不同林齡柚木人工林土壤生態(tài)化學(xué)計量特征

張繼輝,蔡道雄,盧立華,*,李運興,李 華,閔惠琳,楊保國,農(nóng) 友,黃 彪

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實驗中心, 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, 憑祥 532600 3 廣西壯族自治區(qū)中醫(yī)藥研究院, 南寧 530022 4 國際竹藤中心園林花卉與景觀研究所，北京 100102

生態(tài)化學(xué)計量學(xué)主要研究生態(tài)系統(tǒng)化學(xué)過程中各化學(xué)元素的動態(tài)收支平衡及系統(tǒng)各組分的元素比例關(guān)系[1]。碳(C)、氮(N)、磷(P)是土壤最基本的化學(xué)組成元素,其相對組成及計量比直接影響了土壤C、N、P循環(huán)對全球生態(tài)系統(tǒng)化學(xué)變化的響應(yīng)[2]。森林土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,同時也是營養(yǎng)元素的儲存庫,研究森林土壤的生態(tài)化學(xué)計量特征,對認識森林生態(tài)系統(tǒng)的元素響應(yīng)機制、循環(huán)過程以及對各種因素干擾的反饋,及實現(xiàn)森林服務(wù)功能的可持續(xù)經(jīng)營管理均具有重大意義[3]。

人工林生態(tài)系統(tǒng)中,林齡通過改變森林物質(zhì)組成、林分結(jié)構(gòu)和林內(nèi)微氣候進而影響土壤養(yǎng)分分配格局[4],雷麗群等[5]研究廣西憑祥地區(qū)馬尾松人工林林齡對土壤C∶N、N∶P極顯著影響,土層對土壤C∶P、N∶P顯著影響。任璐璐等[6]研究陜北黃土高原刺槐人工林土壤C∶N、C∶P、N∶P和C∶N∶P隨著林齡的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢,刺槐固磷能力較顯著,油松人工林土壤C∶N、C∶P、N∶P隨林齡的增加呈增加趨勢,黃土高原地區(qū)油松受氮限制較嚴重[7],秦嶺幼、中齡林華北落葉松人工林也主要受氮限制,且隨林齡的增加,其土壤C∶N、N∶P顯著增加,C∶N隨林齡的變化差異不顯著[8],隨梭梭林種植年限的增加,土壤C∶N未發(fā)生顯著變化,但C∶P和N∶P明顯增加,荒漠綠洲區(qū)梭梭人工林可能受磷限制[9],胡啟武等[10]通過研究鄱陽湖地區(qū)林齡對沙山濕地松土壤C、N、P化學(xué)計量比特征的影響,發(fā)現(xiàn)林齡對土壤C∶N、C∶P和N∶P的影響不顯著。由于受植被生物學(xué)特性、森林經(jīng)營方式和區(qū)域氣候的影響,不同地區(qū)人工林生態(tài)系統(tǒng)碳氮磷元素循環(huán)特征表現(xiàn)出顯著的差異性[2,11],在人工林經(jīng)營過程中,森林生態(tài)系統(tǒng)化學(xué)計量特征研究為其養(yǎng)分循環(huán)及限制提供重要的指示作用,在特定植被條件下開展土壤生態(tài)化學(xué)計量特征研究尤為重要[12]。

柚木(Tectonagrandis)屬唇形科柚木屬闊葉大喬木,材質(zhì)優(yōu)良,是國際上最重要的闊葉用材之一。前人在柚木的引種、育苗、造林、遺傳改良[13]、其生長與土壤特性[14- 23]、立地分類及質(zhì)量評價[24-25]等方面開展了相關(guān)研究,但針對不同林齡柚木人工林土壤生態(tài)化學(xué)計量特征與其土壤理化性質(zhì)關(guān)系的研究尚無報道。因此,本研究以3個林齡(10、32、37 a)的柚木人工林為研究對象,分析柚木人工林土壤C∶N∶P生態(tài)計量特征及理化性質(zhì)隨林齡變化及其之間相關(guān)關(guān)系,研究土壤C∶N∶P化學(xué)計量特征對柚木的指示作用。本研究的開展可探明不同發(fā)育階段柚木人工林的土壤養(yǎng)分限制狀況,可為人工林持續(xù)經(jīng)營管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究所選的柚木人工試驗林位于廣西壯族自治區(qū)崇左市憑祥市中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實驗中心青山實驗場林區(qū)(21°57°47″—22°19°27″N,106°39′50″—106°59′30″E),屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年均溫約22℃,≥10℃積溫6000—7600℃,年均降水量1550 mm,年均蒸發(fā)量1325 mm,干濕兩季分明,降雨主要集中在4—9月,約占年降水總量的75%。主要樹種有馬尾松(Pinusmassoniana)、柚木(Tectonagrandis)、杉木(Cunninghamialanceolata)、紅椎(Castanopsishystrix)、米老排(MytilariaLaosensis)、尾葉桉(Eucalyptusurophylla)、格木(Erythrophleumfordii)、桃金娘(Rhodomyrtustomentosa)、酸藤子(Embelialaeta)、玉葉金花(MussaendaPubescens)、大沙葉(Pavettaarenosa)、鐵芒箕(Dicranopterisdichotoma)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)、蔓生莠竹(Microstegiumvagans)等。土壤類型主要包括紅壤和赤紅壤[5]。

本研究選取立地條件較為一致的柚木人工林(10、32、37 a)為研究對象,3個林齡初植密度均為1200株/hm2左右,造林前3年均進行不施肥砍草撫育,造林3a后不再撫育,10 a左右進行第一次間伐,20 a左右進行第二次間伐,25 a左右進行第三次間伐。樣地基本特征見表1。

表1 樣地基本特征

1.2 樣品處理與測定

2018年3—5月在研究區(qū)域采用典型樣地調(diào)查法,在3個林齡地塊內(nèi)各選取3塊具有代表性的林分,共9塊林分,每個林分內(nèi)分別設(shè)置一塊400 m2的樣地,挖取深1 m左右的垂直土壤坡面,按照0—10、10—20、20—30、30—50、50—100 cm土層進行混合取樣500 g,每層3個重復(fù),每次共取15個土樣,及時帶回實驗室。測定pH、土壤容重(Soil bulk density,SBD)、質(zhì)量含水量(Mass water content,MW)、最大持水量(Maximum water holding capacity,MAC)、最小持水量(Minimum water holding capacity,MIC)、毛管持水量(Capillary water holding capacity,CC)、總孔隙度(Total porosity,TPO)、毛管孔隙度(Capillary porosity,CPO)及非毛管孔隙度(Non-capillary porosity,NCPO)等土壤理化性質(zhì),樣品經(jīng)自然風(fēng)干后,磨細后過0.15mm孔徑篩網(wǎng),取樣測定土壤有機碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、水解氮(Available nitrogen,AN)、有效磷(Available phosphorus,AP)及速效鉀(Fast-acting potassium,FK)含量。

土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化-水合加熱法測定[8]；土壤全氮(TN)采用凱氏定氮法測定[26]；土壤全磷(TP)采用鉬銻抗比色法測定[26]；土壤全鉀(TK)采用氫氟酸-硝酸-高氯酸消解-火焰光度計法測定[27]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

研究數(shù)據(jù)用Microsoft Office Excel 2013進行初步整理,用SPSS 17.0軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA),雙因素方差分析(Two-way ANOVAs)、多重比較(LSD)和相關(guān)性分析(Pearson correlation analysis),顯著性水平設(shè)為0.05,用Excel 2007軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡柚木人工林土壤理化性質(zhì)

由表2可得,10、32、37年生柚木人工林0—100 cm土壤pH分別為5、5.26、4.73；水解氮分別為107.81、84.1、70.5 mg/kg；有效磷分別為0.92、1.19、1.1 mg/kg；全鉀分別為12.03、11.06、5.41 g/kg；速效鉀分別為33、40.15、31.66 mg/kg；容重分別為1.45、1.54、1.51 g/m3；質(zhì)量含水量分別為24.66、19.25、14.32%；最大持水量分別為34.01、29.6、27.53%；最小持水量分別為25.86、21、20.74%；毛管持水量分別為30.5、26、25.22%；總孔隙度分別為48.48、44.8、41.37%；毛管孔隙度分別為43.55、39.51、37.93%；非毛管孔隙度分別為4.92、5.29、3.44%。

表2 不同林齡柚木人工林各土層土壤理化性質(zhì)

方差分析結(jié)果表明,土壤質(zhì)量含水量、最大持水量、最小持水量、毛管持水量、總孔隙度、毛管孔隙度及非毛管孔隙度均伴隨林齡的增加呈現(xiàn)降低趨勢,土壤質(zhì)量含水量不同林齡間差異顯著(P<0.05),其他水分-物理指標差異不顯著(P>0.05)；土壤pH、有效磷、速效鉀及容重均伴隨林齡的增加呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢,均在32 a達到峰值,土壤pH不同林齡間差異顯著(P<0.05),有效磷、速效鉀及容重不同林齡間差異不顯著(P>0.05)；10年生柚木林土壤水解氮含量顯著高于32 a和37 a(P<0.05),不同林齡間差異顯著(P<0.05),并伴隨林齡的增加呈現(xiàn)明顯的降低趨勢；土壤全鉀隨林齡的增加呈現(xiàn)明顯降低趨勢,不同林齡間差異不顯著(P>0.05)。

從同一林齡不同土層看,10年生柚木林土壤pH、全鉀和容重隨土層加深逐漸增大；水解氮、有效磷和速效鉀隨土層加深逐漸減小；其他水分-物理指標均隨土層的加深呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。32年生柚木林土壤pH和容重隨土層加深逐漸增大；全鉀隨土層加深呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；水解氮、有效磷、速效鉀、最大持水量、毛管持水量、總孔隙度和非毛管孔隙度均隨土層加深逐漸減小；其他水分-物理指標均隨土層的加深呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。37年生柚木林土壤pH、容重、質(zhì)量含水量和毛管孔隙度均隨土層加深逐漸增大；全鉀隨土層的加深呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；水解氮、有效磷、速效鉀和非毛管孔隙度隨土層加深逐漸減??；其他水分-物理指標均隨土層的加深呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。方差分析表明,10、32、37年生林分土壤水解氮、有效磷和速效鉀均表現(xiàn)為0—10 cm土層顯著高于10—100 cm土層(P<0.05)；全鉀表現(xiàn)出50—100 cm不同林齡間差異顯著(P<0.05),10年生林分不同土層間差異顯著(P<0.05),其他不同林齡不同土層間差異均不顯著(P>0.05)；水解氮和速效鉀除37年生林分外,其他林分不同土層間差異顯著(P<0.05)；有效磷除32年生林分外,其他林分不同土層間差異顯著(P<0.05)；其余土壤理化性質(zhì)除10年生林分非毛管孔隙度不同土層間差異顯著(P<0.05),其他不同林齡不同土層間差異均不顯著(P>0.05)。

2.2 不同林齡柚木人工林土壤生態(tài)化學(xué)計量特征

由圖1可得,土壤SOC、TN和TP隨林齡的增加大體表現(xiàn)出先上升后降低的趨勢。通過對同一土層不同林齡的SOC、TN和TP含量進行單因素方差分析,發(fā)現(xiàn)不同林齡SOC和TN除表層0—10 cm差異顯著(P<0.05)外,10—100 cm土層均沒有顯著差異；TP除TK0—10 cm差異不顯著(P>0.05)外,其他各土層不同林齡間均差異顯著(P<0.05)。10 a和32 a柚木林0—10 cm SOC和TN含量顯著高于37 a林分。

土壤SOC和TN含量隨著土層的加深呈現(xiàn)明顯下降的趨勢,3個林齡TP含量在0—10、10—20、20—30、30—50、50—100 cm的平均值分別為0.35、0.31、0.29、0.29、0.28 mg/kg,也表現(xiàn)出隨土層的增加而減??；TK含量0—100 cm的均值分別為8.41、8.88、9.62、10.66、9.94 mg/kg,大體表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢,分別在30—50 cm和0—10 cm達到最大和最小值。

由于不同齡組土壤SOC、TN和TP變化不大,導(dǎo)致5個土層的林齡間C∶P和N∶P差異不顯著(P>0.05),C∶N主要受到SOC和TN含量變化的影響,不同林齡C∶N統(tǒng)計上的差異只體現(xiàn)在0—10 cm(P<0.05)。

C∶P和N∶P隨著土層的加深呈現(xiàn)明顯下降趨勢,C∶N也大致表現(xiàn)為隨著土層的加深而降低。10年生柚木林C∶N、C∶P和N∶P不同土層間差異顯著(P<0.05)；32年生林分C∶P和N∶P不同土層間差異顯著(P<0.05),而C∶N未表現(xiàn)出顯著差異；37年生林分C∶N、C∶P和N∶P不同土層間差異均不顯著(P>0.05)。

圖1 不同林齡柚木人工林土壤有機碳、全氮及全磷含量Fig.1 The soil SOC, TN and TP content of Teak plantations in different ages數(shù)據(jù)表示為均值±標準差；不同大寫字母表示同一土層下不同林齡間達到顯著差異(P<0.05)；不同小寫字母表示同一林齡不同土層間存在顯著差異(P<0.05)

圖2 不同林齡柚木人工林土壤C:N、C:P及N:PFig.2 The soil ratio of C/N, C/P and N/P of Teak plantations in different ages數(shù)據(jù)表示為均值±標準差；不同大寫字母表示同一土層下不同林齡間達到顯著差異(P<0.05)；不同小寫字母表示同一林齡不同土層間存在顯著差異(P<0.05)

2.3 不同林齡柚木人工林土壤生態(tài)化學(xué)計量特征與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

由表3可得,不同的土壤水分-物理性質(zhì)(即土壤容重、質(zhì)量含水量、田間持水量和孔隙度)之間存在緊密的相關(guān)關(guān)系,pH值與多個水分-物理性質(zhì)(最大持水量、最小持水量、毛管持水量和孔隙度)及基本元素含量(有機碳、全氮、水解氮、有效磷、速效鉀和N∶P)間不存在相關(guān)關(guān)系。有機碳與多個土壤理化性質(zhì)極顯著相關(guān)(P<0.01),除與質(zhì)量含水量和全鉀無相關(guān)關(guān)系外,與其他指標均極顯著正相關(guān)(P<0.01)；全氮除與全鉀無相關(guān)關(guān)系外,與土壤容重極顯著負相關(guān)(P<0.01),與其他土壤水分-物理性質(zhì)和基本元素含量極顯著正相關(guān)(P<0.01)；全磷與土壤容重顯著負相關(guān)(P<0.05),與其他所有水分-物理性質(zhì)極顯著正相關(guān)(P<0.01),與有機碳、全氮、全鉀、水解氮和速效鉀極顯著正相關(guān)(P<0.01),與有效磷正相關(guān)(P<0.05)。

C∶N與最大持水量、總孔隙度、非毛管孔隙度、有機碳、全氮、水解氮、有效磷、速效鉀、C∶P和N∶P極顯著正相關(guān)(P<0.01),與pH、土壤容重、全鉀極顯著負相關(guān)(P<0.01)；C∶P與最大持水量、毛管持水量、總孔隙度、非毛管孔隙度、有機碳、全氮、水解氮、有效磷、速效鉀和C∶N呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與pH、容重和全鉀顯著負相關(guān)(P<0.05)；N∶P與最大持水量、毛管持水量、總孔隙度、非毛管孔隙度、有機碳、全氮、水解氮、有效磷、速效鉀、C∶N和C∶P呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與土壤容重極顯著負相關(guān)(P<0.01)。土壤養(yǎng)分循環(huán)與土壤物理性質(zhì)存在一定關(guān)聯(lián),其中受土壤容重、最大持水量、總孔隙度和非毛管孔隙度的影響較顯著。

3 討論

3.1 不同林齡柚木人工林土壤理化性質(zhì)的變化

已有研究表明,林齡通過改變林分結(jié)構(gòu)格局對人工林土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響[28],但土壤理化性質(zhì)對林齡的響應(yīng)與樹種選擇有密切關(guān)系[12]。土壤pH值反映土壤熟化程度,對養(yǎng)分的蓄存狀態(tài)有直接影響[29]。本研究區(qū)柚木林土壤pH為4.6—5.4,與海南地區(qū)(4.3—5.7)、云南西雙版納地區(qū)(4.3—6.5)和揭陽地區(qū)(4.2—5.0)同屬酸性土壤[14]。本研究區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),該地區(qū)降水充沛,土壤淋溶作用強烈,酸性土壤對柚木的生長發(fā)育有一定的限制作用[14]。土壤容重是反映土壤肥力狀況的重要指標[30],廣西憑祥大青山地區(qū)柚木人工林在不同林齡和不同土層間均未表現(xiàn)出顯著差異,可能是由于所選樣地未經(jīng)過森林撫育及施肥等人為管理活動導(dǎo)致。

土壤水分物理指標作為土壤肥力狀況最直接的影響因素,對土壤養(yǎng)分的有效性有顯著影響[28],在本研究中,土壤質(zhì)量含水量、最大持水量、最小持水量和毛管持水量隨林齡的增加而減小,主要是由于本研究地柚木種植前的林地清理方式采用的是傳統(tǒng)煉山方式,煉山會引發(fā)土壤短暫的激肥效應(yīng)[31],土壤水分和物理性質(zhì)一定程度上受到了人類整地活動的促進作用[32],隨著林齡的增加林分郁閉度提高,林下生物量顯著減少,導(dǎo)致土壤密度增大、持水能力減弱、土壤孔隙度減小[12]；隨土層的加深,土壤質(zhì)量含水量、最大持水量、最小持水量和毛管持水量大體呈現(xiàn)減小趨勢,主要是由于土壤表層積累了大量的凋落物,下層比表層更加緊實、毛管孔隙度較小[28]。

土壤孔隙度分為毛管和非毛管孔隙度,毛管孔隙度表征土壤持水蓄水能力,而非毛管孔隙度則可表征土壤的通氣透水能力[33]。隨著林齡的增加,土壤孔隙度(總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度)呈減小趨勢,這與郝中明[34]的研究結(jié)果一致,可能是由于研究地柚木的土壤容重總體隨林齡的增加而逐漸增加所致[34],本研究中土壤孔隙度的變化趨勢與水分物理指標一致,皮爾遜相關(guān)分析也表明孔隙度與水分特征呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

3.2 不同林齡柚木人工林土壤生態(tài)化學(xué)計量特征與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

本研究中,3個林齡的土壤有機碳和全氮含量均隨土層的加深逐漸減小,這是由于土壤 C、N 元素主要來源于林內(nèi)凋落物的分解輸入,經(jīng)微生物分解先富集于表層,后經(jīng)林內(nèi)降雨引發(fā)淋溶作用而向下遷移,因此,在土層上表現(xiàn)出自上而下逐漸減小的變化特征[5]。土壤有機碳是土壤可持續(xù)生產(chǎn)的重要因子,對土壤理化性質(zhì)有重要影響[35]。不同林齡柚木人工林土壤有機碳隨林齡的增加大體表現(xiàn)出先上升后降低的趨勢,這與張蕓[12]的研究結(jié)果一致。已有研究表明土壤氮素是土壤碳庫吸存的關(guān)鍵影響參數(shù)[36-37],本研究中有機碳與全氮和水解氮含量極顯著正相關(guān)(全氮：r=0.929,水解氮：r=0.916,P<0.01),為了維持土壤碳庫的長期穩(wěn)定,保持較為合理的氮素水平是一項尤為重要的管理措施[36]。土壤磷素的豐缺對森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分平衡狀況有直接影響,速效養(yǎng)分能準確反映養(yǎng)分供應(yīng)狀況,與植物生長密切相關(guān),故對速效養(yǎng)分的測定十分必要[28]。本研究中,土壤全磷和有效磷隨林齡的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,這與紀文婧[38]的研究結(jié)果一致,隨土層的加深逐漸減小,與白小芳[39]的研究結(jié)果一致。但是本研究中柚木人工林全氮含量低于2.09 g/kg,低于歐洲國家的土壤全氮水平,屬于缺氮土壤；全磷含量低于0.8 g/kg,有效磷含量低于8 mg/kg,本地區(qū)磷素屬于嚴重缺乏狀態(tài)[40]。鉀素是植物生長最重要的組成元素之一[28]。本研究中,速效鉀表現(xiàn)出表聚效應(yīng),與茍麗暉等[41]的研究結(jié)果一致。全鉀隨林齡的增加呈減小趨勢,與有機碳、氮磷的變化規(guī)律不同,這可能是由于10 a林分pH值相對較低,土壤礦物中鉀的置換作用在該時期比較活躍有關(guān)。關(guān)于有機碳與鉀素的相關(guān)關(guān)系,研究結(jié)果不盡相同[35,40],本研究發(fā)現(xiàn)有機碳與全鉀含量未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性,而與速效鉀呈顯著正相關(guān)關(guān)系,可能與鉀的循環(huán)特征有關(guān)。

表3 柚木人工林土壤理化性質(zhì)和生態(tài)計量特征的相關(guān)性分析

土壤C∶N∶P是土壤C、N、P礦化和固持作用的重要指標[2],C∶N用于衡量土壤C、N營養(yǎng)元素平衡狀況,C∶N比可表征土壤有機質(zhì)的礦化速率,其比值越低,礦化速率越快[42]。在本研究中,柚木人工林林齡和土層對土壤C∶N、N∶P的影響除表層(0—10 cm)外未表現(xiàn)出顯著的影響,這與胡啟武等[10]對鄱陽湖地區(qū)沙山濕地松的研究結(jié)果相似,而與雷麗群[5]的研究結(jié)果恰恰相反。本研究區(qū)柚木土壤C∶N隨林齡的增加而增大,這與牛瑞龍[8]對秦嶺不同林齡華北落葉松人工林的研究一致。有研究表明[43],當C∶N比升高時,土壤微生物需攝入氮素以滿足自身需要,當C∶N比降低時,微生物會將多于自身需要的氮素釋放到土壤中。本研究發(fā)現(xiàn)3個林齡柚木人工林土壤C∶N平均值為7.32,低于我國土壤C∶N平均值11.90[44],表現(xiàn)為37年生林分(7.94)>32年生林分(7.39)>10年生林分(6.62),不同林齡C∶N時間上保持相對恒定,原因是由于隨著樹齡的增加,柚木人工林土壤C和N含量同時減小所致。綜上可得,C∶N隨林齡的增加而增大,土壤礦化作用隨之減弱,氮素被土壤微生物所消耗,柚木可吸收利用的C、N元素隨之減少,說明純林減少了C、N儲量,降低了N的有效性,柚木純林化經(jīng)營不利于其生長發(fā)育,適當混交化改造顯得十分重要[45],具體混交化經(jīng)營方式有待進一步研究。

土壤C∶P是衡量土壤有機質(zhì)向周圍環(huán)境釋放P素或從環(huán)境中吸持P素潛力的重要指標,C∶P對土壤P有效性高低起重要指示作用,其之間呈負相關(guān)關(guān)系[2,26]。本研究中,土壤C∶P隨柚木林齡的增加表現(xiàn)出先減小后增加的趨勢,這與任璐璐[6]的研究結(jié)果一致。賈宇等[46]研究發(fā)現(xiàn),C∶P對微生物C素和P素有顯著影響,當C∶P>200時,微生物C素迅速增加,P素發(fā)生凈固持作用；當C∶P<200時,土壤微生物C素短暫性增加,P素發(fā)生凈礦化作用。本研究發(fā)現(xiàn)3個林齡柚木人工林土壤C∶P平均值為26.92,不但未達200更明顯低于我國土壤C∶P平均水平(60.00),表現(xiàn)為37年生林分(29.23)>10年生林分(26.42)>32年生林分(25.11),C∶P在32 a達到最低,在37 a達到最高,表明隨著林齡的增加,柚木純林不僅降低了土壤C、N、P含量(圖1),且土壤有機質(zhì)的分解速度及P素的有效性也隨之降低,本研究區(qū)柚木純林生長受到P限制,純林化經(jīng)營降低了土壤養(yǎng)分含量并影響柚木的養(yǎng)分利用效率,進而限制柚木生長[47],該地區(qū)土壤可利用P素非常有限,同時這也與南亞熱帶紅壤地區(qū)磷背景值低有關(guān)[12]。

土壤N∶P可用作表征N素飽和與限制的重要診斷指標[2,26]。本研究發(fā)現(xiàn)3個林齡柚木人工林土壤N∶P平均值為3.56,明顯低于全國土壤N∶P水平(5.10),表現(xiàn)為10年生林分(3.72)>37年生林分(3.63)>32年生林分(3.33),3個林齡柚木人工林土壤N∶P隨林齡的增加表現(xiàn)出先減小后增加的趨勢,土壤中N含量的變化是土壤N∶P變化的重要影響因素,枯落物分解輸入、柚木吸收利用是N含量變化的主要原因,這與任璐璐[6]和曹娟[26]的研究結(jié)果一致。劉興詔等[48]針對土壤氮、磷的相互關(guān)系進行研究,發(fā)現(xiàn)土壤N∶P隨著林齡的增加呈現(xiàn)出明顯增加的變化趨勢；白榮[49]研究認為,土壤N∶P隨著林齡的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,在發(fā)育中期達到最大值。本研究有所不同,可能是由于植被生長狀況和立地條件不同所造成。本研究林齡對土壤N∶P無顯著影響,但土層對N∶P表現(xiàn)出顯著性影響,3個林齡柚木人工林土壤P素含量整體偏低且比較穩(wěn)定,皮爾遜相關(guān)分析也表明土壤N∶P與土壤全氮和水解氮含量極顯著正相關(guān),與全磷含量相關(guān)性不顯著,說明土壤N∶P在不同土層間的變化差異主要受N素影響。

4 結(jié)論

分析10、32、37a柚木人工林土壤理化性質(zhì)和C∶N∶P生態(tài)化學(xué)計量比及其之間的相關(guān)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)除土壤容重、有效磷、速效鉀、C∶P和N∶P外,林齡對其他土壤理化性質(zhì)和C∶N均有顯著影響；C∶N、C∶P隨林齡的增加而增大,柚木純林化經(jīng)營減少了C、N、P儲量,其生長受到P限制,適當混交化改造顯得十分重要；研究發(fā)現(xiàn),廣西大青山地區(qū)3個林齡柚木人工林土壤C∶N(7.32)、C∶P(26.92)和N∶P(3.56)平均值均明顯低于全國土壤C∶N(11.90)、C∶P(60.00)和N∶P(5.10)平均水平,表明該地區(qū)土壤可利用C、N、P素仍非常有限。對土壤SOC、TN、TP含量、C∶N、C∶P和N∶P之間進行皮爾遜相關(guān)分析得出,C∶N與SOC的相關(guān)性大于與TN的相關(guān)性,C∶P與SOC的相關(guān)性大于與TP的相關(guān)性,說明柚木人工林土壤C∶N和C∶P主要受有機碳含量的影響,因此在柚木人工林經(jīng)營管理過程中如何科學(xué)調(diào)控土壤中有機碳含量顯得尤為重要。本研究區(qū)C∶N和C∶P較低,表明有機質(zhì)分解較快,這對于雨量充沛的南亞熱帶柚木人工林來講可能不利于其土壤肥力的維持。

致謝：中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實驗中心何日明、陳海參加了野外調(diào)查,中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實驗中心青山實驗場提供外業(yè)調(diào)查支持,特此致謝。