李文久 雷泽勇 王国晨 张野 张欣月

摘要  選择辽宁省章古台樟子松固沙林中9块样地原位布设凋落物分解试验，研究凋落物分解下不同土层深度（0～60 cm）的有机碳、全氮、碱解氮、全磷、有效磷含量及其变化量的动态变化规律。结果表明：T1、T2分解时段（60、120 d）的土壤有机碳含量增长率自表层向深部呈减弱趋势；T1～T3时段（60、180、360 d）土壤碱解氮的变化量随土层的增加而逐渐减小，T1、T2分解时段0～20 cm土层土壤碱解氮与20～60 cm土层土壤存在显著差异（P<0.05）；各土层有效磷的变化量最大值均出现在T3时段，各层T1～T3时段土壤有效磷变化量均呈递增趋势，随着凋落物分解时间的增加，各层土壤有效磷增加量渐趋平衡，至后期（T4）相差不大。综合来看，研究区沙地土壤全氮、全磷含量变化不显著，而土壤有机碳、碱解氮和有效磷含量及变化量在分解初期表层高于深层，各养分垂向迁移能力表现为有机碳＞碱解氮＞有效磷。

关键词  樟子松；有机碳；碱解氮；有效磷；凋落物

中图分类号  S 714   文献标识码  A   文章编号  0517-6611（2023）05-0113-05

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2023.05.026

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Litter Decomposition on Soil Carbon， Nitrogen， and Phosphorus in Sand-fixing Forest of Pinus sylvestris var. mongolica

LI Wen-jiu1， LEI Ze-yong1，2， WANG Guo-chen3 et al

（1. College of Environmental Science and Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin， Liaoning 123000; 2 .Degenerate Land Ecological Governance Research Institute， Liaoning Technical University， Fuxin， Liaoning 123000; 3. Liaoning Institute of Sandy Land Control and Utilization， Fuxin， Liaoning 123000）

Abstract  The dynamics of organic carbon， total nitrogen， available nitrogen， total phosphorus and available phosphorus contents and changes at different soil depths （0-60 cm） under decomposition of litter were investigated in nine in situ plots in Zhangguotai Pinus sylvestris var. mongolica sand-fixing forest in Liaoning Province.The results showed that the growth rate of soil organic carbon content in the T1 and T2 decomposition period（60， 120 d） decreased from the surface to the deep， the change amount of soil alkali-hydrolyzable nitrogen in T1-T3 period（60， 80， 360 d） gradually decreased with the increase of soil layer. There was a significant difference between 0-20 cm soil alkali-hydrolyzable nitrogen and 20-60 cm soil alkali-hydrolyzable nitrogen in T1 and T2 decomposition periods; the maximum change of available phosphorus in each soil layer appeared in T3 period， and the change of available phosphorus in each soil layer from T1 to T3 period showed an increasing trend. With the increase of litter decomposition time， the change of available phosphorus in each soil layer gradually balanced， and there was no significant difference in the later period （T4）. On the whole， the content of total nitrogen and total phosphorus in the study area did not change significantly， but the content and variation of soil organic carbon， available nitrogen and available phosphorus were higher in the surface layer than in the deep layer at the initial stage of decomposition， and the vertical migration ability of each nutrient was organic carbon > available nitrogen > available phosphorus.

Key words  Pinus sylvestris var. mongolica;Soil organic carbon;Available nitrogen;Available phosphorus;Litter

森林凋落物又称枯落物，是连接森林地上植被和地下土壤的重要桥梁，在森林植被生长发育过程中起着不可替代的作用，是土壤养分的主要来源［1］。土壤碳、氮、磷质量分数的变化可以反映土壤养分状况。土壤碳、氮和磷是陆地生态系统植被生长发育的重要营养元素，能够反映土壤碳蓄积动态及养分供应能力［2］，是衡量森林生态系统物质循环和能量流动的重要指标［3-4］。土壤有机碳对维护生态环境，保护土地资源及农林业的可持续发展均具有重要作用。氮是植物在生长过程中从土壤中吸收利用最多的养分元素，其各种转化过程是评价森林生态系统功能的重要指标，而土壤磷作为植物所需磷元素的唯一来源，不仅用于合成植物体结构成分，并且参与多种生化反应过程［5］。

樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica）天然分布于我国大兴安岭北部山地和呼伦贝尔沙地草原，具有耐寒、耐旱、耐贫瘠和较速生等优良特性。自20世纪50年代在我国辽宁省章古台地区成功引种以来，樟子松作为优良的固沙造林树 种被迅速引种栽植。以往有关樟子松人工固沙林的研究集中于樟子松林营建与管理、衰退机制以及樟子松的适应性研究等方面，由于樟子松人工林处于半干旱地区，森林土壤发育较缓慢，凋落物的分解是其土壤碳、氮、磷形成的重要因素［6-7］。目前国内外关于半干旱地区沙地樟子松凋落物分解对土壤碳、氮、磷影响的研究相对缺乏，影响了樟子松人工林的经营管理。因此，笔者以科尔沁沙地遼宁省沙地治理与利用研究所章古台试验林场的樟子松成熟林为研究样地，研究沙地樟子松林凋落物分解对0～60 cm深度土壤碳、氮、磷的影响，旨在分析樟子松成熟林凋落物分解对土壤碳、氮、磷垂直分布的影响规律，为沙地樟子松人工林科学管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地设立在中国东北科尔沁沙地的辽宁省沙地治理与利用研究所章古台试验林场（42°39′～42°43′N，122°23′～122°33′E），该地为中国北方典型草原与农地交错地带，海拔高度平均为225 m。研究地地处中温带，大陆性季风气候，年均气温4.6～6.3 ℃，年降水量450 mm左右。年平均风速4.5 m/s，春季多大风、扬沙天气。土壤类型主要为风沙土和流动风沙土，pH 6.7。代表性植物有中华委陵菜（Potentilla anserina）、中华隐子草（Cleistogenes chinensis）、山杏（Armeniaca sibirica）、兴安胡枝子（Lespedeza daurica）等，营建樟子松固沙林前为沙质固定草地［8］。

1.2 研究方法

1.2.1    试验地设置。

于章古台试验林场樟子松成熟林设置9块30 m×20 m标准样地。在9块标准地中的每个标准地设立凋落物原位分解小区，采用凋落物分解袋进行（凋落物分解袋孔径为0.5 mm，大小为200 cm2），每个凋落物袋装凋落物3 g，凋落物袋布设土壤表层深度5 cm（除去凋落物层和草根层后将地表土壤覆盖至分解袋上，尽量保持原有土层层次和厚度），用铁丝固定，使其在自然条件下分解。凋落物分解于2020年5月20日开始，分解时段分别设为60、120、180、360 d（分别为处理T1、T2、T3、T4），每块样地每个时段凋落物分解设3次重复；每个分解时段结束后每块样地取走3个分解袋；同时分土层（0～10、10～20、20～40、40～60 cm）采集凋落物分解袋取后下方土壤样品。

在试验开始前0.5 a，试验小区四周用壕沟法埋设200目双层钢丝网进行截根，深度1 m，阻止外围根系进入小区，排除植物生长对土壤碳、氮、磷含量的影响。为了消除试验过程中不断有新的凋落物输入带来影响，每月对试验地掉入的凋落物人工清理一次直至试验结束。为了避免降雨过程中外部径流流入试验小区，小区四周用隔板隔离，样地外部径流通过开挖的截水沟排走。

1.2.2    土壤样品的采集与测定。

根据试验设计，于2020年5月20日（T0）在各试验小区分土层（0～10、10～20、20～40、40～60 cm）采集土壤样品，每层3次重复，将每层重复土样混合均匀后按四分法取500 g带回实验室，除去样品中的植物根系和石块，室温风干后过1 mm网筛，测定土壤有机碳、全氮、碱解氮、全磷、有效磷含量作为基础数据。每个小区分别于2020年7月20日（T1）、9月20日（T2）、11月20日（T3）和2021年5月20日（T4）收取凋落物分解袋3袋，分层（0～10、10～20、20～40、40～60 cm）采集收回的凋落物分解袋下方的土壤样品，将3个凋落物分解袋下方的土壤样品分层均匀混合后取500 g带回实验室处理，测定土壤有机碳、全氮、碱解氮、全磷、有效磷含量。每次合计36个土壤样品。

土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法-外加热法，土壤全氮含量采用半微量开氏法，土壤碱解氮含量采用碱解扩散法，土壤全磷含量测定采用NaOH熔融-钼锑抗比色法，土壤有效磷含量采用NaHCO3法［9］。

1.2.3    数据处理。

按下式计算土壤理化因子变化量与变化率：

△Xit=Xit－Xit-1

Pi=△Xit/△t

式中，Xit为凋落物分解下土壤有机碳、碱解氮、全氮、有效磷与全磷等土壤化学因子i在t时间的测定值，Xit-1为土壤化学因子i在时间t-1的测定值，△Xit为凋落物分解下土壤化学因子i在t时间的变化量；t为取样时间，t-1为前一次取样时间，△t为取样时间间隔，间隔期为30 d。

运用SPSS 22.0软件对上述计算的数据进行统计分析，不同取样时间不同土层的土壤各因子变化量采用单因素方差分析法（one-way ANOVA）进行差异性分析，运用最小显著差异法（LSD）进行多重比较分析，显著水平为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 凋落物分解对土壤有机碳变化量的影响

从图1可见，在樟子松凋落物分解输入影响下，T2时段土壤表层有机碳增量明显高于T3、T4时段，且有机碳自表层向深层逐渐迁移。凋落物分解初期，碳分解较快，对土壤各层有机碳补充明显，但表层显著高于深层。T1、T2时段0～20 cm土层土壤的有机碳增量显著高于20～60 cm土层（P<0.05）；凋落物分解180 d后（T3、T4时段），表层（0～20 cm）有机碳增加量比T1、T2分解时段下降；T4时段各层土壤有机碳增量趋势与T3时段无显著差异（P>0.05），表明分解后期的土壤有机碳主要来源于凋落物中一些难溶性木质素等的缓慢分解。

2.2 凋落物分解对土壤碱解氮和全氮变化量的影响

樟子松凋落物分解影响下的土壤碱解氮变化量特征与土壤有机碳具有相似性，即凋落物分解120 d前（T1、T2时段）的土壤表层（0～20 cm）碱解氮增量明显高于120 d后（T3、T4时段）的增量，且表层土壤（0～20 cm）的增加量显著高于深层（P<0.05）；而全氮变化量差异不显著。凋落物分解初期（T1、T2时段），0～10 cm土层土壤碱解氮显著高于10～20 cm土层（P<0.05），而10～20 cm土层显著高于20～60 cm土层（P<0.05）；T3分解時段表层（0～20 cm）碱解氮显著高于深层（20～60 cm）（P<0.05），但差异呈缩小趋势；T4分解时段土层间碱解氮变化量无显著差异（P>0.05）。土壤全氮变化量在一整年的试验过程中变化不显著，且变化量微小，最高不到0.05 g/kg（图2、3）。

2.3 凋落物分解对土壤有效磷和全磷变化量的影响

试验结果显示，研究区土壤有效磷含量极低，凋落物有效磷释放的高峰晚于碳和氮，持续到T3时段，且各层土壤有效磷均增加，表明凋落物分解释放的有效磷从表层向下运移，提高了各土层有效磷含量。T3时段0 ～10 cm土层有效磷显著高于10～60 cm土层（P<0.05），T4分解时段各层土壤有效磷无显著差异（P>0.05）（图4）。

研究区沙地土壤全磷在整个一年的分解过程中（T1～T4）变化微小。但凋落物分解对表层土壤全磷影响较大，且时间较短，表明凋落物磷分解持续的时间比凋落物碳和氮短，不同土层土壤之间全磷变化量无显著差异（P>0.05）（图5）。

3 讨论

3.1 凋落物分解下的土壤碳、氮、磷垂直变化的异质性

该研究结果表明，沙地土壤碳、氮、磷具有明显的表聚效应，这与孔涛等［10-11］研究结果一致，T1、T2分解初期（60、120 d）尤为显著，表层土壤（0～20 cm）有机碳变化量在分解初期（60、120 d）与深层土壤（20～60 cm）之间差异显著（P<0.05），T3、T4（180、360 d）分解时段与深层土壤无显著差异，缘于凋落物分解初期受当季气候影响，凋落物分解加速，表层土壤有机碳含量增加较快［12-14］，进而逐层向深部土层迁移，下部土层有机碳含量与变化量的增长呈现滞后性和差异性，李斯雯等［15］在长白山的不同森林类型土壤剖面研究中也得出类似结论。林地的表层土壤是有机质向土壤碳库转移的关键场所，表征了土壤有机碳积累状况［16-17］。

土壤碱解氮变化量随土层加深而减少，表层土壤的碱解氮变化量明显高于深层土壤，这与张宁宁等［18-19］的研究结果基本一致，除T4时段外，表层与深层土壤碱解氮变化量呈显著差异（P<0.05）。这表明土壤中的氮素含量主要来源是林地凋落物的归还，归还后的氮素由于吸附、沉淀、微生物固持等作用而被固定和积累［18，20］，0～20 cm表层土壤温度及透水透气性较好，微生物量与有机质含量高［12］，樟子松凋落物需经过较长时间的分解，释放的养分才能逐渐向更深的土壤迁移，但研究区的少雨气候条件限制了氮素的迁移而滞留在土壤表层，强化了土壤氮的表聚现象。由于该试验进行了根系截断处理，深部土壤养分免受被植物吸收而损失，加之养分迁移的逐层滞留影响，碱解氮变化量在每层的增加量变化较小。各分解时段、各土层土壤全氮变化量变化不大［21］，凋落物分解对研究区沙地土壤全氮的贡献量相对有限，意味着凋落物分解的氮素不能及时补充土壤中的氮素，氮素是研究区沙地土壤养分限制因素［22］。

土壤有效磷变化量T1～T4分解时段均表现为随土层深度增加而减小的特征，且T1～T3时段表层土壤有效磷变化量与深层土壤差异显著（P<0.05）。各层有效磷的变化量最大值均出现在T3分解时段。各土层在前3个分解时段土壤有效磷变化值均呈现递增的趋势，T4时段有效磷变化量比T3小，表明T3时段达到了凋落物分解向土壤输送的峰值，即180 d左右是凋落物分解补给土壤磷的高效时间段。有效磷随分解时间不断向深层迁移，各层土壤有效磷含量增加，但深层土壤增加缓慢［23-24］，分解后期至T4时段，淋溶到深层的有效磷一部分转化为钙磷沉淀下来，一部分保留在土壤中，增加了土壤中有效磷含量，各土层土壤有效磷变化量差异不大，因为表层的有效磷源于凋落物分解释放量逐步殆尽，而深部土层养分逐渐累积，故而各层土壤养分含量差异渐趋均化。土壤全磷与全氮变化类似，含量低且变化量小［17］，但值得指出的是，T1分解时段，土壤总体呈现全磷增加的特征，可能因为该阶段凋落物中纤维素快速降解释放的有机碳为腐生性的解磷菌生长繁殖提供了充足的碳源，促进了磷素的释放。

研究区沙地土壤贫瘠，有机碳、碱解氮和有效磷含量及变化量明显受到凋落物分解释放输入的影响，均表现出分解初期表层各土壤因子变化量高于深层，但对比有机碳、碱解氮和有效磷变化量不难发现，不同深度土层这3种养分渐趋均化而呈现无差异性的阶段是不同的，有机碳相较碱解氮和有效磷更早进入各层无差异性阶段，表明其垂向迁移能力最强，碱解氮和有效磷垂向迁移能力相对较弱，尤其是4个分解时段土壤有效磷含量变化量总体呈现由表层向深部减小的趋势，表明有效磷不仅迁移能力弱，且影响其迁移能力的因素亦较少，故而有效磷其向下迁移呈现缓慢而相对均一的特征。

3.2 凋落物分解下的土壤碳、氮、磷的动态变化

表层土壤与深层土壤有機碳含量及变化量动态变化特征不同。表层土壤有机碳变化量具有明显的快速增长后减弱的趋势，最大变化量出现在T2分解时段，尤其是0～10 cm土层土壤有机碳变化量出现了峰值，其后进入土壤深层有机碳变化量增加减缓，这与史学军［25］的研究结果一致。深层土壤有机碳在表层有机碳持续输入下累积增长，这种增长模式一直持续至T3时段。T3时段土壤有机碳变化量呈现中层（20～40 cm）高、上下层（0～10、40～60 cm）低的分布特征；T4时段土样则呈现与T3时段相近的变化量特征。凋落物在分解过程中向土壤中释放的营养物质提高了土壤有机碳的含量，凋落物分解又受环境条件的影响。凋落物分解的初期处在5—9月（T1、T2），在试验周期内研究区进入相对高温多雨时段，淋溶作用增强，使凋落物中溶解性物质随雨水下渗淋溶进入土壤，土壤有机碳变化量明显升高；而9月至次年5月份（T3、T4），研究区进入低温少雨时段，凋落物分解速率缓慢（冬季停止分解），土壤微生物活动极低（冬季微生物活动停止），迁移至土壤的养分减少［26-27］，故而进入土壤的有机碳在不同时间出现显著差异，上述特征揭示了研究区樟子松凋落物释放有机碳的能力相对较高，且释放的有机碳向深部迁移的能力较强［28］。另外，也有研究表明，降雨过后大量土壤有机碳可能以可溶性有机碳的形式迁移并储藏于深层土壤（40 cm）中［29］，但关于樟子松凋落物分解释放有机碳的垂向迁移深度及机制则需要进一步研究。

表层土壤碱解氮变化量峰值也出现在T2时段，这是由于初期分解的凋落物组织营养成分含量较高，易分解的组织较多，输入到土壤的碱解氮就相对较多。随着分解时间的延长，凋落物中难分解的木质素、纤维素增多而营养物质减少，输入的营养成分也随之减少。T1～T3分解时段碱解氮变化量均随土层加深呈现减小趋势，这与刘红梅等［30-31］的研究结果一致；非生长季（T4）碱解氮变化量峰值在10～20 cm土层。深层土样碱解氮试验周期的动态变化呈现出稳中有升，但变化不显著的特征。T1～T4分解时段碱解氮随凋落物有微小增长，尤其是深层的40～60 cm土样碱解氮变化量极微小。降水、温度等气候因子影响着凋落物的分解效率，T3时段土样在相对高温少雨的环境条件下，表层土壤呈现了碱解氮快速释放的特征［32］，而试验中后期（T4）在低温少雨条件下各土层的碱解氮变化量开始下降，尤其是影响了表层向深层的迁移能力。试验周期内40～60 cm土层土壤碱解氮变化量增长不显著（P>0.05），显然是受到了凋落物分解释放碱解氮较少的影响。全氮变化量微小，但在T2分解时段的20～60 cm土层土壤出现了负增长，这可能是来自上层土壤的氮补给量难以满足微生物分解活动需求，加之该时段雨季的淋滤作用共同导致。

T1～T4时段各土层土壤有效磷自表层向深层变化量均呈减小趋势，变化量峰值均出现在T3时段，迟于有机碳、碱解氮变化量峰值出现的T2时段。磷在生态系统中的可移动性弱于其他2种养分，因而进入养分的再循环过程也较缓慢。T3时段0～10 cm土层土壤有效磷变化量与其他土层差异显著。深层土壤的有效磷在分解后期明显高于分解初期，一方面，由于磷的垂向迁移深层累积作用，另一方面凋落物分解释放大量低分子有机酸，通过各种化学机制促进土壤快速活化部分有机磷转化为无机磷，净释放的部分无机磷易被淋溶到土壤深层累积。因此，随樟子松凋落物分解进程的推进和分解程度的加深，T4时段各土层有效磷含量差异不大。研究区土壤全磷变化量微小，试验周期内全磷含量之间不存在显著差异（P>0.05）。土壤中的磷是土壤最难溶的因子之一，磷的垂向迁移性差，研究区沙地的保水保肥能力差，易造成磷素的流失，若在植物根系吸收的叠加影响下［18］，深部土层的磷缺乏将更加严重，磷素也是研究区沙地土壤养分的限制因素。

4 结论

该研究结果表明，凋落物的分解显著影响了土壤碳、氮、磷变化量及变化特征，分解前期（T1、T2）土壤碳、氮、磷表现出明显的表聚现象，表层（0～20 cm）土壤的碳、氮、磷与深层（20～60 cm）土壤有显著差异；随着分解进行至非生长季节（T4），各层土壤碳、氮、磷差异性逐渐降低。该研究还揭示了60 cm土层可能已经达到或接近研究区沙地土壤中有机碳快速迁移的限制层位或垂向迁移的下限层位，深层土壤中碱解氮处于总体缺乏的补给与消耗基本动态平衡的状态，T3分解时段各土层土壤有效磷变化量达到峰值意味着有效磷的垂向迁移性弱于其他2种养分。该研究结果为更深入了解樟子松固沙林凋落物不同分解阶段土壤碳、氮、磷的动态特征提供了科学依据。

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