间伐和林龄对太岳山华北落叶松人工林土壤磷组分特征及转化的影响

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中文摘要：土壤磷是植物生长最重要的大量营养元素之一。对不同的土壤磷组分特征进行研究对于评价磷在土壤中的生物有效性是必不可少的。了解土壤中的磷转化及其驱动因素是预测环境条件的变化如何影响土壤中磷的动态和有效性的先决条件。本研究以山西太岳山不同间伐强度、不同林龄的华北落叶松人工林（Larixprincipis-rupprechtii）为研究对象，采用Hedley及其由TiessenandMoir改良后的连续提取法作为土壤磷分级方法，研究土壤磷组分特征对间伐和林龄的响应。采用结构方程模型充分地识别了土壤磷组分和磷的功能库在土壤中的转化过程。同时结合影响土壤磷组分特征及转化的土壤理化性质、土壤酸性磷酸酶活性、土壤微生物群落、凋落物生物量和细根生物量等关键因子，探讨不同间伐和不同林龄华北落叶松人工林土壤磷组分特征和转化的驱动因素。研究结果表明：（1）华北落叶松人工林土壤磷组分特征受到了间伐的显著影响。在不同间伐处理下，与对照相比，轻度间伐显著降低了土壤非活性无机磷和有机磷含量。与此相反，中度间伐和重度间伐均显著提高了土壤全磷、活性有机磷和中等活性磷含量。然而，土壤可溶性无机磷含量只在中度间伐显著增加，揭示了间伐效应不随间伐强度的增加而增加，中度间伐对提高磷库的生物利用度最为有效。不同间伐强度华北落叶松人工林的结构方程模型分别解释了对照和中度间伐中土壤可溶性无机磷库总方差的70%和55%。土壤活性有机磷库对可溶性无机磷库的缓冲通量在对照中更为显著。土壤原生矿物质磷库不论是在对照，还是中度间伐中，均为土壤可溶性无机磷库的主要直接来源。土壤闭蓄态磷库在对照中充当可溶性无机磷库的汇，然而在中度间伐中，该库充当可溶性无机磷的主要来源。因此，中度间伐中所有土壤磷组分的活性都会发生变化，该处理下的磷利用率更高。对华北落叶松人工林进行间伐后，显著影响了土壤温度、含水率、pH、有机碳、细根生物量、微生物群落以及次生矿物质磷库、原生矿物质磷库和有机磷库，从而增加了土壤有效磷库。将土壤微生物、其他关键特性、植物和土壤磷形态联系起来的结构方程模型表明，土壤细菌在调节间伐对土壤磷生物有效性的影响方面起着主导作用。研究结果强调，增加土壤微生物群落多样性可以维持土壤磷的生物有效性。（2）华北落叶松人工林土壤磷组分特征受到了林龄的显著影响。土壤全磷、有机磷、活性磷和中等活性磷含量均随着林龄的增加而显著升高；土壤无机磷含量从中龄林到近熟林逐渐升高，近熟林以后持续减少，呈现出先升高后降低的趋势；而土壤稳定性磷组分随林龄的变化并不显著。结果表明，华北落叶松人工林的发育通过土壤磷组分的动态变化影响土壤磷的生物利用度，发育后期的森林磷循环更加活跃和高效。不同林龄华北落叶松人工林的结构方程模型分别解释了中龄林、近熟林和成熟林中土壤可溶性无机磷库总方差的78%、33%和55%。中龄林和近熟林中土壤可溶性无机磷库受到的最大直接正效应来自土壤原生矿物质磷库。同时，近熟林中的土壤次生矿物质磷库通过直接和间接作用对土壤可溶性无机磷形成一个最大的总正效应。然而，土壤闭蓄态磷在成熟林土壤对可溶性无机磷库的直接和总效应均达到最大，是华北落叶松成熟林土壤可溶性无机磷库的最大磷源。研究结果揭示了，华北落叶松人工林不同发育阶段对土壤磷库的吸收是有选择的，中龄林以原生矿物质磷库为主，近熟林以次生矿物质磷库为主，而成熟林则以吸收闭蓄态磷库为主。不同林龄的华北落叶松人工林显著影响了土壤化学计量特征（C:N、C:P、N:P）、土壤酸性磷酸酶、凋落物生物量、细根生物量以及次生矿物质磷库、原生矿物质磷库、有机磷库和闭蓄态磷库，从而增加了土壤有效磷库。林龄对土壤有效磷的影响主要是通过对土壤次生矿物质磷、原生矿物质磷和闭蓄态磷的影响来实现的。林龄对土壤有效磷的影响基本上随着土壤C:N、N:P而变化，土壤化学计量通过直接影响闭蓄态磷和次生矿物质磷而间接控制土壤磷的有效性。该结果表明，不同林龄华北落叶松人工林土壤磷的转化主要由土壤化学计量所驱动。综上表明类似于该研究的中度间伐以及发育后期的森林磷循环更加活跃和高效，揭示了土壤微生物群落多样性以及土壤碳氮磷化学计量特征在维持土壤磷有效性方面起着主导作用。这对科学指导该地区华北落叶松人工林经营提供了理论支撑，对改进土地资源可持续管理的建议，人工林植被恢复策略的制定具有重要的意义。

作者：

田慧霞

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关键词：

华北落叶松人工林土壤磷组分微生物群落化学计量

授予学位：

博士

学科专业：

生态学

导师：

韩海荣

学位年度：

2020

学位授予单位：

北京林业大学

语种：

中文

中图分类号：