浅谈不同林龄马尾松凋落物基质质量与土壤养分的关系

袁爱兰

摘要:森林中植物的凋落物分解可以促进陆地生态系统的营养物质平衡,这包括了有机养分与土壤有机质的矿化、碳平衡的形成等等。土壤养分状况完全取决于它的质量、数量以及分解的速率。在我国福建省龙岩市武平县的捷文村水库库区,就有这样一种可以显著影响陆地生态系统中土壤养分的植物,它就是马尾松。据科学试验表明,捷文水库不同林龄的马尾松凋落物基质质量与土壤养分有着一定的作用差异,比如近熟成马尾松林凋落物的叶木质素/N就比中龄林与成熟林的叶木质素/N高33.5%左右。本文就将以捷文水库库区生态环境保护区域中马尾松林的凋落物作为核心素材,探讨了它的分解、基质质量,并结合试验分析了不同林龄条件下马尾松凋落物与土壤养分之间的动态关系。

关键词:马尾松;凋落物;林龄;基质质量;土壤养分;分解;关系;捷文水库

 

据统计,森林土壤中碳库的存储含量占到了全球总含量的40%以上,森林中每年约20Gt的有机质中就有70%是植物凋落物的分解所提供的。也就是说在森林系统中但凡土壤营养系统出现细微的变化,整个地球的地-气碳交换都会受到影响,大气中的CO2浓度也会发生大幅改变,所以森林生态系统是大自然的天然氧吧这一说法毫不为过。在我国的福建省龙岩市——捷文水库库区拥有着大面积的生态环境保护区,这里的马尾松林作为捷文水库库区的主要植被类型,每年都会产生大量的凋落物,这些凋落物的基质质量经过天然分解,与土壤中的养分间形成作用关系,深层次的改善了土壤中的养分循环系统,对提高森林生产体系中的能量流动与物质循环有重要意义。

 

一、凋落物的分解研究

(一)凋落物的分解

    在森林中,凋落物的分解可以为植物供应磷和氮等多种重要营养物质,而它分解所释放的碳含量也是大气燃烧释放的10倍以上。通常讲,凋落物的分解主要有两个阶段,在第一阶段,凋落物会被动物的啃食或土壤的腐蚀分解为碎片;第二阶段,凋落物的有机质碎片会进一步被真菌和细菌等微生物所腐蚀,逐渐矿化成为像磷、氨、水和二氧化碳等。所以说,凋落物的分解在让其自身体积变小的同时,碳浓度也会有所降低,是一个有机质转化为无机化合物的矿质化过程。德国生物学家Berg就曾经研究了新鲜植物凋落物的分解速率,他发现凋落物的分解每天都会以0.001%~0.1%不等的速率进行,随着分解凋落物中的顽固化学有机复合物逐渐增多,它们就会阻止凋落物后期的继续分解,因为凋落物越新鲜,它的N含量才越高,只有在这样的条件下有机物的淋失才越快。凋落物分解速率在该科学领域的研究属于主要内容,在捷文库区的冬季,凋落物的分解物质会大量释放养分帮助处于休眠期的植物贮存能量以便于它们在春天的生长。在春天即将到来之前,冻融的变化效应会改变凋落物的基质质量从而改善凋落物的后期分解过程,让森林中植物系统的碳循环等营养系统处于均衡的良性循环状态。

(二)林龄与凋落物分解的关系

经研究表明,植物凋落物的分解速率与年龄的增长有关,本文所选取的是捷文库区的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)三种马尾松林,这三种林根据林龄的不同,分解速率显现出的差异并不明显,这说明了分解速率与林龄的相关性较小。究其主要原因还是因为凋落物的分解速率主要与自然气候中的土壤水分含量、森林中温度、基质质量以及土壤养分等因素有关。另外由于自然环境日益恶劣而出现的微气候变暖情况也可能影响到凋落物的分解速率。

(三)水分含量与土壤温度与马尾松凋落物分解的关系

从土壤的年平均温度与水分含量两个角度分析,30年生马尾松林与25年及40年生林略有差异。当30年生马尾松林的土壤年平均温度在16.23℃时,25年生与40年生林的温度约为12.30℃和12.88℃,它们的温度均低于30年生林,并且水分含量也较比30年生林低6.63%与6.20%。

在捷文库区,这3种马尾松林的水分含量与土壤温度的月动态也有些许变化,例如它们的土壤平均温度都表现出了1月最低、7月最高的状态。其中它们在7月的土壤温度以OS(21.22℃)<YS(22.09℃)<MS(24.30℃)排列,在1月则为OS(2.10℃)<YS(2.58℃)<MS(4.33℃)。在水分含量方面,3种马尾松林也呈现出不同的态势。20年生的马尾松林在1月水分含量最低,只有19.13%,到了8月最高,能达到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%)。从以上数据分析看出,凋落物的分解速率与土壤温度、水分含量有关系但关系并不密切,并没有表现出明显的线性关联。从另一个角度讲,凋落物的剩余率与温度应该是呈现反比趋势的,也就是说在一定的范围内随着温度的升高,凋落物的分解速率也就越快、土壤水分含量就越高[1]

 

图1马尾松林凋落物的分解剩余率与水分含量及土壤温度的关系示意图

 

二、凋落物基质质量与土壤养分的关系

    凋落物的基质质量应该与土壤氧化含量变化相同,当凋落物的基质质量越高时,土壤中的养分含量也就越高。所以针对25年生与40年生两种马尾松林的凋落物来说,它们都含有相对较高的基质质量和土壤养分含量,但是30年生林的基质质量最差。欧洲方面在2005年的研究中就发现凋落物的基质质量在养分较高的时候释放快,而养分较低时则反之。对于马尾松林来说,它的基质质量中的碳(C)、碳氮比(C/N)、碳磷比(C/P),木质素/N的比、木质素/P的比都呈现明显差异。所以说马尾松林的凋落物养分释放去向与节奏都与这些物质比例有关。从3种马尾松林的分析看,它们的释放速度应该是30年生(MS)<40年生(OS)<25年生(YS)。这种土壤养分与基质质量的关系,与林龄和凋落物分解的关系近似,都是随着林龄的增长,凋落物所消耗的养分与养分归还率会逐渐变慢。

另外,凋落物的基质质量与土壤肥力和有机养分的数量质量都有关系。因为受肥的林地土壤表层富含氮、碳、磷等物质,它们的比例越高,凋落物初始分解物中的N与P剩余含量比例越低。那么25年生林的C/N比在土壤表层养分中是最高的(13.10),30年生林则最低(12.44)。C/P方面则是40年生林最高(108.43),30年生林最低(36.87)。通过两种土壤养分物质的比较发现30年无论在哪一方面都呈现最低,这说明了30年生林土壤是最不利于凋落物基质质量中P和N的释放的[2]

三、具体试验研究

(一)凋落物与土壤样品的采样

首先采集马尾松林凋落物,选材为25年生、30年生、40年生三种不同林龄的凋落物,并用孔径为1mm,尺寸大小为1mx1m的尼龙网收集器10个放置于马尾松林下距离地面50cm的高度进行收集,每月进行1次收集。收集后将凋落物进行70℃的烘干并称重。将三种林龄的凋落物中分别抽取30个样品进行粉碎后的碎片化学分析,主要测量这些凋落物纤维中碳、氮、磷、木质素、纤维素等等的具体含量和养分平衡。

土壤方面则在不同林龄的马尾松林植物下进行采集,采取1mx1m面积的小样各5个,将这些小样进行加工混合,生成每种林龄各8个样品,然后进行风干,然后按照1mm和0.25mm的规格过筛,最后放入3℃的冷藏室进行保存。

(二)计算

首先要计算马尾松林的凋落物养分年归还量以及周转系数:

 

在公式中,Lα代表了马尾松林凋落物的年归还总量,Lij是在i月的第i组的凋落物基质质量,而Cij则表示为在i月的第j组的凋落物具体养分含量。所以推算出凋落物的周转系数应该为:K=凋落物年产量/凋落物现存量[3]

在计算出凋落物的养分年归还量与周转系数后,就要运用Canoco与SPSS软件进行数据分析统计并作图。计算出凋落物基质质量与土壤养分之间的变量关系,而他的显著性检验则采用了ANOVA,即单因子方差分析法进行,设定显著性水平为α=0.07,则可计算凋落物基质物质与土壤养分之间的变量关系。

(三)试验结果对比

1土壤有机质养分与总氮

经过试验表明,3种不同林龄马尾松林的土壤有机质与总氮变化保持一致,且发展趋势也相同,呈现出YS<MS<OS的态势。当土壤深度在5cm之内时,即土壤接近表层的有机质与总氮含量最高,而再深入到20cm左右则有机质与总氮含量最小,这表明了土壤深度越深它的营养成分就越低。在这一点上,YS的变化最小,而具有明显变化的是MS和OS,它们在5cm、10cm、20cm三个土壤层次中的有机质与总氮含量是YS的3.18、1.83倍以及2.47、1.77倍。所以说,土壤深度越深,它的有机质影响力也就会越低,因此土壤的总氮含量与土壤有机质有关,也就是土壤中的总氮含量会跟随土壤有机质的增加而增加。如图2.

 

图2不同林龄马尾松林土壤环境下有机质与总氮的含量对比图

2土壤有效磷与总磷

再看磷含量,马尾松林土壤中磷含量与土壤本质、成土条件以及耕作施肥等等都有关系。总磷说明土壤中各形态磷的指标总和,而有效磷则代表了土壤的供磷水准。如图3.

 

图3不同林龄马尾松土壤环境下总磷与有效磷的含量对比图

由图3可知,不同林龄的马尾松林在土层深度方面会有减小趋势,但是每一土层的变化比较细微。在这里有效磷的变化与马尾松林年龄的变化规律不同,同样是土壤深度的增加过程中,OS表现出有效磷先增加后降低,YS与MS则是先降低后增加。所以它们之间有效磷的含量比较是YS<MS<OS。

(四)结论分析

经3种不同林龄的马尾松林在基质质量方面的研究表明,3种马尾松林在它们凋落物的N、K、P和其它营养物质方面体现了含量上的明显差异,它们的主要基质质量来源于凋落物的皮质,其原因与动物的啮噬及粪便有关,所以它们的养分含量较高。由于马尾松凋落物基质质量有着养分越高释放越快、低养分释放慢的特点。所以马尾松凋落物的基质质量中各个元素的比例差异也较为明显。而不同林龄的马尾松在凋落物与养分释放上的比较基本呈现YS<OS<MS的态势。另一方面,土壤的肥力与有机质养分含量与质量也决定了凋落物的基质质量,正分解凋落物中初始N/P的剩余物比例会随着土壤表层N、P、C的比例升高而减小,经过试验表明MS的土壤养分并不利于凋落物基质质量的释放,而其它的OS和YS则相对情况较好,这也说明了土壤养分对凋落物基质质量的养分释放存在一个周转系数的影响关系。

总结:

    经过对三种不同林龄马尾松林的凋落物分解、土壤养分、基质质量等进行分析与试验表明了马尾松凋落物的基质质量与土壤养分是有着密切的作用关系的。也就是说其凋落物基质质量的各个元素诸如N、P、C、木质素等等之间的比例越高,就越不利于土壤有机质的形成,土壤的养分积累效率也就越低。但是在不同林龄马尾松林之间的比较却发现,它们的变化规律却基本保持一致,说明土壤养分的含量决定了基质质量养分的高低。所以说,凋落物基质质量与土壤养分之间的作用是复杂的、相辅相成的。

参考文献:

[1] 葛晓改. 三峡库区马尾松林凋落物分解及对土壤碳库动态的影响研究[D].中国林业科学研究院,2012.43-66.

[2] 王进.土壤基质与凋落物分解互作效应的研究[D].华中农业大学,2014.12-17.

[3] 葛晓改,肖文发,曾立雄等.不同林龄马尾松凋落物基质质量与土壤养分的关系[J].生态学报,2012,32(3):852-862.