氮、硫沉降下鄧恩桉人工林土壤與植株養分特征關系研究

吳承禎 洪偉 陳燦 林晗 范海蘭 林勇明 李鍵 葉紹全

（1.武夷學院，福建 武夷山 354300；2.福建農林大學桉樹研究中心，福建 福州 350002；3.福建省高校森林生態系統過程與經營重點實驗室，福建 福州 350002）

1 前言

大氣酸沉降是指pH＜5.6的大氣化學物質通過降水、擴散和重力作用等過程降落到地面的現象或過程[1]，由大氣氮沉降和硫沉降構成[2,3]。N、S沉降的來源可分為自然來源和人為來源。N、S沉降中的人為來源，主要是工農業生產活動，化石燃料（特別是煤、石油）燃燒所排放的大量N氧化物和硫化物，煤炭石油的燃燒是大氣硫沉降的主要來源[4～5]。大氣氮沉降作為一種自然現象，自地球誕生以來就一直存在，直到最近100多年才成為備受關注的一個環境問題。在自然狀態下，生物氮需求量往往大于生態系統所能提供的活性氮量，所以大部分生態系統往往表現為氮缺乏型。但工業革命以來，人為排放氮化合物急劇增加，使得大氣氮沉降量急劇增加，氮沉降量高的一些地區甚至出現了“氮飽和”現象，即氮輸入大于氮吸收的現象，由此引起水體富營養化，土壤養分下降，植物退化等一系列環境問題。隨著人類活動的進一步加劇，酸沉降問題還有繼續加劇的趨勢。氮素和硫素是森林生長的重要影響因子。在自然狀態下，氮固定主要通過物理作用（高能固氮）和生物作用（生物固氮）完成。與氮的植被庫和植被年需求量相比，森林土壤的氮庫很大，但主要是有機氮且分解緩慢，不易被植物利用。硫在地殼中的含量很高，是第十大元素，吸附硫酸鹽（SO42－－S）和少量非硫酸鹽化合物 （S2－、S2O32－、SO32－、S2O52－、S2O62－，含量一般低于土壤總硫的 3% ）和土壤溶液中可溶性硫酸鹽和少量非硫酸鹽化合物中的硫均為土壤有效硫，有機質中的硫為有效硫和潛在有效硫，土壤微生物體中的硫（MB－S）是土壤硫的活性部分[6]。

鄧恩桉（Eucahetus dunnii），原產澳大利亞的新南維爾士及昆士蘭州東南角，在原產地是生長最快的樹種之一，且可忍受極端最低氣溫－7℃[7]。目前對鄧恩桉的研究主要集中在引種 、扦插、組織培養等方面[8]。福建已經成為酸雨嚴重地區之一[9]，作為福建主要的引種樹種之一，鄧恩桉對酸沉降的響應及其程度如何對進一步擴大鄧恩桉種植面積及制訂應對全球酸沉降措施具有重要的理論指導意義。目前，國內對氮沉降對森林生態系統影響的研究很少，主要集中在亞熱帶地區，研究內容還普遍停留在植物生理特性和土壤養分循環方面，氮沉降與森林關系方面的研究才剛剛起步[10～11]，而氮、硫復合沉降對森林的影響則鮮見報道[12]。本研究在模擬氮、硫沉降對鄧恩桉生態系統的影響的基礎上[13]，利用典范相關分析方法探討酸沉降下鄧恩桉幼齡林土壤養分與植物養分之間的關系，以填補我國有關氮、硫沉降對闊葉林森林生態系統研究的不足，為我國進一步開展氮、硫復合沉降研究奠定基礎；同時為酸沉降增加環境下的亞熱帶闊葉林森林管理提供理論基礎。

2 材料與方法

2.1 實驗地概況

試驗地位于福建省建陽市，建陽市位于武夷山南麓，地處北緯 27°06′﹣27°43′，東經 117°31′﹣118°38′，屬于亞熱帶季風性氣候，光熱資源豐富。該區冬短夏長，氣候宜人，靜風多，溫差大，雨季集中。年平均氣溫18℃，無霜期282 d，年平均降雨量170﹣240 m，年平均日照數1 802.7 h，土壤為山地紅壤為主。鄧恩桉造林地為杉木（Cunninghamia lanceolata）、馬尾松（Pinus massoniana）采伐跡地，2006年2月份種植鄧恩桉，造林密度為1750株·hm－2，后期人工管理進行每年3次的除草追肥，每次施肥500 g/株，現存密度為1650株·hm－2，平均胸徑 8.57 cm ，平均樹高 9.1 m 。樣地林下植被稀疏，主要以五節芒（Miscanthus floridulus）、芒萁（Dicranopteris olichotoma）、蕨類（Pteridium aquilinum var.latiusculum）為主。

2.2 試驗設計

應用二因素正交旋轉組合設計[13]，參照NITREX項目[14]和林巖等[15]對酸沉降臨界負荷的研究，確定模擬N、S沉降的梯度和沉降量，其中二水平全因子試驗點個數mc=4，變量為零水平的重復試驗點個數m0=8，與因子個數有關的參數m=4，此外加入空白處理，共17個處理，每個處理4個重復。于2007年7月在3年生鄧恩桉人工純林中設置立地條件基本相似的10 m×10 m的試驗樣地68塊，重復之間不設置保護帶，不同處理之間設置保護帶，按氮、硫沉降試驗因素與水平的無量線性編碼值安排具體模擬試驗（表1）。

表1 試驗因素及其編碼Tab.1 Test factors and its coding

2.3 氮、硫復合沉降的模擬

2007年7月建立樣地，于每月月底以溶液的形式對樣地進行模擬氮、硫復合沉降處理，實驗持續1年時間。以尿素 （CO(NH2)2）作為外加氮源、硫酸鈉（Na2SO4）作為外加硫源，將不同處理組合的尿素及硫酸鈉溶解于20 L水中，以背式噴霧器在樣地內人工均勻噴灑，對照噴施相同量的清水，以減少因外加的水而造成對森林生物地球化學循環的影響。

2.4 土壤及活立木枝葉的取樣與處理

2007年7月設置樣地后，在每個樣地內隨機布點，挖取土壤剖面 3個，分層（0-20cm、20-40cm、40-60cm）取土壤帶回實驗室分析，風干后混勻，按照棋盤式取樣方法取土樣研磨，過2mm和0.149mm土壤篩，裝入自封袋待實驗分析；并實測每個樣地內胸徑4cm以上林木的胸徑和樹高，根據各樣地活立木每木檢尺的結果，計算各樣地活立木的平均胸徑和樹高，選定標準木。其后每次土壤取樣均在同一位置附近，并對樣地進行每木檢尺。第一次取樣時間為2007年7月，也就是模擬氮、硫沉降前，此時測定的是本底值；第二次取樣時間為2007年10月，第三次取樣時間為2008年1月，第四次取樣時間為2008年4月，第五次取樣時間為2008年7月，此模擬氮、硫復合沉降試驗持續1年時間。每次土壤取樣時對標準木采集當年生的枝、葉帶回實驗室，在80℃恒溫條件下烘干至恒重、粉碎、過篩，供養分特征分析。

2.5 樣品的養分特征測定方法

根據《中華人民共和國林業行業標準》對土壤及鄧恩桉枝、葉片養分特征進行分析，土壤有機碳采用低溫外加熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定、全N含量采用半微量凱氏定氮法測定、土壤全P采用堿熔-鉬銻抗比色法測定、土壤全K火焰光度法、土壤有效P采用NH4F-HCI浸提-鉬銻抗比色法測定、土壤速效K采用乙酸銨浸提-火焰分光光度法測定、土壤有效硫采用磷酸鹽-HOAc浸提-BaSO4比濁法測定、土壤交換性酸（H和Al）采用氯化鉀-中和滴定法測定。植物樣品有機碳含量采用低溫外加熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定，植物枝葉樣品采用H2SO4-HClO4消煮，全N采用靛粉藍比色法測定，植株P采用鉬銻抗比色法測定，鉀采用火焰光度法，鈣、鎂采用原子分光光度法測定。

2.6 數據處理

采用EXCEL2003、DPS2005對試驗數據進行統計、分析，用DPS7.05進行計算分析各變量間的典范相關關系。

3 結果與分析

3.1 鄧恩桉土壤與植株養分的典范相關分析指標的選擇

通過分析氮、硫沉降對鄧恩桉林地土壤和植株養分特征的影響，以模擬氮、硫沉降1年后（即第5次取樣）0-20cm土層與鄧恩桉枝、葉片養分特征測定數據進行典范相關分析。以土壤全量元素特性 （全磷、全鉀、全氮、有機質）為X變量，以土壤有效元素特性（有效磷、速效鉀、有效硫、交換性酸、交換性鋁、交換性氫離子）為Y變量；以土壤全量元素、有效元素特性（全磷、全鉀、全氮、有機質、有效磷、速效鉀、有效硫、交換性酸、交換性鋁、交換性氫離子）為X變量，以葉營養元素特性（葉磷含量、葉鉀含量、葉鈣含量、葉鎂含量）為Y變量；以土壤全量元素、有效元素為X變量，以枝營養元素特性（枝有機質、枝氮含量、枝磷含量、枝鉀含量、枝鈣含量、枝鎂含量）為Y變量；以葉營養元素特性為X變量，以枝養分元素特性為Y變量，分別應用典范相關分析探討X變量和Y變量之間的關系。

3.2 鄧恩桉土壤全元素與土壤有效元素典范相關分析

對氮、硫復合沉降下的鄧恩桉土壤全元素與有效元素進行計算，依據各指標均值與標準差進行典范相關分析（表2），經計算可得土壤全量元素與土壤有效元素的4對典型變量，選取前2對典型變量加以描述。

第一對典型變量：

第二對典型變量：

鄧恩桉土壤全量元素與土壤有效元素的4個相互獨立的典范相關分析系數中有1個達到顯著水平，由此可見二者存在顯著的線性相關關系，說明土壤全量元素對土壤有效元素有一定影響。且在該對典范變量中，U1的 X4系數（0.4553）絕對值最大，其次為 X2系數（-0.3364）的絕對值，V1的 Y5系數（4.1306）絕對值最大，其次為Y4的系數（-3.7186）的絕對值，即變量U1與V1之間主要是土壤有機質與土壤交換性鋁呈現的正相關關系。

表2 典型相關系數顯著性檢驗Tab.2 Chi-square tests of canonical correlation coefficients

3.3 鄧恩桉土壤全量、有效元素與葉營養元素典范相關分析

對氮、硫復合沉降下的鄧恩桉土壤全元素、有效元素及鄧恩桉葉磷、鉀、鈣、鎂等元素含量之關系進行典范相關分析（表2），現僅分析土壤全量、有效元素與葉營養元素的2對典型變量。

第1對典型變量：

第2對典型變量：

鄧恩桉土壤全量、有效元素與葉營養元素的4個相互獨立的典范相關分析系數中僅1個達到顯著水平，但二者之間仍存在顯著的線性相關關系，說明土壤全量、有效元素對鄧恩桉葉營養元素有一定影響。且在該對典范變量中，U1的X9系數（12609.81）絕對值最大，其次為X8的系數（-12281.1）的絕對值最大，V1的Y3系數（-0.7404）絕對值最大，其次為 Y4系數（0.289）的絕對值，即變量U1與V1之間主要是土壤交換性鋁與葉鈣含量之間呈現的負相關關系。

3.4 鄧恩桉土壤全量元素、有效元素與枝營養養分典范相關分析

對氮、硫復合沉降下的鄧恩桉土壤全元素、有效元素及鄧恩桉枝有機質、枝氮、磷、鉀、鈣、鎂等元素含量進行計算典范相關分析（表2），選擇土壤全量、有效元素與枝營養元素的2對典型變量。

第1對典型變量：

第2對典型變量：

鄧恩桉土壤全、有效元素與枝營養元素的6個相互獨立的典范相關分析系數中有1個達到顯著水平，因此二者之間也存在顯著的線性相關關系，說明土壤全量、有效元素對鄧恩桉枝養分有一定影響。在該對典型變量中，U1的 X9系數（64.0683）絕對值最大，其次為 X8系數（-62.4632），V1的 Y4系數（-0.8676）絕對值最大，其次為Y6系數（-0.3235）絕對值。即變量U1與V1之間主要是土壤交換性鋁與枝鉀含量之間呈現的負相關關系。

3.5 鄧恩桉葉營養元素與枝營養元素之間的典范相關分析

對氮、硫復合沉降下的葉磷、鉀、鈣、鎂等元素與枝有機質、氮、磷、鉀、鈣、鎂等元素含量進行計算，依典范相關系數篩選葉營養元素與枝營養元素的2對典型變量（表2）。

第1對典型變量：

第2對典型變量：

葉營養元素與枝營養元素的4個相互獨立的典范相關分析系數中有1個達到顯著水平，由此可見二者存在顯著的線性相關關系，說明葉元素對枝養分有一定影響。在該對典型變量中，U1的X4系數（0.4781）絕對值最大，其次為X2系數 （0.3544），V1的Y4系數（0.7843）絕對值最大，其次為 Y5系數（0.6373）絕對值。即變量U1與V1之間主要是葉鎂含量與枝鉀含量之間呈現的正相關關系。

4 結論與討論

鄧恩桉土壤全量元素與土壤有效元素之間的第1對典型變量的相關系數為0.9633，達顯著相關水平，說明土壤全元素第1對典型變量U1對土壤有效元素第1對典型V1變量影響較大，而土壤全量元素第1對典型變量綜合因子中起主要作用的是X4和X2因素，即土壤有機質和土壤全鉀；土壤有效元素第1對典型變量綜合因子起主要作用的是Y5和Y4，即土壤交換性鋁和土壤交換性酸。由此可見，鄧恩桉林地土壤有機質在一定程度上對有效元素土壤交換性鋁具有促進作用，對土壤交換性酸則具有抑制作用，而全鉀則對土壤交換性鋁具有抑制作用，但對土壤交換性酸具有促進作用。且土壤有機質對土壤交換性鋁影響的正面效果最大。陳明智等[16]在不同土地利用方式和種植年限對土壤交換性酸的影響中提及作物常因過量的酸及鋁而受害，當土壤和土壤溶液相互作用時，由于交換性鋁離子大量存在時，可使植物根系營養條件變差，損害植物生長和微生物活動。可見由于交換性鋁離子大量存在，損害植物生長和微生物活動導致土壤有機質增加和微生物分解的降低，從而導致土壤有機質增多。印證了土壤有機質與土壤交換性鋁的正相關。

鄧恩桉土壤全量、有效元素與葉營養元素之間的第1對典型變量的相關系數為0.9963，達顯著相關水平。土壤全量、有效元素第1對典型變量U1對葉營養元素第1典型變量V1的影響最大，土壤全量、有效元素第1對典型變量綜合因子中起主要作用的是X9和X10因素，即土壤交換性鋁和交換性氫離子；葉營養元素第1對典型變量綜合因子起主要作用的是Y3和Y4因素，即葉鈣含量和葉鎂含量。表明土壤交換性鋁和交換性氫離子對葉鈣含量具有負面效應對葉鎂具有正面效應，其中主要的是土壤交換性鋁離子對葉鈣的負面效應。這與肖輝林等[17]大氣氮沉降的不斷增加對森林生態系統的影響中氮沉降也會引起土壤中鋁離子的溶出增加，鋁離子的存在會抑制植物對其他陽離子及磷的吸收的觀點相符。

鄧恩桉土壤全量、有效元素與枝營養元素之間的第1對典型變量的相關系數達顯著相關水平，土壤全量、有效元素第1對典型變量U1對枝營養元素第1典型變量V1的影響最大，土壤全量、有效元素第1對典型變量綜合因子中起主要作用的是X9和X8因素，即土壤交換性鋁和交換性酸；枝營養元素第1對典型變量綜合因子起主要作用的是Y4和Y6因素，即枝鉀含量和枝鎂含量。表明土壤交換性鋁對枝鉀含量具有正面效應、對枝鎂含量則具有負面效應，土壤交換性酸對枝鉀含量具有負面效應、對枝鎂含量具有正面效應，其中土壤交換性鋁對枝鉀含量的負面效應影響最大。這與肖輝林等[17]結論相符。

鄧恩桉葉營養元素與枝營養元素之間的第1對典型變量相關系數為0.9427，經計算表明第1對典型變量達顯著相關水平，即葉營養元素第1對典型變量U1對枝營養元素第1對典型變量V1的影響最大。葉營養元素第1對典型變量綜合因子中起主要作用的是X4和X2因素，即葉鎂含量和葉鉀含量；枝營養元素第1對典型變量綜合因子起主要作用的是Y4和Y5，即枝鉀含量和枝鈣含量。表明葉鎂含量、鉀含量對枝鉀含量、鈣含量具有正面效應，其中葉鎂含量對枝鉀含量的正面影響效果最大。李天才等[18]認為，封育草地和退化草地同一種典型植物中鉀、磷與鈣、鎂元素之間具有負相關性；而韋忠等[19]研究表明高鈣、高鎂處理可以提高煙葉根系鉀的吸收、增加煙葉的鉀積累量，提高上、中、下部葉的鉀含量。但植物種類不一，其關系規律也可以不一致，因此對于鄧恩桉葉營養元素與枝營養元素各因子不同含量情況下的相互關系還有待進一步深入研究。

由于鄧恩桉經營周期短，生物生長量大，決定其須從土壤中吸收和消耗大量礦質營養元素，尤其在幼齡期反應特別敏感，所以，施肥是培育鄧恩桉速豐林不可缺少的技術環節，同時也是防治地力衰退的重要措施之一[13]。所以對于土壤養分和植物營養元素之間的相關關系研究尤為重要。長期以來，人們對植物鉀、鈣、鎂營養的研究比較廣泛，研究內容包括鉀、鈣、鎂素的營養生理其作用機制以及在土壤中的轉化和作物吸收特點等[19]。但對于植物鉀、鈣、鎂養分之間的相互關系，目前仍缺乏深入的研究[20]。本文主要研究鄧恩桉幼齡林土壤養分和植物營養元素之間的關系，為鄧恩桉可持續管理提供理論基礎，同時也為進一步研究其相關互作藕合關系奠定基礎。但由于土壤營養元素與植株營養元素對不同程度氮、硫沉降的響應規律可能有所不同，而本次僅以鄧恩桉幼齡林0-20cm土壤層的1年模擬監測數據作為分析基礎數據，所以應進一步綜合分析不同程度氮、硫沉降下土壤與植株營養元素之動態關系。且由于野外模擬試驗，影響試驗因素不能夠掌控，還有待于進一步長期的觀測與研究。

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