷的比例大多在20%—80%之间,但是土壤无机磷是植物可利用磷的重要来源[38]。蒋柏潘和顾益初提出的石灰型土壤无机磷分级体系把土壤无机磷分为Ca2-P、Ca8-P、Ca10-P、Al-P、Fe-P 和O-P六种,可以准确地评价土壤AP库的大小、形态转换和磷元素的供应情况[24—25]。土壤无机磷中Ca2-P、Ca8-P和Al-P属于有效态无机磷,很容易被植物吸收利用；Ca10-P、Fe-P和O-P属于缓效态无机磷,较难被植物直接利用[39]。杨慧等[4]研究岩溶区不同的土地利用类型发现,改变植被类型后土壤的各无机磷形态发生了一定的变化。我们研究也发现在石漠化山区引进固氮树种进行植被恢复后,与对照相比各林分的土壤无机磷组分发生变化,其中顶果木/降香黄檀混交林和顶果木纯林的各种无机磷的增加量均达到显著水平。在本研究中,土壤各形态无机磷的含量排列顺序大致都遵循Ca10-P>O-P>Al-P>Fe-P> Ca2-P >Ca8-P。与对照相比,引入固氮树种进行植被恢复8年后,作为植物最有效磷源的Ca2-P大概增加了1—2倍；作为第二有效磷源的Ca8-P大概增加了0.27—0.30倍,Al-P大概增加了6—8倍；作为缓效态磷源的Ca10-P大概增加了0.38—0.49倍,Fe-P大概增加了1—1.2倍,O-P大概增加了1—5倍(图3)。这说明了引进固氮树种后,有利于有效态土壤无机磷的释放,也积累了很多缓效态的土壤无机磷。蔡鑫淋等[40]研究岩溶区生态恢复中土壤无机磷形态特征表明林草间作地的无机磷含量高于荒草地,这与我们的研究结果一致,但土壤无机磷中O-P最多这一结果与我们的结果相反。化党领等[41]研究发现石灰型土壤中的无机磷主要以Ca-P为主与我们的研究结果一致。

4 结论

在石漠化山区引种珍贵固氮树种(降香黄檀和顶果木)进行植被恢复后,一定程度上改善了该区表层土壤的养分状况,使土壤无机磷组分发生了改变,提高了土壤氮和磷的有效性,其中以混交林的效果最为显著。土壤无机磷组分与土壤基本性质存在一定的相关性,MBP、SOM和MBN可能是影响石漠化山区土壤无机磷组分发生变化的最关键因素。本研究为珍贵固氮树种在石漠化生态恢复与重建中的应用提供理论依据和实践支持,促进岩溶区生态、经济和社会可持续发展。