淺談不同林齡馬尾松凋落物基質(zhì)質(zhì)量與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

袁愛蘭

（龍巖市武平縣萬安林業(yè)工作站）

淺談不同林齡馬尾松凋落物基質(zhì)質(zhì)量與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

袁愛蘭

（龍巖市武平縣萬安林業(yè)工作站）

森林中植物的凋落物分解可以促進陸地生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)物質(zhì)平衡，這包括了有機養(yǎng)分與土壤有機質(zhì)的礦化、碳平衡的形成等等。土壤養(yǎng)分狀況完全取決于它的質(zhì)量、數(shù)量以及分解的速率。在我國福建省龍巖市武平縣的捷文村水庫庫區(qū)，就有這樣一種可以顯著影響陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分的植物，它就是馬尾松。據(jù)科學試驗表明，捷文水庫不同林齡的馬尾松凋落物基質(zhì)質(zhì)量與土壤養(yǎng)分有著一定的作用差異，比如近熟成馬尾松林凋落物的葉木質(zhì)素/N就比中齡林與成熟林的葉木質(zhì)素/N高33.5%左右。本文就將以捷文水庫庫區(qū)生態(tài)環(huán)境保護區(qū)域中馬尾松林的凋落物作為核心素材，探討了它的分解、基質(zhì)質(zhì)量，并結(jié)合試驗分析了不同林齡條件下馬尾松凋落物與土壤養(yǎng)分之間的動態(tài)關(guān)系。

馬尾松；凋落物；林齡；基質(zhì)質(zhì)量；土壤養(yǎng)分；分解；關(guān)系；捷文水庫

據(jù)統(tǒng)計，森林土壤中碳庫的存儲含量占到了全球總含量的40%以上，森林中每年約20Gt的有機質(zhì)中就有70%是植物凋落物的分解所提供的。也就是說在森林系統(tǒng)中但凡土壤營養(yǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)細微的變化，整個地球的地-氣碳交換都會受到影響，大氣中的CO2濃度也會發(fā)生大幅改變，所以森林生態(tài)系統(tǒng)是大自然的天然氧吧這一說法毫不為過。在我國的福建省龍巖市——捷文水庫庫區(qū)擁有著大面積的生態(tài)環(huán)境保護區(qū)，這里的馬尾松林作為捷文水庫庫區(qū)的主要植被類型，每年都會產(chǎn)生大量的凋落物，這些凋落物的基質(zhì)質(zhì)量經(jīng)過天然分解，與土壤中的養(yǎng)分間形成作用關(guān)系，深層次的改善了土壤中的養(yǎng)分循環(huán)系統(tǒng)，對提高森林生產(chǎn)體系中的能量流動與物質(zhì)循環(huán)有重要意義。

1 凋落物的分解研究

1.1凋落物的分解

在森林中，凋落物的分解可以為植物供應磷和氮等多種重要營養(yǎng)物質(zhì)，而它分解所釋放的碳含量也是大氣燃燒釋放的10倍以上。通常講，凋落物的分解主要有兩個階段，在第一階段，凋落物會被動物的啃食或土壤的腐蝕分解為碎片；第二階段，凋落物的有機質(zhì)碎片會進一步被真菌和細菌等微生物所腐蝕，逐漸礦化成為像磷、氨、水和二氧化碳等。所以說，凋落物的分解在讓其自身體積變小的同時，碳濃度也會有所降低，是一個有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為無機化合物的礦質(zhì)化過程。德國生物學家Berg就曾經(jīng)研究了新鮮植物凋落物的分解速率，他發(fā)現(xiàn)凋落物的分解每天都會以0.001～0.1%不等的速率進行，隨著分解凋落物中的頑固化學有機復合物逐漸增多，它們就會阻止凋落物后期的繼續(xù)分解，因為凋落物越新鮮，它的N含量才越高，只有在這樣的條件下有機物的淋失才越快。凋落物分解速率在該科學領(lǐng)域的研究屬于主要內(nèi)容，在捷文庫區(qū)的冬季，凋落物的分解物質(zhì)會大量釋放養(yǎng)分幫助處于休眠期的植物貯存能量以便于它們在春天的生長。在春天即將到來之前，凍融的變化效應會改變凋落物的基質(zhì)質(zhì)量從而改善凋落物的后期分解過程，讓森林中植物系統(tǒng)的碳循環(huán)等營養(yǎng)系統(tǒng)處于均衡的良性循環(huán)狀態(tài)。

1.2林齡與凋落物分解的關(guān)系

經(jīng)研究表明，植物凋落物的分解速率與年齡的增長有關(guān)，本文所選取的是捷文庫區(qū)的25年生（YS=younger stand with20years old）、30 年生 （MS=middle-aged stand with30years old）、40 年生（OS=older stand with46years old）三種馬尾松林，這三種林根據(jù)林齡的不同，分解速率顯現(xiàn)出的差異并不明顯，這說明了分解速率與林齡的相關(guān)性較小。究其主要原因還是因為凋落物的分解速率主要與自然氣候中的土壤水分含量、森林中溫度、基質(zhì)質(zhì)量以及土壤養(yǎng)分等因素有關(guān)。另外由于自然環(huán)境日益惡劣而出現(xiàn)的微氣候變暖情況也可能影響到凋落物的分解速率。

1.3水分含量與土壤溫度與馬尾松凋落物分解的關(guān)系

從土壤的年平均溫度與水分含量兩個角度分析，30年生馬尾松林與25年及40年生林略有差異。當30年生馬尾松林的土壤年平均溫度在16.23℃時，25年生與40年生林的溫度約為12.30℃和12.88℃，它們的溫度均低于30年生林，并且水分含量也較比30年生林低6.63%與6.20%。

在捷文庫區(qū)，這3種馬尾松林的水分含量與土壤溫度的月動態(tài)也有些許變化，例如它們的土壤平均溫度都表現(xiàn)出了1月最低、7月最高的狀態(tài)。其中它們在7月的土壤溫度以O(shè)S（21.22℃）＜YS（22.09℃）＜MS（24.30℃）排列，在 1 月則為 OS（2.10℃）＜YS（2.58℃）＜MS（4.33℃）。在水分含量方面，3種馬尾松林也呈現(xiàn)出不同的態(tài)勢。20年生的馬尾松林在1月水分含量最低，只有19.13%，到了8月最高，能達到24.11%；30年生林9月最低（12.77%），12月最高（18.31%）；46年生林5月最低（15.32%），12月最高（24.42%）。從以上數(shù)據(jù)分析看出，凋落物的分解速率與土壤溫度、水分含量有關(guān)系但關(guān)系并不密切，并沒有表現(xiàn)出明顯的線性關(guān)聯(lián)。從另一個角度講，凋落物的剩余率與溫度應該是呈現(xiàn)反比趨勢的，也就是說在一定的范圍內(nèi)隨著溫度的升高，凋落物的分解速率也就越快、土壤水分含量就越高[1]。

圖1 馬尾松林凋落物的分解剩余率與水分含量及土壤溫度的關(guān)系示意圖

2 凋落物基質(zhì)質(zhì)量與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

凋落物的基質(zhì)質(zhì)量應該與土壤氧化含量變化相同，當?shù)蚵湮锏幕|(zhì)質(zhì)量越高時，土壤中的養(yǎng)分含量也就越高。所以針對25年生與40年生兩種馬尾松林的凋落物來說，它們都含有相對較高的基質(zhì)質(zhì)量和土壤養(yǎng)分含量，但是30年生林的基質(zhì)質(zhì)量最差。歐洲方面在2005年的研究中就發(fā)現(xiàn)凋落物的基質(zhì)質(zhì)量在養(yǎng)分較高的時候釋放快，而養(yǎng)分較低時則反之。對于馬尾松林來說，它的基質(zhì)質(zhì)量中的碳（C）、碳氮比（C/N）、碳磷比（C/P），木質(zhì)素/N的比、木質(zhì)素/P的比都呈現(xiàn)明顯差異。所以說馬尾松林的凋落物養(yǎng)分釋放去向與節(jié)奏都與這些物質(zhì)比例有關(guān)。從3種馬尾松林的分析看，它們的釋放速度應該是30年生（MS）＜40年生（OS）＜25年生（YS）。這種土壤養(yǎng)分與基質(zhì)質(zhì)量的關(guān)系，與林齡和凋落物分解的關(guān)系近似，都是隨著林齡的增長，凋落物所消耗的養(yǎng)分與養(yǎng)分歸還率會逐漸變慢。

另外，凋落物的基質(zhì)質(zhì)量與土壤肥力和有機養(yǎng)分的數(shù)量質(zhì)量都有關(guān)系。因為受肥的林地土壤表層富含氮、碳、磷等物質(zhì)，它們的比例越高，凋落物初始分解物中的N與P剩余含量比例越低。那么25年生林的C/N比在土壤表層養(yǎng)分中是最高的（13.10），30年生林則最低（12.44）。C/P方面則是40年生林最高（108.43），30年生林最低（36.87）。通過兩種土壤養(yǎng)分物質(zhì)的比較發(fā)現(xiàn)30年無論在哪一方面都呈現(xiàn)最低，這說明了30年生林土壤是最不利于凋落物基質(zhì)質(zhì)量中P和N的釋放的[2]。

3 具體試驗研究

3.1凋落物與土壤樣品的采樣

首先采集馬尾松林凋落物，選材為25年生、30年生、40年生三種不同林齡的凋落物，并用孔徑為1mm，尺寸大小為1m×1m的尼龍網(wǎng)收集器10個放置于馬尾松林下距離地面50cm的高度進行收集，每月進行1次收集。收集后將凋落物進行70℃的烘干并稱重。將三種林齡的凋落物中分別抽取30個樣品進行粉碎后的碎片化學分析，主要測量這些凋落物纖維中碳、氮、磷、木質(zhì)素、纖維素等等的具體含量和養(yǎng)分平衡。

土壤方面則在不同林齡的馬尾松林植物下進行采集，采取1m×1m面積的小樣各5個，將這些小樣進行加工混合，生成每種林齡各8個樣品，然后進行風干，然后按照1mm和0.25mm的規(guī)格過篩，最后放入3℃的冷藏室進行保存。

3.2計算

首先要計算馬尾松林的凋落物養(yǎng)分年歸還量以及周轉(zhuǎn)系數(shù)：

在公式中，Lα代表了馬尾松林凋落物的年歸還總量，Lij是在i月的第i組的凋落物基質(zhì)質(zhì)量，而Cij則表示為在i月的第j組的凋落物具體養(yǎng)分含量。所以推算出凋落物的周轉(zhuǎn)系數(shù)應該為：K=凋落物年產(chǎn)量/凋落物現(xiàn)存量[3]。

在計算出凋落物的養(yǎng)分年歸還量與周轉(zhuǎn)系數(shù)后，就要運用Canoco與SPSS軟件進行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計并作圖。計算出凋落物基質(zhì)質(zhì)量與土壤養(yǎng)分之間的變量關(guān)系，而他的顯著性檢驗則采用了ANOVA，即單因子方差分析法進行，設(shè)定顯著性水平為α=0.07，則可計算凋落物基質(zhì)物質(zhì)與土壤養(yǎng)分之間的變量關(guān)系。

3.3試驗結(jié)果對比

3.3.1 土壤有機質(zhì)養(yǎng)分與總氮

經(jīng)過試驗表明，3種不同林齡馬尾松林的土壤有機質(zhì)與總氮變化保持一致，且發(fā)展趨勢也相同，呈現(xiàn)出YS＜MS＜OS的態(tài)勢。當土壤深度在5cm之內(nèi)時，即土壤接近表層的有機質(zhì)與總氮含量最高，而再深入到20cm左右則有機質(zhì)與總氮含量最小，這表明了土壤深度越深它的營養(yǎng)成分就越低。在這一點上，YS的變化最小，而具有明顯變化的是MS和OS，它們在5cm、10cm、20cm三個土壤層次中的有機質(zhì)與總氮含量是YS的3.18、1.83倍以及2.47、1.77倍。所以說，土壤深度越深，它的有機質(zhì)影響力也就會越低，因此土壤的總氮含量與土壤有機質(zhì)有關(guān)，也就是土壤中的總氮含量會跟隨土壤有機質(zhì)的增加而增加，如圖2。

圖2 不同林齡馬尾松林土壤環(huán)境下有機質(zhì)與總氮的含量對比圖

3.3.2 土壤有效磷與總磷

再看磷含量，馬尾松林土壤中磷含量與土壤本質(zhì)、成土條件以及耕作施肥等等都有關(guān)系。總磷說明土壤中各形態(tài)磷的指標總和，而有效磷則代表了土壤的供磷水準，如圖3。

圖3 不同林齡馬尾松土壤環(huán)境下總磷與有效磷的含量對比圖

由圖3可知，不同林齡的馬尾松林在土層深度方面會有減小趨勢，但是每一土層的變化比較細微。在這里有效磷的變化與馬尾松林年齡的變化規(guī)律不同，同樣是土壤深度的增加過程中，OS表現(xiàn)出有效磷先增加后降低，YS與MS則是先降低后增加。所以它們之間有效磷的含量比較是YS＜MS＜OS。

3.4結(jié)論分析

經(jīng)3種不同林齡的馬尾松林在基質(zhì)質(zhì)量方面的研究表明，3種馬尾松林在它們凋落物的N、K、P和其它營養(yǎng)物質(zhì)方面體現(xiàn)了含量上的明顯差異，它們的主要基質(zhì)質(zhì)量來源于凋落物的皮質(zhì)，其原因與動物的嚙噬及糞便有關(guān)，所以它們的養(yǎng)分含量較高。由于馬尾松凋落物基質(zhì)質(zhì)量有著養(yǎng)分越高釋放越快、低養(yǎng)分釋放慢的特點。所以馬尾松凋落物的基質(zhì)質(zhì)量中各個元素的比例差異也較為明顯。而不同林齡的馬尾松在凋落物與養(yǎng)分釋放上的比較基本呈現(xiàn)YS＜OS＜MS的態(tài)勢。另一方面，土壤的肥力與有機質(zhì)養(yǎng)分含量與質(zhì)量也決定了凋落物的基質(zhì)質(zhì)量，正分解凋落物中初始N/P的剩余物比例會隨著土壤表層N、P、C的比例升高而減小，經(jīng)過試驗表明MS的土壤養(yǎng)分并不利于凋落物基質(zhì)質(zhì)量的釋放，而其它的OS和YS則相對情況較好，這也說明了土壤養(yǎng)分對凋落物基質(zhì)質(zhì)量的養(yǎng)分釋放存在一個周轉(zhuǎn)系數(shù)的影響關(guān)系。

4 總結(jié)

經(jīng)過對三種不同林齡馬尾松林的凋落物分解、土壤養(yǎng)分、基質(zhì)質(zhì)量等進行分析與試驗表明了馬尾松凋落物的基質(zhì)質(zhì)量與土壤養(yǎng)分是有著密切的作用關(guān)系的。也就是說其凋落物基質(zhì)質(zhì)量的各個元素諸如N、P、C、木質(zhì)素等等之間的比例越高，就越不利于土壤有機質(zhì)的形成，土壤的養(yǎng)分積累效率也就越低。但是在不同林齡馬尾松林之間的比較卻發(fā)現(xiàn)，它們的變化規(guī)律卻基本保持一致，說明土壤養(yǎng)分的含量決定了基質(zhì)質(zhì)量養(yǎng)分的高低。所以說，凋落物基質(zhì)質(zhì)量與土壤養(yǎng)分之間的作用是復雜的、相輔相成的。

[1]葛曉改.三峽庫區(qū)馬尾松林凋落物分解及對土壤碳庫動態(tài)的影響研究[D].中國林業(yè)科學研究院，2012，43～66.

[2]王進.土壤基質(zhì)與凋落物分解互作效應的研究[D].華中農(nóng)業(yè)大學，2014，12～17.

[3]葛曉改，肖文發(fā)，曾立雄，等.不同林齡馬尾松凋落物基質(zhì)質(zhì)量與土壤養(yǎng)分的關(guān)系[J].生態(tài)學報，2012，32（3）：852～862.

S714

A

1005-7897（2015）09-0077-03

2015-9-5

袁愛蘭（1964-），女，漢族，湖南常寧人，營林工程師，大專，主要從事營林工作。