不同杉木林分类型土壤团聚体生态化学计量特征

张钱春，王晟强，黄永珍，姚贤宇，何欣欣，叶绍明

(广西大学 林学院，南宁 530004)

生态化学计量学是将生态学和化学等基本原理结合在一起，从元素比率角度出发研究生态系统能量平衡以及多重化学元素平衡的学科[1-2]，主要强调碳(C)、氮(N)、磷(P) 3种主要组成元素之间的关系[1]。其中，碳是植物积累最主要的元素，氮和磷是植物生长所需的大量元素，也是植物生长的限制性养分[2]。研究土壤C、N、P的化学计量特征，对揭示土壤养分的限制情况以及C、N、P循环和平衡机制具有重要意义。目前，国内外对土壤C、N、P化学计量特征的研究主要是比较不同纬度、海拔、坡度、土地利用方式间差异[3-5]，且多数研究集中在全土层面，尚未在土壤微域环境中对其进行深入分析。土壤团聚体是土壤结构的基本单元，其结构特征能改变土壤水肥性质和固碳过程，最终影响养分的动态变化[6]。不同粒径团聚体具有不同维持和供应土壤有机碳和养分的能力[7-8]，进一步研究土壤团聚体C、N、P生态化学计量特征对提升土壤肥力和增加土壤碳储量具有重要意义[9]。

杉木(Cunninghamialanceolata)是中国人工林种植的重要速生用材树种，具有经济价值高、生长快、产量高、材质好等特点[10]，但是杉木纯林多代连栽会导致土壤地力衰退、林分结构单一，降低土壤肥力和生态系统稳定性[11]。研究表明不同杉木林分类型对土壤团聚体有机碳以及氮磷养分变化存在不同程度的影响[9]，C、N、P及其比例特征在土壤团聚体中的分布间接反映杉木生长状况，但关于杉木纯林及其混交林土壤C、N、P生态化学计量特征的研究却鲜见报道。因此，本研究选取中国林业科学研究院热带林业试验中心杉木米老排(Mytilarialaosensis)混交林、杉木火力楠(Micheliamacclurei)混交林以及杉木纯林为研究对象，开展不同杉木林分类型土壤团聚体C、N、P在土壤团聚体间的协同趋势及响应特征，旨在揭示不同杉木林分类型土壤质量的演化机制，以期为杉木人工林土壤的综合管理与可持续利用提供科学依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

试验地位于广西壮族自治区凭祥市中国林业科学研究院热带林业实验中心大青山实验场(106°41′～106°59′E，21°57′～22°16′N)，属南亚热带季风气候区，年平均气温为20.5～21.7 ℃，最高气温40.3 ℃，最低气温-1.3 ℃，每年10 ℃以上的积温为6 000～7 600 ℃。典型的湿润半湿润气候，光照充足、降水充沛，水热资源丰富，全年日照时长1 218～1 620 h，年平均降水量1 200～1 500 mm，地貌类型为低山丘陵，土壤类型为红壤，成土母岩主要为砂岩、花岗岩和石灰岩，研究区域森林植被主要包括杉木、火力楠、米老排、三桠苦(Evodialepta)和黄椿木姜子(Litseavariabilis)等。

1.2 样地设置与样品采集

2019年6月，对中国林业科学研究院热带林业中心大青山实验场杉木林分进行全面综合考察，在野外调查的基础上，选择成土母质相同、坡向坡度相似、海拔基本一致，具有代表性的杉木-米老排混交林(Ⅰ)、杉木-火力楠混交林(Ⅱ)及杉木纯林(Ⅲ)土壤为采样对象。3种林分类型林龄均为27年，郁闭度0.85，坡度为27～32°。各林分均为1992年营造，种植株行距为2 m×3 m，杉木米老排混交林和杉木火力楠混交林比例均为3∶1。

在每个林地内按随机原则设置5个30 m×30 m的标准样方，每个样方按“S”形设置5个采样点。取样时先铲除土壤表层的枯枝落叶，从表层向下按照0～10 cm和10～20 cm土层采集原状土样，将采集的土壤分层混合一共10个土壤，3个林分共30个土样(5个样方×2个土层×3个林分)。将采集好的原状土样装入塑料盒带回风干处理。将每个混合土样沿其自然结理分开，过5 mm筛除去小石块和动植物残体等，置于室内阴凉通风处风干。风干后的土样一部分用于测定全土基本理化性质，测定结果见表1。一部分用沙维洛夫干筛法[12]分离出>2 mm、2～0.25mm和 <0.25 mm粒径的团聚体。不同杉木林分类型土壤团聚体组成见表2。

表1 不同林分类型土壤化学特征

表2 不同杉木林分类型土壤团聚体分布特征

1.3 测定项目与方法

容重、有机碳(SOC)采用重铬酸钾-外加热，全氮(TN)采用消煮法并使用连续流动分析仪测定，全磷(TP)含量采用高氯酸-硫酸酸溶-钼锑抗比色法测定[13]。土壤C/N、C/P、N/P均为各元素的质量比。各粒径团聚体质量百分含量=各粒径团聚体质量/土壤样品总质量×100%，变异系数=标准差/平均值×100%。

1.4 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 22.0软件对数据进行统计分析，采用单因素(one-way ANOVA)和Duncan法进行方差分析和多重比较(α=0.05)，用Pearson法对不同林分和不同粒径SOC、TN和TP含量的相关性分析。用SigmaPlot 12.5 和Excel 2010 制图，图中数据均为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体C、N、P含量变化特征

2.1.1 土壤团聚体有机碳(SOC)含量分布由表3可知，土壤团聚体SOC含量在0～10 cm和10～20 cm随粒径的减小而升高，平均范围分别为8.20～17.59和7.64～14.15 g·kg-1，不同土层变异系数分别为21.37%和20.35%。不同林分类型下，>2 mm和1～0.25 mm粒径团聚体SOC含量表现为林分Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ，在<0.25 mm粒径团聚体表现为林分Ⅱ显著高于林分Ⅰ和Ⅲ，而林分Ⅰ和Ⅲ无显著差异。

表3 不同杉木林分类型土壤团聚体有机碳(SOC)含量的分布

2.1.2 土壤团聚体全氮(TN)含量分布由表4可知，土壤团聚体TN含量在不同粒径团聚体和林分类型中的变化与SOC含量变化相似，在不同粒径团聚体中，土壤团聚体TN含量随粒径的减小而升高，<0.25 mm粒径TN含量最高。在不同林分类型中，TN含量在林分类型Ⅱ最高，其次是林分类型Ⅰ，林分类型Ⅲ最低。其中在0～10和10～20 cm土层平均值变化范围分别是0.77～1.31和0.67～1.14 g·kg-1，变异系数分别为21.00%和16.51%。

表4 不同杉木林分类型土壤团聚体全氮(TN)含量的分布

2.1.3 土壤团聚体全磷(TP)含量分布由表5可知，土壤团聚体TP含量在0～10和10～20 cm土层平均值变化范围分别是0.43～0.64和0.33～0.54 g·kg-1，变异系数分别为21.46%和17.82%。不同粒径团聚体中，在0～10 cm土层，各粒径之间无显著差异，而在10～20 cm土层，林分类型Ⅲ中，1～0.25 mm和<0.25 mm粒径与>2 mm粒径团聚体具有显著差异。在不同林分类型下，土壤团聚体TP含量林分类型Ⅱ最高，其次是林分类型Ⅰ，林分类型Ⅲ最小，其中，在0～10 cm土层，>2 mm和<0.25 mm粒径中，林分类型Ⅱ显著高于林分类型Ⅲ；在10～20 cm土层，>2 mm粒径中，林分类型Ⅱ显著高于林分类型Ⅲ。

表5 不同杉木林分类型土壤团聚体全磷(TP)含量的分布

2.1.4 土壤团聚体C、N、P的相关性由图1可知，不同杉木林分各粒径团聚体C、N、P存在极显著的正相关关系(P<0.01)，其中C和N之间呈线性相关，变化规律相似。C和P及N和P之间的线性拟合程度较低。P含量的变化滞后于C和N。由表6可知不同团聚体粒径中C和N存在极显著的正相关关系(P<0.01)；P与C在>2 mm和<0.25 mm粒径的相关性极显著；P与N在<0.25 mm粒径的相关性极显著。

图1 不同杉木林分类型土壤团聚体C、N、P的相关性(n=90)Fig.1 The correlations between C，N, P and each stand types (n=90)

表6 不同粒径土壤团聚体C、N、P相关性分析

2.2 土壤团聚体C、N、P生态化学计量特征

2.2.1 C/N由图2所示，土壤团聚体C/N在0～10和10～20 cm土层平均值变化范围分别是10.61～14.36和10.59～14.50，变异系数分别为9.32%和12.85%。不同林分类型在0～10 cm土层中C/N比值为林分类型Ⅱ最高，其次是林分类型Ⅰ，林分类型Ⅲ最小，且林分类型Ⅱ与Ⅲ差异显著(P<0.05)。同时，10～20 cm土层C/N比值变化规律与0～10 cm相似。

图2 不同杉木林分类型土壤团聚体中C/N的分布Fig.2 Distribution of C/N ratios in different stand types

2.2.2 C/P由图3所示，土壤团聚体C/P在0～10和10～20 cm土层平均值变化范围分别是20.04～28.73和18.22～26.53，变异系数分别为19.75%和21.28%。土壤C/P在不同粒径之间无显著差异(P>0.05)，在不同林分类型中，C/P为林分类型Ⅱ最高，其次是林分类型Ⅰ，林分类型Ⅲ最小，各林分之间无显著差异。

图3 不同杉木林分类型土壤团聚体中C/P的分布Fig.3 Distribution of C/P ratios in different stand types

2.2.3 N/P由图4所示，土壤团聚体N/P在0～10和10～20 cm土层平均值变化范围分别是1.55～2.16和1.73～2.35，变异系数分别为22.24%和24.49%。0～10 cm土层，N/P在林分间和粒径间均无显著差异(P>0.05)。10～20 cm土层，在不同林分类型下，N/P表现为林分类型Ⅱ最高，其次是林分类型Ⅰ，林分类型Ⅲ最小。其中，<0.25 mm粒径中，林分类型Ⅱ显著高于林分类型Ⅲ，而各粒径团聚体间差异不显著(P>0.05)。

图4 不同杉木林分类型土壤团聚体中N/P的分布Fig.4 Distribution of N/P ratios in different stand types

3 讨 论

3.1 土壤团聚体C、N、P含量变化特征

不同林分因树种组成不同，凋落物数量、质量及其分解速率不同，导致营养元素向土壤分解的养分含量不同，对土壤碳库的影响也不同[2]。研究表明针阔混交凋落物归还量显著高于针叶纯林，且不同树种凋落物分解速率存在明显差异，凋落物高归还量的针阔混交林土壤C和N含量高于针叶纯林[2, 14-15]，本试验研究结果与其高度一致，即杉木与火力楠混交土壤碳氮含量高于杉木纯林。同时，团聚体C、N受土壤层次的影响，土壤表层凋落物产量大通常集中在土壤表层，有利于土壤C、N的积累和转移，其含量均表现出土壤上层(0～10 cm)高于下层(10～20 cm)，这与前人研究结果[14,16]一致。此外，值得注意的是，在不同杉木林分类型中，土壤团聚体C、N含量均随着粒径的减小呈递增趋势变化，其中有机碳和全氮的含量在< 0.25 mm粒径团聚体中显著高于> 0.25 mm粒径团聚体，这是因为土壤团聚体对养分的吸附能力与团聚体中含量呈正比。同时，黏粒矿物多包含于小粒径团聚体中，促使土壤养分被这些黏粒矿物吸附，从而向小粒径团聚体积累[17]。磷分布较为均一，这可能是由于土壤磷的来源相对较为固定，因为磷含量受林下植被、土壤形成、耕作和施肥管理等影响[18]，且亚热带地区呈现普遍缺磷现象，易与土壤中铁铝结合而不被植物利用，通常在同一区域磷含量基本一致[19]。因此，本研究中不同杉木林分类型和不同粒径团聚体中土壤磷素分布较为均一。然而，由于磷是细粒土壤有机质形成的重要因素，后期仍需进一步研究磷在土壤中的动态机制[20]。

本研究中，土壤C、N之间存在显著耦合关系，土壤TN的分布情况与有机碳具有一致性，且两者相关性达极显著水平(P<0.01)，这是由于土壤TN主要来源于植物残体分解与合成所形成的有机质。< 0.25 mm粒径团聚体TN含量较高，这不仅受到土壤SOC含量的影响，也与小粒径团聚体对NH4+的吸附能力较强有关[21]。而不同林分类型土壤团聚体TP的变异性小于SOC和TN，主要由于土壤磷素是一种沉积性矿物，在土壤中的迁移率很低，但其与有机碳和全氮含量依然存在极显著的相关关系(P<0.01)。

3.2 土壤团聚体C、N、P生态化学计量特征

土壤C/N、C/P和N/P是有机质或其他成分中C、N、P总质量的比值，是土壤有机质组成和质量的重要指标之一，直接反映土壤养分的限制情况以及土壤内部碳氮磷循环特征[22]。土壤C/N常被用来衡量有机质的分解速率以及土壤氮素的矿化能力[23]。本试验结果表明，3种杉木人工林土壤C/N的平均值分别为杉木火力楠混交林>杉木米老排混交林>杉木纯林，均高于中国C/N的平均值(10.1～12.1)[22]，这可能是因为凋落物质量不同，致使分解速率产生差异。以往的研究发现，凋落物分解速率与凋落物初始营养元素N、P含量呈正相关[24]。本研究区域中，杉木-火力楠N、P相对含量最高，可能是火力楠凋落物分解速率更快。

土壤C/P和N/P的空间变异性较C/N大，这主要是由于C、P与N、P的空间分布不尽一致，这与王维奇等[25]的研究结果相似。杉木混交林土壤各粒径团聚体中C/P和N/P均高于杉木纯林，原因在于营造混交林使土壤以及各粒径团聚体中有机碳和氮素含量均有不同程度的升高，同时磷的来源相对固定，从而混交林的C/P和N/P相对较高。此外，植被类型和微生物对N、P元素的同化吸收利用具有不稳定性[26]，因而可增强土壤团聚体C/P和N/P的变异程度。

土壤中的N、P是植物生长所必需的矿质营养元素和生态系统中最常见的限制性元素[27]，土壤N/P可以作为养分限制类型的有效预测指标[28]。从各粒径团聚体上看，0～10 cm和10～20 cm土层不同杉木林分类型中土壤N/P总体在>0.25 mm粒径团聚体中较大，表明大团聚体中限制类型以P为主；从不同杉木林分类型看，0～10 cm和10～20 cm土层各粒径土壤N/P在杉木火力楠混交林中最大，表明磷的限制性最大。此外，土壤C、N、P元素的输入量和需求量之间的平衡及其有效性决定了生态系统碳循环和碳固定效率[22, 27]。因此，本研究结合前期在该区计算的碳储量数据[9]，将其与土壤C/N、C/P和N/P进行比较。结果显示，土壤C/N、C/P和N/P对土壤碳储量具有良好的指示作用，这与前人研究结果一致[23]。因此在该研究区也可用C/N、C/P和N/P间接表征杉木人工林土壤固碳效应。结果表明，不同林分类型土壤的C/N、C/P和N/P均低于全球平均值14.5%、21.7%和14.6%[29-30]，这表明亚热带的土壤环境可能受到N、P的限制和C的积累率低[31]

4 结 论

本研究发现，杉木与火力楠和米老排混交后，土壤团聚体中SOC和TN含量显著增加，促进了有机质的恢复和团聚体的形成，提高了团聚体的稳定性。不同杉木林分类型土壤<0.25 mm粒径团聚体含量高于>0.25 mm粒径，< 0.25 mm粒径团聚体SOC和TN含量最高，不同杉木林分类型SOC、TN和TP含量均为0～10 cm土层高于10～20 cm土层；SOC和TN主要分布于< 0.25 mm粒径团聚体中，土壤TP含量在各粒径团聚体中分布较为均匀，其中SOC和TN含量为杉木-火力楠>杉木-米老排>杉木纯林。说明选择火力楠与杉木混交有利于土壤SOC、TN、TP的积累，但不同粒径团聚体对C、N、P的保持能力存在差异。此外，不同杉木林分类型土壤各粒径团聚体SOC、TN、TP含量间呈极显著相关。0～10 cm和10～20 cm土层C/N在各粒径团聚体中的变化相对较小，C/P和N/P的变异性则相对较大。土壤C/P和N/P均在大粒径中较高，且杉木火力楠混交林值最大，建议在杉木火力楠混交林中配施磷肥，避免土壤持续利用受到磷的限制。