川南不同林龄马尾松人工林土壤磷素变化特征1)

2014-08-02 03:54宫渊波苏宏伟尹艳杰马金松郑江坤刘珊珊
东北林业大学学报 2014年6期
关键词:林龄磷素马尾松

李 渊 宫渊波 苏宏伟 尹艳杰 马金松 郑江坤 王 燕 刘珊珊

(林业生态工程省级重点实验室(四川农业大学),雅安,625014)

川南不同林龄马尾松人工林土壤磷素变化特征1)

李 渊 宫渊波 苏宏伟 尹艳杰 马金松 郑江坤 王 燕 刘珊珊

(林业生态工程省级重点实验室(四川农业大学),雅安,625014)

以宜宾市高县8个不同林龄马尾松人工林为研究对象,采用空间替代时间的研究方法,对各林龄不同形态磷质量分数及其随林龄的变化特征、不同林龄和不同土层间磷素质量分数的差异性、不同土层磷质量分数与土壤理化性质的相关性进行研究,结果表明:各林龄土壤全磷质量分数及其对应不同土层质量分数均大于1 g·kg-1,处于较高水平,而速效磷质量分数表现为亏缺;随着林龄的增长,马尾松人工林土壤全磷和速效磷呈波状变化,在3、14和40 a表现出极大值;全磷和速效磷在0~20 cm质量分数均高于20~40 cm,且不同土层土壤速效磷的质量分数差异性极显著(p<0.01);不同林龄间土壤全磷和速效磷质量分数差异性显著;相关性分析表明不同土层全磷、速效磷质量分数与有机质显著相关(p<0.05),0~20 cm土层全磷、速效磷质量分数与pH值也显著相关(p<0.05),20~40 cm土层全磷和速效磷与有机质和pH值的相关性不显著。

马尾松人工林;不同林龄;土壤磷素;变化特征

磷既是地球生命系统的主要营养元素之一[1],同时也是植物生长发育必需的大量营养元素之一,对植物生长发育、产量形成和品质提高均起着十分重要的作用。磷在土壤中以无机和有机两种形态存在[2],以多种方式参与植物体内各种生物化学过程,对促进植物的生长发育和新陈代谢具有重要的作用[3]。磷元素属于矿质营养,在土壤中是最难溶、难移动的惰性养分[4],且速效磷易被土壤颗粒吸附或生成难溶性的磷酸盐导致土壤营养元素垂直移动速度慢,进而导致上层较下层质量分数高,产生了明显的表聚现象[5-6],最终易造成根部缺少磷元素,致使植物生长所需速效磷质量分数降低[7]。

人工林结构简单,植被种类相对单一,人为因素干扰严重,树木生长过程中对养分需求量大,极易造成林地土壤肥力下降、土壤理化性质退化等土壤质量的变化,从而导致林木生产能力下降等诸多问题[8]。马尾松主要分布在秦岭、淮河以南的亚热带地区,是我国南方最具代表性的人工林栽培树种,其分布广、面积大,对国民经济和林业建设中及其重要[9]。土壤磷的有效性低,是南方人工林生态系统生产力和生态过程的限制性因子之一。国内许多学者对马尾松林进行了研究,发现土壤磷素在马尾松人工林中存在严重亏缺的现象[10-11],且南方马尾松林土壤速效磷质量分数缺乏影响林木生长已成共识[4]。长期以来人们对马尾松人工林的研究多集中在生物量[12-14]以及养分循环[15-17]等方面,而对其土壤磷素质量分数、磷的有效性及其动态过程缺乏深入研究。土壤全磷质量分数可以了解土壤肥力的水平动态[18],速效磷的高低在一定程度上也能反应土壤中磷素的储存和供应能力[19]。本文以川南不同林龄马尾松人工林为研究对象,采用空间替代时间的方法,对土壤中磷素的质量分数、磷的有效性及动态过程进行研究,为该区马尾松人工林经营管理以维持林分可持续经营提供理论依据。

1 研究区概况

实验区位于四川省宜宾市高县,地处东平行岭谷向西南延伸和宜宾县观音向西往东南延伸的尾部地带,东南部属川东平行岭谷区,西南部属盆地中心丘陵区,地理位置E104°32′~104°35′,N28°34′~28°37。中亚热带湿润性季风气候,四季分明,气候温和,冬暖夏热,雨量充沛,无霜期长,年均气温18 ℃,年平均降水量1 037.9 mm,年平均日照时间1 107.7 h,年无霜期346.2 d。研究区海拔为274.0~1 252.1 m,以低山地地貌为主,土壤类型为黄壤。林下灌木层植被主要有梨叶悬钩子(Rubuspirifolius),枹栎(Quercusserrata),野桐(Mallotusjaponicas),裂叶蓉(Ficuslaceratifoli);草本层主要有芒萁(Dicranopterisdichotoma),蕨(Pteridiumaquilinum),金星蕨(Parathelypterisglanduligera),美洲商陆(Phytolaccaamericana),皱叶狗尾草(Setariaplicata)。

2 研究方法

2.1 样地设置及样品采集

2011年6月以宜宾市高县马尾松人工林为研究对象,根据其林龄分布情况,在实验区内共选取2、3、5、8、14、31、37和40 a等8个不同林龄的马尾松人工林,各个样地的基本情况如表1所示。在每个林龄中选择具有代表性、人为干扰较小、坡度和坡向基本一致的地段,分别设置3个20 m×20 m的标准样地,共计24个。然后分别在每个标准样地内按对角线随机布设3个点,挖取土壤剖面,按采用机械分层法,按2个层次(0~20、20~40 cm)分别采集土样、混匀,带回室内。每个层次采集土样1 kg左右于土样袋中,共计48个袋。样地的其他土壤化学性质如表2。

表1 不同林龄马尾松人工林林地概况

2年生马尾松林,无乔木层,灌木层有铁仔(Myrsineafricana)、黄荆(Vitexnegundo)、枹栎等;草本层包括芒(Miscanthussinensis)、美洲商陆、海金沙(Lygodiumjaponicum)等。

3年生马尾松,无乔木层,灌木层包括野桐(Mallotusjaponicus)、展毛野牡丹(Melastomanormale)、梨叶悬钩子、盐肤木(Rhuschinensis)等;草本层主要有芒、芒萁、积雪草(Centellaasiatica)、白酒草(Conyzajaponica)、小婆婆纳(Veronicaserpyllifolia)等。

5年生马尾松,无乔木层,灌木层包括梨叶悬钩子、枹栎、裂叶榕等;草本层有蕨(Pteridiumaquilinum)、芒、芒萁、金星蕨(Parathelypterisglanduligera)等。

8年生马尾松林,乔木层初步形成,平均树高4.8 m,郁闭度0.6,灌木层有茶(Cameliasinensis)、裂叶榕、野桐、梨叶悬钩子和铁仔等,草本层包括芒、芒萁、金星蕨、美洲商陆和马唐(Digitariasanguinalis)等。

14年生马尾松林,平均树高9.3 m,郁闭度0.8,灌木层包括枹栎、野桐、葛藤、巴豆(Crotontiglium)和香花崖豆藤(Millettiadielsiana)等,草本层含芒、芒萁、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)、蕨和乌蔹莓(Cayratiajaponica)等。

31年生马尾松林,平均树高14.3 m,郁闭度0.6,灌木层有梨叶悬钩子、野桐、铁仔、枹栎、尖叶榕(F.henryi)等,草本层包括蕨、芒、芒萁、皱叶狗尾草和单芽狗脊蕨(Woodwardiaunigemmata)等。

37年生马尾松林,平均树高15.1 m,郁闭度0.7,灌木层主要有乌泡(Rubusmultibracteatus)、梨叶悬钩子、展毛野牡丹(Melastomanormale)、裂叶榕等;草本层包括有芒、芒萁、皱叶狗尾草(Setariaplicata)、牛筋草(Eleusineindica)等。

40年生马尾松林,平均树高15.6 m,郁闭度0.7,灌木层有油樟、梨叶悬钩子、乌泡(Rubusmultibracteatus)和栀子(Gardeniajasminoides)等;草本层包括芒、芒萁、淡竹叶、皱叶狗尾草、马唐和姬蕨(Hypolepispunctata)等。

2.2 化学分析

土壤样品风干、过筛处理后密封贮放,用于土壤化学性质的测定;土壤全磷采用碱熔—钼锑抗比色法测定;速效磷采用盐酸—硫酸浸提法测定;pH值采用酸度计法测定;有机质采用重铬酸钾法测定;全氮采用微量凯氏定氮法测定。

表2 不同林龄马尾松人工林土壤化学性质

注:h为土层深度。

2.3 数据统计与分析

所有数据采用Excel(2010)和SPSS(17.0)统计分析软件进行统计分析。采用one-way ANOVA方差分析不同林龄土壤全磷、速效磷的显著差异性,并用Duncan多重检验分析各类型数据间的差异显著性,采用Pearson相关分析了解土壤全磷、速效磷质量分数与土壤其他化学性质的相关性。

3 结果与分析

3.1 不同林龄马尾松人工林土壤磷质量分数的变化特征

3.1.1 土壤全磷和速效磷质量分数随林龄的变化

不同林龄马尾松人工林0~40 cm土壤剖面的全磷在3.00~8.18 g·kg-1之间。幼林(2、3 a)、中林(14 a)和成过熟林(40 a)中全磷质量分数相对较高(6.5 g·kg-1以上),其中3年生幼林全磷质量分数最高,其后随林龄的增加,逐渐下降。8、31、37 a全磷质量分数均低于5.0 g·kg-1,31 a人工林全磷质量分数最低,5 a全磷质量分数为5.06 g·kg-1,8 a与5 a的质量分数相差0.12 g·kg-1,下降速度较为缓慢,到14 a全磷质量分数增大,31 a全磷质量分数又降到最低,仅为14 a的44.1%。进入成过熟林后又呈现上升趋势,从37 a开始全磷质量分数缓慢上升,比31 a的质量分数高出28.0%,至40 a全磷质量分数增加幅度较大,分别为31、37 a的2.18倍、1.7倍(详见表3)。

表3 马尾松人工林0~40 cm土壤磷素质量分数

不同林龄马尾松人工林土壤速效磷质量分数的变化不同于全磷,呈现“双峰”态势。14 a人工林土壤速效磷质量分数超过6.5 mg·kg-1,明显高于其他林龄。3、5、8、40 a之间速效磷质量分数变化较小,在4.5~5.4 mg·kg-1。2、31、37 a速效磷质量分数低于4.0 mg·kg-1,其中37a质量分数最低,为2.8 mg·kg-1。以上结果表明,随着林龄的增长速效磷质量分数的变化趋势为:2~3 a质量分数上升,到5 a质量分数降低,5~14 a速效磷质量分数又逐渐增加,14~37 a质量分数大幅下降,到37 a最低,40 a质量分数又大幅度提升。

3.1.2 不同土层土壤全磷质量分数随林龄的变化

不同林龄马尾松人工林在0~20、20~40 cm土层土壤全磷质量分数分别在1.43~5.37、1.57~3.84 g·kg-1之间。0~20 cm土层3 a全磷质量分数最高,其次14、40 a质量分数较高,在4.0 g·kg-1以上,分别为4.08、4.18 g·kg-1。2、5、8 a土壤全磷质量分数变化较小,分别为3.07、2.59、2.56 g·kg-1,31、37 a土壤全磷质量分数较低,分别为1.43、2.18 g·kg-1;20~40 cm土壤全磷质量分数变化幅度较小,除2 a全磷质量分数为3.84 g·kg-1外,其余都在3.0 g·kg-1以下,其中3、5、8、14、40 a全磷质量分数在2.35~2.80 g·kg-1之间,31、37年生全磷质量分数分别只有1.6、1.7 g·kg-1。

随着马尾松人工林林龄的增长,在0~20 cm土层全磷质量分数呈3次上升、两次下降的变化特征即:2~3 a上升,3~8 a下降,8~14 a上升,14~31 a下降,31~40 a上升。3次上升过程的涨幅分别为74.9%、72.2%、91.7%,两次下降过程的降幅分别为55.9%、65.0%;20~40 cm土层,2~8年生全磷质量分数持续降低,3年生马尾松林人工林未出现上升的现象,8~40年生的变化规律与0~20 cm土层的变化规律基本一致,变化幅度较0~20 cm土层小。

同一林龄不同土层间土壤全磷质量分数呈0~20 cm高于20~40 cm土层的变化特征,除2、31 a全磷质量分数0~20 cm要低于20~40 cm外(P>0.05),其他林龄0~20 cm全磷质量分数均高于20~40 cm,尤其对于3和40 a,不同土层间全磷质量分数的差异性达到显著水平(p<0.05)。

不同土层土壤全磷存在较大的差异性,0~20 cm土层,3 a与14 a,5、8 a与31 a,14 a与2、5、8 a全磷质量分数间差异显著(p<0.05),2 a与31 a,3、40 a与2、5、8、31、37 a,14 a与31、37 a之间全磷质量分数差异性极显著(p<0.01);20~40 cm土层,5、8、40 a与31、37 a之间全磷质量分数差异显著(p<0.05),2 a与5、8、14、31、37、40 a,3、14 a与31、37 a之间土壤全磷质量分数差异性极显著(p<0.01),其他林龄间的差异不显著(P>0.05),详见表4。

表4 不同林龄马尾松人工林土壤磷素质量分数

注:每列数据后不同大写字母表示同一林龄不同土层间的差异显著性,不同小写字母表示同一土层不同林龄间的差异性显著(p<0.05);h为土层深度。

3.1.3 不同土层土壤速效磷质量分数随林龄的变化

不同林龄马尾松人工林0~20 cm土层土壤速效磷质量分数在1.55~4.16 mg·kg-1,20~40 cm土层在1.26~2.46 mg·kg-1之间,其中土壤速效磷质量分数在不同土层均表现出14 a质量分数最高,37 a质量分数最低的特征。0~20 cm土层2、3、5、8、40 a质量分数在2.38~3.48 mg·kg-1之间,31、37 a质量分数相对较低,均低于2.0 mg·kg-1;20~40 cm土层,其他林龄间土壤速效磷质量分数变化不大,都在1.2~2.0 mg·kg-1之间。

随着林龄增长,0~20 cm土层土壤速效磷质量分数变化特征为2~3 a上升,3~8 a持续下降,但下降幅度不大,只有20.0%。14~37 a速效磷质量分数大幅度下降,到37 a速效磷质量分数最低,仅为14年生的35.7%,到39 a速效磷质量分数增大,达到最高值,较37 a质量分数增加了3.8 mg·kg-1,40 a的质量分数又呈下降的趋势。20~40 cm土层速效磷质量分数的变化趋势与0~20 cm土层的基本一致,总体表现出20~40 cm土壤速效磷质量分数较0~20 cm小。

0~20 cm土壤速效磷质量分数显著高于20~40 cm(p<0.05),其中40年生0~20 cm土层土壤速效磷质量分数是20~40 cm土层的2.4倍,差异最大。土壤速效磷质量分数表现出随着土层深度增加而降低的趋势。同一土层不同林龄马尾松人工林间土壤速效磷的变化特征较显著。

0~20 cm土层,14 a土壤速效磷质量分数极显著高于其他林龄(p<0.01),40 a与5 a的差异显著(p<0.05),5 a与8 a差异不显著(P>0.05),其他各林龄间差异极显著(p<0.01);20~40 cm土层,14 a速效磷质量分数与其它各林龄间的差异极显著(p<0.01),8 a与5、31 a,3 a与31 a,5 a与37 a之间差异著性(p<0.05),3、8 a与2、31、37、40 a之间差异极显著(p<0.01),3 a与8 a速效磷质量分数差异不显著(P>0.05)。

3.2 土壤磷素与土壤其它化学性质的相关关系

由表5可知,不同林龄马尾松人工林土壤全磷、速效磷与土壤其他化学性质的相关关系不一。0~40 cm的土层速效磷质量分数与有机质质量分数之间呈极显著相关(p<0.01),与pH值之间呈正相关,但未达到显著水平。

表5 不同林龄马尾松人工林不同土层土壤磷素与其它化学性质的相关性

化学性质全 磷0

注:*代表p<0.05为显著;** 代表p<0.01为极显著。

0~20 cm速效磷质量分数与土壤pH值、有机质的相关性达到显著水平(p<0.05)。全磷与pH值、有机质、全氮质量分数也存在正相关性,其中与pH值的相关性达到显著水平(p<0.05)。

20~40 cm土层土壤全磷质量分数与pH值、有机质的成负相关,速效磷与全氮、pH值成负相关,与有机质成正相关,相关性都不显著。

4 讨论

磷既是植物生长发育和新陈代谢所必须的营养元素之一,也是植物细胞的基本组成元素,植物生长过程中要大量消耗磷素,土壤磷素质量分数大小与植物生长过程和其所处的环境等因素有着重要联系,因此马尾松人工林磷素质量分数的变化也与其生长过程、所处环境是密不可分的。2~8 a属于幼林龄时期,马尾松急剧生长,对磷的需求逐渐增大,除了2~3 a外,土壤全磷和速效磷质量分数基本呈下降趋势,这种变化趋势也可能与研究区域的马尾松人工林炼山等活动有关。炼山能促进养分的循环利用,短时间内会增加土壤养分的质量分数,但同时也会造成土层裸露,易产生水土流失现象,使得土壤磷素质量分数随土壤流失,这也可能是3~8 a土壤磷素质量分数下降、3年生磷素质量分数较高的一个原因。随着时间的推移,炼山后短期内在各种因素的影响下土壤养分逐渐被土壤固定吸收,转化为磷素,从而增加磷素的质量分数,使得3 a全磷质量分数比2 a高。土壤全磷和速效磷在3 a马尾松人工林中的质量分数较2 a有所上升,还可能与坡度和植被覆盖度有关。3 a马尾松林地的坡度较2 a的小,缓坡地形使得磷素随土壤流失的速度减缓,同时3 a马尾松人工林的植被盖度明显高于2 a的,对土壤磷起到了截留作用,而2 a马尾松林的养分流失会明显增大。14 a土壤全磷和速效磷质量分数较高,这与马尾松林地生产力旺盛、林下植被较为丰富、郁闭度较高、土壤微生物活性较高等因素有关,这些因素会提高了有机质等向磷素的转化速率,而且14 a土壤养分的循环速率相对较高,会增加土壤磷素质量分数。有研究表明31 a马尾松人工林通过凋落物归还到林地养分分量,磷元素程“V”字形,31 a时归还量最少[15],同时31 a马尾松林下植被密度会过小,不利于人工林群落养分的循环[20],随着马尾松林龄的增长,林木不断生长,林木根系不断扩展,需要从土壤不断的吸收各种养分,随着时间的推移这会导致土壤养分的耗竭、地力衰竭[21],这可能是导致31 a全磷和速效磷质量分数较低的原因;马尾松人工林进入成熟期后马尾松自身养分利用率下降[10],凋落物增加,可以减少磷素的流失,同时林下凋落物的增多会增大土壤中微生物、酶活性使得土壤养分逐步提高[22],同时进入成熟期后林下植被密度会降低,减弱植被间对土壤养分竞争,植被进行更替,改善土壤质量,从而使得40 a马尾松人工林土壤磷素提高。

根据四川省第二次养分普查时采用的养分分级标准判断[23],川南马尾松人工林土壤全磷质量分数还是处在比较高的水平,不同土层土壤全磷质量分数均高于分级标准的第一级(>1.0 g·kg-1);而速效磷的质量分数偏低,低于马尾松生长需求[18],表现出缺磷现象。从不同土层来看,0~20 cm大部分林龄以及20~40 cm全部林龄的速效磷质量分数都处于分级标准的第六级(≤3 mg·kg-1),比较匮乏,这可能与土壤pH值、有机质和氮素质量分数等有关。在南方酸性土壤中,磷的有效性会随pH值的增加随之增大,因为磷酸铁和铝盐溶解度会随着pH值增加而增大[24],而且会使土壤胶体对磷酸根离子的吸附量降低,土壤pH值在6.0~7.5时,土壤磷素有最大有效性[18]。本研究中发现土壤全磷质量分数较高而速效磷缺乏,研究区内马尾松人工林土壤pH值在4.0~4.6之间呈酸性,酸性土壤中含有较多的植酸铁、铝盐,易使有机磷形成沉淀[25];有机质是土壤肥力的一个重要指标,它可以通过分解促进磷素循环,有机质质量分数与土壤磷吸附能力是成正相关的,土壤有机质质量分数减少会降低对磷的吸附,提高磷素的流失率[26];另外还有研究表明N、P供应存在明显的耦合关系,是一动态变化过程[27],氮质量分数的增加可以明显改变土壤中速效磷的质量分数,氮沉降可以引起土壤酸化促进迟效态磷向着有效态转化[28]。

5 结论

研究区内马尾松人工林土壤全磷质量分数处于较高水平,而速效磷质量分数缺乏。所有林龄中不论是0~40 cm整个土层、还是0~20、20~40 cm土层,3、14 a和40 a土壤全磷和速效磷质量分数相对高于其他林龄,31和37 a的全磷和速效磷质量分数相对较低。

随着马尾松林龄的增长,土壤全磷、速效磷在0~40、0~20、20~40 cm土层中都呈波状变化。除20~40 cm土层土壤全磷质量分数变化呈两次上升、两次下降的变化特征,其他不同层次土壤全磷和速效磷质量分数的变化都呈3次上升,两次下降的变化特征。

同一林龄不同土层间全磷与速效磷质量分数0~20 cm显著高于20~40 cm的,表明全磷和速效磷存在土壤表层聚集现象。同一土层不同林龄间土壤全磷和速效磷质量分数的差异性显著,表明马尾松人工林随林龄变化对土壤磷素的需求变化较大。

0~40 cm和0~20 cm土层中土壤速效磷质量分数与有机质质量分数的相关性达到显著水平,0~20 cm土层全磷和速效磷与土壤pH值的相关性达到显著水平。20~40 cm土层与其他土壤化学性质的相关性均未达到显著水平,全磷与pH值和有机质成负相关,速效磷与有机质成正相关,与pH值、全氮成负相关。

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Soil Phosphorus Variation of Masson Pine Plantation in Southern Sichuan/

Li Yuan, Gong Yuanbo, Su Hongwei, Yin Yanjie, Ma Jinsong, Wang Yan, Liu Shanshan(State Key Laboratory of Forestry Ecological Engineering, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, P. R. China)//

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(6).-63~67,113

With eight different stand ages of Masson pine plantation in Gao County of Yibin, we studied the different forms of P content and its variation with stand ages, differences of soil Pontent among different stand ages and soil layers, and correlation between soil P content and other soil properties by the method of space for time. P contents of total and different soil layers are more than 1 g·kg-1at a high level, but the available P is deficient. With the stand age growth, soil total P and available P are changing as wave and appear the maximas in 3, 14, and 40 year-oldPinusmassonianaplantation. Furthermore, the total P and available P in 0-20 cm are more than those in 20-40 cm, and appear significant differences among different stand ages. The significant correlation is between soil available P and soil organic matter at 0.05. There is a significant correlation between soil total P, available P content and pH in soil of 0-20 cm. Whereas, there is no significant correlation between soil total P and available P in 20-40 cm.

Masson pine plantation; Different stand age; Soil phosphorus; Variation characteristics

1) “十二五”国家科技支撑计划重大项目(2011BAC09B05)、四川农业大学创新团队项目资助。

李渊,男,1987年5月生,林业生态工程省级重点实验室(四川农业大学),硕士研究生。

宫渊波,男,林业生态工程省级重点实验室(四川农业大学),教授。E-mail:gyb@sicau.edu.cn。

2013年8月11日。

S791.248; S153.6

责任编辑:潘 华。

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