不同坡位輕木人工林土壤養(yǎng)分含量及其化學(xué)計(jì)量特征

關(guān)鍵詞：坡位；輕木；生長；土壤養(yǎng)分：化學(xué)計(jì)量比

土壤養(yǎng)分含量是地球化學(xué)循環(huán)、森林群落的結(jié)構(gòu)和功能、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生產(chǎn)力的重要組分，也是評估土壤養(yǎng)分儲存的重要指標(biāo)，是關(guān)聯(lián)植物和土壤的重要因子。土壤養(yǎng)分不僅影響植物體內(nèi)有機(jī)物的重要組成，還能調(diào)節(jié)植物體的生命活動，是森林植被生長發(fā)育的必要物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量高低可以調(diào)控碳（C）和養(yǎng)分在土壤一植物一大氣連續(xù)體之間的循環(huán)，對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能有重要影響。在目前的造林過程中，地表和地下生態(tài)系統(tǒng)同時(shí)發(fā)生變化，導(dǎo)致土壤條件改變。植物固定大氣中的C和氮（N），并通過凋落物和根系分泌物將其輸入土壤子系統(tǒng)。相反，植物生長不可避免地受到有機(jī)基質(zhì)轉(zhuǎn)化和礦物元素釋放的影響，并受到土壤中各類礦物養(yǎng)分短缺的限制，這進(jìn)一步影響植物群落的演替。因此，了解土壤養(yǎng)分的動態(tài)變化及其相關(guān)的生態(tài)過程對人類預(yù)測植被恢復(fù)狀態(tài)和土壤條件至關(guān)重要。C是構(gòu)成植物體干物質(zhì)的主要元素，N、磷（P）是植物生長所必需的營養(yǎng)元素，它們的含量變化對調(diào)控植物生長起關(guān)鍵作用。同時(shí)，土壤N、P元素限制植物的生長發(fā)育，提高二者的吸收和利用效率是植物適應(yīng)不同土壤狀況的重要養(yǎng)分調(diào)控機(jī)制。C：N：P化學(xué)計(jì)量法反映土壤中3種元素之間的關(guān)系，已被廣泛用于監(jiān)測土壤礦物元素的動態(tài)變化。土壤C/N、C/P和N/P值可以作為造林期間土壤養(yǎng)分狀況和元素平衡狀況的綜合評價(jià)指標(biāo)。Ren等通過檢查土壤中C：N：P化學(xué)計(jì)量和微生物生物量的變化，揭示造林過程中C、N和P的不平衡性增加導(dǎo)致P限制。因此，在造林過程中更好地了解C：N：P化學(xué)計(jì)量特征對于評估土壤養(yǎng)分狀況和人工林的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

眾所周知，土壤微生物N、P含量與土壤理化性質(zhì)高度相關(guān)，也參與有機(jī)物質(zhì)的代謝，從而影響土壤養(yǎng)分的積累、礦化和有效性。植樹造林有可能改變地下微生物群落，進(jìn)而改變土壤的理化性質(zhì)。已有研究表明，土壤微生物可以調(diào)整其元素利用效率，以適應(yīng)不同的資源成分，進(jìn)而引起不同生境中的土壤養(yǎng)分含量發(fā)生變化。而林下養(yǎng)分含量的變化大多是因?yàn)榈蚵湮锖透姆纸猓约巴寥阑衔锏暮铣?，?dǎo)致土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量發(fā)生變化。不同的立地條件直接影響光照、溫度、水分及土壤質(zhì)地等因子，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分和微生物的差異。此外，人工林生長發(fā)育狀況對土壤養(yǎng)分含量也有直接的作用，即植物的郁閉度影響土壤溫度和落葉養(yǎng)分回歸。劉鑫等研究表明坡位對小葉楊（Populus SLmo-nii）和沙柳（Salix psammophila）人工林的生長均有顯著影響；王子婷等研究指出，坡位是影響半干旱黃土區(qū)檸條（Caragana korshinskii）人工林生長的主導(dǎo)環(huán)境因子之一，下坡位檸條生長狀況略好于中上坡位。且闊葉樹人工林與針葉造林樹種相比，對立地生境的要求更為敏感。輕木（Ochroma pyramidale）又稱巴沙木，是木棉科常綠闊葉喬木，原產(chǎn)于南美洲的赤道熱帶地區(qū)，原產(chǎn)地氣候炎熱，年平均溫度22～27℃，最冷月平均氣溫在20℃以上。輕木作為航天、航空、航海和一些高級場所的必備材料，其應(yīng)用前景將越來越廣闊，目前在云南省西雙版納有大規(guī)模種植的輕木人工林。然而目前關(guān)于輕木的研究較少，從輕木人工林生長與土壤養(yǎng)分含量及其化學(xué)計(jì)量特征角度來看，其相關(guān)關(guān)系尚不清晰。為此，本研究通過野外調(diào)查采樣與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，以2年生輕木人工林為研究對象，比較上坡位和下坡位不同土層的土壤養(yǎng)分含量和化學(xué)計(jì)量及輕木生長情況，以期為不同立地條件下輕木人工林的生產(chǎn)提供理論參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省西雙版納勐醒農(nóng)場輕木人工林場（101°10'～101°30' E，21°54'～21°55' N），海拔約550m。該地屬于西南熱帶季風(fēng)氣候，年降水量1520mm。干、濕季分明，且降水主要集中在5-10月，占全年降水量的85%，年平均氣溫21.9℃，1月份均溫最低，為16.6℃，6月份均溫最高，為25.5℃。土壤類型為紅壤。

1.2樣地設(shè)置與樣品采集

實(shí)驗(yàn)林場中所選研究對象為2年生輕木，株距3m，行距5m。2022年8月，林分下坡位和上坡位分別隨機(jī)選取坡向一致（東西坡向）、坡度相近（20°～30°）、人為干擾較小、具有代表性的3塊30mx30m標(biāo)準(zhǔn)地共計(jì)6塊，樣地內(nèi)進(jìn)行每木檢尺，記錄喬木層所有林木的樹高（H）和胸徑（DHB）。每塊樣地隨機(jī)選擇3棵標(biāo)準(zhǔn)木，并按標(biāo)準(zhǔn)木對角線挖3個(gè)20cmx30cmx60cm土壤剖面，采用環(huán)刀法，采集0～20、20～40cm和40～60cm土層土樣，根據(jù)輕木根系生長特性，并參考竹萬寬等的方法取樣。用環(huán)刀取土，去除雜物和植物根系，同層土壤混勻、裝袋、標(biāo)記、密封后置于含冰袋的保溫箱中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行養(yǎng)分含量測定。

1.3測定項(xiàng)目及方法

將土壤樣品一部分風(fēng)干、研磨、過2mm篩，用于測定土壤有機(jī)質(zhì)（SOC）、全氮（TN）和全磷（TP）含量；另一部分置于4℃冰箱中冷藏保存，用于測定土壤堿解氮（AN）、有效磷（AP）含量。土壤SOC采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化一容量法測定．TN采用凱氏定氮法測定，TP采用氫氧化鈉熔融、鉬銻抗比色法測定；AN采用三氯甲烷熏蒸一蒸餾一鹽酸（HCl）滴定法測定，AP采用三氯甲烷熏蒸-TP法測定。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel 2016整理數(shù)據(jù)：用SPSS26.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（One -wayANOVA）及獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析差異顯著性，采用GraphPad 8.0繪圖。

2結(jié)果與分析

2.1不同坡位對輕木生長的影響

如圖1所示，不同坡位對輕木樹高和胸徑存在顯著影響，下坡位樹高和胸徑顯著高于上坡位，分別增加23.39%（Plt;0.01）和49.43%（Plt;0.001）。

2.2不同坡位SOC、TN、TP和AN、AP含量特征

由圖2可以看出，0～20cm土層土壤SOC、TN、TP和AN含量坡位間無顯著差異；AP含量表現(xiàn)為下坡位gt;上坡位（Plt;0.05）。20～40cm土層土壤SOC、TN和TP含量坡位間無顯著差異，AN和AP含量均表現(xiàn)為下坡位gt;上坡位（Plt;0.05）。40～60cm土層土壤SOC、TN、TP和AN含量坡位間無顯著差異，AP含量表現(xiàn)為下坡位gt;上坡位（Plt;0.05）。在上坡位和下坡位中，土壤SOC、TN、AN和AP含量隨土層加深總體呈降低趨勢，且40～60cm土層均顯著低于其他土層：土壤上坡位TP含量隨土層加深無顯著變化，下坡位隨土層加深而降低，其中40～60cm顯著低于0～20cm土層。

2.3不同坡位土壤SOC、TN、TP和AN、AP化學(xué)計(jì)量比特征

由圖3可知，0～20cm土層SOC/TN、SOC/TP和TN/TP值坡位間無顯著差異：AN/AP值表現(xiàn)為上坡位gt;下坡位（Plt;0.05）。20～40cm土層SOC/TN和TN/TP值坡位間無顯著差異：SOC/TP值表現(xiàn)為下坡位gt;上坡位，AN/AP值表現(xiàn)為上坡位gt;下坡位，且均存在顯著差異。40～60cm土層SOC/TN和TN/TP值坡位間無顯著差異：SOC/TP值表現(xiàn)為下坡位gt;上坡位，AN/AP值表現(xiàn)為上坡位gt;下坡位，且均存在顯著差異。在上坡位和下坡位中，不同土層間SOC/TN、SOC/TP、TN/TP和AN/AP值均無顯著差異。

2.4坡位對輕木生長與土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量比的影響

2.4.1不同坡位土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量比與輕木生長狀況的相關(guān)性分析

由圖4看出，在上坡位中，土壤TN含量與SOC含量呈極顯著正相關(guān)；SOC/TN、SOC/TP值與SOC含量呈顯著負(fù)相關(guān)：TN/TP值與TP含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與SOC/TP值呈極顯著負(fù)相關(guān)；AN含量與TN、SOC含量呈極顯著正相關(guān)：AP含量與AN含量呈顯著正相關(guān)：AN/AP值與AP含量呈顯著負(fù)相關(guān)，樹高與胸徑呈顯著正相關(guān)。

在下坡位中，土壤TP含量與SOC含量呈顯著正相關(guān)；SOC/TN值與SOC、TP含量呈顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0.01，Plt;0.05）；SOC/TP值與SOC含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與SOC/TN值呈顯著正相關(guān)：AN含量與SOC、TN和TP含量均呈顯著正相關(guān)（Plt;0.01，Plt;0.05，Plt;0.05），與SOC/TN值和SOC/TP值均呈顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0.01，Plt;0.05）；AP含量與SOC、TP和AN含量呈顯著正相關(guān)（Plt;0.01，Plt;0.05，Plt;0.01），與SOC/TN和SOC/TP值均呈顯著負(fù)相關(guān)；AN/AP值與AP含量呈顯著負(fù)相關(guān)；H與SOC/TN值呈顯著正相關(guān)，與AP含量呈顯著負(fù)相關(guān)。

2.4.2不同坡位土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量比與輕木生長之間的主成分分析（PCA）

為進(jìn)一步了解不同坡位土壤養(yǎng)分含量及其化學(xué)計(jì)量比與輕木生長之間的相關(guān)關(guān)系，對土壤養(yǎng)分含量及其化學(xué)計(jì)量比與生長指標(biāo)進(jìn)行PCA。從圖5可以看出，前兩個(gè)主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為78.8%，表明提取的前兩個(gè)主成分是主要貢獻(xiàn)者，能有效解釋不同坡位下輕木生長特性，以及土壤的養(yǎng)分變化特征：SOC/TP、AN/AP和SOC/TN值在上坡位中占比較大，AP、AN、SOC含量和DHB在下坡位中占比較大，能有效反映兩個(gè)坡位中土壤養(yǎng)分和輕木生長的差異及其關(guān)系。

3討論

3.1坡位對土壤養(yǎng)分含量特征的影響

土壤有機(jī)質(zhì)及速效養(yǎng)分在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物質(zhì)循環(huán)過程中起到十分重要的作用。TN主要來源于植物根系的固氮作用，而N是影響淋溶層土壤P的主要因子，土壤TP含量代表著土壤P的總儲量。AP和AN是植物體內(nèi)重要的養(yǎng)分來源。研究不同形態(tài)的土壤養(yǎng)分含量對植物和微生物的有效性，預(yù)測森林的健康（生長）狀況，了解森林轉(zhuǎn)化后的土壤因素對改善土壤養(yǎng)分狀況和保護(hù)森林資源極為重要。坡位作為重要的地形因子，主要通過水土流失和土壤侵蝕影響土壤養(yǎng)分的空間分布。本研究中，AP含量在0～20cm和40～60cm土層中表現(xiàn)為下坡位高于上坡位．AN含量在20～40cm土層中也表現(xiàn)出下坡位高于上坡位，其他土壤養(yǎng)分含量均未隨坡位變化而變化。這可能是由于土壤受到風(fēng)力侵蝕或在雨水沖刷作用下，下坡位的土壤淋溶過程較弱，上坡位地表侵蝕則相對較強(qiáng)。對比上坡位和下坡位土壤養(yǎng)分情況，發(fā)現(xiàn)SOC、TN、AN和AP含量隨土層深度加深而降低，且在40～60cm土層中表現(xiàn)出顯著差異，TP含量在上坡位中隨土層加深無顯著變化，在下坡位中隨土層加深而降低，這與曹娟等對杉木人工林土壤養(yǎng)分變化分析的研究結(jié)果相似，土壤SOC、TP和TP含量在不同土層剖面上的分布模式主要是由其來源不同所決定的。SOC、AN和AP含量主要受地上枯草和凋落物的養(yǎng)分歸還和分解的影響，使這些元素在不同土壤層積累不同，且同時(shí)還受植物自身吸收利用的影響：而TP主要受土壤母質(zhì)風(fēng)化的影響。

可見不同坡位對土壤養(yǎng)分含量產(chǎn)生影響，根據(jù)坡面侵蝕理論，雨水侵蝕主要發(fā)生的上坡位，大量地表養(yǎng)分被侵蝕并通過坡面徑流匯集到下坡位，因此輕木人工林的下坡位由于接受了來自于坡頂和坡中的侵蝕土壤，土壤養(yǎng)分含量有所上升。且位于土壤剖面底部的風(fēng)化成為了可用土壤養(yǎng)分（N和P）的主要來源，而土壤養(yǎng)分進(jìn)一步被植物轉(zhuǎn)移，并以AN和AP的形式積累在表層土壤中，從而在土壤剖面中形成復(fù)雜的垂直分布模式，且隨土層加深而降低。依據(jù)《中國土壤》和全國第二次土壤普查有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本研究區(qū)輕木人工林土壤中TP含量（lt;0.4g/kg）屬低水平，這表明該區(qū)域土壤P供應(yīng)不足。

3.2坡位對土壤養(yǎng)分含量化學(xué)計(jì)量特征的影響

生態(tài)化學(xué)計(jì)量是指生態(tài)系統(tǒng)能量和多種化學(xué)元素（主要是C、N和P）按元素比例的平衡，已廣泛用于研究土壤養(yǎng)分循環(huán)。因?yàn)镃是植物中最常見的元素，N和P是植物生長的必需營養(yǎng)元素和關(guān)鍵控制因素，三者之間關(guān)系是耦合的。土壤C：N：P生態(tài)化學(xué)計(jì)量不僅反映土壤C、N和P的循環(huán)和平衡特征，還反映土壤發(fā)育過程中的營養(yǎng)狀況，使其成為土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。由于造林過程中土壤中C、N和P含量不呈比例增加，土壤和微生物生物量中的C、N、P化學(xué)計(jì)量也會發(fā)生顯著變化。本研究中，在0～20cm土層中，AN/AP值表現(xiàn)為上坡位gt;下坡位（Plt;0.05）；20～40cm和40～60cm土層中，SOC/TP值表現(xiàn)為下坡位gt;上坡位，AN/AP值表現(xiàn)為上坡位gt;下坡位（Plt;0.05）。這與高雪松等研究不同坡位的土樣養(yǎng)分特征結(jié)果相似，也與張莉等的研究結(jié)果一致。此外，在人工林種植中，已有研究顯示土壤中C和N含量大大增加，但P含量的增加卻較少。由于本研究區(qū)域受P限制，而P和N是AP和AN的主要來源，AN/AP值的高低反映了土壤中P、N含量的有效性。一方面，上坡位受剝蝕影響后土層較淺薄，能供給的有機(jī)質(zhì)較少，而下墊面對巖石碎屑的層層截留使得丘陵坡位越靠下．土層越厚，有機(jī)質(zhì)含量越高；另一方面，隨山地海拔逐漸升高，氣溫和土壤溫度持續(xù)降低，抑制了輕木林下土壤動物微生物活動，降低了群落養(yǎng)分循環(huán)速率。因此，N/P值和C/P值可以提供比C/N值更有用的信息來反映土壤和微生物之間的關(guān)系，本研究區(qū)域表現(xiàn)出上坡位土壤缺P程度顯著高于下坡位。

3.3不同坡位輕木生長和土壤養(yǎng)分含量及化學(xué)計(jì)量比的關(guān)系

坡位常通過調(diào)節(jié)土壤與環(huán)境間的能量交換以及水肥分配，改變土壤的養(yǎng)分狀況，進(jìn)而影響植物長勢。前人研究表明，在坡型一致的坡地上，土壤SOC、TN、TP以及AP、AN含量會隨著坡位升高而降低，呈現(xiàn)明顯的坡底匯集效應(yīng)。本研究中輕木人工林的樹高和胸徑在不同坡位有顯著差異，下坡位生長狀況較上坡位優(yōu)勢明顯，在主成分分析中也可以看出，下坡位輕木的胸徑占有較大載荷值。這與張莉等對茅蒼術(shù)幼苗（Atractylodeslancea）、胡繼文等對香椿的研究結(jié)果一致，均表現(xiàn)出下坡位植物的長勢、土壤養(yǎng)分都高于上坡位。坡位在調(diào)控土壤供肥水平的同時(shí)，還對各土層C、N和P含量及其化學(xué)計(jì)量比之間有一定的約束。有研究也發(fā)現(xiàn)土壤中SOC和TN之間存在強(qiáng)烈的相關(guān)性。本研究中土壤SOC、AP和AN含量對輕木的生長起關(guān)鍵性作用，在上坡位中，主要通過SOC/TP、AN/AP和SOC/TN值的養(yǎng)分平衡反映土壤的肥力情況，也反映TP、TN與AP、AN的轉(zhuǎn)化情況，特別是AN/AP值反映的是土壤中養(yǎng)分的可利用效率。而在下坡位中，主要是通過AP、AN和SOC含量反映土壤養(yǎng)分情況。

可見本研究區(qū)域的輕木人工林土壤SOC主要受土壤有機(jī)碳含量的影響，SOC/TP、SOC/TN值和AN、AP含量變化意味著有機(jī)質(zhì)分解快慢，對于有較大降雨量和降雨頻率的西雙版納輕木人工林而言，更不利于土壤肥力的維持。

4結(jié)論

1）隨著土層深度的增加，不同坡位土壤SOC、TN、TP、AN和AP含量總體呈降低趨勢；40～60cm土層土壤各養(yǎng)分含量顯著低于0～20cm土層（上坡位TP除外）。

2）在0～60cm的3個(gè)不同深度土層中．AP含量均表現(xiàn)為下坡位顯著高于上坡位，AN含量在20～40cm土層中也表現(xiàn)出下坡位顯著高于上坡位；3個(gè)不同深度的土層中，AN/AP值均表現(xiàn)為上坡位顯著高于下坡位：20～40cm和40～60cm土層中，SOC/TP值表現(xiàn)為下坡位顯著高于上坡位。

3）下坡位輕木樹高和胸徑較上坡位顯著增加23.39%和49.43%。土壤SOC、AP和AN對輕木的生長起關(guān)鍵性作用，其中，在上坡位中，主要通過SOC/TP、AN/AP和SOC/TN值的養(yǎng)分平衡反映土壤的肥力情況，也反映TP、TN與AP、AN的轉(zhuǎn)化情況，特別是AN/AP反映的是土壤中養(yǎng)分的可利用效率；而在下坡位中，主要是通過AP、AN和SOC含量反映土壤養(yǎng)分情況。

本研究區(qū)中，下坡位輕木的生長狀況優(yōu)于上坡位，土壤AP、AN和SOC含量及其比值可以反映不同區(qū)域輕木的生長情況，也可作為當(dāng)?shù)卦u估林地養(yǎng)分是否缺失的信號。本研究結(jié)果增加了該地區(qū)關(guān)于輕木生長及土壤養(yǎng)分變化信息的資料，可為今后輕木人工林管理提供理論支持。