不同連栽代數(shù)杉木人工林土壤氮素季節(jié)變化特征

任麗紅, 索沛蘅, 唐楚珺, 劉雨暉, 陳 輝, 王玉哲, 劉 先

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院, 福州 350002; 2.福建農(nóng)林大學(xué) 莘口教學(xué)林場, 福建 三明 365002)

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.]是我國南方重要的速生用材樹種，具有出材率高、材質(zhì)優(yōu)良、適應(yīng)性廣和經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，在我國種植面積廣大(1.1 ×107hm2)，約占全國人工林總面積的26.5%[1-2]。然而，隨著杉木純林面積的不斷擴(kuò)大，多代連栽以及集約化經(jīng)營，導(dǎo)致土壤中養(yǎng)分含量減少，引起地力衰退和林地生產(chǎn)力降低，已經(jīng)嚴(yán)重影響到杉木人工林的可持續(xù)發(fā)展[3-5]。由于杉木是速生樹種，速生期需要從土壤中吸收大量養(yǎng)分，并且杉木枯死的枝葉保留在樹體上時(shí)間較長，不易脫落，造成凋落物量較少，加之凋落葉為針葉，短時(shí)間內(nèi)難以分解，容易造成土壤養(yǎng)分供需不平衡[6-7]。有研究發(fā)現(xiàn)，杉木人工林土壤微生物總數(shù)、土壤養(yǎng)分含量(如全氮、全磷、全鉀等)隨著連栽代數(shù)遞減[8-9]，其中，土壤氮是植物生長發(fā)育需求量最大的元素之一[10-11]，并且極易通過淋溶或揮發(fā)等過程從土壤系統(tǒng)中損失，其在連栽后近熟林—成熟林的動(dòng)態(tài)變化研究較少，以往研究多存在于幼齡林和中齡林[12-13]。

已有研究表明，有關(guān)連栽杉木林土壤氮含量特征的結(jié)論往往因研究地點(diǎn)和林齡而異。例如，馬祥慶等[4]研究發(fā)現(xiàn)，隨著栽植代數(shù)的增加，幼齡—中齡杉木人工林土壤全量養(yǎng)分呈逐代下降趨勢(shì)，與一代杉木林地相比，二、三代杉木林地全氮分別下降13.40%和20.86%；何友軍等[13]研究發(fā)現(xiàn)，第二代杉木純林土壤微生物量氮含量、土壤全氮含量低于一代杉木純林；索沛蘅等[21]研究發(fā)現(xiàn)，成熟林中土壤中全氮、微生物量氮、可溶性有機(jī)氮不隨連栽代數(shù)增加而發(fā)生改變，而硝態(tài)氮含量隨著連栽代數(shù)的增加顯著增加。土壤氮養(yǎng)分狀況是表征杉木人工林土壤肥力水平的基本因素，關(guān)于連栽杉木林不同形態(tài)氮含量隨連栽代數(shù)的變化還沒有一致的結(jié)論，并且有關(guān)近熟—成熟的連栽杉木人工林土壤中不同形態(tài)氮含量的長期變化研究相對(duì)較少。因此，研究多代連栽后杉木人工林土壤不同形態(tài)氮(全氮、可溶性有機(jī)氮、微生物量氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)含量的季節(jié)變化特征，不僅為探究杉木人工林土壤氮素與土壤肥力狀況及其演變特征提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)為探索提高森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力及土壤氮素循環(huán)與轉(zhuǎn)化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于福建省三明市福建農(nóng)林大學(xué)莘口教學(xué)林場(117°28′E,26°10′N)，屬武夷山支脈低山丘陵區(qū)，為中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年均降水量1 749 mm，年均蒸發(fā)量1 585 mm，年平均相對(duì)濕度81%，年均氣溫19.1℃。海拔高度為175～264 m，土壤類型主要為粉砂巖發(fā)育的山地紅壤，土層厚度>80 cm。主要林下植被有狗脊蕨(Woodwardiajaponica(L.f.)Sm.)、江南卷柏(SelaginellamoellendorfiiHieron.)和三葉崖爬藤(TetrastigmahemsleyanumDiels et Gilg)等。天然林研究區(qū)喬木層主要由格氏栲、馬尾松和木荷等構(gòu)成；草本層主要包括芒萁(Dicranopterispedata(Houtt.)Nakaike)、黑莎草(GahniatristisNees)和華山姜(AlpiniaoblongifoliaHayata)等種類。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

表1 試驗(yàn)地概況

1.3 樣品分析

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤可溶性有機(jī)氮和全氮含量

不同采樣季節(jié)土壤TN含量存在顯著差異，且連栽與采樣季節(jié)的交互作用對(duì)土壤TN含量有顯著影響(表2，p<0.05)。連栽杉木人工林從冬季到次年夏季(2 017.12～2 018.6)，土壤TN含量呈現(xiàn)先下降后略微上升的趨勢(shì)(表3)。杉木人工林土壤TN含量從冬季到春季(2 017.12～2 018.3)下降了2.59%～19.69%，從春季到夏季(2 018.3～2 018.6)上升了2.16%～33.39%，再從夏季到秋季(2 018.6～2 018.9)下降了14.66%～24.77%。格氏栲天然林從冬季到次年春季(2 017.12～2 018.3)，土壤TN含量上升了14.38%，從春季到夏季(2 018.3～2 018.6)上升了40.23%，再從夏季到秋季(2 018.6～2 018.9)下降了26.35%。但是，連栽對(duì)于土壤TN含量并無顯著影響(表2，p<0.05，表3)。

不同采樣季節(jié)土壤DON含量存在顯著差異(表2，p<0.05)。從冬季到次年秋季(2 017.12～2 018.9)，連栽杉木人工林土壤DON含量呈先上升后下降的趨勢(shì)，而天然林DON含量呈逐漸上升趨勢(shì)(表3)。連栽杉木人工林土壤DON含量從冬季到春季(2 017.12～2 018.3)上升了49.5%～177.9%，從春季到夏季(2 018.3～2 018.6)上升了41.9%～135.9%，再從夏季到秋季(2 018.6～2 018.9)下降了7.1%～44.4%。但是，連栽對(duì)于土壤DON含量并無顯著影響(表2，p<0.05，表3)，且連栽與采樣季節(jié)的交互作用對(duì)土壤DON含量也無顯著影響(表2，p<0.05)。

表2 不同連栽代數(shù)和季節(jié)變化對(duì)土壤理化性質(zhì)的重復(fù)方差測量分析結(jié)果

表3 不同連栽代數(shù)土壤可溶性有機(jī)氮和全氮的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化

2.2 土壤礦質(zhì)氮和含量

注：FRP表示一代杉木林；SRP表示二代杉木林；TRP表示三代杉木林；NF表示格氏栲天然闊葉林。不同小寫字母表示同一季節(jié)不同連栽代數(shù)間存在顯著差異(p<0.05)，下同。

2.3 土壤微生物量氮(MBN)含量

不同連栽代數(shù)和采樣季節(jié)及其交互作用均對(duì)土壤MBN含量有顯著影響(表2，p<0.01，圖2)。不同林分內(nèi)(一代林除外)，從冬季到次年秋季(2 017.12～2 018.9)，土壤MBN含量呈現(xiàn)先上升后略微下降的趨勢(shì)(圖2)。土壤MBN含量從冬季到春季(2 017.12～2 018.3)上升了98.86%～213%，從春季到夏季(2 018.3～2 018.6)下降了6.14%～57.71%，再從夏季到秋季(2 018.6～2 018.9)下降了6.58%～33.36%，但是一代林從夏季到秋季上升了46.76%。其中春、夏兩季天然林土壤MBN含量顯著高于杉木人工林，秋季一代林(77.49～100.73 mg/kg)顯著高于二、三代林和天然林(36.39～73.73 mg/kg)。

圖2 不同林分土壤微生物量N季節(jié)動(dòng)態(tài)變化

2.4 土壤pH和含水率及其與土壤氮含量的相關(guān)性

不同連栽代數(shù)和采樣季節(jié)及其交互作用對(duì)土壤pH、含水率均有顯著影響(表2，p<0.05)。不同林分土壤含水率變化趨勢(shì)基本一致，二代杉木林土壤含水率(24.01%～41.60%)顯著高于一代、三代杉木人工林和天然林(16.22%～37.20%)，從12月到次年9月土壤含水率呈遞增趨勢(shì)，在9月4種林分土壤含水率值均達(dá)到最大(31.96%～41.60%)，12月的最小(16.22%～29.84%)(表4)。4種林分的土壤均為酸性(3.94～5.99)，受季節(jié)變化的影響顯著，且3月份的pH值高于其他3個(gè)季節(jié)(表4)。天然林的土壤pH值(4.24～5.99)高于連栽杉木人工林(3.94～5.94)，在12月和6月，天然林pH值與其他3種林分的pH值存在顯著性差異(p<0.05)；3月各林分土壤pH值差異不顯著。

表4 不同連栽代數(shù)杉木林土壤pH和含水量比較

表5 不同形態(tài)土壤氮含量及其與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

3 討 論

本研究中，不同連栽代數(shù)杉木林土壤TN和DON含量均沒有顯著差異(表2)，說明土壤TN沒有隨著連栽代數(shù)的增加而顯著減少，這與在廣西南亞熱帶桉樹林的研究結(jié)果不一致[22]，該研究發(fā)現(xiàn)1—3代桉樹林土壤TN隨著栽植代數(shù)的增加而減少，且均顯著低于前茬馬尾松人工林。這可能是由于桉樹的輪伐期較短(5～7 a)，對(duì)養(yǎng)分需求量大，且在采伐時(shí)整個(gè)樹木會(huì)被利用而從林地取走，造成林地養(yǎng)分的損失程度大于杉木林。4種林分土壤TN含量最高值均出現(xiàn)在夏季，最低值則主要出現(xiàn)在9月，這與林下植被類型和林內(nèi)小氣候等有關(guān)。3月時(shí)氣溫較低，土壤微生物活性和有機(jī)氮礦化作用較弱，此時(shí)植物開始生長，對(duì)有效氮的吸收量逐漸增加，土壤TN的含量的積累逐漸減少；6月時(shí)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)的分解，以及凋落物的分解促進(jìn)了土壤TN的累積；9月林木生長速度減緩，對(duì)氮素的吸收能力仍然較強(qiáng)，水熱條件相對(duì)夏季較差，導(dǎo)致土壤TN的生物累積能力最低；進(jìn)入12月后，雖然土壤微生物活性和有機(jī)氮礦化作用最弱，但林木對(duì)氮素的吸收能力最低，會(huì)促使土壤TN的生物積累較秋季略有增加。森林土壤DON主要來源于凋落物、有機(jī)質(zhì)的淋溶和腐殖質(zhì)的分解及大氣氮沉降[23]。本研究結(jié)果顯示，格氏栲天然林及連栽杉木人工林4種不同林分土壤DON含量呈明顯的季節(jié)變化，呈先上升后下降的趨勢(shì)，其中12月DON含量最低(表3)，出現(xiàn)這種趨勢(shì)可能是因?yàn)?2月降雨減少且溫度低，土壤中微生物的活性低，凋落物的分解速率低，隨著降雨量和溫度的升高，土壤微生物活動(dòng)增強(qiáng)，促使土壤動(dòng)植物體分解，從而使土壤DON含量逐漸增高。

土壤MBN是土壤有機(jī)氮中最活躍的組分，也是土壤氮循環(huán)和轉(zhuǎn)化過程中的重要參數(shù)[34]。土壤微生物量的季節(jié)性動(dòng)態(tài)變化是一個(gè)復(fù)雜的過程，在同一生態(tài)系統(tǒng)，即使氣候條件相同，不同植被下土壤微生物量的季節(jié)變化也不相同[35-36]。土壤微生物量的變化與溫度、濕度、土壤理化性質(zhì)等環(huán)境因素有關(guān)，且土壤微生物因季節(jié)變化也會(huì)有差異，微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能也隨之變化，從而使微生物量因季節(jié)變化而變化[37]。本研究結(jié)果表明，土壤MBN與土壤水分呈顯著正相關(guān)關(guān)系(表5)，表明該區(qū)域土壤含水量是影響土壤MBN的重要因子之一，這與Chen等[27]研究發(fā)現(xiàn)一致。此外，在連栽杉木人工林內(nèi)，相關(guān)分析表明，土壤MBN與土壤pH呈顯著正相關(guān)(表5)，這表明土壤酸堿性也是影響土壤微生物量的一個(gè)重要因素。本研究中4種林分的土壤MBN含量具有明顯的季節(jié)變化(表2)，二代林、三代林和天然林均呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)(圖2)，其中6月、9月為植物的生長期，MBN含量較低，這與大多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)的土壤MBN有季節(jié)變化的結(jié)果一致[38-39]。植物在生長期對(duì)土壤養(yǎng)分的需求量大，限制了土壤微生物對(duì)養(yǎng)分的可利用性，因此生長期土壤微生物生物量氮較低。本研究中土壤MBN都是在春季(3月)最高(圖2)，說明春季在土壤溫度、濕度還比較適宜的時(shí)候，植物生長緩慢，植物對(duì)N的競爭減少，因此導(dǎo)致土壤MBN增加。4種林分中一代林土壤MBN含量的季節(jié)動(dòng)態(tài)與其他3種林分不同，從12月到3月土壤微生物量N含量增加，這可能是因?yàn)樵诙九c春季交替的過程中，水分增多、溫度升高，微生物活動(dòng)頻繁，土壤MBN快速增加；到6月溫度持續(xù)升高，微生物活動(dòng)強(qiáng)，資源消耗快，由于競爭導(dǎo)致MBN含量下降；9月以后植物生長速度變慢，溫度降低、降雨減少，且凋落物由上而下的轉(zhuǎn)移，營養(yǎng)物質(zhì)的輸入導(dǎo)致土壤MBN含量開始增加。土壤微生物組成結(jié)構(gòu)不同，且不同的微生物種類會(huì)對(duì)季節(jié)變化產(chǎn)生一定影響，從而使土壤MBN含量有明顯的季節(jié)變化。

4 結(jié) 論

(1) 不同連栽代數(shù)杉木林土壤TN和DON含量均沒有顯著差異，但杉木人工林土壤TN和DON具有明顯的季節(jié)變化，其中TN含量由大到小表現(xiàn)為6月、12月、3月、9月，DON含量由大到小表現(xiàn)為6月、9月、3月、12月。

(3) 栽植代數(shù)和采樣季節(jié)及其交互作用均對(duì)土壤MBN含量有顯著影響，從12月到次年9月，總體上呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)，在3月時(shí)達(dá)到最大值。