雷州半岛3种速生人工林下土壤生态化学计量特征

许宇星，王志超，竹万宽，杜阿朋

（国家林业局 桉树研究开发中心，广东 湛江524022）

化学计量学是化学元素平衡的科学，强调活有机体主要组成元素（特别是碳、氮和磷）的化学计量特征关系［1－3］。中国人工林面积居世界之首，因林分结构单一、培育制度不健全而导致水土流失和林分生产力下降等问题日趋严重。目前，国内对人工林生态系统内不同元素化学计量学研究颇多，主要集中在植物器官的元素生态化学计量学特征研究。崔宁洁等［4］总结了长江上游不同林龄马尾松Pinus massoniana人工林生态系统内碳、氮、磷分配格局及化学计量特征，对提高马尾松人工林养分利用效率及林地生产力具有重要意义；赵亚芳等［5］对秦岭西主峰鳌山下3种不同林龄华北落叶松Larix principis-rupprechtii针叶碳、氮、磷质量分数及其化学计量比随季节变化规律进行了比较分析，为华北落叶松的合理经营提供理论依据。土壤作为人工林生态系统的重要组成部分，其养分成分对速生林生长起关键作用［6］，土壤中各元素化学计量学特征不仅反映肥力状况，同时其比值也反映了土壤碳、氮、磷、钾的矿化和固持作用及对养分的供给能力。桉树Eucalyptus spp.和松树Pinus spp.是华南地区最重要的速生丰产林树种，栽植面积大，材质好且生产力高，在中国林业建设与生态安全中发挥举足轻重的作用，但树种结构单一、轮伐期短和连年栽植等问题已造成人工林产量逐代递减，林地土壤理化性质变差［7－8］。人工林地力衰退成为了制约林分生长的主要因素［9］。本研究选取雷州半岛尾巨桉Eucalyptus urophylla×E.grandis，赤桉Eucalyptus camaldulensis和湿加松Pinus elliottii×P.caribaea等3种常见人工林为研究对象，对其林下土壤有机碳、全氮、全磷、全钾质量分数及生态化学计量特征进行研究，以期揭示人工速生林下土壤碳、氮、磷、钾的分布格局及其比值变化特征，为人工林土壤养分管理及合理科学施肥提供理论依据和数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究地位于南方国家级林木种苗示范基地，属北热带湿润大区雷琼区北缘，海洋性季风气候，年降水量为1 567 mm，5－9月为雨季，占全年85.5%；年平均气温为23.1℃，年相对湿度为80.4%；土壤类型主要为砖红壤， 有机质质量分数＞10.0 g·kg－1， 偏酸性（pH 4.5～5.3）［10－12］。 试验林分选取种苗基地内 3个不同速生树种（尾巨桉、赤桉、湿加松），不同林分苗木均来源于种苗基地培育的生长均一［（25±2）cm］的网袋苗木，造林前施用等量（666 kg·hm－2）专业基肥，造林后对林分进行定期除杂维护。林分具体特征见表1。

1.2 研究方法与样品采集

2016年4 月下旬，在备选的3个不同人工林林分中分别布设3个20 m×20 m的样地，在每个样方内以 “S”形选择5个点取样，使用土钻按0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm分层采集土壤，仔细除去其中可见植物残体及土壤动物，风干过筛（0.25 mm网筛）后备用［6］。

1.3 样品分析与数据处理

本研究中，元素质量分数测定方法参考LY/T 1210～1275－1999中华人民共和国林业行业标准。有机碳测定采用重铬酸钾氧化-容量法，土壤全氮采用凯氏定氮法，土壤全磷采用碱熔-钼锑抗比色法，土壤全钾采用碱熔-火焰光度法。数据采用SPSS 18.0软件进行单因素方差分析、相关分析以及多重比较、采用Excle 2010绘制相关图表。

表1 试验地林分概况Table 1 Basic situation of different plantations

2 结果与分析

2.1 不同人工林地土壤有机碳、全氮、全磷和全钾质量分数的变化

由表2可知：3种不同人工林0～60 cm土壤有机碳和全氮质量分数均表现为赤桉林＞尾巨桉林＞湿加松林，全磷质量分数表现为尾巨桉林＞湿加松林＞赤桉林。其中，有机碳和全氮质量分数差异不显著（P＞0.05）；赤桉全磷质量分数显著低于尾巨桉林和湿加松林，全钾质量分数表现为湿加松林＞赤桉林＞尾巨桉林，湿加松林土壤全钾质量分数显著高于尾巨桉林和赤桉林土壤（P＜0.05）。

3种不同人工林中，有机碳、全氮均随土层深度的增加而呈现下降趋势。其中，不同人工林表层（0～20 cm）土壤有机碳和全氮质量分数分别为 23.73～27.32 和 1.84～2.10 g·kg－1，而中层土壤（20～40 cm）则迅速下降至13.72～15.21和0.93～1.33 g·kg－1，之后到下层土壤（40～60 cm）虽质量分数有所下降但未出现显著差异。土壤全磷和全钾质量分数随土层深度增加变化不大，除尾巨桉林表层全磷质量分数及赤桉林表层全钾显著高于中层和下层土壤，其余不同人工林各土层深度间全磷质量分数均未达到显著水平（P＞0.05），不同人工林中层土壤全钾质量分数与表层和下层土壤均未产生显著差异（P＞0.05）。3种人工林相同土层间有机碳和全氮均未产生显著差异，尾巨桉林与湿加松林各层土壤全磷质量分数均显著高于赤桉林土壤，而尾巨桉林和赤桉林各层土壤全钾质量分数均显著低于湿加松林土壤（P＜0.05）。

表2 各人工林下不同土壤深度有机碳、全氮、全磷和全钾质量分数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机碳、全氮、全磷和全钾的化学计量特征

图1可以看出：3种不同人工林0～60 cm土层间土壤碳氮比和氮磷比均未产生显著差异（P＞0.05），不同人工林土层间土壤碳氮比为8.87～16.41；氮磷比为0.53～3.38。3种不同人工林0～60 cm土层间碳钾比、氮钾比、碳磷比、磷钾比均产生显著差异（P＜0.05），表现为尾巨桉林＞赤桉林＞湿加松林。

图1显示：3个不同人工林碳氮比、磷钾比随土层深度变化并无一致规律，主要是由植物对不同土层养分吸收利用以及土壤腐殖质对各土层养分的供应不同所导致。随着土层深度变化，3种不同人工林碳磷比、碳钾比、氮磷比、氮钾比均呈现降低趋势，且表层土壤（0～20 cm）比值均显著高于中层（20～40 cm）和下层（40～60 cm）土壤（P＜0.05），中层和下层土壤缓慢下降但未产生显著差异（P＞0.05）。其中，碳钾比、氮钾比、磷钾比各土层深度均表现为尾巨桉林＞赤桉林＞湿加松林。

图1 不同深度土壤各元素化学计量比Figure 1 Stoichiometry features of different soil depthes

2.3 土壤有机碳、 全氮、 全磷、全钾质量分数及其化学计量比之间的相关性

表3显示：土壤有机碳和全氮极显著正相关（P＜0.01），相关系数达到0.925，有机碳与土壤全磷和全钾相关性不显著（P＞0.05）；土壤全氮、全磷以及全钾间相关性均不显著。土壤有机碳与氮磷比及全氮与碳磷比均呈极显著正相关。这是因为土壤中全磷质量分数变化较稳定，氮磷比和碳磷比主要受全氮及土壤有机碳的影响，而3种人工林不同土层土壤有机碳与全氮质量分数的变化又具有一致性。

3 结论与讨论

土壤养分作为森林生态系统植物体营养元素的主要来源，其碳、氮、磷、钾质量分数及化学计量特征可影响植物体各元素平衡［13－14］。本研究中，2种桉树林和湿加松林表层土壤（0～20 cm）有机碳和全氮质量分数未产生显著差异，土壤全磷质量分数赤桉林显著低于尾巨桉林和湿加松林，后两者未产生显著差异。2种桉树林和湿加松林下表层土壤有机碳质量分数为23.73～27.32 g·kg－1，全氮质量分数为1.84～2.10 g·kg－1，全磷质量分数为0.71～0.90 g·kg－1。其中，有机碳质量分数高于湖南会同7年生杉木Cunninghamia lanceolata人工林下土壤（19.52 g·kg－1）［15］，略低于闽南山区6年生尾巨桉人工林土壤有机碳质量分数（28.07 g·kg－1）［16］；土壤全氮和全磷质量分数高于湖南会同 7 年生杉木人工林（1.70 g·kg－1和 0.23 g·kg－1）［15］和闽南山区 6 年生尾巨桉人工林（1.82 g·kg－1和 0.39 g·kg－1）［16］， 低于广西雅长兰科 Orchidaceae 植物自然保护区土壤全氮和全磷质量分数均值（3.22 g·kg－1和 1.15 g·kg－1）［17］。 可能原因在于本研究样地和闽南山区均属于南亚热带地区，温度较高、降雨充沛，有利于凋落物的分解和养分循环，使土壤有机碳质量分数高于湖南会同地区杉木人工林，与闽南山区相似；而广西雅长兰科植物自然保护区虽属中亚热带季风区，且年均降水量（1 051.7 mm）低于南亚热带，但保护区内森林连片分布，原生性较强，有机质积累深厚［17］，因此有机碳、全氮和全磷质量分数均高于本研究区和闽南山区土壤。3种人工林土壤全钾质量分数差异较明显， 湿加松林下表层土壤全钾质量分数（9.21 g·kg－1）显著高于 2 种桉树林（0.86～1.73 g·kg－1）（P＜0.05），可能原因在于桉树本身的速生特性对钾元素的吸收能力强于湿加松；同时，试验区雨季雨水较多，桉树人工林地除杂工作频繁，容易形成地表径流，从而导致部分有机质和全氮、磷、钾养分随雨水流失［11］。

表3 土壤各元素质量分数及化学计量的相关性Table 3 Correlations of soil C，N，P，K and stoichiometry features

土壤有机碳和全氮质量分数随土层深度呈下降趋势，3种不同人工林表层土壤有机碳和全氮质量分数显著高于下2层土壤质量分数，之后从20～40 cm土层到40～60 cm土层虽质量分数有所下降但未出现显著差异。可能原因在于土壤有机碳主要来源于土壤表层的凋落物及其根系，这些凋落物及根系分解所形成的大量有机物及养分元素首先进入土壤表层，致使土壤表层有机质积累较多［15］，土壤氮质量分数除来源于凋落物分解还有大气氮沉降［14］，因此，土壤有机碳和全氮质量分数会出现较为明显的土壤层次差异。相关性分析表明（表5）：土壤有机碳和全氮呈极显著正相关，相关系数达0.925，与化学计量学的基本原则相符，即有机物的形成需要一定数量的氮和其他营养成分与其相应的相对固定比率的碳［18］。土壤全磷和全钾质量分数随土层深度增加变化不大，除尾巨桉林表层土壤全磷质量分数以及赤桉林表层土壤全钾质量分数显著高于中层和下层土壤质量分数，其余不同人工林各土层深度间全磷质量分数均未达到显著水平（P＞0.05），且不同人工林中层土壤全钾质量分数与表层和下层土壤均未产生显著差异。可能原因在于土壤中磷元素主要来源于岩石的风化及凋落物的分解［19］，土壤钾元素主要来源于矿物质风化、凋落物分解和降水淋溶［20］，矿物风化作用是一个漫长而稳定的过程，对土壤中磷钾量影响较大，因而其质量分数随土层深度变化不显著，随土层深度变异性较小。

土壤碳氮比、碳磷比和氮磷比是反映土壤有机质组成及土壤资源有效性的重要指标［21］。土壤碳氮比是土壤质量的敏感指标，同时也反映了土壤不同元素的营养平衡状态［22］。本研究中，赤桉林与湿加松林表层土壤碳氮比显著高于尾巨桉林，同时结合3种人工林树种生理特性及其树高与胸径生长状况（表1），说明尾巨桉林表层土壤具有较快的矿化作用，但有机质较快的分解可能不利于土壤养分的维持［14］。3种人工林0～60 cm土层碳氮比未产生显著差异，数值为12.63～13.14，高于中国土壤碳氮比平均值（10.10～12.10）［24］，低于全球土壤碳氮比平均值 13.33［23］。 本研究区 0～60 cm 土层碳磷比为 19.40～26.36，低于中国平均土壤碳磷比（105.00）［24］。有研究表明［25］，当碳磷比＜200.00时，土壤微生物碳素会出现短暂增加和有机磷的净矿化，从而使土壤中磷质量分数有所提升。据此说明研究区3种人工林土壤磷质量分数较充足。土壤氮磷比可作为养分限制类型的有效预测指标［21］。该研究区3种人工林土壤0～20 cm土层及0～60 cm土层氮磷比间未出现显著差异，但低于中国土壤氮磷比平均值5.20［26］，说明研究区土壤中氮质量分数相对缺乏，3种人工林类型之间存在相似养分限制类型。植物生长过程中通过土壤吸收营养成分只是其中一种方式，植物还可以从凋落前的老叶通过转移再分配以及空气中吸取部分养分［27］，因此，通过土壤判断植物生长过程中的养分限制类型还需结合叶片及凋落物等的养分元素状况。我们通过对雷州半岛不同林龄桉树叶片、凋落物及土壤的养分元素测定并分析也发现，该研究区人工林生长受氮元素限制（另文发表）。磷钾比在3种人工林不同土层间未产生显著差异，但土壤磷钾比、碳钾比、氮钾比在3种人工林0～60 cm土层间均产生显著差异，可见该研究区所选人工林种类的改变对土壤中磷钾质量分数变化影响较大，但各人工林不同深度磷钾质量分数变化较小。

4 结论

通过对雷州半岛3种常见人工林土壤养分质量分数对比分析可知，2种桉树林和湿加松林表层土壤有机碳及全氮质量分数未产生显著差异，赤桉林土壤全磷质量分数显著低于尾巨桉林及湿加松林，而湿加松林土壤全钾质量分数显著高于2种桉树林下土壤；随土层深度变化，土壤有机碳及全氮质量分数逐渐下降，但全磷及全钾质量分数未产生规律性变化。该研究区内3种人工林土壤磷元素相对充足，林木生长均受氮元素限制。因此，建议雷州半岛速生人工林栽植过程中，及时补充林木生长的限制性营养元素，在提高人工林产量的同时，也可避免土壤的过度消耗。

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