雷州半島3種速生人工林下土壤生態(tài)化學(xué)計量特征

許宇星，王志超，竹萬寬，杜阿朋

（國家林業(yè)局 桉樹研究開發(fā)中心，廣東 湛江524022）

化學(xué)計量學(xué)是化學(xué)元素平衡的科學(xué)，強調(diào)活有機(jī)體主要組成元素（特別是碳、氮和磷）的化學(xué)計量特征關(guān)系［1－3］。中國人工林面積居世界之首，因林分結(jié)構(gòu)單一、培育制度不健全而導(dǎo)致水土流失和林分生產(chǎn)力下降等問題日趨嚴(yán)重。目前，國內(nèi)對人工林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)不同元素化學(xué)計量學(xué)研究頗多，主要集中在植物器官的元素生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征研究。崔寧潔等［4］總結(jié)了長江上游不同林齡馬尾松Pinus massoniana人工林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)碳、氮、磷分配格局及化學(xué)計量特征，對提高馬尾松人工林養(yǎng)分利用效率及林地生產(chǎn)力具有重要意義；趙亞芳等［5］對秦嶺西主峰鰲山下3種不同林齡華北落葉松Larix principis-rupprechtii針葉碳、氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其化學(xué)計量比隨季節(jié)變化規(guī)律進(jìn)行了比較分析，為華北落葉松的合理經(jīng)營提供理論依據(jù)。土壤作為人工林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其養(yǎng)分成分對速生林生長起關(guān)鍵作用［6］，土壤中各元素化學(xué)計量學(xué)特征不僅反映肥力狀況，同時其比值也反映了土壤碳、氮、磷、鉀的礦化和固持作用及對養(yǎng)分的供給能力。桉樹Eucalyptus spp.和松樹Pinus spp.是華南地區(qū)最重要的速生豐產(chǎn)林樹種，栽植面積大，材質(zhì)好且生產(chǎn)力高，在中國林業(yè)建設(shè)與生態(tài)安全中發(fā)揮舉足輕重的作用，但樹種結(jié)構(gòu)單一、輪伐期短和連年栽植等問題已造成人工林產(chǎn)量逐代遞減，林地土壤理化性質(zhì)變差［7－8］。人工林地力衰退成為了制約林分生長的主要因素［9］。本研究選取雷州半島尾巨桉Eucalyptus urophylla×E.grandis，赤桉Eucalyptus camaldulensis和濕加松Pinus elliottii×P.caribaea等3種常見人工林為研究對象，對其林下土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)及生態(tài)化學(xué)計量特征進(jìn)行研究，以期揭示人工速生林下土壤碳、氮、磷、鉀的分布格局及其比值變化特征，為人工林土壤養(yǎng)分管理及合理科學(xué)施肥提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地位于南方國家級林木種苗示范基地，屬北熱帶濕潤大區(qū)雷瓊區(qū)北緣，海洋性季風(fēng)氣候，年降水量為1 567 mm，5－9月為雨季，占全年85.5%；年平均氣溫為23.1℃，年相對濕度為80.4%；土壤類型主要為磚紅壤， 有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞10.0 g·kg－1， 偏酸性（pH 4.5～5.3）［10－12］。 試驗林分選取種苗基地內(nèi) 3個不同速生樹種（尾巨桉、赤桉、濕加松），不同林分苗木均來源于種苗基地培育的生長均一［（25±2）cm］的網(wǎng)袋苗木，造林前施用等量（666 kg·hm－2）專業(yè)基肥，造林后對林分進(jìn)行定期除雜維護(hù)。林分具體特征見表1。

1.2 研究方法與樣品采集

2016年4 月下旬，在備選的3個不同人工林林分中分別布設(shè)3個20 m×20 m的樣地，在每個樣方內(nèi)以 “S”形選擇5個點取樣，使用土鉆按0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm分層采集土壤，仔細(xì)除去其中可見植物殘體及土壤動物，風(fēng)干過篩（0.25 mm網(wǎng)篩）后備用［6］。

1.3 樣品分析與數(shù)據(jù)處理

本研究中，元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定方法參考LY/T 1210～1275－1999中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有機(jī)碳測定采用重鉻酸鉀氧化-容量法，土壤全氮采用凱氏定氮法，土壤全磷采用堿熔-鉬銻抗比色法，土壤全鉀采用堿熔-火焰光度法。數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行單因素方差分析、相關(guān)分析以及多重比較、采用Excle 2010繪制相關(guān)圖表。

表1 試驗地林分概況Table 1 Basic situation of different plantations

2 結(jié)果與分析

2.1 不同人工林地土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

由表2可知：3種不同人工林0～60 cm土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)為赤桉林＞尾巨桉林＞濕加松林，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為尾巨桉林＞濕加松林＞赤桉林。其中，有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著（P＞0.05）；赤桉全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于尾巨桉林和濕加松林，全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為濕加松林＞赤桉林＞尾巨桉林，濕加松林土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于尾巨桉林和赤桉林土壤（P＜0.05）。

3種不同人工林中，有機(jī)碳、全氮均隨土層深度的增加而呈現(xiàn)下降趨勢。其中，不同人工林表層（0～20 cm）土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 23.73～27.32 和 1.84～2.10 g·kg－1，而中層土壤（20～40 cm）則迅速下降至13.72～15.21和0.93～1.33 g·kg－1，之后到下層土壤（40～60 cm）雖質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所下降但未出現(xiàn)顯著差異。土壤全磷和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加變化不大，除尾巨桉林表層全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)及赤桉林表層全鉀顯著高于中層和下層土壤，其余不同人工林各土層深度間全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均未達(dá)到顯著水平（P＞0.05），不同人工林中層土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)與表層和下層土壤均未產(chǎn)生顯著差異（P＞0.05）。3種人工林相同土層間有機(jī)碳和全氮均未產(chǎn)生顯著差異，尾巨桉林與濕加松林各層土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著高于赤桉林土壤，而尾巨桉林和赤桉林各層土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著低于濕加松林土壤（P＜0.05）。

表2 各人工林下不同土壤深度有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Content of organic C,total N,total P and total K of the different soil depths in 3 kinds of plantations

2.2 不同人工林地土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀的化學(xué)計量特征

圖1可以看出：3種不同人工林0～60 cm土層間土壤碳氮比和氮磷比均未產(chǎn)生顯著差異（P＞0.05），不同人工林土層間土壤碳氮比為8.87～16.41；氮磷比為0.53～3.38。3種不同人工林0～60 cm土層間碳鉀比、氮鉀比、碳磷比、磷鉀比均產(chǎn)生顯著差異（P＜0.05），表現(xiàn)為尾巨桉林＞赤桉林＞濕加松林。

圖1顯示：3個不同人工林碳氮比、磷鉀比隨土層深度變化并無一致規(guī)律，主要是由植物對不同土層養(yǎng)分吸收利用以及土壤腐殖質(zhì)對各土層養(yǎng)分的供應(yīng)不同所導(dǎo)致。隨著土層深度變化，3種不同人工林碳磷比、碳鉀比、氮磷比、氮鉀比均呈現(xiàn)降低趨勢，且表層土壤（0～20 cm）比值均顯著高于中層（20～40 cm）和下層（40～60 cm）土壤（P＜0.05），中層和下層土壤緩慢下降但未產(chǎn)生顯著差異（P＞0.05）。其中，碳鉀比、氮鉀比、磷鉀比各土層深度均表現(xiàn)為尾巨桉林＞赤桉林＞濕加松林。

圖1 不同深度土壤各元素化學(xué)計量比Figure 1 Stoichiometry features of different soil depthes

2.3 土壤有機(jī)碳、 全氮、 全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其化學(xué)計量比之間的相關(guān)性

表3顯示：土壤有機(jī)碳和全氮極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.925，有機(jī)碳與土壤全磷和全鉀相關(guān)性不顯著（P＞0.05）；土壤全氮、全磷以及全鉀間相關(guān)性均不顯著。土壤有機(jī)碳與氮磷比及全氮與碳磷比均呈極顯著正相關(guān)。這是因為土壤中全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較穩(wěn)定，氮磷比和碳磷比主要受全氮及土壤有機(jī)碳的影響，而3種人工林不同土層土壤有機(jī)碳與全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化又具有一致性。

3 結(jié)論與討論

土壤養(yǎng)分作為森林生態(tài)系統(tǒng)植物體營養(yǎng)元素的主要來源，其碳、氮、磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)及化學(xué)計量特征可影響植物體各元素平衡［13－14］。本研究中，2種桉樹林和濕加松林表層土壤（0～20 cm）有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)未產(chǎn)生顯著差異，土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)赤桉林顯著低于尾巨桉林和濕加松林，后兩者未產(chǎn)生顯著差異。2種桉樹林和濕加松林下表層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.73～27.32 g·kg－1，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.84～2.10 g·kg－1，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.71～0.90 g·kg－1。其中，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于湖南會同7年生杉木Cunninghamia lanceolata人工林下土壤（19.52 g·kg－1）［15］，略低于閩南山區(qū)6年生尾巨桉人工林土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（28.07 g·kg－1）［16］；土壤全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于湖南會同 7 年生杉木人工林（1.70 g·kg－1和 0.23 g·kg－1）［15］和閩南山區(qū) 6 年生尾巨桉人工林（1.82 g·kg－1和 0.39 g·kg－1）［16］， 低于廣西雅長蘭科 Orchidaceae 植物自然保護(hù)區(qū)土壤全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值（3.22 g·kg－1和 1.15 g·kg－1）［17］。 可能原因在于本研究樣地和閩南山區(qū)均屬于南亞熱帶地區(qū)，溫度較高、降雨充沛，有利于凋落物的分解和養(yǎng)分循環(huán)，使土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于湖南會同地區(qū)杉木人工林，與閩南山區(qū)相似；而廣西雅長蘭科植物自然保護(hù)區(qū)雖屬中亞熱帶季風(fēng)區(qū)，且年均降水量（1 051.7 mm）低于南亞熱帶，但保護(hù)區(qū)內(nèi)森林連片分布，原生性較強，有機(jī)質(zhì)積累深厚［17］，因此有機(jī)碳、全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于本研究區(qū)和閩南山區(qū)土壤。3種人工林土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較明顯， 濕加松林下表層土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)（9.21 g·kg－1）顯著高于 2 種桉樹林（0.86～1.73 g·kg－1）（P＜0.05），可能原因在于桉樹本身的速生特性對鉀元素的吸收能力強于濕加松；同時，試驗區(qū)雨季雨水較多，桉樹人工林地除雜工作頻繁，容易形成地表徑流，從而導(dǎo)致部分有機(jī)質(zhì)和全氮、磷、鉀養(yǎng)分隨雨水流失［11］。

表3 土壤各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及化學(xué)計量的相關(guān)性Table 3 Correlations of soil C，N，P，K and stoichiometry features

土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度呈下降趨勢，3種不同人工林表層土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于下2層土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)，之后從20～40 cm土層到40～60 cm土層雖質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所下降但未出現(xiàn)顯著差異?？赡茉蛟谟谕寥烙袡C(jī)碳主要來源于土壤表層的凋落物及其根系，這些凋落物及根系分解所形成的大量有機(jī)物及養(yǎng)分元素首先進(jìn)入土壤表層，致使土壤表層有機(jī)質(zhì)積累較多［15］，土壤氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)除來源于凋落物分解還有大氣氮沉降［14］，因此，土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)會出現(xiàn)較為明顯的土壤層次差異。相關(guān)性分析表明（表5）：土壤有機(jī)碳和全氮呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.925，與化學(xué)計量學(xué)的基本原則相符，即有機(jī)物的形成需要一定數(shù)量的氮和其他營養(yǎng)成分與其相應(yīng)的相對固定比率的碳［18］。土壤全磷和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加變化不大，除尾巨桉林表層土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及赤桉林表層土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于中層和下層土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其余不同人工林各土層深度間全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均未達(dá)到顯著水平（P＞0.05），且不同人工林中層土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)與表層和下層土壤均未產(chǎn)生顯著差異。可能原因在于土壤中磷元素主要來源于巖石的風(fēng)化及凋落物的分解［19］，土壤鉀元素主要來源于礦物質(zhì)風(fēng)化、凋落物分解和降水淋溶［20］，礦物風(fēng)化作用是一個漫長而穩(wěn)定的過程，對土壤中磷鉀量影響較大，因而其質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度變化不顯著，隨土層深度變異性較小。

土壤碳氮比、碳磷比和氮磷比是反映土壤有機(jī)質(zhì)組成及土壤資源有效性的重要指標(biāo)［21］。土壤碳氮比是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)，同時也反映了土壤不同元素的營養(yǎng)平衡狀態(tài)［22］。本研究中，赤桉林與濕加松林表層土壤碳氮比顯著高于尾巨桉林，同時結(jié)合3種人工林樹種生理特性及其樹高與胸徑生長狀況（表1），說明尾巨桉林表層土壤具有較快的礦化作用，但有機(jī)質(zhì)較快的分解可能不利于土壤養(yǎng)分的維持［14］。3種人工林0～60 cm土層碳氮比未產(chǎn)生顯著差異，數(shù)值為12.63～13.14，高于中國土壤碳氮比平均值（10.10～12.10）［24］，低于全球土壤碳氮比平均值 13.33［23］。 本研究區(qū) 0～60 cm 土層碳磷比為 19.40～26.36，低于中國平均土壤碳磷比（105.00）［24］。有研究表明［25］，當(dāng)碳磷比＜200.00時，土壤微生物碳素會出現(xiàn)短暫增加和有機(jī)磷的凈礦化，從而使土壤中磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所提升。據(jù)此說明研究區(qū)3種人工林土壤磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較充足。土壤氮磷比可作為養(yǎng)分限制類型的有效預(yù)測指標(biāo)［21］。該研究區(qū)3種人工林土壤0～20 cm土層及0～60 cm土層氮磷比間未出現(xiàn)顯著差異，但低于中國土壤氮磷比平均值5.20［26］，說明研究區(qū)土壤中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對缺乏，3種人工林類型之間存在相似養(yǎng)分限制類型。植物生長過程中通過土壤吸收營養(yǎng)成分只是其中一種方式，植物還可以從凋落前的老葉通過轉(zhuǎn)移再分配以及空氣中吸取部分養(yǎng)分［27］，因此，通過土壤判斷植物生長過程中的養(yǎng)分限制類型還需結(jié)合葉片及凋落物等的養(yǎng)分元素狀況。我們通過對雷州半島不同林齡桉樹葉片、凋落物及土壤的養(yǎng)分元素測定并分析也發(fā)現(xiàn)，該研究區(qū)人工林生長受氮元素限制（另文發(fā)表）。磷鉀比在3種人工林不同土層間未產(chǎn)生顯著差異，但土壤磷鉀比、碳鉀比、氮鉀比在3種人工林0～60 cm土層間均產(chǎn)生顯著差異，可見該研究區(qū)所選人工林種類的改變對土壤中磷鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化影響較大，但各人工林不同深度磷鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較小。

4 結(jié)論

通過對雷州半島3種常見人工林土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比分析可知，2種桉樹林和濕加松林表層土壤有機(jī)碳及全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)未產(chǎn)生顯著差異，赤桉林土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于尾巨桉林及濕加松林，而濕加松林土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于2種桉樹林下土壤；隨土層深度變化，土壤有機(jī)碳及全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸下降，但全磷及全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)未產(chǎn)生規(guī)律性變化。該研究區(qū)內(nèi)3種人工林土壤磷元素相對充足，林木生長均受氮元素限制。因此，建議雷州半島速生人工林栽植過程中，及時補充林木生長的限制性營養(yǎng)元素，在提高人工林產(chǎn)量的同時，也可避免土壤的過度消耗。

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