不同凋落物输入处理对暖温带森林表层土壤有效磷含量的影响

韩中海，李会平，赵利新，王天平，史贝贝，许乾增，王 璐，吴明作

(1.河南省退耕还林和天然林保护工程管理中心，河南 郑州 450003； 2.河南农业大学 林学院，河南 郑州 450002；3.河南省国有焦作林场，河南 焦作 454000)

磷元素对植物生长发育具有重要作用，可以提高生态系统生产力，并可能影响到其他元素循环过程及植被恢复进程[1-4]。土壤中磷含量通常较低，不同形态磷的空间变异性较大，在土壤-植物系统的循环转化过程受多种因素影响[1-2,4-6]，近几年常有磷元素限制性作用的报道[3,7-9]，添加和去除凋落物等养分输入方式的改变均可影响到土壤磷的动态[6,10]。全球气候变化将引起植物生产力变化，进而引起生态系统凋落物输入到地表的量的变化，由此可引起表层土壤中磷的变化，评估这种变化可用凋落物添加和去除(Detritus input removal and transfer，DIRT)试验，其处理主要包括加倍凋落物、去除凋落物、移除地被物并切断根系、去除腐殖层和土壤A层等[11]。针对DIRT的许多研究表明，添加凋落物或去除凋落物对土壤有机碳、CO2通量呈正向影响[12-13]，会促进或抑制土壤呼吸，但加倍凋落物不一定成倍提高土壤呼吸[14-15]；目前亦有研究报道了凋落物处理对土壤氮[11,16-17]、磷[16]含量、微生物群落结构[18]、净光合速率[19]等均有一定影响；但在野外条件下人工调控凋落物输入对表层土壤磷动态影响的研究报道较少，且多数均未进行连续观测[8-10,14]，国内对DIRT的研究主要集中于亚热带[17]。鉴于此，以暖温带代表性的地带性植被类型麻栎(QuercusacutissimaCarruth.)人工林为对象，通过野外人工改变凋落物输入，连续2 a观测表层土壤有效磷含量的变化，分析其影响因素，探讨森林凋落物蓄积量改变后对土壤有效磷含量的影响，为研究人工林生态系统土壤磷含量的动态、生态系统响应气候变化等提供参考，也可为免耕农业、秸秆还田等生产方式引起农作物归还量变化对土壤磷动态的影响等研究提供借鉴。

1 材料和方法

1.1 研究地点概况

焦作市位于河南省西北部，东经113°04′～113°26′、北纬35°10′～35°21′，东西长约32.5 km，南北宽约19.7 km；地势西北高东南低，森林覆盖率30.92%；属暖温带大陆性季风气候，年平均气温14.2～14.8 ℃，日照时间2 200～2 400 h，年均降雨量600 mm。河南省国有焦作林场始建于1954年，属太行山脉、海河水系，海拔130～789 m，经营人工林总面积1 371.6 hm2，分散于焦作市山阳区、解放区、中站区境内。本研究标准地位于焦作林场森林生态系统定位观测站内，在2011年设置的麻栎林定位观测样地附近；麻栎林定位观测样地面积为1 hm2，位于中站区，东经113°11′1.2″、北纬35°19′59.7″，平均海拔750 m，北坡，中坡位，坡度28°，土壤类型为褐土，土壤厚度为40 cm；麻栎林林龄40 a，密度2 589株/hm2；主要树种为麻栎，分布有刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)、油松(PinustabuliformisCarr)，灌木主要有连翘[Forsythiasuspensa(Thunb.) Vahl]、黄栌(CotinuscoggygriaScop.)、荆条(VitexnegundoL.)、绣线菊(SpiraeasalicifoliaL.)，草本很少。

1.2 试验设计

于2016年8月在定位观测样地附近设置4个凋落物处理，即：DL—加倍凋落物，NL—去除凋落物，NI—去除凋落物并阻断外面根系(在四周挖50 cm宽、50 cm深的壕沟阻断)，CK—对照。每种处理均用面积为1 m×1 m的凋落物收集框(离地高度1 m)控制凋落物的输入；每种处理设置4个重复，各处理及其各重复之间均间隔5 m以避免相互影响。2016年8月各处理设置完成后，每个月将NL中收集的凋落物全部添加至DL中使后者的凋落物达到加倍处理(要求均匀平铺)，将NI收集框中的凋落物丢弃至试验区域一定距离外以免影响试验。维护各处理的凋落物收集框，剪除生长的地表植被。

1.3 土壤样品测试

2016年8月第1次取样，从2016年9月至2018年7月，每2个月取1次土壤样品。取土壤样品时，沿各处理的坡下边缘开始依次向坡上进行，每次分别取0～10 cm、10～20 cm共2个层次土壤，带回实验室分析，依据《森林土壤样品的采集与制备》(LY/T 1210—1999)的要求进行；各样品重复2次。用烘干法测定土壤含水率[《森林土壤含水量的测定》(LY/T 1213—1999)]，土壤样品风干后过0.147 mm孔径的土壤筛，按照《森林土壤磷的测定》(LY/T 1232—2015)采用比色法测定土壤中有效磷含量。

1.4 数据分析

除土壤有效磷含量及其环比增长率、同比增长率指标外，还采用变化率、变化速率等指标来描述土壤有效磷含量的变化。

环比增长率是本期数值与上期数值的差值再除以上期数值的百分比，表示取样间隔期间内土壤有效磷含量的变化状况。因取样间隔为2个月，故其变化间隔为2个月。

同比增长率是本期数值与上一年同期数值的差值再除以上一年同期数值的百分比，表示1 a间隔时间内土壤有效磷含量的变化状况。

变化率为某一时间某种处理的土壤磷含量与对照的差值除以对照值，表示某种处理对土壤磷含量的影响程度，即：变化率=100%×(DL、NL或NI处理的磷含量-对照磷含量)/对照磷含量。

变化速率为单位时间内，某种处理某时间末的土壤磷含量与初始值的差值，除以初始值，表示某种处理对土壤磷含量的影响速率，即：变化速率(%/月)=100×(CK、DL、NL或NI处理的磷含量-初始磷含量)/(初始磷含量×时间)。

采用Excel 2016软件进行简单分析与作图，用SPSS 19.0软件进行方差分析与相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同凋落物输入处理下土壤有效磷含量的变化

经2 a时间，相同层次土壤有效磷含量在凋落物输入不同处理间没有显著性差异(Pmin=0.446)，为进一步阐明其变化是否具有差异性，计算了不同输入处理下土壤有效磷含量的变化率，结果见图2。结合图1可知，多数情况下，DL处理的土壤有效磷含量高于同层次CK，其变化率处于正值，表明各时间内加倍凋落物提高了土壤有效磷含量，NL与NI处理的土壤有效磷含量低于同层次CK，其变化率多数处于负值，表明各时间内去除凋落物及挖壕沟降低了土壤有效磷含量；Duncan检验表明，0～10 cm层次的变化率在不同处理间具有极显著差异(P=0.009)，在10～20 cm层次的没有显著性差异(P=0.103)。表明凋落物输入处理可能主要只影响到0～10 cm层次的土壤有效磷含量，对10～20 cm层次的基本没有影响。可能由于试验时间较短，也可能由于受到其他因素的影响。

图1 不同凋落物输入处理下土壤有效磷含量变化Fig.1 Changes of content of soil available phosphorus at different litter input treatment

图2 不同凋落物输入处理下土壤有效磷含量的变化率Fig.2 Change rates of content of soil available phosphorus at different litter input treatment

Duncan检验表明，各不同处理的土壤有效磷含量的变化率在0～10 cm与10～20 cm层次的差异均不具有显著性(Pmin=0.251)；SPSS曲线估计结果表明，2个层次的变化率间不能建立回归模型。图2中除2017年5月、2018年1月与2018年5月等部分时段出现较大波动外，其他时间各层次各处理变化率的波动幅度均较小，表明不同凋落物输入处理对土壤有效磷含量只存在一定影响，土壤磷含量可能还受其他更多因素的影响。

2.2 不同凋落物输入处理下土壤有效磷含量的变化速率与增长率

由图3可知，凋落物输入处理初期至2017年3月，不同处理的变化速率多数表现为先上升后下降，随后波动幅度均较小，基本处于0水平线附近。2017年9月略有上升，2018年3月后在10～20 cm层次略有波动，至2018年7月波动又减小，整个过程基本上表现出减幅波动。表明不同处理在初期(处理时间0.5 a)对土壤有效磷含量表现出一定的影响，但随后影响减缓。Duncan检验表明，变化速率在相同土壤层次不同处理间、相同处理不同土壤层次间没有显著性差异。

由图4可以看出，土壤磷含量环比增长率在开始时波动较小，在接近及小于0值的范围内，至2017年7月后，波动幅度增加，至2018年3月出现最大波动，随后波动幅度减小，与变化速率的时间变化趋势有较大差别，且10～20 cm层次比0～10 cm层次的波动幅度大，这可能与土壤磷含量的季节变动有关，也可能与磷在不同层次土壤中的变化有关。从同比增长率的变化(图5)来看，不同月份的同比增长率有较大波动，特别是3月份以后。Duncan检验表明，环比增长率、同比增长率分别在相同土壤层次的不同处理之间以及相同处理的不同土壤层次之间均没有显著性差异。表明凋落物处理对土壤磷含量的影响较为有限，可能存在季节变化及其他环境因子等较复杂的影响因素。

图3 不同凋落物输入处理下土壤有效磷含量的变化速率Fig.3 Change velocity of content of soil available phosphorus at different litter input treatment

图4 不同凋落物输入处理下土壤有效磷含量的环比增长率Fig.4 Month to month growth rate of content of soil available phosphorus at different litter input treatment

2.3 土壤有效磷含量变化的影响因素分析

利用SPSS进行不同处理、不同时间的方差分析，经初步分析，其交互作用并不明显，故又进行了主效应分析，结果见表1。由表1可知，0～10 cm层次的土壤有效磷含量及其变化率、变化速率所建立模型均可达到显著性水平，不同处理与时间均具有显著性影响，其因素解释比例均较高；但环比增长率与同比增长率虽然解释比例亦较高，但不同处理的影响不具有显著性。10～20 cm层次只有有效磷含量变化率可以建立模型，但其因素解释比例并不高。表明在2 a的处理时间内，凋落物不同处理主要影响到0～10 cm层次的土壤有效磷含量，对10～20 cm层次的影响较弱，并且同时受到季节变化等因素的较大影响。

表1 不同凋落物输入处理与时间的主效应分析Tab.1 Main effect analysis by treatments and time

3 结论与讨论

3.1 不同凋落物输入处理对土壤有效磷含量的影响

改变凋落物输入可在一定程度上影响土壤表层的营养物质动态等生态过程[16]，加倍或去除凋落物等处理可以引起土壤的物理性质[7,12]、CO2通量[11,13]、碳[7,11-13,16]、氮[12,16-17]、磷[7-9,12,16]、呼吸[14-16]、微生物量与群落结构[12,16,18]等许多方面的变化。DIRT试验中，增加或去除凋落物的影响通常需要较长时间观测才可能表现出来[11]，且可能对土壤中铵、镁、钾、锌等含量没有影响[12]；其影响通常只达到10～30 cm土壤深度[7,12,16]，如凋落物去除可减少土壤B层10 cm深度的总氮与总磷含量[16]；且不同处理的影响不尽相同[7,16]，如NL处理效应随土壤深度增加逐渐降低[7]，加倍凋落物可增加土壤A层中生物有效磷含量而对土壤中氮含量的影响不显著[16]；也有研究认为，根系输入的影响大致与地表凋落物输入的影响相一致[11]，较高的细根生物量可能抵消了去除地表凋落物对土壤生态过程的影响，甚至作用更重要些[16]；由于交互作用[8-9]与协同变化[7]，使得磷在土壤、土壤-植物循环等各生态过程中所受到的影响更为复杂[2,4-6,16]。本研究只对土壤有效磷含量进行了2 a时间的观测，结果也表明了凋落物输入改变可以影响到土壤表层有效磷含量的变化，DL处理增加了土壤有效磷含量，NL与NI处理降低了土壤有效磷含量，土壤有效磷含量的变化率在不同处理间的差异极显著，其变化速率表现出减幅波动，其环比增长率与同比增长率在后期波动较大；多数情况下，0～10 cm土壤层次的不同处理与季节变化对土壤有效磷含量均具有显著性影响。故可认为凋落物输入不同处理的影响在0～10 cm土壤层次较为明显，在10～20 cm层次较弱，随着处理时间的延长，其影响可能达到10～20 cm层次。免耕农业、秸秆还田等不同生产方式，由于农作物归还到土壤的生物量不同，亦可能对土壤有效磷等营养元素或其他物质的归还、分解等产生影响，这种影响可能会影响到土壤肥力并进而影响农作物生长，本研究也可为土壤营养物质动态与土壤肥力等研究提供借鉴。

3.2 土壤有效磷含量变化的影响因素

一般认为，土壤中磷含量随土壤深度增加而减少[4,20]，但差异可能不显著[20]，不同层次的含量随季节变化并不完全一致，春季通常均较低[4]。土壤中磷主要来源于岩石风化，土壤磷含量受到凋落物分解与归还、演替阶段、林龄等多种因素影响[1-2,4-5,20-21]，也容易受树木根系摄取与周转，以及铁、铝氧化物等固定作用的影响[21-22]，某些影响还存在不一致性[2,4]，使得其在土层中的垂直流动性较小，或空间异质较大[5,21]，某些因素或其交互作用的影响不显著[4]。本研究中，土壤有效磷含量随土壤深度增加而降低，差异不显著，这与向云西等[20]的结论一致，在季节变化上基本上表现为春季至夏初较低，秋季、冬季较高的特点，与冼应男等[4]的报道基本一致，规律性较为明显；但在2018年1月后含量在不同处理不同层次均达最低，且部分出现随土壤深度增加而增加的现象，可能是因为受到处理及由此引起土壤性质改变等因素的影响。对不同处理、时间及其交互作用的影响因素分析发现，2 a的处理时间内，不同凋落物输入处理对0～10 cm层次土壤有效磷含量及其变化率与变化速率、环比增长率与同比增长率均具有显著性影响，而对10～20 cm层次的影响较弱；同时，对环比增长率与同比增长率的影响更多地受到季节变化的影响，表明影响土壤磷含量的因素较多且复杂，各因素的影响方向、程度均可能存在不一致性。因此，对土壤磷含量的影响因素及其影响机制的研究也是未来的方向。

本研究通过2 a的DIRT试验与土壤有效磷含量动态的连续观测，表明凋落物输入改变可以在一定程度上影响暖温带森林(麻栎人工林)表层土壤有效磷含量，DL处理可增加其含量，NL与NI处理可降低其含量，并且对其变化率与变化速率、环比增长率与同比增长率也有一定影响，2 a时间内随时间推进，土壤有效磷含量的变化速率逐渐减小波动幅度，环比增长率与同比增长率在后期波动均较大；土壤有效磷含量的影响因素较多且较为复杂，凋落物处理的影响主要发生在0～10 cm土壤层次，对10～20 cm土壤层次的影响较弱；季节变化等因素也存在较大影响。未来仍需要进行长期观测以深入探讨凋落物输入改变对植物-土壤营养物质动态的影响，以及该影响的途径与机制，也可开展农业生产方式对土壤营养物质动态影响的研究，为生态系统经营管理与响应全球气候变化研究等提供基础。