疏伐施肥对白兰林凋落物层养分和土壤生化性质的影响

王 敏，邹晓君，严万兵，李 政，陈伟东，严利章，薛 立*

疏伐施肥对白兰林凋落物层养分和土壤生化性质的影响

王 敏1，邹晓君2，严万兵1，李 政1，陈伟东1，严利章1，薛 立2*

(1. 佛山市云勇生态林养护中心，佛山 528518；2. 华南农业大学林学与风景园林学院，广州 510642)

为抚育白兰生态景观林提供科学依据，对阔叶树种白兰（）进行疏伐施肥，2017年疏伐白兰林至750株·hm-2，并对保留木施有机肥和钙镁磷肥。2017年疏伐前和2019年用小样方法在白兰林采集凋落物层样品，用五点取样法采集0 ～ 40 cm土层的土壤样品。用常规方法测定凋落物的氮、磷、钾含量及土壤的pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量；分别用比色法、磷酸苯二钠比色法和高锰酸钾滴定法测定脲酶、磷酸酶及过氧化氢酶活性。研究结果表明，疏伐施肥2年后，2019年的凋落物储量减少了39%，凋落物氮、磷和钾储量分别下降了45%、35%和23%。土壤pH上升了3%，土壤有机质、全氮、全磷、有效磷和速效钾含量分别增加了34%、3%、21%、79%和5%，全钾和土壤碱解氮含量分别减少了11%和2%。土壤的脲酶和酸性磷酸酶活性分别减少了14%和32%，而土壤中的过氧化氢酶活性增加了12%。与2017年相比，2019年白兰林的凋落物C/N显著上升，而C/P 和N/P显著下降；土壤C/N和C/P显著上升，而N/P显著下降。研究结果显示疏伐施肥能明显提高森林的土壤肥力，可推广和运用于生态景观林抚育中。

白兰林；疏伐施肥；凋落物层养分；土壤生化性质；化学计量

近年来，我国的一些人工林由于林分密度过大，导致生长缓慢、土壤肥力下降等问题。疏伐和施肥是森林抚育的重 要手段：疏伐可以通过采伐部分林木，增加保留木的生长空间，改善林内光照、水分、温度，以减少树木对空间和土壤养分的竞争，提高森林的生长和质量[1]；施肥则可以补充土壤养分，提高土壤肥力。

森林凋落物分解后将养分归还土壤，改善了土壤肥力，对于土壤养分的维持具有重要作用。目前，疏伐对凋落物层影响的研究较少，例如 Rietl等[2]报道间伐能加速凋落物分解；赵朝辉等[3]的研究表明，疏伐加速凋落物分解；肖文娅等[4]也发现，适度间伐能够改变凋落物层温度和酶活性，促进杉木人工林凋落物的分解。施肥对凋落物的影响则有大量的研究，如施磷肥加快了亚热带林凋落物的分解速率[5-6]，而施氮肥效果则随人工林种类不同而异，可以加速[7]或抑制[6, 8]凋落物分解。

土壤肥力综合反映土壤的物理、化学和生物特性。有机质、氮( N) 和磷( P) 是土壤肥力的重要组成部分，也是限制土壤生产力的重要因子。有机质通过影响土壤理化和生物学性质而影响树木吸收土壤水分和养分，维持长期的土壤肥力。N主要参与合成植物体内的氨基酸、蛋白质等的重要元素，P 是核酸的重要组成成分，常常影响树木的生长发育，限制生态系统初级的生产。土壤酶是主要源自土壤微生物代谢过程、土壤动物和植物根系分泌且具有生物催化活性的物质，在森林凋落物分解和土壤养分矿化等土壤生物化学过程中起着重要作用，反映土壤养分的转化能力。土壤脲酶能够将土壤有机氮转化为可供树木利用的有效态氮，土壤磷酸酶能促进土壤中有机磷转化为树木可吸收的无机态磷，而土壤过氧化氢酶活性可以反映土壤腐殖质化的强度和速度。疏伐改善林内 光照和土壤温度，提高林下植物多样性，因而 增加凋落物和加速凋落物 分解，提高了土壤肥力[3]。目前已有一些疏伐影响人工土壤特性的报道，例如黄香兰等[9]认为疏伐通过影响凋落物分解和林下植物而改变了土壤肥力。王成等[10]发现疏伐增强了土壤微生物活性与土壤矿化过程，促进了土壤养分释放与土壤肥力恢复。有关学者对于施肥影响土壤肥力进行了广泛的研究，发现施肥影响土壤微生物和酶活性，引起土壤肥力变化[11-13]。

生态化学计量学主要是研究生态系统中多种化学元素平衡的科学。碳(C)、N和P是土壤肥力的核心组成元素。Ｃ是植物体内的结构性物质，占干生 物量的50%左右，Ｎ和Ｐ分 别是蛋白质和遗传物质的重要组成元素，这3种元素 在他们的生化功能中形成了强烈的耦合关系。所以，生态化学计量学的研究焦 点为C/N/P。土壤作为 森林生态系统的养分库，研究其C、N、P 化学计量特征 有助于了解C、N、P的循环和平衡机制。不同森林林下凋落物分解产物的差异，影响土壤中C、 N、P 的分布特征及平衡，因而凋落物和土壤的化学计量成为生态化学计量学的研究热点。对不同森林 土壤C、N、P 化学计量有较多的报道，如赵维俊等[14]报道青海云杉（）林凋落物的C/N、C/P和N/P均大于土壤的C/N、C/P和N/P；汪宗飞等[15]研究人工油松（）林的化学计量比后发现，随着林龄的增加，油松凋落物的C/N、C/P和N/P无显著差异，0～10 cm土层的C/N、C/P和N/P呈显著增加趋势；刘兴锋等[16]探讨了湘西北石漠化区4种森林土壤化学计量特征，发现土壤C/N 和C/P 均为阔叶林＞针阔混交林＞灌木丛＞针叶林；任启文等[17]证实，冀北山地森林土壤C/N和C/P随海拔梯度升高而增加。

白兰（DC.）是原产印度尼西亚爪哇的常绿乔木树种，现广泛栽培于我国华南地区，是著名的庭院观赏树种。广东省佛山市高明云勇生态林养护中心于2008年栽植了白兰生态景观林。由于林分密度过大，林木个体竞争激烈，土壤肥力下降，需要抚育以发挥其生态效益和景观效益。目前对生态景观林的研究主要集中于树种配置和选择[18-19]、美景度分析[20-21]等方面，对生态景观林的抚育技术研究较少[22]，尚鲜见白兰林疏伐施肥的报道。笔者通过对白兰林疏伐施肥，研究其凋落物层养分与土壤生化特性的变化, 以期为提高生态景观林的生态功能和景观效益提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究地区概况

试验地位于广东省佛山市高明区云勇生态林养护中心（112°40′ E，22°53′ N），养护中心的森林面积为1 928.73 hm2。研究地区属于亚热带季风气候，年均降雨量2 100 mm，主要集中在6—8月，年平均相对湿度80%。试验地属丘陵地形，土壤为花岗岩发育的酸性赤红壤。2017年，9年生的白兰林分郁闭度为0.9。林分位于海拔278 m、坡向SW 44°、坡度11°的山坡，主要林下植被有黑面神、三叉苦、扇叶铁线蕨、乌毛蕨和小叶海金沙。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计 2017年12月在白兰生态景观林建立3块20 m × 20 m的疏伐施肥处理样地，疏伐施肥处理，同时建立对应的对照（CK）样地，疏伐按照“疏小留大，照顾均匀”的原则进行。疏伐后保留木密度约为750株·hm-2。疏伐后对保留木施肥，施肥量为施芬蓝精制有机肥5 kg·株-1和钙镁磷肥1 kg·株-1。在林木上坡位挖出深度为15～20 cm、半径为100 cm的半月沟，将有机肥和钙镁磷肥混合施入半月沟，然后覆土。白兰林分疏伐施肥2年后，样地的平均树高由10.5 m增加到11.8 m，平均胸径由14.1 cm增加到17.3 cm。

2019年12月在林分内各样地设置5个1 m × 1 m的小样方进行凋落物的采集。称取凋落物鲜重后，取部分样品带回实验室测定氮、磷、钾含量。用五点采样法采集各样地0～40 cm土壤层的土样，密封带回实验室，测定土壤的化学性质及酶活性。

1.2.2 凋落物和土壤化学性质测定 将凋落物在70 ℃恒温下烘干至恒重。氮用半微量凯氏法测定，磷用钼兰比色法测定，钾用原子吸收分光光度计测定[6]。

采用中华人民共和国国家标准森林土壤测定方法。pH用GB 7859—87的电位法，土壤有机质含量用GB 7857—87的重铬酸钾氧化—外加热法，土壤碱解氮含量用GB 7849—87的碱解—扩散法，土壤速效钾含量用GB 7856—87的1 mol·L-1乙酸铵浸提—火焰光度法。

用半微量凯氏法测定全氮，用氢氧化钠碱熔法将土壤样品溶融后提取待测液，用钼蓝比色法测全磷，火焰光度计测全钾，土壤有效磷含量采用0.5 mol·L-1碳酸氢钠法测定[11]。

脲酶用扩散法，磷酸酶用磷酸苯二钠比色法，过氧化氢酶用高锰酸钾滴定法测定[12]。

1.2.3 数据分析 研究采用Microsoft Excel 2013 软件进行试验数据统计和图表制作，运用-检验对不同年份的凋落物养分、土壤养分和酶进行平均数差异检验，显著性水平为< 0.05。

2 结果与分析

2.1 凋落物养分

试验2年后，CK的凋落物储量显著减少了32%（< 0.05），凋落物氮和磷含量分别下降5%和17%，钾含量显著提高了48%（< 0.05）（表1）。凋落物氮和磷储量分别显著下降了35%和46% （< 0.05），钾储量下降了7%。

疏伐施肥2年后，由于2019年的凋落物储量显著减少了39%（< 0.05）, 凋落物氮含量下降3%，凋落物磷含量上升10%，凋落物钾含量显著提高了26%（< 0.05）。

由于凋落物储量的急剧下降，使得2019年的凋落物氮和磷储量分别显著下降了45%和35%（< 0.05），钾储量下降了23%。氮、磷和钾的储量由2017年的33.0、1.3和4.7 kg·hm-2下降到2019年的18.1、0.9和3.6 kg·hm-2。

表1 凋落物的储量和养分(平均值±标准差)

注：同列数值后不同字母表示相同处理在不同年份差异显著（< 0.05）。下同。

2.2 土壤养分

2019年CK的土壤全氮和有效磷含量分别显著下降了15%和 25%（< 0.05），其余指标无显著变化(表2)。

2019年经过疏伐施肥的白兰林土壤pH没有显著变化。土壤有机质由23.24显著上升到30.93 kg·hm-2，显著上升了34%（< 0.05）。2019年土壤全氮含量由2017年的1.05增加到1.08，全P由0.19显著增加到0.23 g·kg-1（< 0.05），增幅分别为3%和21%。全钾含量由13.25减少到11.80 g·kg-1，减幅为11%。与2017年相比，2019年土壤碱解氮含量由90.19 mg·kg-1下降到88.46 mg·kg-1, 减少了2%；土壤有效磷含量0.80 mg·kg-1显著增加到1.43 mg·kg-1（< 0.05）, 速效钾由29.40 mg·kg-1增加到30.99 mg·kg-1, 增幅分别为79%和5%。

表2 土壤化学性质（平均值±标准差）

表3 土壤酶活性（平均值±标准差）

表4 白兰林凋落物和土壤化学计量比(平均值±标准差)

2.3 土壤酶变化

2019年CK的土壤脲酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性与其2017年相比无显著变化（表3）。与2017年相比，2019年疏伐施肥的白兰林土壤的脲酶由458 mg·kg-1·d-1下降到396 mg·kg-1·d-1，酸性磷酸酶活性由855 mg·kg-1·h-1显著下降到584 mg·kg-1·h-1（< 0.05），降幅分别达14%和32%，而土壤过氧化氢酶活性由1.73 mL·g-1·h-1增加到1.92 mL·g-1·h-1，增幅为12%。

2.4 凋落物和土壤化学计量比

2019年CK的土壤C/N显著大于2017年（< 0.05），其余指标无显著差异（表4）。2019年经过疏伐施肥的凋落物的白兰林凋落物C/N比2017年显著上升了10%（< 0.05），而C/P 和N/P分别显著下降了10%和50%（< 0.05）。2019年白兰林的土壤C/N和C/P分别显著上升了29%和21%（< 0.05），而N/P显著下降了15%（< 0.05）。

3 讨论与结论

3.1 凋落物养分

试验2年后，疏伐施肥样地的凋落物储量下降幅度大于CK，二者均显著减少。2018年9月特大台风“山竹”引起林分林窗的产生，提高了林内太阳光照水平，增加了林下的气温和土温，加速了CK凋落物的分解。疏伐提高了林地的太阳辐射和地表温度，而太阳中的紫外光和地表温度上升有利于凋落物的分解[23]。许多研究发现，施肥特别是磷肥能加快亚热带森林凋落物的分解。例如施磷促进了巴西塞拉多森林凋落物[6]、马占相思凋落叶[24]和大叶相思凋落叶的分解[7]。因此，疏伐施肥样地的凋落物储量显著下降。

尽管疏伐引起的林内光照增强和温度上升，南亚热带的充沛降雨及施肥加速了凋落物的分解，但是氮和磷不易流失[25]，加上有机肥、特别是磷肥可以补充凋落物氮和磷，因此疏伐施肥2年后凋落物氮含量仅下降3%，而凋落物磷含量上升10%。2年后的凋落物钾含量显著上升。佘汉基等[24]的研究表明，外源性氮、磷和氮+磷处理的马占相思林的凋落叶Ｋ含量在分解初期被淋溶释放后，随后呈现波动性上升趋势。因此凋落物钾含量的上升可能是施肥、雨水淋溶、微生物吸收及凋落物分解释放共同作用的结果。2019年疏伐施肥样地的凋落物储量急剧下降，导致凋落物氮、磷和钾储量的下降。

3.2 土壤化学性质

经过疏伐施肥的土壤pH略微上升。钙镁磷肥属于碱性肥料，能提高土壤pH。但是土壤自身具有缓冲pH的能力[2]，所以土壤 pH变化不大。疏伐施肥促进了凋落物分解，在分解转化为土壤腐殖质的过程中促进了有机质含量显著增加。另外，土壤施肥后, 满足了植物和土壤微生物所需的有效养分, 可以减少有机质的矿质化[10]。

CK的土壤全氮显著下降，而疏伐施肥的土壤全氮含量增加，全磷含量显著增加。CK的土壤全氮下降可能与林木生长需求较多的氮有关。疏伐后林地的太阳辐射和土温增加, 有利于凋落物分解, 加上施肥的效果，可以在满足林木生长所需求的氮和磷的情况下，增加了土壤氮和磷含量。增加的土壤有效性磷容易与华南地区酸性赤红壤中的铝离子和铁离子结合而增加全磷含量[26]。2019年疏伐施肥的土壤全钾含量减少。尽管凋落物分解有利于钾的释放，但是钾容易受到雨水的淋溶[27], 加上在凋落物中的富集，引起土壤全钾含量下降。

2019年疏伐施肥样地的土壤碱解氮含量减少，可能因为施肥促进了林木生长，加快对土壤可溶性氮的吸收；CK的土壤有效磷含量下降则可能与林木生长吸收了一定量的有效磷有关。疏伐施肥样地的土壤有效磷含量的显著增加与凋落物分解加快有关，同时施钙镁磷肥直接增加了土壤有效磷含量。疏伐施肥样地的速效钾略有增加，可能与有机肥中含钾有关。肥料提高了微生物活性，有利于土壤全钾转化为速效钾[28]。此外，林分疏伐林可以提高土壤温度，有利于岩石风化，而试验林的母岩为富含钾长石的花岗岩, 因此增加了速效钾含量[29]。

3.3 土壤酶

2019年疏伐施肥样地的脲酶下降，可能与其土壤碱解氮含量高有关。土壤碱解氮的增加缓解了土壤中的氮限制，导致土壤微生物分泌的脲酶减少，降低了其活性[11]；酸性磷酸酶活性显著下降，可能是磷肥抑制了酸性磷酸酶[28]。磷肥降低了土壤微生物与植物对磷的竞争，减少了其以获取磷为目的去合成磷酸酶的能量投入，降低了磷酸酶的分泌量[11]；土壤过氧化氢酶活性的增加可能与施磷肥有关。南方赤红壤磷含量较低，磷的增加可以平衡土壤养分，促进了树木生长和微生物活动，因此提高了过氧化氢酶的活性[12]。

3.4 凋落物和土壤的化学计量

C/N比和C/P都是有效反映凋落物分解速率和凋落物养分释放的重要指标。本研究中 ，2017年和2019年疏伐施肥样地的凋落物C/N分别为36.69和39.32，大于喀斯特植被（23.72）[30]，黄土高原的刺槐林（17.16）[31]和青海云杉林（33.25）[14]的凋落物养分的Ｃ/Ｎ比，表明与以上林分相比，不利于凋落物分解。 2017年和2019年的凋落物C/P分别为903.65和814.28, 大于喀斯特植被（484）[30]青海云杉林[14]（484.07），与黄土高原子午岭地区油松林（966.77）[15]相近。白兰凋落物中的N和P容易被微生物分解，且在华南地区充沛降雨淋失，造成木质素难分解物质的积累，导致C/N和C/P升高。2017年和2019年的凋落物N/P分别为35.14和17.56。通常凋落物N/P小于10.0时凋落物分解为N限制，大于16.0 凋落物分解为P限制[31]。由此判断，白兰凋落物分解为P限制。

施肥疏伐处理后，凋落物的C/N 升高，而C/P和N/P下降，表明凋落物分解过程中，C的释放比N的释放慢，却比P的释放快，而N的释放也比P的释放快。凋落物中C/P和N/P的下降表明由于凋落物中的P含量低，在凋落物分解过程中，凋落物中的P不能满足微生物的生长发育，微生物将固定一部分P至凋落物中, 且吸收率超过自身消耗率，引起P含量升高，最终导致C/P和N/P的下降。

2017年疏伐施肥样地的土壤C/N为12.78，与我国土壤的平 均值（12）[15]和全球土壤的C/N平均 值(13.33)[33]相近。2019年疏伐施肥样地的土壤C/N为16.54，高于我国土壤和全球土壤的C/N，主要原因是施有机肥后，提高了有机Ｃ含量。2017年和2019年疏伐施肥样地的土壤C/P分别为70.62和77.64，低于全球森林土壤的平均水平（81.90）[33]。较低的C/P表明有机质分解速率快, 土壤P有效性高。2019年疏伐施肥样地的土壤C/P高于2017年与施磷肥有关。另外，研究地点年降水量大、年平均气温高, 土壤微生物活跃, 凋落物分解快, 导致森林土壤有机质的快速分解，土壤C含量下降。2017年和2019年疏伐施肥样地的土壤N/P分别为5.53和4.70，低于全球森林土壤 的（6.60）[33]，这将有利于林地土壤微生物在矿化土壤有机质中释放较多的磷元素，促进白兰林生长。

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Effects of thinning and fertilizing on litter nutrients and soil biochemical properties in aDC. plantation

WANG Min1, ZOU Xiaojun2, YAN Wanbing1, LI Zheng1, CHEN Weidong1, YAN Lizhang1, XUE Li2

(1. Maintenance Center of Yunyong Ecological Forest, Foshan 528518;2. College of Forestry and Landscape Architecture, South China Agricultural University, Guangzhou 510642)

Litter and soil play an important role in maintaining forest productivity, but litter nutrient and soil biochemical property can be affected by forest management practices, such as thinning and fertilizing. To examine the effect of thinning and fertilizing on litter nutrient and soil biochemical property in aDC. plantation so as to provide a scientific basis for the reasonable management ofplantations, an experiment of thinning + fertilizing was conducted to theplantation in 2017, litter nutrient and soil biochemical property were measured before thinning + fertilizing and two years after thinning + fertilizing measure, and corresponding indexes were compared. Litter samples were collected in five subquadrat of 1 m × 1 m, and the soil samples were collected by five-point sampling method from 0 - 40 cm depth soil layers in theplantation. Nitrogen, phosphorus and potassium contents in litter, soil pH, organic matter, total nitrogen, total phosphorus, total potassium, alkalized nitrogen, available phosphorus and available potassium were determined by routine methods. Activities of catalase, phosphatase and urease were determined by colorimetry, disodium phenyl phosphate colorimetric method and titration with potassium permanganate, respectively. In comparing with those in 2017, litter amount decreased by 39%, N, P and K amounts of litter decreased by 45%, 35% and 23% in 2019, respectively. The pH of the soil increased by 3%, and the contents of soil organic matter, total N, total P, available P and available K increased by 34%, 3%, 21%, 79% and 5%, respectively, whereas, the total K and alkalized N contents decreased by 11% and 2%, respectively. The soil urease and phosphoric enzyme activities decreased by 14% and 32%, respectively, while soil catalase activity increased by 12%. Compared to 2017, C/N significantly increased, whereas C/P and N/P significantly decreased in litter;C/N and C/P significantly increased, whereas N/P significantly decreased in the soil of theplantation in 2019. The results suggested that the thinning + fertilizing measure can obviously improve the soil fertility of theplantation, which can be used for stand tending of eco-landscape forest.

; thinning and fertilizing; nutrient of litter layer; soil biochemical property; stoichiometry

S153.6; S714.2

A

1672-352X (2021)03-0474-06

10.13610/j.cnki.1672-352x.20210706.013

2021-7-7 10:36:39

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.S.20210706.1646.026.html

2020-09-04

佛山市科学技术局项目（2017AB004124）资助。

王 敏，工程师。E-mail：minwangcq2005@126.com

薛 立，教授，博士生导师。E-mail：forxue@scau.edu.cn