東莞市國(guó)營(yíng)大嶺山林場(chǎng)典型桉樹過熟林土壤有機(jī)碳與養(yǎng)分特征*

沈德才 馮英杰 劉 婷 趙新宇龍鳳玲 劉效東

（1. 東莞市林業(yè)科學(xué)研究所/廣東珠江口城市群森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，廣東 東莞 523106；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642）

森林土壤是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是植被賴以生存和健康成長(zhǎng)的重要基礎(chǔ)，能適時(shí)供給并協(xié)調(diào)植物生長(zhǎng)所需的水分、養(yǎng)分、空氣、溫度、支撐條件和無(wú)毒害物質(zhì)的能力，其肥力特征直接影響著森林木材和林副產(chǎn)品的產(chǎn)量及生態(tài)功能的發(fā)揮[1-3]。森林土壤養(yǎng)分是表征土壤肥力的主要指標(biāo)[4]，由于土壤母質(zhì)、物種豐富度、林分特征、氣候因子等條件的不同而具高度的空間異質(zhì)性[5-6]。土壤各養(yǎng)分元素在各土壤層之間不斷循環(huán)，其儲(chǔ)量及其化學(xué)計(jì)量特征反映了林地供應(yīng)林木生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力。

生態(tài)化學(xué)計(jì)量是以生態(tài)系統(tǒng)中能量平衡、元素平衡與生態(tài)系統(tǒng)相互作用影響為研究核心的一種理論架構(gòu)，對(duì)于揭示生態(tài)系統(tǒng)過程影響因素及其作用機(jī)制具有重要意義[7]。土壤中的C、N、P、K 是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，是植物賴以生存和發(fā)展的必要條件[8]。土壤養(yǎng)分在遷移和轉(zhuǎn)化過程中往往伴隨耦合現(xiàn)象[9-10]。因此，研究土壤養(yǎng)分的化學(xué)計(jì)量特征，對(duì)于正確認(rèn)識(shí)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分平衡及其循環(huán)特征具有重要作用。

桉樹是世界三大速生樹種之一，具有種類多、生長(zhǎng)快、耐貧瘠、材質(zhì)優(yōu)以及用途廣等特點(diǎn)[11-12]，主要分布在我國(guó)廣東、廣西、江西、福建、海南、云南等地區(qū)，已成為我國(guó)南方速生豐產(chǎn)林的戰(zhàn)略性樹種[13]。目前，對(duì)于是否大力發(fā)展桉樹存在較多爭(zhēng)議[14-15]，主要矛盾點(diǎn)在于種植桉樹所帶來(lái)的諸如地力衰退、生產(chǎn)力下降、水土流失等生態(tài)環(huán)境問題[16]。且隨著林齡的增長(zhǎng)，人工林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、土壤理化性質(zhì)及環(huán)境特征發(fā)生較大改變，從而致使林分與土壤間的養(yǎng)分分配狀況發(fā)生變化[17]。朱育鋒等人[18]對(duì)廣西不同林齡桉樹人工林土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征研究發(fā)現(xiàn)，過熟林齡組土壤化學(xué)計(jì)量比顯著低于其他林齡組。因此，探討不同林齡桉樹林內(nèi)土壤養(yǎng)分狀況可為桉樹林的合理管理和經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)指導(dǎo)。

東莞市國(guó)營(yíng)大嶺山林場(chǎng)是珠三角洲地區(qū)亞熱帶生態(tài)系統(tǒng)較具代表性的植被區(qū)域之一，森林覆蓋率達(dá)80%，但是由于歷史的原因，其原有的植被遭受了不同程度的破壞。目前該林場(chǎng)多以經(jīng)營(yíng)人工林純林為主[19]。本文以廣東省東莞市國(guó)營(yíng)大嶺山林場(chǎng)內(nèi)23 年生桉樹人工林為研究對(duì)象，探討該過熟人工林土壤有機(jī)碳與養(yǎng)分含量、儲(chǔ)量及其化學(xué)計(jì)量特征，揭示該區(qū)域典型桉樹人工林土壤有機(jī)碳與養(yǎng)分的垂直分布格局，為該地區(qū)桉樹人工林的后期經(jīng)營(yíng)和管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究樣地概況

東莞市國(guó)營(yíng)大嶺山林場(chǎng)（113°42′22″～113°48′12″E，22°50′00″～2°53′32″N）位于廣東省東莞市南部，珠江口的東北部，正處于珠江三角洲開發(fā)區(qū)的中心地帶。北鄰厚街鎮(zhèn)與莞城街道相對(duì)，南接虎門鎮(zhèn)、長(zhǎng)安鎮(zhèn)與深圳市相望。地貌屬低山、丘陵、高丘地帶，最高海拔530 m，最低海拔30 m，土壤為赤紅壤，土層深厚，且較為肥沃[20]。氣候?qū)倌蟻啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫21.7 ℃，極端最高氣溫為37.9 ℃，極端最低氣溫為0.4 ℃；年平均降水量為1 790 mm，雨季多集中于4—9 月，其中4—6 月為前汛期，7—9 月為后汛期，臺(tái)風(fēng)降水活躍。樹木種類繁多，據(jù)初步調(diào)查，共有維管植物105 科247 屬346 種，天然林面積少，人工林面積多，占總面積約70%[21]，園內(nèi)主要以人工種植的桉樹林、馬尾松林、杉木林、荔枝林、相思林為主，還有次生林以及鄉(xiāng)土樹種等[22]。

東莞市國(guó)營(yíng)大嶺山林場(chǎng)森林面積為2 166.80 hm2，其中桉樹林面積為333.01 hm2（圖1），全部為過熟林，平均林齡約23 年，海拔約98 m，坡度較陡，位于山脊，為西北向。該小班每公頃株數(shù)約為1110 棵，樣地內(nèi)平均樹高和平均胸徑分別為15.2 m 和18.9 cm，其小班蓄積量為1 294 m3。東莞市從2000 年開始禁止商品林經(jīng)營(yíng)，禁止森林砍伐，于2010 年對(duì)該小班進(jìn)行了林相改造，對(duì)原有桉樹林進(jìn)行疏伐，保留郁閉度0.6；林下種植了大頭茶Polyspora axillaris、火力楠Michelia macclurei、樟樹Cinnamomum camphora、浙江潤(rùn)楠Machilus chekiangensis等苗木，并連續(xù)進(jìn)行了3 年撫育，現(xiàn)如今林分郁閉度達(dá)到0.9。

圖1 研究樣地概況Figure 1 Map of study site

1.2 樣品采集與指標(biāo)分析

2021 年9 月在東莞市國(guó)營(yíng)大嶺山林場(chǎng)桉樹林林內(nèi)進(jìn)行調(diào)查取樣。根據(jù)該林地的地形特征，在具有典型代表性地區(qū)建立面積約為50 m×50 m的固定樣地。在樣地內(nèi)的上坡、中坡和下坡分別設(shè)置3 個(gè)采樣點(diǎn)，除去表層枯落物后挖取土壤剖面進(jìn)行樣品采集，采集0～20、20～40、40～60、60～80 和80～100 cm 土層的環(huán)刀樣品和原狀土。用標(biāo)準(zhǔn)體積環(huán)刀（100 cm3）在每個(gè)樣點(diǎn)取樣，采集樣品時(shí)環(huán)刀口垂直向下；在靠近環(huán)刀土壤樣品采集處，取相應(yīng)土層的原狀土進(jìn)行混合（樣品重量約1 kg），以使原狀土的理化性質(zhì)更接近環(huán)刀土。采集的樣品用自封袋封裝帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干并研磨過篩，用于進(jìn)行土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。土壤容重和總孔隙度等土壤物理性狀指標(biāo)采用環(huán)刀法測(cè)定，pH 值采用電位法（土水比1:2.5）測(cè)定，土壤含水率采用烘干法，用H2SO4-K2Cr2O7法測(cè)定土壤有機(jī)碳含量，土壤全氮用半微量凱氏定氮法測(cè)定，土壤全磷選擇HCLO4-H2SO4消解后用鉬銻抗比色法測(cè)定，土壤全鉀用氫氧化鈉熔融-火焰光度計(jì)法，水解氮用堿解擴(kuò)散吸收法，有效磷鹽酸-氟化銨提取—鉬銻抗比色法，速效鉀使用乙酸銨提取—火焰原子吸收分光光度法。桉樹林內(nèi)不同土層土壤物理性質(zhì)如表1 所示。

表1 不同土層土壤物理性質(zhì)Table 1 Physical properties in different soil layers

1.3 土壤各養(yǎng)分儲(chǔ)量的計(jì)算

土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀儲(chǔ)量（t·hm-2）按照Guo 等人[23]提出的公式計(jì)算：

式中，SOCi是土壤第i層的有機(jī)碳含量（g·kg-1），TNi是土壤第i層的全氮含量（g·kg-1），TPi是土壤第i層的全磷含量（g·kg-1），TKi是土壤第i層的全鉀含量（g·kg-1），BDi是第i層的土壤容重（g·cm-3），Di是第i層的土壤深度（cm），S表示土壤0～100 cm 土層的碳氮磷鉀的儲(chǔ)量（t·hm-2），Ci表示第i層土壤碳氮磷鉀含量（g·kg-1）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文將所測(cè)的數(shù)據(jù)通過Excel 2016 和SPSS 24.0 軟件進(jìn)行處理，對(duì)所得指標(biāo)求取平均值、標(biāo)準(zhǔn)誤差、及變異系數(shù)。同時(shí)采用單因素方差分析方法比較不同土層的土壤化學(xué)性質(zhì)特征，當(dāng)F 值顯示方差分析結(jié)果顯著時(shí)，使用Duncan’s 檢驗(yàn)方法（P＜0.05）比較土壤變量均值之間的差異，同時(shí)采用相關(guān)性分析探究土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量的影響要素。本文數(shù)據(jù)結(jié)果作圖均采用Origin 2019 完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土層土壤有機(jī)碳及各養(yǎng)分特征

如圖2 所示，桉樹林內(nèi)不同土層土壤pH 值的變化范圍為4.07±0.03～4.18±0.04，表層土壤（0～20 cm）的pH 略低于其他土層，均為強(qiáng)酸性土壤。土壤有機(jī)碳的含量隨土層深度的增加逐漸下降，平均值為12.85±1.21 g·kg-1，變異系數(shù)為0.49。0～40 cm 土層的土壤有機(jī)碳含量顯著高于40～100 cm 土層（P＜0.05）。表層土壤有機(jī)碳含量最高，為21.34±1.99 g·kg-1。

圖2 不同土層土壤pH、有機(jī)碳養(yǎng)分含量Figure 2 Soil pH and carbon content in different soil layers

不同土層全氮含量與土壤有機(jī)碳呈現(xiàn)相同的變化，表層含量為1.55±0.30 g·kg-1，顯著高于深部土層（40～100 cm），垂直方向上的平均值為0.98±0.08 g·kg-1，變異系數(shù)為0.44。不同土層土壤總磷含量變化范圍為0.29±0.02～0.32±0.02 g·kg-1，平均值為0.31±0.01 g·kg-1，變異系數(shù)為0.04；40～60 cm 含量最低，80～100 cm 含量最高。土壤全鉀含量隨土層深度的增加而增加，但各土層之間均不顯著（P＞0.05），垂直方向上的平均值為7.50±0.27 g·kg-1，變異系數(shù)為0.09。土壤有機(jī)碳與各全量養(yǎng)分含量的變異程度為C＞N＞K＞P，其中土壤有機(jī)碳與全氮均為中等變異（圖3）。

圖3 不同土層土壤全量養(yǎng)分含量Figure 3 Contents of soil total nutrients in different soil layers

不同土層各速效養(yǎng)分含量均表現(xiàn)為隨土層深度的增加而逐漸下降（圖4）。垂直剖面上的土壤水解氮的平均值為99.86±7.85 mg·kg-1，0～40 cm 土層堿解氮的含量顯著高于深部土層（P＜0.05）。表層土壤（0～20 cm）有效磷的含量顯著高于其他土層（P＜0.05），含量為1.14±0.21 mg·kg-1。不同土層速效鉀含量的變化范圍為16.38±4.43～43.74±6.24 mg·kg-1， 表 層 土 壤（0～20 cm）速效鉀含量顯著高于40～100 cm 土層。

2.2 不同土層化學(xué)計(jì)量特征

不同土層化學(xué)計(jì)量特征如圖5 所示，垂直剖面上土壤的化學(xué)計(jì)量特征均表現(xiàn)為隨土層深度的增加逐漸減小。由圖4a 可知，0～100 cm 土層的C:N 的平均值為12.83±0.29，0～20 cm 土層C:N顯著高于80～100 cm（P＜0.05）。0～40 cm 土層的C:P 顯著高于40～100 cm 土層（P＜0.05），表層最高（67.42±7.09），底層為21.55±1.96（圖4b）。圖4c 表明，不同土層N:P 與C:P 的差異呈現(xiàn)相同的規(guī)律，垂直剖面上N:P 的平均值為3.20±0.27，其中0～40 cm 土層的N:P 顯著高于其他土層（P＜0.05）。

圖4 不同土層土壤速效養(yǎng)分含量Figure 4 Contents of soil available nutrients in different soil layers

圖5 不同土層化學(xué)計(jì)量特征Figure 5 Stoichiometry characteristics in different soil layers

2.3 不同土層養(yǎng)分有機(jī)碳及養(yǎng)分儲(chǔ)量特征

桉樹林內(nèi)不同土層養(yǎng)分儲(chǔ)量特征如表2 所示，0～100 cm 土壤各養(yǎng)分儲(chǔ)量大小表現(xiàn)為C＞K＞N＞P，其 值 分 別 為143.28 t·hm-2、85.81 t·hm-2、10.90 t·hm-2和3.54 t·hm-2。C 儲(chǔ) 量 和N 儲(chǔ) 量 均 表 現(xiàn)為隨土層深度增加逐漸減少的趨勢(shì)，且0～40 cm土層的C 儲(chǔ)量與N 儲(chǔ)量均顯著高于其他土層（P＜0.05）。不同土層P 儲(chǔ)量與K 儲(chǔ)量隨土層深度的增加略有上升，但各土層之間的差異不顯著（P＞0.05）。

表2 不同土層土壤有機(jī)碳及各養(yǎng)分儲(chǔ)量特征 t·hm-2 Table 2 Soil carbon storage and nutrient storage in different soil layers

2.4 不同土層土壤有機(jī)碳及其養(yǎng)分儲(chǔ)量與理化性質(zhì)的關(guān)系

桉樹林內(nèi)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系如表3 所示。由表可知，土壤C 儲(chǔ)量與土壤有機(jī)碳和土壤全氮含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.933 和0.901，與土壤含水率和毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與土壤全鉀呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與土壤pH 和非毛管孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。土壤N 儲(chǔ)量與土壤有機(jī)碳和土壤全氮含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.910 和0.916，與土壤含水率和毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與土壤pH、非毛管孔隙度和土壤全鉀呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。土壤P 儲(chǔ)量與土壤全磷含量和土壤容重均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與土壤總孔隙度和非毛管孔隙度呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與其他理化性質(zhì)的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。土壤K 儲(chǔ)量與土壤容重和土壤全鉀含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與土壤含水率、總孔隙度、土壤有機(jī)碳含量和土壤全氮含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與毛管孔隙度和非毛管孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。

表3 土壤有機(jī)碳及各養(yǎng)分儲(chǔ)量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient between soil organic carbon and nutrient storage and soil physico-chemical properties

3 結(jié)論與討論

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，森林土壤的酸化會(huì)不同程度地降低土壤養(yǎng)分的有效性，不利土壤的良性發(fā)育，從而造成森林植被的退化等[24]。本研究中，桉樹林內(nèi)不同森林土層土壤pH 值平均值為4.13±0.02，低于全省森林土壤的pH 值（4.72），屬于強(qiáng)酸性土壤[25]。這是由于廣東地區(qū)高溫多雨，淋溶作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致土壤堿金屬和堿土金屬元素強(qiáng)烈淋失, 出現(xiàn)富鋁化現(xiàn)象；此外，酸沉降也是造成土壤酸化的原因之一[26]。研究表明，土壤養(yǎng)分呈現(xiàn)明顯的表聚現(xiàn)象，且各養(yǎng)分濃度隨土層深度的增加而減少。而本研究中，除土壤有機(jī)碳和全氮含量隨土層深度增加而下降外，土壤全磷呈V 字型變化，土壤全鉀則隨土層深度的增加而增加，但各土層之間的差異并不顯著。一方面，由于土壤磷、鉀元素主要來(lái)自于土壤母質(zhì)的風(fēng)化、凋落物分解以及淋溶作用，相對(duì)穩(wěn)定的來(lái)源使得各土層之間的差異較小。另一方面，土壤中的鉀元素易溶于水，凋落物分解產(chǎn)生的養(yǎng)分會(huì)隨水分的下降從而匯集在深層土壤，故出現(xiàn)底層土壤鉀元素較為富集的現(xiàn)象。土壤中的速效養(yǎng)分是指可以被植物迅速直接利用，或經(jīng)過簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換而直接利用的元素，與土壤肥力具有更為直接的關(guān)系[27]。本研究中，各速效養(yǎng)分含量均有明顯的表聚現(xiàn)象，各速效養(yǎng)分與廣東省內(nèi)森林土壤的平均值相比，除堿解氮含量達(dá)到省內(nèi)平均值外（88.32 mg·kg-1），有效磷和速效鉀含量均遠(yuǎn)低于省內(nèi)平均值[28]。

土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量特征是表征土壤肥力和養(yǎng)分循環(huán)變化的有用指標(biāo)[29,30]。C:N 是評(píng)價(jià)土壤中有機(jī)碳和全氮循環(huán)重要指標(biāo)，當(dāng)C:N 較高時(shí)，土壤中的有機(jī)質(zhì)分解速率較低；當(dāng)C:N 較低時(shí)，土壤中微生物生長(zhǎng)所需外的N 素會(huì)釋放到土壤中，增加土壤中氮素含量[31]。本研究中，桉樹林內(nèi)的C:N 的平均值為12.83±0.29，高于全國(guó)的平均水平11.9[32]，不利于土壤氮素的增加。土壤C∶P 是衡量土壤微生物礦化有機(jī)物釋放磷元素潛力的指標(biāo)[33-34]。本研究中，C:P 的平均值為41.95±9.03，低于全國(guó)的平均水平61[32]，表明該地森林土壤微生物碳素會(huì)出現(xiàn)短暫增加和有機(jī)磷的凈礦化, 從而使土壤中磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于較高水平，不存在磷限制這一情況[35]。土壤中的N∶P 可用作N 飽和的診斷指標(biāo)[36]，并被用于確定養(yǎng)分限制的閾值。本研究中，土壤的N:P 的平均值為3.20±0.61，略低于全國(guó)平均水平5.2，也低于亞熱帶地區(qū)的平均水平6.4[32,37]，Bui 等人[38]指出，土壤中N:P ＜10 時(shí)，該地區(qū)土壤受氮限制，表明桉樹林內(nèi)土壤養(yǎng)分受氮素的限制，這可能是由于該林地為過熟林，其生長(zhǎng)緩慢、發(fā)育成熟所導(dǎo)致的[39]。

土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量可以評(píng)價(jià)土壤生產(chǎn)力的高低及質(zhì)量的好壞[40]。本研究中，土壤有機(jī)碳和各養(yǎng)分元素的儲(chǔ)量大小關(guān)系為C＞K＞N＞P，與余明等[41]人的研究結(jié)果一致。桉樹林內(nèi)土壤碳儲(chǔ)量的平均值為143.28 t·hm-2，與我國(guó)人工林土壤碳儲(chǔ)量相比，高于其平均值107.1 t·hm-2[42]。本研究桉樹林內(nèi)土壤氮儲(chǔ)量平均值為10.90 t·hm-2，接近于我國(guó)土壤平均氮儲(chǔ)量的平均值10.96 t·hm-2[43]。土壤碳氮儲(chǔ)量均隨土層深度增加而下降，與土壤有機(jī)碳和土壤全氮含量呈現(xiàn)相同的變化，主要原因是森林動(dòng)植物的殘?bào)w和森林枯枝落葉經(jīng)微生物分解轉(zhuǎn)化和化學(xué)淋溶，均出現(xiàn)富集在土壤表面的現(xiàn)象，同時(shí)土壤全氮含量受到土壤有機(jī)碳的顯著正向影響，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.910，因此，二者均表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。本研究林內(nèi)土壤磷儲(chǔ)量平均值為3.54 t·hm-2，低于全國(guó)土壤磷庫(kù)的平均值6.0 t·hm-2[44]，低于同一氣候區(qū)的火力楠林地土壤磷儲(chǔ)量[41]。但各土層之間磷儲(chǔ)量差異并不顯著，這主要是由于土壤磷主要來(lái)源于巖石的風(fēng)化，受土壤母質(zhì)的影響較大，導(dǎo)致其變異較低。桉樹林內(nèi)土壤層鉀儲(chǔ)量隨土層深度而增加，與王瑞章等[45]人的研究結(jié)果一致。

整體上，東莞市國(guó)營(yíng)大嶺山林場(chǎng)23 年生桉樹林內(nèi)土壤呈現(xiàn)為強(qiáng)酸性，土壤有機(jī)碳與全氮含量隨土層深度的增加而下降，呈明顯的表聚現(xiàn)象，而全磷及全鉀含量則相對(duì)偏低。速效養(yǎng)分堿解氮、有效磷和有效鉀含量均隨土層的增加而下降。除堿解氮外，其余養(yǎng)分均未達(dá)到省內(nèi)平均水平。該23 年生桉樹人工林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量含量最高，超過全國(guó)人工林土壤碳儲(chǔ)量的平均水平，其余養(yǎng)分除氮儲(chǔ)量接近我國(guó)土壤氮儲(chǔ)量的平均值外，均未達(dá)到全國(guó)土壤的平均水平。整體上，桉樹林內(nèi)0～40 cm 土層較好地扮演著碳庫(kù)與氮庫(kù)的角色，但土壤磷、鉀含量相對(duì)不高，建議后期經(jīng)營(yíng)管理中一方面注意過熟林地表層土壤養(yǎng)分的保護(hù)，另一方面可針對(duì)性的開展林分的綜合改造，以期進(jìn)一步提升桉樹人工林的生態(tài)與社會(huì)功能。