外源氮磷输入对文峪河上游典型河岸林土壤属性的影响

李素新，郭小宇，张芸香，郭晋平

(1.山西农业大学林学院，山西 太谷 030801； 2.山西农业大学城乡建设学院，山西 太谷 030801)



外源氮磷输入对文峪河上游典型河岸林土壤属性的影响

李素新1，郭小宇1，张芸香1，郭晋平2

(1.山西农业大学林学院，山西 太谷 030801； 2.山西农业大学城乡建设学院，山西 太谷 030801)

以关帝山文峪河上游3种典型河岸林为研究对象进行了外源氮磷输入试验。通过对土壤定期取样、试验室化验分析，对不同河岸林外源氮磷加载前后土壤属性进行分析，结果表明：外源氮磷输入前土壤全氮和硝态氮含量、土壤pH值及土壤含水量在不同类型河岸林之间的差异都达到极显著水平(p<0.01)，土壤全磷、速效磷和铵态氮含量差异不显著；外源氮输入后土壤全氮、硝态氮、速效磷、含水量在不同类型河岸林之间表现极显著差异；外源磷输入后3种河岸林土壤全磷含量差异不显著，而其它属性指标均表现出极显著性差异。关键词： 文峪河； 河岸林； 外源氮磷； 土壤属性

河岸林是以森林植被为主体的河岸带，生物多样性丰富，土地生产力高，在流域景观中发挥着独特的水文功能和生态功能。河岸林土壤介于河流与农田或高地森林之间，能够截留、过滤由陆地生态系统向河流传输的有机物与无机物，如，地表水、泥石流、各种养分、枯枝落叶等，进而影响河流中泥沙、营养元素等的含量及分布。

氮磷是林木生长必不可少的营养元素，森林土壤的含氮量明显高于非林地。森林土壤中氮的循环不仅是森林生态系统中氮素循环最重要和最活跃的过程，也是氮素生物地球化学循环的重要组成部分。磷在植物的光合作用、呼吸作用和生物膜等结构功能中具有重要的生理作用。加载外源氮磷，通过植被的吸收、转化、土壤微生物的硝化和反硝化等方式，可引起河岸林土壤的本底属性发生变化。

该地区的河岸带植被及林地土壤研究已经取得较多成果，但主要集中在植物群落结构多样性、林地枯落物特性、河岸带土壤有机碳及氮含量等方面，外源营养元素加载对土壤属性的影响研究较少。笔者以文峪河上游3种典型河岸林为研究对象，对不同河岸林外源氮磷加载前后土壤属性进行了分析，比较了不同外源氮磷加载量对土壤属性的影响，旨在为河岸带流域的生态科学管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

文峪河上游位于吕梁山脉中段关帝山林区的庞泉沟国家级自然保护区，地理坐标东经111°21′～111°37′，北纬37°45′～37°59′.属于受季风影响和控制的暖温带大陆性山地气候，年均温4.2 ℃，年均降水量822.6 mm.该区域自然植被茂盛，高、中山地域乔木以寒温性华北落叶松、白杄和青杄为主，灌木主要有沙棘、毛榛、金花忍冬、土庄绣线菊等，草本植物主要有披针苔草、蕨类、瓣蕊唐松草、蒿类等。地带性土壤东部为草原褐土，西部为黄绵土。由于关帝山山体高大，地方气候分异特征明显，受地质、地貌、气候、生物及人为活动的影响，在不同海拔处依次分布着不同类型的土壤，山体上部至山体下部主要的土壤类型有亚高山草甸土、山地草原草甸土、山地棕色森林土、山地淋溶褐土、山地褐土、褐土性土或粗骨性褐土(东坡)、黄绵土(西坡)。

1.2 样地设置与调查

2011年4月底，在文峪河流域上游大草坪沟内选取具有代表性的针叶(落叶松、云杉)混交林、阔叶(白桦、茶条槭)混交林和灌木(沙棘等)林3种植被类型的河岸林，调查并记录其地理位置、海拔、坡向、坡度、土壤类型和林型等基本因子。3种植被类型的河岸林基本情况见表1.

表1 样地基本情况

在每个类型的典型河岸林内设置10条垂直于河道的样带，宽5 m，长25 m.对样带内所有乔木树种进行每木检尺，测定记录其树种、胸径和树高。并在每条样带内按5 m 1个距离梯度设置1个试验样点进行分层取土，即0 m～5 m，5 m～10 m，10 m～15 m，15 m～20 m和20 m～25 m.初次取样完成后，分别进行氮磷养分的外源输入，氮素输入采用含氮46.4%的尿素，设计5个输入量梯度，分别为N0：0.00 g/m2(空白对照)，N1：9 g/m2，N2：12 g/m2，N3：15 g/m2和N4：18 g/m2.磷素输入采用含磷量为12%的过磷酸钙，设计5个输入量梯度，分别为P0：0.00 g/m2(空白对照)，P1：3.28 g/m2，P2：6.55 g/m2，P3：9.82 g/m2和P4：12.00 g/m2.每个样带外源加载一个梯度输入量，经过6个月的生长和土壤响应，于10月底在同样的取样点进行土样采集。土壤取样采用土钻法，在表层30 cm范围内采集土壤混合样品(重复采样3次，混匀)，2次共取样300个，带回实验室进行分析。

1.3 测定方法

土壤全氮采用凯氏定氮法测定，土壤全磷采用HClO4-H2SO4法测定，土壤铵态氮采用KCl浸提-靛酚蓝比色法测定，土壤硝态氮采用酚二磺酸比色法测定，土壤速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，土壤含水量采用105 ℃烘干法测定，pH值采用电位法测定。

1.4 数据分析

所有数据用Date Desk 6.1进行方差分析和差异性比较。

2 结果与分析

2.1 不同类型河岸林土壤本底属性及其差异性分析

同一地区不同类型河岸林土壤理化属性的本底性质差异性是分析土壤对外源氮磷输入的响应和承载力的基础。为此，先对氮磷外源输入前各种河岸林试验标准地的土壤属性进行调查取样和分析，结果见第30页表2.

表2 不同河岸林土壤的本底属性

由表2可见，3种河岸林土壤全氮含量，最低为2.14 g/kg，最高为3.55 g/kg；其中，阔叶林下土壤全氮含量的变化最大，3者比较，灌木林≥阔叶林>针叶林。3种河岸林的土壤铵态氮含量差异不显著，含量大小为阔叶林≥灌木林≥针叶林.3种河岸林的土壤硝态氮含量以灌木林最高，达到9.52 mg/kg，与阔叶林和针叶林的差异均达到显著水平；3者比较，灌木林>针叶林≥阔叶林。土壤全磷和速效磷含量在3种河岸林类型之间的差异性不显著，土壤全磷含量针叶林≥阔叶林≥灌木林，土壤速效磷含量针叶林≥灌木林≥阔叶林。土壤pH值在3种河岸林之间总体差别不大，介于6.17～6.41之间，3者表现为阔叶林≥针叶林≥灌木林。3种河岸林土壤含水量普遍较低，其差异趋势与土壤pH值一致，灌木林最低，为15.20%；阔叶林最高，为19.70%；3者比较，阔叶林≥针叶林≥灌木林。

侯大同从此与汤家结缘。五年后，汤翠大学毕业偶遇侯大同，才知道他还单着。经过几次恋爱的汤翠已经抛去一切对爱情不切实际的幻想，侯大同的好很快重新漫上汤翠的心。没想到，侯大同竟然不乐意。汤家分析来分析去，侯大同缺少拒绝的理由。汤翠漂亮不说，工作也体面，市统计局公务员。侯大同呢，父母不在了，虽说卖地补偿的两套房子都归了他，毕竟没个固定工作，像个游民。不愁吃不愁穿不假，在外面说起来到底气短。汤翠觉得，侯大同这样的人不可能因为两套房子看不上她。原因只剩一个，侯大同自卑，怕自己配不上她。找到症结，汤翠像当年的侯大同一样，勇往直前，一举拿下侯大同。

依据土壤属性指标测定数据，对不同类型河岸林土壤属性进行差异显著性检验，结果见表3.

表3 不同河岸林土壤氮磷含量的差异显著性

由表3可见，外源氮磷输入前土壤全氮和硝态氮含量、土壤pH值及土壤含水量在不同类型河岸林之间的差异性均达到极显著水平(p<0.01)，土壤铵态态、全磷及速效磷含量的差异性没有达到显著水平。

2.2 外源氮输入对不同类型河岸林土壤属性的影响

不同强度的外源氮素输入处理后，经过6个月河岸林植物吸收、土壤微生物的硝化和反硝化等作用，不同类型河岸林土壤氮磷含量和相关属性会发生变化。超过土壤最大承载量的外源氮输入，在经过一定时间自然排除后的含量能在一定程度上反映不同类型河岸林土壤的氮磷承载潜力。

对外源氮输入后3种河岸林土壤氮磷含量和各相关属性指标之间的差异性进行多重比较，结果见表4.

表4 不同类型河岸林外源氮输入后的土壤属性

由表4可见，研究地区3种河岸林类型在外源氮素输入后，经过一个生长季节，土壤全氮、硝态氮、速效磷含量及土壤含水量在3种类型之间的差异均显著。土壤全氮含量是灌木林≥阔叶林>针叶林，铵态氮含量是阔叶林≥灌木林≥针叶林，硝态氮含量是灌木林>针叶林≥阔叶林；土壤全磷含量是阔叶林≥针叶林≥灌木林，速效磷含量是针叶林≥灌木林>阔叶林。相应的土壤含水量阔叶林显著大于灌木林，表现为阔叶林≥针叶林≥灌木林。土壤pH值3者之间差异均不显著，表现为阔叶林≥针叶林≥灌木林。

对3种河岸林土壤在外源氮加载后的土壤氮磷含量和相关属性测定结果进行差异显著性方差分析，结果见第31页表5.

表5 外源氮输入后河岸林土壤属性的差异显著性

2.3 外源磷输入对不同类型河岸林土壤属性的影响

对3种河岸林输入外源磷素后的土壤氮磷含量及相关属性指标之间的差异性进行多重比较，结果见表6.

表6 不同类型河岸林外源磷输入后的土壤属性

由表6可见，外源磷输入后，3种河岸林的土壤全氮含量灌木林≥针叶林>阔叶林；灌木林全氮含量最高，为2.64 g/kg；阔叶林最低，为1.91 g/kg，针叶林与灌木林差异不显著。土壤铵态氮含量针叶林与阔叶林和灌木林之间差异显著，阔叶林与灌木林之间差异不显著；3种河岸林中，针叶林铵态氮含量最高，为11.82 mg/kg，阔叶林最低，为7.57 mg/kg，表现为针叶林>灌木林≥阔叶林。土壤硝态氮含量在3种河岸林之间都有显著差异，表现为灌木林>针叶林>阔叶林。土壤全磷含量没有显著差异，表现为阔叶林≥针叶林≥灌木林的趋势。土壤速效磷含量表现为针叶林>阔叶林≥灌木林，针叶林的含量最高，为11.20 mg/kg；灌木林最低，为9.11 mg/kg，灌木林与阔叶林之间差异不显著。外源磷输入后3种河岸林的土壤pH值相互之间差异均显著，表现为灌木林>阔叶林>针叶林，灌木林土壤pH值最高，达到7.67，偏弱碱性；针叶林最低，为6.50；阔叶林为7.12，接近中性。3种河岸林的土壤含水量在针叶林和阔叶林之间无显著差异，表现为针叶林≥阔叶林>灌木林；针叶林含水量最高，为19.97%，灌木林最低，为14.90%.

对3种河岸林外源磷输入后的土壤氮磷含量及相应的土壤pH值和土壤含水量进行双因素方差分析，结果见表7.

表7 外源磷输入后河岸林土壤属性的差异显著性

由表7可见，外源磷输入后3种河岸林土壤中除全磷含量差异不显著外，其它属性指标均表现出极显著的差异性。不同的外源磷输入量导致土壤铵态氮含量和土壤pH值表现出极显著差异，全氮含量表现出显著差异。河岸类型与外源磷输入量的交互作用使土壤pH值的差异极显著，其它属性指标的差异性均没有达到显著水平。

3 结论与讨论

对研究区3种典型河岸林分别加载5个外源氮磷输入量梯度，通过取样化验分析，结果表明：外源氮磷输入前土壤全氮和硝态氮含量、土壤pH值及土壤含水量在不同类型河岸林之间的差异都达到极显著水平(p<0.01)，土壤全磷、速效磷和铵态氮含量差异不显著。土壤全氮含量灌木林≥阔叶林>针叶林，硝态氮含量灌木林>针叶林≥阔叶林；针叶林全磷含量最高，阔叶林速效磷含量最低；土壤pH值阔叶林与灌木林差异显著，阔叶林≥针叶林≥灌木林；土壤含水量阔叶林≥针叶林≥灌木林。

外源氮输入后土壤全氮、硝态氮、速效磷、含水量4个指标在不同类型河岸林之间均表现为极显著差异；土壤pH值、铵态氮在输入不同含量的外源氮后差异达到极显著水平，土壤硝态氮达到显著水平；土壤pH值、铵态氮含量在不同交互作用下差异达到极显著水平，全磷含量差异性显著。外源氮素输入后，经过一个生长季节，3种河岸林类型土壤的全氮含量都出现下降的趋势。李冬林等的分析结果表明，河岸带土壤有机质和全氮两者呈极显著正相关r=0.934，这与 Neff 等的研究结果(在研究中发现，施加氮显著加快了轻组有机质的分解，重组有机质部分稳定)一致。

外源磷输入后导致3种河岸林土壤全磷含量差异不显著，而其它属性指标都表现出极显著的差异性，这与刘德燕等采用室内培养试验研究外源磷输入对沼泽湿地土壤养分的影响结果相近。不同的外源磷输入量导致土壤铵态氮含量和土壤pH值表现出极显著差异，全氮含量表现出显著差异。河岸类型与外源磷输入量的交互作用使土壤pH值的差异性极显著，其它属性指标的差异均没有达到显著水平。

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Influence of Exogenous Nitrogen and Phosphorus Inputs on Typical Riparian Forest Soil Properties in Upstream Wenyu River

Li Suxin1， Guo Xiaoyu1， Zhang Yunxiang1， Guo Jinping2

(1.CollegeofForestry,ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030801,China；2.CollegeofUrbanandRuralConstruction,ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030801,China)

Taking three types riparian forest of upstream in Wenyu river as study object, the test studied the influence of nitrogen and phosphorus inputs. Through regularly collecting, testing and analyzing the soil, it analyzed the soil properties before and after exogenous nitrogen and phosphorus inputs in different riparian forests. The results were as follows: before exogenous nitrogen and phosphorus input, difference of soil total nitrogen and nitrate content, pH and the soil moisture content in different riparian forests reached extremely significant level (p<0.01), soil total phosphorus and available phosphorus were no significant difference; after exogenous nitrogen input, soil total nitrogen, nitrate nitrogen, available phosphorus, water content showed significant difference between different riparian forests; after exogenous phosphorus input in three kinds riparian forest soil, total phosphorus content was not significant difference, while all the other property indexes showed significant differences.

Wenyu river； Riparian forest; Exogenous nitrogen and phosphorus； Soil properties

2015-01-01

国家自然科学基金项目(30970480)；山西省留办基金项目(2008079)；山西农业大学科技创新基金(201217)

李素新(1981— )，女，山西广灵人，2009年毕业于山西农业大学，讲师。

郭晋平(1963— )，男，山西原平人，教授，博导，主要从事森林生态、森林培育和景观生态方面的教学科研工作。

S714

A

1007-726X(2015)02-0028-05