施肥对梁林土壤有机碳和微生物量碳的影响

施肥对梁林土壤有机碳和微生物量碳的影响

森林中的有机碳储量是世界碳循环的重要组成部分。这些积累和分解的变化直接影响陆地生态系统的碳储量和世界碳循环，同时也对生物群落中的碳初级生产做出了巨大贡献。对森林土壤有机碳的储量、分布、转化、衰减机理进行研究,并揭示其生态效应和影响因素,将有助于解决科学利用和保护有限的森林土壤资源,减缓土壤中温室气体排放,增加土壤碳截存,提高土壤质量。施肥是土地经营管理最常用的方式之一,通过影响地上植被的初级生产力及生物量归还量,进而影响土壤碳汇/源的功能,而且施肥还可以改变土壤微生物活性,影响土壤呼吸作用强度,促进或者抑制碳矿化过程,从而改变土壤碳库,但是不同的施肥措施对土壤碳库的影响结果不一。结合林地的自然环境条件,采取合理的经营与管理措施关乎森林生态系统能否发挥对大气CO2吸收与固定的碳汇效应。这就使得研究施肥对森林土壤有机碳的影响具有很强的现实意义和生态学意义。但有关林业施肥的研究主要集中在施肥生产力效应及林木营养诊断等方面,而有关施肥对森林土壤有机碳方面的研究还相当缺乏。竹林是重要的森林资源,在全球森林资源缩减的情况下,竹林面积却以3%的速度递增,这意味着竹林是一个潜在的巨大碳库。基于此,本文以四川省纳溪县水尾镇广目村梁山慈竹(Dendrocalamusfarinosus(KengetKengf.)ChiaetH.L.Fung)林为研究对象,研究不同施肥方式和施肥种类对梁山慈竹林土壤有机碳和微生物量碳的影响,旨在为正确认识施肥对梁山慈竹林土壤碳汇功能的影响提供基础数据,为梁山慈竹林经营管理提供科学指导。1材料和方法1.1生态气候特点试验地位于云贵高原黔山地北缘与四川盆地中部低山丘陵过渡地带的四川省纳溪县水尾镇广目村(E105°26′-105°40′,N28°11′-28°19′),海拔为575m,坡度NE15°。属中亚热带季风气候暖湿型,常年平均气温约13.5℃。最热月为7月,月平均气温约25℃;最冷月为1月,月平均气温4℃。年降雨量1286mm,四季分明、气候凉爽、夏无酷暑、冬少严寒。梁山慈竹林为纯林,郁闭度0.8,林下植被稀少,枯落物层较薄,土壤类型属于黄壤,厚度40~50cm,土壤相对湿度大,水热状况较稳定,没有明显的腐殖质层,水土流失不严重,人为干扰较少。土壤呈弱酸性。1.2竹丛和肥土管理2009年4月选取立地条件基本一致且具有代表性的梁山慈竹纯林为标准地,标准地面积约600m2,75丛竹。施肥设置5个处理,每个处理3个重复,处理样地采用随机分布,每个重复5丛竹子,约40m2,丛间距基本一致。施肥方式采用条施和撒施(表1)。根据梁山慈竹鞭根的深度和土壤情况,条施以竹丛为圆心,在竹丛幅盖度范围内半径每增加50cm设置环形沟,沟宽10cm,深度20cm;撒施需先去除样地枯落物,在竹丛覆盖度范围内均匀撒施。结合当地林业生产实际,施用生物有机菌肥和复混肥。生物有机菌肥的N+P+K含量小于8%,有机质含量小于40%;复混肥N、P、K含量均为15%。每个施肥处理设置对照(CK)。1.3样品的制备和测定2010年7月在每个处理内按照典型方式(对角线取样,条施取样时避免条施位置)挖取5个土壤剖面,每个剖面按Ⅰ层(0-20cm)和Ⅱ层(20-40cm)分层取样,同时将重复处理的同层土壤样品充分混合后,四分法装袋。装袋样品分成2份:一份为风干土样品,用于有机碳测定;另一份是鲜土样品,放于保温箱内并在4℃条件下保存,24h内带回实验室,进行过筛处理后及时保存,用于测定微生物量碳。用环刀法测定土壤容重和水分换算系数等物理性质;用重铬酸钾氧化-外加热法测定有机碳;用氯仿熏蒸浸提法测定微生物量碳。数据结果分析采用ANOVA,多重比较采用Duncan,数据方差分析采用Excel2003和SPSS17.0软件。2结果与分析2.1不同施肥种类对不同土层有机碳含量的影响由表2可知,4种不同施肥处理的梁山慈竹林土壤剖面平均有机碳含量比对照(5.16±1.45)g/kg增加了17.4%~39.1%。除撒施复混肥处理与对照差异不显著外,条施复混肥、撒施生物有机菌肥和条施生物有机菌肥土壤有机碳含量均显著高于对照(p<0.05)。4种施肥处理之间差异均不显著。施肥后并没有改变土壤有机碳含量随土层深度增加而减小的趋势,只是提高了各土层的有机碳含量。0-20cm土层有机碳含量的大小顺序依次为撒施生物有机菌肥(8.63±0.84)g/kg>条施生物有机菌肥(8.28±0.59)g/kg>条施复混肥(8.03±0.41)g/kg>撒施复混肥(6.87±0.60)g/kg。20-40cm土层有机碳含量的大小顺序依次为条施复混肥(6.33±0.42)g/kg>条施生物有机菌肥(5.88±0.71)g/kg>撒施生物有机菌肥(5.64±1.19)g/kg>撒施复混肥(5.25±0.66)g/kg。施肥后土壤各层有机碳含量均高于对照,但增加的幅度不同。可见,施肥对不同土层有机碳含量影响不同。进一步分析表明:肥料种类对土壤有机碳含量影响差异显著(p<0.05),F=6.15>F0.05(1,6);施肥方式对土壤有机碳含量影响差异不显著(p>0.05),F=5.72<F0.05(1,6);施肥种类和施肥方式交互作用差异显著(p<0.05),F=6.96>F0.05(1,6),且F施肥种类<F交互作用。这表明合理的施肥种类配合适当的施肥方式,更有利于土壤有机碳含量的提高。2.2各施肥处理对土层微生物量碳含量的影响由表3可知,0-40cm土壤剖面以条施生物有机菌肥土壤微生物量碳含量最高,条施复混肥含量最低。与对照(55.64±13.66)mg/kg相比,条施生物有机菌肥、撒施复混肥和撒施生物有机菌肥的土壤微生物量碳含量分别比对照显著提高了137.1%,119.3%和101.0%(p<0.05);条施复混肥的土壤微生物量碳含量比对照增加了67.6%,但差异不显著。0-20cm和20-40cm土层微生物量碳含量的大小顺序都表现为条施生物有机菌肥>撒施复混肥>撒施生物有机菌肥>条施复混肥。4种施肥处理0-20cm和20-40cm土层微生物量碳含量分别比对照(65.39±9.93)mg/kg高63.1%~141.5%和78.4%~132.0%,且差异显著(p<0.05)。不同施肥处理之间,条施生物有机菌肥的土壤微生物量碳含量高于撒施复混肥,显著高于撒施生物有机菌肥和条施复混肥(p<0.05)。在0-20cm土层,撒施复混肥的土壤微生物量碳含量显著高于撒施生物有机菌肥和条施复混肥(p<0.05),撒施生物有机菌肥也显著高于条施复混肥(p<0.05)。在20-40cm土层,撒施复混肥的土壤微生物量碳含量显著高于撒施生物有机菌肥和条施复混肥(p<0.05),撒施生物有机菌肥的土壤微生物量碳含量高于条施复混肥,但差异不显著。对照和各施肥处理的土壤微生物量碳含量都随土层加深显著递减。施肥没有改变土壤微生物量碳垂直分布规律,只是改变各土层微生物量碳含量。进一步分析表明:肥料种类对土壤微生物量碳含量影响差异极显著(p<0.01),F=23.62>F0.01(1,6);施肥方式对土壤微生物量碳含量影响差异显著(p<0.05),F0.01(1,6)>F=10.51>F0.05(1,6);施肥种类和施肥方式交互作用差异极显著(p<0.01),F=38.91>F0.01(1,6);且F施肥种类<F交互作用。这表明施肥种类和施肥方式均有效提高了土壤微生物量含量,二者的交互作用效果更加明显。2.3条施复混肥对大鼠尾生长指标的影响对照和4种施肥处理的梁山慈竹林土壤有机碳含量与微生物量碳含量均呈显著或者极显著正相关,对照处理下相关系数最大(r=0.873),条施复混肥处理下相关系数最小(r=0.635),其余处理相关系数为0.774~0.838。可见,施肥并没有改变梁山慈竹林土壤有机碳含量与微生物量碳含量的相关性。3讨论和结论3.1施肥对土壤养分含量的影响施肥是提高森林土壤肥力、改善土壤理化性质的重要营林措施之一。但有关施肥对土壤质量及生产力的影响具有不确定性。有研究认为,连续施用化肥破坏了土壤结构,改变了其通透性及水分含量,从而使土壤质量降低或者生产能力下降;也有研究表明,单施化肥增加了回归土壤的生物量,提高了土壤有机碳含量;还有研究表明,施肥对土壤肥力无显著影响。关于不同肥料种类配施均会使土壤有机碳含量增加,增加的显著性有所区别是研究者共同的认识。本研究表明,4种施肥处理的梁山慈竹林土壤有机碳含量均高于对照,条施复混肥处理增加最大。这可能是由于土壤有机碳在土壤剖面上的分布格局与植物残留物、根际活动、养分输入、凋落物回归等密切相关。梁山慈竹鞭蔸主要分布在表层(0-20cm)土壤,复混肥提供了梁山慈竹短期内生长所需的速效性养分,根际活动增强不仅提高了地上部分竹林净初级生产力,增加回归土壤的生物量,也降低了土壤根系活动对有机碳的分解速率,土壤有机碳输入和固定远大于分解,从而使有机碳含量增加的幅度最大;另外条施深度正好作用其根际范围,施肥方式进一步促进了根际吸收养分的时效性。李香真等也认为,土壤有机质水平高,微生物受胁迫小,利于微生物群落发展,0-20cm土层中植物残留物分解合成形成的有机质相对集中,尤其是表层,有机碳含量明显高于下层,有机质丰富,更利于微生物群落发展。本研究还表明,施肥种类对土壤有机碳含量影响差异显著(p<0.05),这与相关研究结果一致。高会议等研究发现,施肥种类对土壤有机碳积累存在显著相关(p<0.05),提高了黄土高原半干旱地区土壤生产力和土壤有机碳的积累。施肥方式对土壤有机碳含量影响差异不显著,这说明梁山慈竹林短期施肥处理中,施肥方式不是主要的影响因素,但施肥种类配合适当的施肥方式更有利于提高土壤的固碳能力。这与免耕下不同施肥方式对土壤活性有机碳影响的结果一致。施用基肥和追肥虽然都可以增加土壤有机碳含量,但是基肥处理要显著高于追肥,基肥一般为条施,而追肥一般都是撒施,由于不同施肥方式对植物根系作用范围不同,影响根系对其吸收过程,从而导致施肥的结果存在显著差异性。这表明,在林业生产经营活动中,选择适合的肥料,配合恰当的施肥方式,能更好地发挥土壤的固碳效益,对于减缓大气中CO2浓度具有重要的作用。3.2施肥对土壤微生物量碳的影响微生物量碳是土壤活性有机碳的重要组成部分,可反映土壤养分有效性、土壤微生物活性强度及有机质分解过程,能代表参与调控土壤能量、养分循环、有机物质转化的微生物数量。微生物量碳转化迅速,能在总碳变化之前反映土壤有机质的变化。本研究表明,施肥处理后梁山慈竹林土壤微生物量碳含量均高于对照,以条施生物有机菌肥的土壤微生物量碳含量最高,施肥处理间差异性并不显著。其原因可能是短期施肥处理后提高了土壤肥力、根系活力和微生物数量及其活性,土壤微生量碳升高;生物有机菌肥含有熟化的有机物,增加了土壤外源性有机物的输入,满足了土壤微生物活性碳源的供应,激发了微生物的大量生长,同时条施深度也正好位于根际活动范围内,根系活化养分能力增强,根系分泌物及脱落物增多,丰富的生物基质促进了土壤微生物繁殖,因而条施生物有机菌肥的土壤微生物量碳含量最高。在样地立地条件基本一致的情况下,采样时间正好是出笋阶段,梁山慈竹鞭蔸的代谢量活动最强,微生物生命活动能源物质增加,相对于短期施肥处理,鞭蔸的代谢活动对根际微生物数量及其活性的影响更加显著,这是因为微生物对土壤鞭蔸活动依存度更大,所以施肥处理间微生物量碳差异性不显著。这与李东坡等人的研究结果基本一致,在同一生长季内,施用有机肥微生物量碳显著提高,不同生长季内,随着作物生长态势变化,微生物量碳都会显著增加或减少,施肥不能改变其变化趋势。本研究还表明,施肥种类、施肥方式及其二者的交互作用对土壤微生物量碳有显著影响,其中施肥种类影响效果大于施肥方式,二者的交互作用影响最强。这表明适合的施肥种类配合恰当的施肥方式更有利于土壤微生物量碳的提高。原因可能是梁山慈竹属多年生,其地下鞭蔸宿存较多及其生长连续性,对根际土壤影响较强,短期施肥处理会显著影响鞭蔸的根际生长,土壤根际微生物数量及活性均会大量提高。而施肥方式尤其是条施,在一定程度上破坏了根际土壤微生物原有的生存条件,改变土壤通透性,使得土壤微生物活性及其数量有所下降,产生一定的负面影响,导致施肥方式的影响低于施肥种类。王晶等人通过研究施肥对黑土土壤微生物量碳的影响发现,长期耕种或者施肥对土壤微生物量碳含量水平产生负面效应,微生物量碳含量呈衰减趋势,衰减程度最高达到了-61.8%,主要原因就是破坏了土壤的原有存在状态。3.3机碳、微生物量碳变化与土壤有机碳的关系施肥不仅提供作物生长所必需的养分,更重要的是保证了土壤微生物新陈代谢所必需的碳源。施肥既通过植物新陈代谢增加了土壤有机碳含量,也在一定程度上满足了微生物活动需要的营养元素,并且非常迅速活跃地参与养分转化和固定碳元素。因此研究有机碳、微生物量碳变化及其相关性具有重要的生态学意义。唐国勇等研究发现4种典型土地利用方式下,土壤有机碳与土