不同林齡馬尾松人工林土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

雷麗群，盧立華，農(nóng) 友，明安剛*，劉士玲，何 遠(yuǎn)

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)研究中心，廣西 憑祥 532600；2.廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，廣西 憑祥 532600)

不同林齡馬尾松人工林土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

雷麗群1,2，盧立華1,2，農(nóng) 友1,2，明安剛1,2*，劉士玲1,2，何 遠(yuǎn)1,2

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)研究中心，廣西 憑祥 532600；2.廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，廣西 憑祥 532600)

馬尾松人工林；林齡；碳氮磷；生態(tài)化學(xué)計(jì)量

近10年，生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)為研究分子、細(xì)胞、有機(jī)體、種群、生態(tài)系統(tǒng)等不同尺度的生物能力平衡和多重化學(xué)元素平衡，以及元素平衡對(duì)生態(tài)交互作用的影響等提供了嶄新視角[1]。它著重于強(qiáng)調(diào)有機(jī)體的主要組成元素(特別是C、N、P)的比值關(guān)系，認(rèn)為元素的比值對(duì)有機(jī)體的關(guān)鍵特征及其對(duì)資源種類和數(shù)量的需求均有決定性作用[2]。土壤作為植物養(yǎng)分的主要來源，對(duì)植物的生長發(fā)育以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能有著重要的調(diào)控作用[3]。探討森林生態(tài)系統(tǒng)土壤的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征，了解森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分元素循環(huán)過程、養(yǎng)分限制性關(guān)系及其對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)與反饋，對(duì)提升森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和森林可持續(xù)經(jīng)營均有著重要的意義[4-7]。

土壤CNP比是有機(jī)質(zhì)或其他成分中的C素與N素、P素總質(zhì)量的比值，是土壤有機(jī)質(zhì)組成和質(zhì)量程度的一個(gè)重要指標(biāo)，反映了土壤內(nèi)部CNP的循環(huán)特征[8]。曹娟等[9]研究了湖南會(huì)同3個(gè)林齡(7 a、17 a、25 a)杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)人工林的土壤C、N、P特征，發(fā)現(xiàn)隨著造林時(shí)間增加，土壤有機(jī)C、全N、全P含量逐漸增加，土壤的C∶N和C∶P主要受土壤有機(jī)C影響。崔寧浩等[10]對(duì)5 a、14 a、39 a三個(gè)林齡的馬尾松(PinusmassonianaLamb.)人工林的研究亦表明，土壤C、N、P含量隨林齡增加而增加，馬尾松人工林受N和P的共同限制，但林齡對(duì)N、P養(yǎng)分限制的影響并不顯著。不同學(xué)者的研究結(jié)論各異，曾凡鵬等[11]對(duì)遼東山區(qū)的落葉松(Larixgmelinii(Rupr.) Kuzen.)群落的研究則表明，土壤C、N、P含量隨著林齡的增加而降低，地力呈逐漸衰退的趨勢，C∶N和C∶P隨林齡變化顯著?？梢?，土壤C、N、P含量及生態(tài)化學(xué)計(jì)量比隨林齡變化的趨勢，以及養(yǎng)分元素間的限制性關(guān)系仍有相當(dāng)大的不確定性，需要進(jìn)一步的研究探討。

馬尾松是我國南方主要的造林用材樹種，在林業(yè)生產(chǎn)及森林生態(tài)系統(tǒng)中占有及其重要的地位，具有耐干旱、適應(yīng)性強(qiáng)、速生、優(yōu)質(zhì)等有特點(diǎn)[12]。本文以位于憑祥市的中國林科院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心林區(qū)的4個(gè)林齡(6、16、23、35 a)馬尾松人工林為研究對(duì)象，分析了馬尾松從幼齡林至成熟林生長序列中的土壤有機(jī)C、全N、全P含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比格局，探討?zhàn)B分元素隨林齡的變化趨勢及它們之間的制約關(guān)系，以豐富該區(qū)域馬尾松生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

選取成土母巖、地形地貌、土壤類型、海拔、坡度等立地條件較為一致的馬尾松人工林(6、16、23、35 a)為研究對(duì)象，每個(gè)林齡選取3塊林分，每個(gè)林分內(nèi)設(shè)置面積400 m2的調(diào)查樣地。4個(gè)林齡初植密度均為2 940株·hm-2左右，造林后前3年均進(jìn)行砍草撫育，不施肥，造林3年后不再進(jìn)行撫育。造林第10 a左右進(jìn)行第一次間伐，第20 a左右進(jìn)行第二次間伐，第25 a左右進(jìn)行第三次間伐。根據(jù)廣西用材林林組劃分標(biāo)準(zhǔn)[13]，將所選的4個(gè)林齡馬尾松人工林劃分為：幼齡林(6 a)、中齡林(16 a)、近熟林(23 a)、成熟林(35 a)。4個(gè)林齡馬尾松樣地的基本情況如下(見表1)。林下灌木主要有玉葉金花(MussaendapubescensAit. f.)、酸藤子(Embelialaeta(L.) Mez)、越南懸鉤子(RubuscochinchinensisTratt.)、紅皮水錦樹(Wendlandiatinctoria(Roxb.) DC.Subsp.intermedia(How) W. C. Chen)、大沙葉(PavettaarenosaLour.)等，草本主要有鐵芒萁(Dicranopterislinearis(Burm. ) Underw.)、半邊旗(PterissemipinnataL.)、金毛狗(Cibotiumbarometz(L. ) J. Sm.)、扇葉鐵線蕨(AdiantumflabellulatumL.)等。

表1 樣地基本情況

1.2 研究方法

1.2.2 樣品測定 土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀-水合加熱法測定[7]；土壤全氮采用凱氏定氮法測定[9]；土壤全磷采用鉬銻抗比色法測定[9]。為保證數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性，每個(gè)樣品重復(fù)測定3次，取其平均值做為最終數(shù)值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

在Excel 2013中進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及繪圖，在SPSS 16.0中進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比較分析(LSD)，采用Pearson進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡馬尾松人工林土壤C、N、P含量變化

表2 不同林齡馬尾松人工林土壤C、N、P含量變化特征

同元素同行不同小寫字母表示該元素在不同土層中差異顯著(P<0.05)，同元素同列不同大寫字母表示該元素在不同林齡間差異顯著(P<0.05)。

Different lowerease alphabets in the same line indicate the element has significant difference in different soil layers(P<0.05), different capital alphabets in the same column indicate the element has significant difference among different ages(P<0.05).

2.2 不同林齡馬尾松人工林土壤C、N、P的化學(xué)計(jì)量特征

2.3 不同林齡馬尾松人工林土壤C、N、P含量及化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性

由表3相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤C:N與有機(jī)C含量有極顯著的相關(guān)性，與全N含量相關(guān)性不顯著，土壤C:P與有機(jī)C含量有極顯著相關(guān)性，與全P含量相關(guān)性不顯著，說明研究區(qū)馬尾松人工林土壤C:N、土壤C:P主要受有機(jī)C的影響。土壤N:P與全N含量呈現(xiàn)極顯著的相關(guān)性，與有全P含量相關(guān)性不顯著。

表3 馬尾松人工林土壤C、N、P含量及化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性

3 討論

土壤C∶N∶P是土壤有機(jī)質(zhì)組成和質(zhì)量程度的一個(gè)重要指標(biāo)，可用于判定土壤C、N、P的礦化作用和固持作用[8]。研究區(qū)4個(gè)林齡馬尾松人工林土壤C∶N∶P分別為37∶3∶1、34∶4∶1、26∶3∶1、29∶5∶1，低于我國土壤C∶N∶P均值60∶5∶1。C∶N是衡量土壤C、N營養(yǎng)平衡狀況的指標(biāo)，較低的C∶N比表明土壤有機(jī)質(zhì)具有更快的礦化速率[25]。Bengtsson等[26]指出，當(dāng)土壤C∶N比值較高時(shí)，微生物需要輸入N素來滿足自身的生長需要，當(dāng)土壤C∶N比值較低時(shí)，超過微生物生長所需要的N素就會(huì)被釋放到土壤中。研究區(qū)4個(gè)林齡馬尾松人工林土壤C∶N平均值為8.48，低于我國土壤C∶N平均值11.9，表現(xiàn)為6 a幼齡林(11.66)>16 a中齡林(8.53)>23 a近熟林(7.54)>35 a成熟林(6.18)，不同林齡土壤C∶N時(shí)間差異顯著，可能原因是由于隨著樹木年齡的累積，原來土壤中豐富的C、N等結(jié)構(gòu)性養(yǎng)分被大量消耗，造成土壤C∶N持續(xù)性降低。

土壤C∶P是衡量微生物礦化土壤有機(jī)物質(zhì)釋放P或從環(huán)境中吸收固持P素潛力的一個(gè)指標(biāo)，較低的C∶P比是土壤P有效性高的一個(gè)指標(biāo)[8-9,27]。賈宇等[28]指出，當(dāng)土壤C∶P>200時(shí)，微生物C素大幅度增加，競爭土壤中的速效磷，P素發(fā)生凈固持作用，當(dāng)土壤C∶P<200時(shí)，會(huì)出現(xiàn)土壤微生物的C素短暫性增加，P素發(fā)生凈礦化作用。研究區(qū)4個(gè)林齡馬尾松人工林土壤C∶P均值為31.66，小于200更低于我國土壤C∶P平均值105，表現(xiàn)為6 a幼齡林(37.47)>16 a中齡林(34.31)>35 a成熟林(28.93)>23 a近熟林(25.97)，林齡對(duì)土壤C∶P無顯著性影響，說明隨著林齡的增加，土壤中可利用性P素仍然非常有限。

4 結(jié)論

(1)土壤有機(jī)C、全N含量從成熟林階段開始回升。

(2)N在不同林齡間和不同土層間的變化是土壤N∶P變化的主要原因。

(3)有機(jī)C是影響土壤C∶N、C∶P的重要因素。

[1] 程 濱, 趙永軍, 張文廣,等. 生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(6):1628-1637.

[2] 曾德慧, 陳廣生. 生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué):復(fù)雜生命系統(tǒng)奧秘的探索[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2005, 29(6):1007-1019.

[3] 喻林華, 方 晰, 項(xiàng)文化, 等.亞熱帶4種林分類型枯落物層和土壤層的碳氮磷化學(xué)計(jì)量特征[J]. 林業(yè)科學(xué), 2016, 52(10):10-21.

[4] 趙亞芳, 徐福利, 王渭玲,等. 華北落葉松根莖葉碳氮磷含量及其化學(xué)計(jì)量學(xué)特征的季節(jié)變化[J]. 植物學(xué)報(bào), 2014, 49(5):560-568.

[5] Cao Y, Chen Y. Ecosystem C∶N∶P stoichiometry and carbon storage in plantations and a secondary forest on the Loess Plateau, China[J]. Ecological Engineering, 2017, 105 :125-132.

[6] Jing A N. Effect of Forest and Farm on Vertical Patterns of Soil Carbon,Nitrogen and Other Parameters in Northeast China[J]. Bulletin of Botanical Research, 2012, 32(3):331-338.

[7] 牛瑞龍, 高 星, 徐福利,等. 秦嶺中幼林齡華北落葉松針葉與土壤的碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2016, 36(22): 7384-7392

[8] 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.

[9] 曹 娟, 閆文德, 項(xiàng)文化, 等. 湖南會(huì)同3個(gè)林齡杉木人工林土壤碳、氮、磷化學(xué)計(jì)量特征[J]. 林業(yè)科學(xué), 2015, 51(7):1-8.

[10] 崔寧潔, 劉小兵, 張丹桔, 等. 不同林齡馬尾松(Pinusmassoniana)人工林碳氮磷分配格局及化學(xué)計(jì)量特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(2):188-195.

[11] 曾凡鵬, 遲光宇, 陳 欣, 等. 遼東山區(qū)不同林齡落葉松人工林土壤-根系C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2016, 35(8):1819-1825.

[12] 周政賢.中國馬尾松[M]. 北京:中國林業(yè)出版社,2001:53-60.

[13] 韓 暢, 宋 敏, 杜 虎, 等. 廣西不同林齡杉木、馬尾松人工林根系生物量及碳儲(chǔ)量特征[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2017, 37(7): 2282-2289.

[14] 吳 明, 邵學(xué)新, 周純亮, 等. 中亞熱帶典型人工林土壤質(zhì)量演變及其環(huán)境意義[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2009, 28(9):1813-1817.

[15] 楊會(huì)俠, 汪思龍, 范 冰, 等. 馬尾松人工林發(fā)育過程中的養(yǎng)分動(dòng)態(tài)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 21(8):1907-1914.

[16] 崔寧潔, 張丹桔, 劉 洋, 等. 不同林齡馬尾松人工林林下植物多樣性與土壤理化性質(zhì)[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2014, 33(10):2610-2617.

[17] 王維奇, 徐玲琳, 曾從盛, 等. 河口濕地植物活體-枯落物-土壤的碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(23): 7119-7124

[18] Maisto G, De Marco A, Meola A,etal. Nutrient dynamics in litter mixtures of four Mediterranean maquis species decomposing in situ[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2011, 43(3): 520-530.

[19] 苗 娟, 周傳艷, 李世杰, 等. 不同林齡云南松林土壤有機(jī)碳和全氮積累特征[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 25(3):625-631.

[20] 秦 娟, 唐心紅, 楊雪梅. 馬尾松不同林型對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2013, (4):598-604.

[21] 胡耀升, 么旭陽, 劉艷紅. 長白山森林不同演替階段植物與土壤氮磷的化學(xué)計(jì)量特征[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 25(3):632-638.

[22] 劉興詔, 周國逸, 張德強(qiáng), 等. 南亞熱帶森林不同演替階段植物與土壤中N、P的化學(xué)計(jì)量特征[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 34(1):64-71.

[23] Zhang C, Tian H Q, Liu J Y,etal. Pools and distributions of soil phosphorus in China[J]. Global Biogeochemical Cycles, 2005, 19(1): 347-354.

[24] Kellogg L E, Bridgham S D. Phosphorus retention and movement across an ombrotrophic-minerotrophic peatland gradient[J]. Biogeochemistry, 2003, 63(3): 299-315.

[25] Majda H,Ohrvik J. Interactive effects of soil warming and fertilization on root production, mortality in Norway spruce stand in Northern Sweden[J]. Global Change Biology, 2004, 10(2): 182-188.

[26] Bengtsson G, Bengtson P, Mansson K F. Gross nitrogen mineralization-, immobilization-, and nitrification rates as a function of soil C/N ratio and microbial activity[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2003, 35(1): 143-154.

[27] 劉萬德, 蘇建榮, 李帥鋒, 等. 云南普洱季風(fēng)常綠闊葉林演替系列植物和土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量特征[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(23): 6581-6590.

[28] 賈 宇, 徐炳成, 李鳳民, 等. 半干旱黃土丘陵區(qū)苜蓿人工草地土壤磷素有效性及對(duì)生產(chǎn)力的響應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 27(1):42-47.

[29] 盧立華, 賈宏炎, 何日明, 等. 南亞熱帶6種人工林凋落物的初步研究[J]. 林業(yè)科學(xué)研究, 2008, 21(3):346-352.

[30] 楊會(huì)俠, 汪思龍, 范 冰, 等. 不同林齡馬尾松人工林年凋落量與養(yǎng)分歸還動(dòng)態(tài)[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2010, 29(12):2334-2340.

[31] 周光益, 徐義剛, 吳仲民, 等. 廣州市酸雨對(duì)不同森林冠層淋溶規(guī)律的研究[J]. 林業(yè)科學(xué)研究, 2000, 13(6):598-607.

[32] 周國逸, 閆俊華. 鼎湖山區(qū)域大氣降水特征和物質(zhì)元素輸入對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)存在和發(fā)育的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2001, 21(12):2002-2012.

[33] 張 捷, 劉 洋, 張 健, 等. 馬尾松人工林林冠層對(duì)氮、磷、硫的截留效應(yīng)[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2014, 28(4):37-43.

[34] 方運(yùn)霆, 莫江明, Per Gundersen, 等. 森林土壤氮素轉(zhuǎn)換及其對(duì)氮沉降的響應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2004, 24(07):1523-1531.

StoichiometryCharacterizationofSoilC,NandPofPinusmassonianaPlantationsatDifferentAgeStages

LEILi-qun1,2，LULi-hua1,2，NONGYou1,2，MINGAn-gang1,2，LIUShi-ling1,2，HEYuan1,2

(1.Experimental Center of Tropical Forestry，Chinese Academy of Forestry，Pingxiang 532600，Guangxi，China; 2.Guangxi Youyiguan Forest Ecosystem Research Station，Pingxiang 532600，Guangxi，China)

ObjectiveTo investigate the concentrations and stoichiometric ratio of soil organic C, total N and P inPinusmassonianaplantations from young to mature stages in order to enrich the basic research ofP.massonianaecosystem in stoichiometric field.MethodFourP.massonianaplantations at different ages (6-, 16-, 23- and 35-year-old) in Pingxiang of Guangxi were selected as the research object, three plots in size of 400 m2were set up for each of the plantations. The soil samples were collected from 0-20, 20-40, 40-60 cm depths respectively for measuring organic C, total N and total P, the ratio among them was estimated. The LSD method was used to test the significance of single factor.ResultThe contents of soil organic C, total N and total P in 0-20 cm soil layer of P. massoniana plantation were 5.73-15.56 g·kg-1, 0.63-1.23 g·kg-1and 0.17-0.33 g·kg-1, which are 1.51, 1.31, and 1.06 times of that in 2040 cm soil layer, and 1.97, 1.58, 1.06 times of that in 4060 cm soil layer, respectively. The concentrations of soil organic C and total N increased at initial and then decreased as the stand age increased, while decreased with the increasing soil depth. No significant difference was found in the soil total P among different stand age and soil depth. Stand age have statistically significant effect on soil C∶N and N∶P (P=0.001,P=0.000), the soil layer has significant effect on soil C∶P and N∶P (P=0.000,P=0.014).ConclusionThe contents of soil organic C and total N begin to pick up from the mature stage. The change of N among different stand age and soil depth is the key factor changing soil N∶P ratio. The ratio of soil C∶N and C∶P is mainly affected by organic C.

Pinusmassonianaplantation; stand age; CNP; stoichiometry.

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.06.010

2017-02-22

中國林業(yè)科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(CAFYBB2014QA033)、廣西林業(yè)科技項(xiàng)目(桂林科字[2016]第37號(hào))、中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心主任基金項(xiàng)目(RL2015-04)

雷麗群,碩士,助理工程師。主要研究方向：森林生態(tài)學(xué)。 電話:13481104142, E-mail:757467053@qq.com. 地址：532600，廣西憑祥市科園路8號(hào)

* 通訊作者：明安剛，在讀博士,高級(jí)工程師。主要研究方向:森林生態(tài)學(xué)。E-mail:minganggang0111@163.com

S791.248

A

1001-1498(2017)06-0954-07

崔 貝)