施肥和凋落物添加對杉木人工林土壤養分和土壤微生物特性的影響

靳云鐸，白彥鋒，沈楊陽，厲月橋，劉儒，姜春前，張卓文，王永健

1.華中農業大學園藝林學學院/湖北省林業信息工程技術研究中心，武漢 430070；2.中國林業科學研究院林業研究所，北京100091；3.中國林業科學研究院亞熱帶林業實驗中心，分宜 336600

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.)是我國南方特有速生用材樹種，具有很高的經濟價值，在我國的林業中占據重要地位[1-2]。由于杉木生長需要從土壤中吸收大量的養分，而其凋落物較少且分解較慢，致使杉木林地生物地球化學循環功能降低，養分平衡遭到破壞，加之不合理的營林措施加劇了林地生產力的下降。目前，杉木人工林立地質量下降的問題已經嚴重地影響林地生產力，這個問題日益得到相關學者的重視，并開展了大量研究[3]。

凋落物分解是森林生態系統中養分歸還的關鍵環節，通過微生物的分解逐步把自身養分歸還土壤，因此，凋落物分解對森林土壤肥力有重要影響[4-5]。在微生物作用下，凋落物分解出礦物質養分元素返還土壤。這是影響森林土壤有機質的形成、土壤氮循環和碳循環等的關鍵過程之一，是森林生態系統物質循環和能量流動過程中至關重要的一環[6]。土壤微生物生物量代表了土壤中參與養分循環和有機質的分解轉化的微生物數量，是監測森林立地質量變化的一個重要指標，所以研究土壤養分的變化必須要分析凋落物和微生物在其中所起的作用[7]。

土壤有機碳(SOC)數量大小是土壤生產力的關鍵，SOC可以良好地指示土壤健康狀況和質量好壞，對土壤理化性質有重要影響，在全球碳循環中也起著重要作用[8-9]。施肥和凋落物添加會改變土壤養分含量和微生物活性[10]，對土壤有機碳的含量產生影響[11]。土壤氮磷養分的有效性是調節植物凋落物分解速率和生態系統碳平衡的一個主要因素[12]。森林土壤碳氮磷含量之間有密切的聯系，土壤C∶N與C∶P是有機質或其他成分中的碳素與氮素以及碳素與磷素總質量的比值，是土壤有機質組成和質量的一個重要指標，土壤C∶N、C∶P和N∶P可以指示土壤有機質分解與土壤養分供給情況。因此，分析土壤C∶N與C∶P的平衡關系對于探究生態系統碳匯潛力，認識森林生態系統的元素響應機制具有重要意義[13]。

添加外源礦質營養元素可以補充土壤礦物質養分，改善土壤條件，提高森林生態系統的生產力[14]。添加外源礦質營養元素還能改變土壤的碳氮磷彼此之間的比例，并對凋落物的分解產生一定的影響[15]。因此，本研究通過杉木林施肥與凋落物添加處理，探討不同施肥以及不同凋落物添加處理對杉木林土壤養分和微生物生物量特征的影響，對改善杉木人工林土壤質量、解決地力衰退問題具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于江西省新余市分宜縣山下實驗林場(27°33′～27°45′N，114°30′～114°51′E)，為贛中南丘陵山地杉木人工林典型分布區。氣候類型屬于亞熱帶季風氣候，氣候濕潤，干濕季節明顯，氣候溫和，降水豐沛。年平均氣溫16～18 ℃，年平均降水量1 400～1 600 mm，降雨主要集中在每年3-7月。光照充足，年日照時間為1 400～1 700 h。無霜期較長，全年無霜期約270 d。主要地貌類型是低山丘陵，地勢南北部較高，中部較低平。土壤類型以紅壤和黃壤為主。分宜縣地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林與針葉林。主要樹種有杉木和馬尾松，兼有木荷(Schimasuperba)、閩楠(Phoebebournei)、樟樹(Cinnamomumcamphora)、紅豆杉(Taxuschinensis)、柏木(Cupressusfunebris)等。林下灌木以杜莖山(Maesajaponica)、枇杷葉紫株(CallicarpakochianaMakino)等為主，草本以雙蓋蕨(Diplaziumdonianum)為主。

1.2 樣地設置

在對該區域林分實地調查分析后，于2018年4月進行樣地設置。在立地相似有代表性且土壤條件一致的5年生杉木純林內設置樣地，面積20 m×20 m，共12塊樣地。每塊樣地周圍留有間距大于10 m的緩沖區。并記錄下樣地所在位置的地名、林班號、小班號、海拔、坡度、坡向等。測定樣地土壤基本理化性質結果分別為：容重1.31 g/cm3、pH 4.45、有機碳23.81 g/kg、全氮(total nitrogen，TN)0.89 g/kg、全磷(total phosphorus，TP)0.39 g/kg、堿解氮(alkaline nitrogen，AN)143.5 mg/kg、速效磷(available phosphorus，AP)9.32 mg/kg。

1.3 試驗設計

1)施肥設計。在樣地內進行4種施肥處理設計：不施肥對照、氮肥(每年200 kg /hm2)、磷肥(每年50 kg /hm2)和氮肥(每年200 kg /hm2)+磷肥(每年50 kg /hm2),編號分別為CK1、N、P和 NP。氮肥為尿素，磷肥為磷酸二氫鈉。于2018年10月進行杉木林地內人工撒播施肥，每種施肥處理3塊樣地。

2)凋落物添加設計。閩楠(P.bournei)和木荷(S.superba)為該區域頂極植物群落建群樹種，引入閩楠、木荷和杉木(C.lanceolata)凋落物進行凋落物添加試驗。試驗用凋落物為未分解狀態，包括葉、小枝等各個部分，收集的凋落物自然風干后備用。本研究所有的凋落葉樣品均采集于山下實驗林場實驗林內。于2018年8-10月，收集本研究需要的3個樹種的凋落物，每個樹種采集的凋落物至少來自8棵樹，僅收集新鮮的自然凋落物，且無昆蟲取食、病菌侵染等痕跡，自然風干至質量穩定后備用。閩楠、木荷和杉木凋落物物理與化學性狀見表1。

8種凋落物添加類型：對照(不添加凋落物)、添加杉木凋落物、添加木荷凋落物、添加閩楠凋落物、等量添加杉木+木荷凋落物、等量添加杉木+閩楠凋落物、等量添加木荷+閩楠凋落物、等量添加杉木+木荷+閩楠凋落物，編號分別為：CK2、Cl、Ss、Pb、Cl+Ss、Cl+Pb、Ss+Pb、Cl+Ss+Pb。

表1 不同樹種凋落物的理化性狀 Table 1 Physical and chemical characteristics of litters of different tree species

將自然風干凋落物裝入分解網袋，每袋裝入10 g，單種樹種凋落物處理裝入10 g，2種樹種混合凋落物，各裝入5.00 g，3種樹種混合凋落物則各裝入3.33 g，利用訂書機封口。每種處理類型重復4次，12個樣地內共計放置分解袋384個。凋落物分解網袋尺寸為20 cm×20 cm，下層孔徑為0.5 mm，上層孔徑為2.0 mm。

2018年10月，在每個樣地中采用完全隨機區組設計方法設置凋落物添加樣方，為防止凋落物網袋被雨水沖刷或森林動物等其他因素使網袋移位或丟失，除去樣地表面原有凋落物后，在每個凋落物網袋的四周使用鋼釘將其固定在樣方中，并保證網袋底部緊貼表層土壤。

1.4 土壤樣品采集

1)土壤樣品采集。分別于2019年1月和2019年7月取凋落物網袋下面0～10 cm層土壤樣品。各樣方內隨機取5個點的土樣，將同一樣方內相同處理的土樣混合后裝袋。利用冰盒將裝袋土壤樣本帶回實驗室。

2)土壤樣品處理與測定。在實驗室內，將土壤樣本篩去碎石與植物殘體后分為2份，1份常溫下保存，用于測量土壤基本理化性質，另1份置于-20 ℃保存，用于測量土壤微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)及微生物生物量磷(MBP)。

參考文獻[16-21]方法進行以下指標的測定。土壤含水率(soil water content,SWC)采用烘干法測定；土壤有機碳(soil organic carbon，SOC)含量采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮 (total nitrogen，TN)含量采用凱氏定氮儀法測定；土壤堿解氮(alkaline nitrogen，AN)采用堿解擴散法測定；土壤全磷(total phosphorus，TP)含量采用鉬銻抗比色法測定；土壤速效磷(alkaline phosphorus，AP)含量采用氫氧化鈉-草酸鈉提取法測定；土壤微生物生物量碳(microbial biomass of carbon,MBC)和土壤微生物生物量氮(microbial biomass of nitrogen，MBN)含量采用氯仿熏蒸浸提法測定，使用氯仿熏蒸會殺死微生物，分別以熏蒸和不熏蒸所浸提出的有機碳和全氮之差分別除以0.38和0.45(氯仿熏蒸浸提法的微生物生物量碳、氮轉換系數)得到微生物生物量碳與微生物生物量氮；土壤微生物生物量磷(microbial biomass of phosphorus,MBP)含量采用氯仿熏蒸-鉬銻抗比色法測定，原理與測定微生物生物量碳與微生物生物量氮類似，轉換系數為0.4。

1.5 數據處理

通過SPSS20.0中一般線性模型對不同施肥處理和不同凋落物處理的土壤養分與微生物生物量指標進行差異性檢驗；用R軟件psych包的Pearson 分析土壤養分、微生物生物量與及土壤化學計量特征的相關性。差異性檢驗結果用Origin Pro軟件繪圖，相關性系數圖用R軟件corrplot包繪制。

2 結果與分析

2.1 施肥和凋落物添加對土壤養分的影響

由表2、表3可見，施用氮磷混合肥顯著增加了土壤中的全氮與堿解氮的含量(P<0.05)。與對照處理相比，施用氮磷混合肥土壤全氮含量增加了14.7%，土壤堿解氮含量增加了10.7%(P<0.05)；施用氮肥后，土壤堿解氮含量顯著增加了5%(P<0.05)；施用磷肥后，土壤堿解氮含量顯著降低了15.3%(P<0.05)。施用氮磷混合肥增加了土壤中堿解氮的含量，且堿解氮的增加量比添加單一元素氮肥多5.7%(P<0.05)，這說明磷肥的加入對土壤中堿解氮的釋放有促進作用。施用磷肥和施用氮磷混合肥后，土壤全磷和速效磷含量相較于對照組顯著提高34.6%和44.0%(P<0.05)，速效磷含量分別提高34.8%和36.7%(P<0.05)。與對照組相比，施用單一氮肥和單一磷肥對土壤有機碳含量影響不顯著，而施用氮磷混合肥則使土壤有機碳含量增加16.8%(P<0.05)，表明磷肥的施入使氮肥對有機碳含量的提高作用達到顯著性水平。

相較于對照組而言，添加杉木凋落物、添加閩楠凋落物及添加杉木+閩楠凋落物的杉木林土壤全氮含量分別增加3.2%、10.6%及12.4%(P<0.05)(表2，表3)。

表2 施肥和凋落物添加對土壤養分影響的雙因素方差分析 Table 2 Two-way ANOVA of the effects of fertilization and litter addition on soil nutrients

表3 不同施肥和凋落物添加處理下的杉木人工林土壤特性 Table 3 Soil characteristics of Chinese fir plantation under different fertilization and litter addition treatments

添加閩楠凋落物、杉木+閩楠凋落物及杉木+閩楠+木荷凋落物顯著提高土壤堿解氮達16.5%、18.4%和16.8%(P<0.05)(表3)。盡管添加杉木凋落物與添加木荷+閩楠凋落物后土壤堿解氮的含量分別增加了2.8%和10.1%，但是添加木荷凋落物與添加木荷+杉木凋落物后卻降低了土壤中堿解氮的含量(P<0.05)。試驗表明，木荷凋落物的加入對土壤堿解氮含量有抑制作用。與僅添加閩楠凋落物相比，添加杉木+閩楠凋落物處理后土壤堿解氮含量增加9.5%(P>0.05)。

與對照組相比，添加閩楠凋落物與添加木荷+閩楠凋落物、杉木+閩楠凋落物及杉木+木荷+閩楠凋落物對土壤速效磷的含量分別顯著增加16.2%、19.0%、26.6%及32.1%(P<0.05)(表2、表3)。3種混合凋落物添加與單一杉木凋落物添加相比，土壤速效磷含量均顯著提高了40.4%以上(P<0.05)。

與對照組相比，添加木荷凋落物、閩楠凋落物與杉木+閩楠混合凋落物時土壤有機碳含量顯著增加了31.3%、34.6%和33.4%(P<0.05)(表2，表3)。

施肥與凋落物添加的交互作用對土壤中的堿解氮、全氮、速效磷、全磷、有機碳含量無顯著影響(表2)。

2.2 施肥和凋落物添加對土壤微生物特性的影響

與對照組相比，施用磷肥和氮磷混合肥后杉木林土壤微生物生物量氮與微生物生物量磷含量分別增加27.0%與22.8%，及19.5%和22.7%(P<0.05)(表4)。相較于對照組，施用氮肥后杉木林土壤中微生物生物量碳的含量降低了3.3%(P<0.05)，而對微生物生物量氮和微生物生物量磷無顯著影響。施用磷肥和氮磷混合肥后，微生物生物量磷的含量分別提升了23.6%和29.3%(P<0.05)。

表4 施肥和凋落物添加對土壤微生物特性影響的雙因素方差分析 Table 4 Two-way ANOVA of the effects of fertilization and litter addition on soil microbial characteristics

添加杉木+閩楠凋落物后，各項土壤微生物生物量含量均為最高(P<0.01)。與對照組相比，添加閩楠凋落物后土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮與微生物生物量磷含量分別提高52.8%、13.6%、28.3%(P<0.05)，添加杉木+木荷+閩楠三樹種混合凋落物后分別提高了51.2%、18.7%及24.5%(P<0.05)，添加杉木+閩楠混合凋落物后分別提高55.2%、22.8%及29.6%(P<0.05)(表4)。而添加杉木凋落物對土壤微生物特性無顯著影響。

施肥與凋落物添加交互作用對土壤微生物生物量碳、氮和磷具有顯著影響，表現為施用氮磷混合肥與添加杉木+木荷+閩楠混合凋落物(Cl+Ss+Pb)顯著高于其他施肥與凋落物添加組合。與對照處理(CK2)相比，在施用氮肥的樣地中添加木荷凋落物(Ss)、閩楠凋落物(Pb)、杉木+木荷混合凋落物(Cl+Ss)、杉木+閩楠混合凋落物(Cl+Pb)、木荷+閩楠凋落物(Ss+Pb)對土壤微生物生物量碳含量表現出抑制效果，降低了土壤微生物碳含量。就微生物生物量磷而言，施加氮肥與添加閩楠以及4種混合凋落物降低了土壤微生物磷的含量(表4，圖1)。

圖1 施肥與凋落物添加交互作用與土壤微生物特性Fig.1 Soil microbial characteristics under fertilization and litter addition

2.3 施肥和凋落物添加對土壤化學計量特征的影響

從表5可以看出，與對照組相比，施用磷肥與氮磷肥混合后分別使杉木林土壤C∶N分別增加30.7%和37.2%，C∶P分別減少19.5%和16.6%，N∶P分別減少38.3%和39.0%；施用氮肥后雖然使杉木林土壤N∶P減少了19%(P<0.05)，但對土壤C∶N和C∶P沒有顯著影響。與施用氮肥相比，施用氮磷混合肥顯著提高了土壤C∶N，磷肥的加入使得土壤C∶N有了顯著的提升(圖2)。

由表5可見，凋落物添加對土壤化學計量特征的顯著影響均沒有達到顯著性水平。

施肥與凋落物添加交互作用對土壤N∶P具有顯著影響，表現為施用氮磷混合肥與添加閩楠、杉木+木荷+閩楠混合凋落物顯著低于其他施肥與凋落物添加組合。在對照處理的樣地中添加杉木凋落物的土壤N∶P高于添加木荷凋落物與添加杉木+木荷混合凋落物處理，而在施肥的樣地中添加杉木凋落物土壤N∶P低于木荷凋落物與添加杉木+木荷混合凋落物處理(表5，圖3)。

圖2 不同施肥處理下土壤化學計量特征Fig.2 Soil stoichiometry under different fertilization

表5 施肥和凋落物添加對土壤化學計量特征影響的顯著性分析 Table 5 The significance analysis of the effects of fertilization and litter on soil stoichiometric characteristics

圖3 不同凋落物添加下土壤化學計量特征Fig.3 Soil stoichiometric characteristics under different litter addition

2.4 杉木林土壤養分與土壤化學計量特征的關系

由圖4可知，杉木林土壤AN與TN呈正相關；土壤AP與TP、MBP呈正相關，與N∶P呈負相關。土壤TP與C∶P、N∶P呈負相關。土壤MBC與MBP、MBC∶MBN呈正相關。土壤MBN與MBP呈正相關。土壤MBC∶MBN與MBC∶MBP呈正相關，與MBN∶MBP呈負相關。土壤MBC∶MBP與C∶N呈負相關。土壤SOC與C∶N呈正相關。土壤C∶P與N∶P呈正相關。

圖4 土壤養分與土壤化學計量特征的相關性Fig.4 Pearson correlation analysis of soil nutrientand soil stoichiometric properties

3 討 論

在全球氮沉降加劇和南方土壤普遍缺磷的背景下，研究外源性氮磷輸入對杉木人工林土壤特性的影響，以及在杉木林生長過程中凋落物的作用，對尋找杉木人工純林地力衰退的解決方法與實施措施確定具有重要意義。本研究結果顯示，當杉木土壤施用外源性磷后，土壤的堿解氮含量顯著降低。施磷肥對于土壤碳氮元素含量的這種負面影響曾被Poeplau等[22]觀測到。當林地施用磷肥后，森林的初級凈生產力增加，但同時也使得土壤氮顯得更為缺乏，并導致了微生物進行更強的氮礦化作用。

施用化肥對土壤微生物量影響的研究結果不盡相同[23-24]，這可能與土地利用方式、施肥方式或年限有關。林地施用氮肥后顯著降低了土壤微生物生物量碳含量。這可能是在南方土壤普遍缺磷背景下，林地施用尿素后使土壤酸化與板結[25]，土壤通氣性降低，改變了土壤物理性狀，抑制了土壤微生物的生命活動，從而顯著降低了土壤微生物生物量碳含量[26]。林地施用氮磷混合肥料能顯著提高土壤微生物生物量氮和微生物生物量磷的含量。這可能是由于適量施用氮肥與磷肥能夠增加植物光合作用產物積累，增加其向地下部分配量，增加根系生物量和根系分泌物，使得供給土壤微生物同化和利用的氮源與磷源充足[27]。

森林凋落物的分解對于土壤營養產生重要的影響。就土壤氮元素而言，林地添加閩楠凋落物或木荷凋落物帶來了相反的作用，林地添加杉木+閩楠混合凋落物后土壤氮磷含量表現出顯著提升，而林地添加杉木+木荷混合凋落物后土壤氮磷含量則表現出降低的現象，這與林開敏等[28-29]研究結果一致。林開敏等[28-29]研究認為就木荷+杉木混合凋落物分解狀況來說，分解前期表現出木荷凋落物對土壤氮磷含量有微弱的促進作用，而后表現出抑制作用，且木荷的比例越高，抑制作用越顯著。這可能是因為木荷的葉片相對較厚且是革質葉(表1)，葉表的蠟質層和角質層也更厚，限制了菌絲的侵入，且木荷凋落物淋溶液較其他2種凋落物淋溶液呈現出更強的酸性，進而影響到凋落物的分解；而閩楠+杉木混合凋落物會對混合凋落物分解起到促進作用，并且隨著閩楠葉添加增多其促進作用越明顯。

杉木林地添加單一杉木凋落物后，雖然能顯著增加土壤中堿解氮的含量，并對全氮含量表現出一定的促進作用[30]，但顯著降低了土壤中全磷的含量，并且對土壤微生物生物量含量起到了消極作用。在退化的杉木純林中，林下植被較差，凋落物較少，添加外源凋落物能促進養分的歸還，從而對土壤中的氮含量提升起到了促進作用。當林地添加單一木荷凋落物、單一閩楠凋落物以及混合凋落物時，凋落物對杉木林土壤微生物生物總量、微生物生物量碳、微生物生物量氮及微生物生物量磷含量均有明顯的提升作用。這可能時因為加入的闊葉樹種凋落物比葉面積較大，在單位質量凋落物上能承載更多的微生物。當添加的混合凋落物覆蓋在土壤表層后，土壤微生物量增加，土壤微生物活性改善，從而改善土壤化學性狀。多樹種混合凋落物比單一樹種凋落物含有類型更豐富多樣的碳源和其他養分物質，更利于微生物繁殖及其多樣性的增加。

土壤C∶N不僅是衡量土壤碳、氮營養平衡狀況的指標[14]，還會影響土壤中有機碳和氮的循環。土壤C∶N可表示土壤有機質的礦化速率，其比值越低則土壤礦化速率越快。在本研究中，林地施用磷肥和施用氮磷混合肥后土壤C∶N增大，土壤微生物礦化作用速度降低，可供杉木吸收利用的C與N元素隨之減少，說明施用磷肥和施用氮磷混合肥增加了土壤中的C與N儲量，降低了N的有效性，增強了土壤固氮潛力。相關分析表明，杉木林地土壤C∶N與有機碳的相關性大于與全氮的相關性，說明土壤的C∶N主要受土壤有機碳的影響。

土壤中磷元素的有效性是通過有機質的分解速率確定的，較低的土壤C∶P是土壤磷元素有效性高的一個標志[14]。施用磷肥和施用氮磷混合肥后土壤C∶P下降，施肥提高了土壤的有效磷含量，說明施用磷肥和施用氮磷混合肥可以有效地改善杉木林土壤缺磷素狀況。此外，C∶P與全磷的相關性大于與有機碳的相關性，說明土壤C∶P主要受土壤全磷的影響。

土壤N∶P是作為土壤養分限制、土壤碳氮磷飽和度的診斷和有效預測的重要指標。一般來說，當土壤N∶P較低時，說明其生態系統主要受氮限制，而較高的N∶P則主要受磷限制。在本研究中，林地施肥后土壤N∶P明顯下降。對照組土壤的N∶P低于全國土壤N∶P(5∶1)，這可能是凋落物的C∶N 通常高于土壤微生物，微生物在進行分解活動必須從外部環境中獲取足夠的磷源以滿足自身代謝的需要，對磷素有較高的需求，當土壤中磷素的含量較高時，微生物群落生長代謝更快，分解活動也就更快，會從土壤中攝取更多的氮素，從而導致土壤N∶P下降。此外，相關分析表明，土壤N∶P與土壤磷元素的相關性要比與氮元素的相關性大，說明土壤N∶P主要受土壤磷元素的影響。

總體來講，施用氮磷混合肥后顯著增加了杉木林土壤堿解氮、速效磷、土壤微生物生物量氮、微生物生物量磷含量；添加杉木+閩楠和添加杉木+木荷+閩楠凋落物顯著提高了杉木林土壤堿解氮、速效磷含量以及土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮、微生物生物量磷含量。且該混合施肥與混合凋落物處理的交互效應更顯著提高了土壤養分和土壤微生物生物量。因此，在杉木林生產中，應該充分利用多樹種混合凋落物分解后所產生的正向效應，提倡營造杉×闊混交林以及對現有杉木純林進行近自然化改造以改變其凋落物的組成、質量和數量，并配合施用氮磷復合肥料來改善杉木林土壤養分狀況，這對于維護杉木人工林生態系統的養分循環和促進地力恢復具有重要的意義。