不同連栽代數杉木人工林土壤氮素季節變化特征

任麗紅, 索沛蘅, 唐楚珺, 劉雨暉, 陳 輝, 王玉哲, 劉 先

(1.福建農林大學 林學院, 福州 350002; 2.福建農林大學 莘口教學林場, 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、材質優良、適應性廣和經濟效益高等優點，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大，多代連栽以及集約化經營，導致土壤中養分含量減少，引起地力衰退和林地生產力降低，已經嚴重影響到杉木人工林的可持續發展[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分，并且杉木枯死的枝葉保留在樹體上時間較長，不易脫落，造成凋落物量較少，加之凋落葉為針葉，短時間內難以分解，容易造成土壤養分供需不平衡[6-7]。有研究發現，杉木人工林土壤微生物總數、土壤養分含量(如全氮、全磷、全鉀等)隨著連栽代數遞減[8-9]，其中，土壤氮是植物生長發育需求量最大的元素之一[10-11]，并且極易通過淋溶或揮發等過程從土壤系統中損失，其在連栽后近熟林—成熟林的動態變化研究較少，以往研究多存在于幼齡林和中齡林[12-13]。

已有研究表明，有關連栽杉木林土壤氮含量特征的結論往往因研究地點和林齡而異。例如，馬祥慶等[4]研究發現，隨著栽植代數的增加，幼齡—中齡杉木人工林土壤全量養分呈逐代下降趨勢，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]研究發現，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]研究發現，成熟林中土壤中全氮、微生物量氮、可溶性有機氮不隨連栽代數增加而發生改變，而硝態氮含量隨著連栽代數的增加顯著增加。土壤氮養分狀況是表征杉木人工林土壤肥力水平的基本因素，關于連栽杉木林不同形態氮含量隨連栽代數的變化還沒有一致的結論，并且有關近熟—成熟的連栽杉木人工林土壤中不同形態氮含量的長期變化研究相對較少。因此，研究多代連栽后杉木人工林土壤不同形態氮(全氮、可溶性有機氮、微生物量氮、銨態氮和硝態氮)含量的季節變化特征，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數據，同時為探索提高森林生態系統生產力及土壤氮素循環與轉化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于福建省三明市福建農林大學莘口教學林場(117°28′E,26°10′N)，屬武夷山支脈低山丘陵區，為中亞熱帶濕潤季風氣候，年均降水量1 749 mm，年均蒸發量1 585 mm，年平均相對濕度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。天然林研究區喬木層主要由格氏栲、馬尾松和木荷等構成；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 樣地設置與樣品采集

表1 試驗地概況

1.3 樣品分析

1.4 數據處理

2 結果與分析

2.1 土壤可溶性有機氮和全氮含量

不同采樣季節土壤TN含量存在顯著差異，且連栽與采樣季節的交互作用對土壤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含量呈現先下降后略微上升的趨勢(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，而天然林DON含量呈逐漸上升趨勢(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)，且連栽與采樣季節的交互作用對土壤DON含量也無顯著影響(表2，p<0.05)。

表2 不同連栽代數和季節變化對土壤理化性質的重復方差測量分析結果

表3 不同連栽代數土壤可溶性有機氮和全氮的季節動態變化

2.2 土壤礦質氮和含量

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不同連栽代數間存在顯著差異(p<0.05)，下同。

2.3 土壤微生物量氮(MBN)含量

不同連栽代數和采樣季節及其交互作用均對土壤MBN含量有顯著影響(表2，p<0.01，圖2)。不同林分內(一代林除外)，從冬季到次年秋季(2 017.12～2 018.9)，土壤MBN含量呈現先上升后略微下降的趨勢(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季節動態變化

2.4 土壤pH和含水率及其與土壤氮含量的相關性

不同連栽代數和采樣季節及其交互作用對土壤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，在9月4種林分土壤含水率值均達到最大(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)，受季節變化的影響顯著，且3月份的pH值高于其他3個季節(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 不同連栽代數杉木林土壤pH和含水量比較

表5 不同形態土壤氮含量及其與土壤理化性質的相關性

3 討 論

本研究中，不同連栽代數杉木林土壤TN和DON含量均沒有顯著差異(表2)，說明土壤TN沒有隨著連栽代數的增加而顯著減少，這與在廣西南亞熱帶桉樹林的研究結果不一致[22]，該研究發現1—3代桉樹林土壤TN隨著栽植代數的增加而減少，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)，對養分需求量大，且在采伐時整個樹木會被利用而從林地取走，造成林地養分的損失程度大于杉木林。4種林分土壤TN含量最高值均出現在夏季，最低值則主要出現在9月，這與林下植被類型和林內小氣候等有關。3月時氣溫較低，土壤微生物活性和有機氮礦化作用較弱，此時植物開始生長，對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物質的分解，以及凋落物的分解促進了土壤TN的累積；9月林木生長速度減緩，對氮素的吸收能力仍然較強，水熱條件相對夏季較差，導致土壤TN的生物累積能力最低；進入12月后，雖然土壤微生物活性和有機氮礦化作用最弱，但林木對氮素的吸收能力最低，會促使土壤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、有機質的淋溶和腐殖質的分解及大氣氮沉降[23]。本研究結果顯示，格氏栲天然林及連栽杉木人工林4種不同林分土壤DON含量呈明顯的季節變化，呈先上升后下降的趨勢，其中12月DON含量最低(表3)，出現這種趨勢可能是因為12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，土壤微生物活動增強，促使土壤動植物體分解，從而使土壤DON含量逐漸增高。

土壤MBN是土壤有機氮中最活躍的組分，也是土壤氮循環和轉化過程中的重要參數[34]。土壤微生物量的季節性動態變化是一個復雜的過程，在同一生態系統，即使氣候條件相同，不同植被下土壤微生物量的季節變化也不相同[35-36]。土壤微生物量的變化與溫度、濕度、土壤理化性質等環境因素有關，且土壤微生物因季節變化也會有差異，微生物的群落結構和功能也隨之變化，從而使微生物量因季節變化而變化[37]。本研究結果表明，土壤MBN與土壤水分呈顯著正相關關系(表5)，表明該區域土壤含水量是影響土壤MBN的重要因子之一，這與Chen等[27]研究發現一致。此外，在連栽杉木人工林內，相關分析表明，土壤MBN與土壤pH呈顯著正相關(表5)，這表明土壤酸堿性也是影響土壤微生物量的一個重要因素。本研究中4種林分的土壤MBN含量具有明顯的季節變化(表2)，二代林、三代林和天然林均呈現出先增加后減少的趨勢(圖2)，其中6月、9月為植物的生長期，MBN含量較低，這與大多數研究發現的土壤MBN有季節變化的結果一致[38-39]。植物在生長期對土壤養分的需求量大，限制了土壤微生物對養分的可利用性，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候，植物生長緩慢，植物對N的競爭減少，因此導致土壤MBN增加。4種林分中一代林土壤MBN含量的季節動態與其他3種林分不同，從12月到3月土壤微生物量N含量增加，這可能是因為在冬季與春季交替的過程中，水分增多、溫度升高，微生物活動頻繁，土壤MBN快速增加；到6月溫度持續升高，微生物活動強，資源消耗快，由于競爭導致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移，營養物質的輸入導致土壤MBN含量開始增加。土壤微生物組成結構不同，且不同的微生物種類會對季節變化產生一定影響，從而使土壤MBN含量有明顯的季節變化。

4 結 論

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

(3) 栽植代數和采樣季節及其交互作用均對土壤MBN含量有顯著影響，從12月到次年9月，總體上呈現出先增加后減少的趨勢，在3月時達到最大值。