不同林龄马尾松人工林土壤碳氮磷生态化学计量特征

雷丽群，卢立华，农 友，明安刚*，刘士玲，何 远

(1.中国林业科学研究院热带林业实验研究中心，广西 凭祥 532600；2.广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站，广西 凭祥 532600)

不同林龄马尾松人工林土壤碳氮磷生态化学计量特征

雷丽群1,2，卢立华1,2，农 友1,2，明安刚1,2*，刘士玲1,2，何 远1,2

(1.中国林业科学研究院热带林业实验研究中心，广西 凭祥 532600；2.广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站，广西 凭祥 532600)

马尾松人工林；林龄；碳氮磷；生态化学计量

近10年，生态化学计量学为研究分子、细胞、有机体、种群、生态系统等不同尺度的生物能力平衡和多重化学元素平衡，以及元素平衡对生态交互作用的影响等提供了崭新视角[1]。它着重于强调有机体的主要组成元素(特别是C、N、P)的比值关系，认为元素的比值对有机体的关键特征及其对资源种类和数量的需求均有决定性作用[2]。土壤作为植物养分的主要来源，对植物的生长发育以及生态系统服务功能有着重要的调控作用[3]。探讨森林生态系统土壤的生态化学计量特征，了解森林生态系统养分元素循环过程、养分限制性关系及其对全球气候变化的响应与反馈，对提升森林生态系统服务功能和森林可持续经营均有着重要的意义[4-7]。

土壤CNP比是有机质或其他成分中的C素与N素、P素总质量的比值，是土壤有机质组成和质量程度的一个重要指标，反映了土壤内部CNP的循环特征[8]。曹娟等[9]研究了湖南会同3个林龄(7 a、17 a、25 a)杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)人工林的土壤C、N、P特征，发现随着造林时间增加，土壤有机C、全N、全P含量逐渐增加，土壤的C∶N和C∶P主要受土壤有机C影响。崔宁浩等[10]对5 a、14 a、39 a三个林龄的马尾松(PinusmassonianaLamb.)人工林的研究亦表明，土壤C、N、P含量随林龄增加而增加，马尾松人工林受N和P的共同限制，但林龄对N、P养分限制的影响并不显著。不同学者的研究结论各异，曾凡鹏等[11]对辽东山区的落叶松(Larixgmelinii(Rupr.) Kuzen.)群落的研究则表明，土壤C、N、P含量随着林龄的增加而降低，地力呈逐渐衰退的趋势，C∶N和C∶P随林龄变化显著。可见，土壤C、N、P含量及生态化学计量比随林龄变化的趋势，以及养分元素间的限制性关系仍有相当大的不确定性，需要进一步的研究探讨。

马尾松是我国南方主要的造林用材树种，在林业生产及森林生态系统中占有及其重要的地位，具有耐干旱、适应性强、速生、优质等有特点[12]。本文以位于凭祥市的中国林科院热带林业实验中心林区的4个林龄(6、16、23、35 a)马尾松人工林为研究对象，分析了马尾松从幼龄林至成熟林生长序列中的土壤有机C、全N、全P含量及其生态化学计量比格局，探讨养分元素随林龄的变化趋势及它们之间的制约关系，以丰富该区域马尾松生态系统生态化学计量学领域的基础研究。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

选取成土母岩、地形地貌、土壤类型、海拔、坡度等立地条件较为一致的马尾松人工林(6、16、23、35 a)为研究对象，每个林龄选取3块林分，每个林分内设置面积400 m2的调查样地。4个林龄初植密度均为2 940株·hm-2左右，造林后前3年均进行砍草抚育，不施肥，造林3年后不再进行抚育。造林第10 a左右进行第一次间伐，第20 a左右进行第二次间伐，第25 a左右进行第三次间伐。根据广西用材林林组划分标准[13]，将所选的4个林龄马尾松人工林划分为：幼龄林(6 a)、中龄林(16 a)、近熟林(23 a)、成熟林(35 a)。4个林龄马尾松样地的基本情况如下(见表1)。林下灌木主要有玉叶金花(MussaendapubescensAit. f.)、酸藤子(Embelialaeta(L.) Mez)、越南悬钩子(RubuscochinchinensisTratt.)、红皮水锦树(Wendlandiatinctoria(Roxb.) DC.Subsp.intermedia(How) W. C. Chen)、大沙叶(PavettaarenosaLour.)等，草本主要有铁芒萁(Dicranopterislinearis(Burm. ) Underw.)、半边旗(PterissemipinnataL.)、金毛狗(Cibotiumbarometz(L. ) J. Sm.)、扇叶铁线蕨(AdiantumflabellulatumL.)等。

表1 样地基本情况

1.2 研究方法

1.2.2 样品测定 土壤有机碳采用重铬酸钾-水合加热法测定[7]；土壤全氮采用凯氏定氮法测定[9]；土壤全磷采用钼锑抗比色法测定[9]。为保证数据的有效性和准确性，每个样品重复测定3次，取其平均值做为最终数值。

1.3 数据处理

在Excel 2013中进行数据统计及绘图，在SPSS 16.0中进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比较分析(LSD)，采用Pearson进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同林龄马尾松人工林土壤C、N、P含量变化

表2 不同林龄马尾松人工林土壤C、N、P含量变化特征

同元素同行不同小写字母表示该元素在不同土层中差异显著(P<0.05)，同元素同列不同大写字母表示该元素在不同林龄间差异显著(P<0.05)。

Different lowerease alphabets in the same line indicate the element has significant difference in different soil layers(P<0.05), different capital alphabets in the same column indicate the element has significant difference among different ages(P<0.05).

2.2 不同林龄马尾松人工林土壤C、N、P的化学计量特征

2.3 不同林龄马尾松人工林土壤C、N、P含量及化学计量比的相关性

由表3相关性分析结果表明，土壤C:N与有机C含量有极显著的相关性，与全N含量相关性不显著，土壤C:P与有机C含量有极显著相关性，与全P含量相关性不显著，说明研究区马尾松人工林土壤C:N、土壤C:P主要受有机C的影响。土壤N:P与全N含量呈现极显著的相关性，与有全P含量相关性不显著。

表3 马尾松人工林土壤C、N、P含量及化学计量比的相关性

3 讨论

土壤C∶N∶P是土壤有机质组成和质量程度的一个重要指标，可用于判定土壤C、N、P的矿化作用和固持作用[8]。研究区4个林龄马尾松人工林土壤C∶N∶P分别为37∶3∶1、34∶4∶1、26∶3∶1、29∶5∶1，低于我国土壤C∶N∶P均值60∶5∶1。C∶N是衡量土壤C、N营养平衡状况的指标，较低的C∶N比表明土壤有机质具有更快的矿化速率[25]。Bengtsson等[26]指出，当土壤C∶N比值较高时，微生物需要输入N素来满足自身的生长需要，当土壤C∶N比值较低时，超过微生物生长所需要的N素就会被释放到土壤中。研究区4个林龄马尾松人工林土壤C∶N平均值为8.48，低于我国土壤C∶N平均值11.9，表现为6 a幼龄林(11.66)>16 a中龄林(8.53)>23 a近熟林(7.54)>35 a成熟林(6.18)，不同林龄土壤C∶N时间差异显著，可能原因是由于随着树木年龄的累积，原来土壤中丰富的C、N等结构性养分被大量消耗，造成土壤C∶N持续性降低。

土壤C∶P是衡量微生物矿化土壤有机物质释放P或从环境中吸收固持P素潜力的一个指标，较低的C∶P比是土壤P有效性高的一个指标[8-9,27]。贾宇等[28]指出，当土壤C∶P>200时，微生物C素大幅度增加，竞争土壤中的速效磷，P素发生净固持作用，当土壤C∶P<200时，会出现土壤微生物的C素短暂性增加，P素发生净矿化作用。研究区4个林龄马尾松人工林土壤C∶P均值为31.66，小于200更低于我国土壤C∶P平均值105，表现为6 a幼龄林(37.47)>16 a中龄林(34.31)>35 a成熟林(28.93)>23 a近熟林(25.97)，林龄对土壤C∶P无显著性影响，说明随着林龄的增加，土壤中可利用性P素仍然非常有限。

4 结论

(1)土壤有机C、全N含量从成熟林阶段开始回升。

(2)N在不同林龄间和不同土层间的变化是土壤N∶P变化的主要原因。

(3)有机C是影响土壤C∶N、C∶P的重要因素。

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StoichiometryCharacterizationofSoilC,NandPofPinusmassonianaPlantationsatDifferentAgeStages

LEILi-qun1,2，LULi-hua1,2，NONGYou1,2，MINGAn-gang1,2，LIUShi-ling1,2，HEYuan1,2

(1.Experimental Center of Tropical Forestry，Chinese Academy of Forestry，Pingxiang 532600，Guangxi，China; 2.Guangxi Youyiguan Forest Ecosystem Research Station，Pingxiang 532600，Guangxi，China)

ObjectiveTo investigate the concentrations and stoichiometric ratio of soil organic C, total N and P inPinusmassonianaplantations from young to mature stages in order to enrich the basic research ofP.massonianaecosystem in stoichiometric field.MethodFourP.massonianaplantations at different ages (6-, 16-, 23- and 35-year-old) in Pingxiang of Guangxi were selected as the research object, three plots in size of 400 m2were set up for each of the plantations. The soil samples were collected from 0-20, 20-40, 40-60 cm depths respectively for measuring organic C, total N and total P, the ratio among them was estimated. The LSD method was used to test the significance of single factor.ResultThe contents of soil organic C, total N and total P in 0-20 cm soil layer of P. massoniana plantation were 5.73-15.56 g·kg-1, 0.63-1.23 g·kg-1and 0.17-0.33 g·kg-1, which are 1.51, 1.31, and 1.06 times of that in 2040 cm soil layer, and 1.97, 1.58, 1.06 times of that in 4060 cm soil layer, respectively. The concentrations of soil organic C and total N increased at initial and then decreased as the stand age increased, while decreased with the increasing soil depth. No significant difference was found in the soil total P among different stand age and soil depth. Stand age have statistically significant effect on soil C∶N and N∶P (P=0.001,P=0.000), the soil layer has significant effect on soil C∶P and N∶P (P=0.000,P=0.014).ConclusionThe contents of soil organic C and total N begin to pick up from the mature stage. The change of N among different stand age and soil depth is the key factor changing soil N∶P ratio. The ratio of soil C∶N and C∶P is mainly affected by organic C.

Pinusmassonianaplantation; stand age; CNP; stoichiometry.

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.06.010

2017-02-22

中国林业科学研究院基本科研业务费专项资金项目(CAFYBB2014QA033)、广西林业科技项目(桂林科字[2016]第37号)、中国林业科学研究院热带林业实验中心主任基金项目(RL2015-04)

雷丽群,硕士,助理工程师。主要研究方向：森林生态学。 电话:13481104142, E-mail:757467053@qq.com. 地址：532600，广西凭祥市科园路8号

* 通讯作者：明安刚，在读博士,高级工程师。主要研究方向:森林生态学。E-mail:minganggang0111@163.com

S791.248

A

1001-1498(2017)06-0954-07

崔 贝)