人工云杉林土壤磷组分对林窗大小的响应

摘要：通过疏伐来制造林窗是一种重要的衰退森林的管理实践。然而，对于林窗所导致的土壤磷（P）形态的变化却知之甚少。本文研究多年尺度上三种类型的冠层林窗对再造云杉林中土壤磷素形态的影响。在中国四川西北部茂县的26年生再造云杉林中，通过修剪设定了0、74、109和196m²四种尺度的树窗。在2008～2013年间每年的八月份采集土样。利用Bowman和Cole的土壤磷分级方法来测定两种无机磷形态（Pi）和五种有机磷形态（Po）。修剪不会改变土壤中总P、总Po和Pi的含量，但是会很大程度上影响土壤有效磷形态。中等和大型林窗的处理方式增加了降水量较大且分布均匀年份的土壤易分解态无机磷（NaHCO₃提取态磷）。同时，也增加了降水量较小且分布不均年份的中等易分解态无机和有机磷（HCl提取态磷）含量。相反，稳定态磷形态（NaOH和H₂SO₄提取态磷）并不会受到树窗构造的影响。而林窗所导致的土壤水分、有机物、微生物和磷酸酶活性的改善，则有利于增加易分解态磷的含量。研究表明，林窗尺度对土壤微观环境的影响对评价土壤养分的响应（例如，土壤磷对森林管理的响应），具有重要的意义。

研究背景：

    土壤P以无机和有机两种形态存在，是陆地生态系统中植物生长最重要的营养元素之一。由于土壤的固磷作用，仅有少部分的无机磷是可溶性的且能被植物利用。因此，土壤磷的缺乏是森林生产力的主要限制因素，尤其是在中国四川西部的亚高山带种植园。土壤磷对微生物和植物的有效性主要取决于土壤磷的形态，所以了解不同形态的土壤磷对于评价P的生物利用度是十分必要的。越来越多的学者开始以易分解、中度分解和难分解形式划分研究土壤无机磷（Pi）和有机磷（Po）的形态。

    疏伐作为一种自然林窗的模拟，有利于树木的生长和提高森林的生产力，已经成为中国和其他地区森林生态系统中常见的管理方式。有关土壤呼吸、碳矿化、氮循环和微生物群落方面都已经有了较为全面的研究。但在森林疏伐对土壤磷形态和有效性的影响方面，还知之甚少。

    微生物有利于P的合成和释放、磷酸酶的分泌和不溶性磷的溶解，在有机磷转化过程中起着至关重要的作用。微生物能够通过矿化有机磷来增加P对植物的有效性。由土壤微生物和植物根系生成的磷酸酶控制着有机磷的有效性。而磷酸酶活性与土壤中的有机磷含量呈现正相关，与无机磷含量呈现负相关。另一方面，微生物能够降低P的有效性，主要是通过将无机磷固定成有机形式、溶解有机化合物来分解磷和降低pH值来改变根圈等方式。疏伐通过改变微环境（主要是增加了土壤中的水分和温度）和基底的数量、质量来影响土壤微生物群落和生物量。Mosca和Bolat等学者研究发现设置林窗会导致土壤有机物的增多，从而增加了土壤的微生物量。由于林窗能够使进入土壤中的雨水量增加，而蒸发量减少，温带落叶林、北方针叶林以及湿润的热带森林地区会有更高的土壤水分，并且土壤水分会随着森林系统中林窗尺度的增大而增加。土壤水分的增加通常又能够促进自然条件下微生物活性，从而加速有机磷矿化。Xu等研究发现林窗能很大程度上增强酸性和碱性磷酸酶活性，并且磷酸酶活性也会随着林窗尺度的增大而增强。随着光照、水分和营养元素等资源利用率的提高，林下植被能够更好地生长，也能够吸收部分植物根系之前无法利用的土壤磷。并且林下植被的枯枝落叶被分解也可以增加土壤有效磷形态。

研究目的：

通过量化2008-2013年间26年生的再造云杉林在四种疏伐处理方式（0、74、109和196m²四种尺度的树窗）下土壤磷形态，从而研究在中国青藏高原东部亚高山森林中，林窗的构造和大小对土壤磷形态的影响。

研究结果：

1.土壤有机磷、无机磷和总磷的含量

①土壤总磷在0-10cm的土层深度，其含量为411～490 mg kg⁻¹；在10-20cm的土层深度，含量为382～456 mg kg⁻¹。

②重复测量方差分析结果显示：土壤总磷和总无机磷含量并没有受到林窗尺度和取样时间的影响(Table 1)；总有机磷含量虽然也没有受到林窗尺度的影响，但两个土层深度的总有机磷含量却明显受到了取样时间的影响。

2.土壤磷形态

①重复测量方差分析表明，除0-10cm土层深度的H₂SO₄–P_o以外，0-10cm和10-20cm土层深度的各类土壤磷形态都很大程度上受到了采样时间的影响。并且采样时间和林窗尺寸的相互影响也导致了两个土层深度中NaHCO₃-P_i和NaHCO₃-P_o含量的变化。

3. 土壤性质的改变

①与对照区相比，大林窗很大程度上增加了2009和2013年度两个土层深度的土壤水分；2013年度中等林窗处理方式下的有机碳含量明显高于对照区，但是在2009年度四种处理方式下SOC含量并没有区别；两个土层深度的微生物量碳（MBC）含量受林窗尺寸的影响并不明显。

②酸性和碱性磷酸酶活性仅在2013年度被测定出来，其含量分别为230-280(mgphenol kg⁻¹ dry soil h⁻¹)和190-240(mg phenol kg⁻¹ drysoil h⁻¹)。对于0-10cm的土层深度来说，酸性磷酸酶在大尺度和小尺度林窗处理方式下要明显高于对照区，碱性磷酸酶在疏伐过的三种处理方式下都会明显高于对照区；而对于10-20cm的土层深度来说，酸性和碱性磷酸酶活性都没有受到林窗构造的影响。

4.土壤属性和P组分之间的相关性。

①0-10cm土层深度的NaHCO₃–Po，在2009年与土壤水分呈现显著负相关；在2013年与酸性磷酸酶呈现显著正相关。

②0-10cm土层深度的HCl–P_i与碱性磷酸酶呈现正相关性。两个土层深度的HCl–P_o在2013年与土壤有机碳和土壤水分都呈现正相关；其中，0-10cm土层深度的HCl–P含量在2013年与碱性磷酸酶呈现正相关。

研究结论：

1. 中等和大型林窗的处理方式增加了降水量较大且分布均匀年份的土壤易分解态无机磷（NaHCO₃提取态磷）。同时，也增加了降水量较小且分布不均年份的中等易分解态无机和有机磷（HCL提取态磷）含量。

2. 林窗所导致的土壤水分、有机物、微生物和磷酸酶活性的改善，是控制易分解态磷改变的主要因素。

3. 稳定态磷（NaOH和H₂SO₄提取态磷）并不会受树窗尺度大小的影响。

4.中等和大型林窗有利于土壤易分解态和中等易分解态磷的增加。因此，从土壤磷修复的角度来说，100-200m²尺度大小的林窗能够作为中国青藏高原东部再造云杉林的结构调整模式。