中亞熱帶森林更新方式對土壤磷素的影響

彭建勤, 林成芳,*, 洪慧濱, 林偉盛, 熊德成, 楊智榕, 楊玉盛

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 2 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地, 福州 350007

中亞熱帶森林更新方式對土壤磷素的影響

彭建勤1,2, 林成芳1,2,*, 洪慧濱1,2, 林偉盛1,2, 熊德成1,2, 楊智榕1,2, 楊玉盛1,2

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 2 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地, 福州 350007

為了深入了解磷(P)在中亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的有效性,在三明市梅列區(qū)陳大采育場黃坑工區(qū),選擇天然林采伐后采取不同更新方式的多種森林,以米櫧天然林為對照,研究森林不同更新方式對中亞熱帶森林土壤全磷、有效磷及可溶性有機磷的影響。結(jié)果顯示：在0—100 cm土層,(1)土壤全磷平均含量大小順序依次為米櫧天然林(NF)(0.49±0.09)g/kg,米櫧輕度干擾人促更新林(LAR)(0.35±0.04)g/kg,米櫧強度干擾人促更新林(HAR)(0.34±0.03)g/kg,馬尾松人工林(PIM)(0.32±0.02)g/kg,杉木人工林(CUL)(0.3±0.03)g/kg,人促更新林比人工林高,NF顯著高于其它的林分(P<0.05)；(2)土壤有效磷(NaHCO3提取)平均含量大小順序依次為NF(0.41±0.39)mg/kg,LAR(0.26±0.2)mg/kg,HAR(0.23±0.16)mg/kg,PIM(0.17±0.05)mg/kg,CUL(0.13±0.06)mg/kg,NF顯著高于其它林分,LAR顯著比人工林高(P<0.05)。(3)在0—10 cm土層,各林分可溶性有機磷含量在夏季最高,冬季最低,溫度和降水量的季節(jié)變化是影響其重要因子之一；同一季節(jié),人促更新林比人工林高,NF顯著高于人工林(P<0.05)。結(jié)果表明,全磷、有效磷和可溶性有機磷含量隨人為干擾強度的增強呈降低趨勢,其與年凋落物量和土壤有機碳儲量呈顯著正相關(guān),與土壤容重呈顯著負相關(guān),全磷和有效磷在土壤剖面呈表聚性特征。相比于人工林經(jīng)營,采取人促天然更新的方式,更有利于中亞熱帶森林養(yǎng)分的貯存和轉(zhuǎn)化,有利于森林的長期經(jīng)營和管理。

更新方式；天然林；全磷；有效磷；可溶性有機磷

磷(Phosphorus,P)是植物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素之一。植物所需要的磷主要來源于土壤,土壤是磷在生態(tài)系統(tǒng)中的最大儲存庫[1]。土壤中全磷含量較高,但磷素利用率較低。尤其在我國南方地區(qū),土壤磷素有效性極低,成為南方生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和生態(tài)過程的重要養(yǎng)分限制因子[2]。土壤全磷表示土壤磷素的總儲量,是衡量磷素營養(yǎng)水平的參考指標,主要來源于成土母質(zhì)和動植物殘體的歸還,也與人類生產(chǎn)活動有關(guān)[3]。土壤有效磷作為土壤中可被植物吸收的組分,是土壤磷素養(yǎng)分直接供應(yīng)水平高低的指標[4]。土壤有機磷是土壤磷素的重要組成部分,對土壤肥力和植物營養(yǎng)有著重要影響,我國大部分土壤有機磷占全磷的20%—40%[5]。用NaHCO3提取的磷包括部分無機和有機磷,有機態(tài)部分主要是可溶性有機磷(Dissolved Organic Phosphorus,DOP),它易于礦化而被利用[6]。土壤有機磷是植物有效性磷的重要來源,在磷含量較低或固定嚴重的土壤中,有機磷的作用更大[7]。在全球變化的背景下,森林土壤磷素的響應(yīng)直接影響到森林的碳儲藏。

近數(shù)十年來,我國南方大面積天然常綠闊葉林被采伐,受到人為不同程度的干擾,形成各種人促天然更新林和皆伐后經(jīng)營的人工林[8]。以米櫧(Castanopsiscarlesii)為建群種的常綠闊葉林是我國東部濕潤亞熱帶山地海拔<500 m以下常綠闊葉林的重要群系之一,而以米櫧為主的人工促進天然更新林在閩西北有較大面積經(jīng)營,已成為中亞熱帶經(jīng)營地帶性植被十分有效的模式[9]。同時,經(jīng)營杉木(Cunninghamialanceolata)人工林和馬尾松(Pinusmassoniana)人工林也有較長的歷史,也受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注[10- 12]。這種通過煉山燒去林地采伐剩余物的方式,便于林地更新作業(yè),并能利用早期大量速效養(yǎng)分,促進幼樹生長,因而這種人工更新(人工栽植實生苗或扦插造林)的方式也被廣泛采用。但其過分強調(diào)大面積集中連片,易造成林分樹種單一、造林純林化和針葉化、林分結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等生態(tài)問題。林分土壤養(yǎng)分狀況作為度量森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營的重要指標[13],是評價不同更新方式后林分養(yǎng)分循環(huán)的重要參考。

目前本區(qū)域森林更新方式的研究主要集中在林分結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)力[14]、物種多樣性[15]、植被生長和土壤理化性質(zhì)[16],以及葉片及凋落物溶解性有機物的數(shù)量和光譜學(xué)特征[12]等方面,而對米櫧天然林采取不同更新方式后土壤磷素變化還鮮有報道。因此在福建省三明市,選擇天然林采伐后在不同更新方式下形成的各種林分為研究對象,探討土壤中全磷、有效磷的變化及可溶性有機磷的季節(jié)動態(tài)特征,以揭示不同更新方式對中亞熱帶森林土壤磷素的影響,為我國中亞熱帶森林經(jīng)營和管理實踐提供理論依據(jù),并對該本區(qū)在全球變化背景下土壤磷素循環(huán)的響應(yīng)研究打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

試驗地設(shè)在福建省三明市陳大鎮(zhèn)采育場黃坑工區(qū)(26°19′N,117°36′E)和格氏栲自然保護區(qū)(26°11′N,117°28′E)內(nèi),與武夷山脈相連,平均海拔為300 m,平均坡度為25°—35°,屬中亞熱帶季風氣候。年平均氣溫為19.1 ℃,年平均降水量為1749 mm(主要集中于3—8月份),相對濕度為81%,年日照時數(shù)為1706 h。

米櫧天然林(CastanopsisLanceolata)位于三明市格氏栲自然保護區(qū)內(nèi),現(xiàn)有面積約190 hm2,植被屬中亞熱帶常綠闊葉林地帶。以米櫧為建群樹種,其它樹種有木荷(Schimasuperba)、桂北木姜子(Litseasubcoriace)、赤楠(Radixsyzygii)、冬青(Ilexpubescens)等。林下地被層較厚,并且散布著枯立木、倒木和死樹枝桿等,枯枝落葉厚度為5—8 cm。

陳大鎮(zhèn)林業(yè)采育場內(nèi)分布著由米櫧天然林受不同強度人為干擾后,形成的年齡相近(約40a)的米櫧輕度干擾人促更新林、米櫧強度干擾人促更新林、杉木人工林和馬尾松人工林,而這些不同的林型構(gòu)成了不同的更新方式梯度和生物多樣性梯度,為土壤養(yǎng)分等研究提供了良好的天然試驗基地。米櫧輕度干擾人促更新林由米櫧天然林經(jīng)過擇伐后,封山育林,經(jīng)過自然次生演替形成,主要樹種有米櫧(CastanopsisLanceolata)、閩粵栲(Castanopsisfissa)等。米櫧強度干擾人促更新林為采伐時保留木和林下幼樹,采伐后跡地保留剩余物,殘留的枝椏、樹梢等沿水平帶平鋪堆積以促其腐爛,其主要樹種有米櫧(CastanopsisLanceolata)、東南野桐(Malloyuslianus)等,草本層植物也十分豐富,分布連續(xù),由草珊瑚(Sarcabdraglabra)、山姜(Alpiniajaponica)、扇葉鐵線蕨(Adiantumflabellulatum)等組成。散布著枯立木、倒木和死樹枝桿等,枯枝落葉厚度5—7 cm。杉木人工林(Cunninghamialanceolata)和馬尾松人工林(Pinusmassoniana)為皆伐后,經(jīng)火燒、挖穴造林和幼林撫育營造的人工純林,林冠單層,林下植被主要為狗骨柴(Tricalysiadubia)、毛冬青(Ilexpubescens)、新木姜子(Neolitseaaurata)等,不同更新方式下林分詳細概況參見表1。

表1 試驗地的基本特征和土壤表層(0—20 cm)理化性質(zhì)(平均值±標準差)

NF：米櫧天然林 naturalCastanopsiscarlesiiforest; LAR：米櫧輕度干擾人促更新林 mild disturbance forest with natural regeneration; HAR：米櫧強度干擾人促更新林 intensive disturbance forest with natural regeneration; CUL：杉木人工林Cunninghamialancealataplantation; PIM：馬尾松人工林Pinusmassonianaplantation

1.2 采樣與測定方法

1.2.1 采樣

土壤取樣分別于2010年秋季、冬季、2011年春季和夏季分別進行取樣,具體時間為每次取樣的月底(28日)進行。在各林分每個樣方(每個林分各包含3個20 m×20 m樣方)中按“S”型方式進行取樣。用內(nèi)徑5 cm的土鉆在每個樣方進行多點(15—20)混合取樣,深度為1 m,分別為0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm、80—100 cm土層,并把各個樣方中相同土層土樣分別混合均勻,將土壤表層植物殘體等雜物去除,分別貼上標簽。取樣完成后將土壤樣品帶回實驗室進行處理,并放置于避光通風處進行自然風干。風干后選取一部分土樣過0.25 mm和2 mm篩分別放置于棕色土壤樣品瓶內(nèi),分別測定全磷和有效磷及pH值等理化性質(zhì)。

按隨機加布局控制的原則在樣地的上、中、下坡,分別布設(shè)15個0.5 m×0.5 m的1 mm孔徑的尼龍網(wǎng)凋落物收集框,離地面高20—25 cm水平放置。在每月月底收集每個框內(nèi)的地上凋落物,并分為葉、枝(包括樹皮和枝皮)、花、果(包括種子)和雜(鳥糞、蛹、小動物殘體等),然后在80℃下烘干至恒質(zhì)量后稱重,計算樣品的含水量和單位面積凋落物量。

1.2.2 測定方法

全磷測定采用HClO4-H2SO4法,用NaHCO3提取有效磷,鉬銻抗比色法測定。可溶性有機磷用差減法算出,即DOP = TDP-DIP[17]。稱取1.25 g土樣加入12.5 mL水,土樣與浸提劑分別混合后,在25℃條件下恒溫氣浴渦振蕩儀分別振蕩30 min(150 r/rain),取出后離心(25 ℃,10 min,10000 r/min),再用定量濾紙過濾。一部分濾液用鉬藍比色法測定有效性無機磷,另一部分濾液ICP-AES(Iris advantage)測定可溶性總磷,可溶性總磷與有效性無機磷的差值即為可溶性有機磷。用重絡(luò)酸鉀氧化-分光光度法測定土壤有機碳含量,土壤容重采用環(huán)刀法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 19.0、Excel 2003和Origin 8.5軟件進行統(tǒng)計分析和作圖。所有數(shù)據(jù)在分析之前先進行正態(tài)分布檢驗(Kolmogiriv-Smirnov檢驗),用單因素方差分析多重比較方法中的LSD方法檢驗不同新方式下各林分土壤全磷、有效磷含量及DOP季節(jié)性差異,顯著性水平設(shè)定為P=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同更新方式下土壤全磷含量的變化

米櫧天然林(NF)更新為米櫧輕度干擾人促更新林(LAR)、米櫧強度干擾人促更新林(HAR)、杉木人工林(CUL)和馬尾松人工林(PIM)后土壤全磷含量的變化如圖1所示,米櫧天然林在各土層全磷含量都比其它林分高,人促更新林高于人工林。在0—10 cm土層,NF最高為(0.48±0.02) g/kg,分別比LAR、HAR、CUL、PIM高14.5%、18.7%、31.2%和33.4%,顯著高于其它各林分(P<0.05),LAR、HAR分別為(0.41±0.03)g/kg、(0.39±0.02)g/kg,比CUL、PIM高。在10—20 cm土層,NF最高為(0.43±0.04)g/kg,分別比LAR、HAR、CUL、PIM高10.4%、16.7%、27.9%和20.8%,顯著高于CUL、PIM(P<0.05),LAR顯著比CUL、PIM高(P<0.05)。在20—40 cm土層,相比于NF,LAR為(0.36±0.02)g/kg,比CUL(0.3±0.03)g/kg和PIM(0.35±0.02)g/kg高。在40—60 cm土層,NF最高為(0.62±0.03) g/kg,并顯著高于其它林分(P<0.05),人促更新林高于人工林。在60—80 cm土層,除LAR(0.33±0.02)g/kg外,NF(0.39±0.01)g/kg顯著比其它林分高(P<0.05)。在80—100 cm土層,NF比CUL和PIM分別高30%、35%,均具有顯著性差異(P<0.05),人促更新林比人工林高,但差異不顯著(P>0.05)。

圖1 不同更新方式的土壤全磷含量(平均值±標準差,g/kg)Fig.1 The total P content for different forest types (Mean±SD, g/kg)NF：米櫧天然林 natural Castanopsis carlesii forest; LAR：米櫧輕度干擾人促更新林 mild disturbance forest with natural regeneration; HAR：米櫧強度干擾人促更新林 intensive disturbance forest with natural regeneration; CUL：杉木人工林 Cunninghamia lancealata plantation; PIM：馬尾松人工林 Pinus massoniana plantation；圖中不同大寫字母、小寫字母分別代表相同土層不同林分和相同林分不同土層間差異顯著 (n=6)

如圖1所示,各林分土壤中全磷含量大致隨土層深度增加而降低,NF在40—60 cm土層最高為(0.62±0.03)g/kg,其它林分都在土壤表層(0—10 cm)全磷含量最高,呈表聚性特征。除NF在40—60 cm和10—20 cm與其它土層有顯著差異外,其它林分土層之間差異不顯著(P>0.05)。在0—100 cm土層內(nèi),不同更新方式下土壤全磷平均含量大小順序為NF(0.49±0.09)g/kg,LAR(0.35±0.04)g/kg,HAR(0.34±0.03)g/kg,PIM(0.32±0.02)g/kg,CUL(0.3±0.03)g/kg,NF顯著高于其它林分(P<0.05),說明土壤中全磷含量隨人為干擾強度增強呈降低趨勢。

2.2 不同更新方式下土壤有效磷含量的變化

米櫧天然林(NF)更新為米櫧輕度干擾人促更新林(LAR)、米櫧強度干擾人促更新林(HAR)、杉木人工林(CUL)和馬尾松人工林(PIM)后土壤有效磷含量的變化如表2所示,NF土壤中有效磷在各土層均高于其它林分,人促更新林雖比人工林高,但差異顯著性也因土層而異。在0—10 cm土層,NF最高為(1.2±0.13)mg/kg,分別比LAR、HAR、CUL、PIM高45.8%、58.3%、83.3%和76.7%,顯著的高于其它林分(P<0.05)。在10—20 cm土層,除LAR(0.28±0.01) mg/kg外,NF(0.38±0.06) mg/kg顯著高于其它各林分(P<0.05),人促更新林比人工林高(P>0.05)。在20—40 cm土層,各林分土壤有效磷含量比NF低,LAR(0.18±0.06) mg/kg、HAR(0.16±0.05)mg/kg比CUL(0.12±0.03)mg/kg、PIM(0.15±0.01)mg/kg高。在40—60 cm土層,NF顯著高于其它各林分(P<0.05),人促更新林比人工林高,但沒有顯著差異(P>0.05)。在60—80 cm土層,PIM最低為0.08±0.02 mg/kg,分別比NF、LAR、HAR、CUL低60%、52.9%、55%和57.8%,顯著低于其它各林分(P<0.05)。在土層80—100 cm,NF(0.17±0.02)mg/kg比其它各林分高,PIM最低為0.07±0.03 mg/kg,顯著低于其它各林分(P<0.05),其它各林分間差異不顯著(P>0.05)。

表2 不同更新方式的土壤有效磷含量(平均值±標準差, mg/kg)

表中不同大寫字母、小寫字母分別代表相同土層不同林分和相同林分不同土層間差異顯著 (n=6)

由表2所示,各林分在土壤表層(0—10 cm)有效磷含量最高,以米櫧天然林最高為1.2±0.13 mg/kg,在土壤深層(80—100 cm)最低,以PIM最低為0.07±0.03 mg/kg。各林分土壤表層(0—10 cm)與深層(80—100 cm)之間差異顯著(P<0.05),隨土層深度的增加而降低,呈表聚性特征。在0—100 cm土層內(nèi),土壤有效磷平均含量大小順序為：NF(0.41±0.28) mg/kg、LAR(0.26±0.20) mg/kg、HAR(0.23±0.16) mg/kg、PIM(0.17±0.05) mg/kg、CUL(0.13±0.06) mg/kg,NF顯著高于其它林分(P<0.05),說明土壤有效磷含量隨人為干擾強度的增強呈降低趨勢。

2.3 不同更新方式下DOP含量的季節(jié)動態(tài)

米櫧天然林(NF)更新為米櫧輕度干擾人促更新林(LAR)、米櫧強度干擾人促更新林(HAR)、杉木人工林(CUL)和馬尾松人工林(PIM)后可溶性有機磷(DOP)含量的季節(jié)變化如圖2所示,各林分土壤DOP含量從春季到夏季增長,夏季到冬季降低；夏季顯著高于秋、冬季節(jié)(P<0.05),春季差異性因林分而異。

圖2 DOP含量的季節(jié)變化 (0—10cm) (平均值±標準差, mg/kg)Fig.2 Seasonal changes of DOP content (0—10cm) (Mean±SD, mg/kg)圖中不同大寫字母、小寫字母分別代表相同土層不同林分和相同林分不同土層間差異顯著 (n=6)

圖3 不同林分土壤DOP含量與降水量的季節(jié)變化 Fig.3 The seasonal variation of different forest soil DOP content and precipitation

由圖2所示,同一季節(jié),NF土壤可溶性有機磷(DOP)顯著高于人工林(P<0.05),人促更新林與人工林之間也因人為干擾強度的不同而異。在春季,NF土壤DOP含量最高為(1.9±0.02) mg/kg,顯著高于人工林(P<0.05),而與LAR(1.82±0.04) mg/kg沒有顯著的差異(P>0.05)。在夏季,NF土壤DOP含量達全年最高為(3.07±0.06)mg/kg,并顯著高于HAR(1.54±0.03) mg/kg、PIM(1.58±0.07) mg/kg和CUL(1.66±0.06) mg/kg(P<0.05),而與LAR(2.66±0.04) mg/kg差異不顯著(P>0.05)。在秋季,NF(1.4±0.04) mg/kg雖高于其它林分,而差異不顯著(P>0.05),HAR(0.98±0.05) mg/kg比PIM(1.1±0.06) mg/kg低。在冬季,NF(1.21±0.05) mg/kg顯著高于CUL(0.53±0.02) mg/kg和PIM(0.57±0.03) mg/kg,人促更新林雖比人工林高,但沒有顯著差異(P>0.05)。一年中,各林分土壤DOP含量隨降水量增加呈升高的現(xiàn)象,降水量可能是影響其季節(jié)變化的重要因子(圖3)。

2.4 土壤全磷、有效磷含量與年凋落物量、土壤容重及有機碳儲量的關(guān)系

由表3所示,隨人為干擾強度的增強年凋落物量、有機碳儲量呈降低的趨勢,土壤容重呈增長的趨勢。年凋落物量大小依次為NF(1155.70 g/m2)、LAR(688.10 g/m2)、HAR(687.10 g/m2)、PIM(654.10 g/m2)、CUL(594.80 g/m2)；土壤有機碳儲量大小順序依次為NF(75.67 t/hm2)、LAR(58.38 t/hm2)、PIM(51.76 t/hm2),CUL(50.84 t/hm2)、HAR(50.14 t/hm2)；土壤容重大小依次為PIM(1.41±0.02) g/cm3、CUL(1.33±0.05) g/cm3、LAR(1.32±0.03) g/cm3、 HAR(1.21±0.04) g/cm3、NF(1.12±0.13) g/cm3。

表3 不同林分土壤容重、有機碳儲量(0—20 cm)和凋落物的變化(平均值±標準差)

由不同林分土壤全磷、有效磷含量和可溶性有機磷含量與年凋落物量、土壤容重及有機碳儲量的Pearson相關(guān)分析顯示,全磷、有效磷含量與年凋落物量和有機碳儲量呈顯著的正相關(guān),與土壤容重呈顯著負相關(guān)(P<0.05)；可溶性有機磷與有機碳儲量相關(guān)性不顯著(表4)。

表4 土壤全磷、有效磷和可溶性有機磷與其土壤容重、年凋落物量、有機碳儲量Pearson相關(guān)系數(shù) (n=10)

Table 4 Correlations between soil total phosphorus, available phosphorus, dissolved organic phosphorus and its correspondent annual litterfall, soil bulk density, organic carbon storage (n=10)

因子Parameters全磷(TP)有效磷(AP)可溶性有機磷(DOP)土壤容重Soilbulkdensity/(g/cm3)-0．940??-0．914??-0．971??年凋落物量Annullitterfall/(g/cm2)0．887??0．927??0．796?有機碳儲量Organiccarbonstorage/(t/hm2)0．903??0．916??0．542

*P<0.05; **P<0.01；TP: Total phosphorus;AP: Available phosphorus;DOP: Dissolved organic phosphorus

3 討論

3.1 不同更新方式對土壤全磷、有效磷的影響

森林凋落物是林地有機質(zhì)的主要來源,是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的重要途徑,凋落物歸還的養(yǎng)分對維持林地肥力具有重要作用。本研究中凋落物量隨人為干擾強度增強呈降低趨勢(表3),與鄧旺灶[16]研究結(jié)果一致。這可能是由于米櫧天然林由天然更新形成,具有較為穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu),凋落物歸還量較高,而人促更新林和人工林在更新過程中受人為干擾的影響,林下植被較少,群落結(jié)構(gòu)較單一,從而使凋落物歸還量減少。同時,本研究中土壤全磷、有效磷含量隨人為干擾強度增強呈降低的趨勢,與湯景明等[13]研究結(jié)果相似。相關(guān)分析表明,凋落物量與全磷、有效磷含量呈顯著正相關(guān)(表4),表明森林凋落物歸還量的降低可能是影響其土壤全磷、有效磷含量降低的主要原因之一。樊綱惟[18]等也研究表明,土壤有效磷含量受凋落物生物量和腐殖質(zhì)層全磷含量的影響。也有類似研究顯示,植被蓋度與土壤有效磷含量呈顯著正相關(guān),表明林分植被蓋度不同也會影響到有效磷含量[19]。但有研究者認為,氣溫和降水是表層土壤全磷含量主控因子之一[20],區(qū)域自然環(huán)境差異可能是影響研究結(jié)果差異的原因。與人工造林更新方式相比,本研究中人促天然更新方式更有利于林分土壤肥力的恢復(fù)和維持,與莫江明[21]、范廣闊[22]等人研究相似。因此,在森林經(jīng)營管理過程中,應(yīng)重視利用天然更新森林生態(tài)系統(tǒng)的“自肥機制”,提高土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分含量,從而改善森林的結(jié)構(gòu)和功能。

由表3所示,米櫧天然林土壤容重低于更新后的其它林分,并隨人為干擾強度增強呈增大的趨勢,與陳愛玲[23]、湯景明[13]等研究結(jié)果一致。相關(guān)分析顯示,土壤容重與全磷、有效磷呈顯著負相關(guān)(表4)。天然林采伐后更新起來的各種林分,土壤全磷、有效磷含量下降,這與這些林分在更新過程中受到不同程度的人為干擾有關(guān)。干擾導(dǎo)致土壤溫度、水分和植被等條件的改變,引起土壤結(jié)構(gòu)及微生物的變化,也會影響到N、P等養(yǎng)分元素的流動與周轉(zhuǎn)[24]。

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)米櫧天然林土壤有機碳儲量比其它林分高 (表3),土壤有機碳儲量與全磷、有效磷含量呈顯著正相關(guān)(表4),與Hou等[25]研究結(jié)果相似。這可能是天然林更新后凋落物歸還數(shù)量減少、水土流失加劇及人為干擾對表層土壤的擾動引起土壤有機質(zhì)加速分解等因素有關(guān),從而使有機碳儲量降低。Allison等[26]研究表明,土壤有機碳含量的增加可為土壤微生物提供更多能源,使參與土壤有機磷礦化的磷酸酶活性提高,因而有機碳含量的增加也可能會提高土壤中磷素含量。但Huang等[27]研究認為,在亞熱帶成熟森林,土壤表層磷有效性可能隨土壤有機碳的持續(xù)積累而降低,但對深層土壤研究還有待進一步研究。在我國東北淡水濕地和河岸相關(guān)研究顯示,土壤有機碳濃度與可溶性有機磷濃度呈顯著的正相關(guān)[28],與本研究存在差異,可能受地域環(huán)境差異、土壤類型及其理化性質(zhì)差異的影響。

3.2 不同更新方式下土壤全磷、有效磷垂直分布特征

研究顯示,土壤中全磷、有效磷隨土層深度的增加而減小,呈表聚性特征,這種表聚性特征可能是由于林分凋落物周轉(zhuǎn)較快,林下凋落物分解、植物死亡及枯草腐敗后,向表層土壤添加大量的養(yǎng)分所致[29]。Jobbágy等[30]研究也認為,植物通過根系能夠吸收土壤表層和下層的磷素及其它礦質(zhì)養(yǎng)分,同時也通過凋落物歸還向地表添加N、P和其它養(yǎng)分。隨著森林的發(fā)育,磷素在土壤表層持續(xù)累積,因而凋落物歸還是影響森林土壤全磷、有效磷含量在土層剖面有較大差異的主要因素。Anderson等[31]研究認為,土壤養(yǎng)分間以微生物為紐帶存在耦合關(guān)系,土壤微生物是土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的動力,既是土壤養(yǎng)分的重要來源,又是土壤養(yǎng)分的儲存庫。已有研究表明,林下土壤細菌、真菌和放線菌數(shù)量及MBC、MBN和MBP含量隨土層深度增加而減小,呈表聚性特征,且土壤有效磷與微生物量碳、氮、磷呈極顯著正相關(guān)[32],因而土壤微生物在土層剖面上的差異也可能會影響磷素的分布。Liu等[33]對不同年齡林分土壤磷素剖面研究顯示,年齡為80 a的林分隨土層深度增加,全磷濃度趨向于增加或無變化；而年齡為400 a的林分全磷濃度隨土層深度顯著降低,因而林分年齡也可能會影響土壤磷素在土層上的分布。此外,根系作為植物吸收養(yǎng)分的主要器官,其生長中分布格局的不同,也會影響到土壤養(yǎng)分含量及其分布的差異[34]。總之,磷素這種表聚性特征除受凋落物歸還影響外,也與林分土壤發(fā)育、微生物活性、一系列生物化學(xué)過程及人為活動有關(guān)。

3.3 不同更新方式對DOP的影響

氣溫和降水是影響森林土壤可溶性有機磷(DOP)季節(jié)變化的重要因素之一。研究顯示,各林分土壤DOP含量從春季到夏季提高,夏季到冬季呈降低現(xiàn)象,與中亞熱帶地區(qū)氣溫和降水的季節(jié)性變化一致(圖3),表明氣溫和降水是影響土壤DOP的重要因素之一。同時,有研究表明,夏季土壤中DOP含量高于其它季節(jié),可能受有機磷礦化加速的影響[35],因為有機磷礦化過程主要取決于微生物活動和磷酸酶活性,其受溫度和降水量的制約[36]。海龍等[37]研究也認為土壤有機磷含量與降水量、有機質(zhì)含量等因素有關(guān)。Tipping等[38]研究表明,夏季土壤中DOC濃度高于冬季,降水量是影響其重要因素之一。

在森林生態(tài)系統(tǒng)中,土壤DOP含量除受到磷素形態(tài)和環(huán)境限制外,也受到人為因素的影響[39]。由不同林分土壤DOP與土壤容重及年凋落物量Pearson相關(guān)分析顯示,土壤DOP含量與土壤容重呈顯著負相關(guān),與凋落物量呈顯著正相關(guān)(表4)。在米櫧天然林更新中隨著人為干擾強度增強,林分凋落物量歸還減少及土壤容重增大,使土壤結(jié)構(gòu)性變差,可能是導(dǎo)致米櫧天然林DOP顯著高于人工林,人促更新林較人工林高的重要原因。Frizano等[40]研究發(fā)現(xiàn),滑坡地上森林更新后土壤有機磷上升,而凋落物的歸還是提高土壤有機磷的主要原因。

4 結(jié)論

研究表明,中亞熱帶森林土壤全磷、有效磷具有表聚性特征,其含量隨人為干擾強度的增強呈降低的趨勢。森林的凋落物歸還、土壤容重和有機碳儲量的不同,是森林土壤全磷、有效磷含量和可溶性有機磷含量差異的主要因素。森林土壤可溶性有機磷季節(jié)變化受溫度和降雨季節(jié)變化的影響。因此與人工造林相比,采取人促天然更新方式更有利于土壤磷素的儲存。

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Effect of forest regeneration on soil phosphorus in mid-subtropical area

PENG Jianqin1,2, LIN Chengfang1,2,*, HONG Huibin1,2, LIN Weisheng1,2, XIONG Decheng1,2, YANG Zhirong1,2, YANG Yusheng1,2

1SchoolofGeographicalScience,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China2CultivationBaseofStateKeyLaboratoryofHumidSubtropicalMountainEcology,Fuzhou350007,China

To better understand the availability of phosphorus (P) in mid-subtropical forest ecosystems, various forests that originated from natural tree felling were selected in the Huangkeng work area of the Chenda state-owned forestry farm, and the effect of different regeneration patterns on soil total, available, and dissolved organic P were studied. The results indicated that, in the 0—100 cm soil layer, (1) Average soil total P content from highest to lowest was (0.49±0.09) g/kg in theCastanopsiscarlesiiforest (NF), (0.35±0.04) g/kg in the mild disturbance forest with natural regeneration (LAR), (0.34±0.03) g/kg in the intensive disturbance forest with natural regeneration (HAR), (0.32±0.02) g/kg in thePinusmassonianaplantation (PIM), and (0.3±0.03) g/kg in theCunninghamialancealataplantation. Natural regeneration forests had higher total P than plantations, and total P for NF was significantly higher than that of the plantations (P< 0.05). (2) Average soil available P content (NaHCO3extraction) from highest to lowest was (0.41±0.39) mg/kg for NF, (0.26±0.2) mg/kg for LAR, (0.23±0.16) mg/kg for HAR, (0.17±0.05) mg/kg for PIM, and (0.13±0.06) mg/kg for CUL. Available P of LAR was significantly higher than that of plantations (P< 0.05). (3) In the 0—10 cm soil layer, dissolved organic P content was highest in summer and lowest in winter for every forest type, which was probably caused by seasonal changes in temperature and precipitation. In the same season, dissolved organic P from NF was significantly higher than that of plantations (P< 0.05), and dissolved organic P is natural regeneration forests was higher than in plantations. Correlation analysis showed total P, available P, and dissolved organic P were significantly positively correlated with litterfall and soil organic carbon storage, but had a significant negative correlation with soil bulk density, and exhibited a declining trend with increasing human disturbance. Total P and available P in the soil profile exhibited characteristics of surface accumulation. Compared to plantation management, natural forest regeneration was more conducive to storage and transformation of nutrients, and for the long-term management of the mid-subtropical forests.

regeneration method; natural forest; total phosphorus; available phosphorus; dissolved organic phosphorus

國家自然科學(xué)基金面上項目(31270584)；國家自然科學(xué)基金重點項目(31130013)

2015- 06- 07;

日期:2016- 04- 12

10.5846/stxb201506071150

*通訊作者Corresponding author.E-mail:tonylcf99@163.com

彭建勤, 林成芳, 洪慧濱, 林偉盛, 熊德成, 楊智榕, 楊玉盛.中亞熱帶森林更新方式對土壤磷素的影響.生態(tài)學(xué)報,2016,36(24):8015- 8024.

Peng J Q, Lin C F, Hong H B, Lin W S, Xiong D C, Yang Z R, Yang Y S.Effect of forest regeneration on soil phosphorus in mid-subtropical area.Acta Ecologica Sinica,2016,36(24):8015- 8024.