文章信息
- 曾珠, 毛纯, 李万年, 杨梅, 刘世男
- ZENG Zhu, MAO Chun, LI Wannian, YANG Mei, LIU Shinan
- 林分改造对桉树人工林土壤微量元素的影响
- Effects of stand modification on soil trace elements in Eucalyptus plantations
- 森林与环境学报,2022, 42(3): 253-261.
- Journal of Forest and Environment,2022, 42(3): 253-261.
- http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2022.03.004
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文章历史
- 收稿日期: 2022-01-11
- 修回日期: 2022-03-23
2. 广西国有七坡林场, 广西 南宁 530225
2. Guangxi State-owned Qipo Forest Farm, Nanning, Guangxi 530225, China
土壤微量元素是土壤养分的重要组成部分,有研究表明,促进植物生长需要的铁(Fe)、锰(Mn)、铜(Cu)、锌(Zn) 和钼(Mo) 等微量元素主要来源于土壤,且微量元素含量过低或过高,均会在一定程度上抑制植物生长发育和改变植被物种组成[1-2]。微量元素不仅参与植物体内碳、氮代谢和氧化还原反应,还与生物固氮、叶绿素合成等重要生理过程有关[1, 3-4]。因此,土壤微量元素的分布特征[5]、含量及其与土壤恢复的关系[6]越来越多地受到国内外学者的关注。
桉树(Eucalyptus spp.) 在我国南方大面积纯林连年种植,导致林地土壤肥力降低,而其混交林土壤有机质、养分含量均高于桉树纯林,故营造混交林可解决桉树纯林生态系统脆弱、立地衰退等环境问题[7-9]。有研究发现,营造混交林可以提高土壤中硼(B)、Zn、Cu、Mn、Fe等微量元素、养分和有机质的含量[10-11]。灰木莲(Magnoliaceae glance Blume) 和香梓楠(Michelia hedyosperma Law) 均为木兰科(Magnoliaceae) 植物,具有较强的光合能力和固碳释氧能力[12], 且早期耐荫性较强,适应微酸性至酸性红壤土的能力较强,凋落物量大,因此,被认为是极为优秀的混交树种。已有研究表明,灰木莲和香梓楠与桉树混交后,相比桉树纯林,混交林土壤养分含量和酶活性得到了显著提高[13]。雍强等[14]对桉树混交林冠层特征的研究表明,灰木莲×桉树混交林、红锥×桉树混交林和香梓楠×桉树混交林均显著提高了林分光合生产力以及生物量的累积。我国桉树种植基地主要集中在广西壮族自治区,为恢复地力,近年来该地已开始引种栽培木兰科珍贵树种进行林分结构的调整,但对桉树人工林林分改造后土壤微量元素的研究却鲜有报道。鉴于此,本研究以桉树纯林、灰木莲纯林、香梓楠纯林、灰木莲×尾巨桉混交林(灰×桉混交林) 和香梓楠×尾巨桉混交林(香×桉混交林) 为研究对象,分析了纯林和混交林土壤中有效态微量元素、有机质含量和土壤pH值的差异,并探究它们之间的相互关系,为合理利用土地资源和提高桉树混交林土壤养分含量和肥力提供科学依据。
1 研究区概况与研究方法 1.1 研究区概况试验林地位于广西国有七坡林场(23°37′47″~23°38′27″N,108°43′50″~108°44′30″E),该地属典型的亚热带季风气候,光照充足、雨量充沛,年平均气温21.6 ℃,年平均降水量1 304.2 mm,年平均相对湿度79%。地貌类型以丘陵为主,土壤以赤红壤、红壤为主,呈酸性。
1.2 研究方法试验林为5种林分类型:桉树纯林[树种为DH32-29尾巨桉(Eucalyptus urophylla×E.grandis), Eucalyptus]、灰木莲纯林、香梓楠纯林及灰木莲×尾巨桉混交林(灰×桉混交林)、香梓楠×尾巨桉混交林(香×桉混交林)。样地的前作树种为DH32-29尾巨桉第1代植苗纯林,2014年6月带状皆伐进行林地清理和整地,2014年12月在采伐带上营造株行距与尾巨桉相同的灰木莲和香梓楠纯林、两种树种与尾巨桉的带状混交林。灰木莲及香梓楠均使用长势基本一致、无病虫害的1年生实生苗造林,平均苗高32.18 cm,平均地径6.64 mm。尾巨桉为第1代萌芽,萌芽条保留1根。基肥和追肥均穴施复合肥,复合肥中N、P、K质量比为15 ∶ 6 ∶ 9,人工挖穴,规格为50 cm×50 cm×30 cm,种植前7 d每穴施250 g基肥。定植后,每年4月,穴施500 g为追肥,并在每年6—7月除草1次。试验林分基本情况如表 1所示。
林分类型 Stand type |
树种 Tree species |
林分密度 Stand density /(tree·hm-2) |
平均胸径 Average DHB/cm |
平均树高 Average height/m |
海拔 Altitude /m |
坡向 Slope aspect |
坡度 Slope degree/(°) |
桉树纯林Eucalyptus | 桉树Eucalyptus | 1 470 | 12.6 | 15.8 | 220 | 西West | 20 |
灰木莲纯林Magnoliaceae glanca | 灰木莲Magnoliaceae glanca | 1 470 | 4.6 | 5.3 | 220 | 西West | 20 |
香梓楠纯林Michelia hedyosperma | 香梓楠Michelia hedyosperma | 1 470 | 4.5 | 5.1 | 215 | 西北Northwest | 20 |
灰×桉混交林Magnoliaceae glanca×Eucalyptus | 灰木莲Magnoliaceae glanca | 490 | 5.2 | 5.8 | 220 | 西北Northwest | 20 |
桉树Eucalyptus | 980 | 12.9 | 16.3 | 215 | 西West | 20 | |
香×桉混交林Michelia hedyosperma×Eucalyptus | 香梓楠Michelia hedyosperma | 490 | 5.0 | 5.5 | 230 | 西West | 20 |
桉树Eucalyptus | 980 | 12.8 | 16.1 | 230 | 西West | 20 |
2019年8月,在桉树、灰木莲和香梓楠纯林的中间位置,混交林在两种林分交界处设置如图 1所示的林分取样带,每个取样带上、中、下坡位置分别随机选取3个取样点(每个林分取样点的水平位置相同),采集0~20 cm、20~40 cm两个土层的土壤样品。每个样地土壤样品充分混匀后,风干、研磨、过筛用于测定土壤pH值、有机质及各种微量元素有效态含量。其中,土壤pH值采用(V水 ∶ V土=5 ∶ 1) 浸提酸度计法(pH计,中国上海雷磁公司,PHSJ-3F型) 测定,土壤有机质含量采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定,土壤有效硼含量采用钾亚胺比色法(分光光度计,中国上海美谱达公司,UV-6300型) 测定,土壤有效铁、有效锰、有效铜及有效锌含量采用原子吸收分光光度法(原子吸收光谱仪,中国上海赛默飞公司,iCE 3300 AAS型) 测定[15]。
1.3 数据处理与分析用Excel 2016软件整理数据和制图,用SPSS 25.0软件对土壤理化性质进行单因素方差分析和相关性分析,用最小显著差异法(least significant difference method, LSD) 多重比较进行差异显著性分析。
2 结果与分析 2.1 不同林分土壤pH值的差异不同林分土壤pH值的差异如图 2所示,5个林分的土壤pH值在3.3~3.9之间,并均随着土层加深而增大。香×桉混交林的土壤pH值最大,在0~20 cm土层中,其土壤pH值分别较桉树纯林、灰木莲纯林、灰×桉混交林和香梓楠纯林显著增大15.59%、11.71%、8.68%、9.81% (P < 0.05),但这4种林分间无显著差异。在20~40 cm土层中,灰×桉混交林和香×桉混交林的土壤pH值分别为3.58和3.89,桉树纯林的土壤pH值为3.46,表明混交林的土壤pH值较桉树纯林大,但仅香×桉混交林与桉树纯林差异显著(P < 0.05)。
2.2 不同林分土壤有机质含量的差异不同林分土壤有机质含量的差异如图 3所示,不同林分0~20 cm土层的土壤有机质含量均较20~40 cm土层高。在0~20 cm土层中,混交林土壤有机质含量高于纯林,其中,灰×桉混交林最高,分别较桉树纯林和灰木莲纯林高331.35%、162.63%,其次是香×桉混交林,分别较桉树纯林和香梓楠纯林高181.37%和113.09%,且均差异显著(P < 0.05)。在20~40 cm土层中,桉树纯林的土壤有机质含量最低,分别较灰木莲纯林、灰×桉混交林、香梓楠纯林和香×桉混交林低54.16%、39.43%、51.27%和35.90%,且差异显著(P < 0.05)。
2.3 不同林分土壤微量元素含量的差异 2.3.1 不同林分土壤有效铁含量的差异在2个土层中,桉树纯林的土壤有效铁含量均显著低于其他林分,且存在“表聚现象” (图 4)。在0~20 cm土层,桉树纯林的土壤有效铁含量分别较灰木莲纯林、灰×桉混交林、香梓楠纯林和香×桉混交林低了14.27%、28.04%、7.56%、22.63%;而在20~40 cm土层则分别较灰木莲纯林、灰×桉混交林、香梓楠纯林和香×桉混交林低了18.32%、21.52%、6.17%、19.12%,且均差异显著(P < 0.05)。可见,营造混交林能显著提高土壤有效铁含量,且混交林上层土壤有效铁含量的增加量较下层多。
2.3.2 不同林分土壤有效锰含量的差异不同林分土壤有效锰含量均随着土层的加深而降低,其中,混交林土壤有效锰含量均较高(图 5)。香×桉混交林土壤有效锰含量均显著高于灰×桉混交林(P < 0.05),分别高10.52% (0~20 cm土层) 和38.06% (20~40 cm土层)。而桉树纯林2个土层的土壤有效锰含量均最低,分别为17.8 mg · kg-1 (0~20 cm土层)、10.8 mg · kg-1 (20~40 cm土层),显著低于其他林分(P < 0.05),分别较灰×桉混交林低54.16%、60.73%,分别较香×桉混交林低58.53%、71.56%。
2.3.3 不同林分土壤有效铜含量的差异5个林分土壤有效铜含量随土层变化无明显规律(图 6)。0~20 cm土层,土壤有效铜含量高低表现为:香梓楠纯林>灰木莲纯林>香×桉混交林>桉树纯林>灰×桉混交林,且不同林分间差异显著(P < 0.05);香×桉混交林土壤有效铜含量为2.05 mg · kg-1,较桉树纯林高36.83% (P < 0.05),灰×桉混交林土壤有效铜含量为1.33 mg · kg-1,比桉树纯林低11.33% (P < 0.05)。在20~40 cm土层中,桉树纯林土壤有效铜含量最低,为0.75 mg · kg-1,分别较灰×桉混交林和香×桉混交林的土壤有效铜含量低54.27%和61.93% (P < 0.05);香梓楠纯林土壤有效铜含量最高,分别较桉树纯林和香×桉混交林高585.83%和161.99%;其次为灰木莲纯林,其土壤有效铜含量分别较桉树纯林和灰×桉混交林高485.45%和169.65% (P < 0.05)。
2.3.4 不同林分土壤有效锌含量的差异5个林分土壤有效锌含量均随土层加深而降低(图 7)。0~20 cm土层,土壤有效锌含量高低表现为:香×桉混交林>灰×桉混交林>灰木莲纯林>香梓楠纯林>桉树纯林,各林分间差异显著(P < 0.05),其中,香×桉混交林和灰×桉混交林土壤有效锌含量分别较桉树纯林高540.80%和445.20%。20~40 cm土层,灰×桉混交林提高土壤有效锌含量的效果较香×桉混交林好,2个混交林土壤有效锌含量均显著高于桉树纯林(P < 0.05),分别较桉树纯林高174.06%和56.90%。此外,香×桉混交林在0~20 cm土层的有效锌含量显著高于灰×桉混交林(P < 0.05),在20~40 cm土层中则表现相反。
2.3.5 不同林分土壤有效硼含量的差异桉树纯林和2个混交林的土壤有效硼含量随土层加深而降低,其余林分则表现出相反的规律(图 8)。桉树纯林土壤有效硼含量最低,在0~20 cm土层,较2个混交林均低了220.00%,较灰木莲纯林和香梓楠纯林分别低了64.03%、63.77%;在20~40 cm土层,较灰×桉混交林和香×桉混交林分别低了285.00%和555.00%,且均差异显著(P < 0.05)。混交林在0~20 cm土层中提高土壤有效硼含量的效果相同,但20~40 cm土层中,香×桉混交林的效果显著较灰×桉混交林好。
2.4 不同林分土壤微量元素含量与土壤化学性质的相关性分析土壤微量元素含量与土壤化学性质的相关性分析结果如表 2所示,土壤pH值与土壤有机质含量、有效态微量元素含量间的相关性较小,仅在桉树纯林中与土壤有效态锰、硼含量表现为显著负相关关系(P < 0.05)。土壤有机质含量与微量元素含量之间总体上为正相关关系,仅与灰木莲纯林、灰×桉混交林、香梓楠纯林的土壤有效铜含量为负相关关系。总体而言,各微量元素之间为正相关关系,其中桉树纯林土壤有效锰、铜、硼含量之间的相关系数达0.9以上。而在灰木莲、香梓楠纯林和灰×桉混交林中,有效铜含量与有效态铁、锰、锌、硼含量表现出负相关关系。
林分类型 Stand type |
因素 Factor |
相关系数Correlation coefficient | |||||
pH值 pH value | 有机质含量 Organic matter content | 有效铁含量 Available iron content | 有效锰含量 Available manganese content | 有效铜含量 Available copper content | 有效锌含量 Available zinc content | ||
桉树纯林 Eucalyptus |
有机质含量Organic matter content | -0.724 | |||||
有效铁含量Available iron content | -0.493 | 0.885* | |||||
有效锰含量Available manganese content | -0.830* | 0.975** | 0.823* | ||||
有效铜含量Available copper content | -0.794 | 0.963** | 0.898* | 0.964** | |||
有效锌含量Available zinc content | -0.568 | 0.353 | 0.474 | 0.455 | 0.453 | ||
有效硼含量Available boron content | -0.884* | 0.947** | 0.786 | 0.956** | 0.955** | 0.488 | |
灰木莲纯林 Magnoliaceae glanca |
有机质含量Organic matter content | -0.232 | |||||
有效铁含量Available iron content | -0.173 | 0.863* | |||||
有效锰含量Available manganese content | -0.484 | 0.867* | 0.796 | ||||
有效铜含量Available copper content | 0.415 | -0.952** | -0.894* | -0.954** | |||
有效锌含量Available zinc content | -0.288 | 0.972** | 0.890** | 0.950** | -0.983** | ||
有效硼含量Available boron content | -0.133 | 0.246 | -0.040 | -0.010 | -0.008 | -0.119 | |
灰×桉混交林 Magnoliaceae glance× Eucalyptus |
有机质含量Organic matter content | -0.049 | |||||
有效铁含量Available iron content | -0.070 | 0.997** | |||||
有效锰含量Available manganese content | -0.137 | 0.995** | 0.994** | ||||
有效铜含量Available copper content | 0.087 | -0.994** | -0.992** | -0.996** | |||
有效锌含量Available zinc content | -0.164 | 0.987** | 0.985** | 0.990** | -0.990** | ||
有效硼含量Available boron content | -0.120 | 0.967** | 0.974** | 0.978** | -0.975** | 0.946** | |
香梓楠纯林 Michelia hedyosperma |
有机质含量Organic matter content | -0.320 | |||||
有效铁含量Available iron content | -0.352 | 0.500 | |||||
有效锰含量Available manganese content | -0.392 | 0.441 | 0.990** | ||||
有效铜含量Available copper content | 0.379 | -0.106 | -0.109 | -0.204 | |||
有效锌含量Available zinc content | -0.537 | 0.260 | 0.909* | 0.953** | -0.294 | ||
有效硼含量Available boron content | -0.315 | 0.328 | -0.359 | -0.311 | -0.700 | -0.268 | |
香×桉混交林 Michelia hedyosperma ×Eucalyptus |
有机质含量Organic matter content | 0.040 | |||||
有效铁含量Available iron content | 0.060 | 0.989** | |||||
有效锰含量Available manganese content | 0.180 | 0.856* | 0.906* | ||||
有效铜含量Available copper content | 0.212 | 0.839* | 0.903* | 0.983** | |||
有效锌含量Available zinc content | 0.049 | 0.996** | 0.994** | 0.876* | 0.871* | ||
有效硼含量Available boron content | 0.070 | 0.975** | 0.953** | 0.858* | 0.802 | 0.960** | |
注:**表示相关性极显著(P < 0.01),*表示相关性显著(P < 0.05)。Note: ** represents an extremely significant correlation (P < 0.01); * represents a significant correlation (P < 0.05). |
微量元素是森林土壤的重要组成成分,为森林生物生长提供了不可或缺的营养,其有效性受土壤pH值、有机质含量、植物吸收富集和归还等因素的影响,这些指标在一定条件下反映了土壤供应微量养分的水平[16]。土壤pH值可改变土壤中微量元素的活性,并影响其在土壤垂直结构上的迁移能力[17],从而影响植物从土壤中吸收微量元素的情况[18]。本研究区土壤为酸性土壤,pH值在3.3~3.9之间,桉树混交林减缓土壤酸化的效果并不显著,仅在0~20 cm土层,香×桉混交林土壤pH值显著高于其他林分。一方面可能是,植物根系垂直向下生长,多集中在土壤表层,而混交林根系分泌物中酚酸含量较纯林低,释放的氢离子较少,进而改善土壤酸碱度[19];另一方面,混交林凋落物的数量和丰富度较纯林高,从而增加了土壤中间产物和腐殖质含量,其中的羧基提供了大量的阳离子交换位点,中和氢离子,以减缓土壤的酸化[20]。此外,导致5种林分不同土层间pH值差异不显著的原因可能是土壤pH值受到土壤胶体吸附作用和土壤矿物缓冲作用的影响,从而长期维持在一个相对稳定的状态[21]。随着林龄增长,土壤酸化还需进一步监测。随着土壤酸度降低,土壤有效铁、有效铜含量显著降低,而有效锰、有效锌的含量显著升高[22]。可能是土壤pH值降低,导致土壤表面的负电荷减少,促进了土壤全量锌、铁、锰的氧化还原、沉淀溶解和吸附解吸等过程,使其存在形态和转化速率发生改变,进而影响土壤中微量元素的含量[23]。而在本研究中,土壤pH值与有效态微量元素含量总体呈现负相关关系,在香×桉混交林中,土壤pH值与微量元素含量正相关,灰木莲、香梓楠纯林和灰×桉混交林中土壤有效铜含量随土壤pH值增大而升高,但相关性较小。
土壤有机质含量是评价土壤肥力的重要指标,影响着土壤的养分循环[24]。土壤有机质含量呈现明显的“表聚”现象,且混交林表层土壤有机质含量显著高于纯林。有机质的“表聚”现象是因为枯落物主要覆盖在地表,而其中的主要元素为碳,所以造成0~20 cm土壤中有机质含量较高。混交林和纯林相比,枯落物的数量和种类有差异,而有机质含量多寡与凋落物性质和数量息息相关[25],且枯落物混合后的非加和效应提高了枯落物的分解和转化速率,从而土壤有机质得以积累[26]。灰×桉混交林提升土壤有机质含量的效果更为明显,原因可能是灰木莲幼林生长较快,叶片较大、较厚,且其叶片和根的生物量、叶片碳氮比均较香梓楠高[27],因此,在幼林阶段,灰木莲林地的凋落物较为丰富也更易分解,有利于增加土壤有机质。但在20~40 cm土层中,灰木莲和香梓楠纯林的土壤有机质含量显著高于其混交林,可能是由于这两个树种的根系较桉树发达,更有利于土壤有机质的积累。土壤有机质含量显著影响土壤有效态微量元素的含量,土壤有机质含量越高,土壤有效态微量元素含量也越高。原因可能是土壤有机质含量升高,提高了土壤可溶性有机质含量,可溶性有机质可络合和螯合微量元素,将微量元素转化为可被植物吸收利用的形态,提高其利用率[28-29]。但在本研究中,灰木莲纯林、香梓楠纯林和灰×桉混交林土壤有效铜含量随土壤有机质含量升高而降低,可能是受到了土壤pH值等因素的影响。
土壤有效态铁、锰、锌、硼总体呈现表层富集化,这种规律在有效态铁、锰、锌上表现尤其明显。灰×桉混交林土壤有效铁含量最高,可能是由于灰木莲根系较发达,周围土壤中的铁元素容易被活化[30]。锰元素有利于种子的发芽和幼苗的生长[31],而土壤有效锰含量表现为香×桉混交林最高,其原因可能是香梓楠的生长速度较灰木莲慢,对土壤有效锰的吸收利用率较低。混交林土壤有效铁、锰、锌、硼含量普遍高于纯林,且差异显著。原因可能是混交林土壤中的酶活性、真菌丰度和土壤含水率较高[32],这可能促进枯落物分解,进而土壤有机质含量升高,从而影响土壤微量元素的含量。土壤有效铜含量则在灰木莲和香梓楠纯林中较高,可能是由于Cu2+在桉树根和地上部分的富集系数较低,迁移能力较弱,根系吸收的Cu2+较难转移到茎、叶等部位[33],因此,凋落物中的有效铜含量较低,导致桉树及其混交林土壤有效铜含量低于纯林。而造成土壤有效铜含量和其他微量元素含量在纯林和混交林中表现不同的原因可能是不同树种对微量元素的需求量不同,导致土壤需要供应的微量元素有差异,以及凋落物中含有的微量元素含量有差异,以致回归和植物吸收的微量元素不一致。土壤有效铜含量仅在灰木莲、香梓楠纯林和灰×桉混交林与其他微量元素含量负相关,土壤有效硼含量则在这2个纯林中随土壤有效铁、锰、锌含量升高而降低。在混交林中,土壤微量元素之间有较强的相关性,尤其是香×桉混交林中相互为极显著正相关,表明任何一种元素含量升高的同时其他元素也会相应升高。由于不同元素的化学性质存在差异,微量元素间可能表现为相互促进或相互拮抗的关系。在桉树纯林中分别引入灰木莲和香梓楠后,与桉树纯林相比,混交林显著提高了土壤有机质和有效态微量元素含量,但土壤pH值并无明显增大,可能混交对土壤酸碱性的改良效果随林龄的增加才会进一步表现出来。
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