东莞市国营大岭山林场典型桉树过熟林土壤有机碳与养分特征*

沈德才 冯英杰 刘 婷 赵新宇龙凤玲 刘效东

（1. 东莞市林业科学研究所/广东珠江口城市群森林生态系统国家定位观测研究站，广东 东莞 523106；2. 华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510642）

森林土壤是生态系统的重要组成部分，是植被赖以生存和健康成长的重要基础，能适时供给并协调植物生长所需的水分、养分、空气、温度、支撑条件和无毒害物质的能力，其肥力特征直接影响着森林木材和林副产品的产量及生态功能的发挥[1-3]。森林土壤养分是表征土壤肥力的主要指标[4]，由于土壤母质、物种丰富度、林分特征、气候因子等条件的不同而具高度的空间异质性[5-6]。土壤各养分元素在各土壤层之间不断循环，其储量及其化学计量特征反映了林地供应林木生长所需营养物质的能力。

生态化学计量是以生态系统中能量平衡、元素平衡与生态系统相互作用影响为研究核心的一种理论架构，对于揭示生态系统过程影响因素及其作用机制具有重要意义[7]。土壤中的C、N、P、K 是土壤养分的重要组成部分，是植物赖以生存和发展的必要条件[8]。土壤养分在迁移和转化过程中往往伴随耦合现象[9-10]。因此，研究土壤养分的化学计量特征，对于正确认识森林生态系统土壤养分平衡及其循环特征具有重要作用。

桉树是世界三大速生树种之一，具有种类多、生长快、耐贫瘠、材质优以及用途广等特点[11-12]，主要分布在我国广东、广西、江西、福建、海南、云南等地区，已成为我国南方速生丰产林的战略性树种[13]。目前，对于是否大力发展桉树存在较多争议[14-15]，主要矛盾点在于种植桉树所带来的诸如地力衰退、生产力下降、水土流失等生态环境问题[16]。且随着林龄的增长，人工林生态系统结构组成、土壤理化性质及环境特征发生较大改变，从而致使林分与土壤间的养分分配状况发生变化[17]。朱育锋等人[18]对广西不同林龄桉树人工林土壤生态化学计量特征研究发现，过熟林龄组土壤化学计量比显著低于其他林龄组。因此，探讨不同林龄桉树林内土壤养分状况可为桉树林的合理管理和经营提供科学指导。

东莞市国营大岭山林场是珠三角洲地区亚热带生态系统较具代表性的植被区域之一，森林覆盖率达80%，但是由于历史的原因，其原有的植被遭受了不同程度的破坏。目前该林场多以经营人工林纯林为主[19]。本文以广东省东莞市国营大岭山林场内23 年生桉树人工林为研究对象，探讨该过熟人工林土壤有机碳与养分含量、储量及其化学计量特征，揭示该区域典型桉树人工林土壤有机碳与养分的垂直分布格局，为该地区桉树人工林的后期经营和管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究样地概况

东莞市国营大岭山林场（113°42′22″～113°48′12″E，22°50′00″～2°53′32″N）位于广东省东莞市南部，珠江口的东北部，正处于珠江三角洲开发区的中心地带。北邻厚街镇与莞城街道相对，南接虎门镇、长安镇与深圳市相望。地貌属低山、丘陵、高丘地带，最高海拔530 m，最低海拔30 m，土壤为赤红壤，土层深厚，且较为肥沃[20]。气候属南亚热带季风气候，年平均气温21.7 ℃，极端最高气温为37.9 ℃，极端最低气温为0.4 ℃；年平均降水量为1 790 mm，雨季多集中于4—9 月，其中4—6 月为前汛期，7—9 月为后汛期，台风降水活跃。树木种类繁多，据初步调查，共有维管植物105 科247 属346 种，天然林面积少，人工林面积多，占总面积约70%[21]，园内主要以人工种植的桉树林、马尾松林、杉木林、荔枝林、相思林为主，还有次生林以及乡土树种等[22]。

东莞市国营大岭山林场森林面积为2 166.80 hm2，其中桉树林面积为333.01 hm2（图1），全部为过熟林，平均林龄约23 年，海拔约98 m，坡度较陡，位于山脊，为西北向。该小班每公顷株数约为1110 棵，样地内平均树高和平均胸径分别为15.2 m 和18.9 cm，其小班蓄积量为1 294 m3。东莞市从2000 年开始禁止商品林经营，禁止森林砍伐，于2010 年对该小班进行了林相改造，对原有桉树林进行疏伐，保留郁闭度0.6；林下种植了大头茶Polyspora axillaris、火力楠Michelia macclurei、樟树Cinnamomum camphora、浙江润楠Machilus chekiangensis等苗木，并连续进行了3 年抚育，现如今林分郁闭度达到0.9。

图1 研究样地概况Figure 1 Map of study site

1.2 样品采集与指标分析

2021 年9 月在东莞市国营大岭山林场桉树林林内进行调查取样。根据该林地的地形特征，在具有典型代表性地区建立面积约为50 m×50 m的固定样地。在样地内的上坡、中坡和下坡分别设置3 个采样点，除去表层枯落物后挖取土壤剖面进行样品采集，采集0～20、20～40、40～60、60～80 和80～100 cm 土层的环刀样品和原状土。用标准体积环刀（100 cm3）在每个样点取样，采集样品时环刀口垂直向下；在靠近环刀土壤样品采集处，取相应土层的原状土进行混合（样品重量约1 kg），以使原状土的理化性质更接近环刀土。采集的样品用自封袋封装带回实验室，自然风干并研磨过筛，用于进行土壤理化性质的测定。土壤容重和总孔隙度等土壤物理性状指标采用环刀法测定，pH 值采用电位法（土水比1:2.5）测定，土壤含水率采用烘干法，用H2SO4-K2Cr2O7法测定土壤有机碳含量，土壤全氮用半微量凯氏定氮法测定，土壤全磷选择HCLO4-H2SO4消解后用钼锑抗比色法测定，土壤全钾用氢氧化钠熔融-火焰光度计法，水解氮用碱解扩散吸收法，有效磷盐酸-氟化铵提取—钼锑抗比色法，速效钾使用乙酸铵提取—火焰原子吸收分光光度法。桉树林内不同土层土壤物理性质如表1 所示。

表1 不同土层土壤物理性质Table 1 Physical properties in different soil layers

1.3 土壤各养分储量的计算

土壤有机碳、全氮、全磷和全钾储量（t·hm-2）按照Guo 等人[23]提出的公式计算：

式中，SOCi是土壤第i层的有机碳含量（g·kg-1），TNi是土壤第i层的全氮含量（g·kg-1），TPi是土壤第i层的全磷含量（g·kg-1），TKi是土壤第i层的全钾含量（g·kg-1），BDi是第i层的土壤容重（g·cm-3），Di是第i层的土壤深度（cm），S表示土壤0～100 cm 土层的碳氮磷钾的储量（t·hm-2），Ci表示第i层土壤碳氮磷钾含量（g·kg-1）。

1.4 数据处理

本文将所测的数据通过Excel 2016 和SPSS 24.0 软件进行处理，对所得指标求取平均值、标准误差、及变异系数。同时采用单因素方差分析方法比较不同土层的土壤化学性质特征，当F 值显示方差分析结果显著时，使用Duncan’s 检验方法（P＜0.05）比较土壤变量均值之间的差异，同时采用相关性分析探究土壤养分储量的影响要素。本文数据结果作图均采用Origin 2019 完成。

2 结果与分析

2.1 不同土层土壤有机碳及各养分特征

如图2 所示，桉树林内不同土层土壤pH 值的变化范围为4.07±0.03～4.18±0.04，表层土壤（0～20 cm）的pH 略低于其他土层，均为强酸性土壤。土壤有机碳的含量随土层深度的增加逐渐下降，平均值为12.85±1.21 g·kg-1，变异系数为0.49。0～40 cm 土层的土壤有机碳含量显著高于40～100 cm 土层（P＜0.05）。表层土壤有机碳含量最高，为21.34±1.99 g·kg-1。

图2 不同土层土壤pH、有机碳养分含量Figure 2 Soil pH and carbon content in different soil layers

不同土层全氮含量与土壤有机碳呈现相同的变化，表层含量为1.55±0.30 g·kg-1，显著高于深部土层（40～100 cm），垂直方向上的平均值为0.98±0.08 g·kg-1，变异系数为0.44。不同土层土壤总磷含量变化范围为0.29±0.02～0.32±0.02 g·kg-1，平均值为0.31±0.01 g·kg-1，变异系数为0.04；40～60 cm 含量最低，80～100 cm 含量最高。土壤全钾含量随土层深度的增加而增加，但各土层之间均不显著（P＞0.05），垂直方向上的平均值为7.50±0.27 g·kg-1，变异系数为0.09。土壤有机碳与各全量养分含量的变异程度为C＞N＞K＞P，其中土壤有机碳与全氮均为中等变异（图3）。

图3 不同土层土壤全量养分含量Figure 3 Contents of soil total nutrients in different soil layers

不同土层各速效养分含量均表现为随土层深度的增加而逐渐下降（图4）。垂直剖面上的土壤水解氮的平均值为99.86±7.85 mg·kg-1，0～40 cm 土层碱解氮的含量显著高于深部土层（P＜0.05）。表层土壤（0～20 cm）有效磷的含量显著高于其他土层（P＜0.05），含量为1.14±0.21 mg·kg-1。不同土层速效钾含量的变化范围为16.38±4.43～43.74±6.24 mg·kg-1， 表 层 土 壤（0～20 cm）速效钾含量显著高于40～100 cm 土层。

2.2 不同土层化学计量特征

不同土层化学计量特征如图5 所示，垂直剖面上土壤的化学计量特征均表现为随土层深度的增加逐渐减小。由图4a 可知，0～100 cm 土层的C:N 的平均值为12.83±0.29，0～20 cm 土层C:N显著高于80～100 cm（P＜0.05）。0～40 cm 土层的C:P 显著高于40～100 cm 土层（P＜0.05），表层最高（67.42±7.09），底层为21.55±1.96（图4b）。图4c 表明，不同土层N:P 与C:P 的差异呈现相同的规律，垂直剖面上N:P 的平均值为3.20±0.27，其中0～40 cm 土层的N:P 显著高于其他土层（P＜0.05）。

图4 不同土层土壤速效养分含量Figure 4 Contents of soil available nutrients in different soil layers

图5 不同土层化学计量特征Figure 5 Stoichiometry characteristics in different soil layers

2.3 不同土层养分有机碳及养分储量特征

桉树林内不同土层养分储量特征如表2 所示，0～100 cm 土壤各养分储量大小表现为C＞K＞N＞P，其 值 分 别 为143.28 t·hm-2、85.81 t·hm-2、10.90 t·hm-2和3.54 t·hm-2。C 储 量 和N 储 量 均 表 现为随土层深度增加逐渐减少的趋势，且0～40 cm土层的C 储量与N 储量均显著高于其他土层（P＜0.05）。不同土层P 储量与K 储量随土层深度的增加略有上升，但各土层之间的差异不显著（P＞0.05）。

表2 不同土层土壤有机碳及各养分储量特征 t·hm-2 Table 2 Soil carbon storage and nutrient storage in different soil layers

2.4 不同土层土壤有机碳及其养分储量与理化性质的关系

桉树林内土壤养分储量与土壤理化性质的关系如表3 所示。由表可知，土壤C 储量与土壤有机碳和土壤全氮含量呈极显著正相关（P＜0.01），相关系数分别为0.933 和0.901，与土壤含水率和毛管孔隙度呈显著正相关（P＜0.05），与土壤全钾呈极显著负相关（P＜0.01），与土壤pH 和非毛管孔隙度呈显著负相关（P＜0.05）。土壤N 储量与土壤有机碳和土壤全氮含量呈极显著正相关（P＜0.01），相关系数分别为0.910 和0.916，与土壤含水率和毛管孔隙度呈显著正相关（P＜0.05），与土壤pH、非毛管孔隙度和土壤全钾呈显著负相关（P＜0.05）。土壤P 储量与土壤全磷含量和土壤容重均呈极显著正相关（P＜0.01），与土壤总孔隙度和非毛管孔隙度呈极显著负相关（P＜0.01），与其他理化性质的相关性均未达到显著水平。土壤K 储量与土壤容重和土壤全钾含量呈极显著正相关（P＜0.01），与土壤含水率、总孔隙度、土壤有机碳含量和土壤全氮含量均呈极显著负相关（P＜0.01），与毛管孔隙度和非毛管孔隙度呈显著负相关（P＜0.05）。

表3 土壤有机碳及各养分储量与土壤理化性质的相关系数Table 3 Correlation coefficient between soil organic carbon and nutrient storage and soil physico-chemical properties

3 结论与讨论

森林土壤是森林生态系统可持续发展的基础，森林土壤的酸化会不同程度地降低土壤养分的有效性，不利土壤的良性发育，从而造成森林植被的退化等[24]。本研究中，桉树林内不同森林土层土壤pH 值平均值为4.13±0.02，低于全省森林土壤的pH 值（4.72），属于强酸性土壤[25]。这是由于广东地区高温多雨，淋溶作用强烈，导致土壤碱金属和碱土金属元素强烈淋失, 出现富铝化现象；此外，酸沉降也是造成土壤酸化的原因之一[26]。研究表明，土壤养分呈现明显的表聚现象，且各养分浓度随土层深度的增加而减少。而本研究中，除土壤有机碳和全氮含量随土层深度增加而下降外，土壤全磷呈V 字型变化，土壤全钾则随土层深度的增加而增加，但各土层之间的差异并不显著。一方面，由于土壤磷、钾元素主要来自于土壤母质的风化、凋落物分解以及淋溶作用，相对稳定的来源使得各土层之间的差异较小。另一方面，土壤中的钾元素易溶于水，凋落物分解产生的养分会随水分的下降从而汇集在深层土壤，故出现底层土壤钾元素较为富集的现象。土壤中的速效养分是指可以被植物迅速直接利用，或经过简单转换而直接利用的元素，与土壤肥力具有更为直接的关系[27]。本研究中，各速效养分含量均有明显的表聚现象，各速效养分与广东省内森林土壤的平均值相比，除碱解氮含量达到省内平均值外（88.32 mg·kg-1），有效磷和速效钾含量均远低于省内平均值[28]。

土壤碳氮磷化学计量特征是表征土壤肥力和养分循环变化的有用指标[29,30]。C:N 是评价土壤中有机碳和全氮循环重要指标，当C:N 较高时，土壤中的有机质分解速率较低；当C:N 较低时，土壤中微生物生长所需外的N 素会释放到土壤中，增加土壤中氮素含量[31]。本研究中，桉树林内的C:N 的平均值为12.83±0.29，高于全国的平均水平11.9[32]，不利于土壤氮素的增加。土壤C∶P 是衡量土壤微生物矿化有机物释放磷元素潜力的指标[33-34]。本研究中，C:P 的平均值为41.95±9.03，低于全国的平均水平61[32]，表明该地森林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处于较高水平，不存在磷限制这一情况[35]。土壤中的N∶P 可用作N 饱和的诊断指标[36]，并被用于确定养分限制的阈值。本研究中，土壤的N:P 的平均值为3.20±0.61，略低于全国平均水平5.2，也低于亚热带地区的平均水平6.4[32,37]，Bui 等人[38]指出，土壤中N:P ＜10 时，该地区土壤受氮限制，表明桉树林内土壤养分受氮素的限制，这可能是由于该林地为过熟林，其生长缓慢、发育成熟所导致的[39]。

土壤养分储量可以评价土壤生产力的高低及质量的好坏[40]。本研究中，土壤有机碳和各养分元素的储量大小关系为C＞K＞N＞P，与余明等[41]人的研究结果一致。桉树林内土壤碳储量的平均值为143.28 t·hm-2，与我国人工林土壤碳储量相比，高于其平均值107.1 t·hm-2[42]。本研究桉树林内土壤氮储量平均值为10.90 t·hm-2，接近于我国土壤平均氮储量的平均值10.96 t·hm-2[43]。土壤碳氮储量均随土层深度增加而下降，与土壤有机碳和土壤全氮含量呈现相同的变化，主要原因是森林动植物的残体和森林枯枝落叶经微生物分解转化和化学淋溶，均出现富集在土壤表面的现象，同时土壤全氮含量受到土壤有机碳的显著正向影响，相关系数达到0.910，因此，二者均表现出相同的变化规律。本研究林内土壤磷储量平均值为3.54 t·hm-2，低于全国土壤磷库的平均值6.0 t·hm-2[44]，低于同一气候区的火力楠林地土壤磷储量[41]。但各土层之间磷储量差异并不显著，这主要是由于土壤磷主要来源于岩石的风化，受土壤母质的影响较大，导致其变异较低。桉树林内土壤层钾储量随土层深度而增加，与王瑞章等[45]人的研究结果一致。

整体上，东莞市国营大岭山林场23 年生桉树林内土壤呈现为强酸性，土壤有机碳与全氮含量随土层深度的增加而下降，呈明显的表聚现象，而全磷及全钾含量则相对偏低。速效养分碱解氮、有效磷和有效钾含量均随土层的增加而下降。除碱解氮外，其余养分均未达到省内平均水平。该23 年生桉树人工林土壤有机碳储量含量最高，超过全国人工林土壤碳储量的平均水平，其余养分除氮储量接近我国土壤氮储量的平均值外，均未达到全国土壤的平均水平。整体上，桉树林内0～40 cm 土层较好地扮演着碳库与氮库的角色，但土壤磷、钾含量相对不高，建议后期经营管理中一方面注意过熟林地表层土壤养分的保护，另一方面可针对性的开展林分的综合改造，以期进一步提升桉树人工林的生态与社会功能。