林婉奇,蔡金桓,薛 立

華南農(nóng)業(yè)大學林學與風景園林學院, 廣州 510642

氮(N)和磷(P)是植物生長發(fā)育的主要限制性元素,兩者之間的動態(tài)平衡影響著生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程,對全球氣候調(diào)節(jié)具有重要意義[1-2]。由于化石燃料的燃燒和化學氮肥的廣泛使用,大氣中的氮越來越多地沉積到土壤中,我國已成為繼歐洲、北美之后的第三大氮沉降區(qū)[3-4]。磷沉降主要來源于生物質(zhì)燃燒、花粉和工業(yè)生產(chǎn)等產(chǎn)生的氣溶膠和顆粒[5]。土壤中的磷素輸入除了大氣磷沉降之外,磷肥的廣泛使用、植物凋落物降解和巖石風化也是其輸入的重要方式[6]。氮磷添加可以通過影響土壤微生物的活性、土壤酸堿度以及植物生長狀況使土壤的養(yǎng)分含量發(fā)生變化。由于N和P的生物化學循環(huán)緊密耦合,大量的氮沉降使得土壤的磷限制進一步加劇[7]。目前,國內(nèi)外關(guān)于氮磷沉降對森林土壤的影響已有一定的研究,例如,趙陽等[8]的研究表明,氮添加使土壤硝化速率下降,氨化速率上升；Lu等[9]報道了氮沉降對半干旱草原氮磷吸收的影響。亞熱帶林的紅壤具有缺磷的特點,因而磷添加能促進林木生長,增加對土壤有效氮的吸收而引起土壤全氮下降[10]。董喜光等[11]發(fā)現(xiàn)P 添加通過增加土壤微生物數(shù)量和促進了凋落物分解而提高了土壤養(yǎng)分含量；外源性P也增加了地中海西班牙冷杉(Abiesfabri)的土壤氮含量[12]。朱仕明等[13]報道了氮磷交互作用對藜蒴(Castanopsisfissa)人工林土壤養(yǎng)分及生化特性的影響；鄭欣穎等[14]研究了氮磷交互作用對馬尾松(Pinusmassoniana)凋落葉分解及土壤特性的影響；Mao等[15]探討了長期氮磷交互作用對熱帶森林土壤酸化的影響；Meyer等[16]對氮磷交互作用控制熱帶土壤表土和底土的有機碳礦化進行了研究。

種植密度可以通過影響光照和土壤微環(huán)境來改變土壤有機碳的輸入和輸出[17]。不同的種植密度會造成土壤根系的分布、代謝和吸收能力及土壤疏松程度的差異,進而對土壤的理化性質(zhì)產(chǎn)生影響。目前有關(guān)種植密度的研究主要集中在農(nóng)作物[18-20]以及人工林[21-23],如趙汝東等[24]的研究發(fā)現(xiàn),適宜的種植密度有利于提高馬尾松林下土壤有機物質(zhì)的降解、土壤有機氮向有效態(tài)氮的轉(zhuǎn)化和土壤中芳香類物質(zhì)的分解,從而提高土壤養(yǎng)分含量,但是鮮有幼苗種植密度對土壤特性影響的報道[13, 25]。

樟樹(Cinnamomumcamphora)作為樟科樟屬常綠喬木中經(jīng)濟價值最大的樹種之一,是我國特有的珍貴用材和經(jīng)濟樹種,以及亞熱帶地區(qū)植被恢復(fù)和城鎮(zhèn)園林綠化的重要樹種[26]。有關(guān)學者對樟樹進行了一定的研究,例如王卓敏等[27]研究了干旱脅迫和種植密度對樟樹幼苗生理特性的影響,肖玲玲等[28]報道了不同密度下樟樹幼苗的生長和重量分配格局,趙晶等[29]發(fā)現(xiàn)了樟樹林凋落物對氮沉降響應(yīng)的規(guī)律,趙大勇等[30]報道了氮添加對樟樹群落土壤氮礦化速率的影響,鄭威等[31]研究了施氮對亞熱帶樟樹林土壤呼吸的影響,但是尚未見到氮磷添加和種植密度的交互作用對樟樹幼苗土壤特性影響的報道。本研究選取樟樹幼苗作為實驗對象,對其土壤化學性質(zhì)進行了測定,旨在了解樟樹幼苗土壤化學性質(zhì)對氮磷添加和林分密度的響應(yīng)過程和機制,以期為全球化背景下樟樹人工林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗地位于廣州市華南農(nóng)業(yè)大學植物園(113°21′E,23°09′N),屬亞熱帶季風氣候,水熱同期,雨量充沛,年平均氣溫為21.9℃,年降雨量約為1736 mm,集中在4至6月,平均相對濕度77%。土壤為花崗巖發(fā)育的赤紅壤。試驗環(huán)境光線充足,適合幼苗的生長。

1.2 試驗設(shè)計

以廣東省國森苗圃所提供的樟樹1年生實生苗為試驗材料,幼苗平均株高為0.47 m,平均地徑為0.36 cm。采用直徑35 cm,深30 cm無紡布美植袋種植,基質(zhì)為該試驗地0—20 cm土層的土壤。

根據(jù)樣地的氮沉降水平背景值以及參考同類研究方法[32-33],大氣氮沉降中近3/4為銨態(tài)氮,本試驗選擇氯化銨(NH4Cl)模擬大氣氮沉降,并且以二水合磷酸二氫鈉(NaH2PO4·2H2O)模擬大氣磷沉降。

試驗時間為2017年6月至9月。試驗采用4×4雙因素析因設(shè)計,共16種組合。氮磷沉降處理設(shè)置4個水平：不施肥(CK)、施N肥、施P肥和施N+P肥。N、P和N+P施肥量分別為NH4Cl40g m-2a-1、NaH2PO4·2H2O 20 g m-2a-1和NH4Cl 40g m-2a-1+NaH2PO4·2H2O 20g m-2a-1。種植密度設(shè)置4個水平：10、20、40和80株/m2(分別以密度I、II、III和IV表示),即在直徑為35 cm的4個美植袋中分別均勻種植1、2、4和8株幼苗,盡量保持每盆內(nèi)的幼苗距離相近。N、P和N+P施肥量分別為NH4Cl 3.84 g 袋-1a-1、NaH2PO4·2H2O 1.92 g 袋-1a-1和NH4Cl 3.84 g 袋-1a-1+NaH2PO4·2H2O 1.92 g 袋-1a-1。試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計,4個密度和4種施肥處理交叉共產(chǎn)生16個處理,每個處理3次重復(fù),合計48個小區(qū),每小區(qū)16株幼苗。根據(jù)處理水平的要求,模擬氮磷沉降時,將各處理每次所需質(zhì)量的肥料溶于12升的水中,向每盆的土壤澆灌200 mL溶液,不施肥處理的只施對應(yīng)量的水。自6月起每月月初和月中分2次向幼苗施肥直至收獲,共施肥8次。本試驗的全過程均在野外同一個試驗地點,確保了各處理的環(huán)境條件包括光、溫度、濕度、降水一致。采集試驗地點0—20 cm一個土層的土壤,充分混合后裝入無紡袋,故各處理前幼苗的土壤基本理化性質(zhì)沒有顯著性差異。樟樹幼苗處理前的土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 樟樹幼苗處理前土壤基本理化性質(zhì)(平均值±標準差)

1.3 土壤樣品采集和測定

試驗結(jié)束時,不同處理的幼苗土壤各隨機確定5袋,用直徑 3 cm的土鉆采集土壤樣品,取土深度為 0—30 cm,將土壤樣品混合均勻,剔除植物殘根和大于 2 mm的石子等雜物,裝入密封塑料袋,標記掛簽,帶回實驗室測量土壤理化性質(zhì),指標包括pH、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀。

將水和土樣以2.5∶1混合后用pH計測定土壤pH值；有機質(zhì)用重鉻酸鉀容量法測定,全N用半微量凱氏法測定；用氫氧化鈉堿熔法將土壤樣品溶融后提取待測液,用鉬藍比色法測全P,火焰光度計測全K。堿解N用堿解擴散法測定；用0.5 mol/L的碳酸氫鈉提取土壤樣品后,用鉬藍比色法測速效P；用1 mol/L的中性醋酸鈉提取土壤樣品后,用火焰光度計測速效K[34]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SAS 9.3統(tǒng)計分析軟件對土壤理化性質(zhì)進行Duncan多重比較,Microsoft Excel 2003對數(shù)據(jù)進行平均值、標準偏差分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理幼苗的土壤pH和有機質(zhì)

與CK相比,N和N+P處理引起各密度幼苗土壤的 pH值的顯著下降(P<0.05),而P處理的pH值與CK處理無顯著差異。此外,除了密度IV,土壤pH值隨著密度的增加而呈上升趨勢(P<0.05)(圖1)。

圖1 不同處理和密度的樟樹幼苗土壤pHFig.1 Soil pH of Cinnamomum camphora seedlings under different treatments and densities同一測定內(nèi)容用不同小寫字母表示0.05水平上的顯著差異

與CK相比,密度I和III幼苗土壤的N+P處理的有機質(zhì)顯著減少(P<0.05),而各密度幼苗土壤的N和P處理及密度II和IV幼苗土壤的N+P處理與CK無顯著差異。隨著密度的增大,CK、N和P處理的土壤有機質(zhì)呈現(xiàn)下降的趨勢,而N+P處理的則變化幅度不大(圖2)。

圖2 不同處理和密度的樟樹幼苗的土壤有機質(zhì)含量Fig.2 Soil organic matter content of Cinnamomum camphora seedlings under different treatments and densities

2.2 不同處理下幼苗的土壤N、P和K含量

與CK相比, N+P處理的密度I幼苗的土壤全N含量顯著降低(P<0.05),其余密度幼苗的N、P和N+P處理的與CK無顯著差異。在密度I、II、III幼苗的土壤中,P處理的土壤全N含量高于N和N+P處理的。密度IV幼苗土壤的全N含量低于其他密度幼苗(圖3)。

與CK相比,N和P處理的密度I幼苗土壤的堿解N含量增加,N、P和N+P處理的密度II幼苗的土壤堿解N含量顯著下降(P<0.05),P處理的密度III幼苗土壤堿解N含量上升,N和N+P處理的密度IV幼苗土壤堿解N含量顯著上升(P<0.05),P處理的下降?？傮w來看,隨著密度的增大,各施肥處理的土壤堿解N規(guī)律不明顯(圖4)。

與CK對比,N處理的密度I和II幼苗土壤的全P含量下降,密度III和IV幼苗土壤的全P含量上升,P處理的各密度幼苗土壤的全P含量上升。隨著密度的增大,幼苗土壤全P含量呈現(xiàn)上升的趨勢(圖5)。

與CK相比,P和N+P處理的各密度幼苗的土壤有效P含量顯著增加(P<0.05)。隨著種植密度的增加,各施肥處理的土壤有效P含量呈現(xiàn)上升的趨勢(圖6)。

圖3 不同處理和密度的樟樹幼苗的土壤全氮含量Fig.3 Soil total N content of Cinnamomum camphora seedlings under different treatments and densities

圖4 不同處理和密度的樟樹幼苗的土壤堿解氮含量Fig.4 Soil alkaline N content of Cinnamomum camphora seedlings under different treatments and densities

圖5 不同處理和密度的樟樹幼苗的土壤全磷含量Fig.5 Soil total P content of Cinnamomum camphora seedlings under different treatments and densities

圖6 不同處理和密度的樟樹幼苗的土壤有效磷含量Fig.6 Soil available P content of Cinnamomum camphora seedlings under different treatments and densities

與CK相比,N和P處理的各密度幼苗土壤的全K含量變化無規(guī)律,N+P處理的土壤全K含量下降。隨著幼苗密度的增加,各施肥處理的土壤全K含量呈現(xiàn)上升趨勢(圖7)。

圖7 不同處理和密度的樟樹幼苗的土壤全鉀含量Fig.7 Soil total K content of Cinnamomum camphora seedlings under different treatments and densities

與CK組相比,N、P和N+P處理的各密度幼苗的土壤速效K含量顯著減少(P<0.05)。各施肥處理的土壤速效K含量隨幼苗密度的增大而上升(圖8)。

圖8 不同處理和密度的樟樹幼苗的土壤速效鉀含量Fig.8 Soil available K content of Cinnamomum camphora seedlings under different treatments and densities

2.3 氮磷添加與密度對樟樹幼苗土壤化學性質(zhì)的交互作用

由表2可知,施肥除了對土壤全磷和堿解氮沒有顯著影響外,對pH和其他養(yǎng)分指標均有顯著影響(P<0.05)；密度處理對樟樹幼苗土壤的pH和所有的養(yǎng)分指標均有顯著影響(P<0.05),施肥和密度處理的交互作用對樟樹幼苗土壤有機質(zhì)、堿解氮和速效鉀含量產(chǎn)生顯著的負效應(yīng)(P<0.05),對幼苗土壤的pH和其他養(yǎng)分指標沒有顯著影響。

表2 施肥處理和密度對樟樹幼苗土壤化學性質(zhì)的交互作用

3 討論

3.1 氮磷添加對不同種植密度樟樹幼苗土壤pH和有機質(zhì)的影響

土壤酸堿度是土壤重要的基本理化性質(zhì),而pH值是表征酸堿性的一個重要指標,對土壤養(yǎng)分的儲存、轉(zhuǎn)化和有效性有重要的影響[35]。本研究中N和N+P處理均能使樟樹幼苗土壤的pH顯著降低,這與蘇渝欽等[36]報道的氮磷添加降低中亞熱帶常綠闊葉林土壤pH的結(jié)果一致。土壤的pH值與銨態(tài)氮和硝態(tài)氮輸入與輸出平衡狀態(tài)有著重要聯(lián)系,本研究中氮添加所輸入的銨態(tài)氮產(chǎn)生的硝化作用是導(dǎo)致土壤酸化的主要原因,土壤硝化作用產(chǎn)生的H+和 NO-3大量淋溶,帶走Ca2+、Mg2+和Na+等堿性鹽基離子,可以導(dǎo)致土壤pH值下降。

森林土壤碳庫占陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫的70%以上,是植物生長發(fā)育和光合作用的重要影響因子[37]。土壤有機碳的礦化作用能夠直接對土壤養(yǎng)分的供給和釋放、土壤質(zhì)量的維持、溫室氣體以及土壤微生物、酶活性等造成影響[38]。氮沉降對土壤有機碳的影響較為復(fù)雜,目前的研究發(fā)現(xiàn)氮沉降對土壤有機碳含量有促進作用[39]、抑制作用[40]和無明顯作用[41]。Danielaf等[42]指出,土壤有機碳對氮磷添加的響應(yīng)與植被類型、土壤類型和氮磷添加的形式、水平以及時間長短有關(guān)。本研究中,與CK相比,N+P處理會引起土壤有機質(zhì)含量下降。這可能是因為N+P處理對土壤大量輸入了限制性養(yǎng)分N和P,刺激了土壤微生物和酶活性,使其對土壤有機質(zhì)的分解速率加快,從而導(dǎo)致土壤有機質(zhì)含量減少[43]。另外,本試驗時期處于雨季,降雨量大可能導(dǎo)致了C的淋溶流失[44]。

3.2 氮磷添加對不同種植密度樟樹幼苗土壤N、P和K含量的影響

本結(jié)果表明,隨著種植密度的增大,各施肥處理幼苗土壤的pH值呈現(xiàn)上升趨勢,CK、N和N+P處理的幼苗土壤有機質(zhì)呈現(xiàn)下降的趨勢,而全P和有效P、全K和速效K含量表現(xiàn)出上升的趨勢。因為種植密度越高,單位面積的根系越密集,其覆蓋土壤的面積越大,而根系分泌物中的糖類和氨基酸及維生素等可以為植物根際微生物提供充足的養(yǎng)分,從而引起微生物的大量繁殖,根際微生物數(shù)量的增加和活性的提高能夠促進酶活性,進而促進土壤中有機化質(zhì)的分解和礦化作用,最終提高土壤有效養(yǎng)分含量,所以表現(xiàn)出土壤有機質(zhì)含量下降,其余養(yǎng)分含量升高的現(xiàn)象[52]。

3.3 氮磷添加和密度對樟樹幼苗土壤化學性質(zhì)的交互作用

本研究中,氮磷添加和密度均對幼苗土壤有機質(zhì)含量具有顯著負效應(yīng),因而二者的交互作用對幼苗土壤有機質(zhì)含量產(chǎn)生負作用。N+P處理為土壤輸入了大量的限制性養(yǎng)分N和P,提高了土壤微生物活性和多樣性,有助于土壤有機質(zhì)的分解和釋放,引起有機質(zhì)含量的下降。同時隨著種植密度增加,土壤單位面積的根系越密集,根系分泌糖類、氨基酸和維生素等養(yǎng)分越多,養(yǎng)分的增加刺激了土壤微生物和酶的活性,使其對土壤有機質(zhì)的分解速率加快,故氮磷添加、密度及氮磷添加和密度的交互作用均引起幼苗土壤有機質(zhì)含量的減少。氮磷添加對土壤堿解氮含量沒有顯著影響,而密度顯著減少了土壤堿解氮含量,其中密度的作用大于氮磷添加,因而二者的交互作用顯著減少了幼苗土壤的堿解氮含量。氮磷添加顯著減少了幼苗土壤的速效鉀含量,密度顯著增加了幼苗土壤的速效鉀含量,其中氮磷添加的作用大于密度,因而二者的交互作用對幼苗土壤的速效鉀含量具有顯著負效應(yīng)。

本試驗研究氮磷添加和林分密度對樟樹幼苗土壤化學性質(zhì)的短期影響,旨在為全球化背景下樟樹人工林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分管理提供參考。由于試驗時間較短,施肥對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響具有滯后性,施肥和密度處理的交互作用包含許多物理生物化學反映,并受凋落物和土壤微生物等因素影響,且本試驗只是基于1年生的樟樹幼苗,因而存在一定的局限性。有關(guān)施肥和密度處理對林分土壤的長期影響需要結(jié)合凋落物和土壤微生物深入研究。