凋落物輸入改變對暖溫帶栓皮櫟林表層土壤有效磷的影響

韓中海，李會平，劉新軒，史貝貝，吳明作*

1.河南省退耕還林和天然林保護工程管理中心，河南 鄭州 450003；2.河南農業大學林學院，河南 鄭州 450002；3.汝陽縣林業局，河南 汝陽 471200

氣候變化可引起樹木死亡、葉量變化等而使地表凋落物輸入量發生變化（Crow et al.，2009；Tóth et al.，2007），并進而影響森林近地表層的生態過程如土壤有機質、N、P等養分含量動態（Huang et al.，2015；Lea，2008），評估凋落物輸入改變的這種影響通常可用凋落物添加和去除試驗（DIRT，Detritus input and removal treatments），其處理主要包括加倍凋落物、去除凋落物、去除根系、移除地被物并切斷根系、去除A層和有機層等（Nadelhoffer et al.，2004）。凋落物加倍或去除等處理可影響土壤表層的諸多生態過程，主要是土壤的物理性質（Tanner et al.，2016；孔青等，2018）、有機質（Crow et al.，2009；Huang et al.，2015）、CO2通量（Nadelhoffer et al.，2004；張灝等，2014）、N（Huang et al.，2015；Tanner et al.，2016；楊易楠等，2019）、P（Jara et al.，2009；劉旭軍等，2019）、呼吸（高強等，2015；李曉杰等，2016）、微生物量與群落結構（Tanner et al.，2016；王巍巍等，2015）等。已有DIRT試驗表明，這種影響通常需較長觀測時間才可能表現出來（Nadelhoffer et al.，2004），且可能對土壤中銨、鎂、鉀、鋅等沒有影響（Tanner et al.，2016）；其影響通常只達到10—30 cm的土壤深度，且不同處理的影響不盡相同（Huang et al.，2015；孔青等，2018），如加倍凋落物可增加 A層土壤中生物有效 P而對土壤中N的影響不顯著（Huang et al.，2015），去除凋落物可減少B層10 cm深度的TN與TP（Huang et al.，2015），處理效應隨土壤深度增加而逐漸降低（孔青等，2018）；也有研究認為根系輸入改變的影響大致與地表凋落物輸入改變的影響相等（Nadelhoffer et al.，2004），較高的細根生物量可能抵消了去除地表凋落物對土壤生態過程的影響，甚至作用更重要些（Huang et al.，2015）。磷是植物生長發育過程中的重要元素之一，對提高森林生態系統生產力具有重要作用（陳金林等，2002；方晰等，2018；冼應男等，2019），其限制性作用近些年常有報道（孔青等，2018；劉旭軍等，2019），且可能影響到其它元素循環過程與植被恢復等（方晰等，2018；黃玫等，2019）；不同形態磷的空間變異性、在土壤-植物系統的循環轉化過程受多種因素影響（冼應男等，2019；秦倩倩等，2019），并可能受交互作用（劉旭軍等，2019）與協同作用（孔青等，2018）的影響，使土壤各生態過程所受到的影響更為復雜。凋落物添加與去除等養分輸入方式影響到土壤磷的動態（倪惠菁等，2019；葛曉敏等，2013），但在野外條件下對人工林進行連續觀測的研究報道較少（Huang et al.，2015；孔青等，2018；劉旭軍等，2019），影響的土壤深度、時間效應等并未完全明確；本文以暖溫帶代表性地帶性植被類型栓皮櫟林為對象，通過野外人工改變凋落物輸入方式，連續2 a觀測森林土壤有效磷的變化，闡明凋落物輸入改變對土壤有效磷的影響程度，為探討氣候變化導致森林凋落物蓄積量改變對土壤養分的影響，也為研究人工林生態系統動態及其經營管理、森林生態系統對氣候變化響應等提供基礎。

1 研究地點概況與研究方法

1.1 研究地點概況

河南省洛陽市汝陽縣位于河南省西部，112°8′—112°38′E、33°49′—34°21′N，森林覆蓋率44.7%；屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫14 ℃左右，日照小時數2212.5 h，年均降水量690.3 mm。汝陽大虎嶺林場位于汝陽縣北部，始建于1956年，屬伏牛山脈、淮河水系，海拔350—789 m，經營人工林面積 3973.3 hm2，現有林木蓄積總量 20×104 m3，主體為1個育苗基地和3個營林工區。本研究標準地位于汝陽縣大虎嶺林場森林生態系統定位觀測站內、于 2011年設置的栓皮櫟（Quercus variabilisBl.）林定位觀測樣地附近；觀測樣地年均氣溫14.2 ℃，1月平均氣溫3.2 ℃，7月平均氣溫26.6 ℃，年均降水量665.8 mm，年日照時數2164.1 h，年≥10 ℃積溫4572 ℃，無霜期220 d。栓皮櫟林定位觀測樣地面積為 1 hm2，位于 112°28′33″E、34°13′44″N，南坡，坡度 22°，平均海拔 570 m，土壤類型為棕壤，土壤厚度20—40 cm；為人工林，林齡21 a；喬木層密度1312 plant?hm-2，平均樹高8.8 m，平均胸徑12.4 cm，凋落物厚度4—5 cm；主要樹種為栓皮櫟，分布有少量的槲櫟（Quercus alienaBl.）、刺槐（Robinia pseudoacaciaLinn.）、側柏（Platycladus orientalis(L.) Franco）等，灌木主要有黃荊（Vitex negundoL.）、粗葉懸鉤子（Rubus alceaefoliusPoir.）等，草本主要有羊胡子草（Carex rigescensL.）等。

1.2 實驗設計

于2016年9月在大樣地邊緣設置凋落物輸入的3個不同處理，即：DL——加倍凋落物，NL——去除凋落物，CK——對照；每種處理均用面積為 1 m×1 m的凋落物收集框（木制框架，中間為孔徑0.25 mm的白色尼龍網，離地高度1 m）控制凋落物的輸入，均剪除地表植被；每種處理均設置4個重復，各處理及其各重復之間均間隔5 m以避免相互影響。2016年9月各處理設置完成后，每個月將NL中收集的凋落物全部均勻添加至 DL中使后者的凋落物達到加倍處理，并維護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9月第一次取樣至2018年7月期間共2 a時間，每 2個月取一次土壤樣品，取土壤樣品時，沿各處理的坡下邊緣開始依次向坡上進行，因石質山地土壤厚度差異較大，每次均統一分別取0—10、10—20 cm共2個層次土壤帶回實驗室分析，依據《森林土壤樣品的采集與制備》（LY/T 1210—1999）的要求進行，取樣完成后多余土壤回填原處；各樣品2個重復。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）），土壤樣品風干后過0.15 mm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 數據分析

除土壤有效磷質量分數、環比增長率外，還采用變化率、變化速率等指標。

環比增長率是本期數值與上期數值的差值再除以上期數值的百分比，表示取樣間隔期間內土壤有效磷質量分數的變化狀況；因取樣間隔為2個月，故其變化間隔為2個月。

變化率c為某一時間某種處理的土壤磷質量分數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：c(%)=100×(DL或NL處理的磷質量分數-對照磷質量分數)/對照磷質量分數。

變化速率v為單位時間內，某種處理某時間末的土壤磷質量分數與初始值的差值，除以初始值，表示某種處理對土壤磷含量的影響速率，即：v(%?month-1)=100×(CK、DL或NL處理的磷質量分數-初始磷質量分數)/初始磷質量分數/時間

采用Microsoft Office Excel 2013軟件進行簡單分析與作圖；用SPSS 19.0軟件進行方差分析和回歸分析（使用曲線估計模型）。

2 結果與分析

2.1 凋落物不同輸入處理下土壤有效磷變化

不同處理不同層次土壤有效磷質量分數的測定結果見圖1、2。

圖1 凋落物不同輸入處理下0—10 cm土壤有效磷質量分數ωB的變化Fig.1 Changes of available phosphorus mass fraction of 0-10 cm layer with different litter input treatment

圖2 凋落物不同輸入處理下10—20 cm土壤有效磷質量分數ωB的變化Fig.2 Changes of available phosphorus mass fraction of 10-20 cm layer with different litter input treatment

由圖1、2可以看出，各種處理下土壤有效磷質量分數在時間上的變化沒有明顯的規律性，呈波動性變化，這可能更多地與季節變化有關。在植物生長期剛開始的 3—7月均較低，至旺盛生長期即將結束的9月更低，而在植物進入休眠的1月，磷含量較高。各處理條件（DL、NL、CK）下，0—10 cm層次土壤的有效磷質量分數基本上均大于相應的10—20 cm層次土壤的，表層土壤有效磷質量分數隨土壤深度而下降；但經 Duncan檢驗，各處理下兩個層次土壤的有效磷質量分數并無顯著性差異（Pmin=0.101）；SPSS曲線估計表明兩個層次土壤有效磷質量分數也沒有一致的回歸關系，CK處理均未通過檢驗，DL處理通過全部檢驗的為復合、指數、Logistic（P值均為0.030，r值均為0.626），NL處理通過全部檢驗的為冪、S（P值均為0.012，r值均為0.696），其它或者未通過檢驗，或者只有系數項或常數項通過檢驗，均不足以建立回歸模型。這可能與磷在土壤中的空間變異性較大、影響因素較多有關。

2 a觀測時間內，相同層次的土壤有效磷質量分數通常表現為DL處理的最大，其變化率多數處于正值，CK的其次，NL的最小，其變化率多數處于負值；表明各時間內加倍凋落物處理提高了土壤磷質量分數，去除凋落物處理降低了土壤磷質量分數。Duncan檢驗表明，0—10 cm土壤層次不同處理之間的土壤有效磷質量分數具有顯著性差異（P=0.034），其變化率在不同處理間亦具有顯著性差異（P=0.012）；但LSD結果顯示，DL、NL兩種處理分別與對照CK之間均未達到顯著性差異，而DL與NL之間達到了顯著性差異（P=0.011）；10—20 cm土壤層次不同處理之間的土壤有效磷質量分數沒有顯著性差異（P=0.214），其變化率在不同處理間的差異性亦不顯著（P=0.497）。表明凋落物輸入處理可能主要只影響到 0—10 cm 層次的土壤磷質量分數，對10—20 cm層次的影響較弱；這可能由于實驗時間較短，也可能由于受到其它因素的影響。

2.2 凋落物不同輸入處理下土壤有效磷的變化速率與增長率

計算不同處理下土壤有效磷質量分數的變化速率，結果見圖3。

由圖3可知，凋落物輸入處理初期至2017年3月，各層次各處理的變化速率急劇下降，隨后表現出一定幅度的波動，至2017年9月（處理時間達1 a）之后波動幅度較小，整個過程表現出減幅波動，表明輸入處理1—2 a時，凋落物輸入改變的影響有所顯現，但仍存在一定的小幅波動，而10—20 cm層次NL處理的波動較大，可能是因為該處理凋落物去除后地表裸露而更多地受到溫度、濕度等其它因素的影響。

不同層次不同處理的變化速率以10—20 cm的NL處理數值較大也波動較大，其次為0—10 cm的NL處理，其它的數值均較小，且后續的波動幅度也較小。Duncan檢驗表明，0—10 cm層次各處理之間的變化速率沒有顯著性差異（P=0.333）；而10—20 cm層次各處理之間的變化速率具有顯著性差異（P=0.006），LSD結果顯示，NL與CK、DL處理之間均達到了顯著性差異（P=0.020、0.011），但 DL與 CK之間沒有顯著性差異（P=0.961）。在 0—10 cm與10—20 cm層次之間，DL處理的變化速率沒有顯著性差異（P=0.127），而CK與NL處理均具有顯著性差異（P=0.000、0.004），這種差異主要是初期急劇下降所導致的，也表明NL處理可能具有較大程度的影響。

計算不同層次不同處理的土壤磷質量分數的環比增長率，結果見圖4。

圖3 凋落物不同輸入處理下土壤有效磷質量分數的變化速率Fig.3 Change velocity of available phosphorus mass fraction with different litter input treatment

圖4 凋落物不同輸入處理下土壤有效磷質量分數的環比增長率Fig.4 Month to month growth rate of available phosphorus mass fraction with different litter input treatment

由圖4可以看出，土壤磷質量分數環比增長率的時間變動與變化速率的（圖 3）較為一致，但其波動幅度相對較大，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變動有關，也可能與磷在不同層次土壤中的變化有關。Duncan檢驗表明，環比增長率在不同處理之間以及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的影響較為有限，可能存在季節變化及其它環境因子等較復雜的影響因素。

2.3 土壤有效磷變化的影響效應分析

利用SPSS進行不同處理、不同時間的方差分析，初步分析其交互作用并不明顯，故進行了主效應分析，結果見表1。

由表1知，0—10 cm層次除變化率外，所建立模型均可達到顯著性水平。不同處理對土壤有效磷質量分數及其變化率具有顯著性影響，但時間的影響效應不顯著（可能更多地與季節變化有關）；而其變化速率在不同處理與時間的影響均顯著。10—20 cm層次除土壤有效磷質量分數與同比增長率外，所建立模型均可達到顯著性水平；不同處理與時間對土壤有效磷質量分數的影響均不顯著，而對其變化速率的影響均顯著；土壤有效磷質量分數變化率、環比增長率受時間的影響顯著但處理的影響不顯著。

可以初步認為，在2 a的處理時間內，凋落物輸入的不同處理主要影響到 0—10 cm層次的土壤有效磷含量，對其質量分數、變化率與變化速率均具有顯著性影響，但對10—20 cm層次的影響較弱。

3 討論

土壤中磷主要來源于巖石風化，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（陳金林等，2002；冼應男等，2019；向云西等，2019），也容易受樹木根系攝取與周轉，以及鐵、鋁氧化物等固定作用的影響（徐芷君等，2019；吳昊等，2019），某些影響還存在不一致性（方晰等，2018），使得其在土層中的垂直流動性較小，或空間異質較大（秦倩倩等，2019），某些因素或其交互作用的影響不顯著（冼應男等，2019）。本文中土壤有效磷質量分數隨土壤深度有所降低，但差異不顯著，這與向云西等（2019）的結論一致；在季節變化上基本上表現為春季、秋季較低，夏季與冬季較高的特點，與冼應男等（2019）的報道較一致，但規律性并不十分明顯。本文只對土壤有效磷進行了2 a時間的觀測，結果表明凋落物輸入改變可以影響到土壤有效磷含量的變化，DL處理增加了有效磷含量，NL處理降低了有效磷含量，其變化速率已出現減幅波動的現象；但經過2 a時間的觀測，土壤有效磷質量分數、變化率、變化速率、環比增長率等均仍然存在不同程度的波動，凋落物輸入改變的影響只是初步有所顯現，而且這種影響主要發生在0—10 cm土壤層次，對10—20 cm層次的影響較弱，不同處理、時間變化及其交互作用對土壤有效磷的影響并不總是顯著性的。可能隨著處理時間的延長，其影響可以達到10—20 cm層次，各指標將趨于較穩定的狀態。因此，未來研究仍需要進行長期觀測，繼續深入探討其影響。本文同時還測定了土壤容重并計算了土壤容重的變化率、變化速率、環比增長率，利用SPSS曲線估計，對不同處理不同土壤層次的土壤容重及其變化速率與土壤有效磷質量分數及其變化速率之間進行了回歸分析；結果表明，土壤容重與土壤有效磷質量分數在各個處理各個土壤層次、土壤容重變化速率與土壤有效磷質量分數變化速率在CK與DL處理時均不能建立回歸模型，后兩者在NL處理時可以建立部分模型，各模型效果較為一致，表明土壤容重可能只是存在部分影響，影響土壤磷含量的因素較多且復雜，各因素的影響程度存在不一致性。因此，對土壤磷含量的影響因素及其影響機制的研究也是未來研究的方向。

4 結論

本文通過2 a的DIRT試驗與連續觀測，表明凋落物輸入改變可以在一定程度上影響土壤有效磷含量，DL處理可增加其含量，NL處理可降低其含量，并且對其變化率與變化速率也有一定影響，2 a時間內，其變化速率、環比增長率逐漸減小波動幅度，但仍存在一定波動；土壤磷含量的影響因素較多且較為復雜，凋落物處理的影響主要發生在0—10 cm土壤層次，對10—20 cm土壤層次的影響較弱；季節變化等因素也存在較大影響；未來仍需要進行長期觀測以深入探討凋落物輸入改變對植物－土壤生態過程的影響，以及該影響的途徑與機制，為森林生態系統的經營管理及其氣候變化響應提供基礎。

表1 凋落物處理與時間主效應分析結果Table 1 Results of main effect analysis by treatments and time