凋落物和根系输入对南亚热带季风常绿阔叶林土壤养分的影响

庞宗清,陈伟彬,苏芳龙,毛庆功,刘 滔,熊美新,钟部卿,李 慧,官惠玲,莫江明,鲁显楷,*

1 中国科学院华南植物园,中国科学院退化生态系统植被恢复与管理重点实验室,广州 510650

2 中国科学院大学,北京 100049

亚热带季风常绿阔叶林是我国分布范围最广、生物多样性最高的森林类型。与针叶林和草地生态系统相比,亚热带森林植被凋落物和根系周转更快,可在较短的时间内影响到土壤元素循环[16]。亚热带森林土壤通常呈显酸性,盐基饱和度低,酸中和能力弱[17],对外界环境变化的响应更为敏感。当前,我国亚热带地区面临着严峻的生态环境问题,如氮沉降加剧、气候变暖等,这些变化正影响着森林植被光合作用和生产力,进而改变植被向土壤输送有机质(凋落物和根系资源)的过程。例如,氮沉降导致凋落物量的增多和细根生物量的显著减少[18,19],CO2浓度和温度升高导致凋落物量的增加[18]。然而,目前尚不清楚植物有机质资源输入的改变对亚热带森林土壤中水溶性离子的迁移释放会造成怎样的影响,进而是否会影响土壤酸缓冲能力。因此,亟需探讨植物有机质资源输入变化引起的土壤盐基离子迁移释放规律。本研究以南亚热带地带性森林——季风常绿阔叶林为研究对象,通过添加和去除凋落物以及断根处理来改变植物地上、地下资源的输入,旨在探究凋落物和根系输入改变对南亚热带森林土壤水溶性离子含量及其缓冲性能的影响,以期为森林土壤生态系统可持续性经营管理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究样地概况

研究地点位于广东省肇庆市鼎湖山自然保护区(23°10′N,112°30′E)。该保护区处于热带与亚热带的过渡区域,属于南亚热带湿润季风气候,年降水量约为1,927 mm,年均温约为20.9℃。鼎湖山的土壤母质为砂岩,土壤类型以砖红壤为主,土层厚约40 cm,pH范围为3.5—4.4[20]。研究对象为鼎湖山保护区完整保存了具有400多年历史的地带性植被——南亚热带季风常绿阔叶林。

该森林植物种类丰富,结构复杂,经调查乔木层优势树种以黄果厚壳桂(Cryptocaryaconcinna)、锥栗(Castanopsischinesis)、荷木(Schimasuperba)、华润楠(Machiluschinesis)、红车(Syzygiumrehderianum)等为主[21]；林下层植物以黄果厚壳桂、柏拉木(Blastuscochinchinensis)、香楠(Aidiacanthioides)、省藤(Calamussimplicifolius)、扇叶铁线蕨(Adiantumflabellulatum)、沙皮蕨(Hemigrammadecurrens)居多。鼎湖山季风常绿阔叶林林分特征和土壤性质(表1)、2019.9—2020.4期间鼎湖区降雨量(表2)如下。

表1 鼎湖山季风常绿阔叶林林分特征和土壤性质

表2 2019.9—2020.4期间鼎湖区降雨量

1.2 样地设置

2019年9月在鼎湖山季风常绿阔叶林内建立试验样地,采取随机区组试验设计,设置4个区组,每个区组有6个处理,每个处理有4个重复样方,共24个样方。每个样方面积为2 m×2 m,样方之间的缓冲带间隔3—5 m,区组之间的缓冲带间隔>10 m。该试验设置3种凋落物处理(保留、去除或加倍凋落物)和2种根系处理(不断根、断根),共6个处理组：对照(凋落物和根系输入均无变化,Control)、凋落物加倍(+L)、凋落物去除(-L)、断根(排除根长入,-R)、断根和凋落物加倍(-R+L)以及断根和去除凋落物(-R-L)。方法如下：(1)凋落物加倍：定期(每月)将去除凋落物样方中的凋落物均匀洒落在样方内。(2)去除凋落物：将地表凋落物去除干净,并在样方内设置尼龙网,阻隔外部凋落物进入样方。(3)断根：使用PVC板插入土壤基岩,切断与外部根系的联系,同时去除样方内的地表植物。

1.3 样品采集

2020年4月,在每个样方内随机选取3个采样点进行混合取样,使用内径为4.5 cm土钻分别采集0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm土壤样品。每个土样均为3个样点的混合样品。将土壤样品过2 mm筛网,剔除可见碎石和细根后自然风干,用于测定阴阳离子。

土壤性质的测定：土壤pH值使用FE28-STANDARD型pH计测定,土壤全碳和全氮使用Vario MAX cube CN高通量全自动元素分析仪测定。

1.4 数据统计分析

2 结果

2.1 土壤水溶性阴离子对不同凋落物和根系处理的响应

图1 土壤阴离子含量对不同凋落物和根系处理的响应

2.2 土壤水溶性阳离子对不同凋落物和根系处理的响应

图2 土壤阳离子含量对不同凋落物和根系处理的响应

2.3 土壤pH、酸中和能力(ANC)、阳离子交换量(CEC)对不同凋落物和根系处理响应

土壤pH在各处理间无显著变化,但存在土层差异,即表层(0—20 cm)较低,并随土层加深而升高,所有土层pH值在3.5—4.1范围(图3)。随着土层深度增加,土壤酸中和能力(ANC)呈下降趋势。与Control相比,-R+L和-R-L显著降低了0—10 cm土层ANC,+L、-L和-R也有降低效果(P>0.05)。对于CEC,所有土层Control和0—20 cm的+L较其他处理高；与Control相比,所有与断根相关的处理普遍降低了CEC,所有断根处理间CEC无差异：在0—10 cm和10—20 cm土层,+L分别增加了30.70%和28.71%,-R分别降低了58.25%和88.70%；在10—20 cm土层,-L降低了41.04%。

图3 土壤pH、酸中和能力和阳离子交换量对不同凋落物和根系处理响应

3 讨论

3.1 凋落物输入改变对土壤水溶性离子的影响

3.2 根系输入改变对土壤水溶性离子的影响

3.3 凋落物和根系共同作用对土壤水溶性离子的影响

3.4 土壤缓冲能力对凋落物和根系输入改变的响应

通常土壤的缓冲能力可以通过pH值、酸中和能力和阳离子交换量等指标来体现[4,17,51]。虽然在本研究中土壤pH无显著变化(结果与多数研究研究一致)[6,15],但凋落物去除和断根及其共同效应普遍削弱了土壤酸中和能力和水溶性阳离子交换量(图3),4土层呈现一致趋势。并且,所有断根处理的降幅比凋落物去除更大,断根处理和凋落物加倍或去除的共同处理与单独断根相比无明显差异。这说明凋落物和根系输入量的变化对土壤的缓冲能力具有关键的调控作用,并且根系的调控能力尤为重要。

4 结论