華北落葉松人工林土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計量特征

白小芳， 徐福利， 王渭玲， 趙亞芳， 王玲玲， 孫鵬躍

(1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,712100，陜西楊凌；2.中國科學(xué)院大學(xué)，100049，北京；

3.西北農(nóng)林科技大學(xué),712100，陜西楊凌)

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華北落葉松人工林土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計量特征

白小芳1,2， 徐福利1,3?， 王渭玲3， 趙亞芳1,2， 王玲玲3， 孫鵬躍3

(1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,712100，陜西楊凌；2.中國科學(xué)院大學(xué)，100049，北京；

3.西北農(nóng)林科技大學(xué),712100，陜西楊凌)

摘要：為闡明華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林地土壤有機碳、全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的時間變化特征和垂直分布特征，以秦嶺20年華北落葉松人工林林地為研究對象，對其土壤有機碳、全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其化學(xué)計量比的季節(jié)變化和垂直分布特征進行研究分析。結(jié)果表明：1)有機碳、全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著土層深度增加而降低，土壤有機碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有相似的空間分布和時間變化特征。0～20 cm土壤有機碳、全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5—10月均呈現(xiàn)明顯的動態(tài)變化，有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的季節(jié)波動性最大；20～40 cm和40～60 cm土層的季節(jié)變化規(guī)律沒有0～20 cm土層明顯。2)0～20 cm土層的C/N、C/P和N/P顯著高于20～40 cm和40～60 cm土層；各個土層C/N季節(jié)變異性最小，季節(jié)變化規(guī)律不明顯，N/P變異性最大，C/P次之，且C/P和N/P具有相似的季節(jié)變化趨勢。3)土壤C、N和P質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與C/N和C/P以及土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與C/P和N/P均呈極顯著正相關(guān)；土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與C/P存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，而與N/P不相關(guān)。表明有機碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)是導(dǎo)致C/N、C/P和N/P變化的主要因素。

關(guān)鍵詞：華北落葉松；人工林；土壤生態(tài)化學(xué)計量特征； 秦嶺

項目名稱： 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目“林林對土壤NP吸收、利用與歸還機制”(2012CB416902)

生態(tài)化學(xué)計量學(xué)主要用來分析多重化學(xué)元素(主要是C、N、P)的質(zhì)量平衡對生態(tài)交互作用的影響[1-2]。目前，生態(tài)化學(xué)計量學(xué)作為一種新型的生態(tài)學(xué)研究工具已經(jīng)被很多學(xué)者應(yīng)用于森林生態(tài)系統(tǒng)的研究。20世紀(jì)50年代以來，我國營建了大面積的落葉松人工林；但是由于造林密度大，林分結(jié)構(gòu)單一等原因，造成很多落葉松人工林地力衰退[3]。研究土壤C、N、P的生態(tài)化學(xué)計量特征及其季節(jié)變化，對揭示土壤養(yǎng)分的有效性和限制性以及C、N、P 循環(huán)與平衡具有重要意義[4-6]；但是，與國外的研究情況相比較，國內(nèi)的研究相對不足，且主要[7-9]集中在植物組織元素生態(tài)化學(xué)計量方面。對土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計量特征的研究主要集中于草地生態(tài)系統(tǒng)[10-11]和濕地生態(tài)系統(tǒng)[12-13]，而對人工林地不同深度土壤養(yǎng)分含量及化學(xué)計量特征的季節(jié)變化研究較少。

目前，對華北落葉松(Larixgmelinii)人工林的研究主要集中于林下土壤養(yǎng)分、土壤水分、生長特性、組織器官元素分析和碳匯功能等[14-17]。從生態(tài)化學(xué)計量學(xué)的角度對華北落葉松林地土壤元素含量的季節(jié)變化及其生態(tài)化學(xué)計量特征的研究至今未見報道。為了探索華北落葉松人工林地土壤元素動態(tài)變化規(guī)律，揭示土壤營養(yǎng)元素的循環(huán)機制。筆者主要對華北落葉松林地不同季節(jié)、不同深度土壤有機碳、全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化及生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征進行探討，以期為華北落葉松人工林的經(jīng)營和管理提供科學(xué)依據(jù)，并為人工林生態(tài)系統(tǒng)化學(xué)計量學(xué)研究提供參考。

1研究區(qū)概況

本試驗地位于陜西省寶雞市太白縣林業(yè)局南灘林場，地處太白縣城東南4 km的秦嶺西主峰鰲山腳下(E 107°03′00″～107°46′40″，N 33°38′13″～34°09′55″)。海拔1 600～1 700 m，年降雨量600～1 000 mm，年均無霜期158 d，年平均氣溫7.6～11.1 ℃，最高氣溫32.8 ℃，最低氣溫-25 ℃，屬秦嶺谷地小氣候帶，林木生長期約166 d。試驗樣地為20年華北落葉松人工林林地，林分基本情況為：密度2 500株/hm2，平均樹高9.3 m，平均胸徑為37.88 cm。土壤為山地棕壤，土壤含水率15.68%，pH值6.71。林下植物有大油芒(Spodiopogonsibiricus)、披針薹草(Carexlancifolia)、鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)、黃精(Polygonatumsibiricum)等多種植物。

2研究方法

2.1樣品采集與分析測定

2012年2—3月選擇試驗樣地，4月12日在20年華北落葉松林林地布設(shè)3塊樣地(樣地面積20 m×20 m)，從5月15日開始采集樣地的林下土壤，以后每月中旬采樣1次，直到10月落葉為止，共計采樣6次。

在每個樣地內(nèi)隨機選取5個點，5個點的土樣用四分法取土裝袋，用1 m的土鉆分層取樣，取樣深度分別為0～20、20～40、40～60 cm，共計54個土樣，采集土樣時需先除去枯枝落葉層。土壤樣品自然風(fēng)干，進一步揀去可見的動植物殘體和根系，研磨，過0.25 mm篩，保存好用于土樣分析。土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)用重鉻酸鉀外加熱法測定，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)用凱氏定氮法測定，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)用HClO4-H2SO4消煮后用鉬銻抗分光光度法測定。

2.2數(shù)據(jù)分析

用Excel 2010進行數(shù)據(jù)的前期整理，使用SPSS16.0進行數(shù)據(jù)分析，各月份C、N、P元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及計量比差異采用單因素方程分析(Oneway-Anova)，相關(guān)性采用Pearson分析，圖形采用Sigma Plot 10.0軟件制作。

3結(jié)果與分析

3.1土壤有機碳、全氮、全磷生態(tài)化學(xué)計量參數(shù)的時空變化

華北落葉松人工林林地不同深度土壤有機碳、全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)不同程度的季節(jié)變異性，如表1所示。土壤有機碳、全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨著土層深度的增加而減少，0～20 cm土層有機碳、全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別占整個土層有機碳、全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的63.40%、56.13%和36.74%。方差分析表明：各土層有機碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著(P<0.05)，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著(P>0.05)。0～20 cm和20～40 cm土層中均為有機碳變異系數(shù)最大，全磷最小。40～60 cm土層中全磷變異系數(shù)最大，有機碳最小。

從季節(jié)變化角度分析，土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(圖1(a))：5—10月份0～20 cm土壤呈“降低—升高—降低—升高”的趨勢，10月份顯著高于其他月份(P<0.05)；20～40 cm和40～60 cm土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律一致，均表現(xiàn)為“升高—降低—升高—降低”的趨勢，且7月土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于其他月份(P<0.05)。從圖1(b)可知：0～20 cm土層全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與0～20 cm土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢相似；20～40 cm土層全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)5、6月含量較高，顯著高于其他月份(P<0.05)，7—10月呈波動式變化； 40～60 cm土層全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著季節(jié)變化呈“升高—降低—升高—降低”的趨勢。從圖1(c)可知：0～20 cm土層全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈“降低—升高—降低—升高”的趨勢，20～40 cm土層全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為先降低后升高再降低后趨于穩(wěn)定，且20～40 cm土層僅6月與8月差異顯著(P<0.05)，40～60 cm土層全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，且7—10月差異不顯著(P>0.05)。

表1　華北落葉松人工林土層有機碳、全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)

注：平均值為5—10月54個測量值的平均值，下同。Note: The average is the mean measured values of May to October, and the same below.

3.2土壤生態(tài)化學(xué)計量比的時空變化

華北落葉松人工林不同深度土壤C/N、C/P和N/P均呈現(xiàn)出不同的季節(jié)變化規(guī)律，由表2可知：0～20 cm和20～40 cm土層的變異系數(shù)從大到小順序為N/P>C/P>C/N，40～60 cm土層的變異系數(shù)從大到小順序為C/P>N/P>C/N，3個土層的C/N變異系數(shù)均最??；隨著土層深度的增加，土壤C/N、C/P和N/P均呈現(xiàn)不斷減少的趨勢，方差分析表明0～20 cm土層的C/N、C/P和N/P顯著高于20～40 cm 和40～60 cm土層。因此，可以看出土壤C/N的季節(jié)變異性最小，N/P最大。

土壤C/N的季節(jié)變化規(guī)律沒有C、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化明顯：0～20 cm土層的C/N呈先逐漸升高后降低的趨勢，9月C/N顯著高于5～8月(P<0.05)，9和10月差異不顯著(P>0.05)；20～40 cm土層的C/N表現(xiàn)為“升高—降低—升高—降低”的趨勢；40～60 cm土層的C/N呈“降低—升高—降低”的趨勢；20～40 cm和40～60 cm土層的C/N均在8月達到最大值(圖2(a))。土壤C/P變化(圖2(b))：0～20 cm土層的C/P呈先降低后升高的趨勢；20～40 cm和40～60 cm土層的C/P與20～40 cm和40～60 cm土層有機碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律基本一致。土壤N/P變化(圖2(c))：0～20 cm土層的N/P季節(jié)變化較明顯，呈先降低后升高的趨勢，且各月差異顯著(P<0.05)；20～40 cm和40～60 cm土壤N/P與40～60 cm土壤全N含量變化規(guī)律基本一致。在整個生長季節(jié)0～20 cm土壤的C/N、C/P和N/P顯著高于20～40 cm和40～60 cm土層(P<0.05)。

圖1　華北落葉松人工林土層有機碳、全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的季節(jié)變化Fig.1　　Seasonal dynamics of organic carbon, total nitrogen, phosphorous in soil from the Larix 　principis-rupprechtii plantation

土層Soillayer/cmC/NC/PN/P平均值Mean標(biāo)準(zhǔn)差Std變異系數(shù)Cv/%平均值Mean標(biāo)準(zhǔn)差Std變異系數(shù)Cv/%平均值Mean標(biāo)準(zhǔn)差Std變異系數(shù)Cv/%0～2010.090.727.1455.176.3411.495.510.9116.1520～407.641.3517.8020.343.9119.222.690.5119.3340～607.311.3718.7416.974.2125.222.380.5121.42

圖2　華北落葉松人工林不同土層C/N、C/P和N/P的季節(jié)變化Fig.2　Seasonal dynamics of C/N, C/P and N/P in soil from the Larix principis-rupprechtii plantation

3.3土壤有機碳、全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)及生態(tài)化學(xué)計量比的相關(guān)性

圖3　土壤有機碳、全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其化學(xué)計量比的相關(guān)性Fig.3　Correlation of soil carbon,nitrogen and phosphorus and stoichiometric ratio

如圖3所示，對土壤有機碳、全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及有機碳、全氮、全磷化學(xué)計量比的相關(guān)性分析得出：土壤有機碳、全氮和全磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，全氮和全磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間也存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，其中，有機碳和全磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間呈現(xiàn)良好的線性擬合關(guān)系，有機碳和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)及全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的擬合程度較弱。有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與C/N和C/P也存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，且有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和C/N之間的線性擬合度極高；全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與C/N和N/P之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與C/N的線性擬合度遠大于與N/P的線性擬合度。全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與C/P存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系——呈曲線相關(guān)但相關(guān)系數(shù)較?。欢cN/P的相關(guān)性不顯著。由此可見，不同季節(jié)土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變異是導(dǎo)致N/P的動態(tài)變化的主要原因。

4討論

4.1土壤有機碳、全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)動態(tài)變化分析

土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要受進入土壤的動植物、微生物殘體和根系分泌物等有機質(zhì)的影響。本研究結(jié)果顯示，不同深度土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著季節(jié)改變而不斷變化，這與白軍紅等[18]對內(nèi)陸濕地土壤的研究結(jié)果相似。主要原因是冬季植物生長停滯，枝葉脫落，養(yǎng)分歸還；而且冬季溫度低，凍融作用促進了有機碎屑和碳礦化過程[19]。隨著溫度升高，土壤微生物活性增強，土壤有機質(zhì)分解加速，有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少。20～40 cm和40～60 cm土層由于土壤活性較低對溫度變化的響應(yīng)不如0～20 cm土層，且深層土壤的有機碳消耗大于積累；因此，季節(jié)變化規(guī)律也沒有0～20 cm土層明顯。各月份有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的垂直分布都呈現(xiàn)隨著土層深度增加而減少的規(guī)律，這與前人的研究結(jié)果[20-21]一致。與國內(nèi)其他森林群落相比，本研究中0～20 cm土層平均有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.01 g/kg，明顯低于桂西北[22]、喀斯特峰從洼地[23]、東北東部森林[24]、小興安嶺白樺林[25]、岷江柏人工林[26]等森林群落。造成這種差異的主要原因是：土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)受植被類型、溫度、降水、成土母質(zhì)、土壤性質(zhì)等的綜合影響，這些因子必然會影響土壤有機碳的形成和分解。

土壤全氮的主要來源是大氣降水帶來的氮的化合物、動植物殘體以及生物固氮(包括共生和非共生)。各月份土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的垂直分布和有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相似，這與辛穎等[27]的研究結(jié)果類似。全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的垂直分布與土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān)，而且相關(guān)文獻[ 22]表明土壤中的全氮95%以上以有機氮的形式存在于土壤表層。0～20 cm土層全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的季節(jié)變化與有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相類似，主要原因是華北落葉松為多年生落葉喬木，冬季生長停滯，土壤中會有上一年氮素的累積且植物剛開始生長對氮素的吸收較少；所以5、6月氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高，隨著植物生長進入旺盛期，氮素需求增加，土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，后期植物需求減少，氮素開始累積。

土壤全磷的來源相對固定，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要受成土母質(zhì)的影響，其他方式(干濕沉降，動植物殘體，微生物活動等)對全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響相對較小[28]。盡管如此，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的季節(jié)變化也能在一定程度上反應(yīng)植物對磷的吸收。本研究中，落葉松生長的不同季節(jié)0～20 cm土層的全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)始終大于中下層，且季節(jié)變化也較明顯。主要是因為0～20 cm土層受到多種因素的影響，如大氣降水的稀釋、枯落物分解的補充以及植物根系的吸收。本研究中土壤全磷的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于全球平均水平(2.8 g/kg)[29]。這與植被和氣候?qū)ν寥赖挠绊懹嘘P(guān)，也與中國土壤全磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍低于全球平均水平的結(jié)果相符。

4.2土壤有機碳、全氮、全磷生態(tài)化學(xué)計量特征的變化及相關(guān)性分析

土壤C/N、C/P、N/P是有機質(zhì)或其他成分中碳素與氮素、磷素總質(zhì)量的比值，可以在一定程度上反映有機質(zhì)的分解與積累，N、P的富瘠和有效性在一定范圍內(nèi)可以作為土壤肥力的指標(biāo)，從而影響植物的養(yǎng)分吸收，進而影響其生長發(fā)育[30]。

不同深度土壤C/N季節(jié)差異顯著，造成C/N季節(jié)變化趨勢的原因可能是由于土壤有機C的積累和隨著溫度升高，微生物活性增強，土壤的礦化作用增強以及植物對碳氮的吸收不同，也有可能是隨著季節(jié)變化有機碳的累積速率相對較快，導(dǎo)致C/N的變異。本研究C/N隨著土層深度的增加而減少的變化規(guī)律，與Tian Hanqin等[31]和C. C. Cleveland等[32]研究結(jié)果一致。不同生長季節(jié)0～20 cm土層的C/P變化遠大于20～40 cm和40～60 cm土層，且0～20 cm土層C/P約是20～40 cm和40～60 cm土壤的3倍左右，差異顯著。主要由于有機碳、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變異程度不同，土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著土層的變化明顯減少，且季節(jié)變化也非常顯著，而全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化差異較小，使得土壤C/P在不同土層季節(jié)變異性較大。土壤N/P反映的是土壤全氮與全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計量比，而能被植物吸收的氮、磷分別是有效氮和有效磷；因此，N/P在土壤養(yǎng)分限制診斷方面有一定的局限性。但是土壤N/P在一定程度上可間接預(yù)測對植物養(yǎng)分的供給水平和限制水平。本研究中N/P較低，表明該林地在一定程度上受到氮的制約。N/P隨著土層深度的增加而減少，且季節(jié)差異顯著，主要可能是由于氮在不同季節(jié)和不同土壤深度的變異大，而全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)則由于自身的生物地球化學(xué)循環(huán)特征，受到季節(jié)變化和土層的影響較小。

不同深度土壤碳氮分布具有一致性，且二者呈極顯著的線性相關(guān)關(guān)系(圖3)，這與李瑋等[33]的研究結(jié)果一致。這是由于土壤有機碳和全氮的主要來源是動植物殘體分解，受到植被和氣候等影響較大；而土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的空間變異雖然小于有機碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但亦與二者之間存在極顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。說明土壤的全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)會在一定程度上影響土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，反之亦然。C和N質(zhì)量分?jǐn)?shù)與C/N呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，進一步說明了有機碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布和變化的相對一致性。通過比較有機碳、全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與 C/N、C/P 和N/P的相關(guān)性，表明C/N、C/P 和N/P變化主要受到有機碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的影響，全P質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響相對較小。這與王維奇[34]的研究結(jié)果一致。

總體來看，整個土層C/N、C/P 和N/P的平均值分別為8.35、31.94和3.63，其變異系數(shù)分別為20.48%、64.44%和50.41%，表明C/N相對穩(wěn)定。這符合化學(xué)計量學(xué)的基本原則，即有機物質(zhì)的形成需要一定數(shù)量的N和其他營養(yǎng)成分，及與其相應(yīng)的相對固定比率的碳[35]。同時，將本研究結(jié)果與全國不同氣候區(qū)域土壤C/N、C/P 和N/P對比研究發(fā)現(xiàn)華北落葉松林林地土壤C/N、C/P 和N/P均低于全國平均值[31]。土壤C/N、C/P 和N/P不同月份間的差異，主要受到植物對養(yǎng)分的吸收、微生物、凋落物和各月溫度與降水等的影響；但是由于受土壤碳氮磷本底值的影響，關(guān)于土壤碳氮磷化學(xué)計量的時間和空間變異，以及對土壤養(yǎng)分的指示作用目前不是很明確，還需要開展更多更全面的研究進一步明確其變異來源。

5結(jié)論

1)華北落葉松林地土壤有機碳、全氮、全磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨著土層深度的增加而呈減少的趨勢，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的空間分布規(guī)律和有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有一致性。0～20 cm 土層有機碳、全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5—10月均呈現(xiàn)明顯的動態(tài)變化，有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的季節(jié)波動性最大，且有機碳、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的季節(jié)變異性大于全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2)在整個生長季節(jié)，0～20 cm土層的C/N、C/P和N/P顯著高于20～40 cm和40～60 cm土層，各個土層，C/N季節(jié)變異性最小，季節(jié)變化規(guī)律不明顯；C/P和N/P變異性較大，且各個土層的C/P和N/P具有相似的季節(jié)變化趨勢。

3)不同季節(jié)和不同深度土壤有機碳、全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間呈極顯著的正相關(guān)，有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與C/N、C/P以及全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與C/P、N/P也呈極顯著的正相關(guān)。表明有機碳、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響C/N、C/P和N/P的關(guān)鍵因子。

參考文獻6

[1]Else J J, Sterner R W,Gorokhova E, et al.Biological stoichiometry from genes to ecosystems[J].Ecology Letters, 2000,3(6): 540-550

[2]Elser J J, Bracken M E S, Cleland E E, et al.Global analysis of nitrogen and phosphorus limitation of primary producers in freshwater, marine and terrestrial ecosystems[J].Ecology letters, 2007,10(12): 1135-1142

[3]閻德仁, 王晶瑩,楊茂仁.落葉松人工林土壤衰退趨勢[J].生態(tài)學(xué)雜志, 1997,16(2): 62-66

[4]王紹強, 于貴瑞.生態(tài)系統(tǒng)碳氮磷元素的生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征[J].生態(tài)學(xué)報, 2008,28(8): 3937-3947

[5]王建林, 鐘志明,王忠紅,等.青藏高原高寒草原生態(tài)系統(tǒng)土壤碳磷比的分布特征[J].草業(yè)學(xué)報, 2014,23(2): 9-19

[6]Yang Yuanhe,Fang Jingyun,Guo Daili, et al.Vertical patterns of soil carbon, nitrogen and carbon: Nitrogen stoichiometry in tibetan grasslands[J].Biogeosciences Discussions, 2010,7(1): 1-24

[7]吳統(tǒng)貴, 吳明,劉麗,等.杭州灣濱海濕地3種草本植物葉片N、P化學(xué)計量學(xué)的季節(jié)變化[J].植物生態(tài)學(xué)報, 2010,34(1): 23-28

[8]王冬梅, 楊惠敏.4種牧草不同生長期C、N生態(tài)化學(xué)計量特征[J].草業(yè)科學(xué), 2011,28(6): 921-925

[9]陳軍強, 張蕊,侯堯宸,等.亞高山草甸植物群落物種多樣性與群落C、N、P生態(tài)化學(xué)計量的關(guān)系[J].植物生態(tài)學(xué)報, 2013,37(11): 979-987

[10] 丁小慧, 宮立,王東波,等.放牧對呼倫貝爾草地植物和土壤生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征的影響[J].生態(tài)學(xué)報, 2012,32(15): 4722-4730

[11] 丁小慧, 羅淑政,劉金巍,等.呼倫貝爾草地植物群落與土壤化學(xué)計量學(xué)特征沿經(jīng)度梯度變化[J].生態(tài)學(xué)報, 2012,32(11): 3467-3476

[12] 劉文龍, 謝文霞,趙全升,等.膠州灣蘆葦潮灘土壤碳、氮和磷分布及生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征[J].濕地科學(xué), 2014,12(3): 362-368

[13] 聶蘭琴, 吳琴,堯波, 等.鄱陽湖濕地優(yōu)勢植物葉片—凋落物—土壤碳氮磷化學(xué)計量特征[J].生態(tài)學(xué)報, 2015,36(7):1-9

[14] 陳欽程, 徐福利,王渭玲, 等.秦嶺北麓不同林齡華北落葉松土壤速效鉀變化規(guī)律[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2014,20(5): 1243-1249

[15] 韓芬, 王輝,邊銀霞, 等.華北落葉松枝葉揮發(fā)性物質(zhì)的化學(xué)成分及其化感作用[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2008,19(11): 2327-2332

[16] 杜紅梅, 王超,高紅真.華北落葉松人工林碳匯功能的研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2009,17(4): 756-759

[17] 李振華, 王彥輝,于澎濤, 等.六盤山半干旱區(qū)華北落葉松林的生長季蒸散量和組分特征[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2013,22(2): 222-228

[18] 白軍紅, 鄧偉,王慶改, 等.內(nèi)陸鹽沼濕地土壤碳氮磷剖面分布的季節(jié)動態(tài)特征[J].湖泊科學(xué), 2007,19(5): 599-603

[19] Groffman P M,Driscoll C T,Fahey T J, et al.Effects of mild winter freezing on soil nitrogen and carbon dynamics in a northern hardwood forest[J].Biogeochemistry, 2001,56(2): 191-213

[20] Jobbágy E G,Jackson R B.The vertical distribution of soil organic carbon and its relation to climate and vegetation[J].Ecological Applications, 2000,10(2): 423-436

[21] 劉景雙, 楊繼松,于君寶,等.三江平原沼澤濕地土壤有機碳的垂直分布特征研究[J].水土保持學(xué)報, 2003,17(3):5-8

[22] 龐圣江, 張培,賈宏炎,等.桂西北不同森林類型土壤生態(tài)化學(xué)計量特征[J].中國農(nóng)學(xué)通報, 2015,31(1): 17-23

[23] 杜虎, 彭晚霞,宋同清,等.桂北喀斯特峰叢洼地植物群落特征及其與土壤的耦合關(guān)系[J].植物生態(tài)學(xué)報, 2013,37(3): 197-208

[24] 楊金艷, 王傳寬.東北東部森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳貯量和碳通量[J].生態(tài)學(xué)報, 2005,25(11): 83-90

[25] 韓營營, 黃唯,孫濤, 等.不同林齡白樺天然次生林土壤碳通量和有機碳儲量[J].生態(tài)學(xué)報, 2015,35(5): 1460-1469

[26] 王冰冰, 曲來葉,馬克明, 等.岷江上游干旱河谷灌叢群落土壤生態(tài)酶化學(xué)計量特征[J].生態(tài)學(xué)報, 2015,35(18):1-14

[27] 辛穎, 聶立水,張志毅, 等.魯西平原毛白楊造林地土壤全氮空間變異性研究[J].土壤通報, 2011,42(1): 98-102

[28] Chen Xiongwen,Li Bailian.Change in soil carbon and nutrient storage after human disturbance of a primary korean pine forest in northeast china[J].Forest Ecology and Management, 2003,186(1/2/3): 197-206

[29] Zhang Chi,Tian Hanqin,Liu Jiyuan, et al.Pools and distributions of soil phosphorus in China[J].Global biogeochemical cycles, 2005,19(1)：1-8

[30] Méndez M,Karlsson P S.Nutrient stoichiometry in pinguicula vulgaris: Nutrient availability, plant size, and reproductive status[J].Ecology, 2005,86(4): 982-991

[31] Tian Hanqin, Chen Guangsheng,Zhang Chi, et al.Pattern and variation of C:N:P ratios in China’s soils: A synthesis of observational data[J].Biogeochemistry, 2010,98(1/3): 139-151

[32] Cleveland C C, Liptzin D. C:N:P stoichiometry in soil: Is there a “redfield ratio” for the microbial biomass?[J].Biogeochemistry, 2007,85(3): 235-252

[33] 李瑋, 鄭子成,李廷軒.不同植茶年限土壤團聚體碳氮磷生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2015,26(1): 9-16

[34] 王維奇, 曾從盛,鐘春棋,等.人類干擾對閩江河口濕地土壤碳、氮、磷生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征的影響[J].環(huán)境科學(xué), 2010,31(10): 2411-2416

[35] Sterner RW,Elser J J. Ecological stoichiometry: The biology of elements from molecules to the biosphere[M]. Princeton: Princeton University Press,2002：46-55

(責(zé)任編輯：程云郭雪芳)

Ecological stoichiometry of soil carbon, nitrogen and phosphorus in a

Larixprincipis-rupprechtiiplantation

Bai Xiaofang1,2， Xu Fuli1,3， Wang Weiling3， Zhao Yafang1,2， Wang Lingling3， Sun Pengyue3

(1. Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，712100，Yangling，Shaanxi，China；

2.University of Chinese Academy of Sciences，100049，Beijing, China；3.Northwest A&F University，712100，Yangling，Shaanxi, China)

Abstract:Large areas of plantations have been cultivated in China since 1950s, which provide tremendous ecological and economic services such as soil and water control, wood production, carbon sequestration and environment protection. Many problems such as soil degradation, tree diseases and wood production decline, however, also appeared after several decades of cultivation due to lack of effective management practices, which seriously threatens the stability and sustainability of plantation development and imposes severe influence on ecological and economic achievements. As the main elements circulation and nutrients turnover pool for plant growth, soil is essential in forest management. The soil fertilization maintenance and promotion have been and still are of significant interest for plantation management. A number of studies concerning spatial pattern of soil nutrients have been conducted in woodland, while little is known about the temporal pattern of soil nutrient status and stoichiometric ratios in plantations which has the important implications for dynamic balance of soil nutrients. The objective of this study was to clarify the seasonal pattern of soil stoichiometric characteristics of a 20-year-old Larix principis-rupprechtii plantation in Qinling. The soil organic carbon (C), total nitrogen (N), total phosphorous (P) contents and stoichiometric ratios were measured to explore their seasonal variation and vertical distribution. The results show that: 1) The contents of C, N and P decreased with soil depth throughout the entire growing season (May to October). The contents of C, N and P have obvious seasonally dynamic changes from May to October. Soil C and N varied greatly in the 0-20 cm soil layer (coefficient of variance (Cv) of C and N was 0.28 and 0.22, respectively) compared to 20-40 cm and 40-60 cm soil layers (Cvfor C 0.11-0.18; for N 0.13-0.14), while soil P fluctuated significantly in the 40-60 cm layer (0.18) in comparison with the other two layers. The contents of C and P in the 0-20 cm soil layer reached the top value in October. Also, seasonal variations of C (0.11-0.28) and N (0.15-0.22) were greater than P (0.06-0.18). 2)C/N, C/P and N/P ratios in the 0-20 cm soil layer was significantly higher than those in 20-40 cm and 40-60 cm layers (P<0.05). In these three soil layers, the seasonal variation of C/N was the smallest and not obvious. The seasonal variation of N/P was the biggest. In May, C/P and N/P in both 0-20 cm and 20-40 cm soil layers were significantly higher than in other months (P<0.05). In May and June, C/P and N/P in 40-60 cm soil layer were significantly higher than in July and August. 3) The relative analysis implies that the contents of C, N and P have obvious positive correlation (P<0.01). Moreover, C content and C/N, C content and C/P, N content and C/N, N content and N/P, P content and C/P all have obvious positive correlations, but P content has no relation with N/P.

Keywords:Larix principis-rupprechtii；plantation；soil ecological stoichiometry; Qinling

通信作者?簡介： 徐福利(1958—)，男，研究員。主要研究方向：植物營養(yǎng)學(xué)，環(huán)境生態(tài)與農(nóng)業(yè)可持續(xù)的水肥管理。E-mail：xfl@nwsuaf.eud.cn

作者簡介：第一 白小芳(1990—)，女，碩士研究生。主要研究方向：生態(tài)環(huán)境。E-mail:baixiaofang999@163.com

收稿日期：2015-04-08修回日期： 2015-10-21

中圖分類號：S718.5

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-3007(2015)06-0068-08