不同樹種更新對馬尾松采伐跡地凋落物及土壤化學計量特征的影響

摘要：探明馬尾松林改造更新不同營林樹種下的養(yǎng)分平衡機理，為亞熱帶人工林造林樹種選擇和養(yǎng)分調控提供理論依據(jù)。本研究針對馬尾松人工林采伐跡地后栽植馬尾松、杉木及木荷人工林為研究對象，分析林地轉換后對凋落物和土壤化學計量特性影響。結果表明：馬尾松林轉換為木荷林提高凋落物分解速率、土壤有機碳及有效磷含量；轉換為杉木人工林土壤C/P、C/N及有效磷顯著上升；連作馬尾松時，凋落物總碳（TC）、土壤有機碳、堿解氮、顯著增加，凋落物C/N和N/P下降。此外，林地轉換后馬尾松和木荷受到N元素的影響，杉木則受到P的限制。與馬尾松林相比，轉換為木荷林加快了凋落物分解速率，提高了有機碳含量；轉換為馬尾松和杉木則提高了土壤TC、TN含量。

關鍵詞：人工林；松林改造；養(yǎng)分循環(huán)；杉木；木荷

Effects of regeneration of different tree species on litter and soil stoichiometric characteristics in Pinus massoniana logging site

Fu Chengjie 1， Ying Yuxin 1， Gao Wei 1， Wu Zhibin 1 *

（1. Institute of Forest Ecology and Carbon Sink Measurement， Fujian Forestry Vocational and Technical College， Nanping， Fujian 353000 ）

Abstract： To explore the mechanism of nutrient balance under different tree species in the transformation and renewal of Pinus massoniana forest， and to provide theoretical basis for tree species selection and nutrient regulation of subtropical plantation afforestation. In this study， the effects of forest land conversion on litter and soil stoichiometric characteristics were analyzed for Pinus massoniana， Cunninghamia lanceolata and Schima superba plantations after logging. The results showed that the conversion of Pinus massoniana forest to Schima superba forest increased litter decomposition rate， soil organic carbon and available phosphorus content. The soil C / P， C / N and available phosphorus of Chinese fir plantation increased significantly. The total carbon （ TC ）， soil organic carbon and alkali-hydrolyzable nitrogen of litter increased significantly， and the C / N and N / P of litter decreased under continuous cropping of P.massoniana. In addition， Pinus massoniana and Schima superba were affected by N element after forest land conversion， while Cunninghamia lanceolata was limited by P element. Compared with Pinus massoniana forest， the conversion to Schima superba forest accelerated the litter decomposition rate and increased the organic carbon content. The conversion of Pinus massoniana and Cunninghamia lanceolata increased the content of TC and TN in soil.

Keywords： artificial forest ; pine forest transformation ; nutrient cycling ; chinese fir ; schima superba

生態(tài)化學計量學主要聚焦于研究各種元素間比例關系，用于探索生態(tài)系統(tǒng)中能量轉換、物質循環(huán)及化學元素的平衡[1]。其中，碳（C）、氮（N）及磷（P）是植物生長發(fā)育的關鍵元素，三者間化學計量比值的質量平衡與有效性對是否維持整個生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關重要[2]。土壤是生態(tài)系統(tǒng)中物質和能量重要的交換場所，為植物的生長提供大部分養(yǎng)分，而植物則通過枯枝和落葉將養(yǎng)分歸還，形成土壤-植物-凋落物-土壤養(yǎng)分循環(huán)體系[3]。在造林過程中，森林類型的改變將導致植物組成與群落結構發(fā)生變化，進而影響?zhàn)B分系統(tǒng)循環(huán)[4]。研究表明，將天然闊葉林轉變?yōu)槿斯ぶ窳趾螅瑢ν寥烙袡C氮、磷庫以及氮有負面影響[5]；丁鑫麗等研究發(fā)現(xiàn)，刺槐（Robinia pseudoacacia）和山杏（Prunus sibirica）混交林顯著增加了土壤C、N，而對P則無顯著影響[6]；王濤等研究表明，杉木（Cunninghamia lanceolata）采伐跡地營造米老排（Mytilaria laosensis）在一定程度加速N、P養(yǎng)分的周轉，降低了P限制[7]。以往研究主要集中于不同土層[8]、不同緯度[9]、養(yǎng)分添加[10]及覆被類型[11]等，而相同生境條件下，通過采伐跡地營造不同樹種對凋落物和土壤化學計量關系尚不明確，且針葉林轉變?yōu)獒樔~林和闊葉林養(yǎng)分含量變化并未形成共識，因此揭示間作不同樹種-凋落物-土壤化學計量特征關系及養(yǎng)分差異，對豐富和完善生態(tài)化學計量比有重要意義。

馬尾松喜陽耐貧瘠，木材通直、材質良好、耐腐性強，適用于建筑工程、造紙及交通等行業(yè)，為福建主要造林樹種之一，根據(jù)第九次全國森林資源清查結果表明，福建省馬尾松林面積約381.4hm2，近年來松材線蟲病在我國持續(xù)高發(fā)、危害面積廣，樹木出現(xiàn)大面積死亡，福建省在2020年提出松林改造[12]，在“十四五”期間完成1000萬畝松林改造提升任務，改馬尾松純林為松闊混交林可改善人工純林帶來的地力衰退、病蟲害抗性差、生物多樣性低等問題。本研究以馬尾松林皆伐更新馬尾松、杉木、木荷20a人工林做為研究對象，探討/研究 （1）凋落物量及其全碳、全氮、全磷含量；（2）土壤全碳、全氮、全磷含量；（3）土壤有機碳、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷含量，揭示馬尾松林改造更新不同營林樹種下的養(yǎng)分平衡機理，為亞熱帶人工林地理衰退和養(yǎng)分調控提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗地位于福建省南平市延平區(qū)（26°34′25.43″N ， 118°06′44.30″E）年均氣溫19.3℃，年降雨量1847.0 mm，土壤為酸性紅壤土。前茬為馬尾松人工林，2001年皆伐后塊狀栽植馬尾松、杉木及木荷，株行距為2 m×2 m，每塊造林地面積約5 hm-2。2023年6月分別對三種造林地進行每木調查，林分基本性狀見表1。

1.2 凋落物及土壤樣品采集處理

2023年6月在每個標準地中心點及中心點上下左右1 m處采樣，凋落物采集面積為30 cm×30 cm，土壤采集為半徑5 cm深度0-20 cm，分別混合后視為該標準地樣品。凋落物采回置于60℃烘箱烘至恒重，磨粉后取30 g做化學檢測；土壤采回后進行陰干、挑除雜質、過1 mm篩，采四分法取50 g進行化學檢測。

1.3 元素含量測定方法

土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法測定；土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測得；凋落物有效磷采用H2O2-H2SO4消煮，鉬銻抗比色法測定；土壤有效磷含量采用NaHCO3提取，鉬銻抗比色法測定；土壤總碳（TC）、氮（TN）、凋落物TC及TN含量采用碳氮元素分析儀測定；土壤全磷含量采用 HClO4-H2SO4消煮，鉬銻抗比色法測定[13， 14]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 和IBM SPSS Statistics 22 軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析，采用單因素方差分析法（One-way ANOVA）比較不同樹種養(yǎng)分和化學計量顯著性（α= 0.05），并利用origin 2021作圖。

2. 結果與分析

2.1 凋落物生物量及化學計量

由表2可知，與跡地更新馬尾松相比，更新杉木和木荷均提高了林地的凋落物量，但降低了為分解凋落物的比例，并以更新木荷林最為顯著。馬尾松、杉木及木荷未分解層凋落物干重在29.1-37.6 g/m-2之間，以杉木林顯著高于馬尾松林。半分解層凋落物干重在9.1-16.5 g/m-2之間，以木荷gt;杉木gt;馬尾松（p lt; 0.05）。3種樹種總凋落物干重和未分解凋落物比例均表現(xiàn)為木荷最低，馬尾松與杉木最高。

從表3可看出，與跡地馬尾松林地相比，更新木荷降低了凋落物TC、TN含量，提高了C/N；更新杉木提高凋落物N/P。3種樹種凋落物TC含量在441.9-480.6 g/kg之間，由高到低分別為馬尾松gt;杉木gt;木荷（p lt; 0.05）。3種樹種凋落物TN含量變化幅度為6.4-7.5 g/kg，其中杉木凋落物TN含量最高，木荷凋落物最低。凋落物C/N在52.3-69.1之間，以木荷gt;馬尾松gt;杉木（p lt; 0.05）。凋落物N/P范圍在11.7-16.4，以杉木gt;木荷=馬尾松（p lt; 0.05）。凋落物TP與N/P則差異不顯著。

2.2 土壤化學計量

由表4可知，與跡地馬尾松林相比，更新木荷提高了土壤有機碳、堿解氮、有效磷含量，對土壤PH物顯著變化。土壤有機碳含量在46.6-61.6 g/kg之間，其中木荷有機碳含量最高，比馬尾松高出1.32倍。土壤堿解氮含量在199.6-273.8 mg/kg之間，以木荷gt;杉木=馬尾松（p lt; 0.05）。其中，木荷土壤堿解氮含量是馬尾松1.37倍。3個樹種土壤有效磷含量變化幅度為3.8-5.5 mg/kg，木荷土壤有效磷含量是馬尾松的1.45倍。

從表5可看出，土壤TC和TN含量分別在18.0-24.0 g/kg、1.5-1.8 g/kg之間，由高到低表現(xiàn)為杉木=馬尾松gt;木荷（p lt; 0.05）。3種樹種土壤TP含量變化幅度在0.4-0.5 g/kg，其中TP含量以馬尾松顯著高于杉木和木荷（p lt; 0.05）。土壤C/N在11.9-13.4，其中馬尾松最高，木荷C/N最低。3種樹種土壤C/P在46.3-61.2，其中杉木C/P較馬尾松高出1.26倍、1.32倍。3種樹種土壤N/P在3.4-4.7，由高到低分別是杉木、木荷和馬尾松。

2.3 凋落物生物量及化學計量與土壤化學計量相關性分析

由（圖2）可知，凋落物未分解層與土壤C/P 和N/P呈顯著正相關，與土壤TP含量呈顯著負相關。凋落物半分解層與土壤有機碳、堿解氮和有效磷含量呈顯著正相關，與土壤TC、TN及TP含量呈顯著負相關?？偟蚵湮锔芍嘏c土壤有效磷含量呈顯著正相關，與土壤TP含量和N/P呈顯著負相關。未分解凋落物比例與土壤TC和TN含量呈顯著正相關，與土壤有機碳、堿解氮及有效磷含量呈顯著負相關。凋落物TC含量與土壤TC、TP含量和C/N呈顯著正相關，與土壤有機碳、堿解氮及有效磷含量呈顯著負相關。凋落物TN含量與土壤pH和土壤有機碳呈顯著負相關。凋落物C/N與土壤pH呈正相關，與土壤C/P呈顯著相關。

3. 討論

本研究結果顯示馬尾松采伐跡地栽植木荷、杉木及馬尾松，凋落物的干重存在較大差異。木荷未分解凋落物比例最低，說明分解速率最快，這可能是由于前期馬尾松人工林凋落物（針葉樹種）分解造成酸性環(huán)境[15]，而木荷凋落物輸入導致其化學物質發(fā)生改變，進而影響分解速率。本研究中，馬尾松凋落物TC含量最高，可能是由于馬尾松占據(jù) “主場優(yōu)勢”[16]，累積較多的有機質。凋落物C/N木荷顯著高于馬尾松和杉木，可能是由于樹種特性引起。過去研究顯示，當植物葉片N/P 在14以下，其生長將受到N影響；N/P 超過 16則受到P的限制；而N/P處于14-16之間，表示N與P共同影響植物生長[17]。本研究結果表明，馬尾松和木荷N/P分別在13.0與11.7，說明其生長受到N的限制，而杉木N/P在16.4，受到P的影響。

林分轉換導致地上凋落物源發(fā)生改變，間接影響了土壤有機碳、堿解氮及有效磷的含量與養(yǎng)分循環(huán)過程。本研究結果表明，土壤有機碳含量以木荷顯著高于馬尾松和杉木，這可能是由于樣地前期種植針葉樹種后改種闊葉樹種改良土壤結構，進而促進有機碳的累積，另一方面，可能是凋落物增加引起的[18]，而未分解凋落物比例與土壤TC含量呈顯著正相關也證明這一點。本研究中，土壤堿解氮含量以木荷高于馬尾松和杉木，可能是林分轉換導致土壤“激發(fā)效應”增強[19]。在土壤化學計量比中，木荷C/N最低，可能因為馬尾松林轉變?yōu)槟竞闪质沟梦⑸锘钴S，需要跟多的N元素獲取能量和營養(yǎng)。土壤C/P、N/P杉木和木荷高于馬尾松，是由于杉木和木荷生長需要更多的P元素，土壤缺少P元素情況下，植物將分泌有機酸來促進土壤難溶解P的溶解和活化[20]，進一步驗證有機磷含量的增加。

4. 結論

在馬尾松人工林采伐跡地上營造馬尾松、杉木及木荷人工林凋落物和土壤化學計量比存在顯著差異。馬尾松人工林轉換為木荷人工林顯著提高了凋落物的分解速率、土壤有機碳、堿解氮、C/N及有效磷含量。連栽馬尾松人工林促進凋落物TC的增加，而凋落物C/N和N/P較連栽低。馬尾松人工林轉換為杉木人工林顯著提高了土壤有效磷含量、N/P。另外，研究發(fā)現(xiàn)馬尾松和木荷人工林生長受到N的影響，而杉木則受P的限制。本文從凋落物和土壤化學計量比角度為馬尾松人工林采伐跡地后林地轉換凋落物養(yǎng)分歸還提高理論依據(jù)。此外，本研究只對凋落物及土壤C、N、P進行分析，結果較為片面，后續(xù)可結合相關酶及微生物方向進行研究，為今后林地采伐跡地后造林樹種的選擇和養(yǎng)分調控提供新的思路及方法。

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