戴云山自然保护区毛竹向杉木扩张对林分土壤质量及其凋落物分解的影响

摘要

毛竹(Phyllostachys edulis)作为克隆性植物，是一种扩张性很强的物种，随着全球气候变暖，毛竹扩张将成为必然趋势。福建戴云山脉位于南亚热带与中亚热带过渡带，毛竹林已经扩张蔓延到海拔1500m，而且逐渐形成连片趋势，引起管理部门重视。对戴云山自然保护区毛竹向杉木(Cunninghamia lanceolata)扩张林分研究可知，毛杉混交林中毛竹通过增加立竹高度以及增大胸径获得更多光照和养分，同时会增加毛杉混交林灌草层物种多样性。已有研究表明阔叶林肥沃的土壤为毛竹扩张提供养分支持，同时毛竹扩张会导致阔叶林物种多样性降低。毛竹向杉木扩张林分土壤既要满足毛竹快速生长需要，又要维持灌木层和草本层更多的物种多样性，土壤质量成为主要影响因素。毛竹向杉木扩张是否通过提高土壤质量，达到扩张目的？在毛竹扩鞭繁殖过程中土壤物理性质、化学性质、团聚体以及土壤活性有机碳等方面变化又是如何相互作用达到改善土壤质量？凋落物作为土壤养分重要来源，毛杉混合凋落物分解在土壤质量改善方面起到什么作用？目前这些内容鲜有研究，正是论文需要进一步解决的问题。 以戴云山自然保护区毛竹向杉木扩张过程三种林分：毛竹林、毛杉混交林、杉木林为研究对象，从土壤理化性质、土壤团聚体稳定性、土壤团聚体碳氮特征、土壤活性有机碳库以及凋落物分解和养分释放等方面进行分析，利用突变级数法研究毛竹向杉木扩张过程中土壤质量变化趋势，探讨土壤质量变化的影响因素，揭示毛竹向杉木扩张林分土壤质量演变机制，为将来管理部门应对毛竹扩张采取管控措施提供科学依据。主要研究结果如下： 毛竹向杉木扩张过程中，毛竹通过增大胸径以及增加立竹高度获得更多养分和光照，同时毛竹扩张林分可以增加灌木层和草本层物种种类，使草本层物种分布的均匀度发生显著变化。 毛竹扩张林分对土壤理化性质影响：（1）毛竹扩张可以降低土壤密度，其中对表层土壤密度改善最明显；主要通过提高土壤非毛管孔隙度达到改善土壤孔隙度特性；主要通过提高表层和浅层土壤水分达到改善土壤持水性能。（2）可以增加土壤有机碳和全氮含量。土壤密度通过强烈间接负作用、最大持水量和毛管持水量通过间接促进作用、土壤通气度和pH值通过直接促进作用达到影响土壤有机碳含量变化。（3）土壤物理性质主要影响有机碳、全N和全P的变化。 毛竹扩张林分土壤团聚体稳定性及其碳氮贮量分布特征：（1）毛竹扩张过程有利于土壤团聚度提高和稳定性增强。土壤团聚体质量分数基本上与相邻粒径团聚体正相关，与粒径差别较大团聚体负相关。三种林分的土壤分形维数、可蚀性K值随着土壤深度增加而增大，而平均重量直径、平均几何直径则相反。分形维数是反映土壤结构与稳定性主要指标，＞5mm和＜0.25mm团聚体是影响土壤分形维数的主导因子。（2）毛竹扩张可以增加土壤团聚体有机碳、全氮含量和贮量，对表层土壤增加效果尤其明显。土壤有机碳和全氮贮量主要贮存于＞2mm土壤团聚体中。（3）不同粒径团聚体有机碳含量和全氮含量间均存在显著强线性相关，1-2mm、0.5-1mm、0.25-0.5mm团聚体有机碳含量变异能由团聚体全氮含量解释的比例均超过90%，而＞2mm团聚体有机碳含量变异能由团聚体全氮含量解释的比例为54.6%；团聚体全氮含量受土壤有机碳含量影响也具有类似结论。 毛竹扩张林分对土壤活性有机碳库影响：（1）毛竹扩张有助于土壤有机碳和全氮含量增加以及下层土壤碳氮储量积累。1月份土壤有机碳、全氮含量和碳氮比均比8月份高。土壤全氮和有机碳含量具有显著线性回归关系，若增加单位土壤有机碳含量，毛竹林全氮含量增量最大，杉木林最少。土壤大粒径团聚体含量越高、土壤透气性和持水性能越好，土壤有机碳和全氮含量越高。（2）毛竹扩张可以增加土壤易氧化态碳含量，有助于土壤水溶性有机碳和易氧化态碳储量积累。土壤活性有机碳存在明显表层富集现象，8月份土壤微生物量碳含量均比1月份高，而土壤易氧化态碳含量则相反。土壤有机碳和全氮是土壤易氧化态碳主要影响因子。增加单位土壤有机碳含量，毛竹林易氧化态碳含量增加最多；而增加单位土壤全氮含量，杉木林土壤易氧化态碳含量增加最多。（3）毛竹向杉木扩张可以提高土壤碳库管理指数，在0-60cm土层土壤平均碳库管理指数为毛竹林＞混交林＞杉木林。（4）土壤大团聚体质量分数越高，越有利于土壤易氧化态碳和微生物量碳积累。主要物理性质对土壤水溶性有机碳和易氧化态碳影响较大，其中土壤密度、最大持水量、总孔隙度、毛管持水量和土壤通气度起到重要作用。化学性质是影响土壤易氧化态碳主要因素。 毛竹扩张林分土壤质量评价：利用突变级数法从土壤理化性质、团聚体稳定性、团聚体有机碳氮和土壤活性有机碳等方面研究毛竹扩张林分土壤质量变化，土壤质量排序为PP1（毛竹林0-20cm土层）＞PPCL1（混交林0-20cm土层）＞CL1（杉木林0-20cm土层）＞PP2（毛竹林20-40cm土层）＞PPCL2（混交林20-40cm土层）＞CL2（杉木林20-40cm土层）＞PP3（毛竹林40-60cm土层）＞PPCL3（混交林40-60cm土层）＞CL3（杉木林40-60cm土层），其中PP1和PPCL1的土壤质量达到优良级别，CL1的土壤质量达到较好水平，PPCL2、PP2、CL2和PP3为一般水平，PPCL3和CL3为比较差水平。毛竹林扩张可以提高土壤质量，尤其对表层土壤质量提高具有明显作用。 毛竹扩张林分凋落物分解动态及养分释放模式：（1）凋落物中毛竹凋落叶所占比例越高，分解速率越快，利用三角函数模型比Olson指数模型拟合凋落物分解更精确。混合凋落物分解不支持生物量比率假说，在PP6CL9分解过程中有可能存在相互阻碍作用，而在PP9CL6中有可能存在相互促进作用，其内在机理需要进一步研究。（2）混合凋落物初始养分含量与单一物种凋落物基本上存在显著差异。凋落物中毛竹凋落叶含量越高，凋落物C、N养分释放越快。凋落物初始C、N、P浓度与分解一年后凋落物相应元素剩余质量分数分别存在显著二项式关系、幂律函数关系和指数函数关系。（3）凋落物质量分解具有季节规律性，其中温度是最主要影响因素。凋落物C和P阶段释放率也具有季节特性，在温度较低和降水较少阶段，C表现为缓慢释放甚至富集状态，P主要表现为富集效应；当温度和降水逐渐增大时，C和P均转变为净释放。 综上可知，毛竹向杉木扩张过程主要通过大量鞭根生长改善土壤物理性质和团聚体稳定性，结合鞭根分解促进土壤有机碳和全氮生成与积累，进而提高土壤易氧化态碳和微生物量碳等活性碳成分。同时毛竹向杉木扩张可以加快凋落物分解速率，进而加速凋落物养分向土壤回归，提高土壤有机碳和全氮含量，达到提高土壤质量目的，满足毛竹扩张过程中增加胸径和立竹高度对养分需求，同时满足灌木层和草本层更多物种生长需要。而毛竹扩张过程中对杉木生长抑制作用以及成为毛竹纯林后对灌草层物种多样性和土壤质量长期影响，则需要进一步研究。