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(huì)平，劉新軒，史貝貝，吳明作*

1.河南省退耕還林和天然林保護(hù)工程管理中心，河南 鄭州 450003；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002；3.汝陽縣林業(yè)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(fā)生變化（Crow et al.，2009；Tóth et al.，2007），并進(jìn)而影響森林近地表層的生態(tài)過程如土壤有機(jī)質(zhì)、N、P等養(yǎng)分含量動(dòng)態(tài)（Huang et al.，2015；Lea，2008），評估凋落物輸入改變的這種影響通?？捎玫蚵湮锾砑雍腿コ囼?yàn)（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(jī)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(tài)過程，主要是土壤的物理性質(zhì)（Tanner et al.，2016；孔青等，2018）、有機(jī)質(zhì)（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(qiáng)等，2015；李曉杰等，2016）、微生物量與群落結(jié)構(gòu)（Tanner et al.，2016；王巍巍等，2015）等。已有DIRT試驗(yàn)表明，這種影響通常需較長觀測時(shí)間才可能表現(xiàn)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(dá)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(yīng)隨土壤深度增加而逐漸降低（孔青等，2018）；也有研究認(rèn)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(xì)根生物量可能抵消了去除地表凋落物對土壤生態(tài)過程的影響，甚至作用更重要些（Huang et al.，2015）。磷是植物生長發(fā)育過程中的重要元素之一，對提高森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力具有重要作用（陳金林等，2002；方晰等，2018；冼應(yīng)男等，2019），其限制性作用近些年常有報(bào)道（孔青等，2018；劉旭軍等，2019），且可能影響到其它元素循環(huán)過程與植被恢復(fù)等（方晰等，2018；黃玫等，2019）；不同形態(tài)磷的空間變異性、在土壤-植物系統(tǒng)的循環(huán)轉(zhuǎn)化過程受多種因素影響（冼應(yīng)男等，2019；秦倩倩等，2019），并可能受交互作用（劉旭軍等，2019）與協(xié)同作用（孔青等，2018）的影響，使土壤各生態(tài)過程所受到的影響更為復(fù)雜。凋落物添加與去除等養(yǎng)分輸入方式影響到土壤磷的動(dòng)態(tài)（倪惠菁等，2019；葛曉敏等，2013），但在野外條件下對人工林進(jìn)行連續(xù)觀測的研究報(bào)道較少（Huang et al.，2015；孔青等，2018；劉旭軍等，2019），影響的土壤深度、時(shí)間效應(yīng)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(xù)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(dǎo)致森林凋落物蓄積量改變對土壤養(yǎng)分的影響，也為研究人工林生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)及其經(jīng)營管理、森林生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化響應(yīng)等提供基礎(chǔ)。

1 研究地點(diǎn)概況與研究方法

1.1 研究地點(diǎn)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(fēng)氣候，年均氣溫14 ℃左右，日照小時(shí)數(shù)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(jīng)營人工林面積 3973.3 hm2，現(xiàn)有林木蓄積總量 20×104 m3，主體為1個(gè)育苗基地和3個(gè)營林工區(qū)。本研究標(biāo)準(zhǔn)地位于汝陽縣大虎嶺林場森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測站內(nèi)、于 2011年設(shè)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(shí)數(shù)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(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2016年9月在大樣地邊緣設(shè)置凋落物輸入的3個(gè)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(wǎng)，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(shè)置4個(gè)重復(fù)，各處理及其各重復(fù)之間均間隔5 m以避免相互影響。2016年9月各處理設(shè)置完成后，每個(gè)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(dá)到加倍處理，并維護(hù)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(shí)間，每 2個(gè)月取一次土壤樣品，取土壤樣品時(shí)，沿各處理的坡下邊緣開始依次向坡上進(jìn)行，因石質(zhì)山地土壤厚度差異較大，每次均統(tǒng)一分別取0—10、10—20 cm共2個(gè)層次土壤帶回實(shí)驗(yàn)室分析，依據(jù)《森林土壤樣品的采集與制備》（LY/T 1210—1999）的要求進(jìn)行，取樣完成后多余土壤回填原處；各樣品2個(gè)重復(fù)。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(fēng)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(shù)據(jù)分析

除土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、環(huán)比增長率外，還采用變化率、變化速率等指標(biāo)。

環(huán)比增長率是本期數(shù)值與上期數(shù)值的差值再除以上期數(shù)值的百分比，表示取樣間隔期間內(nèi)土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化狀況；因取樣間隔為2個(gè)月，故其變化間隔為2個(gè)月。

變化率c為某一時(shí)間某種處理的土壤磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)-對照磷質(zhì)量分?jǐn)?shù))/對照磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

變化速率v為單位時(shí)間內(nèi)，某種處理某時(shí)間末的土壤磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)-初始磷質(zhì)量分?jǐn)?shù))/初始磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)/時(shí)間

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

2 結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)在時(shí)間上的變化沒有明顯的規(guī)律性，呈波動(dòng)性變化，這可能更多地與季節(jié)變化有關(guān)。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(jié)束的9月更低，而在植物進(jìn)入休眠的1月，磷含量較高。各處理?xiàng)l件（DL、NL、CK）下，0—10 cm層次土壤的有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本上均大于相應(yīng)的10—20 cm層次土壤的，表層土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤深度而下降；但經(jīng) Duncan檢驗(yàn)，各處理下兩個(gè)層次土壤的有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)并無顯著性差異（Pmin=0.101）；SPSS曲線估計(jì)表明兩個(gè)層次土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)也沒有一致的回歸關(guān)系，CK處理均未通過檢驗(yàn)，DL處理通過全部檢驗(yàn)的為復(fù)合、指數(shù)、Logistic（P值均為0.030，r值均為0.626），NL處理通過全部檢驗(yàn)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(yàn)，或者只有系數(shù)項(xiàng)或常數(shù)項(xiàng)通過檢驗(yàn)，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(guān)。

2 a觀測時(shí)間內(nèi)，相同層次的土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常表現(xiàn)為DL處理的最大，其變化率多數(shù)處于正值，CK的其次，NL的最小，其變化率多數(shù)處于負(fù)值；表明各時(shí)間內(nèi)加倍凋落物處理提高了土壤磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，去除凋落物處理降低了土壤磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)。Duncan檢驗(yàn)表明，0—10 cm土壤層次不同處理之間的土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jié)果顯示，DL、NL兩種處理分別與對照CK之間均未達(dá)到顯著性差異，而DL與NL之間達(dá)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)，對10—20 cm層次的影響較弱；這可能由于實(shí)驗(yàn)時(shí)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(jì)算不同處理下土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化速率，結(jié)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(xiàn)出一定幅度的波動(dòng)，至2017年9月（處理時(shí)間達(dá)1 a）之后波動(dòng)幅度較小，整個(gè)過程表現(xiàn)出減幅波動(dòng)，表明輸入處理1—2 a時(shí)，凋落物輸入改變的影響有所顯現(xiàn)，但仍存在一定的小幅波動(dòng)，而10—20 cm層次NL處理的波動(dòng)較大，可能是因?yàn)樵撎幚淼蚵湮锶コ蟮乇砺懵抖嗟厥艿綔囟取穸鹊绕渌蛩氐挠绊憽?/p>

不同層次不同處理的變化速率以10—20 cm的NL處理數(shù)值較大也波動(dòng)較大，其次為0—10 cm的NL處理，其它的數(shù)值均較小，且后續(xù)的波動(dòng)幅度也較小。Duncan檢驗(yàn)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(jié)果顯示，NL與CK、DL處理之間均達(dá)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(dǎo)致的，也表明NL處理可能具有較大程度的影響。

計(jì)算不同層次不同處理的土壤磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的環(huán)比增長率，結(jié)果見圖4。

圖3 凋落物不同輸入處理下土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的環(huán)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(zhì)量分?jǐn)?shù)環(huán)比增長率的時(shí)間變動(dòng)與變化速率的（圖 3）較為一致，但其波動(dòng)幅度相對較大，10—20 cm層次比0—10 cm層次的波動(dòng)幅度大，這可能與土壤磷含量的季節(jié)變動(dòng)有關(guān)，也可能與磷在不同層次土壤中的變化有關(guān)。Duncan檢驗(yàn)表明，環(huán)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(jié)變化及其它環(huán)境因子等較復(fù)雜的影響因素。

2.3 土壤有效磷變化的影響效應(yīng)分析

利用SPSS進(jìn)行不同處理、不同時(shí)間的方差分析，初步分析其交互作用并不明顯，故進(jìn)行了主效應(yīng)分析，結(jié)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(dá)到顯著性水平。不同處理對土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其變化率具有顯著性影響，但時(shí)間的影響效應(yīng)不顯著（可能更多地與季節(jié)變化有關(guān)）；而其變化速率在不同處理與時(shí)間的影響均顯著。10—20 cm層次除土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與同比增長率外，所建立模型均可達(dá)到顯著性水平；不同處理與時(shí)間對土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率、環(huán)比增長率受時(shí)間的影響顯著但處理的影響不顯著。

可以初步認(rèn)為，在2 a的處理時(shí)間內(nèi)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)、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(fēng)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(yīng)男等，2019；向云西等，2019），也容易受樹木根系攝取與周轉(zhuǎn)，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(dòng)性較小，或空間異質(zhì)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(yīng)男等，2019）。本文中土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土壤深度有所降低，但差異不顯著，這與向云西等（2019）的結(jié)論一致；在季節(jié)變化上基本上表現(xiàn)為春季、秋季較低，夏季與冬季較高的特點(diǎn)，與冼應(yīng)男等（2019）的報(bào)道較一致，但規(guī)律性并不十分明顯。本文只對土壤有效磷進(jìn)行了2 a時(shí)間的觀測，結(jié)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(xiàn)減幅波動(dòng)的現(xiàn)象；但經(jīng)過2 a時(shí)間的觀測，土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、變化率、變化速率、環(huán)比增長率等均仍然存在不同程度的波動(dòng)，凋落物輸入改變的影響只是初步有所顯現(xiàn)，而且這種影響主要發(fā)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(shí)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?？赡茈S著處理時(shí)間的延長，其影響可以達(dá)到10—20 cm層次，各指標(biāo)將趨于較穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，未來研究仍需要進(jìn)行長期觀測，繼續(xù)深入探討其影響。本文同時(shí)還測定了土壤容重并計(jì)算了土壤容重的變化率、變化速率、環(huán)比增長率，利用SPSS曲線估計(jì)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)及其變化速率之間進(jìn)行了回歸分析；結(jié)果表明，土壤容重與土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在各個(gè)處理各個(gè)土壤層次、土壤容重變化速率與土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化速率在CK與DL處理時(shí)均不能建立回歸模型，后兩者在NL處理時(shí)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(fù)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(jī)制的研究也是未來研究的方向。

4 結(jié)論

本文通過2 a的DIRT試驗(yàn)與連續(xù)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(shí)間內(nèi)，其變化速率、環(huán)比增長率逐漸減小波動(dòng)幅度，但仍存在一定波動(dòng)；土壤磷含量的影響因素較多且較為復(fù)雜，凋落物處理的影響主要發(fā)生在0—10 cm土壤層次，對10—20 cm土壤層次的影響較弱；季節(jié)變化等因素也存在較大影響；未來仍需要進(jìn)行長期觀測以深入探討凋落物輸入改變對植物－土壤生態(tài)過程的影響，以及該影響的途徑與機(jī)制，為森林生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)營管理及其氣候變化響應(yīng)提供基礎(chǔ)。

表1 凋落物處理與時(shí)間主效應(yīng)分析結(jié)果Table 1 Results of main effect analysis by treatments and time