城市森林土壤碳氮磷含量及其生態化學計量特征

陶曉，俞元春，張云彬，何越，徐小牛*

1. 安徽農業大學林學與園林學院，安徽 合肥 230036；2. 南京林業大學生物與環境學院，江蘇 南京 210037

碳（C）、氮（N）、磷（P）是土壤重要的生源要素，其含量直接影響生態系統的植被生長、養分循環及土壤質量，且土壤內部 C、N、P元素存在耦合循環關系（Bai et al.，2012；Feng et al.，2017a）。因此，系統了解土壤各元素含量及耦合循環對深入研究生態系統功能具有重要意義。

生態化學計量學是一門研究多重化學元素平衡及生態系統能量平衡的科學（Wang et al.，2014）。土壤C∶N表征土壤質量，并可通過調節土壤微生物活性及土壤礦化速率進而影響土壤 C、N循環（Bradshaw et al.，2012）。C∶P可潛在影響土壤P的遷移及礦化，是表征凋落物質量的重要指標（Espinosa et al.，2017）?？梢娊柚鷳B化學計量學，對碳氮磷元素的比例關系及其分布和季節性變化開展研究，對深入認識土壤元素生物地球化學循環特征及作用機制具有重要意義（Zhang et al.，2017）。

目前，陸地生態系統土壤碳、氮、磷元素含量及化學計量學的研究主要集中在自然林地、濕地、海岸，農田、果園等領域。前人研究表明，土壤質量（土壤容重、土壤pH、土壤養分）（Tashi et al.，2016；Sato et al.，2005；Ye et al.，2014）、海拔（李丹維等，2017）、氣候變化（Liu et al.，2017）、植被類型（Shang et al.，2013；喻林華等，2016）、土地利用方式等都是影響土壤 C、N、P含量及其化學計量比的重要因素，如，陳印平等（2017）研究發現，黃河三角洲保護區內人工林C∶N和C∶P比顯著高于農耕區，并認為人為干擾、凋落物養分歸還量是造成差異的主要原因，趙一娉等（2017）通過對黃土丘陵溝壑區森林生態系統研究發現，自然林的土壤C、N含量均高于人工林，其認為土壤容重過大、滲透性差的土壤會影響土壤C、N的積累，而土壤P含量則主要受溫度與降水的影響。肖燁等（2014）對三江平原 4種典型濕地土壤碳氮分布差異的研究結果顯示，不同濕地類型土壤有機碳和全氮含量的存在空間異質性，長時間淹水區會導致土壤物理結構的變化，進而影響土壤有機碳的積累。

城市森林（Urban forest）是城市行政區域內所有林木總和，是森林生態系統的重要組成部分（吳澤民，2015），對改善城市環境具有重要意義。目前，我國城市森林建設正處于高速發展階段，原國家林業局也制定了到2050年全國70%的城市其森林覆蓋率達到45%的目標。但城市森林的健康發展極大程度上依賴于城市森林土壤環境，近年來，快速城市化進程下的土地利用形式改變、人為干擾、交通污染等都會對城市森林生態系統土壤理化性質、土壤養分循環造成影響，但目前對其影響程度、機制等還缺乏系統和深入了解。

研究發現，人為活動會導致土壤板結、土壤微生物活性降低、土壤礦化作用減弱、凋落物質量下降，而城市森林氮沉降量遠高于天然林（Huang et al.，2012；Bettez et al.，2013），外源氮的輸入提高了土壤氮素有效性，利于植被生長，進而提高了土壤碳素積累，基于上述，我們提出本研究的假設：（1）城市高氮沉降增加了土壤氮素有效性，提高了土壤碳素來源，削弱了城市森林土壤及凋落物質量下降的負反饋影響，城市土壤“碳富集”；（2）城市特殊立地環境降低了土壤微生物活性，引起土壤P活化受限，導致土壤“磷限制”。

本研究選取合肥市典型城市森林（大蜀山、紫蓬山）為研究對象，通過對其土壤 C、N、P空間分布、季節變化及其化學計量特征的研究，探討城市森林土壤 C、N、P分布特征，揭示影響城市森林土壤 C、N、P化學計量的因子。為準確評估城市森林土壤養分供應及限制情況提供參考，并為城市森林生態系統經營管理和可持續發展提供理論依據

1 研究區概況

研究區位于安徽省合肥市（117°11′—117°22′E；31°48′—31°58′N）境內的蜀山森林公園，占地面積1003.01 hm2，紫蓬山國家森林公園，占地面積1002.47 hm2。隸屬北亞熱帶濕潤季風氣候，年降雨量約1000 mm，梅雨顯著，夏雨集中，6、7、8月降水量占全年的35.45%。年均溫15.7 ℃，極端低溫達-20.6 ℃，極端高溫達 40 ℃以上。兩研究地森林土壤為巖石風化、氣候、生物等綜合作用下自然形成。1992年合肥市獲國家首批“園林城市”稱號，目前建成區綠地率34.5%，綠化覆蓋率39.5%。

2 研究方法

2.1 樣地設置

2016年，按照離城市的遠近，建立了蜀山森林公園（近郊）、紫蓬山國家級森林公園（遠郊）長期試驗樣地（圖1），兩類樣地均設置在合肥市廣泛分布的森林類型-麻櫟（Quercus acutissima）林中。在每個樣地內隨機選取3個15 m×15 m樣方用于土壤采集。各樣地情況見表1。

圖1 研究地區位圖Fig. 1 Location of the Research sites

2.2 土壤樣品采集與處理

鑒于研究地森林土壤土層較薄，30 cm以下土壤砂石含量較多，且土壤的養分含量的活躍成分主要集中在表層土層，本研究選取0—30 cm土層作為研究對象，并于2017年1月、4月、7月、10月中旬采集土壤樣品。在每個樣方內，按照“S”形布點法選取5個采樣點，每點相隔4—5 m，去除土表凋落物，在每個采樣點用土鉆分別采集 0—10 cm，10—30 cm土壤樣品，每個樣地每次取回共30份土壤樣品（每份不少于500 g），用于養分濃度含量的分析比較，用便攜式保溫箱低溫將樣品帶回實驗室。各樣地土壤情況見表2。

土壤樣品撿出侵入體和新生體后，一份保存在4 ℃冰箱內，用于測定微 MBC、DOC、NH4+-N、NO3--N；另一份風干過2 mm篩，用于測定土壤碳、氮、磷含量。

土壤全氮（TN）使用元素分析儀（EA3000，Vector，Italy）測定；土壤全磷（TP）采用鉬銻抗比色法測定，土壤有機碳（SOC）采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法測定（鮑士旦，2000）。

土壤DOC使用Multi N/C 3100分析儀測定，土壤NH4+-N、NO3--N使用FIAstar 5000流動注射分析儀測定（Jones et al.，2006）。

微生物量碳氮（MBC）采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法（Wu et al.，1990）。

MBC按照下式計算：

MBC=EC/0.45 （1）

式中：EC為熏蒸與未熏蒸測得的土壤DOC含量差值，0.45為MBC氯仿熏蒸后提取的生物量碳比例系數。

土壤含水率采用烘干法測定；土壤溶液pH按水土比2.5∶1充分混合，靜置后使用pH計測定。

元素質量比的計算方法為：

式（2）—（4）中，SOC、TN、TC、TP分別為土壤有機碳、土壤全氮、土壤全碳、土壤全磷。

2.3 數據處理

數據經Excel 2013整理后，采用SPSS 20.0進行單因素方差分析（One-way ANOVA）比較各土層土壤 C、N、P 含量的季節性變化，利用多因素方差分析（Multi-way ANOVA）比較季節、區位、土層對SOC、TN、TP的影響。假定方差齊性下，應用LSD法進行分析比較；未假定方差齊性下，應用Tamhame，sT2（M）法進行比較。C、N、P化學計量比與土壤因子之間采用 Pearson相關系數法進行相關性檢驗。

3 研究結果

3.1 土壤C、N、P含量的變異及影響因素

從變異系數來看，0—30 cm SOC的季節性變異最大（50.46%），其次為 TN（44.52%），TP（37.30%）最小。

0—30 cm土層的SOC均值為21.82 g·kg-1，TP含量均值為0.18 g·kg-1，季節性變化規律均為秋季＞春季＞冬季＞夏季。TN含量均值為1.69 g·kg-1，表現為春季＞秋季＞冬季＞夏季。其中，TN、TP季節間差異顯著（P＜0.05）（圖 2）。

季節對 0—10 cm土層 TP含量影響不顯著（P＞0.05），而對 10—30 cm 土層的影響顯著（P＜0.05），且此土層秋季土壤TP含量與其它3個季節差異極顯著（P＜0.05）（圖 2）。說明不同土層的TP對季節變化的響應明顯不同，表層土TP含量受季節影響不顯著。季節對0—10 cm及10—30 cm土層SOC含量影響均不顯著。春季0—10 cm土層TN顯著高于冬季（P＜0.05），但10—30 cm土層季節間差異均不顯著，表層土TN含量受季節影響顯著。

表1 樣地基本概況Table 1 Survey of sample plots

圖2 各土層土壤C、N、P含量的季節性變化Fig. 2 Seasonal variation of C, N and P concentrations at different soil layers

除秋季P含量外，不同季節土壤SOC、TN、TP含量均隨土層深度的增加而顯著降低（P＜0.05）。

研究表明，區位對土壤SOC、TN、TP含量影響顯著（P＜0.05），季節、區位交互作用對土壤TN、TP影響顯著（P＜0.001、P＜0.05），季節、土層交互作用對土壤TP含量影響顯著（P＜0.01）（表3）。

土壤 SOC、TN、TP之間存在極顯著正相關關系（P＜0.01），TP與pH、NO3--N、C∶N、MBC呈極顯著（P＜0.01）或者顯著相關關系（P＜0.05）（表4）。

3.2 土壤C、N、P化學計量比的變異及影響因素

不同季節具有不同的 C、N、P化學計量特征（圖3），從變異系數來看，0—30 cm土層C∶P的季節性變異最大（46.59%），其次為N∶P（39.64%），C∶N（15.47%）最小。

0—30 cm土層C∶N均值為12.53，表現為秋季＞夏季＞冬季＞春季，且秋季與冬（10—30 cm土層除外）、春、夏季（0—10 cm 土層除外）差異顯著（P＜0.05）；夏季與春、秋季（0—10 cm土層除外）差異顯著（P＜0.05），與冬季差異不顯著（P＞0.05）；冬季與春（0—10 cm土層除外）、秋季（10—30 cm土層除外）差異顯著。0—30 cm土層 C∶P均值為122.03，表現為夏季＞冬季＞春季＞秋季，除 10—30 cm土層中秋季與冬、春、夏季差異顯著外（P＜0.05），其余季節間差異不顯著（P＞0.05）。0—30 cm土層N∶P均值為 9.57，季節變化為春季＞夏季＞冬季＞秋季，春季與秋季（0—10 cm 土層除外）差異顯著（P＜0.05），夏季與秋季（0—10 cm土層除外）差異顯著（P＜0.05）。

表3 土壤SOC、TN、TP的多因素方差分析Table 3 Multi-Factor Analysis of Variance analysis of soil SOC, TN, TP

表4 土壤 SOC、TN、TP與土壤因子的相關性分析Table 4 Multi-Factor Analysis of Variance between soil SOC, TN, TP and soil factors

圖3 不同季節各土層C、N、P化學計量比Fig. 3 C, N, P stoichiometric ratio at the different soil depth in the different seasons

4個季節土壤C∶N、C∶P、N∶P比值均隨土壤深度的增加而下降。且春、夏、秋季土壤C∶N在不同土層間差異顯著（P＜0.05），在同一季節不同土層間C∶P差異顯著（P＜0.05），夏秋季節土壤N∶P在不同土層間差異顯著。

研究表明，季節、土層、區位對土壤C、N、P化學計量比影響顯著（P＜0.05），對這些因子的交互作用進行多因素方差分析，結果表明（表5）：季節、區位交互作用對 C∶N、C∶P影響顯著（P＜0.001、P＜0.05），季節、土層交互作用對 C∶P及 N∶P比影響顯著（P＜0.05、P＜0.01），區位、土層交互作用對C∶N 影響顯著（P＜0.05）。

土壤 SOC、TN 與 C∶N、C∶P、N∶P、NH4+-N、NO3--N、MBC、DOC呈顯著（P＜0.05）或極顯著相關關系（P＜0.01）；土壤 C∶N、C∶P、N∶P與 SOC、TN、NH4+-N、DOC 呈顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）相關關系，土壤C∶N、C∶P、N∶P之間（除C∶N與N∶P外）亦呈極顯著正相關關系（P＜0.01），土壤N∶P與MBC呈顯著負相關（P＜0.05）（表6）。

4 討論

4.1 城市森林土壤C、N、P含量及其影響因素

土壤C、N對維持森林生態系統穩定與平衡具有重要作用。在本研究中，0—10 cm土壤 SOC、TN含量年均值為28.11、2.08 g·kg-1，略高于我國0—10 cm 含量均值（24.56、1.88 g·kg-1）（李丹維等，2017），表明城市森林土壤碳蓄積能力較強，驗證了前期假設。這主要由于氮元素是影響陸地生態系統生產力的重要影響因子，城市化引起的城市森林土壤質量下降、土壤微生物活性降低、凋落物分解速率下降等問題都會導致土壤碳氮含量降低，但近年來，由于人類生產生活的影響，全球范圍內大氣氮沉降量普遍升高，增加了土壤氮素有效性，提高了凋落物、細根產量及土壤酶活性，進而增加了土壤碳氮來源（Huang et al.，2012）。

表5 土壤C、N、P化學計量比的多因素方差分析Table 5 Multi-Factor Analysis of Variance of soil C, N, P stoichiometric ratio

表6 土壤化學計量比與土壤因子間的相關性分析Table 6 Multi-Factor Analysis of Variance between its stoichiometric ratio and soil factors

已有研究表明，濕潤溫暖的氣候條件，生物化學循環過程較強，可促進土壤有機質礦化（向慧敏等，2015），因而春秋季SOC、TN含量較高；夏季溫度較高，凋落物分解加速，但同時較多的雨水增加了淋溶作用，植物生長旺盛，對土壤養分的吸收也增加，一系列綜合原因促使夏季土壤C、N含量較低，這與本研究結果一致。本研究中不同土層土壤SOC、TN含量差異顯著（P＜0.05），且隨土層深度的增加而降低，這主要由于植被和環境條件是影響土壤 C、N含量垂直分布的重要因素，凋落物分解合成產物是土壤 C、N的重要來源（Feng et al.，2017b），它們首先富集于地表，而后隨水分或其它介質向下層擴散遷移，并且保持在相對穩定的含量，進而形成隨土層深度的增加而降低的分布格局。

本研究中0—10 cm土壤TP含量空間變異性（37.31%）低于C、N（50.46%，44.52%），這與寧志英等（2019）的研究結果一致，其主要由于土壤P來自巖石分化，屬沉積性元素，遷移率低，含量主要受土壤母質的影響，變異性小。土壤TP含量（0.19 g·kg-1）低于我國均值（0.78 g·kg-1） （Tian et al.，2010），與陳印平等（2017）的研究結果相反，其可能是由于不同的土地利用方式和植被生長需求決定的，宋佳齡等（2019）研究也認為，亞熱帶季風氣候下，自然形成的土壤P含量具有流失的風險。TP含量季節變化表現為秋春季高于冬夏季，這主要由于冬季低溫降低根系分泌量及微生物活性，導致巖石分化及凋落物分解速率降低；夏季溫度較高，高溫多雨加快了巖石分化及P的淋溶，加快了巖石分化，增加了P的積累，但同時降雨加速了淋溶過程，引起 P的損失（李婷等，2015），綜合作用導致土壤TP含量冬夏季較低。

已有研究表明，土壤理化性質影響其C、N、P含量（Feng et al.，2017b；Xiao et al.，2012）。本研究中土壤SOC、TN、TP之間存在極顯著正相關關系（P＜0.01），這主要由于C、N、P是土壤有機質的基本構成元素，且在有機質中各占有一定的比例（Ye et al.，2014），亦進一步證實了城市森林土壤C、N、P之間的耦合性。本研究地土壤SOC、TN含量與 NH4+-N、NO3--N、MBC（與TN呈極顯著負相關）、DOC呈顯著或極顯著正相關關系，這主要由于當土壤中NH4+-N、NO3--N、DOC等可被植物直接吸收利用的土壤活性養分增加時，養分來源更充足，植被生長旺盛，進而增加了凋落物產量，更利于土壤有機質的積累（Zhang et al.，2013）；土壤MBC含量是表征土壤有機質分解和氮礦化的關鍵指標，土壤有機氮礦化后產生的 NH4+-N和NO3--N為土壤微生物以及植被生長提供了氮素來源，進一步增加了凋落物量，提高了土壤有機質的分解，因此，土壤MBC含量的增加，利于植被對土壤氮素的吸收，一定程度上減少了土壤N含量，增加了土壤C的積累（高珊等，2018）。Loomis et al.（2010）研究表明，土壤 C、N含量與其含水率呈極顯著正相關，并認為高的含水率利于土壤C、N積累，特別是在厭氧環境中，而本研究尚未發現城市森林土壤含水率與 C、N、P及其化學計量間的相關性，這與前人研究結果有所不同，這可能與立地環境的不同有關。

4.2 城市森林土壤C、N、P化學計量比特征及其影響因素

土壤 C、N、P化學計量比受季節、區位、土壤因子等影響，且空間差異性較大。土壤C∶N是評價土壤質量的重要指標，研究表明，全球0—10 cm森林土壤 C∶N均值為 12.4，全球土壤 C∶N均值為13.33（李丹維等，2017）。本研究中城市森林土壤C∶N均值為13.39，接近于全球土壤平均水平，表明城市森林土壤有機質的礦化速率較穩定，即釋放養分的能力接近全球土壤的養分供應能力，較高的土壤C∶N值預示著土壤具有較強的碳轉化潛力和較大的潛在土壤N庫（陶冶等，2017）。土壤C∶P是衡量土壤微生物礦化有機物釋放 P潛力的指標，0—10 cm土壤C∶P均值（151.59），遠高于全球森林土壤對應土層 C∶P均值（81.9） （Cleveland et al.，2007）。高C∶P比會加劇微生物與植物對土壤無機P的競爭，影響植物生長，因此較高的C∶P是P有效性低的一個重要指標（趙維俊等，2016；李丹維等，2017），進一步證實了城市森林生態系統土壤 P的缺乏。N∶P可用作N飽和的診斷指標（Zhao et al.，2015），并被用于確定養分限制的閾值，土壤N：P（11.19）高于中國平均水平（3.9）（Cleveland et al.，2007），城市森林較高的氮沉降量證實了土壤 N∶P是由研究區較低的磷含量決定的。

土壤C∶N、C∶P、N∶P具有較高的變異系數，且C∶N（15.47%）低于 C∶P（46.59%）、N∶P（39.64%）。這由于森林土壤C主要來源于凋落物的分解轉化積累、N主要來源于氮素礦化與固定（張廣帥等，2016）、P主要來自巖石分化，受成土母質、微生物、氣候、土壤生物地球化學循環等因素的影響（You et al.，2018）?？梢?，土壤碳氮變化易受環境條件影響，且碳氮的空間分布具有一致性，兩者間存在耦合循環，而P變化幅度小，含量相對穩定。

進行相關性分析可以解釋不同組分 C、N、P化學計量比指標之間協同關系，有助于對養分間耦合過程做出合理解釋（趙維俊等，2016）。Zhang et al.（2017）研究表明，土壤含水率與C∶P呈顯著正相關，并認為這主要由于土壤P基本來源于巖石分化，被植被吸收后又隨凋落物以有機質的形式返還土壤中，高的含水率有利于土壤有機磷積累，進而引起C∶P升高；Sun et al.（2017）研究亦證實了土壤含水率與C∶N的相關性。先前研究證實了土壤質地（如：含水率、pH、容重、土壤養分等）可影響土壤 C∶N、C∶P（Zhang et al.，2017；Sun et al.，2017）。本研究中，土壤C∶N、C∶P、N∶P與SOC、TN含量呈極顯著相關關系（P＜0.01），且土壤 C∶N、C∶P、N∶P之間（除C∶N與N∶P外）亦呈極顯著正相關關系（P＜0.01），表明土壤SOC、TN含量是影響土壤C、N、P化學計量比的因素，C∶N、C∶P、N∶P之間存在較好的耦合性。這與前人研究結果較一致，如Yu et al.（2016）在研究濱海濕地生態系統時發現高的C∶N增加了土壤N的流失，并認為這主要由于充足的有機碳在NO3--N反硝化過程中充當了電子供體的作用。Zhang et al.（2017）研究證實了土壤P是影響C、N循環的重要調節因子。

5 結論

（1）本研究中，0—10 cm土壤SOC、TN含量年均值略高于我國均值；土壤TP含量則遠低于我國均值，證實了城市森林土壤處于“碳富集、磷限制”狀態。土壤SOC、TN、TP含量秋春季較高，冬夏季較低，季節對土壤 TN、TP含量影響顯著（P＜0.05）。

（2）研究地城市森林土壤 C、N、P化學計量比受研究區域季節、區位、土壤因子等影響，且土壤 C∶N、N∶P季節差異顯著。C∶P遠高于全球森林土壤均值；N∶P高于中國平均水平，進一步驗證了土壤磷的缺乏。

（3）研究地城市森林土壤C∶N、C∶P、N∶P之間（除C∶N與N∶P外）亦呈極顯著正相關關系，進一步證實了 C、N、P間存在較好的耦合性。城市森林土壤NH4+-N、NO3--N、DOC含量增加，利于土壤C、N積累；土壤MBC含量的增加，利于植被對土壤氮素的吸收，一定程度上減少了土壤 N含量，增加了土壤C的積累。