杉木人工林土壤碳、氮、磷化學計量特征

孟慶權,葛露露,林 宇,邱嶺軍,胡歡甜,何宗明*

(1.福建農林大學林學院,福建福州350002;2.國家林業局和草原局杉木工程技術研究中心,福建福州350002；3.福建省長樂大鶴國有防護林場,福建福州350212)

生態化學計量學結合了生物學、化學和物理學，是使生物系統能量平衡和多重化學元素(C、N、P)平衡的學科[1]，生態化學計量學的概念在20世紀50年代最先應用于水生生態的研究[2]。近年來，我國的生態化學計量取得了很多的研究成果，但當前我國的化學計量研究集中在生態系統[1]、陸地生態系統[3]、不同演替階段[4]和植物葉片[5]等方面，目前對森林土壤的研究都集中于不同樹種的比較[6]，或地上部分及較淺土層[7]，分不同林齡不同土層的生態化學計量研究還鮮有報道[8]。森林土壤作為森林生態系統的重要組成部分，是林木生長所需養分的直接來源，森林土壤中的 C、N、P含量及其比值關系能較好的指示生態系統的養分限制情況及養分循環效率[9-10]。C∶N影響土壤的C、N循環，是土壤質量的重要指標。N∶P指標反映杉木生長過程中土壤N的供應情況[11-12]。因此研究森林土壤生態化學計量特征可以揭示養分的可獲得性，闡明森林土壤養分的循環機制和土壤質量的變化趨勢。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國特有的速生豐產樹種,是我國人工用材林分布面積最大、生產潛力最高的樹種[13]，第七次森林資源清查報告指出我國杉木人工林面積達到了863.86萬hm2，占全國人工林面積的21.35%[14],近年來我國杉木人工林的面積逐年增加，但單位面積的產量在降低，主要是由于杉木連栽導致地力衰退和生產力下降，杉木林土壤養分決定著杉木的生長狀況，為此，本研究選取4個不同林齡的杉木人工林，分不同的土層深度來研究C、N、P含量及其化學計量隨土層深度的變化，找出杉木人工林不同林齡和不同土層的養分含量變化規律，為杉木人工林的養分管理提供理論依據。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究地自然概況

圖1 氣溫降水月動態Fig.1 Monthly dynamics of temperature and precipitation

研究區位于福建省南平市峽陽國有林場 (東經117°59′，北緯26°48′)，地處丘陵地帶，平均坡度20°～30°，平均海拔238～650 m，該區為中國南方三大杉木產區之一，屬中亞熱帶海洋季風氣候，無霜期較長為290 d，年均降雨量為1 500～1 600 mm。土壤以紅壤為主，土層中厚，水肥條件較好,氣候條件見圖1。

1.2 標準地設置

選取土壤類型、立地條件一致的3 a幼齡林、14 a中齡林、21 a近熟林和46 a過熟林杉木，每個林齡分別設置4個20 m×20 m的標準樣地，樣地的基本情況見表1。

表1 樣地基本概況

數據為平均值±標準誤，同列出現不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

Date for the mean±standard error,different lowercase letters show significant differences in the same column(P<0.05)

1.3 樣品取樣、處理和測定

土壤樣品采集，為了更好地研究表層土壤的變化，利用對角線原則在每個樣地小區均勻設置8個取土點，每個采樣點去除地表凋落物，用直徑為5 cm的土鉆分0～5、5～10、10～20和20～40 cm 4個土層進行土壤采集，取得土樣混合均勻，然后放入自封袋中，并做好標記。回到實驗室將取回的土壤去除細根、雜物后進行風干，用自動球磨儀粉碎過100目篩，采用全自動碳氮分析儀(Elementar ELVario Max，德國)直接測定有機碳和全氮含量。取一定研磨好的土樣用濃硫酸-雙氧水消煮法制備成待測液，采用鉬銻鈧比色法測定全磷含量。

1.4 數據處理

采用Excel 2003進行統計分析，使用方差分析(SPSS 17.0)和LSD檢驗分析不同林齡杉木土壤養分和化學計量指標之間的差異，相關圖表采用Excel及Origin繪圖軟件完成。

2 結果分析

2.1 土壤有機碳含量隨林齡和土層的變化

由表2可知，3、14、21和46 a杉木人工林土壤有機碳平均含量分別為21.98、21.48、18.5和22.28 g/kg，呈現出隨林齡的增加有機碳含量先減少后增加的趨勢，可能是由于杉木快速生長階段消耗了大量的土壤有機碳，4個不同林齡的土壤有機碳含量均表現出隨著土層深度的加深逐漸降低。方差分析顯示，4個不同林齡之間的有機碳含量差異不顯著(P>0.05)；同一林齡不同土層，除46 a生過熟林各土層有機碳含量差異顯著外，3 a的20～40 cm土層有機碳含量顯著低于其他3個土層，21 a的0～5 cm土層有機碳含量顯著高于其他3個土層(P<0.05)；不同林齡同一土層，在0～5 cm和20～40 cm土層土壤有機碳含量在各個林齡之間差異不顯著(P>0.05)，但在5～10 cm和10～20 cm土層，21 a杉木林土壤有機碳含量顯著低于其他3個林齡杉木林(P<0.05)，但3、14和46 a之間差異不顯著(P>0.05)。

表2 杉木4個不同林齡以及4個不同土層的碳氮磷含量

數據為平均值±標準誤，同行不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05);同元素同列不同大寫字母表示差異顯著(P<0.05)

Date for the mean±standard error，different lowercase in the same row represents significant difference(P<0.05)，different capital letter of the same element in the same column represents significant difference(P<0.05)

2.2 土壤全氮含量隨林齡和土層的變化

由表2可知，3、14、21和46 a杉木人工林土壤全氮平均含量分別為1.52、1.63、1.4和1.6 g/kg，4個不同林齡的土壤全氮含量均表現出隨著土層深度的加深逐漸降低。方差分析表明，4個不同林齡之間的土壤全氮含量差異不顯著(P>0.05)；同一林齡不同土層，3 a和46 a杉木人工林各土層土壤全氮含量差異性顯著(P<0.05)，14 a表現為0～5 cm顯著高于其他土層(P<0.05)，20～40 cm顯著低于其他土層(P<0.05)，21 a不同土層均無顯著差異(P>0.05)；同一土層不同林齡，0～5，10～20和20～40 cm土層在不同林齡之間均無顯著差異(P>0.05)，5～10 cm土層21 a土壤全氮含量顯著低于其他3個土層(P<0.05)，可能由于21 a近熟林在生長過程消耗了大量的營養物質。

2.3 土壤全磷含量隨林齡和土層的變化

由表2可知，3、14、21和46 a杉木人工林土壤全磷平均含量分別為0.34、0.32、0.29和0.28 g/kg，隨著林齡的增長土壤全磷含量逐漸降低，4個不同林齡的杉木人工林土壤全磷含量均隨土壤深度的增加，呈現出先增加后減少的趨勢。方差分析表明，土壤全磷含量在不同林齡之間無顯著差異，同一林齡不同土層，3、14、21和46 a杉木人工林土壤的全磷含量在不同土層之間均無顯著差異(P>0.05)；同一土層不同林齡，0～5、5～10、10～20和20～40 cm土層的土壤全磷含量在不同林齡之間也無顯著差異(P>0.05)。

2.4 土壤化學計量C∶N、C∶P、N∶P、C∶N∶P及其相關性

由表3可知，4個不同林齡杉木0～40 cm土層的C∶N的變化范圍是10.22～15.26，平均值是13.27，變異系數為11.63%；C∶P的變化范圍是30.62～121.65，平均值是68.34,變異系數是32.87%；N∶P的變化范圍是2.67～8.28，平均值是5.01，變異系數為26.29%，土壤C∶N較C∶P和N∶P穩定，3個比值的變異系數都不大。

表3 土壤化學計量比變異系數

圖2 不同林齡土壤C∶N、C∶P、N∶P和C∶N∶P隨土層深度的變化Fig.2 Changes of C∶ N，N∶ P,C:P and C∶N∶P along soil depths in the Cunninghamia lanceolata plantations

由圖2可以看出，C∶N、C∶P和N∶P在4個不同林齡和不同土層之間的變化并沒有呈現出一致的規律。4個不同林齡杉木的土壤C∶N隨著土層深度的變化相對穩定，但在不同林齡之間有所差異，C∶N表現出21 a顯著低于3、14和46 a(P<0.05)，而3、14和46 a之間則無顯著差異(P>0.05)；C∶P和N∶P在不同林齡之間均無顯著差異(P>0.05)，且都呈現出在0～10 cm土層快速下降，在10～40 cm土層變化不穩定；4個林齡的C∶N∶P分別為42∶4∶1、43∶5∶1、41∶5∶1和50∶6∶1(表4)。

表4 不同林齡杉木林土壤 C∶N、C∶P、N∶P和C∶N∶P

同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

Different capital letter inevitable in the same column represents significant difference

由表5可知，C∶N與有機碳和全氮的含量呈極顯著正相關，表明C∶N同時受到有機碳和全氮含量的影響，但受到有機碳含量的限制作用更顯著；C∶P與有機碳含量呈極顯著正相關，與有機碳的相關性大于全磷的相關性；N∶P與全氮含量呈極顯著正相關，與全氮含量的相關性大于全磷含量相關性。

表5 土壤C、N、P及其化學計量的相關性

*在 0.05 水平上顯著相關，* *在 0.01 水平上顯著相關

*Indicates significant correlation at 0.05 level，* *indicates significant correlation at 0.01 level

3 討論

3.1 土壤有機碳含量隨林齡和土層的變化

隨著林齡的增長有機碳含量呈現出先減少后增加的趨勢，這與王丹等[15]的研究結果一致，這可能是由于中齡林杉木進入快速生長階段，需要消耗大量的養分和水分，所以有機碳的含量會降低，而當杉木進入近熟林階段，杉木的生長速度減慢，對養分和水分的吸收變慢，加之凋落物量也達到最大，調落物分解產生的有機質可以進入土壤，使得有機質的含量有所回升。

本次實驗，4個林齡杉木土壤有機碳含量為18.5～22.28 g/kg，低于三江平原濕地土壤[16]，高于黃土高原3種人工林的有機碳含量(側柏林6.76 g/kg，油松林12.04 g/kg，刺槐林16.20 g/kg)[17]，4個林齡的杉木林土壤有機碳含量均呈現出隨土層深度的加深而逐漸減少，這與曹娟等[8]的研究結果一致，這可能是由于土壤有機碳多來源于微生物分解的動植物遺體、凋落物和根系分泌的有機物質，而這些分解的物質首先進入地表，然后逐漸進入更深的土層[18]。

3.2 土壤全氮含量隨林齡和土層的變化

隨著林齡的增長，土壤的全氮含量在近熟林階段最低，這與曹娟等[8]在湖南會同3個林齡杉木土壤的研究一致。4個林齡杉木土壤的全氮含量為1.4～1.63 g/kg，與亞熱帶4種林分的全氮含量基本一致(1.36～1.93 g/kg)[19],高于塔里木河胡楊林的0.62 g/kg[20]，也高于福建濱海沙地5種不同樹種的土壤全氮含量(桉樹0.36 g/kg，肯氏相思0.38 g/kg，紋莢相思0.40 g/kg，濕地松0.33 g/kg和木麻黃0.47 g/kg)[21]，遠高于福建三明的格氏栲土壤全氮含量(0.17 g/kg)[22]，4個不同林齡杉木的土壤全氮含量均隨土層深度的加深逐漸降低，可能是因為氮是由于凋落物的分解，然后經過土壤的淋溶作用進入更深的土層，同時每一層的根系也會吸收一部分，所以土層越深，含量越低。

3.3 土壤全磷含量隨林齡和土層的變化

隨著林齡的增長，土壤的全磷含量無顯著變化，4個不同林齡杉木的土壤全磷含量為0.28～0.34 g/kg，這與楊玉盛等[23]在杉木多世代連栽的土壤水分和養分變化的研究一致，遠低于伊犁河谷的1.14 g/kg[24]，也低于三江平原的4種典型濕地(沼柳濕地0.95 g/kg，小葉章濕地0.72 g/kg，毛苔草濕地0.66 g/kg，蘆葦濕地0.42 g/kg)[15]，這表明研究地嚴重缺磷，土壤磷含量主要來源有巖石的風化和淋溶作用,在土壤中的分布較為均勻[25]，在短時間內難以改善，而磷的缺失會影響杉木的生長發育[26],所以為了促進杉木林生長和可持續經營需要向杉木人工林施加磷肥。

3.4 土壤化學計量C∶N、C∶P、N∶P、C∶N∶P及其相關性

杉木的生長所需要的養分大部分來自土壤中的C、N、P，是植物生長發育所必需的[27]，土壤的C∶N∶P是評價土壤肥力的重要參數，是土壤礦化作用和固持作用的指標，受到該地區的氣候條件和成土因素的影響，由于氣候等條件的不同加上人類活動的影響，使得C∶N∶P的空間差異性很大[28]。本研究地的4個不同林齡杉木土壤的C∶N∶P分別為42∶4∶1、43∶5∶1、41∶5∶1和50∶6∶1。土壤C∶N是土壤有機質組成和質量的一個重要標準，一般來講土壤有機質C∶N與其分解速度成反比，4個不同林齡杉木的土壤C∶N的平均值是13.27,高于我國土壤C∶N的平均值(11.9)，變異系數為11.63%，C∶N越高分解速度越慢；土壤C∶P被認為是土壤磷礦化能力的重要指標，4個不同林齡杉木的土壤C∶P的平均值是68.34，變異系數為26.29%；曹娟等[8]的研究表明較低的C∶P是P有效性高的指標，相反則表示存在P受限，說明該研究地土壤有機質礦化釋放P的能力較弱；N∶P的平均值是5.01，變異系數是32.87%，土壤N∶P指示杉木生長過程中土壤養分的供給情況，當N∶P<14，反映土壤N的供應不足，土壤N素的缺乏會影響杉木的生長[29]。相關性分析表明，C∶N和C∶P與有機碳的相關性大于全氮和全磷的相關性，N∶P與全氮含量的相關性大于全磷含量相關性。由此研究可以看出土壤C∶N和C∶P主要受到土壤有機碳含量的影響，N∶P主要受土壤全氮含量的影響。