不同整地方式尾巨桉林地土壤生态化学计量学特征

张利丽，杜阿朋，刘国粹，王志超，陈少雄



不同整地方式尾巨桉林地土壤生态化学计量学特征

张利丽，杜阿朋，刘国粹，王志超，陈少雄＊

(国家林业局桉树研究开发中心，广东湛江524022)

为了阐明不同整地方式下土壤生态化学计量学特征及其指示意义，对尾巨桉人工林不同整地下土壤的C、N、P、K含量进行了测定与分析。结果表明：不同整地方式下土壤养分含量及其化学计量特征均有明显不同。土壤有机碳、全N变异性较大，全P、全K变异性较小。表层土壤养分的含量显著高于底层土壤；不同整地方式之间养分含量不同，全垦最高，带垦最低，同一土层之间也是有机碳、全N含量变异性较大，全P、全K含量变异性较小。土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K均较稳定，平均值分别为11.50、21.21、11.46、1.81及0.95，P/K平均值为0.51，土壤有机碳和全N极显著正相关，全P、全K相关性不显著。

整地方式；尾巨桉；土壤化学计量特征

生态系统元素平衡是当前全球变化生态学和生物地球化学循环研究的焦点和热点[1]，生态系统元素平衡主要强调活有机体C、N、P三种主要组成元素的关系，是一种分析多重化学元素的质量平衡对生态交互作用影响的理论[2]，生态化学计量学结合了生物学、物理学和化学等基本原理，是研究生物系统能量平衡与多重化学元素平衡的科学，为研究元素在生物地球化学循环与生态过程中的规律及其之间的计量关系提供了一种综合的方法，但目前我国学者对生态化学计量学的研究关注相对不足[3-6]，主要集中在对植物C、N、P生态化学计量学特征的部分研究[7]，对土壤元素生态化学计量学研究较少。土壤作为生态系统的重要组成部分，对植物的生长起着关键性作用，直接影响植被群落的组成、结构与生产力水平[8]，对于土壤基本元素的生态化学计量学研究既可以揭示土壤中养分的可获得性，也可以探索出C、N、P、K元素的循环特征和平衡机制[9-10]，因此，土壤生态化学计量学具有重要的研究意义。

桉树()具有生长快、适应性强、繁殖容易等特点[11-12]，20世纪60年代在我国大面积种植，但目前也存在一些问题，必须对人工林采取一些必要的管理措施，其中施肥是增加土壤养分快速有效的方法。生态恢复与重建的主要手段，人工林植被恢复对改善土壤性质有着显著作用[13-15]。本文通过对尾巨桉人工林林地土壤的研究，探讨了土壤的C、N、P、K的生态化学计量特征，有助于阐明生态系统C、N、P、K平衡的元素化学计量比格局和各元素之间的相互关系。

1 试验地概况

试验地位于广东省湛江市南方国家级林木种苗示范基地，地理坐标为北纬21°30′，东经111°38′，低丘地貌，最高海拔220.8 m，最低海拔80 m，属北热带温润大区雷琼区北缘，为海洋性季风气候，年平均气温23.1℃，极端最低温1.4 ~ 3.6℃，极端最高温度为38.1℃，年降雨量在1 500 mm以上，5—9月的降雨量占全年的85.5%，年相对湿度80.4%[16]，地貌沿着纵线中央高，东西两边低，南北两端高而中间低，地形多为台地，相对高度不超过10 m。成土母质北部为砂页岩，中部为前海沉积物，南部为玄武岩，土壤类型主要有浅海沉积物砖红壤和玄武岩砖红壤，其次为砂页岩红壤、花岗岩砖红壤，有机质含量在1%以上，pH 4.5 ~ 5.3。土壤肥力中等，气候适宜桉树的生长。

2 材料和方法

2.1 样地设置与取样

根据桉树人工林3种整地方式(带垦、穴垦、全垦)，每个林地内设置3个1 m × 1 m样方，共9个样方。供试土壤样品采集于2014年8月，在3个不同整地方式下分别选取5个点，去除土层上枯落物，用土钻按0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60和60 ~ 80 cm分层采集土壤样品，将采集的土样分袋装好，密封后带回实验室内，仔细除去其中可见的植物残体及土壤动物，烘干，称重，供室内分析使用。

2.2 土壤元素化学计量测定和计算

分别对土壤有机碳、全N、全P、全K含量进行测定，其中土壤有机碳采用重铬酸钾容量法―外加热法测定，全N采用不包含硝态氮和亚硝态氮的半微量凯氏法消化，再用全自动凯氏定氮仪(KDY—9830，KETUO)进行测定，全P采用钼锑抗比色法测定，全K采用氢氧化钠熔融—火焰光度法测定，并依据所获得数据计算元素化学比量C/N、C/P、C/K、N/K等。

2.3 数据处理

数据分析和作图采用Microsoft Excel 2003软件，方差分析及相关性分析采用SAS13.0软件。

3 结果与分析

3.1 不同整地方式下土壤有机碳、全N、全P、全K含量

不同土层、不同整地方式下的土壤有机碳、全N、全P、全K含量如图1所示，结果表现为表层土壤显著高于底层土壤，在3种整地方式下土层养分的变化规律大致相同。土壤有机碳含量介于7.77 ~ 21.09 mg·g-1，C含量均在0 ~ 10 cm土层中含量最高，在60 ~ 80 cm土层中含量最低，以全垦的含量最高，带垦居中，穴垦中含量最低，三者之间差异显著。土壤全N含量介于0.89 ~ 1.87 mg·g-1，N含量均在0 ~ 10 cm土层含量最高，在60 ~ 80 cm土层含量最低，以全垦的含量最高，带垦居中，穴垦最低，三者之间差异亦显著。土壤全P含量介于0.67 ~ 0.78 mg·g-1，以穴垦含量最高、全垦最低，但不同土层和不同整地方式的全P差异不显著。土壤全K含量介于1.20 ~ 2.16 mg·g-1，最大值和最小值均为带垦，在全垦中以表层土壤含量最高，以20 ~ 40 cm土层中含量最低，在穴垦中以60 ~ 80 cm土层含量最高、10 ~ 20 cm土层含量最少。3种整地方式的K含量差异不显著。

注：大写字母表示养分在全垦、穴垦、带垦3种整地方式中在0.05水平上差异；小写字母表示同一整地方式中元素在不同土层中在0.05水平上差异。

3.2 土壤有机碳、全N、全P、全K的生态化学计量学特征

表1为土壤的生态化学计量比，土壤C/N、C/P、C/K、N/P、N/K比较稳定，变异系数均不大。土壤C/N为8.39 ~ 14.06，平均值为11.50，不同土层、不同整地方式的C/N差异显著。全垦表层土壤的C/N值基本均大于底层土壤，穴垦C/N变化无规律，带垦不同土层的C/N差异较大。土壤C/P为10.45 ~ 32.30，平均值为21.21，不同土层、整地方式的C/P差异显著，表层土壤显著高于底层土壤，全垦显著高于穴垦，带垦显著高于穴垦，全垦和穴垦差异不大。土壤C/K为3.66 ~ 20.07，平均值为11.46，全垦不同土层的C/K差异不显著，穴垦和带垦的差异显著，表层土壤显著高于底层土壤。土壤N/P为1.19 ~ 2.31，平均值为1.81，不同土层、整地方式的N/P差异不显著，表层土壤显著高于底层土壤，全垦显著高于穴垦，带垦显著高于穴垦，全垦和带垦差异性不显著。土壤N/K为0.43 ~ 1.59，平均值为0.95，全垦不同土层的N/K差异不显著，穴垦不同土层的N/K表现差异显著，表层土壤显著高于底层土壤，带垦N/K基本也是表层土壤显著高于底层土壤。土壤P/K 为0.33 ~ 0.63，平均值为0.51，不同土层、整地方式的P/K差异不显著。

表1 土壤化学计量特征

注：表中数据为平均值±标准差。字母标记为LSD比较的结果，同列不同字母表示不同土层间差异显著 (<0.05)。

3.3 土壤有机碳、全N、全P、全K的生态化学计量比的相关性

从表2可知，养分全量之间全N和有机碳具有极显著正相关关系(<0.01)，表现出相对一致的变化规律，有机碳、全K和全P显著相关，全N、有机碳和全K之间极显著负相关。有机碳和N/P、N/K及全N和C/P、C/K呈极显著正相关，全P和C/N、C/K的相关关系不显著。

表2 土壤养分含量与化学计量比的相关性

注：*<0.05，**<0.01

4 结论与讨论

4.1 土壤有机碳、全N、全P、全K及其生态化学计量特征对土层的响应

土层和整地方式对土壤养分分布含量都有一定的影响，土壤养分随着土层的加深而降低，随着不同整地类型而表现出相应的差异性，在土壤养分中有机碳和全N含量随着土层的加深降低最大，而全P、全K则降低较少，李立平等[17]的研究结果也如此，这可能由于表层土壤受自然环境等外界干扰及植被的枯落物养分归还的影响，养分会集中在表层土壤，然后随着降水或其他介质逐渐向下层迁移扩散，土壤有机碳、全N受制因素比较多，除受土壤母质的影响外还受枯落物的分解和植物的吸收利用等因素影响，因此，有机碳和全N两者空间变异性比较大。有机P和有机K则相反，两者在土壤中的含量基本比较稳定，变异性较小[18]。我国土壤的C/N比平均值在10 ~ 12[19]，本文的C/N平均值为11.5，符合我国土壤C/N的分布范围，从有机层到矿层，基本上是呈减少趋势。同样C/N比在不同土层中差异性不是特别显著，但总体上C/N是随着土层厚度的增加逐渐降低，这可能与有机质具有较快的矿化作用有关[20]，不同土层间C/P、C/K、N/P、N/K值主要与有机碳和全N含量密切相关，全P和全K含量相对稳定。土壤C/N、C/P、N/P比除受到各自比例元素的影响外，还受到土壤pH、容重、盐度等因子的调控，不同干扰程度下的土壤元素生态化学计量学特征其影响因子也不一致[21]。

4.2 土壤有机碳、全N、全P、全K的生态化学计量特征对整地类型的响应

整地类型对土壤有机碳、全N、全P、全K以及各元素之间的比值也有较明显的影响，有机碳、全N、全K在3种整地方式中呈现出较明显显著性差异，只有全P在3种整地方式中比较稳定，说明全P含量不受整地类型的不同而有较大的变化，C/N、C/P、C/K、N/P、N/K在3种整地方式中都表现出一定的差异性，P/K相对稳定，说明在带垦、全垦、穴垦中土壤有机碳和全N元素极其不稳定且含量差异较大，土壤有机碳在全垦中累积量最大，全N在带垦中含量最大，全P在穴垦中含量最大，全K在带垦中含量最大，通过3种整地方式下测试土壤元素含量的变化，有助于探索出适合尾巨桉生长的土地利用方式，更充分地利用吸收土壤养分。

4.3 土壤C、N、P、K含量及其化学计量比特征，可作为抚育调控桉树林的理论指导依据

本研究土壤C、N、P、K化学计量比特征不同，表明尾巨桉林地土壤养分受不同土层、整地方式的影响。表层土壤显著高于底层土壤；在不同土层C/N比较不稳定，P/K较稳定，N/P、N/K也相对比较稳定，平均值分别为1.81、0.95，C/N、C/P、C/K在不同土层、不同整地方式之间均存在一定的差异性，土壤养分含量主要受有机碳和全N的影响。土壤有机碳、全N、全P、全K总量变化很大，使得C/N和P/K的空间变异性较大[22]，有关研究指出，土壤的C/N可作为土壤质量的敏感指标，C/N可能会影响到土壤中有机碳和全N的循环[23-24]，本文中C/N在不同土层、整地类型中均表现出一定的差异性，因为C、N之间具有一定的相关性，并且受外界环境的同步干扰[25]，土壤C/N/P可作为影响植被生长的有效因子之一，也可作为养分限制的有效预测指标[26]。因此，必须高度重视土壤元素的供需平衡，同时也说明了土壤生态化学计量学的重要性。

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Soil Ecological Stoichiometry of×Plantations under Different Soil Preparation Methods

ZHANG Li-li, DU A-peng, LIU Guo-cui, WANG Zhi-chao, CHEN Shao-xiong

(,524022,,)

The objective of the study was to clarify the soil stoichiometric characteristics following three site preparation methods for establishment of×plantations. Following the different site preparations, soil samples were collected for measuring organic carbon (C), total nitrogen (N), total phosphorous (P) and total potassium (K) contents. The results showed obvious differences in soil nutrient contents and their stoichiometry following the different methods of site preparation. The contents of C and N showed the greatest variability whilst P and K had less variability. Soil nutrient contents of surface soil layers were higher than the sub-surface soil layers. The C and N had larger variability than the P and K in the same soil layer. Soil C/N, C/P, C/K, N/P, and N/K ratios were relatively stable; with the C/N ratio ranging from 8.5 to 14.1 with a mean of 11.0. The C/P ratio varied from 10.5 to 32.3 with a mean of 21.21; the C/K ratio ranged from 3.76 to 20.1 with a mean value was 11.5; N/P ratio change from 1.2 to 2.3 with a mean of 1.8; the N/K ratio ranged from 0.4 to 1.6 with a mean of 0.9; and, the P/K ratio ranged from 0.3 to 0.6 with a mean of 0.5. The organic C content of the soils was significantly correlated with total soil C and there was a significant correlation between total soil P and K contents.

soil preparation methods;; soil ecological stoichiometry

S718.51+6

A

2015-08-17

广东省林业科技创新项目(2014KJCX021-04); 引进国际先进林业科学技术项目(2013-4-36);广东湛江桉树林生态系统国家定位观测研究站运行补助项目（2015-LYPT-DW-006）

张利丽(1988—)，女，在读硕士研究生，主要从事桉树人工林可持续经营研究. E-mail:zhanglili3223@163.com

＊陈少雄为通讯作者.E-mail:sxchen01@163.com