野生馬纓杜鵑林土壤化學(xué)計(jì)量特征*

李朝嬋，劉 靜，全文選

(1貴州師范大學(xué)山地環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550001;2中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所，貴州 貴陽 550018;3貴州師范大學(xué)植物生理與發(fā)育調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025)

森林土壤是林木生長和森林功能發(fā)揮的基礎(chǔ)，同時(shí)也是重要的自然資源，森林土壤對(duì)林木生長有著關(guān)鍵作用，影響著森林演替[1]。植物生長的限制性養(yǎng)分因子主要是氮(N)、磷(P)、鉀(K)中單一養(yǎng)分元素限制或多種養(yǎng)分元素限制[2]，N、P、K元素作為森林生態(tài)系統(tǒng)演替過程的主要化學(xué)成分和驅(qū)動(dòng)力，也是生物地球化學(xué)循環(huán)的研究熱點(diǎn)之一[3-4]。生態(tài)系統(tǒng)中碳C、N、P 等元素的循環(huán)過程是相互耦合的[5-6]，其化學(xué)計(jì)量比具有較強(qiáng)的內(nèi)穩(wěn)性，對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能具有重要意義[7]。針對(duì)森林土壤研究，前人對(duì)枯枝落葉層的關(guān)注較多，涉及枯枝落葉層分解過程和影響因子等[8-10]。前人對(duì)森林土壤進(jìn)行的研究主要集中的土壤有機(jī)碳分布特征、土壤微生物等方面[11-12]。研究不同土層深度土壤C、N、P等元素化學(xué)計(jì)量特征，對(duì)于闡明森林土壤養(yǎng)分在植物、土壤層次間的養(yǎng)分循環(huán)過程具有重要的科學(xué)意義[13]。

百里杜鵑國家森林公園是世界上野生杜鵑連片分布最大的區(qū)域，其特有的喀斯特地貌和杜鵑次生林特征，導(dǎo)致其生態(tài)環(huán)境脆弱、群落物種結(jié)構(gòu)單一、天然更新出現(xiàn)障礙[14]。李葦潔等[15]研究了百里杜鵑的土壤肥力，林區(qū)土壤為鈣質(zhì)土，有機(jī)質(zhì)腐殖化過程強(qiáng)，肥力高于紅壤。野生杜鵑的生境中凋落物厚度大，靠風(fēng)力和重力傳播的種子很難散布到土壤層[16]。筆者選擇貴州野生馬纓杜鵑林作為研究對(duì)象，對(duì)不同土層深度的土壤開展研究，通過測(cè)定貴州百里杜鵑國家森林公園內(nèi)野生馬纓杜鵑林下不同土層的養(yǎng)分元素含量，并計(jì)算其化學(xué)計(jì)量比，分析不同土層中土壤養(yǎng)分含量與化學(xué)計(jì)量特征的變化規(guī)律，并探討兩者間的相互關(guān)系，對(duì)開展野生杜鵑林土壤化學(xué)元素的循環(huán)和平衡機(jī)制研究具有重要的指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于貴州百里杜鵑國家森林公園內(nèi)，地理坐標(biāo)：東經(jīng)105°50′16″～106°04′57″E、北緯27°10′07″～27°17′55″N，海拔1060～2121 m。森林公園總面積125.8 km2，其中：野生杜鵑覆蓋了80%[17]。森林公園內(nèi)小氣候溫涼濕潤，年均相對(duì)濕度為84%，年平均積溫4200 ℃，年平均溫度11.8 ℃，最冷月(1月)均溫為2 ℃，最熱月(7月)均溫21 ℃，年降水量1000～1100 mm，春夏降水量占70%，水熱同季。馬纓杜鵑是貴州百里杜鵑國家森林公園的主要建群種和優(yōu)勢(shì)種，林下土壤呈強(qiáng)酸性，其pH值介于4.02～4.80之間，且隨土層深度的增加而逐漸增加。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與樣品采集

采集研究區(qū)內(nèi)6個(gè)典型樣地的0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm土壤樣品。在每個(gè)樣地內(nèi)按深度分別采集3個(gè)土壤樣品。將樣品自然晾干，用粉碎機(jī)研磨后將樣品混勻，4 ℃下保存，供測(cè)試分析。

1.2.2 土壤理化指標(biāo)的測(cè)定

土壤風(fēng)干過0.1 mm篩后方法參見《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[18]；其中：土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法；全氮采用凱氏定氮法；全磷采用鉬銻抗比色法；全鉀采用火焰光度法；土壤pH值采用電位法(水土比為2.5∶1)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS17.0、Simca-p和R統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)，LSD多重比較和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤層養(yǎng)分變化

野生馬纓杜鵑林不同土層深度 (0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm) 的SOC平均含量分別為：120.54 g/kg、77.01 g/kg、43.60 g/kg、31.27 g/kg、19.15 g/kg，30～40 cm土層深度的SOC含量與20～30 cm、40～50cm土層深度的SOC含量無顯著差異，其他不同土層深度的SOC含量差異極顯著(P<0.01)；TN平均含量分別為3.93 g/kg、2.33 g/kg、1.73 g/kg、1.29 g/kg、0.97 g/kg，30～40 cm土層深度的TN含量與20～30 cm及40～50 cm土層深度的TN含量無顯著差異，10～20 cm土層深度的TN含量與20～30 cm土層深度的TN含量差異顯著(P<0.05)，其他不同土層深度的TN含量差異極顯著(P<0.01)；TP平均含量分別為0.91 g/kg、0.75 g/kg、0.61 g/kg、0.48 g/kg、0.47 g/kg，10～20 cm土層深度的TP含量與30～40 cm及40～50 cm土層深度的TP含量差異顯著(P<0.05)，0～10 cm與其他不同土層深度的TP含量差異極顯著(P<0.01)；TK平均含量分別為12.37 g/kg、12.25 g/kg、15.75 g/kg、14.74 g/kg、12.98 g/kg，不同土層深度的TK含量無顯著差異。SOC、TN和TP含量均隨土壤土層深度的加深而逐漸遞減，而TK含量則表現(xiàn)為先升高后降低(圖1)。

圖1 不同土層深度的土壤養(yǎng)分含量Fig.1 Contents of soil nutrient at different soil depths

2.2 不同土壤層生態(tài)化學(xué)計(jì)量比

從表1可看出，貴州百里杜鵑國家森林公園內(nèi)馬纓杜鵑林下不同土層深度土壤的化學(xué)計(jì)量比為C∶P>C∶N>C∶K>N∶P>N∶K>P∶K。在不同土層深度中，C∶N、C∶P比值均顯著高于N∶P，C∶N在10～20 cm土壤中最大，隨著土壤深度的增加而減小；C∶P、N∶P在0～10 cm處最大，隨著土壤深度的增加而減小。

表1 不同土層深度土壤的化學(xué)計(jì)量比Tab.1 Stoichiometric ratio at different soil depths

不同土壤層的化學(xué)計(jì)量比，0～10 cm的土壤層C∶P、N∶P、C∶K、N∶K與其他土壤層均差異顯著(P<0.01)，高他其他土壤層的比值；10～20 cm土壤層C∶P、C∶K與其他土壤層均差異顯著(P<0.01)。

2.3 不同土壤層營養(yǎng)物質(zhì)的聚類分析

分別對(duì)杜鵑林下5個(gè)不同土壤層中的養(yǎng)分物質(zhì)含量進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)，采用R軟件進(jìn)行聚類分析(圖2)，結(jié)果顯示，從縱軸來看5個(gè)土壤層次具有較為明顯區(qū)分，不同土壤層在某些養(yǎng)分物質(zhì)差異更為顯著，充分表明這些養(yǎng)分物質(zhì)之間具有差異性。養(yǎng)分物質(zhì)的聚類結(jié)果顯示5個(gè)土壤層中TP對(duì)土壤層型的區(qū)分具有最大貢獻(xiàn)，其次為TN。因此，認(rèn)為這2種養(yǎng)分物質(zhì)是區(qū)分土壤層差異的主要組分。

圖2 野生馬纓杜鵑林不同土層深度土壤養(yǎng)分物質(zhì)的聚類熱圖Fig.2 Clustering heat map of soil nutrients at different soil depths in the wild Rhododendron delavayi forest

由百里杜鵑國家森林公園土壤理化指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系(表2)可知，杜鵑林下土壤理化指標(biāo)之間存在著密切的相關(guān)關(guān)系。TK、pH與其他指標(biāo)均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中pH與C∶P、N∶P、C∶K、N∶K為極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；SOC與除TK、pH外的其他指標(biāo)均為極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；TN、TP均與除TK、pH、C∶P之外的其他指標(biāo)均極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，C∶K與其他指標(biāo)均差異極顯著(P<0.01)。

表2 野生馬纓杜鵑林土壤養(yǎng)分含量與化學(xué)計(jì)量特征的相關(guān)性分析Tab.2 Correlations between soil nutrient contents and stoichiometric characteristics in the wild Rhododendron delavayi forest

3 討論

本研究土壤SOC、TN和TP含量均隨土壤土層深度的加深而逐漸遞減，與多數(shù)研究的結(jié)果一致。申佳艷等對(duì)3種森林群落(山地雨林、熱帶雨林、季風(fēng)常綠闊葉林)土壤養(yǎng)分分布特征的研究[19]，王曉佳對(duì)晉西的森林土壤[20]，趙維俊等對(duì)祁連山青海云杉森林土壤[21]，張繼平對(duì)井岡山森林土壤[22]的研究，均表明SOC、TN、TP含量隨土壤深度的增加而逐漸遞減。森林SOC、TN受季節(jié)變化的影響較大[23-24]，四川龍門山冷杉林、長白山混合闊葉林的土壤SOC、TN含量隨著土壤層的加深含量逐漸降低[25-26]。在印度熱帶落葉林中，土壤SOC的垂直變化規(guī)律也是隨著土壤層的加深含量逐漸降低[27]。針對(duì)森林土壤，土壤表層是枯枝落葉的主要接觸層，枯枝落葉在腐質(zhì)化過程中釋放大量營養(yǎng)元素[28]，因此表層土壤的營養(yǎng)元素含量較高，隨著土壤深度的增加逐漸減小。

本研究pH值均隨土壤土層深度的加深而逐漸增加，與前人的研究結(jié)果一致[29-30]。馬尾松林土壤3種林型pH值隨土層深度的增加而增大，但差異均不顯著[30]；杉木林不同土壤層pH值的變化規(guī)律不明顯[31]。土壤pH值是土壤的基本性質(zhì)和影響肥力的重要因素之一，pH值直接影響植物的生長和發(fā)育[32]。土壤pH值是影響土壤微生物群落特征的重要因素，土壤微生物群落狀況受到土壤pH值的影響和調(diào)節(jié)，土壤pH值是土壤微生物多樣性和豐度最重要的預(yù)測(cè)因子[33-35]。

4 結(jié)論

1)土壤SOC、TN、TP、TK和pH能較好的反映野生馬纓杜鵑林不同土壤層的土壤理化性質(zhì)。土壤SOC、TN和TP含量均隨土壤土層深度的加深而逐漸遞減，TK含量則表現(xiàn)為先升高后降低，土壤pH值均隨土壤土層深度的加深而逐漸增加。SOC和TN極顯著正相關(guān)，TP與pH極顯著負(fù)相關(guān)。

2)對(duì)馬纓杜鵑林下不同土壤層的化學(xué)計(jì)量比研究結(jié)果表明，不同土壤層的C∶N、C∶P、N∶P、C∶K、N∶K、P∶K比值均隨著土壤深度的增加依次遞減。

3)對(duì)不同土壤層物質(zhì)進(jìn)行聚類分析，結(jié)果表明養(yǎng)分物質(zhì)TP、TN是馬纓杜鵑林下5個(gè)土壤層差異的主要成分。相關(guān)性分析表明，SOC與除TK之外的其他指標(biāo)均差異極顯著，C∶P與除TK之外的其他生理指標(biāo)均差異極顯著，C∶K與其余生理指標(biāo)均差異極顯著，N∶K與除C∶N之外的其他生理指標(biāo)均差異極顯著。