施肥对干热河谷生态恢复区林木生长及土壤碳氮含量的影响

施肥对干热河谷生态恢复区林木生长及土壤碳氮含量的影响_干热河谷植被恢复

施肥对干热河谷生态恢复区林木生长及土壤碳氮含量的影响

唐国勇，李昆，张昌顺

（中国林业科学研究院资源昆虫研究所 国家林业局云南元谋荒漠生态系统定位观测站，云南 昆明650224）

摘要：对比研究了施肥对干热河谷生态恢复区4年生印楝（Azadirachta indica A.）、新银合欢（Leucaena leucacephala）和大叶相思（Acacia auriliformis A.）生长量和土壤碳氮含量的影响。结果表明：雨季生长期内，施肥措施下印楝、新银合欢和大叶相思地径增量分别是不施肥的2.0倍、1.4倍和2.0倍，树高增量是不施肥的1.6倍、1.4倍和1.5倍。生态恢复区土壤有机碳（SOC）和全氮（TN）含量比恢复前高7.8%和19.1%。施肥对SOC和TN含量的方差贡献率（84.6%和75.4%）明显高于林分类型（39.3%和56.2%）。3类林分SOC含量在3.42～3.60 g·kg^-1之间，大叶相思（0.62 g·kg^-1）和新银合欢（0.57 g·kg^-1）林地TN含量显著高于印楝（0.50 g·kg^-1）。肥料配施处理下SOC和TN含量明显高于肥料单施，而不施肥处理含量最低。研究得出施肥可以显著促进干热河谷人工林的生长，肥料配施效果尤为明显；施肥措施是生态恢复区SOC和TN含量变异的主要原因。该地区生态恢复时宜筛选根瘤菌可以侵染的树种。

关键词：施肥；干热河谷；生态恢复；土壤有机碳；土壤全氮

与黄土高原一样，干热河谷是我国特有的生态环境最脆弱的地区之一，也是我国生态建设的重点和难点。金沙江干热河谷是长江泥沙的主要策源地，长江宜昌段以上45.3%的泥沙来自该地区，脆弱的生态环境已成为当地可持续发展的瓶颈，对长江中下游地区国土安全和社会经济构成严重威胁^[1]。20世纪70年代后，大量外来树种成功引入干热河谷，种植面积逐年扩大，对当地生态恢复和经济发展起到一定的推动和促进作用^[2-7]。施肥作为配套技术可以人工辅助启动和引导退化生态系统实现自我修复、促进植被生长，尤其是极度退化的生境^[8-9]。探究人工植被恢复区土壤碳氮含量对施肥措施的响应，则是确定生态恢复技术和手段的关键依据^[9]。此外，提高林地土壤碳氮含量具有改善土壤质量和减缓温室效应的双赢效果^{[5, 10, 11]}。目前，综合对比研究施肥对干热河谷生态恢复区引进树种林木生长和土壤碳氮影响方面的报道甚少。笔者就不同施肥措施下印楝（Azadirachta indica A.）、新银合欢（Leucaena leucacephala）和大叶相思（Acacia auriliformis A.）生长量和土壤碳氮含量特征进行对比分析，以期为加快干热河谷生态恢复提供技术支持。

1　试验区概况

研究区地处云南省元谋县境内，位于金沙江中游一级支流龙川江下游，属南亚热带季风干热气候区，是干热河谷的典型代表。实验区设在国家林业局云南元谋荒漠生态系统定位观测站内的人工植被恢复区（25° 40′ 7′ N，101° 51′ 31′ E）。试验区气候炎热干燥，干湿季分明，年均温为21.9℃，≥10℃年积温为8003℃，无霜期360～365天，年降水量630.7mm，雨季（6～10月）降水量占全年降水量的90%以上，年蒸发量约为3426.3mm。生态恢复前试验区为严重退化的荒地，坡度约为12～15°，阳坡，水土流失严重，土林林立，山崩、塌方、滑坡等自然灾害发生频繁，生态环境恶劣。土壤类型为变性燥红土，土壤板结，膨胀收缩强烈，干旱时易开裂，属Ⅵ类立地级。试验区植被稀疏，以车桑子（Dodonaea viscose）和扭黄毛（Heteropogon contortus）为主。生态恢复前（2000年）测定了土壤有机碳和全氮含量的起始值（Initial，以下简写为In）。

2　材料与方法

试验材料为4年生印楝、新银合欢和大叶相思人工纯林，苗龄1a，造林时间为2001年5月，株行距2.0m×2.0m。林木施肥前测定了树高和地径，经方差分析表明，各类林分内林木树高和地径差异不显著，可以进行施肥试验。本研究设5个处理：不施肥（对照，CK）、单施氮肥（N）、单施磷肥（P）、氮磷配施（NP）、有机-无机肥配施（NPM）。于2004年5月下旬（雨季之前）采用环状、沟施的方法对林木施肥，施肥量（折纯）见表1，有机肥为羊粪，含有机质（鲜重）23.55%，氮（N）0.57%，磷（P）0.34%。施肥沟深度为35cm左右，距树干40cm。每处理15～20棵树。

表1　各处理肥料施用量（g/株）

2004年11月中旬（雨季结束）对所有试验林木进行每木检尺，调查林木的生长量，分别计算各施肥处理下平均木的树高和地径，选取与各处理平均木接近的3株植株，在所选植株施肥沟外侧25cm处采集表层（0～20cm）土样，每株多点（不少于4点）采集形成一个混合土样。每处理取3个混合样，共采集90个土样。用手选法除去活体根系和可见有机物，在室内风干、磨细过100目筛，待用。土壤有机碳（SOC）采用外加热-重铬酸钾氧化法测定，土壤全氮（TN）采用半微量凯氏定氮法测定。统计分析用SPSS 16.0软件处理。

3　结果与讨论

3.1　施肥对人工林生长的影响

施肥处理

图1　不同施肥处理下印楝（A）、新银合欢（B）和大叶相思（C）地径和树高增量

印楝属楝科（Meliaceae），20世纪90年代引入干热河谷，因其耐旱和多功能性，被誉为“可解决全球性问题的树”。目前云南已成为世界人工种植印楝面积最大的地区，并将成为中国印楝生物农药原料的潜在中心产区^[12]。为消除树种和施肥前林木生长的差异，本研究用生长量增量表征施肥对林木生长的影响。在干热河谷5个月的雨季植被生长期内，不同施肥条件下印楝地径和树高增量差异明显（图1A）。施肥处理间地径和树高增量大小顺序具有高度的一致性，均以NPM处理最大，增量分别为1.28cm和65cm，而CK处理的最小，仅为0.55cm和29cm。与对照处理相比，施肥大幅提高了印楝地径和树高，提高幅度为100%和62%。方差分析显示，除P处理与CK处理间地径增量差异不显著外，其他施肥处理下地径和树高增量均显著高于CK处理（P＜0.05）。P处理下印楝地径和树高增量均显著低于施氮处理（N、NP和NPM处理）。说明施肥显著促进了干热河谷印楝幼林（4a）的生长，尤其是氮肥的施用。

新银合欢属含羞草科（Mimosaceae），具有速生、早实的特点，是干热河谷良好的造林树种之一^[2]。施肥措施下新银合欢地径和树高平均增量为1.61cm和161cm；CK处理增量为1.12cm和115cm，显著低于施肥措施（图1B）。N和P处理间新银合欢生长增量差异不显著，但显著低于NP和NPM处理，NP和NPM处理间差异不显著。说明施肥有利于幼龄新银合欢的生长，尤以肥料配施效果明显。

大叶相思属含羞草科（Mimosaceae），是一种速生且具有较强抗旱能力的树种，生态效益明显^[2]。雨季生长期内，各施肥措施下大叶相思幼林地径和树高增量范围分别为0.64～1.40cm和63～108cm（图1C）。施肥处理下地径和树高平均增量是CK处理的2.0倍和1.5倍，其差异达到显著水平。施肥处理间地径增量相对接近（1.16～1.40cm），差异均不显著；N和P处理下树高增量（87cm和84cm）显著低于NP和NPM处理（102cm和108cm）。表明氮、磷的施用明显促进了该地区大叶相思幼林的生长。

除P处理与CK处理间印楝树高增量差异不显著外，其它施肥处理下3类人工林生长量增量均显著高于不施肥处理（图1）。说明林木施肥显著促进了印楝、新银合欢和大叶相思的生长。总体上，单施氮或磷的促进效果明显不及有机-无机肥配施或氮磷配施。P处理下印楝生长量显著低于N处理，而P处理和N处理间大叶相思和新银合欢生长量差异均不显著，这可能是由于大叶相思和新银合欢同属含羞草科，根系有根瘤菌，可以固定空气中的惰性氮为植物提供有效氮，而印楝根系不能侵染根瘤菌，植物所需的氮素必须通过根系从土壤吸收，而单施磷肥对印楝生长量并无显著影响，这间接揭示了土壤供氮不足是干热河谷幼龄印楝生长的限制性因素。鉴于此，该地区人工林培育或植被恢复宜筛选根瘤菌能侵染的树种。

3.2　施肥对林地土壤碳氮含量的影响

土壤有机质（以SOC为测定指标）是土壤肥力的物质基础，也是氮、磷、硫等植物必需营养元素的载体^[13]。氮素是植物必需营养元素，也是评价土壤肥力的重要指标^[11]。严重退化的荒地植被恢复3a后SOC平均含量为3.51 g·kg^-1，变化范围为2.95～4.01 g·kg^-1；TN平均含量为0.56 g·kg^-1，变程为0.43 g·kg^-1，属中等程度变异（表2）。数据正态性检验采用柯尔莫哥洛夫-斯米诺夫检验（K-S检验），结果表明恢复区SOC和TN含量均服从正态分布（P^K-S＞0.05），说明恢复区SOC和TN空间变异是由多种相互独立的随机因素（如施肥模式、林分类型和管理措施等）综合作用的结果，而受成土母质、地形状况和土壤类型等结构性因素的影响相对较小。与恢复前荒地相比，恢复区SOC和TN含量有不同程度的提高，提高幅度为8.7%和19.1%，统计分析表明其差异达到显著水平（表2）。说明短期内在现有施肥措施下，植被恢复可以显著提高干热河谷严重退化地区SOC和TN含量水平。

表2　干热河谷生态恢复前后土壤有机碳和全氮含量（g·kg^-1）描述性统计

注：由于生态恢复前荒地样本数较少，未对其土壤有机碳和全氮进行正态分布检验。

参照第二次全国土壤普查的标准，本研究林地土壤碳氮含量水平仍较低，属Ⅵ类立地级，这显示了干热河谷严重退化生境生态恢复的长期性。郭玉红等^[14]对元谋地区林地土壤特征进行研究，得出5～15cm土层中SOC含量为3.15～6.72 g·kg^-1，与本研究SOC平均含量接近。陈奇伯等^[6]研究发现乔木林0～20cm土层中有机质和全氮含量为1.0%和0.040%，比荒地对照分别高17.6%和12.3%。马姜明和李昆^[4]发现人工林培育6～12a后SOC和TN含量范围为3.13～6.05 g·kg^-1和0.45～0.81 g·kg^-1，比荒地对照高15.1%～211.9%和6.7%～108.6%，其增幅明显高于本研究，这可能与本研究生态恢复时间短有关。

对恢复区SOC和TN含量进行方差及其来源分析，结果表明林分类型和施肥措施对SOC和TN含量的影响各异（表3）。施肥措施对SOC和TN含量的影响均达到极显著水平（P＜0.01），林分类型对TN含量的影响达极显著水平，而林分间SOC含量差异不显著。林分类型和施肥措施的交互作用对SOC和TN含量的影响均不显著。表3还显示在林分类型、施肥措施和两者交互作用的3个方差来源中施肥措施的方差贡献率最高，均超过75%，说明SOC和TN含量差异最主要是由于施肥措施所致。林分类型对SOC和TN含量的方差贡献率相对较低可能与植被恢复时间较短有关。

表3　恢复区土壤有机碳和全氮方差分析和方差贡献率

总体上，3类林地SOC含量相对接近，TN含量呈现出一定的差异（表4）。其中，新银合欢林地SOC含量最高，为3.60 g·kg^-1；大叶相思其次（3.52 g·kg^-1）；印楝最低（3.42 g·kg^-1），约为新银合欢林地SOC的90%，但方差分析表明林分间SOC含量差异未达到显著水平。3类林地TN含量高低顺序与SOC含量顺序略有不同，大叶相思（0.62 g·kg^-1）＞新银合欢（0.57 g·kg^-1）＞印楝（0.50 g·kg^-1），大叶相思和新银合欢林地TN含量均显著（P＜0.05）高于印楝，这可能与含羞草科植物根瘤菌生物固氮作用有关。研究表明根瘤菌所固定的氮不仅可以促进寄主植物的生长，也可在一定程度上维持甚至提高土壤氮素水平^{[4, 8]}。此外，含羞草科植物林内枯落物量相对较高^[2]，这也导致了新银合欢和大叶相思林地SOC和TN较高。这与他人的研究结果类似^[3-4]。

表4　三类林地土壤有机碳和全氮含量

注：字母不同表示均值差异达95%显著水平

施肥是维护人工林地力的一种有效方法，尤其是极端退化的生态系统^[8-9]。总体上，3类林地SOC和TN含量对施肥措施的响应表现出高度的一致性，即NPM处理下林地SOC和TN含量最高，其次为NP处理，肥料单施处理（N和P处理）SOC和TN相对较低，而不施肥处理下含量最低（图2）。NPM处理下林地SOC和TN平均含量是其他处理的1.13倍和1.28倍，这一方面是由于有机肥的施用直接增加了土壤中有机物输入量。更主要的原因在于有机-无机肥配施能有效改善表层土壤物理性质、提高表层土壤微生物数量和活性以及活化土壤养分^[15]，提高林木的净初级生产力（图1），势必增加植物残体和根系归还量。金沙江干热河谷5～10月雨热同期，有利于植物残体和根系归还物的分解转化，进而提高SOC和TN含量，这种特殊气候条件可能是干热河谷人工林施肥后SOC和TN含量迅速提高的主要原因。此外，有机-无机肥配施为根瘤菌提供大量能源物质、碳源和有效氮，这有利于根瘤菌生长和固氮功能的发挥，提高土壤氮素水平^[4]。不施肥措施下SOC和TN平均含量是其他处理的90%和76%，说明施肥可以明显提高干热河谷林地SOC和TN含量。

除CK和P处理下印楝林地SOC和TN含量低于试验起始值外，各施肥处理下3类林地SOC和TN含量均高于生态恢复前的荒地（图2）。不能被根瘤菌侵染的印楝无法通过生物固氮途径获取植物生长所需的氮素，而前文（3.1节）研究已经表明供氮不足是干热河谷印楝生长的限制性因素，植物生长明显滞后于其他处理（图1a），这间接影响了土壤碳氮的积累。

图2　不同施肥处理下三类人工林林地土壤有机碳和全氮含量

值得指出的是，不施肥处理下（可认为是自然条件）印楝林地SOC和TN含量低于试验起始值，尤其是TN含量，而自然条件下新银合欢和大叶相思林地SOC和TN有不同程度的提高（图2）。说明在自然条件下印楝生长消耗了地力，表现出人工林的“自贫”效应，这可能加剧干热河谷受损生境的退化，而新银合欢和大叶相思具有庞大的根系和大量的枯落物^[2]，林地养分在土壤表层发生聚集，导致林地表层土壤肥力的提高，即森林的“自肥”效应。因此，在干热河谷生态极端脆弱地区进行生态恢复或造林时需慎重选择树种，尽可能筛选根瘤菌可以侵染的树种。但生态恢复对土壤碳氮的长期影响如何？这有待进一步跟踪研究。

4　结论

土壤供氮不足是金沙江干热河谷印楝、大叶相思和新银合欢幼林生长的一个限制性因素，施肥能明显促进其生长，尤其是肥料配施。生态恢复区SOC和TN含量变异主要是由施肥措施所致，受林分类型的影响相对较小，这可能与生态恢复时间较短有关。现有施肥措施下，3类林地SOC含量接近，但含羞草科的新银合欢和大叶相思林地土壤TN含量显著高于楝科的印楝林地。5种施肥措施对林地SOC和TN含量影响各异。总体上肥料配施处理下林地SOC和TN含量最高，肥料单施处理下含量较低，不施肥处理碳氮含量最低。干热河谷生态恢复宜筛选根瘤菌能侵染的树种。

参考文献

[1] 杨万勤，王开运，宋光煜，等. 金沙江干热河谷典型区生态安全问题探析[J]. 中国生态农业学报，2002，10(3): 116-118.

[2] 李昆，曾觉民. 元谋干热河谷地区不同造林树种对土壤的改良作用研究[J]. 西南林学院学报，1999，19(3): 161-164.

[3] 李昆，张昌顺，马姜明，等. 元谋干热河谷不同人工林土壤肥力比较研究[J]. 林业科学研究，2006，19(5): 574-579.

[4] 马姜明，李昆. 元谋干热河谷人工林的土壤养分效应及其评价[J]. 林业科学研究，2006，19 (4): 467-471.

[5] 孟广涛，方向京，李贵祥，等. 干热河谷不同引进草种水土保持效果对比[J]. 水土保持学报，2008，22(5): 65-67，114.

[6] 陈奇伯，王克勤，李艳梅，等. 金沙江干热河谷不同类型植被改良土壤效应研究[J]. 水土保持学报，2003，17(2): 67-70, 113.

[7] 张信宝，杨忠，张建平.元谋干热河谷坡地岩土类型与植被恢复分区[J]. 林业科学，2003，39(4): 16-22.

[8] 惠森特 S G（美）著；赵忠等，译. 受损自然生境修复学[M]. 北京：科学出版社. 2008.

[9] 张昌顺，李昆，马姜明，等. 施肥对印楝幼林土壤酶活性的影响及其调控土壤肥力的作用[J]. 林业科学研究，2006，19(6): 750-755.

[10] 陈小红，张健， 赵安，等. 短期型林(竹)-草复合植被还林初期土壤碳氮动态变化[J]. 水土保持学报，2008，22(2): 126-130, 140.

[11] 唐国勇，黄道友，童成立，等. 红壤丘陵景观单元土壤有机碳和微生物生物量碳含量特征[J]. 应用生态学报，2006，17(3): 429-433.

[12] 张燕平，赖永祺，彭兴民，等. 印楝的世界地理分布与引种栽培概况[J]. 林业调查规划，2002，27(3): 98-101.

[13] Lal R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security[J]. Science, 2004, 304: 1623-1627.

[14] 郭玉红，郎南军，和丽萍，等. 元谋干热河谷8种植被类型的林地土壤特性研究[J]. 西部林业科学，2007，36(2): 56-64.

[15] Li Y Y, Shao M A. Change of soil physical properties under long-term natural vegetation restoration in the Loess Plateau of China[J]. J. Arid Environ., 2006, 64: 77-96.

Effects of Fertilization on Tree Growth and Soil Carbon, Nitrogen Content at an Ecological Restoration Area in Dry-hot Valley

TANG Guo-yong, LI Kun, ZHANG Chang-shun(Research Institute of Resource Insects, Chinese Academy of Forestry, Yuanmou Desertification Ecosystem Research Station, State Forestry Administration, Kunming Yunnan, 650224)

Abstract: Fertilization effects on tree growth and soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN) content in 4-year Azadirachta indica A., Leucaena leucacephala and Acacia auriliformis A. stands were investigated at an ecological restoration area in dry-hot valley. Results showed that, during rainy season growth period, the increments of basal diameter and tree height of A indica A., L leucacephala and A auriliformis A. with fertilization were 2.0, 1.4 and 2.0 times and 1.6, 1.4 and 1.5 times to those without fertilization, respectively. SOC and TN content of restoration area were 7.8% and 19.1% higher than those before restoration, respectively. The variance contribution of fertilization on SOC and TN were obviously higher than that of stand type. SOC content ranged from 3.42 g·kg^-1to 3.60 g·kg^-1in the three stands. However, TN content in A auriliformis A. (0.62 g·kg^-1) and L leucacephala stand (0.57 g·kg^-1) were significantly higher than that in A indica A. stand (0.50 g·kg^-1). SOC and TN content at combined application treatments were higher than those at single fertilization, whereas the lowest presented at no fertilizer. The results illustrate that fertilization obviously accelerate tree growth of stands in dry-hot valley, combined application in particular, and fertilization is the primary reason affected SOC and TN. And it is better to select tree species with rhizobium for ecological restoration at this region.

Key words: fertilization； dry-hot valley； ecological restoration； soil organic carbon； soil total nitrogen