不同连栽代数杉木人工林土壤氮素季节变化特征

任丽红, 索沛蘅, 唐楚珺, 刘雨晖, 陈 辉, 王玉哲, 刘 先

(1.福建农林大学 林学院, 福州 350002; 2.福建农林大学 莘口教学林场, 福建 三明 365002)

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.]是我国南方重要的速生用材树种，具有出材率高、材质优良、适应性广和经济效益高等优点，在我国种植面积广大(1.1 ×107hm2)，约占全国人工林总面积的26.5%[1-2]。然而，随着杉木纯林面积的不断扩大，多代连栽以及集约化经营，导致土壤中养分含量减少，引起地力衰退和林地生产力降低，已经严重影响到杉木人工林的可持续发展[3-5]。由于杉木是速生树种，速生期需要从土壤中吸收大量养分，并且杉木枯死的枝叶保留在树体上时间较长，不易脱落，造成凋落物量较少，加之凋落叶为针叶，短时间内难以分解，容易造成土壤养分供需不平衡[6-7]。有研究发现，杉木人工林土壤微生物总数、土壤养分含量(如全氮、全磷、全钾等)随着连栽代数递减[8-9]，其中，土壤氮是植物生长发育需求量最大的元素之一[10-11]，并且极易通过淋溶或挥发等过程从土壤系统中损失，其在连栽后近熟林—成熟林的动态变化研究较少，以往研究多存在于幼龄林和中龄林[12-13]。

已有研究表明，有关连栽杉木林土壤氮含量特征的结论往往因研究地点和林龄而异。例如，马祥庆等[4]研究发现，随着栽植代数的增加，幼龄—中龄杉木人工林土壤全量养分呈逐代下降趋势，与一代杉木林地相比，二、三代杉木林地全氮分别下降13.40%和20.86%；何友军等[13]研究发现，第二代杉木纯林土壤微生物量氮含量、土壤全氮含量低于一代杉木纯林；索沛蘅等[21]研究发现，成熟林中土壤中全氮、微生物量氮、可溶性有机氮不随连栽代数增加而发生改变，而硝态氮含量随着连栽代数的增加显著增加。土壤氮养分状况是表征杉木人工林土壤肥力水平的基本因素，关于连栽杉木林不同形态氮含量随连栽代数的变化还没有一致的结论，并且有关近熟—成熟的连栽杉木人工林土壤中不同形态氮含量的长期变化研究相对较少。因此，研究多代连栽后杉木人工林土壤不同形态氮(全氮、可溶性有机氮、微生物量氮、铵态氮和硝态氮)含量的季节变化特征，不仅为探究杉木人工林土壤氮素与土壤肥力状况及其演变特征提供基础数据，同时为探索提高森林生态系统生产力及土壤氮素循环与转化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于福建省三明市福建农林大学莘口教学林场(117°28′E,26°10′N)，属武夷山支脉低山丘陵区，为中亚热带湿润季风气候，年均降水量1 749 mm，年均蒸发量1 585 mm，年平均相对湿度81%，年均气温19.1℃。海拔高度为175～264 m，土壤类型主要为粉砂岩发育的山地红壤，土层厚度>80 cm。主要林下植被有狗脊蕨(Woodwardiajaponica(L.f.)Sm.)、江南卷柏(SelaginellamoellendorfiiHieron.)和三叶崖爬藤(TetrastigmahemsleyanumDiels et Gilg)等。天然林研究区乔木层主要由格氏栲、马尾松和木荷等构成；草本层主要包括芒萁(Dicranopterispedata(Houtt.)Nakaike)、黑莎草(GahniatristisNees)和华山姜(AlpiniaoblongifoliaHayata)等种类。

1.2 样地设置与样品采集

表1 试验地概况

1.3 样品分析

1.4 数据处理

2 结果与分析

2.1 土壤可溶性有机氮和全氮含量

不同采样季节土壤TN含量存在显著差异，且连栽与采样季节的交互作用对土壤TN含量有显著影响(表2，p<0.05)。连栽杉木人工林从冬季到次年夏季(2 017.12～2 018.6)，土壤TN含量呈现先下降后略微上升的趋势(表3)。杉木人工林土壤TN含量从冬季到春季(2 017.12～2 018.3)下降了2.59%～19.69%，从春季到夏季(2 018.3～2 018.6)上升了2.16%～33.39%，再从夏季到秋季(2 018.6～2 018.9)下降了14.66%～24.77%。格氏栲天然林从冬季到次年春季(2 017.12～2 018.3)，土壤TN含量上升了14.38%，从春季到夏季(2 018.3～2 018.6)上升了40.23%，再从夏季到秋季(2 018.6～2 018.9)下降了26.35%。但是，连栽对于土壤TN含量并无显著影响(表2，p<0.05，表3)。

不同采样季节土壤DON含量存在显著差异(表2，p<0.05)。从冬季到次年秋季(2 017.12～2 018.9)，连栽杉木人工林土壤DON含量呈先上升后下降的趋势，而天然林DON含量呈逐渐上升趋势(表3)。连栽杉木人工林土壤DON含量从冬季到春季(2 017.12～2 018.3)上升了49.5%～177.9%，从春季到夏季(2 018.3～2 018.6)上升了41.9%～135.9%，再从夏季到秋季(2 018.6～2 018.9)下降了7.1%～44.4%。但是，连栽对于土壤DON含量并无显著影响(表2，p<0.05，表3)，且连栽与采样季节的交互作用对土壤DON含量也无显著影响(表2，p<0.05)。

表2 不同连栽代数和季节变化对土壤理化性质的重复方差测量分析结果

表3 不同连栽代数土壤可溶性有机氮和全氮的季节动态变化

2.2 土壤矿质氮和含量

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表示格氏栲天然阔叶林。不同小写字母表示同一季节不同连栽代数间存在显著差异(p<0.05)，下同。

2.3 土壤微生物量氮(MBN)含量

不同连栽代数和采样季节及其交互作用均对土壤MBN含量有显著影响(表2，p<0.01，图2)。不同林分内(一代林除外)，从冬季到次年秋季(2 017.12～2 018.9)，土壤MBN含量呈现先上升后略微下降的趋势(图2)。土壤MBN含量从冬季到春季(2 017.12～2 018.3)上升了98.86%～213%，从春季到夏季(2 018.3～2 018.6)下降了6.14%～57.71%，再从夏季到秋季(2 018.6～2 018.9)下降了6.58%～33.36%，但是一代林从夏季到秋季上升了46.76%。其中春、夏两季天然林土壤MBN含量显著高于杉木人工林，秋季一代林(77.49～100.73 mg/kg)显著高于二、三代林和天然林(36.39～73.73 mg/kg)。

图2 不同林分土壤微生物量N季节动态变化

2.4 土壤pH和含水率及其与土壤氮含量的相关性

不同连栽代数和采样季节及其交互作用对土壤pH、含水率均有显著影响(表2，p<0.05)。不同林分土壤含水率变化趋势基本一致，二代杉木林土壤含水率(24.01%～41.60%)显著高于一代、三代杉木人工林和天然林(16.22%～37.20%)，从12月到次年9月土壤含水率呈递增趋势，在9月4种林分土壤含水率值均达到最大(31.96%～41.60%)，12月的最小(16.22%～29.84%)(表4)。4种林分的土壤均为酸性(3.94～5.99)，受季节变化的影响显著，且3月份的pH值高于其他3个季节(表4)。天然林的土壤pH值(4.24～5.99)高于连栽杉木人工林(3.94～5.94)，在12月和6月，天然林pH值与其他3种林分的pH值存在显著性差异(p<0.05)；3月各林分土壤pH值差异不显著。

表4 不同连栽代数杉木林土壤pH和含水量比较

表5 不同形态土壤氮含量及其与土壤理化性质的相关性

3 讨 论

本研究中，不同连栽代数杉木林土壤TN和DON含量均没有显著差异(表2)，说明土壤TN没有随着连栽代数的增加而显著减少，这与在广西南亚热带桉树林的研究结果不一致[22]，该研究发现1—3代桉树林土壤TN随着栽植代数的增加而减少，且均显著低于前茬马尾松人工林。这可能是由于桉树的轮伐期较短(5～7 a)，对养分需求量大，且在采伐时整个树木会被利用而从林地取走，造成林地养分的损失程度大于杉木林。4种林分土壤TN含量最高值均出现在夏季，最低值则主要出现在9月，这与林下植被类型和林内小气候等有关。3月时气温较低，土壤微生物活性和有机氮矿化作用较弱，此时植物开始生长，对有效氮的吸收量逐渐增加，土壤TN的含量的积累逐渐减少；6月时林木生长旺盛，虽然需要从土壤中吸收较多的氮素来满足其生长需要，但充足的水热条件有利于有机物质的分解，以及凋落物的分解促进了土壤TN的累积；9月林木生长速度减缓，对氮素的吸收能力仍然较强，水热条件相对夏季较差，导致土壤TN的生物累积能力最低；进入12月后，虽然土壤微生物活性和有机氮矿化作用最弱，但林木对氮素的吸收能力最低，会促使土壤TN的生物积累较秋季略有增加。森林土壤DON主要来源于凋落物、有机质的淋溶和腐殖质的分解及大气氮沉降[23]。本研究结果显示，格氏栲天然林及连栽杉木人工林4种不同林分土壤DON含量呈明显的季节变化，呈先上升后下降的趋势，其中12月DON含量最低(表3)，出现这种趋势可能是因为12月降雨减少且温度低，土壤中微生物的活性低，凋落物的分解速率低，随着降雨量和温度的升高，土壤微生物活动增强，促使土壤动植物体分解，从而使土壤DON含量逐渐增高。

土壤MBN是土壤有机氮中最活跃的组分，也是土壤氮循环和转化过程中的重要参数[34]。土壤微生物量的季节性动态变化是一个复杂的过程，在同一生态系统，即使气候条件相同，不同植被下土壤微生物量的季节变化也不相同[35-36]。土壤微生物量的变化与温度、湿度、土壤理化性质等环境因素有关，且土壤微生物因季节变化也会有差异，微生物的群落结构和功能也随之变化，从而使微生物量因季节变化而变化[37]。本研究结果表明，土壤MBN与土壤水分呈显著正相关关系(表5)，表明该区域土壤含水量是影响土壤MBN的重要因子之一，这与Chen等[27]研究发现一致。此外，在连栽杉木人工林内，相关分析表明，土壤MBN与土壤pH呈显著正相关(表5)，这表明土壤酸碱性也是影响土壤微生物量的一个重要因素。本研究中4种林分的土壤MBN含量具有明显的季节变化(表2)，二代林、三代林和天然林均呈现出先增加后减少的趋势(图2)，其中6月、9月为植物的生长期，MBN含量较低，这与大多数研究发现的土壤MBN有季节变化的结果一致[38-39]。植物在生长期对土壤养分的需求量大，限制了土壤微生物对养分的可利用性，因此生长期土壤微生物生物量氮较低。本研究中土壤MBN都是在春季(3月)最高(图2)，说明春季在土壤温度、湿度还比较适宜的时候，植物生长缓慢，植物对N的竞争减少，因此导致土壤MBN增加。4种林分中一代林土壤MBN含量的季节动态与其他3种林分不同，从12月到3月土壤微生物量N含量增加，这可能是因为在冬季与春季交替的过程中，水分增多、温度升高，微生物活动频繁，土壤MBN快速增加；到6月温度持续升高，微生物活动强，资源消耗快，由于竞争导致MBN含量下降；9月以后植物生长速度变慢，温度降低、降雨减少，且凋落物由上而下的转移，营养物质的输入导致土壤MBN含量开始增加。土壤微生物组成结构不同，且不同的微生物种类会对季节变化产生一定影响，从而使土壤MBN含量有明显的季节变化。

4 结 论

(1) 不同连栽代数杉木林土壤TN和DON含量均没有显著差异，但杉木人工林土壤TN和DON具有明显的季节变化，其中TN含量由大到小表现为6月、12月、3月、9月，DON含量由大到小表现为6月、9月、3月、12月。

(3) 栽植代数和采样季节及其交互作用均对土壤MBN含量有显著影响，从12月到次年9月，总体上呈现出先增加后减少的趋势，在3月时达到最大值。