【研究意义】中国桉树人工林面积4.5×10⁶ hm²，占中国林地面积的1.4%，年产木材超过3.0×10⁷ m³，占全国年木材产量的26.9%^[1]，桉树在保障国家木材安全方面发挥了重要作用。然而桉树种植面临土壤养分持续下降问题^[2-4]，开展桉树人工林土壤改良和地力修复的研究迫在眉睫。近年来，生物炭作为土壤改良剂的相关应用已被世界广泛关注^[5]。同时，由于氮循环的全球性和氮沉降的普遍性，氮添加对生态系统的影响备受关注^[6-7]。【前人研究进展】早在1992年，Sombroek^[8]在亚马逊河流域开展的生物炭的研究报道引起了学者们的关注。近年的研究发现，生物炭的添加能够显著增加酸性土壤的pH值^[9]，对土壤中的氮素具有缓慢释放作用^[10]，能够显著提高土壤的碳氮比^[11]，显著增加土壤有机碳、全氮、有效磷和有效钾^[12]。Chintala等^[13]研究发现，在酸性土壤中施用生物炭能够提高有效磷的含量，在碱性土壤中施用生物炭则降低有效磷含量。此外，生物炭的添加还能显著增加菜豆、玉米、水稻等农作物的产量^[14-17]。生物炭在林业上的应用研究^[5]报道不多。施氮在林业生产中已相当普遍^[18-21]，但针对氮添加对人工林土壤养分的影响^[22]却鲜有报道。【本研究切入点】火烧和人工清理林地是人工造林常用的方法，然而，在不同林地清理方式下生物炭和氮添加对土壤肥力的影响还知之甚少，特别是在全球二氧化碳倍增和氮沉降加剧的背景下更需要了解这种影响，以便采取科学的应对措施。【拟解决的关键问题】探讨不同林地清理方式下桉树红锥混交林生物炭和氮添加对土壤养分的影响，拟为全球变化背景下桉树红锥混交林的科学经营提供参考。

研究区域位于广西壮族自治区凭祥市中国林业科学研究院热带林业试验中心青山实验场(21°57′~22°19′N，106°39′~106°59′E)。该中心属南亚热带季风性气候区，年均气温19.5~21.4℃，1月(最冷月)均温11.4~13.5℃，7月(最热月)均温25.7~27.7℃；年均降水量为1 300~1 500 mm，雨季为4—9月，占年降雨量的80%。土壤主要以砖红壤和红壤为主，局部区域为紫色土、石灰土和黄壤。地带性植被为热带季雨林、雨林，受人类活动的长期影响，地带性植被已转变为各种人工林或次生林^[23]。

2011年11月对青山实验场67林班(42 hm²)35年生马尾松人工林进行采伐，对部分(约20 hm²)采伐迹地进行火烧清理，其余部分(约22 hm²)采用人工方式将采伐剩余物全部清出林地。经人工带状整地(带宽为1 m，深20 cm，长度沿等高线延伸)后人工挖穴(50 cm×50 cm×30 cm)。2012年春季采用“双龙出海”模式造林，即两列桉树套种一列红锥，桉树株行距为2 m×2 m，红锥株行距为2 m×7 m，混交比例为2:1，桉树造林密度1 428株/hm²，红锥密度为714株/hm²。定植时，每穴施200 g氮磷钾复合肥作基肥。

2013年4月，在对火烧、人工清理的林地进行本底调查的基础上，选择土壤理化性质和地形相对一致的地块，采用完全随机区组实验设计，分别设置3个区组，每个区组包含3个20 m×30 m的样方，随机布设施加生物炭(C)处理、施加氮(N)处理及对照(CK)。施加生物炭(C)处理为每株桉树加施500 g以毛竹为原料生产的生物炭，施加氮(N)处理为每株桉树加施尿素100 g。施加生物炭及尿素时，在距离桉树植株50 cm处沿等高线开挖30 cm长、20 cm深的沟，均匀撒施肥料后覆土。火烧清理和人工清理林地均设置不施任何肥料的对照样地。每区组样方间设置10 m缓冲区以避免处理间肥料样方的相互影响。区组间相距500 m以上。样地概况见表 1。

表 1(Table 1)

表 1 样地概况 Table 1 General situation of sample plots 林地清理方式 Ground clearance method 处理 Treatment 海拔 Altitude (m) 坡向 Aspect 坡度 Slope (°) 坡位 Slope position 土壤 类型 Soil type 郁闭度 Canopy density (%) 林下植被盖度 Understory vegetation coverage (%) 人工清理 Manual ground clearance CK1 215 东南 Southeast 21 下坡 Downslope 砖红壤 Latosol 42 85 CK2 230 东北 Northeast 19 下坡 Downslope 砖红壤 Latosol 42 83 CK3 257 西北 Northwest 23 中坡 Midslope 砖红壤 Latosol 40 80 生物炭添加1 Biochar addiction 1 263 西南Southwest 26 上坡Upslope 砖红壤Latosol 45 100 生物炭添加2 Biochar addiction 2 255 东北 Northeast 20 中坡 Midslope 砖红壤 Latosol 43 94 生物炭添加3 Biochar addiction 3 250 西北 Northwest 18 下坡 Downslope 砖红壤 Latosol 43 88 氮添加1 Nitrogen addiction 1 267 西南 Southwest 27 上坡 Upslope 砖红壤 Latosol 43 90 氮添加2 Nitrogen addiction 2 254 东北 Northeast 24 中坡 Midslope 砖红壤 Latosol 42 84 氮添加3 Nitrogen addiction 3 242 东北 Northeast 21 下坡 Downslope 砖红壤 Latosol 40 95 火烧清理 Fire ground clearance CK1 237 西南 Southwest 17 下坡 Downslope 砖红壤 Latosol 43 100 CK2 250 东北 Northeast 19 下坡 Downslope 砖红壤 Latosol 43 78 CK3 241 东北 Northeast 22 中坡 Midslope 砖红壤 Latosol 42 87 生物炭添加1 Biochar addiction 1 262 西南Southwest 24 上坡 Upslope 砖红壤 Latosol 45 98 生物炭添加2 Biochar addiction 2 260 东北 Northeast 24 上坡Upslope 砖红壤 Latosol 45 95 生物炭添加3 Biochar addiction 3 236 东北 Northeast 20 下坡 Downslope 砖红壤 Latosol 43 100 氮添加1 Nitrogen addiction 1 263 西南 Southwest 25 上坡Upslope 砖红壤 Latosol 45 98 氮添加2 Nitrogen addiction 2 255 东北 Northeast 22 中坡 Midslope 砖红壤 Latosol 45 95 氮添加3 Nitrogen addiction 3 236 东北 Northeast 20 下坡 Downslope 砖红壤 Latosol 45 95

表 1 样地概况 Table 1 General situation of sample plots

2016年1月在各样地中，按“米”字型设置9个采样点，即在样地中心以及距离样地中心9~10 m处，每隔45°设置一个采样点，采样点距离施肥沟30 cm以上。在各采样点用内径为8.5 cm的不锈钢土钻采集0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm土层的土样，去除植物根系及石砾，制成混合土样过2 mm孔径筛后自然风干，用于分析土壤的养分指标，包括土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、有效磷(AP)、有效钾(AK)。SOC采用重铬酸钾氧化-外加热法, TN采用凯氏定氮法，TP采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法, TK采用氢氧化钠碱熔-火焰光度计法, AK采用乙酸铵浸提-火焰光度计法, AP采用双酸浸提-钼锑抗比色法^[24]测定。

采用单因素方差分析检验火烧和人工清理条件下生物炭和氮添加对土壤养分的影响，采用t-test检验不同林地清理方式下同一添加处理的差异性；分析在SPSS 19.0完成，显著性水平设P < 0.05。采用SigmaPlot 10.0进行绘图。

人工清理林地条件下，施氮处理样地SOC含量为(15.40±2.16)~(29.57±1.39) g·kg^-1，与对照相比，施氮处理均能提高各土层土壤SOC含量，其中0~10 cm及10~20 cm土层的SOC含量显著高于对照(图 1a)；施加生物炭后，0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm土层的SOC含量均高于对照，40~60 cm土层的SOC含量低于对照，但差异不显著(P>0.05)。

图 1 (Fig. 1)

不同小写字母表示不同处理间差异显著 Different lowercase indicates significant difference among treatments 图 1 不同处理的土壤有机碳 Fig.1 Soil organic carbon in different treatments

火烧清理条件下，施加生物炭及施氮样地0~10 cm、10~20 cm土层SOC含量均低于对照，施加生物炭显著降低了这2个土层的SOC含量(图 1b)。20~40 cm及40~60 cm土层的SOC含量在各处理及对照间均无显著差异(P>0.05)。

与人工清理林地相比，火烧清理极显著地降低了施加生物炭及施氮处理0~10 cm、10~20 cm土层的SOC含量(P < 0.01)，而对照4个土层的SOC含量无显著变化(P>0.05)。在2种林地清理方式下，施加生物炭处理4个土层的SOC含量均小于施氮处理，不同处理的SOC含量均表现为随土壤层次的加深而降低(图 1)。

人工清理林地时，施加生物炭及施氮处理均能提高0~10 cm土层的TN含量，但与对照的差异未达到显著水平(P>0.05)(图 2a)。施加生物炭处理0~10 cm土层TN含量最高，为(1.77±0.07) g·kg^-1，其次为施氮处理(1.70±0.03) g·kg^-1，对照样地TN含量最小，为(1.66±0.07) g·kg^-1。在10~20 cm、20~40 cm和40~60 cm土层中，施氮处理的TN含量均为3种处理中最大，但与对照相比均无显著差异(P>0.05)。

图 2 (Fig. 2)

不同小写字母表示不同处理间差异显著 Different lowercase indicates significant difference among treatments 图 2 不同处理的土壤全氮含量 Fig.2 Soil total N in different treatments

火烧清理条件下，施加生物炭、施氮及对照的TN含量分别为(1.02±0.0)~(1.66±0.03) g·kg^-1、(1.08±0.06)~(1.62±0.05) g·kg^-1、(1.14±0.04)~(1.68±0.03) g·kg^-1，施氮处理极显著降低了10~20 cm土层的TN含量(P < 0.01)，其余土层各处理TN含量无显著差异(P>0.05)(图 2b)。通过对比2种林地清理方式发现，火烧清理使生物炭和氮添加处理的土壤TN含量均降低，且施氮处理10~20 cm土层TN含量存在极显著差异(P < 0.01)。

人工清理林地条件下，各土层TP含量均表现为施氮处理>对照>施加生物炭处理，施氮处理极显著提高0~10 cm土层的TP含量(P < 0.01)，其余土层各处理间均无显著差异(P>0.05)(图 3a)。在火烧清理条件下，施加生物炭显著提高了0~10 cm土层的TP含量(P < 0.01)，其余土层各处理间也均无显著差异(P>0.05)(图 4a)。

图 3 (Fig. 3)

不同小写字母表示不同处理间差异显著 Different lowercase indicates significant difference among treatments 图 3 人工清理下的土壤全磷和有效磷含量 Fig.3 Soil total P and available P in plantations with manual ground clearance

图 4 (Fig. 4)

不同小写字母表示不同处理间差异显著 Different lowercase indicates significant difference among treatments 图 4 火烧清理下的土壤全磷和有效磷含量 Fig.4 Soil total P and available P in plantations with fire ground clearance method

人工清理林地条件下，与对照相比，生物炭和氮添加均能提高0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm土层的AP含量，其中氮添加处理样地0~10 cm土层的AP含量(2.20±0.22) g·kg^-1显著高于对照(1.35±0.27) g·kg^-1，2种处理20~40 cm土层的AP含量均显著高于对照(图 3b)。但火烧清理条件下，生物炭和氮添加均显著降低0~10 cm及10~20 cm土层的AP含量，氮添加后0~10 cm土层AP含量的降低最为明显(图 4b)；各处理间其余土层的AP含量无显著差异(图 4b)。火烧清理后，对照处理0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm土层的AP含量均极显著高于人工清理(P < 0.01)，氮添加处理20~40 cm土层的AP含量显著高于人工清理(P < 0.05)，添加生物炭处理无明显的变化(P>0.05)。

人工清理时，生物炭添加均能提高4个土层的AP:TP比值；而氮添加却使除10~20 cm土层外的其余3个土层的AP:TP比值降低，但与对照相比均无显著差异(图 3c)。火烧清理条件下，除生物炭添加处理极显著降低0~10 cm土层的AP:TP外(P < 0.01)，生物炭和氮添加2种处理0~10 cm和10~20 cm土层的AP:TP均显著低于对照(P < 0.05)(图 4c)。火烧清理使氮添加处理0~10 cm土层以及对照前3个土层的AP:TP极显著高于人工清理(P < 0.01)。

在人工清理条件下，4个土层的TK含量均为氮添加>生物炭添加，但与对照相比，2种处理对4个土层的TK含量均无显著影响(P>0.05)(图 5a)。在火烧清理条件下，2种处理不同土层的TK含量表现不一，但与对照相比，均无显著差异(P>0.05)(图 6a)。无论是哪种处理，火烧清理均极显著提高了0~10 cm土层的TK含量(P < 0.01)。此外，与人工清理相比，火烧清理显著降低了氮添加处理40~60 cm土层的TK含量(P < 0.05)。

图 5 (Fig. 5)

不同小写字母表示不同处理间差异显著 Different lowercase indicates significant difference among treatments 图 5 人工清理下的土壤全钾和有效钾含量 Fig.5 Soil total K and available K in plantations with manual ground clearance

图 6 (Fig. 6)

不同小写字母表示不同处理间差异显著 Different lowercase indicates significant difference among treatments 图 6 火烧清理下的土壤全钾和有效钾含量 Fig.6 Soil total K and available K in plantations with fire ground clearance method

人工清理时，生物炭及氮添加处理均提高了4个土层的土壤AK含量，且氮添加处理10~20 cm、20~40 cm土层的AK含量显著高于对照(P < 0.05)(图 5b)。在火烧清理条件下，生物炭及氮添加处理均降低了4个土层的AK含量，且生物炭添加处理0~10 cm和10~20 cm土层的AK含量显著低于对照(P < 0.05)(图 6b)。对比2种林地清理方式发现，生物炭及氮添加处理0~10 cm土层的AK含量均表现为火烧清理 < 人工清理，且均存在极显著差异(P < 0.01)。此外，与人工清理相比，火烧清理还显著降低了生物炭添加处理40~60 cm土层和氮添加处理10~20 cm土层的AK含量(P < 0.05)。

人工清理条件下，生物炭及氮添加处理对土壤的AK:TK均为无显著影响(P < 0.05)(图 5c)。火烧清理条件下，生物炭及氮添加处理0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm土层的AK:TK均表现为低于对照，但只有生物炭添加处理的前3个土层达到了显著水平(P < 0.05)(图 6c)。与人工清理对比，火烧清理均导致生物炭添加处理0~10 cm、10~20 cm以及氮添加和对照处理0~10 cm土层的AK:TK显著降低(P < 0.05)。

在人工清理条件下，与对照相比，生物炭添加处理对土壤的C:N、C:P、N:P均无显著影响(P>0.05)(图 7)。氮添加处理显著提高了0~10 cm土层的C:N(P < 0.05)，同时极显著降低0~10 cm土层的N:P(P < 0.01)，C:P则无明显变化(图 7)。在火烧清理林地时，生物炭添加处理均显著降低了0~10 cm土层的C:N和10~20 cm土层的C:P，0~10 cm土层的C:P和N:P甚至达到了极显著差异(P < 0.01)。氮添加处理除10~20 cm土层的N:P显著低于对照外(P < 0.05)，土壤C:N、C:P这2个指标在4个土层中的差异均未达到显著水平(P>0.05)(图 8)。与人工清理相比, 火烧清理使生物炭添加处理0~10 cm土层的C:N、C:P、N:P及氮添加处理0~10 cm土层的C:N极显著降低，却极显著提高了0~10 cm土层的C:P、N:P(P < 0.01)。此外，火烧清理还使对照处理10~20 cm土层的C:P显著提高(P < 0.05)。

图 7 (Fig. 7)

不同小写字母表示不同处理间差异显著 Different lowercase indicates significant difference among treatments 图 7 人工清理下的土壤碳氮磷比值 Fig.7 Ratio of soil C:N:P in plantations with manual ground clearance

图 8 (Fig. 8)

不同小写字母表示不同处理间差异显著 Different lowercase indicates significant difference among treatments 图 8 火烧清理下的土壤碳氮磷比值 Fig.8 Ratio of soil C:N:P with fire ground clearance method

生物炭的使用对土壤养分有着不同的影响。生物炭本身含有大量的碳，将其加入土壤中可以增加土壤的有机碳含量，但提高的幅度取决于生物炭的用量及稳定性。同时，生物炭也含有大量的钾及有效性较高的磷，施入土壤后会降低土壤吸附磷的能力，从而增加AP和AK的含量^[25]。我们的研究发现，在人工清理林地条件下，生物炭添加可以提高4个土层的AP、SOC含量和AP:TP、AK:TK、C:N、C:P、N:P比值，与前人研究^[26-32]一致。本研究中生物炭添加处理的AP:TP是3种处理中最高的，说明生物炭添加处理能提高土壤AP的百分比，使进入土壤的有效养分百分比增加，减少了土壤中被固定的有效态磷。土壤碳氮磷比是土壤有机质组成和质量高低的一个重要指标^[33]。有研究表明，当C:N小于15时，在其矿化作用一开始，它所提供的有效氮量就会超过微生物同化量，使植物能够从有机质矿化过程中获得有效氮^[34]。提高土壤的C:N，可对微生物活性产生一定的限制作用，促使有机质和有机氮的分解，矿化速度减慢，提高土壤固定有机碳的能力。本研究表明，生物炭添加处理土壤的C:N小于15，且在前三层高于对照，说明桉树红锥混交林土壤有机质在矿化过程中不会发生微生物与林木等植物争夺氮素的现象，可能是土壤“氮饱和”所致。有研究发现，当C:P < 200时，将会出现土壤微生物碳的短暂增加和有机磷的净矿化；当C:P>300时，微生物碳大幅增加，微生物竞争土壤中的有效磷，出现有机磷的净固持现象^[35]。本研究中，生物炭添加处理土壤的C:P小于200，说明土壤微生物碳处于短暂增加阶段。可见，人工清理条件下施加生物炭对桉树红锥混交林的土壤养分有一定的促进效果。在火烧清理条件下，生物炭添加极显著增加了0~10 cm的TP含量(P < 0.01)，TK含量也有所增加，这与其他学者的研究结论^{[30, 36]}一致；而0~10 cm或10~20 cm土层的AK、SOC、AP:TP、AK:TK、C:N、C:P、N:P却显著降低。出现这个结果的原因可能是在火烧清理条件下大量的植物及枯落物被烧掉，损失了大量的有机碳，虽然生物炭中含有一定量的有机碳，但可能含量不及枯落物的丰富，因此导致了表层SOC的降低。表层SOC的显著降低和TP的显著提高使得土壤的C:N、C:P、N:P出现了降低。此外，火烧清理林地后植物灰分来不及进入土壤也会导致土壤有效养分的降低^[37]。对比2种林地清理方式，火烧清理导致了土壤表层SOC、AK、AK:TK、C:N、C:P、N:P显著或极显著降低，而TP和TK的含量极显著增加。

彭丽媛等^[38]的研究表明，加施尿素会显著增加土壤的TN、TP、TK、AP、AK含量。刘冲等^[39]的研究也发现施加氮肥能增加土壤有机质、TN、TP、TK含量。本研究中，人工清理林地条件下，氮添加极显著增加了0~10 cm土层的SOC、TP含量，显著增加了0~10 cm土层的AP含量和C:N、10~20 cm土层的AK、SOC含量以及20~40 cm土层的AP和AK含量，同时TN、TK含量均有一定提高，与上述研究结论^[38-39]基本一致。氮素的施入给土壤微生物提供了氮源，可以增加微生物的活性，加速有机质的分解，进而提高土壤有效养分含量^[40]。本研究中，添加处理的C:P < 200，会出现土壤微生物碳的短暂增加和有机磷的净矿化，从而使土壤的磷含量增加，N:P在添加处理中表现出极显著下降，这与表层土壤全磷含量极显著升高有关。但也有研究发现，施加氮肥会导致土壤TP的降低^[41]，与本研究的不一致，究其原因可能是所研究的树种、地理条件、气候因素等差异所致。可见，采用人工清理林地并实施氮添加能提高桉树红锥混交林的土壤养分含量。相反，火烧清理条件下，氮添加使0~10 cm、10~20 cm土层土壤的AP含量和10~20 cm土层的TN含量极显著降低，0~10 cm的AP:TP以及10~20 cm的AP:TP和N:P显著降低，TN、SOC含量和AK:TK也有降低趋势。

不同林地清理方式下生物炭和氮添加对林地土壤肥力的影响存在差异。在人工清理林地条件下，施加生物炭能提高桉树红锥混交林4个土层的AP、SOC含量和AP:TP、AK:TK、C:N、C:P、N:P比值；氮添加则显著增加了0~10 cm土层的SOC、TP、AP含量，显著增加10~20 cm土层的AK、SOC含量以及20~40 cm土层的AP和AK含量，同时TN、TK含量均有一定提高。可见，在人工清理林地条件下，实施生物炭和氮添加能提高桉树红锥混交林的土壤养分含量。