不同整地方式尾巨桉林地土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

張利麗，杜阿朋，劉國(guó)粹，王志超，陳少雄

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不同整地方式尾巨桉林地土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

張利麗，杜阿朋，劉國(guó)粹，王志超，陳少雄＊

(國(guó)家林業(yè)局桉樹研究開發(fā)中心，廣東湛江524022)

為了闡明不同整地方式下土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征及其指示意義，對(duì)尾巨桉人工林不同整地下土壤的C、N、P、K含量進(jìn)行了測(cè)定與分析。結(jié)果表明：不同整地方式下土壤養(yǎng)分含量及其化學(xué)計(jì)量特征均有明顯不同。土壤有機(jī)碳、全N變異性較大，全P、全K變異性較小。表層土壤養(yǎng)分的含量顯著高于底層土壤；不同整地方式之間養(yǎng)分含量不同，全墾最高，帶墾最低，同一土層之間也是有機(jī)碳、全N含量變異性較大，全P、全K含量變異性較小。土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K均較穩(wěn)定，平均值分別為11.50、21.21、11.46、1.81及0.95，P/K平均值為0.51，土壤有機(jī)碳和全N極顯著正相關(guān)，全P、全K相關(guān)性不顯著。

整地方式；尾巨桉；土壤化學(xué)計(jì)量特征

生態(tài)系統(tǒng)元素平衡是當(dāng)前全球變化生態(tài)學(xué)和生物地球化學(xué)循環(huán)研究的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)[1]，生態(tài)系統(tǒng)元素平衡主要強(qiáng)調(diào)活有機(jī)體C、N、P三種主要組成元素的關(guān)系，是一種分析多重化學(xué)元素的質(zhì)量平衡對(duì)生態(tài)交互作用影響的理論[2]，生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)結(jié)合了生物學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等基本原理，是研究生物系統(tǒng)能量平衡與多重化學(xué)元素平衡的科學(xué)，為研究元素在生物地球化學(xué)循環(huán)與生態(tài)過程中的規(guī)律及其之間的計(jì)量關(guān)系提供了一種綜合的方法，但目前我國(guó)學(xué)者對(duì)生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的研究關(guān)注相對(duì)不足[3-6]，主要集中在對(duì)植物C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的部分研究[7]，對(duì)土壤元素生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)研究較少。土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)植物的生長(zhǎng)起著關(guān)鍵性作用，直接影響植被群落的組成、結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)力水平[8]，對(duì)于土壤基本元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)研究既可以揭示土壤中養(yǎng)分的可獲得性，也可以探索出C、N、P、K元素的循環(huán)特征和平衡機(jī)制[9-10]，因此，土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)具有重要的研究意義。

桉樹()具有生長(zhǎng)快、適應(yīng)性強(qiáng)、繁殖容易等特點(diǎn)[11-12]，20世紀(jì)60年代在我國(guó)大面積種植，但目前也存在一些問題，必須對(duì)人工林采取一些必要的管理措施，其中施肥是增加土壤養(yǎng)分快速有效的方法。生態(tài)恢復(fù)與重建的主要手段，人工林植被恢復(fù)對(duì)改善土壤性質(zhì)有著顯著作用[13-15]。本文通過對(duì)尾巨桉人工林林地土壤的研究，探討了土壤的C、N、P、K的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征，有助于闡明生態(tài)系統(tǒng)C、N、P、K平衡的元素化學(xué)計(jì)量比格局和各元素之間的相互關(guān)系。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于廣東省湛江市南方國(guó)家級(jí)林木種苗示范基地，地理坐標(biāo)為北緯21°30′，東經(jīng)111°38′，低丘地貌，最高海拔220.8 m，最低海拔80 m，屬北熱帶溫潤(rùn)大區(qū)雷瓊區(qū)北緣，為海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫23.1℃，極端最低溫1.4 ~ 3.6℃，極端最高溫度為38.1℃，年降雨量在1 500 mm以上，5—9月的降雨量占全年的85.5%，年相對(duì)濕度80.4%[16]，地貌沿著縱線中央高，東西兩邊低，南北兩端高而中間低，地形多為臺(tái)地，相對(duì)高度不超過10 m。成土母質(zhì)北部為砂頁巖，中部為前海沉積物，南部為玄武巖，土壤類型主要有淺海沉積物磚紅壤和玄武巖磚紅壤，其次為砂頁巖紅壤、花崗巖磚紅壤，有機(jī)質(zhì)含量在1%以上，pH 4.5 ~ 5.3。土壤肥力中等，氣候適宜桉樹的生長(zhǎng)。

2 材料和方法

2.1 樣地設(shè)置與取樣

根據(jù)桉樹人工林3種整地方式(帶墾、穴墾、全墾)，每個(gè)林地內(nèi)設(shè)置3個(gè)1 m × 1 m樣方，共9個(gè)樣方。供試土壤樣品采集于2014年8月，在3個(gè)不同整地方式下分別選取5個(gè)點(diǎn)，去除土層上枯落物，用土鉆按0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60和60 ~ 80 cm分層采集土壤樣品，將采集的土樣分袋裝好，密封后帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，仔細(xì)除去其中可見的植物殘?bào)w及土壤動(dòng)物，烘干，稱重，供室內(nèi)分析使用。

2.2 土壤元素化學(xué)計(jì)量測(cè)定和計(jì)算

分別對(duì)土壤有機(jī)碳、全N、全P、全K含量進(jìn)行測(cè)定，其中土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法―外加熱法測(cè)定，全N采用不包含硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的半微量凱氏法消化，再用全自動(dòng)凱氏定氮儀(KDY—9830，KETUO)進(jìn)行測(cè)定，全P采用鉬銻抗比色法測(cè)定，全K采用氫氧化鈉熔融—火焰光度法測(cè)定，并依據(jù)所獲得數(shù)據(jù)計(jì)算元素化學(xué)比量C/N、C/P、C/K、N/K等。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析和作圖采用Microsoft Excel 2003軟件，方差分析及相關(guān)性分析采用SAS13.0軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同整地方式下土壤有機(jī)碳、全N、全P、全K含量

不同土層、不同整地方式下的土壤有機(jī)碳、全N、全P、全K含量如圖1所示，結(jié)果表現(xiàn)為表層土壤顯著高于底層土壤，在3種整地方式下土層養(yǎng)分的變化規(guī)律大致相同。土壤有機(jī)碳含量介于7.77 ~ 21.09 mg·g-1，C含量均在0 ~ 10 cm土層中含量最高，在60 ~ 80 cm土層中含量最低，以全墾的含量最高，帶墾居中，穴墾中含量最低，三者之間差異顯著。土壤全N含量介于0.89 ~ 1.87 mg·g-1，N含量均在0 ~ 10 cm土層含量最高，在60 ~ 80 cm土層含量最低，以全墾的含量最高，帶墾居中，穴墾最低，三者之間差異亦顯著。土壤全P含量介于0.67 ~ 0.78 mg·g-1，以穴墾含量最高、全墾最低，但不同土層和不同整地方式的全P差異不顯著。土壤全K含量介于1.20 ~ 2.16 mg·g-1，最大值和最小值均為帶墾，在全墾中以表層土壤含量最高，以20 ~ 40 cm土層中含量最低，在穴墾中以60 ~ 80 cm土層含量最高、10 ~ 20 cm土層含量最少。3種整地方式的K含量差異不顯著。

注：大寫字母表示養(yǎng)分在全墾、穴墾、帶墾3種整地方式中在0.05水平上差異；小寫字母表示同一整地方式中元素在不同土層中在0.05水平上差異。

3.2 土壤有機(jī)碳、全N、全P、全K的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

表1為土壤的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比，土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K比較穩(wěn)定，變異系數(shù)均不大。土壤C/N為8.39 ~ 14.06，平均值為11.50，不同土層、不同整地方式的C/N差異顯著。全墾表層土壤的C/N值基本均大于底層土壤，穴墾C/N變化無規(guī)律，帶墾不同土層的C/N差異較大。土壤C/P為10.45 ~ 32.30，平均值為21.21，不同土層、整地方式的C/P差異顯著，表層土壤顯著高于底層土壤，全墾顯著高于穴墾，帶墾顯著高于穴墾，全墾和穴墾差異不大。土壤C/K為3.66 ~ 20.07，平均值為11.46，全墾不同土層的C/K差異不顯著，穴墾和帶墾的差異顯著，表層土壤顯著高于底層土壤。土壤N/P為1.19 ~ 2.31，平均值為1.81，不同土層、整地方式的N/P差異不顯著，表層土壤顯著高于底層土壤，全墾顯著高于穴墾，帶墾顯著高于穴墾，全墾和帶墾差異性不顯著。土壤N/K為0.43 ~ 1.59，平均值為0.95，全墾不同土層的N/K差異不顯著，穴墾不同土層的N/K表現(xiàn)差異顯著，表層土壤顯著高于底層土壤，帶墾N/K基本也是表層土壤顯著高于底層土壤。土壤P/K 為0.33 ~ 0.63，平均值為0.51，不同土層、整地方式的P/K差異不顯著。

表1 土壤化學(xué)計(jì)量特征

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。字母標(biāo)記為L(zhǎng)SD比較的結(jié)果，同列不同字母表示不同土層間差異顯著 (<0.05)。

3.3 土壤有機(jī)碳、全N、全P、全K的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性

從表2可知，養(yǎng)分全量之間全N和有機(jī)碳具有極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)，表現(xiàn)出相對(duì)一致的變化規(guī)律，有機(jī)碳、全K和全P顯著相關(guān)，全N、有機(jī)碳和全K之間極顯著負(fù)相關(guān)。有機(jī)碳和N/P、N/K及全N和C/P、C/K呈極顯著正相關(guān)，全P和C/N、C/K的相關(guān)關(guān)系不顯著。

表2 土壤養(yǎng)分含量與化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性

注：*<0.05，**<0.01

4 結(jié)論與討論

4.1 土壤有機(jī)碳、全N、全P、全K及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征對(duì)土層的響應(yīng)

土層和整地方式對(duì)土壤養(yǎng)分分布含量都有一定的影響，土壤養(yǎng)分隨著土層的加深而降低，隨著不同整地類型而表現(xiàn)出相應(yīng)的差異性，在土壤養(yǎng)分中有機(jī)碳和全N含量隨著土層的加深降低最大，而全P、全K則降低較少，李立平等[17]的研究結(jié)果也如此，這可能由于表層土壤受自然環(huán)境等外界干擾及植被的枯落物養(yǎng)分歸還的影響，養(yǎng)分會(huì)集中在表層土壤，然后隨著降水或其他介質(zhì)逐漸向下層遷移擴(kuò)散，土壤有機(jī)碳、全N受制因素比較多，除受土壤母質(zhì)的影響外還受枯落物的分解和植物的吸收利用等因素影響，因此，有機(jī)碳和全N兩者空間變異性比較大。有機(jī)P和有機(jī)K則相反，兩者在土壤中的含量基本比較穩(wěn)定，變異性較小[18]。我國(guó)土壤的C/N比平均值在10 ~ 12[19]，本文的C/N平均值為11.5，符合我國(guó)土壤C/N的分布范圍，從有機(jī)層到礦層，基本上是呈減少趨勢(shì)。同樣C/N比在不同土層中差異性不是特別顯著，但總體上C/N是隨著土層厚度的增加逐漸降低，這可能與有機(jī)質(zhì)具有較快的礦化作用有關(guān)[20]，不同土層間C/P、C/K、N/P、N/K值主要與有機(jī)碳和全N含量密切相關(guān)，全P和全K含量相對(duì)穩(wěn)定。土壤C/N、C/P、N/P比除受到各自比例元素的影響外，還受到土壤pH、容重、鹽度等因子的調(diào)控，不同干擾程度下的土壤元素生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征其影響因子也不一致[21]。

4.2 土壤有機(jī)碳、全N、全P、全K的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征對(duì)整地類型的響應(yīng)

整地類型對(duì)土壤有機(jī)碳、全N、全P、全K以及各元素之間的比值也有較明顯的影響，有機(jī)碳、全N、全K在3種整地方式中呈現(xiàn)出較明顯顯著性差異，只有全P在3種整地方式中比較穩(wěn)定，說明全P含量不受整地類型的不同而有較大的變化，C/N、C/P、C/K、N/P、N/K在3種整地方式中都表現(xiàn)出一定的差異性，P/K相對(duì)穩(wěn)定，說明在帶墾、全墾、穴墾中土壤有機(jī)碳和全N元素極其不穩(wěn)定且含量差異較大，土壤有機(jī)碳在全墾中累積量最大，全N在帶墾中含量最大，全P在穴墾中含量最大，全K在帶墾中含量最大，通過3種整地方式下測(cè)試土壤元素含量的變化，有助于探索出適合尾巨桉生長(zhǎng)的土地利用方式，更充分地利用吸收土壤養(yǎng)分。

4.3 土壤C、N、P、K含量及其化學(xué)計(jì)量比特征，可作為撫育調(diào)控桉樹林的理論指導(dǎo)依據(jù)

本研究土壤C、N、P、K化學(xué)計(jì)量比特征不同，表明尾巨桉林地土壤養(yǎng)分受不同土層、整地方式的影響。表層土壤顯著高于底層土壤；在不同土層C/N比較不穩(wěn)定，P/K較穩(wěn)定，N/P、N/K也相對(duì)比較穩(wěn)定，平均值分別為1.81、0.95，C/N、C/P、C/K在不同土層、不同整地方式之間均存在一定的差異性，土壤養(yǎng)分含量主要受有機(jī)碳和全N的影響。土壤有機(jī)碳、全N、全P、全K總量變化很大，使得C/N和P/K的空間變異性較大[22]，有關(guān)研究指出，土壤的C/N可作為土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)，C/N可能會(huì)影響到土壤中有機(jī)碳和全N的循環(huán)[23-24]，本文中C/N在不同土層、整地類型中均表現(xiàn)出一定的差異性，因?yàn)镃、N之間具有一定的相關(guān)性，并且受外界環(huán)境的同步干擾[25]，土壤C/N/P可作為影響植被生長(zhǎng)的有效因子之一，也可作為養(yǎng)分限制的有效預(yù)測(cè)指標(biāo)[26]。因此，必須高度重視土壤元素的供需平衡，同時(shí)也說明了土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的重要性。

[1] 陳亞南,馬露莎,張向茹,等.陜西黃土高原刺槐枯落葉生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(15):4412? 4422.

[2] 賈曉妮,程積民,萬惠娥.云霧山本氏針茅草地群落恢復(fù)演替過程中的物種多樣性變化動(dòng)態(tài)[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2008, 17(4):12?18.

[3] 曾冬萍,蔣麗玲,曾從盛,等.生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(18):5484?5962.

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

[5] 王維奇,賈瑞霞,曾從盛.不同淹水頻率下土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征[J].水土保持學(xué)報(bào),2010,24(3):238?242.

[6] Zhang L X,Bai Y F,Han X G. Application of N:P stoichiometry to ecology studies[J].Acta Botanica Sinica, 2003,45(9):1009?1018.

[7] Han W,Fang J Y,Guo D,et al.Leaf nitrogen and phosphorus stoichiometry across 753 terrestrial plant species in China[J].New Phytologist,2005(168):377?385.

[8] Zupanc V, Kastelec D, Lestan D, et al. Soil physical characteristics after EDTA washing and amendment with inorganic and organic additives [J].Environmental Pollution, 2014(186):56?62.

[9] 劉文龍.膠州灣濕地生態(tài)系統(tǒng)碳氮磷含量及生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征[D].山東:青島大學(xué),2014.

[10] 郭寶華.不同生產(chǎn)力水平毛竹林碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征研究[D].北京:中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院,2014.

[11] 王凱博,時(shí)偉宇,上官周平,等.黃土丘陵區(qū)天然和人工植被類型對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012, 28(15): 80?86.

[12] 彭文英,張科利,陳瑤,等.黃土坡耕地退耕還林后土壤性質(zhì)變化研究[J].自然資源學(xué)報(bào),2005,20(2):272?278.

[13] 高集美.淺析桉樹人工林生態(tài)問題與經(jīng)營(yíng)對(duì)策[J].福建林業(yè)科技,2009(2):195?197.

[14] 楊珺.桉樹生殖生物學(xué)基礎(chǔ)與染色體加倍技術(shù)研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2015.

[15] 王永閩.福建山區(qū)桉樹短周期工業(yè)原料林經(jīng)營(yíng)效益研究[D].南京:南京林業(yè)大學(xué),2007.

[16] 張華林.雷州半島主要樹種抗風(fēng)性研究和評(píng)價(jià)[D].北京:中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院,2010.

[17] 李立平,王益權(quán),張佳寶,等.不同土層深度土壤性質(zhì)對(duì)黃土地區(qū)果樹黃化的影響[J].土壤通報(bào),2003,34(2):136? 139.

[18] 王超逸,郭亞芬,崔曉陽.不同土層中氮磷鉀養(yǎng)分對(duì)紅松針葉磷素的影響[J].森林工程,2014,30(3):33?38.

[19] 黃昌勇.土壤學(xué)(第三版)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2010.

[20] 朱秋蓮,邢肖毅,張宏,等.黃土丘陵溝壑區(qū)不同植被區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(15):4674? 4682.

[21] 王維奇,曾從盛,鐘春琪.人類干擾對(duì)閩江河口濕地土壤碳、氮、磷、鉀生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的影響[J].環(huán)境科學(xué),2010,31(10):2411?2416.

[22] 王紹強(qiáng),于冠瑞.生態(tài)系統(tǒng)碳氮磷元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2008,28(8):3937?3947.

[23] 汲常萍,王文杰,韓士杰,等.東北次生楊樺林土壤碳氮?jiǎng)討B(tài)特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(17):5675?5685.

[24] 李瑋,鄭子成,李廷軒,等.不同植茶年限土壤團(tuán)聚體碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2015,26(1):9? 16.

[25] 胡敏杰,鄒芳芳,鄒雙全.鹽度梯度下閩江口短葉茳芏濕地土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征[J].城市環(huán)境與城市生態(tài), 2014,27(4):17?21.

[26] 張仁懿,徐當(dāng)會(huì),陳凌云,等.基于N∶P化學(xué)計(jì)量特征的高寒草甸植物養(yǎng)分狀況研究[J].環(huán)境科學(xué),2014,35(3): 1131?1137.

Soil Ecological Stoichiometry of×Plantations under Different Soil Preparation Methods

ZHANG Li-li, DU A-peng, LIU Guo-cui, WANG Zhi-chao, CHEN Shao-xiong

(,524022,,)

The objective of the study was to clarify the soil stoichiometric characteristics following three site preparation methods for establishment of×plantations. Following the different site preparations, soil samples were collected for measuring organic carbon (C), total nitrogen (N), total phosphorous (P) and total potassium (K) contents. The results showed obvious differences in soil nutrient contents and their stoichiometry following the different methods of site preparation. The contents of C and N showed the greatest variability whilst P and K had less variability. Soil nutrient contents of surface soil layers were higher than the sub-surface soil layers. The C and N had larger variability than the P and K in the same soil layer. Soil C/N, C/P, C/K, N/P, and N/K ratios were relatively stable; with the C/N ratio ranging from 8.5 to 14.1 with a mean of 11.0. The C/P ratio varied from 10.5 to 32.3 with a mean of 21.21; the C/K ratio ranged from 3.76 to 20.1 with a mean value was 11.5; N/P ratio change from 1.2 to 2.3 with a mean of 1.8; the N/K ratio ranged from 0.4 to 1.6 with a mean of 0.9; and, the P/K ratio ranged from 0.3 to 0.6 with a mean of 0.5. The organic C content of the soils was significantly correlated with total soil C and there was a significant correlation between total soil P and K contents.

soil preparation methods;; soil ecological stoichiometry

S718.51+6

A

2015-08-17

廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2014KJCX021-04); 引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)林業(yè)科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(2013-4-36);廣東湛江桉樹林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站運(yùn)行補(bǔ)助項(xiàng)目（2015-LYPT-DW-006）

張利麗(1988—)，女，在讀碩士研究生，主要從事桉樹人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)研究. E-mail:zhanglili3223@163.com

＊陳少雄為通訊作者.E-mail:sxchen01@163.com