不同杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

張錢(qián)春，王晟強(qiáng)，黃永珍，姚賢宇，何欣欣，葉紹明

(廣西大學(xué) 林學(xué)院，南寧 530004)

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是將生態(tài)學(xué)和化學(xué)等基本原理結(jié)合在一起，從元素比率角度出發(fā)研究生態(tài)系統(tǒng)能量平衡以及多重化學(xué)元素平衡的學(xué)科[1-2]，主要強(qiáng)調(diào)碳(C)、氮(N)、磷(P) 3種主要組成元素之間的關(guān)系[1]。其中，碳是植物積累最主要的元素，氮和磷是植物生長(zhǎng)所需的大量元素，也是植物生長(zhǎng)的限制性養(yǎng)分[2]。研究土壤C、N、P的化學(xué)計(jì)量特征，對(duì)揭示土壤養(yǎng)分的限制情況以及C、N、P循環(huán)和平衡機(jī)制具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量特征的研究主要是比較不同緯度、海拔、坡度、土地利用方式間差異[3-5]，且多數(shù)研究集中在全土層面，尚未在土壤微域環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行深入分析。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其結(jié)構(gòu)特征能改變土壤水肥性質(zhì)和固碳過(guò)程，最終影響?zhàn)B分的動(dòng)態(tài)變化[6]。不同粒徑團(tuán)聚體具有不同維持和供應(yīng)土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分的能力[7-8]，進(jìn)一步研究土壤團(tuán)聚體C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征對(duì)提升土壤肥力和增加土壤碳儲(chǔ)量具有重要意義[9]。

杉木(Cunninghamialanceolata)是中國(guó)人工林種植的重要速生用材樹(shù)種，具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值高、生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高、材質(zhì)好等特點(diǎn)[10]，但是杉木純林多代連栽會(huì)導(dǎo)致土壤地力衰退、林分結(jié)構(gòu)單一，降低土壤肥力和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[11]。研究表明不同杉木林分類(lèi)型對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳以及氮磷養(yǎng)分變化存在不同程度的影響[9]，C、N、P及其比例特征在土壤團(tuán)聚體中的分布間接反映杉木生長(zhǎng)狀況，但關(guān)于杉木純林及其混交林土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究選取中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)試驗(yàn)中心杉木米老排(Mytilarialaosensis)混交林、杉木火力楠(Micheliamacclurei)混交林以及杉木純林為研究對(duì)象，開(kāi)展不同杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體C、N、P在土壤團(tuán)聚體間的協(xié)同趨勢(shì)及響應(yīng)特征，旨在揭示不同杉木林分類(lèi)型土壤質(zhì)量的演化機(jī)制，以期為杉木人工林土壤的綜合管理與可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于廣西壯族自治區(qū)憑祥市中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心大青山實(shí)驗(yàn)場(chǎng)(106°41′～106°59′E，21°57′～22°16′N(xiāo))，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為20.5～21.7 ℃，最高氣溫40.3 ℃，最低氣溫-1.3 ℃，每年10 ℃以上的積溫為6 000～7 600 ℃。典型的濕潤(rùn)半濕潤(rùn)氣候，光照充足、降水充沛，水熱資源豐富，全年日照時(shí)長(zhǎng)1 218～1 620 h，年平均降水量1 200～1 500 mm，地貌類(lèi)型為低山丘陵，土壤類(lèi)型為紅壤，成土母巖主要為砂巖、花崗巖和石灰?guī)r，研究區(qū)域森林植被主要包括杉木、火力楠、米老排、三椏苦(Evodialepta)和黃椿木姜子(Litseavariabilis)等。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

2019年6月，對(duì)中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)中心大青山實(shí)驗(yàn)場(chǎng)杉木林分進(jìn)行全面綜合考察，在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，選擇成土母質(zhì)相同、坡向坡度相似、海拔基本一致，具有代表性的杉木-米老排混交林(Ⅰ)、杉木-火力楠混交林(Ⅱ)及杉木純林(Ⅲ)土壤為采樣對(duì)象。3種林分類(lèi)型林齡均為27年，郁閉度0.85，坡度為27～32°。各林分均為1992年?duì)I造，種植株行距為2 m×3 m，杉木米老排混交林和杉木火力楠混交林比例均為3∶1。

在每個(gè)林地內(nèi)按隨機(jī)原則設(shè)置5個(gè)30 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)樣方，每個(gè)樣方按“S”形設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)。取樣時(shí)先鏟除土壤表層的枯枝落葉，從表層向下按照0～10 cm和10～20 cm土層采集原狀土樣，將采集的土壤分層混合一共10個(gè)土壤，3個(gè)林分共30個(gè)土樣(5個(gè)樣方×2個(gè)土層×3個(gè)林分)。將采集好的原狀土樣裝入塑料盒帶回風(fēng)干處理。將每個(gè)混合土樣沿其自然結(jié)理分開(kāi)，過(guò)5 mm篩除去小石塊和動(dòng)植物殘?bào)w等，置于室內(nèi)陰涼通風(fēng)處風(fēng)干。風(fēng)干后的土樣一部分用于測(cè)定全土基本理化性質(zhì)，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。一部分用沙維洛夫干篩法[12]分離出>2 mm、2～0.25mm和 <0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體。不同杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體組成見(jiàn)表2。

表1 不同林分類(lèi)型土壤化學(xué)特征

表2 不同杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體分布特征

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

容重、有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀-外加熱，全氮(TN)采用消煮法并使用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定，全磷(TP)含量采用高氯酸-硫酸酸溶-鉬銻抗比色法測(cè)定[13]。土壤C/N、C/P、N/P均為各元素的質(zhì)量比。各粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量=各粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量/土壤樣品總質(zhì)量×100%，變異系數(shù)=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素(one-way ANOVA)和Duncan法進(jìn)行方差分析和多重比較(α=0.05)，用Pearson法對(duì)不同林分和不同粒徑SOC、TN和TP含量的相關(guān)性分析。用SigmaPlot 12.5 和Excel 2010 制圖，圖中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團(tuán)聚體C、N、P含量變化特征

2.1.1 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳(SOC)含量分布由表3可知，土壤團(tuán)聚體SOC含量在0～10 cm和10～20 cm隨粒徑的減小而升高，平均范圍分別為8.20～17.59和7.64～14.15 g·kg-1，不同土層變異系數(shù)分別為21.37%和20.35%。不同林分類(lèi)型下，>2 mm和1～0.25 mm粒徑團(tuán)聚體SOC含量表現(xiàn)為林分Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ，在<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體表現(xiàn)為林分Ⅱ顯著高于林分Ⅰ和Ⅲ，而林分Ⅰ和Ⅲ無(wú)顯著差異。

表3 不同杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳(SOC)含量的分布

2.1.2 土壤團(tuán)聚體全氮(TN)含量分布由表4可知，土壤團(tuán)聚體TN含量在不同粒徑團(tuán)聚體和林分類(lèi)型中的變化與SOC含量變化相似，在不同粒徑團(tuán)聚體中，土壤團(tuán)聚體TN含量隨粒徑的減小而升高，<0.25 mm粒徑TN含量最高。在不同林分類(lèi)型中，TN含量在林分類(lèi)型Ⅱ最高，其次是林分類(lèi)型Ⅰ，林分類(lèi)型Ⅲ最低。其中在0～10和10～20 cm土層平均值變化范圍分別是0.77～1.31和0.67～1.14 g·kg-1，變異系數(shù)分別為21.00%和16.51%。

表4 不同杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體全氮(TN)含量的分布

2.1.3 土壤團(tuán)聚體全磷(TP)含量分布由表5可知，土壤團(tuán)聚體TP含量在0～10和10～20 cm土層平均值變化范圍分別是0.43～0.64和0.33～0.54 g·kg-1，變異系數(shù)分別為21.46%和17.82%。不同粒徑團(tuán)聚體中，在0～10 cm土層，各粒徑之間無(wú)顯著差異，而在10～20 cm土層，林分類(lèi)型Ⅲ中，1～0.25 mm和<0.25 mm粒徑與>2 mm粒徑團(tuán)聚體具有顯著差異。在不同林分類(lèi)型下，土壤團(tuán)聚體TP含量林分類(lèi)型Ⅱ最高，其次是林分類(lèi)型Ⅰ，林分類(lèi)型Ⅲ最小，其中，在0～10 cm土層，>2 mm和<0.25 mm粒徑中，林分類(lèi)型Ⅱ顯著高于林分類(lèi)型Ⅲ；在10～20 cm土層，>2 mm粒徑中，林分類(lèi)型Ⅱ顯著高于林分類(lèi)型Ⅲ。

表5 不同杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體全磷(TP)含量的分布

2.1.4 土壤團(tuán)聚體C、N、P的相關(guān)性由圖1可知，不同杉木林分各粒徑團(tuán)聚體C、N、P存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，其中C和N之間呈線性相關(guān)，變化規(guī)律相似。C和P及N和P之間的線性擬合程度較低。P含量的變化滯后于C和N。由表6可知不同團(tuán)聚體粒徑中C和N存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；P與C在>2 mm和<0.25 mm粒徑的相關(guān)性極顯著；P與N在<0.25 mm粒徑的相關(guān)性極顯著。

圖1 不同杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體C、N、P的相關(guān)性(n=90)Fig.1 The correlations between C，N, P and each stand types (n=90)

表6 不同粒徑土壤團(tuán)聚體C、N、P相關(guān)性分析

2.2 土壤團(tuán)聚體C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

2.2.1 C/N由圖2所示，土壤團(tuán)聚體C/N在0～10和10～20 cm土層平均值變化范圍分別是10.61～14.36和10.59～14.50，變異系數(shù)分別為9.32%和12.85%。不同林分類(lèi)型在0～10 cm土層中C/N比值為林分類(lèi)型Ⅱ最高，其次是林分類(lèi)型Ⅰ，林分類(lèi)型Ⅲ最小，且林分類(lèi)型Ⅱ與Ⅲ差異顯著(P<0.05)。同時(shí)，10～20 cm土層C/N比值變化規(guī)律與0～10 cm相似。

圖2 不同杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體中C/N的分布Fig.2 Distribution of C/N ratios in different stand types

2.2.2 C/P由圖3所示，土壤團(tuán)聚體C/P在0～10和10～20 cm土層平均值變化范圍分別是20.04～28.73和18.22～26.53，變異系數(shù)分別為19.75%和21.28%。土壤C/P在不同粒徑之間無(wú)顯著差異(P>0.05)，在不同林分類(lèi)型中，C/P為林分類(lèi)型Ⅱ最高，其次是林分類(lèi)型Ⅰ，林分類(lèi)型Ⅲ最小，各林分之間無(wú)顯著差異。

圖3 不同杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體中C/P的分布Fig.3 Distribution of C/P ratios in different stand types

2.2.3 N/P由圖4所示，土壤團(tuán)聚體N/P在0～10和10～20 cm土層平均值變化范圍分別是1.55～2.16和1.73～2.35，變異系數(shù)分別為22.24%和24.49%。0～10 cm土層，N/P在林分間和粒徑間均無(wú)顯著差異(P>0.05)。10～20 cm土層，在不同林分類(lèi)型下，N/P表現(xiàn)為林分類(lèi)型Ⅱ最高，其次是林分類(lèi)型Ⅰ，林分類(lèi)型Ⅲ最小。其中，<0.25 mm粒徑中，林分類(lèi)型Ⅱ顯著高于林分類(lèi)型Ⅲ，而各粒徑團(tuán)聚體間差異不顯著(P>0.05)。

圖4 不同杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體中N/P的分布Fig.4 Distribution of N/P ratios in different stand types

3 討 論

3.1 土壤團(tuán)聚體C、N、P含量變化特征

不同林分因樹(shù)種組成不同，凋落物數(shù)量、質(zhì)量及其分解速率不同，導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)元素向土壤分解的養(yǎng)分含量不同，對(duì)土壤碳庫(kù)的影響也不同[2]。研究表明針闊混交凋落物歸還量顯著高于針葉純林，且不同樹(shù)種凋落物分解速率存在明顯差異，凋落物高歸還量的針闊混交林土壤C和N含量高于針葉純林[2, 14-15]，本試驗(yàn)研究結(jié)果與其高度一致，即杉木與火力楠混交土壤碳氮含量高于杉木純林。同時(shí)，團(tuán)聚體C、N受土壤層次的影響，土壤表層凋落物產(chǎn)量大通常集中在土壤表層，有利于土壤C、N的積累和轉(zhuǎn)移，其含量均表現(xiàn)出土壤上層(0～10 cm)高于下層(10～20 cm)，這與前人研究結(jié)果[14,16]一致。此外，值得注意的是，在不同杉木林分類(lèi)型中，土壤團(tuán)聚體C、N含量均隨著粒徑的減小呈遞增趨勢(shì)變化，其中有機(jī)碳和全氮的含量在< 0.25 mm粒徑團(tuán)聚體中顯著高于> 0.25 mm粒徑團(tuán)聚體，這是因?yàn)橥寥缊F(tuán)聚體對(duì)養(yǎng)分的吸附能力與團(tuán)聚體中含量呈正比。同時(shí)，黏粒礦物多包含于小粒徑團(tuán)聚體中，促使土壤養(yǎng)分被這些黏粒礦物吸附，從而向小粒徑團(tuán)聚體積累[17]。磷分布較為均一，這可能是由于土壤磷的來(lái)源相對(duì)較為固定，因?yàn)榱缀渴芰窒轮脖?、土壤形成、耕作和施肥管理等影響[18]，且亞熱帶地區(qū)呈現(xiàn)普遍缺磷現(xiàn)象，易與土壤中鐵鋁結(jié)合而不被植物利用，通常在同一區(qū)域磷含量基本一致[19]。因此，本研究中不同杉木林分類(lèi)型和不同粒徑團(tuán)聚體中土壤磷素分布較為均一。然而，由于磷是細(xì)粒土壤有機(jī)質(zhì)形成的重要因素，后期仍需進(jìn)一步研究磷在土壤中的動(dòng)態(tài)機(jī)制[20]。

本研究中，土壤C、N之間存在顯著耦合關(guān)系，土壤TN的分布情況與有機(jī)碳具有一致性，且兩者相關(guān)性達(dá)極顯著水平(P<0.01)，這是由于土壤TN主要來(lái)源于植物殘?bào)w分解與合成所形成的有機(jī)質(zhì)。< 0.25 mm粒徑團(tuán)聚體TN含量較高，這不僅受到土壤SOC含量的影響，也與小粒徑團(tuán)聚體對(duì)NH4+的吸附能力較強(qiáng)有關(guān)[21]。而不同林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體TP的變異性小于SOC和TN，主要由于土壤磷素是一種沉積性礦物，在土壤中的遷移率很低，但其與有機(jī)碳和全氮含量依然存在極顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

3.2 土壤團(tuán)聚體C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

土壤C/N、C/P和N/P是有機(jī)質(zhì)或其他成分中C、N、P總質(zhì)量的比值，是土壤有機(jī)質(zhì)組成和質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，直接反映土壤養(yǎng)分的限制情況以及土壤內(nèi)部碳氮磷循環(huán)特征[22]。土壤C/N常被用來(lái)衡量有機(jī)質(zhì)的分解速率以及土壤氮素的礦化能力[23]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，3種杉木人工林土壤C/N的平均值分別為杉木火力楠混交林>杉木米老排混交林>杉木純林，均高于中國(guó)C/N的平均值(10.1～12.1)[22]，這可能是因?yàn)榈蚵湮镔|(zhì)量不同，致使分解速率產(chǎn)生差異。以往的研究發(fā)現(xiàn)，凋落物分解速率與凋落物初始營(yíng)養(yǎng)元素N、P含量呈正相關(guān)[24]。本研究區(qū)域中，杉木-火力楠N、P相對(duì)含量最高，可能是火力楠凋落物分解速率更快。

土壤C/P和N/P的空間變異性較C/N大，這主要是由于C、P與N、P的空間分布不盡一致，這與王維奇等[25]的研究結(jié)果相似。杉木混交林土壤各粒徑團(tuán)聚體中C/P和N/P均高于杉木純林，原因在于營(yíng)造混交林使土壤以及各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳和氮素含量均有不同程度的升高，同時(shí)磷的來(lái)源相對(duì)固定，從而混交林的C/P和N/P相對(duì)較高。此外，植被類(lèi)型和微生物對(duì)N、P元素的同化吸收利用具有不穩(wěn)定性[26]，因而可增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體C/P和N/P的變異程度。

土壤中的N、P是植物生長(zhǎng)所必需的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素和生態(tài)系統(tǒng)中最常見(jiàn)的限制性元素[27]，土壤N/P可以作為養(yǎng)分限制類(lèi)型的有效預(yù)測(cè)指標(biāo)[28]。從各粒徑團(tuán)聚體上看，0～10 cm和10～20 cm土層不同杉木林分類(lèi)型中土壤N/P總體在>0.25 mm粒徑團(tuán)聚體中較大，表明大團(tuán)聚體中限制類(lèi)型以P為主；從不同杉木林分類(lèi)型看，0～10 cm和10～20 cm土層各粒徑土壤N/P在杉木火力楠混交林中最大，表明磷的限制性最大。此外，土壤C、N、P元素的輸入量和需求量之間的平衡及其有效性決定了生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳固定效率[22, 27]。因此，本研究結(jié)合前期在該區(qū)計(jì)算的碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)[9]，將其與土壤C/N、C/P和N/P進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，土壤C/N、C/P和N/P對(duì)土壤碳儲(chǔ)量具有良好的指示作用，這與前人研究結(jié)果一致[23]。因此在該研究區(qū)也可用C/N、C/P和N/P間接表征杉木人工林土壤固碳效應(yīng)。結(jié)果表明，不同林分類(lèi)型土壤的C/N、C/P和N/P均低于全球平均值14.5%、21.7%和14.6%[29-30]，這表明亞熱帶的土壤環(huán)境可能受到N、P的限制和C的積累率低[31]

4 結(jié) 論

本研究發(fā)現(xiàn)，杉木與火力楠和米老排混交后，土壤團(tuán)聚體中SOC和TN含量顯著增加，促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的恢復(fù)和團(tuán)聚體的形成，提高了團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。不同杉木林分類(lèi)型土壤<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量高于>0.25 mm粒徑，< 0.25 mm粒徑團(tuán)聚體SOC和TN含量最高，不同杉木林分類(lèi)型SOC、TN和TP含量均為0～10 cm土層高于10～20 cm土層；SOC和TN主要分布于< 0.25 mm粒徑團(tuán)聚體中，土壤TP含量在各粒徑團(tuán)聚體中分布較為均勻，其中SOC和TN含量為杉木-火力楠>杉木-米老排>杉木純林。說(shuō)明選擇火力楠與杉木混交有利于土壤SOC、TN、TP的積累，但不同粒徑團(tuán)聚體對(duì)C、N、P的保持能力存在差異。此外，不同杉木林分類(lèi)型土壤各粒徑團(tuán)聚體SOC、TN、TP含量間呈極顯著相關(guān)。0～10 cm和10～20 cm土層C/N在各粒徑團(tuán)聚體中的變化相對(duì)較小，C/P和N/P的變異性則相對(duì)較大。土壤C/P和N/P均在大粒徑中較高，且杉木火力楠混交林值最大，建議在杉木火力楠混交林中配施磷肥，避免土壤持續(xù)利用受到磷的限制。