中亞熱帶原生性森林生態(tài)系統(tǒng)土壤生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征

張巧穎　劉雪華

摘要：生態(tài)化學(xué)計量學(xué)為研究土壤-植物相互作用與C、N和P循環(huán)提供了新的思路。利用生態(tài)化學(xué)計量比相關(guān)理論對武夷山41個土壤樣點(diǎn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)：1）土壤C、N和P平均值分別為25.35±12.59g·kg-1、2.95±2.12g·kg-1和0.29±0.11g·kg-1，變化范圍分別為6.07～56.54 g·kg-1、0.67～9.68 g·kg-1和0.06～0.49 g·kg-1；2）土壤C/N、C/P和N/P平均值分別為9.50±2.89、102.27±65.78和12.67±13.90，變化范圍分別為3.92～13.27、20.54～303.53和3.24～62.58；3）土壤C、N、P、C/N、C/P和N/P變異系數(shù)分別為0.50、0.72、0.39、0.30、0.64和1.10。結(jié)果表明：研究區(qū)土壤C和N含量豐富，微生物活動活躍，土壤較為肥沃，可為我國森林生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：土壤；生態(tài)化學(xué)計量學(xué)；中亞熱帶原生性森林系統(tǒng)；武夷山

0引言

生態(tài)化學(xué)計量學(xué)是近年來新興的生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域，對揭示土壤化學(xué)元素的可獲得性、循環(huán)和平衡機(jī)制及生態(tài)系統(tǒng)植被養(yǎng)分的限制性等具有重要意義，為研究土壤-植物相互作用與C、N和P循環(huán)提供了新的思路[1，2]。土壤養(yǎng)分是土壤肥力最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，其中，N和P是生物生長的限制性養(yǎng)分，C是物質(zhì)結(jié)構(gòu)，三者密切相關(guān)，所以，關(guān)于C、N和P的生態(tài)化學(xué)計量學(xué)的研究最多[3]。生態(tài)化學(xué)計量學(xué)提出20多年來，國內(nèi)外學(xué)者已在許多領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用。例如，張向茹等人在研究黃土高原不同緯度下刺槐林土壤生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征中發(fā)現(xiàn)土壤C/P和N/P隨緯度的升高顯著減小[4]，劉興詔等人發(fā)現(xiàn)南亞熱帶森林不同演替過程中植物與土壤各土層的N/P隨演替的進(jìn)行有不斷增加的趨勢[5]。然而，相較于國外生態(tài)化學(xué)計量學(xué)研究的深度和廣度，國內(nèi)研究則相對不足[6]。

我國森林生態(tài)系統(tǒng)退化程度嚴(yán)重，恢復(fù)已退化的森林生態(tài)系統(tǒng)成為當(dāng)代人迫切需要解決的重大問題。武夷山是福建省著名旅游景點(diǎn)，因其保存著大量完整無損、多種多樣的林帶，是中國亞熱帶森林和南中國雨林最大、最具代表性的例證。作為中亞熱帶原生性森林生態(tài)系統(tǒng)，研究其土壤中多種元素含量變化，循環(huán)平衡和有效性對恢復(fù)我國森林生態(tài)系統(tǒng)具有借鑒作用。因此，本文主要對武夷山土壤C、N和P含量及生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征進(jìn)行探討，以期為恢復(fù)我國森林生態(tài)系統(tǒng)提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1研究區(qū)概況

武夷山自然保護(hù)區(qū)位于27°33′-27°54′N，117°27′-117°51′E，處福建省武夷山市，區(qū)內(nèi)多為北北東向和北西向的斷谷所分割，形成高山深谷地貌。武夷山地處中亞熱帶，四季溫度均勻，年平均氣溫約8.5～18℃，年降水量約1846～2150mm[7]，是福建省降水量最多的地區(qū)。武夷山主要分布前震旦系和震旦系的變質(zhì)巖系，中生代的火山巖、花崗巖和碎屑巖，由于坡度較大，成土母質(zhì)多為坡積物或殘積-坡積物，土壤類型主要有紅壤、黃紅壤、黃壤、草甸土[8，9]。武夷山保存了世界同緯度帶最完整、最典型、面積最大的中亞熱帶原生性森林生態(tài)系統(tǒng)，發(fā)育有明顯的植被垂直帶譜，幾乎囊括了中國亞熱帶所有的亞熱帶原生性常綠闊葉林和巖生性植被群落[10，7]。

1.2數(shù)據(jù)源

本文土壤樣品為2014年11月在武夷山自然保護(hù)區(qū)所采集的土壤。土壤野外采樣過程中，利用手持GPS準(zhǔn)確定位。野外采樣共采集土壤樣品41個。將采集的土壤樣品帶回室內(nèi)實(shí)驗室進(jìn)行土壤理化性質(zhì)的測定，測定項目包括有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷，有機(jī)質(zhì)的測定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法，全氮采用開氏消煮法，全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法。在此基礎(chǔ)上再計算出C/N、C/P和N/P（質(zhì)量比）的值，如表1；采用SPSS進(jìn)行單因素方差分析（P<0.05），如表2。

2結(jié)果分析

2.1研究區(qū)土壤C、N和P含量特征

研究區(qū)土壤C、N和P含量平均值分別為25.35g·kg-1、2.95g·kg-1和0.29g·kg-1，中值為27.12 g·kg-1、2.53 g·kg-1和0.29 g·kg-1，說明土壤中C、N和P含量多集中于平均值附近。土壤C、N和P變異系數(shù)分別為50%、72%和39%，C和N屬中等變異，P屬低變異。

2.2研究區(qū)土壤C、N和P化學(xué)計量學(xué)特征

武夷山土壤C/N、C/P和N/P平均值分別為9.50、102.27和12.67，變異系數(shù)分別為30%、64%和110%，C/N屬低變異，C/P屬中等變異，N/P屬強(qiáng)變異。

3討論

3.1土壤C、N和P含量分析

根據(jù)第二次全國土壤普查分級標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量屬一級水平（>40 g·kg-1），全氮屬一級水平（>2 g·kg-1），土壤全磷屬六級極貧乏水平（<0.4 g·kg-1）。森林生態(tài)系統(tǒng)土壤的有機(jī)質(zhì)主要來源是生長其上的自然植被，植被以凋落物的形式堆積于土壤表層，經(jīng)微生物的分解作用使土壤表層的有機(jī)質(zhì)含量較高，土壤保水保肥能力較好。我國南方高溫多雨，土壤的富鋁化作用明顯，使土壤固磷強(qiáng)度大，因而土壤P含量貧乏是我國中亞熱帶地區(qū)土壤的普遍特征[11]。

武夷山發(fā)育有明顯的植被垂直帶譜，海拔的不同發(fā)育不同的森林植被，不同的植被類型土壤的可溶性有機(jī)碳和氮存在差異[12]，所以研究區(qū)的土壤C和N都屬中等變異，變異系數(shù)分別為50%和72%。由于我國南方土壤普遍屬于P限制，加之武夷山保護(hù)區(qū)受人為影響較少，因而不同類型植被P含量差異不大，P的變異性弱。

3.2土壤C/N、C/P和N/P分析

C/N可作為估算土壤N儲量的一個數(shù)值[13]。研究區(qū)土壤C/N平均值為9.5，低于我國土壤C/N平均值（10-12）[14]。微生物在分解有機(jī)物過程中，在一定范圍內(nèi)，有機(jī)物C/N值越大，分解速率越小。研究區(qū)土壤C/N較低，土壤有機(jī)質(zhì)分解速率較快，形成的腐殖質(zhì)量多，土壤肥力較好，N儲量豐富。C/N屬低等變異，主要是因為C和N元素之間具有極顯著的相關(guān)關(guān)系，而且對環(huán)境變化的響應(yīng)幾乎同步[15]。

研究區(qū)土壤C/P平均值為102.27，研究區(qū)土壤為P限制。Makino和Cotner認(rèn)為在P限制的情況下（C/P大于93：1），C/P越小，植物生長率越高。反之，C/P比較高，微生物在有機(jī)質(zhì)分解過程中存在P受限，從而與植物競爭土壤中的無機(jī)磷，不利于植物生長[16]。研究區(qū)土壤C/P比較低，有利于微生物在分解有機(jī)質(zhì)過程中促進(jìn)土壤有效磷的增加。土壤C/P與C呈極顯著正相關(guān)，與N和P不呈顯著相關(guān)關(guān)系，所以C/P與C一樣也屬中等變異。

研究區(qū)土壤N/P平均值為12.67，遠(yuǎn)大于我國有機(jī)土（8）及我國陸地土壤（3.9）[17]。陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤N/P越大，生物固氮量越小[18]，研究區(qū)土壤生物固氮量明顯小于我國有機(jī)土壤和陸地土壤。N/P的強(qiáng)變異性說明研究區(qū)N和P時空分布不一致。

4結(jié)論

（1）研究區(qū)土壤C和N含量相對豐富，P含量貧乏，屬P限制。

（2）研究區(qū)土壤C/N和C/P變異程度相對較小，N/P變異程度相對較大，N和P時空分布不一致。

（3）研究區(qū)土壤C/N低于全國平均水平、C/P較低，但N/P高于全國平均水平。土壤較肥沃，N儲量較大，但是生物固氮量小。