連栽桉樹人工林土壤氮素季節(jié)動態(tài)特征1)

黃振格 何斌 謝敏洋 張日施 惠柳笛

(廣西大學(xué)，南寧，530004)

氮素是植物生長必需的主要營養(yǎng)元素之一。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，氮素既是限制林木生長最重要的環(huán)境因子，也是影響森林生態(tài)系統(tǒng)生物生產(chǎn)力和森林群落繁衍與更替的重要驅(qū)動因素之一[1]。人為活動對土地利用方式的改變打破了陸地生態(tài)系統(tǒng)原有的氮素平衡，導(dǎo)致土壤中氮素發(fā)生變化[2-5]。因此，研究森林土壤氮素的動態(tài)變化及其影響因素，及時了解和掌握土壤氮素供應(yīng)狀況，對促進(jìn)林地可持續(xù)利用和提高林地生產(chǎn)力具有重要意義[6]。目前，國內(nèi)外有關(guān)森林土壤氮素的研究，主要集中在不同森林類型土壤氮素含量以及土壤氮素的相互轉(zhuǎn)化作用等方面[6-12]。

1 研究區(qū)概況

以廣西國有東門林場為研究區(qū)，地理坐標(biāo)為107°14′～108°E，22°17′～22°30′N。該區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫在22.℃，年最低氣溫-0.6 ℃，年最高氣溫39.5 ℃，≥10 ℃的積溫為7 502 ℃；年日照時間1 693 h，無霜期長達(dá)346 d；年降水量1 050～1 300 mm。研究區(qū)地帶性土壤為赤紅壤，1、2和3桉樹代林在栽種桉樹前均為馬尾松(Pinusmassoniana)人工純林，與現(xiàn)存馬尾松人工林(成熟林，林齡26 a)相互毗鄰。各栽植代數(shù)桉樹林造林前均經(jīng)過煉山、整地、施基肥，采用尾巨桉(E.urophylla×E.grandis)組培苗定植，株行距為1.7 m×3.4 m。栽植前施基肥0.5 kg·株-1，造林后前2年結(jié)合撫育每年追肥2次，總施肥量N 200 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2、K2O 100 kg·hm-2。標(biāo)準(zhǔn)樣地均位于山坡中部，海拔在80～95 m，坡度7°～9°，坡向NE30°～35°，土壤類型為砂頁巖發(fā)育形成的赤紅壤，土壤厚度≥80 cm，pH值4.2～4.9。不同栽植代數(shù)桉樹林和馬尾松林林分特征見表1。

表1 不同栽植代數(shù)桉樹林林分特征

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置與樣品采集

2.2 土壤理化性質(zhì)的測定

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計和處理

分別使用Excel 2003和SPSS17.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析，應(yīng)用單因素方差分析進(jìn)行不同栽植代數(shù)桉樹林土壤氮素的差異顯著性分析；采用回歸相關(guān)分析，分析土壤氮素與土壤各養(yǎng)分之間的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 連栽桉樹人工林土壤理化性質(zhì)

從表2可見，不同栽植代數(shù)桉樹林土壤密度均呈現(xiàn)隨土壤深度增加而增大的趨勢，而土壤總孔隙度則呈現(xiàn)相反的變化趨勢。同一土層中，1～3代桉樹林>0～20、>20～40 cm土層土壤密度均小于馬尾松林，土壤總孔隙度則均恰好相反。各栽植代數(shù)桉樹林土壤的pH值，在剖面分布上均隨土壤深度增加而增大，而土壤有機(jī)質(zhì)、全磷、速效P和速效K質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)出隨土壤深度增加而下降的趨勢。在>0～20 cm土層，土壤pH值隨栽植代數(shù)增加而逐漸下降，有機(jī)質(zhì)、速效P和速效K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨栽植代數(shù)增加而逐漸下降，土壤全P質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨栽植代數(shù)的增加而增大，其主要原因是研究區(qū)紅壤中有較多的鐵、鋁離子與桉樹經(jīng)營過程中施入肥料的磷結(jié)合，形成難溶的磷酸鐵、磷酸鋁和閉蓄態(tài)磷而失去活性，導(dǎo)致土壤全P質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨栽植代數(shù)的增加而逐漸增大，而有效P質(zhì)量分?jǐn)?shù)反而下降，說明磷素的利用率較低。

表2 不同栽植代數(shù)桉樹林主要土壤理化性質(zhì)

3.2 連栽桉樹人工林土壤氮素特征

由表3可以看出，雖然在營造桉樹人工林及其生長過程中，林地土壤不同程度地受到整地、撫育、砍伐等人為因素的影響，但與馬尾松人工林相似，不同栽植代數(shù)桉樹人工林土壤氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均存在著與土壤有機(jī)質(zhì)相同的表聚作用現(xiàn)象，即呈現(xiàn)隨土壤加深而逐漸下降的變化趨勢，且不同土層氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，但>0～20 cm至>20～40 cm土層的下降速度要明顯高于>20～40 cm至>40～60 cm土層。

表3 不同栽植代數(shù)桉樹林土壤氮素的垂直分布特征

3.3 連栽桉樹人工林氮素的季節(jié)動態(tài)變化

3.3.1 土壤TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)的季節(jié)變化

從表4可以看出，馬尾松和1～3代桉樹林土壤TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)出較明顯的季節(jié)變化特征，同時也因栽植代數(shù)和土層的不同而存在一定差異。對于馬尾松林，>0～20 cm和>20～40 cm土層TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)以夏季最高，其次是秋季和春季，最低值出現(xiàn)在冬季；>40～60 cm土層，TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低的順序為秋季、夏季、春季和冬季。桉樹1代林，>0～20 cm土層，TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低的順序為夏季、秋季、春季和冬季；>20～40 cm土層，TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低的順序為夏季、冬季、秋季、春季；>40～60 cm土層，TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低的順序為夏季、春季、秋季和冬季。2代桉樹林，>0～20 cm土層，TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低的順序為夏季、秋季、春季和冬季；>20～40 cm土層，TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低的順序為秋季、春季、夏季和冬季；>40～60 cm土層，TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低的順序為夏季、秋季、春季和冬季。3代桉樹林，>0～20 cm土層，TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低的順序為秋季、夏季、冬季和春季；>20～40 cm土層，TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低的順序為秋季、夏季、春季和冬季；>40～60 cm土層，TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低的順序為秋季、夏季、春季和冬季?？傮w上看，馬尾松林和1～3代桉樹林不同土層TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高值均出現(xiàn)在夏季或秋季，而最低值則出現(xiàn)在冬季或春季。

表4 不同栽植代數(shù)桉樹林全氮的季節(jié)動態(tài)變化

表5 不同栽植代數(shù)桉樹林銨態(tài)氮的季節(jié)動態(tài)變化

表6 不同栽植代數(shù)桉樹林硝態(tài)氮的季節(jié)動態(tài)變化

3.4 桉樹人工林土壤氮素及其與其他主要養(yǎng)分的相關(guān)性

表7 桉樹林土壤氮素及其與其他養(yǎng)分的相關(guān)性

4 結(jié)論與討論

有研究表明，桉樹林顯著降低了土壤有機(jī)碳和氮素等養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而引起土地退化[18，24]。而Maqere et al.[17]研究表明，桉樹取代灌木稀樹草原后，不管是保持林木持續(xù)生長還是采用短輪伐期經(jīng)營，經(jīng)過60 a后，表層土壤TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增加；鄧蔭偉等[22]研究也發(fā)現(xiàn)，10年生桉樹林土壤有機(jī)質(zhì)和TN等養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均接近或超過馬尾松林。本研究表明，與馬尾松林相比，桉樹林不同土層氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)出隨栽植代數(shù)增加而下降的趨勢，且以0～20 cm土層的變化趨勢比較明顯，隨著土壤深度的增加，不同栽植代數(shù)土壤氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異逐漸減小。造成這種差別原因是造林地的類型、栽種或輪伐時間以及施肥等管理措施不同而存在差異。在桉樹經(jīng)營過程中，通過施肥可以提高林地土壤氮素水平，滿足林木生長需要，但經(jīng)過多年生長或多代連栽后，仍然出現(xiàn)土壤氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨栽植代數(shù)增加而逐漸下降的趨勢，其主要原因：一是桉樹的速生特性和短輪伐期經(jīng)營(輪伐期為5～7 a)，養(yǎng)分需求量極大，容易導(dǎo)致林地土壤養(yǎng)分消耗過度，而采伐時，“被動”采取全樹(包括干、枝、葉、皮和根)利用(經(jīng)營單位利用樹干和和皮，當(dāng)?shù)卮迕駝t拿走枝、葉以及采伐跡地整地時挖出樹根)，造成林地養(yǎng)分損失嚴(yán)重[25-26]；二是桉樹經(jīng)營過程中采取的煉山、翻耕整地，清除了地表植被和凋落物層，破壞了土壤結(jié)構(gòu)，造成土壤有機(jī)質(zhì)和氮素的損失；三是桉樹栽植后，前3 a采取的鏟草撫育尤其是連續(xù)施用除草劑，破壞和抑制林下植被的生長，致使林地微環(huán)境變差[27]，造成地表土壤裸露，林地易受降雨侵蝕，極易造成水土流失和養(yǎng)分淋溶，導(dǎo)致土壤氮素?fù)p失，因此桉樹多代連栽使林地土壤氮庫演化為一個逐漸退化的過程。從桉樹連栽對土壤垂直剖面氮素及其他主要養(yǎng)分的影響看，桉樹連栽主要影響土壤表層的氮素變化，隨著土層深度的增加，連栽對土壤氮素的影響逐漸減弱。

森林生態(tài)系統(tǒng)中氮素主要來源土壤有機(jī)質(zhì)的分解，土壤全N質(zhì)量分?jǐn)?shù)的消長主要取決于氮的積累和消耗的強(qiáng)弱，尤其是土壤有機(jī)質(zhì)的生物積累及其分解作用相對強(qiáng)弱，因此常常表現(xiàn)出隨季節(jié)不同而變化的動態(tài)特征。本研究中，4種林分各土層TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高值多數(shù)出現(xiàn)在夏季，最低值則主要出現(xiàn)在冬季，這與林分狀況和林內(nèi)小氣候等有關(guān)。春季時氣溫較低，土壤微生物活性和有機(jī)氮礦化作用較弱，此時植物開始生長，對速效態(tài)N的吸收量逐漸增加，土壤全氮的生物積累較低；夏季時林木生長旺盛，雖然需要從土壤中吸收較多的氮素來滿足其生長需要，但充足的水熱條件有利于有機(jī)物質(zhì)的礦化分解，以及凋落物的分解促進(jìn)了土壤TN的生物累積；秋季林木生長速度減緩，對氮素的吸收能力仍然較強(qiáng)，雖然凋落物歸還量增加，但水熱條件相對夏季較差，導(dǎo)致土壤TN的生物累積能力減弱；進(jìn)入冬季后，土壤微生物活性和有機(jī)氮礦化作用最弱，土壤TN的生物積累也趨于最低。