黄土高原人工纯林枯落物分解和养分循环对土壤极化的影响

【摘要】土壤极化（由于人工纯林树种生物生态学特性的单一性、对物质吸收利用的选择性和对环境效应的特殊性，在其长期经营过程中，土壤性质往往呈现偏离原平衡态并朝正向或负向极端化发展的趋势）是导致人工纯林连栽障碍的一个重要原因。然而，土壤性质极化只是人工纯林长期生长所导致的土壤性质变化结果，为了从实践中对土壤极化进行有效的调控，防止土壤负向或破坏性极化的发生，就必须对林地土壤极化的成因和风险进行研究。为此，本研究选择黄土高原典型人工乔灌纯林为研究对象，通过枯落物混土分解培养试验和林地养分循环测算，研究林木生长过程中枯落物分解的单一性和养分循环利用的选择性对土壤产生的特殊环境效应，进而分析其所导致的土壤极化风险，以探明引起人工纯林土壤性质极化的原因，旨在为防治森林土壤退化和连栽障碍提供有价值的科学理论依据。调查研究中以黄土高原（由北向南包括荒漠风沙区、黄土丘陵区和黄土残塬沟壑区）典型乔木树种（包括油松、侧柏、落叶松、樟子松、小叶杨、辽东栎、刺槐、白桦、旱柳等）和灌木树种（包括沙棘、柠条、紫穗槐）人工纯林为研究对象，采集林地腐殖质层土壤和枯落物（当年枯落叶及细根），分别设“土壤＋枯落叶”、“土壤＋根系”、“土壤＋枯落叶＋根系”和土壤不与任何枯落物混合（对照）4种处理方式，进行室内混合培养试验。在培养结束后，计算不同枯落物混土培养后土壤性质较对照的变化，据此分析不同树种枯落叶和根系分解对土壤生物学性质和化学性质极化影响。同时，利用主成分分析法针对不同树种枯落叶和根系分解对土壤极化影响进行综合判断。研究中对人工纯林林木生物量、年生产力和养分循环平衡特征进行分析，通过养分循环测算，利用土壤养分年亏损率来表征养分循环对土壤养分性质极化的影响，探讨由于养分循环引起的土壤养分性质极化风险。并在以上基础上，尝试提出了基于养分循环的人工纯林土壤养分极化动态理论模型。具体结论如下：（1）陕北风沙区3种典型人工阔叶纯林枯落叶和根系单独分解引起的土壤性质极化顺序依次为：旱柳枯落叶（2.260，土壤性质较对照提高率的主成分分析F值，下同）＞旱柳根系（0.519）＞刺槐枯落叶（0.489）＞刺槐根系（-0.213）＞小叶杨枯落叶（-0.943）＞小叶杨根系（-2.112）。说明旱柳枯落物分解较其他2种树木更有益于土壤性质的改善，小叶杨枯落物分解会导致土壤性质恶化。在小叶杨和旱柳林地，枯落叶和根系同时与土壤混合分解较二者单独分解对土壤性质的影响总体表现为促进作用；在刺槐林地，表现为抑制作用。经过养分循环测算，与旱柳和刺槐纯林相比，小叶杨纯林土壤有效养分和全量养分年亏损率都较大，说明小叶杨纯林土壤养分性质更容易发生负向极化。2种典型人工针叶纯林枯落叶和根系单独分解引起的土壤性质极化顺序为：油松根系（1.702）＞油松枯落叶（0.252）＞樟子松根系（-0.834）＞樟子松枯落叶（-1.120）。从枯落物分解对土壤性质改善程度分析，油松比樟子松更适合长期栽种。同时，樟子松纯林养分年亏损率大于油松纯林，土壤养分发生负向极化可能性更大。3种典型人工灌木纯林落叶和根系单独分解引起的土壤性质极化顺序为：紫穗槐枯落叶（2.985）＞紫穗槐根系（0.710）＞柠条枯落叶（0.010）＞柠条根系（-0.664）＞沙棘枯落叶（-0.913）＞沙棘根系（-2.066）。说明紫穗槐枯落物分解较其他2种灌木林更有益于土壤性质的改善，而沙棘枯落物分解导致土壤性质向负向极化方向发展。在紫穗槐和柠条林地，枯落叶和根系的混合分解较二者单独分解对土壤性质的影响总体表现为相互促进作用；在沙棘林地，总体表现为相互抑制作用。3种灌木纯林中，紫穗槐纯林土壤中N和P亏损率较大，较易向负向极化发展；沙棘纯林土壤K较易出现亏损，向负向极化发展。（2）黄土丘陵区3种典型人工阔叶纯林枯落叶和根系单独分解引起的土壤性质极化顺序如下：刺槐根系（1.815）＞辽东栎根系（0.302）＞刺槐枯落叶（0.248）＞小叶杨枯落叶（-0.213）＞辽东栎枯落叶（-0.809）＞小叶杨根系（-1.346）。在小叶杨林地土壤中，枯落叶和根系的混合分解较二者单独分解对土壤性质的影响总体表现为相互促进作用；在刺槐和辽东栎林地，总体表现为相互抑制作用。从养分循环角度分析，小叶杨纯林在3种阔叶纯林中土壤有效养分和全量养分年亏损率都最大，发生土壤性质负向极化的风险最大。3种典型人工针叶纯林枯落叶、根系单独分解对土壤性质极化影响大小顺序依次为：油松枯落叶（2.086）＞油松根系（0.694）＞落叶松根系（-0.106）＞落叶松枯落叶（-0.487）＞侧柏枯落叶（-0.776）＞侧柏根系（-1.411）。在油松林地土壤中，枯落叶和根系的混合分解较二者单独分解对土壤性质的影响总体表现为促进作用；而在侧柏和落叶松林地，总体表现为抑制作用。总体而言，油松林地枯落物分解可较好改善土壤性质，侧柏林地枯落物分解会导致土壤性质负向极化发展。从养分循环角度分析，侧柏纯林中有效P、全K，落叶松纯林中全N、有效N，油松纯林中的全P、有效K发生负向极化的可能性最大。（3）黄土残塬沟壑区2种典型人工阔叶纯林枯落叶、根系单独分解对土壤性质极化影响的大小顺序为：刺槐枯落叶（3.046）＞刺槐根系（1.085）＞白桦枯落叶（-1.430）＞白桦根系（-2.701）。与白桦相比，刺槐枯落物分解更有利于土壤性质的改善。2种典型人工针叶纯林枯落叶、根系单独分解对土壤性质极化影响的大小顺序依次为：油松枯落叶（2.164）＞油松根系（0.352）＞侧柏枯落叶（-0.535）＞侧柏根系（-1.981）。与侧柏相比，油松枯落物分解更能改善土壤性质，使土壤性质向正向极化发展。分析4种林地枯落物混合培养实测值相对于理论值提高率的F值，得出以下结论：油松、刺槐枯落叶和根系混合分解相对于二者单独分解对土壤性质的影响总体表现为相互促进作用；白桦、侧柏总体表现为相互抑制作用。从养分循环角度分析，黄土沟壑区4种典型人工纯林中，油松纯林全N亏速率最大，较其他3种林分发生负向极化的可能性较大；白桦纯林全P、全K以及3种有效养分的年亏损率最大，说明以上养分元素较易发生负向极化。（4）人工林土壤养分极化受林木对养分的选择吸收利用、枯落物分解等的综合影响，本研究从人工林生态系统养分循环规律的角度，通过实验室分解法和野外调查建立土壤极化动态理论模型，并初步确定各个模型参数，用于深入认识土壤极化成因和预测土壤极化趋势。
【作者】米彩红；
【导师】刘增文；
【作者基本信息】西北农林科技大学，水土保持与荒漠化防治，2014，博士
【关键词】黄土高原；人工纯林；枯落物分解；养分循环；土壤极化；

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