全 文 ：第 35 卷第 23 期
2015年 12月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.23
Dec., 2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:重庆市自然科学基金重点项目(CSTC2013JJB00004);国家林业公益性行业科研专项(201004039);留学回国人员科研启动基金项目
(教外司留[2010鄄1561]);中央高校基本科研业务费专项资金(XDJK2013A011)资助
收稿日期:2014鄄05鄄11; 摇 摇 网络出版日期:2015鄄05鄄18
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: lichangx@ swu.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201405110966
马朋, 李昌晓, 任庆水, 杨予静, 马骏.模拟水淹鄄干旱胁迫对水杉幼树实生土壤营养元素含量的影响.生态学报,2015,35(23):7763鄄7773.
Ma P, Li C X, Ren Q S, Yang Y J, Ma J.Effects of simulated submergence and drought on the nutrient content of soils planted with Dawn Redwood
(Metasequoia glyptostroboides) saplings.Acta Ecologica Sinica,2015,35(23):7763鄄7773.
模拟水淹鄄干旱胁迫对水杉幼树实生土壤营养元素含
量的影响
马摇 朋, 李昌晓*, 任庆水, 杨予静, 马摇 骏
西南大学生命科学学院,三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆摇 400715
摘要:模拟三峡库区消落带水位变化情况,对 2年生水杉幼树实生土壤 pH值和主要营养元素含量进行研究。 试验共设置 3个
处理阶段,阶段 1为淹水处理阶段,包括常规供水组(C),半淹组(H)和全淹组(F);阶段 2 为干旱处理阶段,包括常规供水
(C),半淹(H),全淹(F),常规供水鄄轻度干旱(CD),半淹鄄轻度干旱(HD)和全淹鄄轻度干旱(FD)6种不同水分处理组;阶段 3时
将所有处理组恢复到正常供水处理,每种水分处理均设置水杉幼树实生土壤与无植物空白对照土壤。 测试的指标包括 pH值,
有机质(OM)、碱解氮(AN)、有效磷(AP)、速效钾(AK)、全氮(TN)、全磷(TP)和全钾(TK)含量。 研究结果表明,阶段 1 结束
时,C组和 H组水杉幼树盆栽土壤的氮素及 TP 含量较无植物组显著下降,H组的 AP 含量及 F组的氮素和 TP 含量显著升高;
与正常供水组(C组)相比,淹水处理增高了水杉幼树盆栽土壤的 pH值和 OM含量,降低了其 AP 含量,而 F组水杉土壤的 TN、
TP 和 AN含量分别较 C组显著升高 17.1%,16.9%和 34.2%。 阶段 2结束时,前期水淹增加了水杉幼树实生土壤 pH值、OM、AN
和 AP 含量后期对干旱的敏感性;与无植物组相比,水杉幼树的栽植增加了除 C 组外的其他水分处理组土壤的 OM 含量;在水
杉盆栽土壤中,与 C组相比,H和 F组的 pH值分别升高 2.6%和 3.8%,OM 含量却未出现显著差异。 经过 21 d 的正常供水处
理,H、HD组水杉土壤的 pH值较无植物组土壤显著下降,所有水淹组土壤的 OM含量则显著升高,与此同时,C组、CD组的 TN
和 CD组的 TP 含量显著升高;各淹水处理组的水杉土壤在恢复生长后,其 pH值及多项营养元素含量均已恢复至 C组水平,HD
和 FD组水杉土壤的所有化学性质亦恢复至 CD 组水平。 在对水杉幼树盆栽土壤化学性质的相关分析中发现,OM、TN、TP 和
AN含量两两之间存在极显著的正相关,pH值与 OM、TN、TP、TN含量呈极显著负相关关系。 研究证实,在三峡库区消落带适度
营造水杉对于恢复库区植被、改良土壤肥力状况具有积极作用,但是在水库退水期时应及时浇水灌溉,避免将其置于干旱环境
当中。
关键词:消落带;土壤营养;水杉幼树;三峡库区;恢复生长
Effects of simulated submergence and drought on the nutrient content of soils
planted with Dawn Redwood (Metasequoia glyptostroboides) saplings
MA Peng, LI Changxiao*, REN Qingshui, YANG Yujing, MA Jun
Key Laboratory for the Eco鄄Environment of the Three Gorges Reservoir Region of the Ministry of Education, College of Life Sciences, Southwest University,
Chongqing 400715, China
Abstract: This study investigated the effect of how water availability influences the pH and nutrient content of soils planted
with two鄄year鄄old Dawn Redwood (Metasequoia glyptostroboides) saplings, by applying different water treatments to simulate
the water鄄level鄄fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir in this study. The treatments involved 3 phases. In the first
phase, the treatments were presented with a conventional water supply (C), half flooding (H), and full flooding (F).
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Light drought was introduced in the second phase, and included six: conventional water supply (C), half flooding (H),
full flooding ( F), conventional water supply followed by light drought ( CD), half flooding followed by light drought
(HD), and full flooding followed by light drought ( FD). In the third phase, all treatments were returned to the
conventional water supply. Each treatment group lasted 166 days in total, and contained soil samples planted with two鄄year鄄
old M. glyptostroboides saplings and soils without vegetation. The pH value, organic matter (OM), total nitrogen (TN),
total phosphorus ( TP), total potassium ( TK), alkali hydrolysable nitrogen ( AN), available phosphorus ( AP), and
available potassium (AK) content in soils containing M. glyptostroboides soils and non鄄vegetated soils were measured after
each 166鄄day treatment. After phase I, compared to non鄄vegetated soils (control), M. glyptostroboides soil in groups C and
H had highly significant lower nitrogen and TP content and the H treatment had lower AP content, while the F treatment
had higher nitrogen and TP content. Compared with the control (group C), flooding treatment increased the pH value and
content of OM, whereas AP content decreased. Compared to the control, the TN, TP, and AN content in group H of M.
glyptostroboides soils increased by 17. 1%, 16. 9%, and 34. 2%, respectively. After the drought treatment of phase II,
flooding had a significant effect on the subsequent sensitivity of pH value, as well as OM, AN, and AP content in M.
glyptostroboides soils. Compared to the control, the OM content in the soils of all the water treatment groups ( excluding
group C) increased significantly in the soils planted with M. glyptostroboides. Concurrently, compared with group C, the pH
value increased by 2.6% and 3.8% in group H and F, respectively; however, the OM content was not significantly different
in M. glyptostroboides soils. After the water supply was resumed to the level of the control for all treatments, compared to the
control, the pH value of M. glyptostroboides soils in group H and HD decreased. In contrast, the OM content in the soils of
all the flooding treatment groups and the TN content in soils of group C and CD content increased significantly. In addition,
compared to the control, the OM content significantly increased in all the previous flooding treatment groups. The pH value
and a number of nutrient contents under the flooding treatments recovered to the level of the control group after recovery
growth treatment. All of the chemical properties of the HD and FD groups in M. glyptostroboides soils also recovered to the
level of the CD group. The correlation analysis of soil chemical properties in M. glyptostroboides saplings soils showed that a
very significant, positive correlation was present among OM, TP, TN, and AN content. However, the pH value exhibited a
highly negative relationship with OM, TN, TP, and TN content. The results showed that M. glyptostroboides is viable for
revegetating the water鄄level鄄fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir, but that timely irrigation during the drawdown
time period is necessary.
Key Words: water鄄level鄄fluctuating zone; soil nutrients; Metasequoia glyptostroboides saplings; the Three Gorges
Reservoir; recovery growth
消落带是指水体水位因季节性涨落而形成的周期性水淹鄄干旱交替的水陆衔接地带[1鄄2]。 三峡工程自竣
工以来,在库区形成了一个垂直落差达 30 m的消落带区域[3鄄4],该消落带的反季节调度方式使其冬季因蓄水
将面临长时间、大深度的水淹,夏季由于排水以及高温则出现一定程度的干旱[5鄄6],长期作用势必导致原有消
落带土壤的理化和生物性质发生改变[7]。 研究表明,消落带植被体系重建可以有效防治水土流失[8]、提高土
壤肥力[9]、增强岸坡的稳定性[10],目前,许多学者针对三峡库区消落带湿地植被的恢复与重建做了大量的研
究,并取得显著成果[11鄄13],其中,水杉(Metasequoia glyptostroboides)被认为是良好的库岸带造林树种之一[14]。
水杉不仅适应性强,而且生长速度快,轻度耐盐碱、耐水淹,在我国丹江口水库消落区大量存活[15]。 三峡
水库消落带土壤与水体联系紧密,若将水杉栽植于三峡库区消落带,前期水淹鄄后期干旱以及恢复生长处理对
其生长土壤的 pH 值和营养元素含量的影响还无从知晓,因此,开展不同水分条件对水杉幼树实生土壤化学
性质影响的研究十分必要。 本研究模拟三峡库区消落带水文变化情况,设计前期水淹—后期干旱胁迫的盆栽
试验,对 2年生水杉实生幼树土壤的主要营养元素含量变化进行研究,旨在从土壤微生态的角度认识消落带
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植被重建后其土壤主要营养元素含量的变化机制,为当地植被恢复建设提供技术和理论支持。
1摇 材料与方法
1.1摇 研究树种和地点
本试验选择 2年生水杉幼树(取自四川邻水县苗圃)作为研究对象,2012年 11月下旬将生长基本一致的
45株幼苗带土盆栽(土壤为取自三峡库区忠县汝溪河流域消落带的混匀紫色土,每盆装约 5 kg,盆中央内径
18 cm,盆高 20 cm),与此同时,取装有相同土壤且大小一致的 45盆不栽植苗木的盆钵作为空白对照,将所有
盆钵放置于三峡库区生态环境教育部重点实验室基地大棚下(海拔高度 249 m,透明顶棚,四周开敞)进行相
同土壤基质、光照和水分驯化适应。 试验于 2013年 1月正式开展,此时苗木的高度为(97.05依1.53)cm,基茎
为(0.85依0.11)mm。 供试土壤的基本特征见表 1。
表 1摇 供试土壤营养元素含量初始值(平均值依标准误)
Table 1摇 Baseline data of nutrient contents in soil provided for experimental use (mean依SE)
pH值
pH value
有机质含量
Organic
Matter content /
(g / kg)
全氮含量
Total Nitrogen
content /
(g / kg)
全磷含量
Total
Phosphorus
content /
(g / kg)
全钾含量
Total
Potassium
content /
(g / kg)
碱解氮含量
Available
Nitrogen
content /
(mg / kg)
有效磷含量
Available
Phosphorus
content /
(mg / kg)
速效钾含量
Available
Potassium
content /
(mg / kg)
8.30依0.04 11.62依0.56 1.11依0.03 1.11依0.10 53.61依5.24 76.70依3.78 0.85依0.16 161.02依4.08
摇
摇 图 1摇 干旱阶段水杉幼树清晨叶水势(阶段 2)(平均值依标准误)
Fig.1摇 Predawn leaf water potential of Metasequoia
glyptostroboides saplings under light drought stress in Phase 2
(mean依SE)
1.2摇 试验设计
本试验根据三峡库区消落带水文变化情况,共设置
3个不同水分处理阶段。 阶段 1 为淹水处理期,共 3 个
处理组,包括常规供水组(C),即控制土壤含水量为田
间持水量的 60%—63% (采用称重法确定);半淹组
(H),即将苗盆放入水池中,向池内注入水并保持淹至
植物中部;全淹组(F),即将苗盆放入水池中,向池内注
入水并保持淹没植物顶端 20 cm。 75 d 后,每组随机选
择 6盆土壤(含 3盆无植物对照组土壤)进行破坏性取
样。 阶段 2为干旱处理期,将阶段 1剩余的样本再随机
平分为两个处理组,一组继续保持阶段 1 的水分处理,
另一组进行轻度干旱胁迫处理(即保证植株叶片的清
晨叶水势小于 - 0. 5 MP, 6: 00—7: 00 时,采用美国
Wescor公司生产的 Psypro露点水势仪对水杉幼苗上部
充分发育成熟的叶片进行水势测定,具体监测结果
图 1)。
此时,除了 C、H和 F3个处理组外,还增加了 CD组(常规供水鄄轻度干旱处理)、HD组(半淹鄄轻度干旱处
理)、和 FD组(全淹鄄轻度干旱处理)3个处理组,试验处理期为 60 d(由于达到半干旱状态需 10 d,故阶段 2处
理时间共 70 d)。 阶段 3为恢复处理阶段,此时将所有的处理组均恢复到正常田间水分管理,21 d 后取样测
试。 整个处理阶段持续 166 d,处理结束时共取 90个土壤样品。 具体的试验设计方案见表 2。
1.3摇 土壤样品采集与土壤性质测定
对试验土壤进行取样时,先把植株的地上部分刈割下来(整个处理阶段所有植株的存活率为 100%,对植
物指标的测定结果将另作报道),将苗盆中的土壤倒出,去除其中的根系与杂物,然后将每盆土壤充分混匀,
在室内风干后研磨,过筛。 过筛后的土壤用于土壤 pH值、有机质(OM)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、碱
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解氮(AN)、有效磷(AP)、速效钾(AP)含量的测定。 无植物组做相同处理。 土壤 pH 值测定采用电位计法
(土颐水 = 1颐2.5);土壤有机质含量测定采用重铬酸钾外加热法;土壤全 N 含量测定采用全自动凯氏定氮仪
(瑞士 B俟chi公司生产的 Distillation Unit B鄄324);用碱解鄄扩散法测定土壤碱解氮含量;土壤全 P、速效 P 含量
利用钼锑抗比色法;全 K、速效 K含量采用原子吸收光谱仪(美国 PE公司生产的 AA800)。
1.4摇 统计分析
根据测定土壤指标,采用独立样本 T检验(Independent鄄samples T test)分析水杉幼树盆栽土壤与无植物组
土壤化学性质之间的差异显著性。 用单因素方差分析(One鄄way ANOVA)揭示同一取样时间下不同水分处理
组的土壤化学性质,若检验结果表明分析因素对土壤化学性质具有显著影响,则采用 Tukey 检验法进行多重
比较。 采用 Pearson 相关系数评价水杉幼树土壤各指标间的相关关系。 本研究采用 SPSS 20.0(SPSS Inc.,
USA)软件和 Microsoft Excel 2003软件进行数据分析,用 Origin 8.5(Origin lab Corporation)制图。
表 2摇 试验设计
Table 2摇 Experiment design
处理组
Treatment group
阶段 1
Phase 1
阶段 2
Phase 2
阶段 3
Phase 3
0—75 d 75—145 d 145—166 d
摇 摇 C 正常供水Conventional water supply
C组:正常供水
Conventional water supply
正常供水
Conventional water supply
CD组:轻度干旱
Light drought
正常供水
Conventional water supply
摇 摇 H 半淹Half flooding
H组:半淹
Half flooding
正常供水
Conventional water supply
HD组:轻度干旱
Light drought
正常供水
Conventional water supply
摇 摇 F 全淹Full flooding
F组:全淹
Full flooding
正常供水
Conventional water supply
FD组:轻度干旱
Light drought
正常供水
Conventional water supply
摇
2摇 结果与分析
2.1摇 水杉幼树实生土壤化学性质对水淹的响应(阶段 1)
对阶段 1不同水分处理下的土壤 pH 值和营养元素含量进行比较发现,与无植物组相比,不同水分处理
组的水杉幼树盆栽土壤 pH值和 OM含量并未出现显著性差异。 以水分处理为因子,对水杉幼树实生土壤性
质进行单因素方差分析,结果表明,经过 75 d的水淹处理后,与 C组相比,H 和 F 组土壤的 pH 值和 OM 含量
均显著提高(P < 0.05)(图 2)。
不同水分处理下土壤的氮、磷和钾含量则呈现出不同的变化规律(图 3):与无植物对照组土壤相比,水杉
幼树土壤 TN、TP 和 AN含量的变化趋势一致,即 C、H组显著降低,F组极显著上升;这与 K 含量在有无植物
土壤中均无显著性差异形成对比;H 组水杉幼树土壤 AP 含量显著低于无植物组,C 和 F 组则与其未出现显
著性差异(图 3)。
对于水杉幼树实生土壤(图 3),与 C 组相比,全淹组(F)的 TN、TP 和 AN 含量分别显著升高了 17.1%,
16.9%和 34.2%;而半淹组(H)的三个指标较 C组并未出现显著差异(P > 0.05);经过阶段 1 的淹水处理,H、
F组的 AP 含量较 C组分别显著下降了 48.3%和 57.6%;而 K含量在 3 个水分处理组之间未出现显著性差异
(图 3)。
2.2摇 水杉幼树实生土壤化学性质对干旱的响应(阶段 2)
在阶段 2处理结束后,与无植物组土壤相比,不同水分处理组的水杉幼树实生土壤化学性质呈现不同的
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图 2摇 阶段 1不同水分处理下盆栽土壤 pH值、有机质含量(平均值依标准误)
Fig.2摇 The change of pH value and organic matter content in soils under different water treatments in phase 1 (mean依SE)
C: 正常供水 Conventional Water Supply, H: 半淹 Half Flooding, F: 全淹 Full Flooding
图 3摇 阶段 1不同水分处理下盆栽土壤 N、P、K含量(平均值依标准误)
Fig.3摇 The change of N, P and K content in soils under different water treatments in phase 1 (mean依SE)
变化规律(图 4),其中,栽植水杉幼树的所有水分处理组土壤的 pH值较无植物组土壤无显著性变化;而除 C
组外,水杉幼树盆栽土壤 OM含量均显著或极显著高于无植物组;就土壤壤全量营养元素含量而言,除 F组的
TN含量和 C组的 TP 含量显著升高、CD组的 TP 含量显著下降外,水杉栽植并未显著影响其土壤的全量养分
含量(表 3);而就速效养分而言,C组水杉幼树盆栽土壤的 AN和 AK含量、HD组的 AN含量、F组和 CD组的
AP 含量均较无植物组显著极显著下降,H组和 CD组 AN含量和 FD组的 AP 含量较无植物组土壤显著上升,
其余处理组水杉幼树土壤的速效养分含量较对照组未出现显著差异(表 4)。
对水杉幼树盆栽土壤化学性质进行单因素方差分析表明,就 pH值而言,持续水淹组(H、F)仍显著高出 C
组 3.9%和 4.3%,与此同时,HD和 FD组的土壤 pH值显著高出 CD组 2.6%和 3.8%。 对于土壤 OM含量,H和 F
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组较 C组均未出现显著性变化,且 HD和 FD组与 CD组之间亦无显著性差异存在(P > 0.05)(图 4)。
图 4摇 阶段 2不同水分处理下盆栽土壤 pH值、有机质含量(平均值依标准误)
Fig.4摇 The change of pH value and organic matter content in soils under different water treatments in phase 2 (mean依SE)
C: 正常供水, H: 半淹, F: 全淹, CD: 常规供水鄄轻度干旱 Conventional Water Supply鄄Light Drought, HD: 半淹鄄轻度干旱 Half Flooding鄄Light
Drought, FD: 全淹鄄轻度干旱 Full Flooding鄄Light Drought
水杉幼树实生土壤全量养分含量在阶段 2 呈现不同规律的变化。 其中,与 C 组相比,H 组土壤的 TN 含
量显著降低了 18.9%,而与 F组之间则没有显著性差异(P > 0.05);与干旱对照组(CD)相比,HD 和 FD 组土
壤 TN含量未出现显著性差异。 就土壤 TP 含量而言,H和 F组与 C组并未出现显著性差异,同时,HD、FD组
也并未与 CD组出现显著差异(P > 0.05)。 另外,F 组土壤 TK 含量显著高出 C 组 17.9%,H 组土壤 TK 含量
与 C组之间则没有显著性差异存在;与此同时,HD和 FD组土壤 TK 含量与 CD 组之间亦未无显著性差异存
在(P > 0.05)(表 3)。
表 3摇 阶段 2不同水分处理下盆栽土壤全氮、全磷、全钾含量(平均值依标准误)
Table 3摇 The change of TN, TP and TK content in soils under different water treatments in phase 2 (mean依SE)
处理组
Treatment group
全氮含量 TN content / (g / kg)
无植物土壤
Unplanted
soils
水杉幼树
土壤
Soils of M.
glyptostroboides
saplings
显著性
Sig.
全磷含量 TP content / (g / kg)
无植物土壤
Unplanted
soils
水杉幼树
土壤
Soils of M.
glyptostroboides
saplings
显著性
Sig.
全钾含量 TK content / (g / kg)
无植物土壤
Unplanted
soils
水杉幼树
土壤
Soils of M.
glyptostroboides
saplings
显著性
Sig.
摇 摇 C 1.00依0.10 a 1.22依0.20 a ns 1.10依0.11 a 0.89依0.04 b * 59.51依8.96 b 69.17依1.83 b ns
摇 摇 H 0.94依0.09 b 0.99依0.08 b ns 0.95依0.01 b 1.03依0.10 ab ns 67.42依10.46 b 57.24依12.31 b ns
摇 摇 F 0.95依0.02 b 1.20依0.10 a * 0.94依0.03 b 0.94依0.03 ab ns 97.26依17.98 a 84.30依15.01 a ns
摇 摇 CD 0.97依0.04 b 0.93依0.05 b ns 0.97依0.04 b 1.22依0.04 a * 66.33依2.77 b 67.60依2.17 b ns
摇 摇 HD 1.01依0.03 b 1.03依0.10 ab ns 1.01依0.03 a 0.93依0.05 ab ns 67.38依6.15 b 66.31依3.89 b ns
摇 摇 FD 1.09依0.82 b 0.94依0.03 b ns 1.09依0.08 a 0.99依0.82 ab ns 76.31依12.56ab 73.73依5.12 ab ns
摇 摇 不同字母表示不同水分处理组间土壤营养元素含量间差异显著(P < 0.05) C: 正常供水, H: 半淹, F: 全淹, CD: 规供水鄄轻度干旱, HD:
半淹鄄轻度干旱,FD: 全淹鄄轻度干旱
对水杉幼树实生土壤速效养分含量进行单因素方差分析表明,与 C 组相比,F 组土壤 AN 含量没有出现
显著差异(P > 0.05),而 H组则显著升高 17.9%;与 CD组相比,HD组和 FD组水杉土壤 AN含量分别显著下
降 21.6%和 16.6%。 就土壤 AP 含量而言,H、F组与 C组相比并无显著差异(P > 0.05),HD、FD组较 CD组则
显著升高(P < 0.05)。 阶段 2处理结束后,所有组别土壤的 AK含量仍无显著性差异存在(表 4)(P > 0.05)。
2.3摇 水杉幼树实生土壤化学性质对复水的响应(阶段 3)
经过 21d的恢复生长,除 H 组、HD 组水杉幼树土壤 pH 值较无植物组显著下降外,其余处理组的 pH 值
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与无植物组土壤间均无显著性差异(图 5);而除 C组和 CD组的水杉盆栽土壤 OM含量较无植物组无显著性
差异外,所有淹水处理组的水杉盆栽土壤的 OM含量则显著或极显著地高于无植物对照组(图 5)。 水杉幼树
土壤除 C组的 TN含量和 CD组的 TN、TP 及 AN含量较无植物组显著上升,F组的 TK含量、C和 CD组的 AP
含量显著下降外,各处理组的水杉盆栽土壤 N、P、K含量较无植物组间已无显著性差异(表 5,表 6)。
表 4摇 阶段 2不同水分处理下盆栽土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量(平均值依标准误)
Table 4摇 The change of AN, AP and AK content in soils under different water treatments in phase 2 (mean依SE)
处理组
Treatment group
碱解氮含量 AN content / (mg / kg)
无植物土壤
Unplanted
soils
水杉幼树
土壤
Soils of M.
glyptostroboides
saplings
显著性
Sig.
有效磷含量 AP content / (mg / kg)
无植物土壤
Unplanted
soils
水杉幼树
土壤
Soils of M.
glyptostroboides
saplings
显著性
Sig.
速效钾含量 AK content / (mg / kg)
无植物土壤
Unplanted
soils
水杉幼树
土壤
Soils of M.
glyptostroboides
saplings
显著性
Sig.
摇 摇 C 92.35依2.58 a 68.26依2.30 b ** 0.54依0.30 c 0.69依0.14 c ns 182.73依6.45 a 163.70依3.18 a *
摇 摇 H 66.72依6.91 b 83.17依7.35 a * 1.05依0.48 a 0.71依0.21 c ** 184.36依8.05 a 172.43依6.11 a ns
摇 摇 F 66.29依5.60 b 66.29依1.62 b ns 0.79依0.08 bc 0.57依0.11 c * 173.8依5.29 a 168.08依6.89 a ns
摇 摇 CD 67.82依2.66 b 83.17依7.35 a * 1.06依0.38 a 0.41依0.21 c *** 178.55依4.23 a 172.23依2.50 a ns
摇 摇 HD 99.17依13.31 a 65.22依3.16 b ** 0.94依0.30 b 0.80依0.27 b ns 170.73依3.54 a 160.53依1.78 a ns
摇 摇 FD 75.31依5.06 b 69.34依5.03 b ns 0.89依0.12 b 1.13依0.13 a * 146.99依12.17b 159.53依6.03 a ns
单因素方差分析结果表明(图 5),阶段 3时所有水分处理组的水杉幼树实生土壤 pH值均恢复至 C 组水
平(P > 0.05);除了 H组土壤 OM含量显著高出 C组 18.7%外,其余组别的土壤 OM含量也恢复至 C组水平,
HD和 FD组土壤 OM含量与 CD组之间亦无显著性差异存在(P > 0.05)。
图 5摇 阶段 3不同水分处理下盆栽土壤 pH值、有机质含量(平均值依标准误)
Fig.5摇 The change of pH value and organic matter content in soils under different water treatments in phase 3 (mean依SE)
C: 正常供水, H: 半淹, F: 全淹, CD: 规供水鄄轻度干旱, HD: 半淹鄄轻度干旱,FD: 全淹鄄轻度干旱
与 C组相比,F组水杉幼树实生土壤的 TN含量没有出现显著变化,而 H组仍显著低于 C 组 27.1%;HD、
FD组分别和 CD组之间没有显著性差异(P > 0.05)。 同时,所有处理组土壤的 TP 含量均恢复到了 C 组的水
平,且 HD、FD组与 CD组也未出现显著差异。 另外,F组的水杉幼树实生土壤 TK 含量在恢复生长后显著高
于 C组,而 HD和 FD与 C组之间未出现显著性差异(P > 0.05)(表 5)。
所有处理组的水杉幼树实生土壤 AN含量在经历恢复生长后均恢复到正常供水组(C)水平,且 HD和 FD
组与 CD之间也分别未出现显著性差异(P > 0.05)。 21 d 的正常供水后,H 和 F 组土壤 AP 含量显著低于 C
组(P < 0.05);与 CD组相比,HD和 FD组土壤 AP 含量没有显著变化。 与此同时,所有处理组水杉幼树实生
9677摇 23期 摇 摇 摇 马朋摇 等:模拟水淹鄄干旱胁迫对水杉幼树实生土壤营养元素含量的影响 摇
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土壤之间的 AK含量仍未出现显著差异(表 6)。
表 5摇 阶段 3不同水分处理下盆栽土壤全氮、全磷、全钾含量(平均值依标准误)
Table 5摇 The change of TN, TP and TK content in soils under different water treatments in phase 3 (mean依SE)
处理组
Treatment group
全氮含量 TN content / (g / kg)
无植物土壤
Unplanted
soils
水杉幼树
土壤
Soils of M.
glyptostroboides
saplings
显著性
Sig.
全磷含量 TP content / (g / kg)
无植物土壤
Unplanted
soils
水杉幼树
土壤
Soils of M.
glyptostroboides
saplings
显著性
Sig.
全钾含量 TK content / (g / kg)
无植物土壤
Unplanted
soils
水杉幼树
土壤
Soils of M.
glyptostroboides
saplings
显著性
Sig.
摇 摇 C 0.81 依0.25 b 1.18依0.03 a ** 0.81 依0.25 ab 0.88依0.03 ab ns 59.66依38.65c 63.26依6.20 b ns
摇 摇 H 0.82 依0.06 b 0.86依0.06 b ns 0.85 依0.12 ab 0.86依0.06 ab ns 67.25依2.44bc 70.20依14.71 bc ns
摇 摇 F 0.94 依0.04 a 1.01依0.09 a ns 1.04 依0.03 a 1.01依0.09 a ns 93.84依13.91a 79.91依0.36 a *
摇 摇 CD 0.65 依0.07 c 0.90依0.03 ab * 0.65 依0.07 b 0.90依0.03 ab * 64.69依2.93bc 67.45依1.36 b ns
摇 摇 HD 0.85 依0.12 b 0.72依0.02 b ns 0.82 依0.06 ab 0.72依0.02 b ns 69.15依8.32bc 61.97依1.65 b ns
摇 摇 FD 1.04 依0.04 a 1.03依0.04 a ns 0.94 依0.04 a 1.00依0.05 a ns 78.34 依2.80 b 75.23依4.01 ab ns
摇
表 6摇 阶段 3不同水分处理下盆栽土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量(平均值依标准误)
Table 6摇 The change of AN, AP and AK content in soils under different water treatments in phase 3 (mean依SE)
处理组
Treatment group
碱解氮含量 AN content / (mg / kg)
无植物土壤
Unplanted
soils
水杉幼树
土壤
Soils of M.
glyptostroboides
saplings
显著性
Sig.
有效磷含量 AP content / (mg / kg)
无植物土壤
Unplanted
soils
水杉幼树
土壤
Soils of M.
glyptostroboides
saplings
显著性
Sig.
速效钾含量 AK content / (mg / kg)
无植物土壤
Unplanted
soils
水杉幼树
土壤
Soils of M.
glyptostroboides
saplings
显著性
Sig.
摇 摇 C 57.93依15.63ab 62.69依1.60ab ns 0.84依0.07ab 0.72依0.28a ns 185.95依8.15ab 183.07依12.95a ns
摇 摇 H 60.35依7.66ab 61.22依3.43ab ns 0.73依0.09b 0.36依0.15b ** 199.45依5.69a 189.49依6.42a ns
摇 摇 F 66.21依2.50ab 70.45依5.42a ns 1.02依0.65a 0.54依0.20b ** 176.77依9.05ab 188.75依4.41a ns
摇 摇 CD 48.20依4.30b 63.64依1.94ab * 0.73依0.29b 0.63依0.15a ns 180.90依4.32ab 174.74依5.88a ns
摇 摇 HD 58.61依3.90ab 52.54依1.31b ns 0.90依0.25a 0.60依0.12a * 173.68依10.82a 180.83依8.05a ns
摇 摇 FD 72.05依2.14a 71.83依2.26a ns 1.04依0.06a 0.72依0.21a ** 160.45依8.43b 169.25依10.45a ns
摇
2.4摇 水杉幼树盆栽土壤化学性质间的相关性分析
对水杉幼苗盆栽土壤化学性质进行相关性分析,结果表明,pH值与 OM、TN、TP 及 AN含量呈显著或极显
著负相关,而与全钾含量呈显著正相关。 OM含量与 TN、TP 及 AN含量呈现出极显著的正相关关系,但与 TK
含量却呈极显著负相关。 TN含量与 TP、AN含量呈极显著正相关,却与 TK含量呈显著负相关;TP 含量与 AN
含量呈极显著正相关,与 TK含量呈显著负相关;同时,TK 含量与 AK 含量呈显著正相关,与 AN 含量呈显著
负相关(表 7)。
3摇 讨论
土壤是陆地生态系统中物质循环和能量流动的重要场所,其营养成分的变化与地表植被类型[16鄄17]、不同
用地方式[18鄄19]和人类活动[20鄄21]等因素有着密切联系。 三峡库区消落带土壤每年有 5—6个月的时间(因高程
而异)浸泡在水体中[22],其余时间出露成陆,每年都始终处于季节性的干湿交替变化之中。 该区域土壤在淹
没时会受到因水位涨落所造成的重力侵蚀和水浪的冲刷,在落干期会受到地表径流和雨水淋溶的影响[23]。
一般而言,周期性的水位消涨一方面会加速消落区土壤对营养物质的机械吸收、物理吸收、化学吸收和生物吸
收等过程,另一方面会促进土壤养分的释放、溶解和扩散过程[24],但是在三峡库区消落带这一特殊区域,土壤
营养元素含量的变化还要结合当地水文特征、气候类型、植被种类和元素特殊理化性质等方面综合考虑。
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表 7摇 水杉幼树实生土壤化学特性间的相关性分析
Table 7摇 Correlations between soil chemical properties of M. glyptostroboides saplings
化学指标
Chemical indexes
pH值
pH value
有机质含量
OM content
全氮含量
TN content
全磷含量
TP content
全钾含量
TK content
碱解氮含量
AN content
有效磷含量
AP content
有机质含量 OM content -0.554**
全氮含量 TN content -0.393** 0.520**
全磷含量 TP content -0.394** 0.522** 0.799**
全钾含量 TK content 0.267** -0.249** -0.199* -0.205*
碱解氮含量 AN content -0.277** 0.420** 0.701** 0.701** -0.210*
有效磷含量 AP content -0.062 0.086 0.047 0.049 -0.142 0.005
速效钾含量 AK content 0.027 -0.093 -0.141 -0.143 0.265** -0.176 0.029
摇 摇 **a= 0.05下相关性达到极显著水平; * a= 0.01下相关性达到显著水平(两尾检验)
3.1摇 水杉幼树实生土壤化学性质对水淹的响应(阶段 1)
土壤酸碱度是土壤的最重要化学性质,它与土壤微生物的活动、有机质的合成和分解、各类营养元素的转
化与释放及有效性、土壤保持养分的能力都有关系;其高低可控制和影响土壤中的微生物区系,进而影响绝大
多数营养元素的转化方向、转化过程、转化形态及其有效性等[25]。 前人针对三峡消落带模拟试验以及其他流
域的研究发现,经过淹水,酸性土壤 pH值升高,碱性土壤 pH值降低,最终都趋近于中性[26鄄27],但是与之不同,
本研究发现经历淹水处理会显著提高水杉幼树盆栽土壤的 pH 值,这可能是因为在嫌气强烈的还原条件下,
土壤内形成大量碱性的还原性碳酸铁锰,溶解度较大,导致土壤 pH值升高[28]。
土壤有机质是土壤中营养元素的重要来源,是表征土壤肥力与质量的重要指标[29],其含量不仅可以直接
影响土壤的理化性质,同时还与土壤氮磷的全量和有效量有紧密的联系,也是土壤稳定性的重要保证[30]。 本
阶段可能是由于处理时间较短,水杉凋落物少且水杉凋落物较难分解的缘故[31],栽植水杉的盆栽土壤 OM含
量较无植物组并无显著性差异;而不同水分处理组中,水杉幼树盆栽土壤 OM含量较 C组均显著上升,这是由
于淹水导致氧化还原电位低,形成大量还原性物质,导致有机质大量积累[32]。
土壤中氮磷含量主要与植物体内的养分循环过程有关[33],而在消落带这一特殊的水陆衔接地带,其全量
养分同时也受水位周期性改变的影响[18]。 本研究中可能由于正常供水组和半淹组水杉幼树生长未受到抑
制,需消耗较多的 N、P,使得 C组和 H组土壤的 TN、TP、AN含量及 H组土壤的 AP 含量较无植物对照组显著
下降;而 F组水杉由于生长受到抑制,其土壤 TN、TP 和 AN 含量显著高于无植物组。 TK 含量主要由土壤的
成土母岩类型所决定,同时也受到人为施肥的影响[33],而整个研究中并未进行人为施肥活动,故土壤 TK含量
主要来源于土壤母质,本阶段的水杉土壤 TK较空白组无显著差异,进一步说明植被因素对土壤 TK含量影响
不大。 另一方面,对于 F组的水杉幼树土壤,主要是由于本研究中水杉土壤中的 TN和 TP 含量与 OM含量有
密切的相关性,其 TN和 TP 含量变化与 OM含量相似,其含量均较 C组显著增加(图 3)。
土壤速效养分是表征土壤肥力的重要指标,其含量水平高低对于植物的生长起着关键性作用、可以一定
程度上反映出土壤近期速效营养对植物生长的供应状况[34]。 碱解氮是来源于植物凋落物的分解后释放出的
氨态氮和硝态氮及固氮微生物降解的化合态氮,是植物可以利用的氮素状态。 本研究中,F 组水杉盆栽土壤
AN含量与 TN含量的趋势类似,均显著高于 C组;而 H和 F组土壤的 AP 含量均在本阶段显著下降,可能是
由于淹水所引起的土壤 pH升高,导致正磷酸盐量的降低[35],间接导致 AP 含量的下降。
3.2摇 水杉幼树实生土壤化学性质对干旱的响应(阶段 2)
经过本阶段的干旱处理后,HD 和 FD 组土壤 pH 值仍较 CD 组显著升高(图 4),说明前期水淹增加了水
杉幼树盆栽土壤 pH值后期对干旱胁迫的敏感性。 本阶段处理结束后,栽植水杉的盆栽土壤除 C 组外,各水
分处理组的 OM含量均显著或极显著增加,与水杉幼树枯枝落叶以及死亡根系进入到土壤中有关,还可能与
土壤微生物种群和数量的增加有一定关系。 与此同时,由于土壤的暴露,土壤中氧气增加,微生物活性显著上
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升,加速了对有机质的分解速率,降低了有机质含量[36],致使 HD和 FD组水杉幼树盆栽土壤 OM含量下降至
CD组水平(图 4)。
此阶段中 HD和 FD组水杉土壤全量养分含量均较 CD 组无显著性差异,说明前期的水淹并未增加水杉
幼树实生土壤全量养分含量后期对干旱的敏感性。 而 H组和 F组水杉土壤 TN 含量在阶段 2 较阶段 1 显著
下降,其原因主要是在淹水期间,一方面一些易释放形态的氮进入到水体中,使得消落带土壤中的全氮含量下
降;另一方面则是由于土壤有机物质的分解,增加 TN向水体的释放量[37]。 另外,随着处理时间的继续,土壤
TK含量在 H组有显著上升趋势,这可能与水淹使得土壤从水中吸附营养元素有关[38]。
另外,HD和 FD组的土壤 AN含量均较 CD组显著下降,而 AP 含量则显著升高,这说明前期水淹增加了
水杉幼树实生土壤 AN和 AP 含量后期对干旱的敏感性。 前人研究发现,影响土壤磷素释放的环境因素除了
水中溶解氧、pH值、氧化还原电位、温度、生物等方面外,土壤周围环境水体组成、水文情势也是影响土壤磷素
释放的重要因子[39鄄40]。 长期淹水处理(141 d)后 H组和 F组水杉幼树 AP 含量较 C 组仍显著下降,主要是由
于长期淹水所引起的强烈厌氧状态易使 Fe3+转化为 Fe2+,进而与 P 素形成可溶性的磷酸亚铁盐,与磷酸盐一
起释入上覆水中,导致淹水组土壤 AP 含量下降[41]。
3.3摇 水杉幼树实生土壤化学性质对复水的响应(阶段 3)
本研究区域内的土壤 pH值偏碱性,在所有处理结束后,H和 HD组水杉盆栽土壤 pH较无植物组显著下
降,说明水杉栽植对土壤的酸碱度有一定的改善作用,这与前人研究结果[42]类似;另外,试验结束时除 C 和
CD组水杉盆栽土壤 OM含量较无植物组显著或极显著升高,说明水杉对消落带土壤肥力有显著改良作用。
对于水杉盆栽土壤而言,阶段 3处理结束后,所有水分处理组土壤的 pH值、OM、TP、AN和 AK含量均与 C 组
无显著性差异存在(P > 0.05),说明短期的正常供水处理可以使得水杉幼树盆栽土壤 pH 值及多项营养元素
含量迅速恢复至对照组水平。 另外,H组和 F组水杉土壤的 AP 含量较 C 组显著下降,极可能是由于湿干交
替的环境增加土壤释放磷素的趋势[43鄄44],使土壤 AP 含量显著降低。
4 结论
本研究中,水杉栽植对消落带土壤具有一定的改良作用,并通过对土壤的改良进一步促进自身的生长发
育。 三峡库区内土壤退化严重,土壤肥力在逐步下降;且随侵蚀程度的增加,土壤中有机质及 N、P 含量将普
遍缺乏[45],因此,在三峡库区消落带适度营造水杉对于恢复库区植被、改良土壤肥力状况具有积极作用;此
外,前期水淹增强了水杉幼树盆栽土壤 pH值、AN和 AP 含量对后期干旱胁迫的敏感性,且短期恢复生长处理
可将水杉土壤 pH值及多项营养元素含量迅速恢复至正常供水组水平,因此在库区水位处于落干期时应注意
定期浇水抗旱,保证其土壤含水量达到正常水平。
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