3種人工林土壤碳、氮、磷生態(tài)化學計量及磷形態(tài)分布特征

陳明茹，黃應平，張久紅，李海瀟，劉平，袁喜

(1. 三峽大學生物與制藥學院，湖北宜昌 443002；2. 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心(三峽大學)，湖北宜昌 443002；3. 宜昌市森林資源監(jiān)測站，湖北宜昌 443000)

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、能量流動、信息交換的重要場所[1-2]，為林木的生長提供碳(C)、氮(N)、磷(P)等養(yǎng)分。土壤C、N、P生態(tài)化學計量特征與海拔、氣候、植被類型，以及土地利用與管理措施等密切相關(guān)，可直接影響土壤生態(tài)系統(tǒng)[3-7]。然而，不同區(qū)域、不同林型土壤C、N、P生態(tài)化學計量特征與土壤所處環(huán)境因素之間沒有特定的相關(guān)性。研究土壤C、N、P生態(tài)化學計量特征及其季節(jié)變化規(guī)律，對了解區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分供應平衡情況，揭示土壤養(yǎng)分有效性和限制性具有重要意義。

P是植物生長必不可少的元素，植物中大部分P來源于土壤。土壤磷素主要來源于成土礦物、土壤有機質(zhì)和施用的含磷肥料，土壤P含量受土壤類型、群落特征和氣候環(huán)境等多種因素影響，是制約人工林豐產(chǎn)、影響森林生態(tài)系統(tǒng)平衡和穩(wěn)定的一個重要因素[8-9]。土壤磷素對植物的有效性取決于它在土壤中的存在形態(tài)[10]，不同形態(tài)的磷在土壤中的分布及磷活化能力有差異，且不同形態(tài)磷之間轉(zhuǎn)換條件復雜[11]。探明森林土壤磷素的存在形態(tài)是分析磷在環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化和累積過程及其生物有效性的關(guān)鍵。

為研究人工林土壤C、N、P生態(tài)化學計量特征變化規(guī)律，揭示林分對土壤營養(yǎng)元素循環(huán)的影響，本文選擇林齡15 a的鵝掌楸(Liriodendronchinense)林、林齡15 a的杉木(Cunninghamialanceolata)林和林齡43 a的杉木林3種人工林，調(diào)查分析林地土壤C、N、P生態(tài)化學計量和磷形態(tài)分布特征，并探討他們的相關(guān)性，以期為人工林生態(tài)系統(tǒng)化學計量學研究提供數(shù)據(jù)支撐，為區(qū)域人工林經(jīng)營管理和可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)參考。

1 研究區(qū)與試驗方法

1.1 研究區(qū)概況

選取的人工林地位于湖北省宜昌市五峰土家族自治縣的國有北風埡林場(30°8′8″N，110°35′12″E)、國有壺瓶山林場(30°8′31″N，110°48′16″E)，以及遠安縣的任家崗林場(31°15′52″N，111°26′12″E)，優(yōu)勢林種分別為鵝掌楸(15 a)、杉木(15 a)和杉木(43 a)。3處人工林的地形、地貌、海拔、土壤類型、坡度等條件相近，土壤均為酸性，杉木林(43 a)土壤pH值較低，杉木林(15 a)土壤密度較大，鵝掌楸林土壤持水率較高，可達到92%。以相同林型的天然林場土壤作為本地值，3處人工林土壤總有機質(zhì)、全氮、全磷含量的本地值差異不顯著。林地的基本概況如表1所示。

表1 林地的基本概況

1.2 試驗方法

2019年8月完成土壤樣品采集與測定。每個林型設置3塊標準樣地，尺寸20 m×20 m；每塊標準樣地設置5個采樣點，采樣點之間間隔不小于1 m；每個采樣點周圍采集3個土壤樣品混合為1個土樣，采樣深度0～20 cm，土樣放入聚乙烯袋密封帶回實驗室。

采集的土樣平鋪成2～3 cm薄層，在室溫下自然風干、壓碎、翻動，去除碎石、沙礫、植物殘體。風干后在牛皮紙上鋪成薄層，采用四分法劃分成小方格，每個方格取一定量土樣研磨并過100目土壤篩，混勻后裝入自封袋備用。

采用酸度計測定土壤pH值，水土質(zhì)量比5∶1；采用總有機碳分析儀測定土壤總有機碳含量，記為c(TC)；采用凱氏定氮法測定土壤全氮含量，記為c(TN)；采用NaOH堿熔-鉬銻抗比色法測定土壤全磷含量，記為c(TP)。變異系數(shù)定義為標準差與平均值之比，三者的變異系數(shù)分別記為v(TC)、v(TN)、v(TP)。變異系數(shù)v≤0.2為弱變異性，0.2

C、N生態(tài)化學計量比記為n(C/N)；C、P生態(tài)化學計量比記為n(C/P)；N、P生態(tài)化學計量比記為n(N/P)。三者的變異系數(shù)分別記為v(C/N)、v(C/P)、v(N/P)。

采用標準測量測試(standard measurements and testing，SMT)方法[12]測定土壤全磷(TP)、有機磷(OP)、無機磷(IP)、鐵鋁結(jié)合態(tài)磷(Fe/Al-P)、鈣結(jié)合態(tài)磷(Ca-P)含量并進行磷形態(tài)分布特征分析。上述4種形態(tài)磷含量與全磷含量比分別記為r(OP)、r(IP)、r(Fe/Al-P)、r(Ca-P)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Origin軟件對數(shù)據(jù)進行整理，采用One-way ANOVA法進行方差分析，采用LSD法進行多重比較和顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤C、N、P含量及磷形態(tài)特征分析

由表2可知，3種林型土壤的C、N、P含量差異顯著：土壤c(TC)介于23.21～40.11 g/kg之間，3種林型c(TC)大小順序為鵝掌楸林(15 a)>杉木林(15 a)>杉木林(43 a)；土壤c(TN)介于0.78～3.94 g/kg之間，3種林型c(TN)大小順序為鵝掌楸林(15 a)>杉木林(43 a)>杉木林(15 a)；土壤c(TP)介于0.46～0.92 g/kg之間，3種林型c(TP)大小順序為鵝掌楸林(15 a)>杉木林(15 a)>杉木林(43 a)。鵝掌楸林(15 a)土壤c(TC)、c(TN)、c(TP)變異系數(shù)均小于0.2，為弱變異性；杉木林(15 a)土壤c(TP)的變異系數(shù)小于0.2，為弱變異性，土壤c(TC)、c(TN)則為中等變異性；杉木林(43 a)土壤c(TN)、c(TP)為弱變異性，c(TC)為中等變異性。

表2 3種林型土壤碳、氮、磷含量

3種林型土壤磷形態(tài)分布特征如圖1所示。由圖1可知，3種林型的土壤TP中均有r(IP)最小，僅為2.27%～4.30%，均有r(OP)和r(Fe/Al-P)最大，分別為44.79%～51.67%和27.27%～37.93%，r(Ca-P)為13.95%～16.76%。3種林型土壤不同形態(tài)磷含量占比大小順序均表現(xiàn)為r(OP)>r(Fe/Al-P)>r(Ca-P)>r(IP)。不同林型間土壤磷含量占比不同：土壤r(IP)大小順序為鵝掌楸林(15 a)>杉木林(43 a)>杉木林(15 a)；土壤r(OP)大小順序為鵝掌楸林(15 a)>杉木林(15 a)>杉木林(43 a)；土壤r(Fe/Al-P)大小順序為杉木林(15 a)>杉木林(43 a)>鵝掌楸林(15 a)；土壤r(Ca-P)大小順序為鵝掌楸林(15 a)>杉木林(15 a)>杉木林(43 a)。

圖1 3種林型土壤磷形態(tài)分布特征

2.2 土壤C、N、P生態(tài)化學計量特征分析

由表3可知，3種林型土壤n(C/N)、n(C/P)、n(N/P)分別位于16.64～41.68之間、61.83～79.35之間、1.25～5.37之間。3種林型土壤n(C/N)的大小順序為杉木林(15 a)>鵝掌楸林(15 a)>杉木林(43 a)，變異系數(shù)0.31～0.46，均為中等變異性；3種林型土壤n(C/P)的大小順序為鵝掌楸林(15 a)>杉木林(15 a)>杉木林(43 a)，其中杉木林(15 a)和杉木林(43 a)為中等變異性，鵝掌楸林(15 a)為弱變異性；3種林型土壤n(N/P)的大小順序為杉木林(43 a)>鵝掌楸林(15 a)>杉木林(15 a)，變異系數(shù)0.27～0.31，均為中等變異性。

表3 3種林型土壤生態(tài)化學計量特征

2.3 土壤生態(tài)化學計量、磷形態(tài)分布特征與理化性質(zhì)相關(guān)性分析

由表4可知，對于鵝掌楸林(15 a)：土壤r(OP)與土壤c(TP)呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，其他形態(tài)磷含量占比與土壤c(TP)無顯著相關(guān)性(p>0.05)；土壤r(IP)、r(Ca-P)均與土壤c(TC)呈顯著負相關(guān)(p<0.05)，均與土壤pH值呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；土壤r(Fe/Al-P)與土壤持水率呈顯著負相關(guān)(p<0.05)；土壤n(N/P)與土壤c(TN)呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；土壤n(C/N)與土壤c(TN)呈極顯著負相關(guān)(p<0.01)；土壤n(C/P)與土壤c(TC)呈顯著正相關(guān)(p<0.05)。

由表4可知，對于杉木林(15 a)：土壤r(IP)、r(Ca-P)均與土壤理化性質(zhì)各參數(shù)之間無顯著相關(guān)性(p>0.05)；土壤r(OP)與土壤c(TC)呈顯著正相關(guān)(p<0.05)；土壤r(Fe/Al-P)與土壤c(TP)、土壤pH值均呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，與土壤c(TC)呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與土壤c(TN)呈顯著負相關(guān)(p<0.05)；土壤n(N/P)與土壤c(TP)、土壤pH值均呈顯著負相關(guān)(p<0.05)，與土壤c(TN)呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；土壤n(C/P)與土壤c(TC)呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；土壤n(C/N)與土壤c(TC)、土壤pH值均呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，與土壤c(TN)呈顯著負相關(guān)(p<0.05)。

表4 3種林型土壤生態(tài)化學計量、磷形態(tài)特征與理化性質(zhì)相關(guān)性

由表4可知，對于杉木林(43 a)：土壤r(IP)與土壤理化性質(zhì)各參數(shù)之間均無顯著相關(guān)性(p>0.05)；土壤r(OP)與土壤c(TC)呈顯著正相關(guān)(p<0.05)；土壤r(Fe/Al-P)與土壤c(TP)呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，與土壤c(TN)呈顯著負相關(guān)(p<0.05)；土壤r(Ca-P)與土壤pH值呈顯著負相關(guān)(p<0.05)；土壤n(N/P)與土壤c(TN)呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；土壤n(C/P)與土壤c(TC)呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；土壤n(C/N)與土壤c(TN)呈顯著負相關(guān)(p<0.05)。

因此，鵝掌楸林土壤磷形態(tài)主要受土壤c(TP)、c(TC)、pH值和持水率影響，杉木林土壤磷形態(tài)主要受土壤c(TP)、c(TN)、c(TC)和pH值影響。鵝掌楸林和杉木林土壤n(C/N)、n(C/P)和n(N/P)主要受土壤c(TN)和c(TC)影響，與土壤c(TP)無關(guān)。杉木林(15 a)土壤n(C/N)和n(N/P)還受土壤pH值的影響。

3 結(jié)論與討論

人工干擾能夠通過控制樹種組成、調(diào)控林分密度等方法使土壤C、N、P養(yǎng)分循環(huán)發(fā)生變化，達到優(yōu)化林分空間結(jié)構(gòu)，提高生態(tài)系統(tǒng)功能的目的[13-14]。本研究3種人工林表層土壤(0～20 cm)c(TC)、c(TN)、c(TP)差異性較大。鵝掌楸林(15 a)土壤c(TC)為40.11 g/kg，顯著高于我國土壤c(TC)平均值(24.56 g/kg)[4]，杉木林土壤c(TC)分別為25.84 g/kg(15 a)和23.21 g/kg(43 a)，與我國土壤c(TC)平均值沒有顯著差異。杉木林(15 a)土壤c(TN)為0.78 g/kg，低于我國土壤c(TN)平均值(1.88 g/kg)[4]，而杉木林(43 a)和鵝掌楸林(15 a)土壤c(TN)分別為2.23 g/kg和3.94 g/kg，顯著高于我國土壤c(TN)平均值。杉木林土壤c(TP)分別為0.53 g/kg(15 a)和0.46 g/kg(43 a)，低于我國土壤c(TP)平均值(0.78 g/kg)[4]，而鵝掌楸林(15 a)土壤c(TP)(0.93 g/kg)高于我國土壤c(TP)平均值。本研究杉木林土壤c(TP)顯著高于亞熱帶區(qū)域一些杉木林土壤(0.33 g/kg)[15]；鵝掌楸林土壤c(TC)、c(TN)、c(TP)均顯著高于全國土壤平均值，說明鵝掌楸林土壤營養(yǎng)蓄積量豐富。林間豐富的凋落物能夠增加土壤磷素的輸入量，同時提升土壤碳含量，土壤碳增加能夠刺激并提高土壤微生物活性，對有機磷的礦化有促進作用[16]。鵝掌楸林豐富的有機物和較高的磷含量與其豐富凋落物有關(guān)。土壤磷遷移的可能性小，具有沉積性，研究區(qū)域土壤c(TP)變異系數(shù)小，空間分布差異較小；土壤C、N主要來源于凋落物分解對養(yǎng)分的釋放，雖受土壤母質(zhì)的影響，但更大程度上受限于植被類型、氣候條件等因素，存在較明顯的空間異質(zhì)性[17]，研究區(qū)域杉木林土壤c(TC)和c(TN)變異系數(shù)大，空間分布差異較大。

森林植被類型不同，則地表凋落物的含量、構(gòu)成、分解速率及林木根系的生長發(fā)育均不同，造成土壤養(yǎng)分含量的差異。一般從喬木、灌木、草地、農(nóng)田到荒地，土壤有機質(zhì)和全氮含量逐漸降低，主要是因為喬木覆蓋土地上植物殘體及枯枝落葉比較多，而且根系分泌物的分解作用能釋放養(yǎng)分到土壤中，使喬木土壤中有機質(zhì)和全氮含量升高[18]。本研究中，杉木林(15 a)土壤c(TC)、c(TP)均略高于杉木林(43 a)，與文獻報道相似：中齡林地土壤c(TC)、c(TP)含量高于成熟林地，且隨著林齡增加，土壤n(C/N)與n(C/P)下降[19]。林地土壤c(TN)與大氣干濕沉降、微生物固氮作用有關(guān)[20]。本研究中杉木林(15 a)土壤c(TN)低于杉木林(43 a)土壤，可能與山區(qū)氮沉降有關(guān)，這還需要進一步研究。鵝掌楸林土壤c(TC)、c(TN)、c(TP)均顯著高于杉木林(15 a)和杉木林(43 a)(p<0.05)，而且鵝掌楸林土壤C、N、P分布比杉木林土壤穩(wěn)定。與杉木相比，鵝掌楸生長快、樹冠面積大、落葉豐富，能為林地土壤提供更多的凋落物。凋落物數(shù)量的增加能有效提高土壤表層蓄水保水能力，改善土壤物理特性，加速養(yǎng)分循環(huán)，提高林地土壤肥力。鵝掌楸林土壤pH值、持水率比杉木林的高，土壤密度比較低，與鵝掌楸豐富的凋落物密切相關(guān)。隨著外源氮輸入量的增加，土壤pH值逐漸降低[21]，研究區(qū)域杉木林(43 a)和鵝掌楸林(15 a)土壤c(TN)較高，土壤偏酸性，可能與山區(qū)氮沉降有關(guān)。氮沉降可以引起土壤酸化，短期內(nèi)能促進植物生長[20]。然而土壤長期呈酸性容易導致土壤磷流失，r(IP)降低。土壤氮飽和及磷限制對林木生長的影響需要進行更多研究，為林地合理管理、均衡施肥，提高肥效和利用率，增加森林生產(chǎn)力提供科學的決策依據(jù)。

土壤C、N、P化學計量特征能反映土壤質(zhì)量及組分，分析土壤礦化作用[22]。土壤n(C/N)與C、N循環(huán)有關(guān)：n(C/N)較小時，土壤有機質(zhì)礦化速率較快，微生物將多余氮素釋放至土壤中[23]；n(C/N)較大時，微生物需要從外部吸收氮素來滿足自身的生長需求。本研究中，土壤n(C/N)(16.64～41.68)顯著高于全國土壤n(C/N)平均值(12.3)，表明所選林地有機質(zhì)分解速度較慢。土壤n(C/P)可以衡量土壤有機質(zhì)礦化釋放P或吸收固定P的潛力[24]。n(C/P)較小時，微生物在有機質(zhì)分解過程中養(yǎng)分釋放較好，可以增加土壤有效磷含量；n(C/P)較大時，微生物分解有機質(zhì)過程受到P含量限制[25]。本研究中，土壤n(C/P)(61.83～79.35)顯著高于全國土壤n(C/P)平均值(52.7)。該區(qū)域土壤c(TP)的含量影響了微生物對有機質(zhì)的分解過程。土壤n(N/P)是判斷土壤養(yǎng)分限制的重要指標[26]。本研究中，杉木林(43 a)土壤n(N/P)(5.37)高于全國土壤n(N/P)平均值(3.9)[27]，鵝掌楸林(15 a)和杉木林(15 a)土壤n(N/P)均顯著低于全國土壤n(N/P)平均值。杉木林(43 a)和鵝掌楸林(15 a)土壤c(TN)高于全國土壤c(TN)平均值，磷含量可能是限制林地養(yǎng)分利用的重要因素；杉木林(15 a)土壤c(TN)和c(TP)都較低，氮磷含量可能是限制林地養(yǎng)分利用的重要因素。3種林地土壤r(IP)都較小，進一步說明林地的發(fā)展一定程度上受到磷含量的制約。土壤n(C/N)、n(C/P)和n(N/P)主要受c(TC)、c(TN)共同影響，這與Tian等[4]的研究結(jié)果——土壤n(C/P)和n(N/P)主要由土壤磷含量決定——不一致，而與王維奇等[28]的研究結(jié)果一致，即土壤n(C/P)和n(N/P)主要受C、N含量影響。

磷形態(tài)分布特征可以評價土壤有效磷狀況。本研究所選林地土壤的r(IP)較小，說明土壤活性磷含量很少；土壤r(OP)和r(Fe/Al-P)分別為44.79%～51.67%和27.27%～37.93%，在土壤磷素中比例較大，說明土壤有機磷的礦化作用在維持該地區(qū)人工林的生長方面可能發(fā)揮著重要作用。另外，土壤持水率、c(TC)較大時，土壤表面對土壤磷素的吸附少[29]。因此，鵝掌楸林土壤r(IP)和r(OP)高于杉木林。根系分泌物和微生物活動也能提高土壤有機磷的含量[30-31]，鵝掌楸和杉木根部的微生物活動情況也需要進一步研究。c(TN)對鵝掌楸林土壤磷形態(tài)分布沒有顯著影響，可能與該區(qū)域豐富的氮含量有關(guān)。土壤C、N、P化學計量特征、磷形態(tài)分布及磷形態(tài)轉(zhuǎn)化是多種物理、生物和化學過程綜合作用的結(jié)果，受氣候、植被類型、土壤微生物、處理時間等因素影響，需要進行長期監(jiān)測和深入探討。

綜上所述，所選人工林的土壤有機碳、全氮、全磷蓄積量豐富。鵝掌楸林土壤c(TC)、c(TN)、c(TP)均顯著高于杉木林，與植被類型及凋落物數(shù)量密切相關(guān)，鵝掌楸的種植更有利于土壤養(yǎng)分物質(zhì)的積累。3種人工林土壤磷形態(tài)分布受土壤c(TC)、c(TN)、c(TP)、pH值影響。土壤n(N/P)均值高于全國土壤平均水平，土壤氮含量豐富，磷可能是限制林地養(yǎng)分利用的重要因素。土壤n(IP)較小，也說明該人工林的發(fā)展一定程度上受磷含量的制約。