不同林龄油松人工林土壤碳、氮和磷生态化学计量特征

杨 霞， 陈丽华， 郑学良

(北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

生态化学计量学以生态学和化学计量学为基本原理，研究生物系统能量平衡和多种化学元素平衡，其为探索碳(C)、氮(N)和磷(P)等主要元素的地化循环和生态学过程提供了一种新思路[1-2]。

土壤C、N和P质量分数的变化可以反映土壤养分状况，土壤C∶N、C∶P和N∶P计量特征不仅能体现土壤有机质组成、土壤质量状况以及土壤养分供给能力，还可以指示土壤各养分的矿化能力和固持能力[3]。姜沛沛等[4]对子午岭林区不同林龄(9、23、33和47年)油松(Pinustabuliformis)人工林土壤的研究表明，土壤有机C和全N含量随林龄的变化规律为先增加后降低，P含量随林龄先降低后增加。汪宗飞等[5]在子午岭地区的研究结果为油松林土壤有机C和全N含量随林龄增加而增加，P含量随林龄逐渐减小。另外有学者研究了广西凭祥不同林龄(6、16、23和35年)马尾松(Pinusmassoniana)人工林土壤C、N和P变化特征，结果显示：土壤有机C、全N和全P含量随林龄增加先降低后逐渐增加，土壤有机C在不同林龄和土层之间的差异是影响土壤C∶N和C∶P变化的主要因素，N则是导致土壤N∶P变化的主要原因[6]；由此可见，人工林生态系统土壤肥力变化特征具有不一致性，这种不一致性是由区域气候、植被生物学特性及人工林经营方式等造成的[7-8]。生态化学计量比研究可以为人工林经营过程中养分限制或养分循环提供重要的判断作用，因此在特定地区和植被条件下开展土壤生态化学计量比研究是非常有必要的[9]。

油松作为我国的特有树种，不仅是北方主要的造林用材树种，也是辽东地区主要的人工水源涵养林树种，在林业生产和森林生态系统中占有十分重要的地位。目前，国内学者在黄土高原地区做了大量关于土壤养分特征的研究，这些研究对林分实际经营起到了一定的理论指导作用。本研究区位于辽宁省抚顺县温道林场，北靠大伙房水库，油松作为该区主要的人工水源涵养林之一，发挥着重要的生态作用。但近年全球气温回升、降雨量减少、蒸腾量增加，森林生态环境逐渐恶化，部分森林功能开始退化，林木生长出现倒退现象[10]；因此，有必要对该区油松人工林土壤C、N和P质量分数及生态化学特征进行研究。通过对不同林龄油松土壤C、N和P质量分数的测定和分析，探讨不同林龄和土层下土壤C、N和P质量分数以及化学计量比的变化规律和异同，指导油松林木生长环境的调节，为油松人工林土壤肥力的管理提供参考。

1 研究区概况

研究区位于辽宁省大伙房水库上游社河流域的温道林场，东临新宾县界，西接抚顺市市郊，南连后安镇，北靠大伙房水库，地理坐标：E 124°09′54.65″、N 41°49′23.50″，属于长白山脉龙岗支脉西麓的低山区，海拔200～500 m，坡度15～25°。气候类型为温带季风型大陆气候，年均降雨量800～1 000 mm，多集中在6—8月，年均温5～8 ℃，土壤主要为棕色森林土和暗棕色森林土，土质较疏松，土壤有机质质量分数较高。该流域水源涵养林以人工林为主，此外有少量的天然次生林，森林覆盖率为85%，主要树种包括油松、落叶松(Larixgmelinii)、红松(Pinuskoraiensis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、山杨(Populusdavidiana)、蒙古栎(Quercusmongolica)、紫穗槐(Amorphafruticosa)等[11-12]。

2 研究方法

2.1 样地设置

于2018年6月在辽宁省抚顺县温道林场进行调查。经实地调研并咨询林场工作人员后，选取3个不同林龄油松人工纯林(42、65和85年)作为研究对象，每个林龄布设3块面积为20 m×20 m的样地(共9块样地)，同龄林样地之间的距离不超过1 km，保持立地条件基本一致。分别对各样地进行每木检尺、生物多样性调查，记录海拔、坡度、坡向、郁闭度、树高、胸径、冠幅等。样地基本情况见表1。

2.2 样品采集及处理

按照坡上、坡中、坡下线路在上述布设的9个油松样地中，各取3个土样采集点(共27个采样点)，采样点距边界5 m以上。在采样点挖土壤剖面，按照0～20、>20～40和>40～60 cm土层(根据试验区的立地条件，60 cm左右土层大石块较多，故本次实验样品均取到60 cm)分别取1 kg左右的土样，最后将每个样地3个采样点相同土层的土样混合均匀各取1 kg，风干所取土样，除去大的石块和动植物残体，过2 mm土壤筛，并用四分法取部分风干土样[11]，研磨过0.149 mm土壤筛，以便测土壤养分。

表1 油松样地基本特征Tab.1 Basic characteristics in the plots of Pinus tabuliformis

2.3 土壤养分测定

土壤有机C测定采用重铬酸钾氧化-浓硫酸外加热法，土壤全N采用K1100全自动凯氏定氮仪法，土壤全P采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法[13-14]。本研究结果取各土样3次重复测定的平均值。

2.4 数据分析

数据统计处理采用Microsoft Excel 2010。数据分析采用SPSS 22.0，用单因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比较法分析油松人工林不同林龄或不同土层深度之间土壤有机C、全N和全P质量分数和化学计量比的差异，双因素方差分析法(Two-way ANOVA)分析林龄和土层深度及其交互作用对土壤化学性质和化学计量比的影响，用Pearson相关性分析化学计量比与土壤有机C、全N和全P的相关性。采用Microsoft Excel 2010作图。

3 结果与分析

3.1 土壤碳、氮和磷质量分数特征

由方差分析可得(表2)，林龄和土层深度对土壤有机C质量分数均存在极显著影响(P<0.01)，林龄和土层深度的交互作用对土壤有机C质量分数无显著影响(P>0.05)。3个不同林龄油松林地0～60 cm层土壤有机C质量分数的均值分别为47.67 g/kg(65年)>22.74 g/kg(85年)>15.73 g/kg(42年)，即土壤有机C质量分数随林龄增加先增加后逐渐减少。65年油松林地土壤有机C质量分数明显高于42和85年，并且高于3个林地土壤有机C质量分数的平均值(28.71 g/kg)。另外，0～20和>40～60 cm土层内有机C质量分数随林龄的变化规律与上述规律相同，且各土层内65年林地土壤有机C质量分数与其他2个林地差异显著(P<0.05)。土壤有机C质量分数随土层加深逐渐减少，其中0～20 cm层明显高于其他土层且差异显著(P<0.05)(图1)。

表2 林龄和土层深度对油松人工林土壤碳、氮、和磷生态化学计量比的影响Tab.2 Effects of stand age and soil depth on soil C, N, and P ecological stoichiometry of Pinus tabuliformis plantations

同一林龄不同小写字母表示不同土层间差异显著(P<0.05)，同一土层不同大写字母表示不同林龄间差异显著(P<0.05)。下同。Different lowercase alphabets of the same stand age indicate significant differences in different soil layers (P<0.05), different capital alphabets of the same soil layer indicate significant differences among different stand ages (P<0.05). The same below. 图1 不同林龄油松人工林土壤全C、全N、全P质量分数Fig.1 Soil total C, total N, and total P content in different stand age of Pinus tabuliformis plantations

林龄、土层深度以及林龄和土层深度的交互作用对土壤全N和全P质量分数均存在极显著影响(P<0.01)(表2)。3个林龄油松林地0～60 cm土壤全N质量分数均值分别为0.40 g/kg(42年)、1.58 g/kg(65年)和0.57 g/kg(85年)，N质量分数随林龄先增加后减少，这与土壤有机C质量分数变化规律是一致的。65年油松林地土壤全N质量分数均值明显高于42和85年。0～20、>20～40和>40～60 cm土层内土壤全N质量分数的变化与N质量分数在0～60 cm土层内的变化是一致的，且在0～20和>20～40 cm土层内，65年林地N质量分数明显区别与其他2个林地(P<0.05)。另外，不同林地土壤全N质量分数均随土层加深减少，0～20 cm土壤全N质量分数均显著高于其他土层(P<0.05)。

不同林地0～60 cm土壤全P质量分数均值为2.27 g/kg(85年)>1.21 g/kg(65年)>1.11 g/kg(42年)，P质量分数随林龄增加，这与上述土壤有机C和土壤全N质量分数随林龄变化的规律稍有不同。且85年林地土壤全P质量分数均值明显高于其他2个林地，约为其的1.80～2.20倍，其他林地则差别不明显。在不同土层内，85年林地土壤全P质量分数也均显著高于42年、65年的(P<0.05)。另外，各林地土壤全P质量分数随土层加深略有减少，除85年林地外，其他林地各土层间无显著差异(P>0.05)。

图2 不同林龄油松人工林土壤碳∶氮∶磷生态化学计量比特征Fig.2 Ecological stoichiometry of soil C∶N∶P in different stand age of Pinus tabuliformis plantations

3.2 土壤碳、氮和磷化学计量特征

根据方差分析结果，林龄和土层深度对土壤C∶N无显著影响(P>0.05)，而林龄和土层深度的交互作用对土壤C∶N有极显著影响(P<0.01)(表2)。不同林龄林地0～60 cm层土壤C∶N变化范围为24.54～57.02，C∶N随林龄先减小后增加，即42.43(85年)>37.30(42年)>36.19(65年)，各林地土壤C∶N均值差别不大。0～20 cm层土壤C∶N表现为42.67(42年)>37.67(85年)>24.54(65年)；>20～40 cm为53.41(85年)>42.56(42年)>27.02(65年)；>40～60 cm为57.02(65年)>36.22(85年)>26.67(42年)，且65年林地与其他2个林地差异显著(P<0.05)。

由表2可知，林龄和土层深度对土壤C∶P和N∶P均有极显著影响(P<0.01)。不同林地0～60 cm土层土壤C∶P范围为4.27～55.26，其值随林龄先增加后减小，表现为39.44(65年)>15.47(42年)>10.40(85年)，65年林地明显高于其他林地。3个土层内土壤C∶P的变化规律与上述规律一致，且在各土层中65年林地与42和85年林地均存在显著差异(P<0.05)。另外，不同林地土壤C∶P随土层加深逐渐降低，其中0～20 cm与其他2个土层均存在显著差别(P<0.05)。3个油松林地0～60 cm层土壤N∶P为0.12～2.25，表现为随林龄先增加后减小，即1.33(65年)>0.38(42年)>0.33(85年)，65年林地高于其他2个林地。从不同土层来看，土壤N∶P随土层加深逐渐降低，各层土壤N∶P均值表现为1.16(0～20 cm)>0.54(>20～40 cm)>0.28(>40～60 cm)，且0～20 cm土层与>20～40 cm、>40～60 cm土层之间均有显著差异(P<0.05)。土壤N∶P的变化规律与上述土壤C∶P的变化规律基本一致(图2)。

3.3 土壤碳、氮和磷质量分数与生态化学计量比的相关性

根据Pearson双变量相关性分析(表3)，土壤C∶N与土壤有机C无显著相关性，与土壤全N质量分数极显著相关。土壤C∶P与土壤有机C质量分数、土壤全N和土壤全P质量分数均存在极显著的相关性。土壤N∶P与土壤全N和全P质量分数也均存在极显著相关性。研究结果表明研究区油松人工林土壤C∶N、C∶P和N∶P与土壤有机C、全N和全P质量分数有非常密切的关系。

表3 油松人工林土壤碳、氮、和磷质量分数及生态化学计量比的相关性Tab.3 Correlation among soil C, N, P content and their ecological stoichiometry of Pinus tabuliformis plantations

4 讨论

4.1 土壤碳、氮和磷质量分数特征

土壤有机C、全N和全P元素作为植物正常生长发育必需的养分，在植物生长过程中发挥着重要的作用[15]，其质量分数的多少以及组合成分，受植物种类、经营方式以及气候和土壤等诸多因素的影响[16]。本研究结果显示，油松人工林土壤有机C、全N质量分数随林龄增加呈现先增加后减少的变化规律，这与姜沛沛等[4]、陈立新等[17]的研究结果一致。出现这种结果的原因可能是林下枯落物的累计以及林木对土壤养分的需求发生变化。土壤养分(C、N和P)主要来源于林下枯落物的分解和表层根系的分泌物[18]，随着林龄的增加，林木生长越来越旺盛，林下枯落物不断积累，林木的根系也逐渐扩大，这一时期大部分养分以枯落物等形式归还土壤。在林龄达到一定阶段之后，林木的生长出现倒退现象，土壤中的养分也逐渐下降。一些学者的研究结果与上述研究稍有不同[19-20]，查阅文献发现这些学者研究时所选取的油松林年限都较小，进而猜想得出土壤有机C和全N质量分数随林龄增加而增加的结论。另外，与以上2种结论不同的是，雷丽群等[6]对马尾松人工林的研究表明，土壤有机C和全N质量分数随林龄增加降低，至成熟林阶段有所回升，曾凡鹏等[21]对辽东落叶松的研究结果为，土壤有机C和全N质量分数随林龄增加降低。由此可猜想，林木在生长过程中土壤C、N和P质量分数的变化可能出现多峰现象，而非仅单峰变化，这种现象可能是由林木在不同生长时期对养分需求不同造成的。研究还发现土壤有机C、全N质量分数随土层加深有明显降低的趋势，土壤C和N主要聚集在0～40 cm土层，这与以往学者的研究结果一致[22-25]。原因可能是枯落物聚集在土壤表层，微生物活性较高，枯落物分解速率较快，土壤较肥沃[5]。研究中土壤全P质量分数随林龄增加，这与以往结果相似[18,26]。研究中42年油松林土壤全P质量分数为1.11 g/kg，与张藤子等[26]对辽西油松人工林(37 年)的研究结果(1.03 g/kg)基本相同。此外有学者在黄土高原的研究结果为0.13～0.61 g/kg，该研究显示土壤P质量分数较低[27-28]。究其原因，主要是地域差异，土壤类型本身不同。其次是因为黄土高原水土流失严重，土壤养分淋溶大.土壤P质量分数相对较。不同林龄油松林各土层土壤全P质量分数无显著差异，造成这种现象的主要原因是土壤中P元素大多来自岩石风化和淋溶，岩石风化需要一个长期的过程，在这个过程中土壤0～60 cm土层内岩石风化程度并无太大差别，并且P元素是沉积性的矿物，土壤中迁移相对较少，因此土壤P素质量分数在各土层的空间分布较稳定[29]。

4.2 土壤碳、氮和磷生态化学计量特征

土壤生态化学计量比是评价土壤质量的重要指标，是确定土壤C、N和P平衡特征的重要参数[30]，对植物生长有重要影响[28]。土壤C∶N可以反映土壤有机质的分解状况，是土壤N素矿化能力的标志[31]。土壤C∶N小于25，不仅利于有机质的转化，而且超过生物生长所需要的N素也会被释放到土壤中，此时土壤N素充足；当C∶N大于25，有机质难以转化，同时生物需要输入N素来满足自身的生长需求，利于有机质积累[32-33]。研究中3个林龄油松林土壤C∶N为36.19～42.43，C∶N随林龄变化有所增加，但增加规律不明显，林龄和土层深度对土壤C∶N无明显影响。研究结果远大于最佳土壤C∶N值(25)，也高于中国陆地土壤平均水平(11.90)[34]，这说明研究区油松林土壤中有机质难以转化，土壤N素矿化能力较弱，土壤N素不足。王棣等[35]在秦岭地区的研究结果为5～20，该结果与本研究差异显著，主要是由土壤类型、气候等条件不同引起的。相关性分析可以看出(表3)，土壤C∶N与土壤有机C无明显相关性，与土壤全N显著相关，说明N素在不同林龄和土层之间的变化是土壤C∶N发生变化的主要原因。土壤中的微生物可以从环境中吸收P元素或者将P从土壤有机物质中释放出来，这种吸附、释放P素的能力可根据土壤C∶P进行判断[5]。研究中土壤C∶P随林龄先增加后降低，随土层深度逐渐降低，二者对其均有显著影响。结果显示研究区油松林土壤C∶P为10.40～39.44，该数据与辽西地区研究(14.39)[26]基本一致。C∶P越小，越利于土壤微生物矿化土壤有机质释放较多P素，补充土壤有效P库[5]。研究中土壤C∶P低于我国陆地土壤平均水平(61)[34]，说明研究区土壤微生物矿化土壤有机物质释放P素的能力较强，土壤P素充足。分析可知，土壤C∶P与土壤有机C、全P均显著相关，说明土壤C、P变化是C∶P变化的主要原因。土壤N∶P作为判断生境中N或P不足的依据，可判别植物生长过程中土壤养分的供给状态。研究中，不同林龄油松林土壤N∶P变化范围为0.26～1.33，小于全国平均水平(5.20)[34]。林龄和土层深度对土壤N∶P均有显著影响，但土壤中N∶P变化相对稳定。

5 结论

1)林龄和土层深度对土壤有机C、全N、全P、C∶P、N∶P均有显著性影响。土壤有机C、全N质量分数随林龄先增加后降低，土壤全P质量分数随林龄逐渐增加，各土壤养分随林龄的变化可能出现多峰现象，而非仅单峰变化。随土层加深，以上三者的质量分数均表现为下降的趋势。

2)不同林龄和土层之间土壤C∶N主要受N素影响，C∶P受C和P影响，N∶P受N和P影响。

3)土壤有机C和全N主要聚集在0～40 cm土层，且该区土壤N素矿化能力较弱，土壤N素不足。