廣西不同林齡和區(qū)域馬尾松人工林的土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量特征*

劉 平，李 鵬，楊章旗**，顏培棟，唐生森，吳東山

(1.廣西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣西桂林 541006；2.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院， 廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西南寧 530002)

土壤養(yǎng)分對(duì)植物生長(zhǎng)有至關(guān)重要的作用，并直接影響植物群落的組成、結(jié)構(gòu)以及生產(chǎn)力水平[1]。土壤養(yǎng)分中碳(C)、氮(N)、磷(P)含量的變化可能改變生態(tài)系統(tǒng)中各組分C、N、P的化學(xué)計(jì)量特征，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[2]。土壤C、N、P的比值既能反映土壤肥力大小，又能體現(xiàn)植物營(yíng)養(yǎng)狀況[3]，是探索土壤C、N、P元素循環(huán)及平衡特征的重要指標(biāo)[4]。

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，林齡和區(qū)域均對(duì)土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量特征有顯著影響[5，6]。崔寧潔等[7]對(duì)不同林齡(5 a、14 a、39 a)馬尾松Pinusmassoniana人工林C、N、P分配格局及化學(xué)計(jì)量特征的研究表明，土壤C、N、P含量在成熟林中最高，隨林齡增加馬尾松對(duì)N、P的利用效率降低，土壤C/N與C/P均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。雷麗群等[8]對(duì)廣西不同林齡(6 a、16 a、23 a和35 a)馬尾松天然林進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，林齡的增加對(duì)土壤P含量影響不顯著，而對(duì)土壤C/N、N/P均有極顯著的影響。另外，Zhao等[9]發(fā)現(xiàn)土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比存在空間變異性，在陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳、氮、磷主要受區(qū)域氣候的影響。在較溫暖和濕潤(rùn)的條件下，C、N、P的輸入和輸出在生物化學(xué)過(guò)程中表現(xiàn)得更為活躍[10]?？梢?jiàn)，土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量特征受很多因素影響，且變化趨勢(shì)多樣[11]。因此，在不同區(qū)域和林齡條件下開(kāi)展土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量特征研究具有重要的意義。

馬尾松是我國(guó)南方主要用材樹(shù)種之一，具有速生、豐產(chǎn)、產(chǎn)脂量高等特點(diǎn)，已成為我國(guó)南方造林的先鋒樹(shù)種[12]。但是近年來(lái)，大面積的人工林都以純林進(jìn)行撫育管理，林分層次結(jié)構(gòu)單一，對(duì)土壤元素需求相對(duì)單一，導(dǎo)致地力衰退[13，14]。目前，國(guó)內(nèi)有很多學(xué)者對(duì)馬尾松人工林土壤進(jìn)行研究[15，16]，對(duì)人工林經(jīng)營(yíng)起到一定的指導(dǎo)作用。然而，這些研究多針對(duì)特定的林齡或者部分林齡，且采樣點(diǎn)地域尺度跨度小，區(qū)域相對(duì)單一，所得結(jié)論有一定的片面性[14]。基于此，本研究以廣西4個(gè)典型區(qū)域5 a、15 a、23 a、30 a、40 a和63 a生6種不同林齡的馬尾松人工林為研究對(duì)象，分析馬尾松人工林土壤C、N、P含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比在林齡和區(qū)域間的動(dòng)態(tài)變化特征，以期為馬尾松人工林土壤管理提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于廣西南部的寧明縣派陽(yáng)山林場(chǎng)、中部的橫州市鎮(zhèn)龍林場(chǎng)、東部的蒼梧縣天洪嶺林場(chǎng)和北部的環(huán)江縣華山林場(chǎng)(106°30′-111°16′E，21°15′-25°31′ N)，以派陽(yáng)山地區(qū)、鎮(zhèn)龍地區(qū)、天洪嶺地區(qū)、華山地區(qū)表示。試驗(yàn)區(qū)屬北熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候，陽(yáng)光充足，雨熱同期，年均降雨量1 465.45 mm，年均氣溫21.05℃，最低氣溫-1℃，最高氣溫40.5℃，以低山丘陵地貌為主。試驗(yàn)林土壤以紅壤、赤紅壤為主，海拔250-550 m，坡度在22°左右，坡向以陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡為主，林下灌木主要有越南懸鉤子Rubuscochinchinensis、山烏桕Sapiumdiscolor、酸藤子Embelialaeta、玉葉金花Mussaendapubescens、鯽魚(yú)膽Maesaperlarius等，草本主要有鐵芒萁Dicranopterislinearis、金毛狗Cibotiumbarometz、半邊旗Pterissemipinnata和五節(jié)芒Miscanthusfloridulus等。

1.2 方法

1.2.1 樣地設(shè)置

在每個(gè)區(qū)域，采用空間代替時(shí)間的方法選擇坡度、坡向、海拔、土壤和地形等立地因子相同或相似的6種林齡的馬尾松人工林，分別為5 a(幼齡林)、15 a(中齡林)、23 a(近熟林)、30 a(成熟林)、40 a(過(guò)熟林1)和63 a(過(guò)熟林2)人工林作為研究對(duì)象，每種林分在上、中、下坡位各設(shè)置1塊20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地(即3個(gè)重復(fù))，其中天洪嶺地區(qū)沒(méi)有合適的成熟林、華山地區(qū)沒(méi)有合適的近熟林和63 a的過(guò)熟林，因此共63塊樣地。對(duì)樣地內(nèi)的馬尾松進(jìn)行每木檢尺，并調(diào)查樣地的地形地貌、土壤類(lèi)型、群落結(jié)構(gòu)及林下植被。林分密度為樣地設(shè)置時(shí)保存的植株數(shù)量與單位面積之比；在林分調(diào)查時(shí)，機(jī)械設(shè)置100個(gè)樣點(diǎn)，在各樣點(diǎn)位置上采用抬頭垂直昂視的方法，判斷該樣點(diǎn)是否被樹(shù)冠覆蓋，統(tǒng)計(jì)被覆蓋的樣點(diǎn)數(shù)，計(jì)算出郁閉度；蓋度為植被地上部分垂直投影面積占地面面積的比例。造林時(shí)，試驗(yàn)林經(jīng)煉山整地后，均于次年3月定植，定植后前2 a每年進(jìn)行2次砍草撫育，其后均采用近自然經(jīng)營(yíng)措施。樣地基本概況見(jiàn)表1。

表1 不同區(qū)域及齡組馬尾松人工林樣地基本概況

1.2.2 樣品采集與測(cè)定

在每塊樣地內(nèi)按“S”型布設(shè)5個(gè)代表性樣點(diǎn)采集土壤樣品，用土鉆法采集0-20 cm的土壤樣品，并將土壤混合均勻，采用四分法將土壤分為4份，每份大約500 g。取其中1份，去除根和石子后自然風(fēng)干并過(guò)2 mm篩，用于化學(xué)性質(zhì)測(cè)定。土壤有機(jī)碳(SOC)采用KCr2O7+H2SO4高溫消煮法，使用分光光度計(jì)測(cè)定；全氮(TN)采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；全磷(TP)采用鉬銻鈧比色法測(cè)定[16，17]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Office Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，用SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，利用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)、單因素方差分析(One-way ANOVA)及最小顯著性差異法(LSD)，比較不同林齡、區(qū)域馬尾松人工林土壤C、N、P含量和化學(xué)計(jì)量比的差異。元素含量及化學(xué)計(jì)量比之間相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析，用Origin 2019作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤C、N、P含量

由表2可知，4個(gè)區(qū)域內(nèi)SOC含量為12.90-30.28 g/kg，TN含量為0.68-2.60 g/kg，TP含量為0.03-1.18 g/kg；4個(gè)區(qū)域馬尾松人工林SOC、TN和TP平均含量分別為(22.40±4.60) g/kg、(1.73±0.46) g/kg、(0.28±0.26) g/kg。SOC、TN和TP的變異系數(shù)分別為21%、27%和93%，表明SOC和TN變異屬于弱變異，TP變異屬于強(qiáng)變異，即4個(gè)區(qū)域的SOC和TN含量變化較小，相對(duì)較穩(wěn)定，而土壤TP含量差異大。

表2 廣西4個(gè)區(qū)域馬尾松人工林SOC、TN和TP的統(tǒng)計(jì)分析

2.2 不同林齡和區(qū)域馬尾松人工林土壤C、N、P含量變化

對(duì)不同林齡、區(qū)域的SOC、TN和TP含量及其化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行雙因素方差分析，結(jié)果顯示林齡、區(qū)域及其交互作用均對(duì)SOC、TN和TP含量及其變化有顯著影響(P<0.05，表3)。

表3 SOC、TN和TP含量及其化學(xué)計(jì)量比的雙因素方差分析

續(xù)表

如圖1所示，SOC、TN含量隨林齡增加呈波動(dòng)性變化：成熟林階段SOC、TN含量最低；SOC含量在幼齡林階段最高，TN含量在近熟林階段最高。土壤TP含量隨林齡增加表現(xiàn)為先減少后增加的趨勢(shì)，在中齡林階段最低。土壤TP含量平均值表現(xiàn)為鎮(zhèn)龍地區(qū)顯著高于其他地區(qū)(P<0.05)。

同一圖組不同大寫(xiě)字母表示該林齡階段元素含量及化學(xué)計(jì)量比在不同區(qū)域間差異顯著(P<0.05)，同一圖組不同小寫(xiě)字母表示該區(qū)域元素含量及化學(xué)計(jì)量比在不同林齡間差異顯著(P<0.05)

2.3 不同林齡和區(qū)域馬尾松人工林土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比

由表2可知，土壤C/N、C/P、N/P平均值分別為13.46±2.93，128.32±105.97，9.72±7.46，變異系數(shù)分別為22%、83%、77%，表明在4個(gè)區(qū)域中不同林齡馬尾松人工林土壤C/N相對(duì)較穩(wěn)定，土壤C/P、N/P差異較大。雙因素方差分析(表3)顯示，土壤C/N在不同區(qū)域和不同林齡的交互作用下有顯著性差異(P<0.05)，而在單一因素作用下均無(wú)顯著性差異(P>0.05)；不同林齡和區(qū)域及其交互作用均對(duì)土壤C/P、N/P有顯著性影響(P<0.05)。如圖1所示，成熟林土壤C/N、C/P、N/P平均值均最高，顯著高于近熟林和過(guò)熟林；土壤C/P、N/P平均值隨林齡增加呈先減少后增加再減少的趨勢(shì)。華山地區(qū)土壤C/N、C/P、N/P平均值均最高。天洪嶺地區(qū)土壤C/N平均值最低，鎮(zhèn)龍地區(qū)土壤C/P、N/P平均值最低。在幼齡林、中齡林、過(guò)熟林1階段，天洪嶺地區(qū)的土壤C/P平均值均為最高，且顯著高于派陽(yáng)山和鎮(zhèn)龍地區(qū)(P<0.05)。4個(gè)區(qū)域馬尾松人工林土壤C/N較C/P和N/P穩(wěn)定，反映出土壤 C/N較穩(wěn)定的特點(diǎn)。

2.4 不同林齡和區(qū)域馬尾松人工林土壤C、N、P與化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性

根據(jù)Pearson雙變量相關(guān)性分析(表4)，土壤C/N與SOC含量無(wú)顯著相關(guān)性，與TN含量顯著負(fù)相關(guān)；土壤C/P與TN、TP含量均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與SOC含量相關(guān)性不顯著。土壤N/P與SOC含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與TP含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與C/P顯著正相關(guān)，與TN含量、C/N相關(guān)性不顯著。

表4 不同林齡和區(qū)域馬尾松人工林土壤C、N、P與化學(xué)計(jì)量比的相關(guān)性

3 討論

3.1 不同林齡和區(qū)域馬尾松人工林土壤C、N、P含量變化

SOC、TN、TP是植物生長(zhǎng)必需的養(yǎng)分，而土壤C、N主要來(lái)源于枯落物的歸還，P來(lái)源于巖石風(fēng)化[15，18]，林齡和區(qū)域?qū)ν寥繡、N、P含量具有顯著影響[19]。本研究結(jié)果表明，4個(gè)區(qū)域SOC、TN含量平均值隨林齡增加呈波動(dòng)性變化，這與一些學(xué)者的研究結(jié)果不一致。向云西[20]對(duì)不同林齡馬尾松天然林的研究表明，隨林齡增加SOC、TN含量逐漸增加，而楊霞等[15]在研究油松人工林發(fā)現(xiàn)SOC、TN含量隨林齡增加呈先增加后減少的變化規(guī)律。出現(xiàn)本研究結(jié)果的原因可能是研究區(qū)內(nèi)原始積累的枯落物豐富、林分密度大、凈生產(chǎn)力較低，土壤養(yǎng)分高歸還、消耗少，以致于在幼齡林階段保持著比較高的土壤養(yǎng)分[21]。一般情況下，在馬尾松速生階段，林木生長(zhǎng)旺盛，生物量不斷積累，凈生產(chǎn)力增加，林地養(yǎng)分不斷消耗，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分逐漸降低。覃其云等[22]在研究廣西馬尾松人工林肥力質(zhì)量時(shí)也發(fā)現(xiàn)，馬尾松生長(zhǎng)量越高，其土壤肥力質(zhì)量越低。在過(guò)熟林階段，林分生長(zhǎng)變慢，林木對(duì)土壤養(yǎng)分吸收減少，枯落物增加，土壤養(yǎng)分回升。本研究中，派陽(yáng)山、鎮(zhèn)龍和天洪嶺地區(qū)SOC含量在中齡林至近熟林階段隨林齡增加呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，與上述研究結(jié)果一致。過(guò)熟林2階段SOC含量比過(guò)熟林1階段低的原因可能是研究區(qū)過(guò)熟林1階段的植物多樣性較豐富，而較好的植物多樣性能增加土壤有機(jī)碳的合成[23]。本研究中土壤TP含量在幼齡林至過(guò)熟林1階段變化不顯著，這與雷麗群等[8]研究結(jié)果一致，主要是由于P是一種沉積性礦物，不易遷移，不能夠及時(shí)在土壤中聚集。

不同區(qū)域SOC、TN、TP的變化不一致，可能是不同區(qū)域中的植被類(lèi)型、溫度、濕度等因素引起的。華山地區(qū)SOC、TN和TP含量平均值為4個(gè)區(qū)域中最低，究其原因可能是該區(qū)域位于喀斯特地貌區(qū)，水土流失較大，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的流失。本研究中，SOC平均含量為(22.40±4.60) g/kg，與全國(guó)馬尾松人工林0-20 cm土層SOC含量平均值22.0 g/kg基本一致[24]，TN平均含量(1.73±0.46) g/kg、TP平均含量(0.28±0.26) g/kg均與一些學(xué)者有關(guān)廣西馬尾松人工林土壤研究結(jié)果一致[22，25]?？傮w來(lái)看，廣西馬尾松人工林土壤處于低P狀態(tài)，植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中可能會(huì)受到P限制。

3.2 不同林齡和區(qū)域馬尾松人工林土壤C、N、P計(jì)量比變化

土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比是反映土壤有機(jī)質(zhì)含量和質(zhì)量的重要指標(biāo)，還能反映有機(jī)質(zhì)分解中養(yǎng)分礦化情況[26]。土壤C/N是衡量土壤中C、N營(yíng)養(yǎng)平衡情況的重要指標(biāo)，不僅可用來(lái)反映土壤有機(jī)質(zhì)的分解狀況，還可作為土壤氮礦化能力的標(biāo)志，較低的C/N表明土壤有機(jī)質(zhì)具有更快的礦化速率[27，28]。當(dāng)土壤C/N較低時(shí)，N超過(guò)微生物生長(zhǎng)所需的部分就會(huì)釋放到土壤中；C/N較高時(shí)，微生物需要一定的氮來(lái)維持自身的生長(zhǎng)[29，30]，會(huì)從土壤中吸收N，土壤中N含量減少。研究區(qū)C/N平均值為13.46±2.93，略高于全國(guó)平均水平11.9。這在一定程度上表明土壤中的有機(jī)質(zhì)難以轉(zhuǎn)化，土壤中N元素礦化能力較弱，土壤N元素不足[15]。本研究中土壤C/N隨著林齡增加變化不顯著，究其原因可能是SOC和TN含量隨林齡增加趨于動(dòng)態(tài)平衡。

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潛力的一個(gè)指標(biāo)[31]。C/P偏大，會(huì)抑制土壤有機(jī)物質(zhì)分解釋放P[15]。本研究區(qū)土壤C/P平均值為128.32±105.97，總體遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平61，說(shuō)明本研究4個(gè)區(qū)域土壤有機(jī)物質(zhì)釋放P的能力較弱，土壤P比較匱乏。

土壤N/P可用于診斷N養(yǎng)分是否被限制，能夠指示植物生長(zhǎng)過(guò)程中土壤養(yǎng)分供應(yīng)情況，較低的N/P一般反映植物受到N限制，較高的N/P反映植物受到P限制[32，33]。本研究馬尾松人工林土壤N/P平均值為9.72±7.46，高于全國(guó)土壤N/P平均值5.20，表明本研究區(qū)馬尾松處于P缺乏狀態(tài)。相關(guān)性分析表明，土壤N/P與TP呈顯著相關(guān)，且N/P與C/P變化趨勢(shì)一致。在本研究中，土壤C/P和N/P在林齡層面表現(xiàn)為成熟林階段為最高值，且顯著高于過(guò)熟林，表明馬尾松在成熟林階段需要大量的P來(lái)滿足自身生長(zhǎng)，這與Ma等[34]的研究結(jié)果一致。在過(guò)熟林階段，P含量升高，導(dǎo)致C/P、N/P降低。在地區(qū)層面，土壤C/P、N/P均表現(xiàn)為華山地區(qū)顯著高于派陽(yáng)山和鎮(zhèn)龍地區(qū)，表明華山地區(qū)的P較其他地區(qū)匱乏。

4 結(jié)論

本研究中，在林齡層面，SOC、TN含量均在成熟林階段最低，SOC含量在幼齡林階段最高，TN含量在近熟林階段最高。土壤TP含量在中齡林階段最低，隨林齡增加呈先減少后增加的趨勢(shì)。成熟林土壤C/N、C/P、N/P平均值均最高，顯著高于近熟林和過(guò)熟林。土壤C/P、N/P平均值隨林齡增加呈先減少后增加再減少的趨勢(shì)。在區(qū)域?qū)用妫A山地區(qū)SOC、TN和TP含量平均值為4個(gè)區(qū)域中最低，而土壤C/N、C/P、N/P平均值卻為最高值。天洪嶺地區(qū)土壤C/N平均值最低，鎮(zhèn)龍地區(qū)土壤C/P、N/P平均值最低。鎮(zhèn)龍地區(qū)土壤養(yǎng)分較其他地區(qū)豐富，華山地區(qū)則最匱乏。總體來(lái)說(shuō)，廣西地區(qū)馬尾松人工林土壤P含量偏低，在速生階段尤其明顯。為保證馬尾松人工林較好的生長(zhǎng)發(fā)育，可在速生階段施加適量P肥。本研究對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)其他結(jié)構(gòu)層次的C、N、P含量尚未涉足，今后應(yīng)該結(jié)合起來(lái)開(kāi)展相關(guān)研究。