江西省森林土壤碳氮磷含量及其化學(xué)計(jì)量比特征分析

劉耀輝，鄭淇元，文 杰，修玉冰，王珊珊，欒軍偉，張文元,★

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，江西 南昌330045；2.國際竹藤中心，北京100000）

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是研究不同生態(tài)系統(tǒng)過程中能量和化學(xué)元素之間平衡關(guān)系的學(xué)科。土壤養(yǎng)分特別是C、N、P 循環(huán)作為生物地球化學(xué)循環(huán)的核心，影響著植物的生產(chǎn)、森林的演替和生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)化過程[1-4]。土壤中C、N、P 含量及生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征對(duì)植物的養(yǎng)分吸收能力和生長發(fā)育都會(huì)造成一定的影響[5-6]，植物的生長狀況也是土壤肥力的表征，土壤肥力受土壤類型、質(zhì)地、植被類型等限制，而紅壤對(duì)化學(xué)營養(yǎng)元素的吸附和儲(chǔ)存能力差，多雨又會(huì)加劇大量營養(yǎng)元素的流失，土壤肥力低下尤為明顯，嚴(yán)重限制了林木的生長，又由于江西森林資源豐富，覆蓋率位居全國第二（64.69%）[7]。因此，探究森林土壤C、N、P 含量及其化學(xué)計(jì)量比對(duì)植物的生產(chǎn)、森林的演替及生態(tài)系統(tǒng)的平衡具有重要的指導(dǎo)意義[8]。紅壤是江西典型的土壤類型，對(duì)化學(xué)營養(yǎng)元素的吸附和儲(chǔ)存能力極差，導(dǎo)致大量營養(yǎng)元素流失，土壤肥力低下，影響植被正常生長，破壞森林生態(tài)系統(tǒng)的局部平衡[9-10]。江西主要為人工純林，地力衰退嚴(yán)重[11]，最終破壞土壤養(yǎng)分的積累及其計(jì)量平衡。有研究發(fā)現(xiàn)，泰和馬尾松林C、N、P 含量隨土層加深呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，N∶P 值較高，土壤P 淋失嚴(yán)重，P 成是土壤肥力限制的主要因子[12]，且贛州馬尾松森林土壤C、N、P 含量及N∶P(4.28)值也偏低，嚴(yán)重制約了馬尾松的生長[13]。還有研究表明，江西紅壤丘陵區(qū)不同森林類型對(duì)土壤養(yǎng)分的需求是不同的，如杉木純林C、N、P 含量低于針闊混交林[14]。目前對(duì)江西省森林土壤C、N、P 含量及其化學(xué)計(jì)量比的研究區(qū)域和林分較為集中，不能充分揭示江西省森林土壤C、N、P 的儲(chǔ)量及化學(xué)計(jì)量平衡，因此研究江西省森林土壤C、N、P 含量及其化學(xué)計(jì)量比具有重要意義。故本試驗(yàn)在2011－2013年期間對(duì)江西7 個(gè)市的森林土壤C、N、P 的含量進(jìn)行測(cè)量，探明整個(gè)江西森林土壤C、N、P 含量的分布情況及其化學(xué)計(jì)量比間的特征，為江西省森林土壤養(yǎng)分精準(zhǔn)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)樣地分別設(shè)置在九江、景德鎮(zhèn)、上饒、撫州、宜春、吉安、贛州地區(qū)，并選取郊外丘陵地帶具有代表性的人工混交林土壤為研究對(duì)象，每個(gè)地區(qū)分別設(shè)8 個(gè)800 m2（20 m×40 m）的樣地，共56 個(gè)，又把7個(gè)市分為贛北（九江）、贛東北（上饒、景德鎮(zhèn)）、贛南（贛州）、贛中（吉安）、贛西北（宜春）贛東（撫州）7 個(gè)區(qū)域。江西屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，研究區(qū)土壤類型為紅壤，基本情況如表1 所示。

1.2 樣品采集

在樣地內(nèi)，首先調(diào)查優(yōu)勢(shì)喬木層樹種，再按五點(diǎn)取樣法取土，挖取1 m 深的垂直剖面，用直徑為2.5 cm 的環(huán)刀，分別取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～100 cm 土層的原狀土，每個(gè)土層分別重復(fù)取3份，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，挑去沙石和根系，并過0.149 mm 孔徑篩，用于土壤全C、N、P 的測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

土壤全 N 采用半微量凱氏消化法（KjeltecTM8400Analyzer Unit，F(xiàn)OSS，Hillerd，Denmark）測(cè)定，土壤全P 含量用HClO4-H2SO4消煮法測(cè)定，土壤全C 先用重鉻酸鉀-油浴測(cè)量有機(jī)質(zhì)含量，再換算成土壤全C，所有的測(cè)量方法都參考鮑士旦的《土壤農(nóng)化分析》[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel2010 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯編整理；SPSS 20.0做單因素方差分析及T 檢驗(yàn)（LSD,P＜0.01 或0.05），SigmaPlot12.0 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 各個(gè)研究區(qū)、土層間的C、N、P 含量

總體上，江西C、N、P 儲(chǔ)量低于全國平均水平[19.33、1.61、0.75（g·kg-1）（表2）][19]。從區(qū)域的角度上看，不同地區(qū)間的C、N、P 含量存在顯著差異（表2）。吉安C、N、P 含量39.86、7.97、1.34 （g·kg-1）均為最低，表明吉安相對(duì)于其他研究區(qū)森林土壤肥力低下。而景德鎮(zhèn)、上饒0 ～100 cm 的C 含量最為豐富144.93、132.05（g·kg-1），與吉安、贛州、撫州地區(qū)存在顯著差異（P＜0.01），吉安、贛州0～100 cm 土層N 含量最少且相同7.97（g·kg-1），與九江N 含量存在顯著差異（P＜0.01），其他各地區(qū)間N 含量無差異?？傮w上，在0～100 cm 土層土壤C、N、P 含量都隨土層加深呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。在不同土層間，N、C、P 含量也存在差異。如0～10 cm 土層，上饒P 含量最高0.58（g·kg-1），與其他地區(qū)P 含量存在極顯著差異（P＜0.01），且不同土層間P 含量不存在差異（除吉安）。0～10 cm 土層C、N含量與30～50 cm，50～100 cm 土層都存在極顯著差異（P＜0.01）。

表2 不同研究區(qū)土層間C、N、P 含量/g·kg-1Tab. 2 Distribution of C，N and P between soil layers in different study areas/ g·kg-1

2.2 不同地區(qū)C、N、P 化學(xué)計(jì)量比特征

表3 不同地區(qū)C、N、P 化學(xué)計(jì)量比Tab. 3 C, N and P chemical metering ratio in different regions

由表3 可知：各地區(qū)0～100 cm 土層C∶N 在8.44～18.07 之間，且隨土層加深而減小。景德鎮(zhèn)C∶N均值最大（18.07），高于全國平均水平（11.90）[6]，與九江、宜春、撫州存在極顯著差異（P＜0.01）。贛州與宜春N∶P 存在極顯著差異（P＜0.01），但其他地區(qū)間無顯著差異。除0～10 cm，吉安與其他地區(qū)10～20、20～30、30～50、50～100 cm 土層C∶P 存在極顯著差異（P＜0.01）?？傮w上，0～100 cm 土層C∶P、N∶P、C∶N 值都隨土層加深而減小。

2.3 不同贛分區(qū)C、N、P 分布特征

由圖1 可知，江西東北部C 含量最高（27.7 g·kg-1），最高N（1.74 g·kg-1）、P（0.45 g·kg-1）含量都分布在江西北部，但北部與東北部P 含量不存在差異，且北部P 含量與東北部、西北部也不存在差異（P＜0.05），因此，總體上江西北部森林土壤肥力較江西其他地區(qū)高。

圖1 6 個(gè)贛分區(qū)C、N、P 含量Fig. 1 C, N and P content in six regions of Jiangxi Province

3 討論

3.1 不同地區(qū)土層C、N、P 含量特征

土壤C、N 含量主要集中在土壤表層（表2），具有“表聚性”，0～20 cm 土層的C、N 含量分別占0～100 cm 土層的55.05%、50.35%，與王濤[1]等研究結(jié)果相似，這是由于森林產(chǎn)生大量的凋落物與土壤表層的微生物相互作用，為地表層補(bǔ)充豐富的C、N[17]；吉安C、N 含量最低，是由于江西油茶林多數(shù)生長在沙石地，土壤質(zhì)地差，地表植被覆蓋率低，對(duì)礦質(zhì)營養(yǎng)元素的固持性差，大量C、N 流失而導(dǎo)致的。0～10 cm 土層的P 含量在0.30～0.58 g·kg-1之間，顯著低于我國土壤0～10 cm 土層總P 含量0.78 g·kg-1[18]，也略低于李新星[19]研究的馬銜山混交林總P 含量0.58 g·kg-1，由于江西是紅壤區(qū)，P 淋失和沉淀導(dǎo)致土壤P 含量較低。但上饒P 含量0.52g·kg-1較其他地區(qū)都高，一方面是由于成土母質(zhì)的影響；另一方是因?yàn)檗r(nóng)林大量施用P肥導(dǎo)致土壤P 素增加，使上饒P 含量從1985年至2012年提高了0.39 個(gè)級(jí)別，整體達(dá)到中等P 水平[20]。

3.2 不同地區(qū)、土層C、N、P 化學(xué)計(jì)量比特征

土壤化學(xué)計(jì)量比是有機(jī)質(zhì)組成和養(yǎng)分有效性的重要指標(biāo)，可用于C、N、P 礦化、固持作用的表征[21]，在全球范圍內(nèi)，土壤C、N、P 的比例是相對(duì)穩(wěn)定的（60∶7∶1）[22-24]。本試驗(yàn)C∶N 為9.25～19.45（0～10 cm），略高于中國和世界土壤C∶N（11.90 和13.33）[6]，是由于森林地表凋落物在微生物及其他環(huán)境因子的作用下大量分解，釋放有機(jī)C 并礦化到土層表面，導(dǎo)致土壤表層的C 含量較高。但贛州N∶P 值異常，表現(xiàn)為先增加后減小最后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，是由于0～10 cm 的P素淋失和向下遷移，P 與10～20 cm 土層的Ca2+、Al3+，F(xiàn)e3+等離子結(jié)合[25-26]，沉積在10～20 cm 土層，再加上自然N 沉降導(dǎo)致土層中N 元素增加[27]，導(dǎo)致此層的N∶P 值較高。景德鎮(zhèn)0～10 cm 的C∶P（114.06）雖然顯著低于中國[16]平均C∶P（134），但極顯著高于研究區(qū)其他土層和地區(qū)的C∶P 值，這是由于土壤表層0～10 cm的P 隨雨水流失，地表枯枝落葉在微生物的作用下被分解，大量的C 釋放到土壤中，C 含量增加，導(dǎo)致C∶P 值極高。

3.3 江西不同分區(qū)C、N、P 含量差異分析

C、N、P 是土壤中重要的養(yǎng)分，也是植物生長所必需的營養(yǎng)元素，其養(yǎng)分含量及其計(jì)量比的變化和分布狀況綜合反映了土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的變異性[28]。江西整個(gè)區(qū)域的的C、N、P 含量均低于全國平均C、N、P含量[18][19.33、1.61、0.75（g·kg-1）]，可能由于研究區(qū)為常綠針葉林，養(yǎng)分回歸率低，從而釋放到土壤中的C、N 量較少，紅壤是江西省典型性土壤，偏酸性，保蓄性能差，高溫多雨加快了巖石的風(fēng)化速率和P 素的淋溶[30]，從而導(dǎo)致江西地區(qū)整體P 水平含量低。整體上，C、N、P 含量（0～100 cm）都符合贛北＞贛東＞贛南＞贛中，由于贛南地勢(shì)較高，贛北地勢(shì)低，坡度越大的區(qū)域水的排泄和地表徑流作用越強(qiáng)烈，土壤易被沖刷侵蝕，土壤C、N、P 容易隨水流失[31]，導(dǎo)致贛南C、N、P 含量低下；上饒地區(qū)為針闊混交林，森林演替穩(wěn)定，積累了大量凋落物，營養(yǎng)元素豐富[30]，導(dǎo)致贛東土壤C、N、P 相對(duì)富集，從而出現(xiàn)上述情況。

4 結(jié)論

通過研究江西7 個(gè)市土壤C、N、P 含量及其化學(xué)計(jì)量特征發(fā)現(xiàn)，江西省森林土壤C、N、P 平均含量分為16.89、1.45、0.36（g·kg-1），低于全國C、N、P 平均含量，表明江西森林土壤的肥力較差，限制了林木的生長發(fā)育，應(yīng)適當(dāng)添加C、N、P 肥以促進(jìn)林木的生長，特別是贛西南地區(qū)，應(yīng)加大施肥力度，提高土壤礦質(zhì)營養(yǎng)，以維持森林C、N、P 的收支平衡。此外，如果對(duì)森林土壤、林木C、N、P 含量等其他養(yǎng)分進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，將能為江西森林土壤提供更精準(zhǔn)的養(yǎng)分管理。