引種降香黃檀和頂果木對石漠化山區土壤磷素轉化及其有效性的影響

李 萌,譚許脈,肖 納,徐浩成,莫雪青,張 文,尤業明,2,黃雪蔓,2,*

1 廣西大學林學院,廣西森林生態與保育重點實驗室, 南寧 530004

2 廣西友誼關森林生態系統定位觀測研究站, 憑祥 532600

土壤養分對植物的生長起著關鍵作用,直接影響植物群落的組成、穩定和演替[1]。磷是植物生長發育的必需營養元素之一,與植物體內的各種代謝過程密不可分[2]。植物所利用的磷元素主要來源于土壤,但土壤中的磷素大多與其他物質相結合,以化合狀態存在,很難被植物直接吸收利用[3]。土壤中無機磷的含量、存在形態及轉化過程等直接影響磷的生物有效性[4],因此如何提高土壤磷素利用率和加快磷素循環已成為國內外許多科學家廣泛關注的熱點。

土壤微生物是陸地生態系統中的重要組成部分,也是生態系統功能的重要驅動者,并且能敏銳地感知土壤中養分含量的變化[5—6]。土壤微生物生物量是土壤有機質中最為活躍的部分,其含量高低可以表征土壤肥力的變化水平,對維持土壤生態系統平衡有重要意義,其變化能敏感反映出土壤養分有效性的變化和有效表征土壤有機物質的代謝強度,并受土壤 pH、溫度、透氣性等環境因子影響[7—10]。微生物量一般包括微生物量碳、微生物量氮和微生物量磷。

巖溶地區是地球表層系統的重要組成部分,全球巖溶區面積約5.1億km2,大約占地球面積的10%[11]。巖溶區生態環境惡劣,土壤貧瘠,水土流失嚴重,植被覆蓋率低[12]。我國西南巖溶區是石漠化最為嚴重的區域,而且石漠化的面積呈現增加的趨勢,且巖溶區生態系統功能急劇退化,嚴重影響該區域經濟社會以及環境的可持續發展。此外,巖溶區成土過程緩慢,土層淺薄,生態系統土壤氮素儲量遠低于非巖溶區,是典型的生態脆弱帶[13—14]。有研究發現,巖溶區退化生態系統恢復初期主要受氮限制,演替后期主要受 磷限制,而在恢復中期,則受 氮、磷共同限制[15]。土壤養分循環相互耦合[16], 氮和磷作為生命元素驅動著其他養分元素的轉化和周轉,是養分循環中的核心部分[17]。近年來,國家先后啟動實施一系列重大生態工程進行石漠化綜合治理,其中植被恢復作為一項重要的生態治理措施,由于其不同恢復模式下植物種類及其配置的不同,必然導致凋落物凋落規律、數量和組成,以及林地環境等因素的不同,從而對土壤磷素產生不同的影響[4,15,18]。雖然已有許多國內外學者利用不同方法和途徑,研究了有關不同的植物、恢復方式和土地利用類型等對巖溶區土壤磷素的影響[4,15,19],但到目前為止,對不同固氮樹種及其種植模式下的石漠化山區土壤無機磷組分變化規律的認識還存在很大的不足,這將影響我們對石漠化山區土壤養分退化成因及其發生機制、養分的維持及演變規律的認識。因此,在石漠化山區植被恢復重建中開展關于引進優良固氮樹種及其種植模式對其土壤磷有效性及無機磷組分變化的研究,對于改善石漠化山區土壤質量,緩解其土壤磷素對植被恢復的限制作用具有重要的現實意義。

本研究選取廣西石漠化最為嚴重的馬山縣作為研究區域,對研究石漠化區土壤肥力恢復及其維持機制具有較強的代表性。選擇不同固氮樹種及其種植模式恢復起來的純林和混交林作為研究對象,采用野外監測和室內分析試驗相結合的方法,重點探究不同固氮樹種及種植模式對石漠化區表層土壤磷素轉化和有效性的影響及其驅動因子。通過對上述問題的研究,為定向調控巖溶區表層土壤磷循環過程,長期提高該區土壤磷有效性的樹種和種植模式的選擇等方面提供重要的科學依據,促進巖溶區生態、經濟和社會可持續發展。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究區域位于廣西壯族自治區南寧市馬山縣(23°24′—24°20′N, 107°41′ —108°29′E),地處廣西中部略偏西位置,居紅水河中段南岸,大明山北麓。馬山縣的地貌以山區丘陵地形為主,東西部為石山區,西南部和中部為土嶺丘陵。該地屬于南亞熱帶季風型氣候,年均氣溫21.3℃,年均降雨量1667.1 mm；夏季多暴雨,易發生洪澇,春秋兩季雨水少,易造成干旱；相對濕度76%,年平均無霜期343 d。土壤類型主要以碳酸鹽巖發育的石灰土為主,呈弱堿性,石粒含量高,質地粘重,土壤層薄。原生植被屬于南亞熱帶季風常綠闊葉林,但由于長期過度墾殖、放牧、樵采等,原生性森林早已消失,導致基巖裸露,出現大面積石漠化景觀。現在境內巖溶地貌發育,生態環境脆弱,是廣西石漠化最嚴重的地區之一。

1.2 試驗設計和土壤樣品采集

本研究的試驗樣地是依托中央財政林業科技推廣示范資金跨區域重點推廣示范項目“廣西馬山縣石山(石灰巖)地區造林綠化優良速生樹種栽培技術推廣示范”所建的平臺上進行。在對研究區的石漠化情況進行全面調查的基礎上,選擇馬山縣白山鎮民族村約50 hm2典型的石漠化區域作為植被恢復試驗地,該試驗地稀疏分布的灌木主要有黃荊條、紅背山麻桿、地桃花、黃花稔等；草本植物主要有小花露籽草、蔓生莠竹、卷柏、腎蕨和扇葉鐵線蕨等,無喬木分布。根據石漠化區因地制宜、耐干旱和熱量變化等的樹種選擇原則,于2011年2月選擇石山優良造林的珍貴豆科樹種降香黃檀(DalbergiaodoriferaT. Chen)和豆科樹種頂果木(AcrocarpusfraxinifoliusWight ex Arn. In Mag.)進行造林試驗,分別構建了降香黃檀純林(The pure plantation ofDalbergiaodorifera)、頂果木純林(The pure plantation ofAcricarpusfraxinifolius)和降香黃檀/頂果木混交林(The mixed plantation ofDalbergiaodoriferaandAcricarpusfraxinifolius)3種林分類型。同時以相鄰的無植被恢復的石山灌叢作為對照(CK)。因頂果木是優良速生樹種,適當提高頂果木在混交林中的比例,可以為珍貴樹種降香黃檀后期生長過程中干型的塑造(如:減少主干分杈)和生長環境的構建提供更有利的冠層結構,并保障混交林中2個樹種能夠更好地生長。因此,在混交林的樹種比例設置上,采取降香黃檀:頂果木為3:7的混交模式。造林時,降香黃檀的苗高約60—70 cm,地徑約為0.3—0.4 cm；頂果木的苗高約25—30 cm,地徑約為0.4—0.5 cm。各林分類型具有相似的立地條件(海拔、土層厚度、土壤類型)和撫育措施等,林分建立后,每年的6—8月對各樣地進行林分調查,記錄樣地內林木的樹高、胸徑和冠幅等。

根據隨機區組設計原則,本研究于2019年7月初(植被生長恢復8年后),在整個試驗區內隨機選擇5個實驗區組,區組之間的距離不低于200 m。其中,每個區組內均包含4種不同立地類型(具體為對照組、降香黃檀純林、頂果木純林和降香黃檀/頂果木混交林),區組內每種立地類型分別設置一個400 m2(20 m×20 m)的樣方。整個實驗共設置了20個實驗樣方,并對每個實驗樣方進行調查,其基本概況詳見表1。于2019年8月對每個20 m×20 m樣方進行土壤取樣,在每個樣方內隨機布設10個取樣點,去除表面的雜質后用土鉆(直徑10 cm)取0—10 cm深的表層土壤,每個取樣樣方的土壤經充分混勻后作為一個土壤樣品。所有土壤樣品當天帶回實驗室后立即剔除沙石、植物根莖等雜質,過2 mm土壤篩后分為兩份。一份存放在4℃冰箱中用于測定土壤速效養分和微生物生物量碳、氮和磷；另一份自然風干后經進一步研磨,全部過0.149 mm土壤篩,用于測定土壤全量養分和pH值。

表1 實驗樣地基本概況

1.3 土壤分析方法

土壤微生物量碳、氮和磷(MBC、MBN和MBP)采用氯仿熏蒸法提取[22—23]。MBC和MBN用K2SO4(0.5 mol/L)浸提,然后用TOC/TN同步分析儀(Multi N/C 3100)測定。MBP用NaHCO3(0.5 mol/L)浸提,然后采用鉬銻抗比色法測定[21]。

石灰性土壤無機磷的形態分級采用蔣柏藩和顧益初的方法[24—25]分為6級。Ca2-P采用NaHCO3(0. 25 mol/L)浸提；Ca8-P采用NH4OAc(0. 5 mol/L)浸提；Ca10-P采用1/2 H2SO4(0. 5 mol/L)浸提；Al-P采用NH4F(0. 5 mol/L)浸提；Fe-P采用NaOH(0. 1 mol/L)+ Na2CO3(0. 1 mol/L)浸提；O-P,又稱閉蓄態磷,采用檸檬酸鈉(0. 3 mol/L)+連二亞硫酸鈉+ NaOH(0. 5 mol/L)浸提。有機磷=總磷-無機磷。

1.4 數據分析

本研究采用土壤磷素活化系數(Phosphorus activation coefficient,簡稱PAC)來衡量土壤全磷的有效性[4]。其中PAC的計算方式如下:

(1)

式中,AP為速效磷(mg/kg)；TP為總磷(g/kg)。

運用 SPSS 24.0 軟件對數據進行單因素方差分析(one-way ANOVA),采用最小顯著差異法(LSD)比較均值之間的差異程度,顯著性水平全部設置為P<0.05。采用Canoco 4.5對不同林分的土壤無機磷組分和土壤性質進行冗余分析(RDA)。采用 SigmaPlot 10.0 進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 固氮樹種對石漠化山區表層土壤性質的影響

表2 不同樣地類型土壤基本性質

2.2 固氮樹種對土壤磷素的活化以及不同形態磷和氮之間關系的影響

土壤磷素活化系數(PAC),即土壤有效磷與全磷的比值,常被用來表示土壤全磷的有效性。PAC大于2%說明全磷中各形態的磷,容易轉化為有效磷,供植物吸收利用,反之則不利于全磷轉化為有效磷。由圖1可知,對照的PAC<2.0%,而降香黃檀純林、頂果木純林和降香黃檀/頂果木混交林的PAC值均>2.0%,分別為1.9%,2.5%,3.8%和6.7%。表明固氮樹種的引入能有效提高石漠化山區土壤全磷的有效性,其中以混交種植方式的效果最佳(P<0.05)。

圖1 不同樣地類型中PAC的變化

圖2 土壤各種形態磷和氮之間的關系

2.3 固氮樹種對石漠化山區表層土壤無機磷組分的影響

由圖3可知,降香黃檀/頂果木混交林、頂果木純林和降香黃檀純林的土壤Ca2-P含量與對照樣地相比分別顯著提高203.6%,230.0%和105.4% (P<0.05)；降香黃檀/頂果木混交林和頂果木純林的土壤Ca2-P含量比降香黃檀純林的分別顯著提高47.8%和60.7% (P<0.05)。降香黃檀/頂果木混交林的土壤Ca8-P含量比頂果木純林和對照樣地分別顯著提高28.8%和27.8% (P<0.05)；頂果木純林的土壤Ca8-P含量比降香黃檀純林和對照樣地分別顯著增加30.6%和29.5% (P< 0.05)。降香黃檀/頂果木混交林和頂果木純林的土壤Ca10-P含量與對照樣地相比分別顯著增加49.0%和38.2% (P<0.05)；然而,3種固氮樹種林分(降香黃檀/頂果木混交林,頂果木純林和降香黃檀純林)的土壤Ca10-P含量兩兩之間差異不顯著 (P>0.05)。降香黃檀/頂果木混交林的土壤Al-P含量比降香黃檀純林和對照樣地分別顯著增加760.7%和872.6% (P<0.05)；頂果木純林的土壤Al-P含量比降香黃檀純林和對照樣地分別顯著提高599.4%和690.4% (P<0.05)。降香黃檀/頂果木混交林的土壤Fe-P含量比降香黃檀純林和對照樣地分別顯著提高91.9%和116.3% (P<0.05)；頂果木純林的土壤Fe-P含量比降香黃檀純林和對照樣地分別顯著提高80.1%和103.1% (P<0.05)。降香黃檀/頂果木混交林的土壤O-P含量比頂果木純林、降香黃檀純林和對照樣地相比分別顯著增加161.2%,218.6%和517.0% (P<0.05)；頂果木純林的土壤O-P含量比降香黃檀純林和對照樣地相比分別顯著增加46.1%和136.2% (P<0.05)；對照樣地與降香黃檀純林的土壤O-P含量沒有差異 (P>0.05)。其中,4種林分各無機磷形態含量大小順序均為:Ca10-P>O-P>Al-P>Fe-P> Ca2-P >Ca8-P。

圖3 不同固氮樹種及其種植模式對石漠化山區表層土壤無機磷組分的影響

2.4 土壤無機磷組分與土壤基本性質的相關性

以土壤各無機磷組分為因變量,土壤基本性質為解釋變量進行冗余分析(RDA)。結果表明,模型篩選出的7個土壤基本性質共同解釋了土壤無機磷組分變化的88% (表3,總解釋率=條件效應的總和),而通過蒙特卡洛置換檢驗發現,MBP、SOM和MBN是驅動土壤無機磷組分發生變化的最關鍵因子(P<0.05),分別解釋了土壤無機磷組分變化的74%(P=0.002,F=51.60),5%(P=0.006,F=4.10)和4%(P=0.012,F=3.31)(表3)。在RDA排序的雙標圖中,第一主軸將對照與頂果木純林和降香黃檀/頂果木混交林分開,第二主軸將對照與降香黃檀純林和頂果木純林分開,表明固氮樹種的引入均能改變土壤無機磷組分的組成,其中頂果木純林和降香黃檀/頂果木混交林對無機磷組分的改變最為明顯(圖4)。此外,土壤無機磷組分與土壤基本性質存在顯著的相關性,除了pH與各土壤無機磷組分呈顯著負相關外,其余篩選出的土壤基本性質與各土壤無機磷組分均呈顯著正相關(圖4)。

表3 基于冗余分析預選的邊際效應和條件效應

圖4 無機磷組分和各種土壤基本性質的冗余分析

3 討論

3.1 固氮樹種對石漠化山區表層土壤磷有效性的影響

3.2 固氮樹種對石漠化山區表層土壤無機磷組分的影響

土壤磷包括有機磷和無機磷兩大類,雖然土壤有機磷占土壤總磷的比例大多在20%—80%之間,但是土壤無機磷是植物可利用磷的重要來源[38]。蔣柏潘和顧益初提出的石灰型土壤無機磷分級體系把土壤無機磷分為Ca2-P、Ca8-P、Ca10-P、Al-P、Fe-P 和O-P六種,可以準確地評價土壤AP庫的大小、形態轉換和磷元素的供應情況[24—25]。土壤無機磷中Ca2-P、Ca8-P和Al-P屬于有效態無機磷,很容易被植物吸收利用；Ca10-P、Fe-P和O-P屬于緩效態無機磷,較難被植物直接利用[39]。楊慧等[4]研究巖溶區不同的土地利用類型發現,改變植被類型后土壤的各無機磷形態發生了一定的變化。我們研究也發現在石漠化山區引進固氮樹種進行植被恢復后,與對照相比各林分的土壤無機磷組分發生變化,其中頂果木/降香黃檀混交林和頂果木純林的各種無機磷的增加量均達到顯著水平。在本研究中,土壤各形態無機磷的含量排列順序大致都遵循Ca10-P>O-P>Al-P>Fe-P> Ca2-P >Ca8-P。與對照相比,引入固氮樹種進行植被恢復8年后,作為植物最有效磷源的Ca2-P大概增加了1—2倍；作為第二有效磷源的Ca8-P大概增加了0.27—0.30倍,Al-P大概增加了6—8倍；作為緩效態磷源的Ca10-P大概增加了0.38—0.49倍,Fe-P大概增加了1—1.2倍,O-P大概增加了1—5倍(圖3)。這說明了引進固氮樹種后,有利于有效態土壤無機磷的釋放,也積累了很多緩效態的土壤無機磷。蔡鑫淋等[40]研究巖溶區生態恢復中土壤無機磷形態特征表明林草間作地的無機磷含量高于荒草地,這與我們的研究結果一致,但土壤無機磷中O-P最多這一結果與我們的結果相反。化黨領等[41]研究發現石灰型土壤中的無機磷主要以Ca-P為主與我們的研究結果一致。

4 結論

在石漠化山區引種珍貴固氮樹種(降香黃檀和頂果木)進行植被恢復后,一定程度上改善了該區表層土壤的養分狀況,使土壤無機磷組分發生了改變,提高了土壤氮和磷的有效性,其中以混交林的效果最為顯著。土壤無機磷組分與土壤基本性質存在一定的相關性,MBP、SOM和MBN可能是影響石漠化山區土壤無機磷組分發生變化的最關鍵因素。本研究為珍貴固氮樹種在石漠化生態恢復與重建中的應用提供理論依據和實踐支持,促進巖溶區生態、經濟和社會可持續發展。