氮、硫沉降下邓恩桉人工林土壤与植株养分特征关系研究

吴承祯 洪伟 陈灿 林晗 范海兰 林勇明 李键 叶绍全

（1.武夷学院，福建 武夷山 354300；2.福建农林大学桉树研究中心，福建 福州 350002；3.福建省高校森林生态系统过程与经营重点实验室，福建 福州 350002）

1 前言

大气酸沉降是指pH＜5.6的大气化学物质通过降水、扩散和重力作用等过程降落到地面的现象或过程[1]，由大气氮沉降和硫沉降构成[2,3]。N、S沉降的来源可分为自然来源和人为来源。N、S沉降中的人为来源，主要是工农业生产活动，化石燃料（特别是煤、石油）燃烧所排放的大量N氧化物和硫化物，煤炭石油的燃烧是大气硫沉降的主要来源[4～5]。大气氮沉降作为一种自然现象，自地球诞生以来就一直存在，直到最近100多年才成为备受关注的一个环境问题。在自然状态下，生物氮需求量往往大于生态系统所能提供的活性氮量，所以大部分生态系统往往表现为氮缺乏型。但工业革命以来，人为排放氮化合物急剧增加，使得大气氮沉降量急剧增加，氮沉降量高的一些地区甚至出现了“氮饱和”现象，即氮输入大于氮吸收的现象，由此引起水体富营养化，土壤养分下降，植物退化等一系列环境问题。随着人类活动的进一步加剧，酸沉降问题还有继续加剧的趋势。氮素和硫素是森林生长的重要影响因子。在自然状态下，氮固定主要通过物理作用（高能固氮）和生物作用（生物固氮）完成。与氮的植被库和植被年需求量相比，森林土壤的氮库很大，但主要是有机氮且分解缓慢，不易被植物利用。硫在地壳中的含量很高，是第十大元素，吸附硫酸盐（SO42－－S）和少量非硫酸盐化合物 （S2－、S2O32－、SO32－、S2O52－、S2O62－，含量一般低于土壤总硫的 3% ）和土壤溶液中可溶性硫酸盐和少量非硫酸盐化合物中的硫均为土壤有效硫，有机质中的硫为有效硫和潜在有效硫，土壤微生物体中的硫（MB－S）是土壤硫的活性部分[6]。

邓恩桉（Eucahetus dunnii），原产澳大利亚的新南维尔士及昆士兰州东南角，在原产地是生长最快的树种之一，且可忍受极端最低气温－7℃[7]。目前对邓恩桉的研究主要集中在引种 、扦插、组织培养等方面[8]。福建已经成为酸雨严重地区之一[9]，作为福建主要的引种树种之一，邓恩桉对酸沉降的响应及其程度如何对进一步扩大邓恩桉种植面积及制订应对全球酸沉降措施具有重要的理论指导意义。目前，国内对氮沉降对森林生态系统影响的研究很少，主要集中在亚热带地区，研究内容还普遍停留在植物生理特性和土壤养分循环方面，氮沉降与森林关系方面的研究才刚刚起步[10～11]，而氮、硫复合沉降对森林的影响则鲜见报道[12]。本研究在模拟氮、硫沉降对邓恩桉生态系统的影响的基础上[13]，利用典范相关分析方法探讨酸沉降下邓恩桉幼龄林土壤养分与植物养分之间的关系，以填补我国有关氮、硫沉降对阔叶林森林生态系统研究的不足，为我国进一步开展氮、硫复合沉降研究奠定基础；同时为酸沉降增加环境下的亚热带阔叶林森林管理提供理论基础。

2 材料与方法

2.1 实验地概况

试验地位于福建省建阳市，建阳市位于武夷山南麓，地处北纬 27°06′﹣27°43′，东经 117°31′﹣118°38′，属于亚热带季风性气候，光热资源丰富。该区冬短夏长，气候宜人，静风多，温差大，雨季集中。年平均气温18℃，无霜期282 d，年平均降雨量170﹣240 m，年平均日照数1 802.7 h，土壤为山地红壤为主。邓恩桉造林地为杉木（Cunninghamia lanceolata）、马尾松（Pinus massoniana）采伐迹地，2006年2月份种植邓恩桉，造林密度为1750株·hm－2，后期人工管理进行每年3次的除草追肥，每次施肥500 g/株，现存密度为1650株·hm－2，平均胸径 8.57 cm ，平均树高 9.1 m 。样地林下植被稀疏，主要以五节芒（Miscanthus floridulus）、芒萁（Dicranopteris olichotoma）、蕨类（Pteridium aquilinum var.latiusculum）为主。

2.2 试验设计

应用二因素正交旋转组合设计[13]，参照NITREX项目[14]和林岩等[15]对酸沉降临界负荷的研究，确定模拟N、S沉降的梯度和沉降量，其中二水平全因子试验点个数mc=4，变量为零水平的重复试验点个数m0=8，与因子个数有关的参数m=4，此外加入空白处理，共17个处理，每个处理4个重复。于2007年7月在3年生邓恩桉人工纯林中设置立地条件基本相似的10 m×10 m的试验样地68块，重复之间不设置保护带，不同处理之间设置保护带，按氮、硫沉降试验因素与水平的无量线性编码值安排具体模拟试验（表1）。

表1 试验因素及其编码Tab.1 Test factors and its coding

2.3 氮、硫复合沉降的模拟

2007年7月建立样地，于每月月底以溶液的形式对样地进行模拟氮、硫复合沉降处理，实验持续1年时间。以尿素 （CO(NH2)2）作为外加氮源、硫酸钠（Na2SO4）作为外加硫源，将不同处理组合的尿素及硫酸钠溶解于20 L水中，以背式喷雾器在样地内人工均匀喷洒，对照喷施相同量的清水，以减少因外加的水而造成对森林生物地球化学循环的影响。

2.4 土壤及活立木枝叶的取样与处理

2007年7月设置样地后，在每个样地内随机布点，挖取土壤剖面 3个，分层（0-20cm、20-40cm、40-60cm）取土壤带回实验室分析，风干后混匀，按照棋盘式取样方法取土样研磨，过2mm和0.149mm土壤筛，装入自封袋待实验分析；并实测每个样地内胸径4cm以上林木的胸径和树高，根据各样地活立木每木检尺的结果，计算各样地活立木的平均胸径和树高，选定标准木。其后每次土壤取样均在同一位置附近，并对样地进行每木检尺。第一次取样时间为2007年7月，也就是模拟氮、硫沉降前，此时测定的是本底值；第二次取样时间为2007年10月，第三次取样时间为2008年1月，第四次取样时间为2008年4月，第五次取样时间为2008年7月，此模拟氮、硫复合沉降试验持续1年时间。每次土壤取样时对标准木采集当年生的枝、叶带回实验室，在80℃恒温条件下烘干至恒重、粉碎、过筛，供养分特征分析。

2.5 样品的养分特征测定方法

根据《中华人民共和国林业行业标准》对土壤及邓恩桉枝、叶片养分特征进行分析，土壤有机碳采用低温外加热重铬酸钾氧化-比色法测定、全N含量采用半微量凯氏定氮法测定、土壤全P采用碱熔-钼锑抗比色法测定、土壤全K火焰光度法、土壤有效P采用NH4F-HCI浸提-钼锑抗比色法测定、土壤速效K采用乙酸铵浸提-火焰分光光度法测定、土壤有效硫采用磷酸盐-HOAc浸提-BaSO4比浊法测定、土壤交换性酸（H和Al）采用氯化钾-中和滴定法测定。植物样品有机碳含量采用低温外加热重铬酸钾氧化-比色法测定，植物枝叶样品采用H2SO4-HClO4消煮，全N采用靛粉蓝比色法测定，植株P采用钼锑抗比色法测定，钾采用火焰光度法，钙、镁采用原子分光光度法测定。

2.6 数据处理

采用EXCEL2003、DPS2005对试验数据进行统计、分析，用DPS7.05进行计算分析各变量间的典范相关关系。

3 结果与分析

3.1 邓恩桉土壤与植株养分的典范相关分析指标的选择

通过分析氮、硫沉降对邓恩桉林地土壤和植株养分特征的影响，以模拟氮、硫沉降1年后（即第5次取样）0-20cm土层与邓恩桉枝、叶片养分特征测定数据进行典范相关分析。以土壤全量元素特性 （全磷、全钾、全氮、有机质）为X变量，以土壤有效元素特性（有效磷、速效钾、有效硫、交换性酸、交换性铝、交换性氢离子）为Y变量；以土壤全量元素、有效元素特性（全磷、全钾、全氮、有机质、有效磷、速效钾、有效硫、交换性酸、交换性铝、交换性氢离子）为X变量，以叶营养元素特性（叶磷含量、叶钾含量、叶钙含量、叶镁含量）为Y变量；以土壤全量元素、有效元素为X变量，以枝营养元素特性（枝有机质、枝氮含量、枝磷含量、枝钾含量、枝钙含量、枝镁含量）为Y变量；以叶营养元素特性为X变量，以枝养分元素特性为Y变量，分别应用典范相关分析探讨X变量和Y变量之间的关系。

3.2 邓恩桉土壤全元素与土壤有效元素典范相关分析

对氮、硫复合沉降下的邓恩桉土壤全元素与有效元素进行计算，依据各指标均值与标准差进行典范相关分析（表2），经计算可得土壤全量元素与土壤有效元素的4对典型变量，选取前2对典型变量加以描述。

第一对典型变量：

第二对典型变量：

邓恩桉土壤全量元素与土壤有效元素的4个相互独立的典范相关分析系数中有1个达到显著水平，由此可见二者存在显著的线性相关关系，说明土壤全量元素对土壤有效元素有一定影响。且在该对典范变量中，U1的 X4系数（0.4553）绝对值最大，其次为 X2系数（-0.3364）的绝对值，V1的 Y5系数（4.1306）绝对值最大，其次为Y4的系数（-3.7186）的绝对值，即变量U1与V1之间主要是土壤有机质与土壤交换性铝呈现的正相关关系。

表2 典型相关系数显著性检验Tab.2 Chi-square tests of canonical correlation coefficients

3.3 邓恩桉土壤全量、有效元素与叶营养元素典范相关分析

对氮、硫复合沉降下的邓恩桉土壤全元素、有效元素及邓恩桉叶磷、钾、钙、镁等元素含量之关系进行典范相关分析（表2），现仅分析土壤全量、有效元素与叶营养元素的2对典型变量。

第1对典型变量：

第2对典型变量：

邓恩桉土壤全量、有效元素与叶营养元素的4个相互独立的典范相关分析系数中仅1个达到显著水平，但二者之间仍存在显著的线性相关关系，说明土壤全量、有效元素对邓恩桉叶营养元素有一定影响。且在该对典范变量中，U1的X9系数（12609.81）绝对值最大，其次为X8的系数（-12281.1）的绝对值最大，V1的Y3系数（-0.7404）绝对值最大，其次为 Y4系数（0.289）的绝对值，即变量U1与V1之间主要是土壤交换性铝与叶钙含量之间呈现的负相关关系。

3.4 邓恩桉土壤全量元素、有效元素与枝营养养分典范相关分析

对氮、硫复合沉降下的邓恩桉土壤全元素、有效元素及邓恩桉枝有机质、枝氮、磷、钾、钙、镁等元素含量进行计算典范相关分析（表2），选择土壤全量、有效元素与枝营养元素的2对典型变量。

第1对典型变量：

第2对典型变量：

邓恩桉土壤全、有效元素与枝营养元素的6个相互独立的典范相关分析系数中有1个达到显著水平，因此二者之间也存在显著的线性相关关系，说明土壤全量、有效元素对邓恩桉枝养分有一定影响。在该对典型变量中，U1的 X9系数（64.0683）绝对值最大，其次为 X8系数（-62.4632），V1的 Y4系数（-0.8676）绝对值最大，其次为Y6系数（-0.3235）绝对值。即变量U1与V1之间主要是土壤交换性铝与枝钾含量之间呈现的负相关关系。

3.5 邓恩桉叶营养元素与枝营养元素之间的典范相关分析

对氮、硫复合沉降下的叶磷、钾、钙、镁等元素与枝有机质、氮、磷、钾、钙、镁等元素含量进行计算，依典范相关系数筛选叶营养元素与枝营养元素的2对典型变量（表2）。

第1对典型变量：

第2对典型变量：

叶营养元素与枝营养元素的4个相互独立的典范相关分析系数中有1个达到显著水平，由此可见二者存在显著的线性相关关系，说明叶元素对枝养分有一定影响。在该对典型变量中，U1的X4系数（0.4781）绝对值最大，其次为X2系数 （0.3544），V1的Y4系数（0.7843）绝对值最大，其次为 Y5系数（0.6373）绝对值。即变量U1与V1之间主要是叶镁含量与枝钾含量之间呈现的正相关关系。

4 结论与讨论

邓恩桉土壤全量元素与土壤有效元素之间的第1对典型变量的相关系数为0.9633，达显著相关水平，说明土壤全元素第1对典型变量U1对土壤有效元素第1对典型V1变量影响较大，而土壤全量元素第1对典型变量综合因子中起主要作用的是X4和X2因素，即土壤有机质和土壤全钾；土壤有效元素第1对典型变量综合因子起主要作用的是Y5和Y4，即土壤交换性铝和土壤交换性酸。由此可见，邓恩桉林地土壤有机质在一定程度上对有效元素土壤交换性铝具有促进作用，对土壤交换性酸则具有抑制作用，而全钾则对土壤交换性铝具有抑制作用，但对土壤交换性酸具有促进作用。且土壤有机质对土壤交换性铝影响的正面效果最大。陈明智等[16]在不同土地利用方式和种植年限对土壤交换性酸的影响中提及作物常因过量的酸及铝而受害，当土壤和土壤溶液相互作用时，由于交换性铝离子大量存在时，可使植物根系营养条件变差，损害植物生长和微生物活动。可见由于交换性铝离子大量存在，损害植物生长和微生物活动导致土壤有机质增加和微生物分解的降低，从而导致土壤有机质增多。印证了土壤有机质与土壤交换性铝的正相关。

邓恩桉土壤全量、有效元素与叶营养元素之间的第1对典型变量的相关系数为0.9963，达显著相关水平。土壤全量、有效元素第1对典型变量U1对叶营养元素第1典型变量V1的影响最大，土壤全量、有效元素第1对典型变量综合因子中起主要作用的是X9和X10因素，即土壤交换性铝和交换性氢离子；叶营养元素第1对典型变量综合因子起主要作用的是Y3和Y4因素，即叶钙含量和叶镁含量。表明土壤交换性铝和交换性氢离子对叶钙含量具有负面效应对叶镁具有正面效应，其中主要的是土壤交换性铝离子对叶钙的负面效应。这与肖辉林等[17]大气氮沉降的不断增加对森林生态系统的影响中氮沉降也会引起土壤中铝离子的溶出增加，铝离子的存在会抑制植物对其他阳离子及磷的吸收的观点相符。

邓恩桉土壤全量、有效元素与枝营养元素之间的第1对典型变量的相关系数达显著相关水平，土壤全量、有效元素第1对典型变量U1对枝营养元素第1典型变量V1的影响最大，土壤全量、有效元素第1对典型变量综合因子中起主要作用的是X9和X8因素，即土壤交换性铝和交换性酸；枝营养元素第1对典型变量综合因子起主要作用的是Y4和Y6因素，即枝钾含量和枝镁含量。表明土壤交换性铝对枝钾含量具有正面效应、对枝镁含量则具有负面效应，土壤交换性酸对枝钾含量具有负面效应、对枝镁含量具有正面效应，其中土壤交换性铝对枝钾含量的负面效应影响最大。这与肖辉林等[17]结论相符。

邓恩桉叶营养元素与枝营养元素之间的第1对典型变量相关系数为0.9427，经计算表明第1对典型变量达显著相关水平，即叶营养元素第1对典型变量U1对枝营养元素第1对典型变量V1的影响最大。叶营养元素第1对典型变量综合因子中起主要作用的是X4和X2因素，即叶镁含量和叶钾含量；枝营养元素第1对典型变量综合因子起主要作用的是Y4和Y5，即枝钾含量和枝钙含量。表明叶镁含量、钾含量对枝钾含量、钙含量具有正面效应，其中叶镁含量对枝钾含量的正面影响效果最大。李天才等[18]认为，封育草地和退化草地同一种典型植物中钾、磷与钙、镁元素之间具有负相关性；而韦忠等[19]研究表明高钙、高镁处理可以提高烟叶根系钾的吸收、增加烟叶的钾积累量，提高上、中、下部叶的钾含量。但植物种类不一，其关系规律也可以不一致，因此对于邓恩桉叶营养元素与枝营养元素各因子不同含量情况下的相互关系还有待进一步深入研究。

由于邓恩桉经营周期短，生物生长量大，决定其须从土壤中吸收和消耗大量矿质营养元素，尤其在幼龄期反应特别敏感，所以，施肥是培育邓恩桉速丰林不可缺少的技术环节，同时也是防治地力衰退的重要措施之一[13]。所以对于土壤养分和植物营养元素之间的相关关系研究尤为重要。长期以来，人们对植物钾、钙、镁营养的研究比较广泛，研究内容包括钾、钙、镁素的营养生理其作用机制以及在土壤中的转化和作物吸收特点等[19]。但对于植物钾、钙、镁养分之间的相互关系，目前仍缺乏深入的研究[20]。本文主要研究邓恩桉幼龄林土壤养分和植物营养元素之间的关系，为邓恩桉可持续管理提供理论基础，同时也为进一步研究其相关互作藕合关系奠定基础。但由于土壤营养元素与植株营养元素对不同程度氮、硫沉降的响应规律可能有所不同，而本次仅以邓恩桉幼龄林0-20cm土壤层的1年模拟监测数据作为分析基础数据，所以应进一步综合分析不同程度氮、硫沉降下土壤与植株营养元素之动态关系。且由于野外模拟试验，影响试验因素不能够掌控，还有待于进一步长期的观测与研究。

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