不同凋落物輸入處理對暖溫帶森林表層土壤有效磷含量的影響

韓中海，李會平，趙利新，王天平，史貝貝，許乾增，王 璐，吳明作

(1.河南省退耕還林和天然林保護(hù)工程管理中心，河南 鄭州 450003； 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河南 鄭州 450002；3.河南省國有焦作林場，河南 焦作 454000)

磷元素對植物生長發(fā)育具有重要作用，可以提高生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，并可能影響到其他元素循環(huán)過程及植被恢復(fù)進(jìn)程[1-4]。土壤中磷含量通常較低，不同形態(tài)磷的空間變異性較大，在土壤-植物系統(tǒng)的循環(huán)轉(zhuǎn)化過程受多種因素影響[1-2,4-6]，近幾年常有磷元素限制性作用的報(bào)道[3,7-9]，添加和去除凋落物等養(yǎng)分輸入方式的改變均可影響到土壤磷的動態(tài)[6,10]。全球氣候變化將引起植物生產(chǎn)力變化，進(jìn)而引起生態(tài)系統(tǒng)凋落物輸入到地表的量的變化，由此可引起表層土壤中磷的變化，評估這種變化可用凋落物添加和去除(Detritus input removal and transfer，DIRT)試驗(yàn)，其處理主要包括加倍凋落物、去除凋落物、移除地被物并切斷根系、去除腐殖層和土壤A層等[11]。針對DIRT的許多研究表明，添加凋落物或去除凋落物對土壤有機(jī)碳、CO2通量呈正向影響[12-13]，會促進(jìn)或抑制土壤呼吸，但加倍凋落物不一定成倍提高土壤呼吸[14-15]；目前亦有研究報(bào)道了凋落物處理對土壤氮[11,16-17]、磷[16]含量、微生物群落結(jié)構(gòu)[18]、凈光合速率[19]等均有一定影響；但在野外條件下人工調(diào)控凋落物輸入對表層土壤磷動態(tài)影響的研究報(bào)道較少，且多數(shù)均未進(jìn)行連續(xù)觀測[8-10,14]，國內(nèi)對DIRT的研究主要集中于亞熱帶[17]。鑒于此，以暖溫帶代表性的地帶性植被類型麻櫟(QuercusacutissimaCarruth.)人工林為對象，通過野外人工改變凋落物輸入，連續(xù)2 a觀測表層土壤有效磷含量的變化，分析其影響因素，探討森林凋落物蓄積量改變后對土壤有效磷含量的影響，為研究人工林生態(tài)系統(tǒng)土壤磷含量的動態(tài)、生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)氣候變化等提供參考，也可為免耕農(nóng)業(yè)、秸稈還田等生產(chǎn)方式引起農(nóng)作物歸還量變化對土壤磷動態(tài)的影響等研究提供借鑒。

1 材料和方法

1.1 研究地點(diǎn)概況

焦作市位于河南省西北部，東經(jīng)113°04′～113°26′、北緯35°10′～35°21′，東西長約32.5 km，南北寬約19.7 km；地勢西北高東南低，森林覆蓋率30.92%；屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.2～14.8 ℃，日照時(shí)間2 200～2 400 h，年均降雨量600 mm。河南省國有焦作林場始建于1954年，屬太行山脈、海河水系，海拔130～789 m，經(jīng)營人工林總面積1 371.6 hm2，分散于焦作市山陽區(qū)、解放區(qū)、中站區(qū)境內(nèi)。本研究標(biāo)準(zhǔn)地位于焦作林場森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測站內(nèi)，在2011年設(shè)置的麻櫟林定位觀測樣地附近；麻櫟林定位觀測樣地面積為1 hm2，位于中站區(qū)，東經(jīng)113°11′1.2″、北緯35°19′59.7″，平均海拔750 m，北坡，中坡位，坡度28°，土壤類型為褐土，土壤厚度為40 cm；麻櫟林林齡40 a，密度2 589株/hm2；主要樹種為麻櫟，分布有刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)、油松(PinustabuliformisCarr)，灌木主要有連翹[Forsythiasuspensa(Thunb.) Vahl]、黃櫨(CotinuscoggygriaScop.)、荊條(VitexnegundoL.)、繡線菊(SpiraeasalicifoliaL.)，草本很少。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2016年8月在定位觀測樣地附近設(shè)置4個(gè)凋落物處理，即：DL—加倍凋落物，NL—去除凋落物，NI—去除凋落物并阻斷外面根系(在四周挖50 cm寬、50 cm深的壕溝阻斷)，CK—對照。每種處理均用面積為1 m×1 m的凋落物收集框(離地高度1 m)控制凋落物的輸入；每種處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)，各處理及其各重復(fù)之間均間隔5 m以避免相互影響。2016年8月各處理設(shè)置完成后，每個(gè)月將NL中收集的凋落物全部添加至DL中使后者的凋落物達(dá)到加倍處理(要求均勻平鋪)，將NI收集框中的凋落物丟棄至試驗(yàn)區(qū)域一定距離外以免影響試驗(yàn)。維護(hù)各處理的凋落物收集框，剪除生長的地表植被。

1.3 土壤樣品測試

2016年8月第1次取樣，從2016年9月至2018年7月，每2個(gè)月取1次土壤樣品。取土壤樣品時(shí)，沿各處理的坡下邊緣開始依次向坡上進(jìn)行，每次分別取0～10 cm、10～20 cm共2個(gè)層次土壤，帶回實(shí)驗(yàn)室分析，依據(jù)《森林土壤樣品的采集與制備》(LY/T 1210—1999)的要求進(jìn)行；各樣品重復(fù)2次。用烘干法測定土壤含水率[《森林土壤含水量的測定》(LY/T 1213—1999)]，土壤樣品風(fēng)干后過0.147 mm孔徑的土壤篩，按照《森林土壤磷的測定》(LY/T 1232—2015)采用比色法測定土壤中有效磷含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

除土壤有效磷含量及其環(huán)比增長率、同比增長率指標(biāo)外，還采用變化率、變化速率等指標(biāo)來描述土壤有效磷含量的變化。

環(huán)比增長率是本期數(shù)值與上期數(shù)值的差值再除以上期數(shù)值的百分比，表示取樣間隔期間內(nèi)土壤有效磷含量的變化狀況。因取樣間隔為2個(gè)月，故其變化間隔為2個(gè)月。

同比增長率是本期數(shù)值與上一年同期數(shù)值的差值再除以上一年同期數(shù)值的百分比，表示1 a間隔時(shí)間內(nèi)土壤有效磷含量的變化狀況。

變化率為某一時(shí)間某種處理的土壤磷含量與對照的差值除以對照值，表示某種處理對土壤磷含量的影響程度，即：變化率=100%×(DL、NL或NI處理的磷含量-對照磷含量)/對照磷含量。

變化速率為單位時(shí)間內(nèi)，某種處理某時(shí)間末的土壤磷含量與初始值的差值，除以初始值，表示某種處理對土壤磷含量的影響速率，即：變化速率(%/月)=100×(CK、DL、NL或NI處理的磷含量-初始磷含量)/(初始磷含量×?xí)r間)。

采用Excel 2016軟件進(jìn)行簡單分析與作圖，用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析與相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同凋落物輸入處理下土壤有效磷含量的變化

經(jīng)2 a時(shí)間，相同層次土壤有效磷含量在凋落物輸入不同處理間沒有顯著性差異(Pmin=0.446)，為進(jìn)一步闡明其變化是否具有差異性，計(jì)算了不同輸入處理下土壤有效磷含量的變化率，結(jié)果見圖2。結(jié)合圖1可知，多數(shù)情況下，DL處理的土壤有效磷含量高于同層次CK，其變化率處于正值，表明各時(shí)間內(nèi)加倍凋落物提高了土壤有效磷含量，NL與NI處理的土壤有效磷含量低于同層次CK，其變化率多數(shù)處于負(fù)值，表明各時(shí)間內(nèi)去除凋落物及挖壕溝降低了土壤有效磷含量；Duncan檢驗(yàn)表明，0～10 cm層次的變化率在不同處理間具有極顯著差異(P=0.009)，在10～20 cm層次的沒有顯著性差異(P=0.103)。表明凋落物輸入處理可能主要只影響到0～10 cm層次的土壤有效磷含量，對10～20 cm層次的基本沒有影響?？赡苡捎谠囼?yàn)時(shí)間較短，也可能由于受到其他因素的影響。

圖1 不同凋落物輸入處理下土壤有效磷含量變化Fig.1 Changes of content of soil available phosphorus at different litter input treatment

圖2 不同凋落物輸入處理下土壤有效磷含量的變化率Fig.2 Change rates of content of soil available phosphorus at different litter input treatment

Duncan檢驗(yàn)表明，各不同處理的土壤有效磷含量的變化率在0～10 cm與10～20 cm層次的差異均不具有顯著性(Pmin=0.251)；SPSS曲線估計(jì)結(jié)果表明，2個(gè)層次的變化率間不能建立回歸模型。圖2中除2017年5月、2018年1月與2018年5月等部分時(shí)段出現(xiàn)較大波動外，其他時(shí)間各層次各處理變化率的波動幅度均較小，表明不同凋落物輸入處理對土壤有效磷含量只存在一定影響，土壤磷含量可能還受其他更多因素的影響。

2.2 不同凋落物輸入處理下土壤有效磷含量的變化速率與增長率

由圖3可知，凋落物輸入處理初期至2017年3月，不同處理的變化速率多數(shù)表現(xiàn)為先上升后下降，隨后波動幅度均較小，基本處于0水平線附近。2017年9月略有上升，2018年3月后在10～20 cm層次略有波動，至2018年7月波動又減小，整個(gè)過程基本上表現(xiàn)出減幅波動。表明不同處理在初期(處理時(shí)間0.5 a)對土壤有效磷含量表現(xiàn)出一定的影響，但隨后影響減緩。Duncan檢驗(yàn)表明，變化速率在相同土壤層次不同處理間、相同處理不同土壤層次間沒有顯著性差異。

由圖4可以看出，土壤磷含量環(huán)比增長率在開始時(shí)波動較小，在接近及小于0值的范圍內(nèi)，至2017年7月后，波動幅度增加，至2018年3月出現(xiàn)最大波動，隨后波動幅度減小，與變化速率的時(shí)間變化趨勢有較大差別，且10～20 cm層次比0～10 cm層次的波動幅度大，這可能與土壤磷含量的季節(jié)變動有關(guān)，也可能與磷在不同層次土壤中的變化有關(guān)。從同比增長率的變化(圖5)來看，不同月份的同比增長率有較大波動，特別是3月份以后。Duncan檢驗(yàn)表明，環(huán)比增長率、同比增長率分別在相同土壤層次的不同處理之間以及相同處理的不同土壤層次之間均沒有顯著性差異。表明凋落物處理對土壤磷含量的影響較為有限，可能存在季節(jié)變化及其他環(huán)境因子等較復(fù)雜的影響因素。

圖3 不同凋落物輸入處理下土壤有效磷含量的變化速率Fig.3 Change velocity of content of soil available phosphorus at different litter input treatment

圖4 不同凋落物輸入處理下土壤有效磷含量的環(huán)比增長率Fig.4 Month to month growth rate of content of soil available phosphorus at different litter input treatment

2.3 土壤有效磷含量變化的影響因素分析

利用SPSS進(jìn)行不同處理、不同時(shí)間的方差分析，經(jīng)初步分析，其交互作用并不明顯，故又進(jìn)行了主效應(yīng)分析，結(jié)果見表1。由表1可知，0～10 cm層次的土壤有效磷含量及其變化率、變化速率所建立模型均可達(dá)到顯著性水平，不同處理與時(shí)間均具有顯著性影響，其因素解釋比例均較高；但環(huán)比增長率與同比增長率雖然解釋比例亦較高，但不同處理的影響不具有顯著性。10～20 cm層次只有有效磷含量變化率可以建立模型，但其因素解釋比例并不高。表明在2 a的處理時(shí)間內(nèi)，凋落物不同處理主要影響到0～10 cm層次的土壤有效磷含量，對10～20 cm層次的影響較弱，并且同時(shí)受到季節(jié)變化等因素的較大影響。

表1 不同凋落物輸入處理與時(shí)間的主效應(yīng)分析Tab.1 Main effect analysis by treatments and time

3 結(jié)論與討論

3.1 不同凋落物輸入處理對土壤有效磷含量的影響

改變凋落物輸入可在一定程度上影響土壤表層的營養(yǎng)物質(zhì)動態(tài)等生態(tài)過程[16]，加倍或去除凋落物等處理可以引起土壤的物理性質(zhì)[7,12]、CO2通量[11,13]、碳[7,11-13,16]、氮[12,16-17]、磷[7-9,12,16]、呼吸[14-16]、微生物量與群落結(jié)構(gòu)[12,16,18]等許多方面的變化。DIRT試驗(yàn)中，增加或去除凋落物的影響通常需要較長時(shí)間觀測才可能表現(xiàn)出來[11]，且可能對土壤中銨、鎂、鉀、鋅等含量沒有影響[12]；其影響通常只達(dá)到10～30 cm土壤深度[7,12,16]，如凋落物去除可減少土壤B層10 cm深度的總氮與總磷含量[16]；且不同處理的影響不盡相同[7,16]，如NL處理效應(yīng)隨土壤深度增加逐漸降低[7]，加倍凋落物可增加土壤A層中生物有效磷含量而對土壤中氮含量的影響不顯著[16]；也有研究認(rèn)為，根系輸入的影響大致與地表凋落物輸入的影響相一致[11]，較高的細(xì)根生物量可能抵消了去除地表凋落物對土壤生態(tài)過程的影響，甚至作用更重要些[16]；由于交互作用[8-9]與協(xié)同變化[7]，使得磷在土壤、土壤-植物循環(huán)等各生態(tài)過程中所受到的影響更為復(fù)雜[2,4-6,16]。本研究只對土壤有效磷含量進(jìn)行了2 a時(shí)間的觀測，結(jié)果也表明了凋落物輸入改變可以影響到土壤表層有效磷含量的變化，DL處理增加了土壤有效磷含量，NL與NI處理降低了土壤有效磷含量，土壤有效磷含量的變化率在不同處理間的差異極顯著，其變化速率表現(xiàn)出減幅波動，其環(huán)比增長率與同比增長率在后期波動較大；多數(shù)情況下，0～10 cm土壤層次的不同處理與季節(jié)變化對土壤有效磷含量均具有顯著性影響。故可認(rèn)為凋落物輸入不同處理的影響在0～10 cm土壤層次較為明顯，在10～20 cm層次較弱，隨著處理時(shí)間的延長，其影響可能達(dá)到10～20 cm層次。免耕農(nóng)業(yè)、秸稈還田等不同生產(chǎn)方式，由于農(nóng)作物歸還到土壤的生物量不同，亦可能對土壤有效磷等營養(yǎng)元素或其他物質(zhì)的歸還、分解等產(chǎn)生影響，這種影響可能會影響到土壤肥力并進(jìn)而影響農(nóng)作物生長，本研究也可為土壤營養(yǎng)物質(zhì)動態(tài)與土壤肥力等研究提供借鑒。

3.2 土壤有效磷含量變化的影響因素

一般認(rèn)為，土壤中磷含量隨土壤深度增加而減少[4,20]，但差異可能不顯著[20]，不同層次的含量隨季節(jié)變化并不完全一致，春季通常均較低[4]。土壤中磷主要來源于巖石風(fēng)化，土壤磷含量受到凋落物分解與歸還、演替階段、林齡等多種因素影響[1-2,4-5,20-21]，也容易受樹木根系攝取與周轉(zhuǎn)，以及鐵、鋁氧化物等固定作用的影響[21-22]，某些影響還存在不一致性[2,4]，使得其在土層中的垂直流動性較小，或空間異質(zhì)較大[5,21]，某些因素或其交互作用的影響不顯著[4]。本研究中，土壤有效磷含量隨土壤深度增加而降低，差異不顯著，這與向云西等[20]的結(jié)論一致，在季節(jié)變化上基本上表現(xiàn)為春季至夏初較低，秋季、冬季較高的特點(diǎn)，與冼應(yīng)男等[4]的報(bào)道基本一致，規(guī)律性較為明顯；但在2018年1月后含量在不同處理不同層次均達(dá)最低，且部分出現(xiàn)隨土壤深度增加而增加的現(xiàn)象，可能是因?yàn)槭艿教幚砑坝纱艘鹜寥佬再|(zhì)改變等因素的影響。對不同處理、時(shí)間及其交互作用的影響因素分析發(fā)現(xiàn)，2 a的處理時(shí)間內(nèi)，不同凋落物輸入處理對0～10 cm層次土壤有效磷含量及其變化率與變化速率、環(huán)比增長率與同比增長率均具有顯著性影響，而對10～20 cm層次的影響較弱；同時(shí)，對環(huán)比增長率與同比增長率的影響更多地受到季節(jié)變化的影響，表明影響土壤磷含量的因素較多且復(fù)雜，各因素的影響方向、程度均可能存在不一致性。因此，對土壤磷含量的影響因素及其影響機(jī)制的研究也是未來的方向。

本研究通過2 a的DIRT試驗(yàn)與土壤有效磷含量動態(tài)的連續(xù)觀測，表明凋落物輸入改變可以在一定程度上影響暖溫帶森林(麻櫟人工林)表層土壤有效磷含量，DL處理可增加其含量，NL與NI處理可降低其含量，并且對其變化率與變化速率、環(huán)比增長率與同比增長率也有一定影響，2 a時(shí)間內(nèi)隨時(shí)間推進(jìn)，土壤有效磷含量的變化速率逐漸減小波動幅度，環(huán)比增長率與同比增長率在后期波動均較大；土壤有效磷含量的影響因素較多且較為復(fù)雜，凋落物處理的影響主要發(fā)生在0～10 cm土壤層次，對10～20 cm土壤層次的影響較弱；季節(jié)變化等因素也存在較大影響。未來仍需要進(jìn)行長期觀測以深入探討凋落物輸入改變對植物-土壤營養(yǎng)物質(zhì)動態(tài)的影響，以及該影響的途徑與機(jī)制，也可開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式對土壤營養(yǎng)物質(zhì)動態(tài)影響的研究，為生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營管理與響應(yīng)全球氣候變化研究等提供基礎(chǔ)。