南方红壤丘陵区水土保持林对枯落物和土壤养分的影响

曹 智,文仕知,何功秀,周 沁,及 利,杨丽丽

(中南林业科技大学 林学院,湖南 长沙 410000)

土壤有机碳(soil organic carbon,SOC),是土壤含C有机物质的总和,主要由糖类、木质素、黑碳及腐殖质组成[1-3]。是土壤养分的重要组成部分,而且参与团聚体的形成,对土壤抗蚀能力有很大的影响[4-5]。水热条件及地上植被是影响土壤有机碳含量的主要因素,两者分别通过作用有机碳的输入和输出来影响土壤有机碳含量[6-9]。因此,探寻土壤有机碳变化与季节和植被的响应,对于维持土壤质量有着重要意义。

南方红壤区降雨集中,地形复杂,是我国水土流失的重点区域[10]。高强度的土壤侵蚀,导致土壤养分流失、地力下降,严重影响了正常的生产生活[11]。地上植被是影响水土流失的主要因素,因此营造水土保持林是改善土壤质量、降低水土流失的主要手段。陈洋等[12]的研究表明,植被类型能够明显影响水土流失,乔木林的水土保持作用显著优于其他植被类型;肖好燕等[13]在武夷山的研究中,发现不同林分对土壤有机碳、土壤可溶性组分存在显著影响,阔叶林更有利于土壤肥力的恢复。孙欧文等[14]的研究表明,针阔混交林及阔叶纯林的林分持水能力相对高于针叶纯林,各林种之间土壤容重、孔隙度等指标并无显著差异。Adam等[15]研究发现,混交林虽然具有诸多优点,但林分管理较为复杂,有较强的不确定性和风险性。因此关于混交林配置的研究一直以来都是学术界的热点问题。

杉木(Cunninghamialanceolata)具有生长快、性能好、经济价值高等特点,是我国南方主要的造林树种,总人工林中杉木林面积占比超过60%,由于多代连栽和经营管理不善,杉木人工林导致土壤养分含量下降[16]。闽楠(Phoebebournei)作为樟科常绿树种、国家Ⅱ级重点保护植物,是我国南方特有珍贵用材树种[17]。经研究发现,杉阔混交林比杉木纯林有更高的土壤有机碳含量及养分储量,一般混交树种主要为火力楠(Micheliamacclurei)、木荷(Schimasuperba)、红锥(Castanopsishystrix)[18-20]等,关于杉木与闽楠混交林的研究较少,且主要集中于混交后植物生理的变化,如叶的功能性状、光合特性、林分化学计量比[20-21]等,针对杉木-闽楠混交林的土壤养分含量的研究相对不足。因此,选取湖南省永州金洞林场的杉木-闽楠混交林、闽楠纯林、杉木纯林作为研究对象,探究不同季节水土保持林土壤养分及凋落物养分的变化,分析不同林分组成对于土壤有机碳的影响,为红壤地区水土保持工作的开展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖南省永州市金洞林场(26°14′28″N,112°8′15″E),属于亚热带季风湿润气候,年均降水量1 600～1 900 mm,年均日照1 529.9 h,年均气温16.3～17.7 ℃,无霜期275 d。试验林地于2004年种植杉木、闽楠纯林,苗木为1年生裸根苗,初植密度为2 200株·hm-2,2005年对杉木、闽楠进行间伐,并在部分杉木纯林中补植2年生闽楠苗木。林地内主要灌木树种为盐肤木(Rhuschinensis)、野桐(Mallotustenuifolius)、喜树 (Camptothecaacuminata)等;主要草本植物为小红菊(Dendranthemachanetii)、蒲公英(Taraxacmmongolicum)等。研究区成土母质以砂岩、页岩、碳质板岩为主,土壤为第四纪红色壤土。

1.2 试验设计

2018年1月,在该林场分别选择坡度、坡向、海拔、土壤和地形等立地因子相似的3种林分的人工林试验样地,分别为闽楠纯林、杉木纯林和杉木-闽楠混交林,林龄均为15 a,均已郁闭。其中混交林中杉木与闽楠树种比例为5∶5。每个林分组成分上坡、中坡和下坡各设置3块20 m×20 m的标准地,共9块标准地(表1)。

表1 样地基本概况Table 1 Basic situation of the sample sites

分别于2018年的1月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)、11月(秋季)进行土壤和凋落物样品的采集。

凋落物样品的采集与处理:在标准地内按“S”形设置5个1 m×1 m样方,用皮尺界定,按未分解层和半分解层收集凋落物,并称湿重,带回试验室后,60 ℃烘干,称量干重。粉碎、研磨过筛(0.149 mm),用于测定凋落物养分的含量。

土壤样品的采集与处理:在每块标准地内按照“S”形选取5个代表性的样点,去除地表凋落物,按照不同土层深度(0～10、10～20 cm和20～30 cm)采集土壤样品,每个点取3个重复,所用样品装于自封袋放入4 ℃泡沫箱中立即运回实验室。将部分分层土样在荫庇处进行自然风干,样品完全风干后,研磨过筛(0.149 mm),用于测定土壤养分含量。环刀所取土壤用于测定土壤的容重、持水量等物理性质。

1.3 测定指标

根据土壤农化分析[22],称取10 g鲜土放置于铝盒中,在105 ℃下烘干至恒重,计算土壤含水量;土壤容重采用环刀法测定;土壤pH用pH仪测定;土壤有机碳(SOC)和凋落物全C(TC)采用重铬酸钾-浓硫酸高温外热法测定;全N(TN)采用凯氏定氮法测定;Avio 500ICP(Thermo Fisher Scientific,美国)测定全P、全K、全Ca、全Mg的含量。可溶性有机碳(DOC)使用提取液中总有机碳(TOC)含量表示,总有机碳(TOC)的测定采用外加热重铬酸钾氧化法,使用紫外分光光度计(UV-120-02,Shimadzu)测定吸光值;可溶性有机N(DON)采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法。可溶性有机P(DOP)采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法。

1.4 数据处理

采用Excel 2016和IBM SPSS 23.0软件处理数据。采用单因素(one-way ANOVA)和双因素方差分析(two-way ANOVA)检验不同处理间的差异显著性(LSD,α=0.05)。采用Canoco 5.0将土壤有机碳与土壤养分指标进行冗余分析(RDA),并进行Mantel检验计算各因子对土壤有机碳变异的解释程度。所有数据为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 不同林分组成的土壤理化性质

林分组成对土壤可溶性有机P和全K在各林分间无显著差异,其余养分指标存在显著影响(表2)。在0～10 cm,杉木-闽楠混交林与闽楠纯林土壤有机质含量分别为27.19 g·kg-1和25.83 g·kg-1,比杉木纯林分别高35.10%和28.33%;杉木纯林土壤全N含量为1.18 g·kg-1,比杉木-闽楠混交林与闽楠纯林分别低39.83%和49.15%;杉木-闽楠混交林土壤全P含量与杉木纯林无显著差异,且两者都显著低于闽楠纯林(P<0.05)。不同土层间的土壤有机碳、全N、可溶性有机碳、可溶性有机N存在显著差异,其他养分指标在各土层间差异不显著。

表2 不同林分土壤理化性质Table 2 Seasonal dynamics of soil physicochemical properties in different forest stands

2.2 不同林分组成的凋落物养分特征

不同林分组成之间的凋落物全C、全K、全Ca、全Mg无显著差异,其他养分指标均受到林分组成的显著影响(表3)。在未分解层,不同林分间凋落物全C存在显著差异,杉木纯林凋落物全C含量最高为488.87 g·kg-1,比杉木-闽楠混交林高11.95%;凋落物全N无显著差异;在半分解层,杉木纯林凋落物全N含量最低为5.88 g·kg-1,比杉木-闽楠混交林低54.25%。在各分解层,杉木-闽楠混交林凋落物全P、可溶性有机P显著低于闽楠纯林。

表3 不同林分凋落物理化性质Table 3 Seasonal dynamics of physical properties of litter in different forest stands

2.3 不同林分组成土壤与凋落物养分的季节响应

季节和林分组成的交互作用对土壤全K无显著影响,对其他土壤养分指标均存在显著影响(表4)。林分组成对土壤有机碳、土壤K、可溶性有机P无显著影响,对其他养分指标存在显著性影响(P<0.05);季节因子仅对土壤K、土壤可溶性有机碳、土壤可溶性有机P存在显著性影响(P<0.05),对其他养分元素不存在显著影响。林分组成和季节因子的单一作用不会对土壤有机碳产生显著影响,但会对土壤可溶性有机碳产生显著影响。

表4 林分和季节对土壤养分影响的双因素方差分析Table 4 Two-way ANOVA on the effects of stands and seasons on soil nutrients

林分组成和季节的交互作用对凋落物全C、全N、可溶性有机N存在显著影响,对其他养分指标均无显著影响(表5)。林分组成对凋落物总C及其矿质元素无显著影响,对其他养分指标存在显著性影响(P<0.05);季节更替对凋落物所测所有养分指标均存在显著影响(P<0.05)。

表5 林分组成和季节对凋落物养分影响的双因素方差分析Table 5 Two-way ANOVA on the effects of stands and seasons on litter nutrients g·kg-1

2.4 土壤有机碳与土壤环境、凋落物特征相关关系分析

将土壤有机碳和土壤可溶性有机组分作为响应变量,将土壤环境因子与凋落物养分因子作为解释变量进行冗余分析并进行Mantel检验(图1)。0～10 cm土层对土壤有机碳的总体变异解释度最高,第1排序轴解释度为36.72%,第2排序轴解释度为11.07%,20～30 cm土层对总体变异解释度最低,且低于凋落物层;半分解层对总体变异解释度高于未分解层。全N、全P、可溶性有机N、全Mg在土壤与凋落物各层次均与土壤有机碳呈正相关,可溶性有机P在0～10 cm土层表现为正相关;全C在未分解层与土壤有机碳呈负相关,半分解层呈正相关。

A.0～10 cm土层;B.10～20 cm土层;C.20～30 cm土层;D.未分解层;E.半分解层;SOM.土壤有机质;DOC.可溶性有机碳;DON.可溶性有机氮;DOP.可溶性有机磷;TC.全碳;TN.全氮;TP.全磷;K.全钾;Ca.全钙;Mg.全镁。

土壤可溶性有机碳、凋落物半分解层可溶性有机碳与土壤有机碳呈显著正相关,凋落物未分解层全K、全Ca与土壤有机碳呈显著负相关(表6)。可溶性有机P仅在凋落物未分解层与土壤有机碳呈显著正相关,全N、全P、全Mg在各土层均与土壤有机碳呈正相关;总体上,土壤有机碳受可溶性有机碳、全N、全Mg的影响较大。

表6 土壤有机碳与养分因子的相关系数Table 6 Correlation coefficient between soil organic matter and nutrient factors

3 讨论

不同林分组成的森林因在树种、群落结构等方面的差异,形成了不同的凋落物性质和养分条件,这些显著影响了土壤养分含量。本研究表明,土壤和凋落物养分在林分模式和季节的交互作用下存在显著差异,这与大多数研究一致[23]。不同林分模式由于生理特征的差异,导致凋落物和土壤微生物群落不同,影响了土壤养分的含量[24]。在本研究中,不同林分模式的土壤养分含量为:杉木-闽楠混交林>闽楠纯林>杉木纯林,表明混交的栽植方式能够有效改善土壤养分,同黄永珍等[25]研究结果一致。凋落物作为土壤养分的主要来源之一,直接影响土壤中养分元素的含量[26]。对比纯林,混交林中不同种类的凋落物混合产生协同效应,使分解的物理环境发生了改变,同时混合凋落物比单一凋落物养分更为丰富,通过淋溶作用进行养分周转时,解除了单一凋落物对微生物分解活动的养分限制,加速了凋落物的分解。此外,凋落物的C/N也是影响凋落物分解的重要因素,C/N越低其凋落物质量越高。相比闽楠凋落物,杉木凋落物质量较低,分解缓慢,因此养分释放较为缓慢,导致土壤养分含量下降;混交林中质量差异明显的凋落物混合时,会促进真菌群落的养分吸收,高质量凋落物促进其低质量凋落物的分解,从而加速整体的分解速率,提高了土壤养分的含量[27]。3种林分组成土壤养分含量随土层加深递减,均表现出表聚效应,是由于在没有干扰的条件下,凋落物中的养分通过土壤微生物群落的生化作用和异化作用,完成养分的释放和转移,但该反应主要发生在表层土壤中[28],因此土壤养分随土壤深度的增加呈下降趋势。

3种林分组成的土壤和凋落物养分均受到季节变化的显著影响,土壤与凋落物养分随季节的变化并不一致,季节因素对土壤养分的影响较大。季节因素主要通过改变水热条件,来影响土壤养分含量,总体上,闽楠纯林和杉木纯林对季节的响应相反,杉木-闽楠混交林与闽楠纯林变化相似。水热条件是影响凋落物分解的重要因素之一,研究区属亚热带季风气候,雨季降雨集中,会产生强烈的淋溶作用,加速凋落物养分释放[27],从而降低了凋落物层的养分含量。此外,有研究表明亚热带地区植被凋落物表现出明显的节律性,阔叶落叶林一般为雨季的初级和末期,而针叶林则一般在6月出现凋落物高峰期[27]。这也是导致凋落物养分受季节影响的重要原因之一。

土壤有机碳主要来源于植被地上部分的凋落物及其地下部分细根的残余物,植被类型的变化会影响到土壤有机碳的输入。本研究表明,不同林分组成的土壤有机碳确实存在显著差异,全N、可溶性有机碳及全Mg对土壤有机碳存在显著影响,符合Lu等[29]的研究结果。土壤N含量与凋落物中N素的含量息息相关,凋落物中的N含量转而又会影响凋落物分解的速率。相比阔叶林,针叶林凋落物起始C/N一般较高,不利于微生物生理活动的代谢需求,需要吸收外界土壤中的N素来完成分解活动,导致针叶林土壤N含量下降[23],这与本研究结果相同。而且,N素与微生物的活性显著相关,土壤的N素下降导致微生物活性下降,致使土壤有机碳含量减少[30]。闽楠细根生长旺盛,表层土壤中细根与微生物交互活动频繁,能进一步促进凋落物的分解,发达的浅层根系使土层疏松,也有利于有机碳的存储。本研究中,季节对土壤有机碳的影响主要通过水热条件的变化来影响土壤及凋落物养分,这与王園博等[23]研究结果一致。此外,有研究表明,季节因子会影响到土壤酶活性和微生物活性,改变土壤有机碳的矿化进程,改变土壤有机碳的输入、输出[8,31]。

4 结论

林分组成对季节因子对土壤和凋落物养分均存在显著影响,杉木-闽楠混交林土壤和凋落物养分显著高于杉木纯林、闽楠纯林,其土壤有机碳、全N、全P比杉木纯林高35.07%～52.63%,凋落物矿质元素含量比闽楠纯林高25.35%～45.16%。林分因子主要通过改变凋落物养分的输入来影响土壤养分,季节因子主要通过对C、N及可溶性有机组分的影响来调控土壤养分。林分组成和季节因子均会对土壤有机碳产生显著影响,主要通过影响土壤N素的含量来影响土壤有机碳的含量。