閩南山地樹種轉(zhuǎn)換對(duì)土壤碳氮磷及化學(xué)計(jì)量的影響

趙文東，李 凱，朱傳晟，楊啟帆，沈 健，林 熙，何宗明，丁國昌

（1.福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué) 藝術(shù)園林學(xué)院，福建 福州 350002）

【研究意義】C、N、P不僅是植物的主要組成元素，而且其多種化合物直接參與植物的各種生命活動(dòng)，在植物生長發(fā)育過程中起著不可替代的重要作用。C元素直接影響著植物的呼吸光合轉(zhuǎn)化率，并且起著平衡和調(diào)節(jié)其他養(yǎng)分之間關(guān)系的重要作用[1]。N 元素是植物體氨基酸的組成成份，是結(jié)構(gòu)蛋白的重要成份，對(duì)植物光合作用至關(guān)重要[2]。此外，氮肥還可以促進(jìn)植物細(xì)胞的分裂和生長。P元素不僅可以增加植物枝桿的堅(jiān)韌度，還可以提高植物的開花結(jié)實(shí)率，促進(jìn)植物體正?？焖俚纳L。土壤作為植物生命活動(dòng)的主要場所，是植物獲取C、N、P 的主要來源，它影響著植物群落的生長狀況、分布狀況、豐富度、生產(chǎn)力水平等[3-4]，是林業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)經(jīng)營的關(guān)鍵因素。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)主要研究生物與環(huán)境相互作用過程中多種元素（主要指C、N、P）平衡關(guān)系的一門學(xué)科[5-6]。最早用于研究水生生態(tài)系統(tǒng)，隨著大量研究的展開，眾多學(xué)者將生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)應(yīng)用于土壤化學(xué)領(lǐng)域[7-9]，研究土壤與植物互作過程中C、N、P 的循環(huán)機(jī)理[10-11]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤化學(xué)計(jì)量學(xué)主要在以下方面開展：包括不同海拔[12]、不同林齡[13]、不同演替類型[14]、不同的土地利用方式[15]，但對(duì)于樹種轉(zhuǎn)換后其林地土壤化學(xué)計(jì)量變化規(guī)律還鮮有報(bào)道?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】福清地區(qū)位于我國東南沿海，由于杉木（Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.）多代連栽，發(fā)生了嚴(yán)重的地力衰退現(xiàn)象，為了有效緩解地力衰退和水土流失現(xiàn)象[16-17]，當(dāng)?shù)匾N栽植固氮樹種黑木相思（Acacia melanoxylonR.Br.）和速生樹種桉樹（Eucalyptus robustaSmith）來改良土壤肥力。根據(jù)適地適樹原則，植物與土壤間存在極強(qiáng)的相互作用，樹種改變勢必會(huì)對(duì)土壤的養(yǎng)分及碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量產(chǎn)生重要的影響，而杉木轉(zhuǎn)換為固氮樹種黑木相思和速生樹種桉樹后是否有效改善福清地區(qū)杉木連載帶來的水土流失問題尚未定論?！緮M解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本研究深入探討杉木轉(zhuǎn)換為固氮樹種黑木相思和速生樹種桉樹后，其土壤碳氮磷養(yǎng)分含量及化學(xué)計(jì)量的變化規(guī)律。以期為解決地區(qū)樹種轉(zhuǎn)換后水土的恢復(fù)及人工林的可持續(xù)經(jīng)營提供新思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省福清靈石國有林場朱山工區(qū)（25°67′N，119°27′E），海拔在230 m 左右，地形主要以山地丘陵為主。主要?dú)夂蝾愋鸵詠啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，屬于南亞熱帶氣候帶閩東南沿海海洋性季風(fēng)氣候。全年平均氣溫19.7 ℃，夏長而無酷暑，冬短而少嚴(yán)寒，年均日照時(shí)數(shù)2 000 h左右，無霜期340～360 d，年均降水量在1 780 mm。土壤為花崗巖發(fā)育的酸性土壤，地帶性土壤為紅壤，土層深厚。

試驗(yàn)地前茬為26年生杉木林，于2007年砍伐煉山后同一時(shí)期營造2代杉木（Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.）、桉樹（Eucalyptus robustaSmith）和黑木相思（Acacia melanoxylonR.Br.）人工林，3種林分生境相似，其林下植被分布基本一致，主要有鵝掌柴（Schefflera heptaphylla（L.）Frodin）、九節(jié)（Psychotria asiaticaL.）、香樟（Cinnamomum camphora（Linn）Presl）、千年桐（Vernicia montanaLour.）、格藥柃（Eurya muricataDunn）、粗葉榕（Ficus hirtaVahl）、猴耳環(huán)（Archidendron clypearia（Jack）I.C.Nielsen）、朱砂根（Ardisia crenataSims）、石斑木（Rhaphiolepis indica（L.）Lindl.）、毛冬青（Ilex pubescensHook.&Arn.）、毛果算盤子（Glochidion eriocarpumChamp.ex Benth.）、兩面針（Zanthoxylum nitidum（Roxb.）DC.）、鐵線蕨（Adiantum capillus-venerisL.）、狗脊（Woodwardia japonica（L.f.）Smith）、黑莎草（Gahnia tristis Neesin Hooker&Arnott）、玉葉金花（Mussaenda pubescensW.T.Aiton）、烏毛蕨（Blechnum orientaleL.）、淡竹葉（Lophatherum gracileBrongn.）、毛蕨（Cyclosorus interruptus（Willd.）H.It?）、黃端木（Adinandra milletti（iHook.&Arn.）Benth.&Hook.f.ex Hance）、海金沙（Lygodium japonicum（Thunb.）Sw.）、土茯苓（Smilax glabraRoxb.）等。

表1 樣地概況Tab.1 Overview of sample plots

1.2 樣品采集與處理

于2020年12月中旬進(jìn)行土壤樣品采集，根據(jù)研究區(qū)3種林分的生長狀況及立地條件，在每種林分內(nèi)分別隨機(jī)設(shè)置3塊20 m×20 m的樣地，共計(jì)9塊樣地。對(duì)樣地內(nèi)的林木進(jìn)行每木檢尺調(diào)查其樹高和胸徑，同時(shí)利用便攜式手持GPS 記錄每個(gè)林分的海拔、坡向等地形因子。在每塊樣地內(nèi)按照S 形設(shè)置取樣點(diǎn)，每塊樣地選取3 個(gè)樣點(diǎn)，清除表面腐殖質(zhì)層后，在每個(gè)取樣點(diǎn)使用鏟子和鋤頭打好土壤剖面后，按照0～10，10～20和20～40 cm 土層進(jìn)行土樣采集。每個(gè)樣點(diǎn)使用土壤環(huán)刀按不同土層采集3個(gè)樣品用作物理性質(zhì)的測定，另外每個(gè)土層取250 g 左右放入自封袋并做好標(biāo)記用作土壤碳氮磷含量的測定，上下土體保持一致，將每個(gè)樣地內(nèi)同一土層的土樣裝入自封袋做好標(biāo)記，3種林分，9個(gè)樣地土壤樣品共計(jì)81份。采集回的樣品放在陰涼處自然風(fēng)干，清除根系和石礫后對(duì)土壤樣品研磨過0.149 mm和2 mm篩，留作備測。

土壤有機(jī)碳（SOC）含量采用重鉻酸鉀外加熱法進(jìn)行測定，全氮（TN）含量使用全自動(dòng)碳氮分析儀（Elementar ELVario Max，德國）進(jìn)行測定；全磷（TP）含量采用消煮液＋鉬銻抗比色法進(jìn)行測定，土壤pH值采用電位法，物理性質(zhì)采用常規(guī)方法測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，利用Origin 2018 pro進(jìn)行圖表繪制。采用SPSS 22.0對(duì)不同人工林和不同土層的土壤物理性質(zhì)、碳氮磷含量及化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA）、多重比較（LSD）及描述性統(tǒng)計(jì)分析；采用SPSS 22.0 建立土壤有機(jī)碳、全氮和全磷及化學(xué)計(jì)量比之間的一元線性回歸模型，對(duì)土壤物理性質(zhì)和土壤碳氮磷及化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析；通過雙因素方差分析（Two-way ANOVA）檢驗(yàn)林分類型和土層深度及其交互作用對(duì)土壤碳氮磷含量及其化學(xué)計(jì)量比的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分土壤剖面物理性質(zhì)特征

杉木3個(gè)土層土壤容重分別為0.99，1.35，1.33 g/cm（3表2），桉樹為1.00，1.18，1.34 g/cm3，黑木相思為0.93，1.15，1.17 g/cm3；杉木、桉樹和黑木相思0～10 cm的最大持水量分別為496.48，426.52，496.21 g/cm3，均顯著大于10～20 cm和20～40 cm兩個(gè)土層；其中桉樹20～40 cm土層最大持水量僅為296.83 g/cm3，杉木0～10 cm的最小持水量（402.15 g/cm3）顯著大于另外兩個(gè)土層，桉樹0～10 cm的最小持水量為340.04 g/cm3，顯著大于10～20 cm 和20～40 cm；杉木0～10 cm 毛管持水量為428.31 g/cm3，顯著大于另外兩個(gè)土層，桉樹3 個(gè)土層毛管持水量為368.70，320.41，283.95 g/cm3，0～10 cm顯著大于10～20 cm和20～40 cm，黑木相思0～10 cm的毛管持水量顯著大于另外兩個(gè)土層；3 種林分0～10 cm 的非毛管孔隙度為11.70%、10.05%、14.24%，顯著大于10～20 cm 和20～40 cm；3 種林分各土層的毛管孔隙度在不同土層間差異較小，方差分析顯示，杉木和黑木相思0～10 cm顯著大于其余兩個(gè)土層，而桉樹3個(gè)土層差異均未達(dá)顯著水平。總體來說，3種林分土壤的物理性質(zhì)均隨著土層加深而呈現(xiàn)遞減的趨勢，同一土層不同林分間土壤物理性質(zhì)差異較小，土壤的容重、最大持水量、最小持水量、毛管持水量和毛管孔隙度均未達(dá)顯著水平（P＞0.05），說明土壤的物理性質(zhì)主要受土層深度的影響，而受林分類型的影響較小。

表2 不同林分土壤物理性質(zhì)變化特征Tab.2 Changes of soil physical properties in different stands

2.2 不同林分土壤剖面碳氮磷含量

杉木、桉樹和黑木相思3 個(gè)林分的有機(jī)碳和全氮均表現(xiàn)出隨著土層加深，含量逐漸下降的趨勢（表3）。其中杉木土壤有機(jī)碳的含量在3 個(gè)土層間均具有顯著性差異，其值分別為：27.67，21.18，8.98 g/kg，0～10 cm 與20～40 cm 相差18.69 g/kg。黑木相思土壤有機(jī)碳含量在0～10 cm 和10～20 cm 要顯著高于20～40 cm。3 種林分土壤的全氮含量均為0～10 cm 的顯著高于另外兩個(gè)土層，而10～20 cm和20～40 cm 差異未達(dá)顯著水平（P＞0.05）。全磷的含量在不同林分和不同土層間差異較小，3 種林分土壤全磷含量在0.24～0.33 g/kg，杉木和黑木相思土壤的全磷含量在各土層間差異均未達(dá)顯著水平，桉樹土壤的0～10 cm 和20～40 cm 的全磷含量較10～20 cm 分別高出0.06 g/kg 和0.04 g/kg。全磷含量主要與土壤母質(zhì)相關(guān)，來源較為單一，故受樹種和土層影響較小，含量相對(duì)穩(wěn)定。土壤有機(jī)碳在同一土層不同樹種間表現(xiàn)出桉樹和黑木相思整體高于杉木的趨勢，表層土壤的有機(jī)碳在各林分間未達(dá)顯著水平，在10～20 cm 桉樹和黑木相思土壤有機(jī)碳顯著高于杉木土壤有機(jī)碳，而桉樹土壤20～40 cm 有機(jī)碳含量顯著高于另外兩個(gè)林分。3 個(gè)林分表層土壤全氮含量由大到小依次為：杉木、桉樹和黑木相思，差異達(dá)顯著水平，而在10～20 cm 土層3 個(gè)林分土壤全氮含量均未達(dá)顯著水平，20～40 cm 土層全氮含量則表現(xiàn)為杉木和桉樹顯著高于黑木相思。各土層全磷含量受樹種影響較小，在不同林分間差異較小，只有杉木10～20 cm 土層全氮含量顯著高于另外兩個(gè)土層。

表3 不同林分碳氮磷含量Tab.3 Contents of carbon，nitrogen and phosphorus in different stands

2.3 不同林分土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

C∶N變異系數(shù)由大到小排序基本為杉木、桉樹、黑木相思，C∶P變異系數(shù)由大到小排序?yàn)樯寄?、桉樹、黑木相思，N∶P變異系數(shù)由大到小排序?yàn)樯寄?、桉樹、黑木相思（?）。杉木土壤C∶P和N∶P的變異系數(shù)整體高于另外兩個(gè)林分，處于相對(duì)較高的變異水平，其中C∶P 最小值為25.89，最大值120.09，相差94.2。3 種林分的C∶N 的變異水平都較低，變異系數(shù)分別為0.12、0.09、0.11，其中桉樹土壤的變異系數(shù)最低，C∶N變化范圍為11.36～15.61。按照變異系數(shù)變異強(qiáng)度劃分辦法，3種林分的碳氮磷化學(xué)計(jì)量比的變異水平處于中等水平，3種林分土壤的生態(tài)化學(xué)計(jì)量空間變異程度較小。

表4 不同林分碳氮磷化學(xué)計(jì)量變異系數(shù)Tab.4 Stoichiometric coefficient of variation of carbon，nitrogen and phosphorus in different stands

隨著土層深度的變化，不同林分土壤的碳氮磷化學(xué)計(jì)量呈現(xiàn)多樣的變化，未表現(xiàn)出一致的規(guī)律（圖1）。在0～10 cm 土層桉樹和黑木相思土壤的C∶N 要顯著高于杉木土壤的C∶N，3 種林分土壤的C∶N 在8.79～15.61，10～20 cm 土層桉樹土壤的C∶N 比杉木和黑木相思土壤的C∶N 高出0.97 和0.88，而在20～40 cm 土層杉木土壤的C∶N 則顯著低于另外兩個(gè)林分土壤的C∶N，杉木土壤的C∶N 僅為10.11。在0～10 cm 土層桉樹土壤的C∶P 顯著高于另外兩個(gè)林分，在10～20 cm 土層桉樹和黑木相思土壤的C∶P 則顯著高于杉木土壤的C∶P，20～40 cm 土層表現(xiàn)為桉樹和黑木相思土壤的C∶P 顯著高于杉木土壤的C∶P。3 個(gè)林分土壤N∶P 其值分別為7.78、7.76、7.47，三者差異較小未達(dá)顯著水平，而在10～20 cm 杉木和黑木相思土壤的N∶P則顯著小于桉樹土壤，在20～40 cm土層三者差異均未達(dá)顯著水平。杉木和桉樹土壤的C∶N∶P在0～10 cm顯著高于黑木相思土壤，在10～20 cm桉樹和黑木相思顯著高于杉木土壤的C∶N∶P，在20～40 cm桉樹土壤的C∶N∶P 顯著高于另外兩個(gè)林分。從整體結(jié)果來看，桉樹和黑木相思兩個(gè)林分土壤的碳氮磷化學(xué)計(jì)量比要高于杉木。

圖1 不同林分土壤C∶N、C∶P、N∶P 及C∶N∶P隨土層深度的變化Fig.1 Changes of soil C∶N，C∶P，N∶P and C∶N∶P with soil depth in different stands

2.4 土壤物理性質(zhì)與碳氮磷含量及化學(xué)計(jì)量比間的關(guān)系

土壤容重與有機(jī)碳、全氮、C∶N、C∶P、N∶P 均呈極顯著負(fù)相關(guān)（表5）；最大持水量與有機(jī)碳、全氮、C∶P、N∶P呈極顯著正相關(guān)，與C∶N 呈顯著正相關(guān)；最小持水量和毛管持水量與有機(jī)碳和全氮含量呈極顯著正相關(guān)，與C∶P和N∶P呈極顯著正相關(guān)；非毛管孔隙度與有機(jī)碳和全氮呈極顯著正相關(guān)，與C∶N、C∶P、N∶P呈顯著正相關(guān)；毛管孔隙度與有機(jī)碳和全氮含量呈顯著正相關(guān)；土壤全磷含量與容重呈負(fù)相關(guān)，與其他5個(gè)物理性質(zhì)指標(biāo)呈正相關(guān)，但未達(dá)顯著水平（P＞0.05）。

表5 土壤物理性質(zhì)與碳氮磷及化學(xué)計(jì)量的相關(guān)性Tab.5 correlation between soil physical properties and carbon，nitrogen，phosphorus and stoichiometric

土壤的有機(jī)碳與全氮呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），R2為0.965，全氮和全磷呈正相關(guān)，但未達(dá)顯著水平（圖2）。土壤的C∶N與有機(jī)碳和全氮呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），有機(jī)碳和全氮分別能夠解釋土壤C∶N的66.6%和52.1%。土壤的C∶P 與全磷呈負(fù)相關(guān)，但未達(dá)顯著水平，與有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），有機(jī)碳含量可以解釋70.2%的C∶P。土壤的N∶P 與全磷呈負(fù)相關(guān)，但未達(dá)顯著水平，與全氮呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），全氮含量可以解釋N∶P的59.2%。

圖2 土壤碳氮磷及化學(xué)計(jì)量的相關(guān)性分析Fig.2 Correlation analysis of soil carbon，nitrogen and phosphorus and stoichiometric

2.5 林分類型和土層深度對(duì)土壤碳氮磷含量及化學(xué)計(jì)量比的影響

林分類型對(duì)土壤的有機(jī)碳和全氮含量具有顯著影響（表6），其P值分別為0.030 和0.010，對(duì)C∶N 具有極顯著影響（P＜0.01）。土層深度對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮、C∶N和N∶P均具有極顯著影響（P＜0.01），對(duì)C∶P的影響亦達(dá)顯著水平（P＜0.05）。雖然林分類型和土層深度對(duì)土壤的碳氮磷含量及其化學(xué)計(jì)量比具有不同程度的影響，但從雙因素方差分析結(jié)果來看林分類型和土層深度的交互作用并未對(duì)土壤碳氮磷含量及其化學(xué)計(jì)量比產(chǎn)生顯著影響（P＞0.05）。

表6 林分類型和土層深度對(duì)土壤碳氮磷含量及化學(xué)計(jì)量比雙因素方差分析Tab.6 Two-way ANOVA of soil carbon，nitrogen and phosphorus content and stoichiometric ratio affected by stand type and soil depth

3 討論

3.1 不同林分土壤碳氮磷含量特征

研究結(jié)果顯示3 種林分0～10 cm 表層土壤的有機(jī)碳、全氮和全磷含量分別為杉木（27.67，2.13，0.29 g/kg）、桉樹（32.75，2.26，0.30 g/kg）、黑木相思（33.30，2.47，0.33 g/kg），其中有機(jī)碳和全氮含量均高于我國土壤養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[18]的平均水平（24.56，1.88 g/kg），而全磷含量處于較低水平，其中桉樹0～10 cm土層的有機(jī)碳含量與朱育鋒[19]廣西桉樹林土壤的有機(jī)碳含量（22.60～32.46 g/kg）接近，杉木土壤的有機(jī)碳含量遠(yuǎn)高于王平安等[13]在華北落葉松研究中土壤的有機(jī)碳水平（9.56 g/kg），說明該地區(qū)土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量較為豐富，而土壤磷元素含量較為匱乏，磷元素可能是限制本試驗(yàn)區(qū)3種人工林生長的關(guān)鍵元素。杉木、桉樹和黑木相思林下土壤的有機(jī)碳和全氮的含量均隨著土層加深顯著降低，這與董雪等[20]在科爾沁沙地的研究結(jié)果相一致，與劉冠兵等[21]在長白山落葉松人工林土壤的研究結(jié)果也保持一致。特別是碳元素含量下降極為明顯，杉木、桉樹和黑木相思表層土壤的有機(jī)碳含量相較20～40 cm 差值分別為18.69，19.59，18.43 g/kg。而全磷含量則隨土層深度的變化不明顯，3 種林分0～10 cm 與20～40 cm 土層的全磷含量差異均不顯著，張莎莎等[22]在不同海拔杉木人工林土壤的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比研究中也出現(xiàn)了此種結(jié)果。土壤中的碳元素和氮元素主要來源于地表植被的養(yǎng)分還原過程，隨著土層加深土壤微生物活性和數(shù)量逐漸降低，碳氮元素的運(yùn)轉(zhuǎn)過程也逐漸減弱。磷元素主要依賴于土壤母質(zhì)的分解，而土壤母質(zhì)的自然分解周期又較為漫長，影響因素較少，空間變異性較小，故土壤各土層的磷含量分布較為均勻。當(dāng)處于同一土層時(shí)，不同的林分對(duì)土壤碳氮含量亦具有較大的影響，結(jié)合表5 分析結(jié)果林分類型對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮和C∶N 均具有顯著的影響，桉樹和黑木相思土壤0～10 cm 的有機(jī)碳含量比杉木同土層的有機(jī)碳含量分別高出5.08 g/kg 和5.36 g/kg，而全氮含量分別高出0.13 g/kg 和0.34 g/kg，其他各土層亦表現(xiàn)出不同程度的差值。孟慶權(quán)等[23]在格氏栲和杉木人工林土壤化學(xué)計(jì)量比研究中亦表現(xiàn)出相似結(jié)果，即闊葉樹種土壤的碳氮含量要高于針葉樹種。分析可知，黑木相思是固氮樹種具有固氮作用，可以有效改良土壤，促進(jìn)土壤中氮素的轉(zhuǎn)化，同時(shí)闊葉樹種凋落物量較大，現(xiàn)存量較高，其葉片相較杉木等針葉樹種分解速度快，其碳?xì)w還作用必然較強(qiáng)。

3.2 不同林分土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

土壤的碳氮磷化學(xué)計(jì)量比是反映土壤肥力特征的重要指數(shù)，是衡量土壤碳氮磷三種元素平衡關(guān)系的重要參數(shù)[24-25]。C∶N 反映有機(jī)物中碳元素與氮元素的比例，而土壤中的C∶N 則反映有機(jī)物的分解概況[26]。合理的C∶N 有助于土壤微生物的發(fā)酵分解，有利于有機(jī)物中氮元素的釋放，豐富土壤氮元素含量。研究結(jié)果顯示，3 種林分土壤的C∶N 平均值分別為杉木11.89、桉樹13.44、黑木相思12.44，固氮樹種黑木相思和闊葉樹種桉樹土壤的C∶N 均高于杉木土壤，而三者均高于我國土壤[18]C∶N 的平均水平（11.90），但遠(yuǎn)小于土壤C∶N 的最佳水平（25.00），此結(jié)果與張?zhí)炝氐萚27]在粵北地區(qū)的研究結(jié)果一致，說明該研究區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)的分解速率較為適中，土壤中氮素礦質(zhì)化速度良好。此外，3 種林分土壤的C∶N在垂直空間均表現(xiàn)出隨著土層加深逐漸降低的趨勢，此結(jié)果與楊榮等[28]在黃河濕地的研究結(jié)果相一致。而在同土層時(shí)，不同林分間表現(xiàn)出于碳氮磷含量相一致的規(guī)律，即速生樹種桉樹和固氮樹種黑木相思土壤的C∶N高于杉木土壤的C∶N，結(jié)合表6和前述討論，林分類型和土層深度均對(duì)3種林分土壤的C∶N具有極顯著的影響，且表現(xiàn)為闊葉林大于針葉林。而從土壤碳氮磷與其化學(xué)計(jì)量比的一元回歸分析可知，不同林分土壤的有機(jī)碳與全氮含量表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)（P＜0.01），故杉木、桉樹、黑木相思土壤有機(jī)碳和全氮含量特征與其C∶N表現(xiàn)相一致。C∶P作為土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的重要組成部分[29]，它衡量著土壤中有機(jī)質(zhì)礦質(zhì)化程度，磷元素的吸收與釋放潛力。有研究[30-31]表明，較低的C∶P 可以增加有機(jī)物分解過程中磷元素的釋放，反之則表明磷元素的釋放受限，土壤中有效磷的含量處于較低水平。本研究中，3 種林分土壤的C∶P均值分別為杉木68.31、桉樹87.19、黑木相思81.36，遠(yuǎn)高于全國平均水平（52.7），這與王凱等[32]在科爾沁地區(qū)的研究結(jié)果類似，而固氮樹種黑木相思和速生樹種桉樹土壤的C∶P顯著高于杉木土壤。此外，相關(guān)性分析結(jié)果可知，土壤全磷含量與土壤的C∶P呈負(fù)相關(guān)，而本研究區(qū)土壤磷元素較為匱乏，導(dǎo)致3種林分土壤的C∶P處于較高水平。N∶P 的高低從很大程度上反映出土壤與植物間的養(yǎng)分供需狀態(tài)。本研究中3種林分土壤的N∶P 均值分別為杉木5.55、桉樹6.33、黑木相思6.38，高于全國土壤N∶P 的平均水平[18（]5.20），但全磷含量又處于較低的水平，表明該試驗(yàn)區(qū)人工林的生長受到磷元素的嚴(yán)重制約。這與張莎莎等[22]在不同海拔杉木林的研究結(jié)果不同，可能是由于所處試驗(yàn)區(qū)立地條件的差異所致。研究區(qū)3種林分土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量比均受到土層的顯著影響，這與楊霞等[33]不同林齡油松人工林土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比研究結(jié)果相一致，而在不同林分間表現(xiàn)出和碳氮磷含量相似的特征，與張耀藝等[34]的研究結(jié)果相一致。結(jié)合前述討論表明亞熱帶常綠闊葉林相較亞熱帶常綠針葉林具有更好的碳氮磷養(yǎng)分平衡策略。因此在人工林經(jīng)營過程中可以實(shí)施合理的混交策略，平衡土壤碳氮磷及多種養(yǎng)分的吸收，合理利用土地資源。

3.3 不同林分土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)性

土壤物理性質(zhì)與土壤肥力緊密相關(guān)，它通過影響土壤中的水分、空氣和熱量間接控制著土壤微生物的生命活動(dòng)和土壤母質(zhì)的礦質(zhì)化過程。研究結(jié)果顯示，所測6項(xiàng)土壤物理性質(zhì)與碳氮磷含量及化學(xué)計(jì)量比具有不同程度的顯著相關(guān)性。土壤容重與土壤的質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)和松緊度直接相關(guān)，而這些因素都影響著土壤肥力狀況。本研究中土壤容重與土壤的碳氮含量和化學(xué)計(jì)量比呈極顯著負(fù)相關(guān)，這與吳昊等[35]在秦嶺松櫟林土壤的研究結(jié)果保持一致。結(jié)合方差分析結(jié)果可知土壤容重越大碳氮磷含量和化學(xué)計(jì)量比越低，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與前人[36]結(jié)果保持一致。土壤中的水分通常以固、液、氣三種形態(tài)存在，土壤的最大持水量和最小持水量則反映了土壤對(duì)水分的保持作用，土壤的含水量大小與植被生長息息相關(guān)，而水分被土壤保持的牢固度通常更為重要。本研究中土壤的最大持水量和最小持水量與有機(jī)碳、全氮、C∶N、C∶P、N∶P 均有較為顯著的相關(guān)性，亦是驗(yàn)證了土壤持水量對(duì)土壤養(yǎng)分的重要性。土壤顆粒間的空隙是容納水分與空氣的場所，土壤的孔隙又可分為毛管孔隙和非毛管孔隙，毛管孔隙反映持水狀態(tài)，非毛管孔隙反映通氣狀況。土壤孔隙度越大，儲(chǔ)存在孔隙中的水分和氣體就越多，越有利于植物的生長。研究結(jié)果顯示，非毛管孔隙度和毛管孔隙度與土壤有機(jī)碳和全氮表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，非毛管孔隙與碳氮磷的化學(xué)計(jì)量亦表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，說明土壤的通氣狀況對(duì)土壤養(yǎng)分至關(guān)重要。但從相關(guān)性分析結(jié)果來看土壤全磷含量與6項(xiàng)物理性質(zhì)均未達(dá)顯著水平，說明土壤中的磷元素含量受物理性質(zhì)的影響較小。

4 結(jié)論

（1）不同土層土壤的有機(jī)碳、全氮、全磷含量及化學(xué)計(jì)量均隨著土層加深逐漸降低，而在不同林分間則表現(xiàn)為速生樹種桉樹和固氮樹種黑木相思的有機(jī)碳、全氮、全磷含量及化學(xué)計(jì)量比高于杉木，杉木轉(zhuǎn)換為固氮樹種黑木相思和桉樹后，土壤養(yǎng)分含量得到整體提高。

（2）土壤的容重與碳氮磷含量及化學(xué)計(jì)量比呈顯著負(fù)相關(guān)，最大持水量、最小持水量、毛管持水量、非毛管孔隙度和毛管孔隙度與碳氮磷含量及化學(xué)計(jì)量比呈不同程度的顯著正相關(guān)，有機(jī)碳和全氮含量與C∶N、C∶P表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)，全氮與N∶P表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)，林分類型和土層深度對(duì)土壤的碳氮磷含量及化學(xué)計(jì)量具有不同程度的顯著影響，但二者的交互作用未達(dá)顯著水平。

（3）本研究區(qū)磷元素較為匱乏，C∶P和N∶P均主要受磷元素的限制，磷元素是限制本研究區(qū)人工林生長的重要元素。