不同林龄杉木根际和非根际土壤矿质养分含量及根际效应

郭 文, 焦鹏宇, 唐楚珺, 杜大俊, 刘 先, 胡亚林, 王玉哲

(福建农林大学林学院，福建 福州 350002)

土壤中的营养元素是植物体内多种有机化合物的重要组成部分[1-2]，其含量、分布和有效性不仅与土壤母质和成土过程有关，还受土壤性质、植被类型和人为因素的影响[3-4].根际是根系活动和代谢最旺盛的区域[5-6].根际微域内的营养元素能够被植物直接吸收利用，其形态和有效性受根际分泌物及根系活动直接影响[7].林木在不同生长阶段根系形态和根系活力有显著差异[8]，直接影响根际土壤营养元素含量，从而使得根际土壤养分含量在林木不同生长阶段存在较大差异.同时，根际土壤营养元素含量能够直观地体现土壤养分状况，是土壤肥力评价的重要指标之一[9].因此，研究不同林龄林木土壤营养元素含量变化特征，对了解林木不同生长阶段土壤肥力状况和保持土壤养分平衡具有重要意义.

植物根系通过根际沉积向根际土壤释放有机酸、酚类和黏液等有机化合物，导致根际土壤pH、营养元素以及微生物活性等发生改变，进而造成根际与非根际土壤物理、化学和生物特性上的差异，诱发根际效应[10-11].根际效应的大小被认为是林木根系获取养分能力强弱的表现[12].相关研究表明，林木不同生长阶段的根际效应有显著差异[13]，这说明不同生长阶段林木对根际养分的获取能力有显著差异.因此，研究不同生长阶段林木根际效应，对了解林木在生长过程中获取养分的能力具有重要意义.

杉木(Cunninghamialanceolata)是我国南方重要的速生用材树种[14]，种植广泛.由于杉木对土壤养分高吸收、低归还的特点[15]，林地土壤肥力会随着林龄增大逐渐下降，从而限制杉木的生长发育[16].目前，有关杉木的土壤养分含量及根际效应已有报道[13,17-18]，但主要集中在土壤C、N、P方面，而有关杉木土壤其他矿质养分的研究较少.基于此，本研究以中亚热带不同林龄(7、15、24、34 a)杉木人工林为研究对象，测定了其根际和非根际土壤有效态常量元素(P、K、Ca、Mg)、微量元素(Fe、Mn、Cu、Zn)及Na、Al的含量，并计算不同林龄杉木林的根际效应，旨在揭示不同生长阶段杉木人工林土壤的养分动态特征，为杉木人工林的养分管理提供依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况与样地设置

试验区位于福建省中北部福建农林大学西芹教学林场，地理位置大致为北纬26°34′15″、东经118°05′41″，地处南方低山丘陵区，海拔180～200 m，坡度25°左右；属中亚热带季风气候，年均温17.3 ℃，年降水量1 817 mm[19].试验区土壤为黄红壤，土体含有少许石砾.林下植被主要有粗叶榕(Ficushirta)、半边旗(Pterissemipinnata)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)、铁芒萁(Dicranopterislinearis)、海金沙(Lygodiumjaponicum)、荩草(Arthraxonhispidus)等.

在试验区内选取立地条件基本一致的幼龄(7 a)、中龄(15 a)、近熟(24 a)和成熟(34 a)杉木人工林作为研究对象，不同林龄间距离大于500 m、小于2 km.分别在每个林龄杉木人工林中设置4块标准样地，面积为20 m×20 m，各样地间隔大于50 m，共16块样地.各样地概况见表1.

表1 不同林龄杉木人工林样地基本概况Table 1 Basic situation of C.lanceolata plantation at different stand ages

1.2 样品采集与分析

2019年4月，在每块样地内选择3株生长状况一致的杉木作为标准木进行土壤采样.根际土壤收集用抖落法[13]：先清除标准木地表凋落物及残留覆盖物，然后在标准木基部不同方向沿着根系挖取细根，去除不含根系的土壤，再将黏附在根表的土壤抖落、收集，作为根际土壤(rhizosphere, R)，将所取的3个土样混匀并装入自封袋内作为一个混合样，共16份根际土壤样品.同时，在各个样方内沿S型选取5个取样点，去除表面残留覆盖物后，用土钻采集0～20 cm土壤样品作为非根际土壤(non-rhizosphere, S)，将5个取样点土壤混匀后装入自封袋，共16份非根际土壤样品.将采集的土壤样品密封、低温保存并迅速带回实验室，挑出混合土样中的根、石块等杂物，然后过2 mm筛备用.

土壤含水率测定采用烘干法；经水土2.5∶1浸提[20]，用pH计(雷磁PHS-3C)测定土壤pH.土壤有效态营养元素经AB-DTPA(1 mol·L-1NH4HCO3-0.005 mol·L-1DTPA)浸提后，用ICP-OES(PE Optima 8000，美国)测定其含量.

1.3 数据处理与分析

根际效应用根际土壤和非根际土壤各指标的比值表示[21].

先对所有数据进行正态分布和方差齐性检验，然后采用双因素方差分析(two-way ANOVA)检验林龄、土壤类型及其交互作用对土壤含水率、pH和土壤矿质养分含量的影响；用最小显著性差异法(least-significant difference， LSD)对不同林龄间各指标进行多重比较(P<0.05)，用Pearson法分析各指标之间的相关性.以上分析均在SPSS 22.0软件中进行.

2 结果与分析

2.1 不同林龄杉木林根际与非根际土壤含水率和pH

由图1可知，根际与非根际土壤含水率和pH均没有显著差异(P>0.05).随林龄增大，根际和非根际土壤含水率均先升高后降低，24 a杉木林土壤含水量最大，并显著高于7和34 a杉木林(P<0.05)；而根际和非根际土壤pH均随林龄增大而降低，24 a杉木林土壤pH最低，7 a杉木林土壤pH最高，且显著高于其他3个林龄(P<0.05)，34 a杉木林土壤pH与24、15 a杉木林无显著差异(P>0.05).

柱上不同字母表示不同林龄间差异显著(P<0.05).图1 不同林龄杉木林土壤含水率和pHFig.1 Soil moisture content and pH value under C.lanceolata plantations at different ages

2.2 不同林龄杉木林土壤矿质养分含量

由表2可知：林龄对土壤Fe和Zn含量无显著影响(P>0.05)，而对土壤其他矿质养分含量的影响极显著(P<0.01)；根际与非根际土壤间Ca和Zn含量没有显著差异(P>0.05)，其他养分含量均有显著差异(P<0.05)；林龄和土壤类型的交互作用对土壤Na和Al含量的影响显著(P<0.05)，对其他营养元素含量的影响不显著(P>0.05).随林龄增大，土壤中不同常量元素含量的变化规律有所差异：根际和非根际土壤K、Ca和Mg含量均呈现先增后减的趋势，在15 a杉木林达到最高；P含量呈现下降的趋势，在7 a杉木林达到最高(表3).土壤微量元素：随林龄增大，根际和非根际土壤Zn和Fe含量未发生显著变化；根际和非根际土壤Mn和Cu含量呈现先升高后下降的趋势，均在15 a杉木林达到最高，且显著高于其他3个林龄.随林龄增大，Na含量在根际土壤呈现下降的趋势，而在非根际土壤呈现先下降后上升的趋势，但在7 a杉木林为最高，且显著高于15和24 a杉木林.根际土壤Al含量呈现先减再增后减的趋势，在34 a杉木林达到最低，且显著低于其他林龄，非根际土壤Al含量在24 a杉木林达到最高，且显著高于7和15 a杉木林(表3).

表2 林龄和土壤类型对土壤含水率、pH和矿质养分含量影响的双因素方差分析Table 2 Two-way ANOVA analysis on the effects of forest age and soil type on soil moisture content, pH value and mineral nutrients contents

表3 不同林龄杉木林根际和非根际土壤矿质养分含量1)

2.3 不同林龄杉木林根际效应

由图2可知，不同林龄杉木林对土壤含水率和pH的根际效应均趋近于1(P>0.05).土壤常量元素：不同林龄杉木林对土壤P和Ca的根际效应没有显著差异(P>0.05)，且均为正效应；不同林龄杉木林对土壤K和Mg的根际效应存在差异，15 a杉木林对 K和7 a杉木林对Mg的根际效应最大，34 a杉木林对K和Mg的根际效应趋于1，无明显根际效应.土壤微量元素：34 a杉木林对Fe和Cu及24 a杉木林对Zn的根际效应趋于1，其他林龄对Fe、Cu和Zn的根际效应均为正效应；随林龄增大杉木林对Mn的根际效应没有显著变化，而对Fe、Cu和Zn的根际效应整体呈现下降的趋势.随林龄增大，杉木林对Na和Al的根际效应呈下降趋势，且34 a杉木林对Na和Al无明显根际效应.

图2 不同林龄杉木林土壤含水率、pH和矿质营养元素的根际效应Fig.2 Rhizosphere effects of different ages of C.lanceolata on soil moisture content, pH value and mineral nutrients

2.4 土壤矿质养分相关性分析

相关性分析表明，各元素间的相关关系在不同土壤类型间有较大差异.根际土壤中，P含量与pH及K、Ca、Mg、Na、Mn和Cu含量呈显著正相关(P<0.05，表4);而在非根际土壤中，P含量与其他养分含量均无显著相关性(P>0.05，表5).K含量在根际和非根际土壤中均与Ca、Mg、Cu和Mn含量呈显著正相关(P<0.05，表4、5).

表4 杉木林根际土壤矿质养分相关性分析1)Table 4 Correlation analysis on mineral nutrients of rhizosphere soil under C.lanceolata plantation

表5 杉木林非根际土壤矿质养分相关性分析1)Table 5 Correlation analysis on mineral nutrients of non-rhizosphere soil under C.lanceolata plantation

3 讨论与结论

3.1 不同林龄杉木林土壤矿质养分含量特征

本研究结果表明，林龄对土壤中多种矿质养分含量具有显著影响，说明林龄是影响根际和非根际土壤矿质养分状况的重要因素，这与其他杉木人工林土壤养分的研究结果[22-23]一致.在森林生态系统中，土壤矿质养分含量主要来源于土壤矿物的风化作用和凋落物的归还[24]，而在人工林中短期内风化作用释放的养分较少.因此，凋落物归还及人为输入是土壤养分的最主要来源.根际和非根际土壤K和Mg含量在幼龄林到中龄林阶段均显著升高，在中林龄到近熟林阶段显著降低，而在近熟林到成熟林阶段均没有显著变化.这可能与杉木本身的生物学特性以及不同的经营措施有关.在造林前期，采伐迹地通常保留了大量的枝叶，增加了养分归还量；同时，炼山等措施产生的黑炭能够在短期内显著提高土壤中常量养分的含量[19].因此，在杉木人工林幼龄林到中龄林阶段，土壤常量矿质养分含量显著升高.在杉木林生长期，大量的土壤养分被杉木吸收利用，而养分归还量较少，使得常量矿质养分含量在中龄林到近熟林阶段显著降低；近熟林之后，杉木的生长趋于成熟，所需养分量与养分归还量趋于平衡状态.因此，在杉木人工林的生产经营过程中，应注意中龄林到近熟林的矿质养分状况，可适当补充养分.

杉木的正常生长除了需要土壤常量元素外，微量元素也是必不可少的[25].本研究中，随林龄增大，根际和非根际土壤Fe和Zn含量没有显著变化，Mn和Cu含量在近熟林显著下降，而后趋于稳定.除了杉木自身特性的影响外，矿质养分的活化也是主要影响因素.大部分植物通过有机酸活化土壤中吸附态的养分[26]，而有机酸的分泌主要表现为土壤pH的变化.本研究也发现，非根际土壤pH与K、Ca、Mn和Cu含量呈显著正相关，这表明非根际土壤pH的降低能够显著减弱土壤碱性矿质养分的有效性.此外，随着pH的降低，土壤中所带的负电荷增加，土壤对水溶性矿质离子、交换性矿质离子的吸附性减弱[27]，使得土壤中Mn和Cu含量随着pH的降低在近熟林显著降低.但对于pH过高或过低的土壤，pH的变化会限制植物对养分的吸收和减弱根系活性[28].同时，非根际土壤pH与Al含量呈极显著负相关，非根际土壤pH过低会加速Al3+的活化，从而对植物造成毒害，抑制植物的生长发育，甚至会导致森林退化[29-30].

3.2 不同林龄杉木林对土壤矿质养分的根际效应

本研究结果表明，杉木幼龄林和中龄林对土壤矿质养分的根际效应均为正效应，均表现为根际富集，这与前人的研究结果[13]一致.当杉木根系对土壤养分的吸收速率小于有效养分的活化和迁移速率时，各矿质养分在根际富集[22].成熟林对土壤K、Mg、Na和Cu的根际效应均显著低于其他林龄，而其他林龄间没有显著差异，这表明在杉木成熟阶段，K、Mg、Na和Cu含量在根际的富集量显著降低.除根际土壤pH的影响外，土壤含水量也是影响根际效应的主要因素.土壤矿质养分主要以离子的形态存在于土壤中，其主要通过扩散的方式在土壤中迁移[31].相关研究表明，土壤有效养分扩散系数与土壤含水量呈正相关，土壤含水量的降低能够降低土壤养分扩散系数[32]，从而降低土壤矿质养分的迁移速率，使各有效养分在根际的积累量减少.因此，在杉木生长阶段，土壤要保持较高的含水量，才有利于矿质养分的活化和迁移，使得更多的有效养分在根际土壤富集，从而为杉木的生长提供更多的养分.

综上所述，中亚热带杉木人工林根际和非根际土壤矿质养分含量大多在中龄林到近熟林阶段显著降低；土壤pH和含水量会影响土壤矿质养分的活化和迁移，从而影响杉木的生长发育.因此，在杉木人工林的生长期，应当适当补充养分，同时调节土壤pH，为杉木人工林生长提供良好的土壤环境，从而实现其可持续性经营.