楊 霞， 陳麗華， 鄭學良

(北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京)

生態(tài)化學計量學以生態(tài)學和化學計量學為基本原理，研究生物系統(tǒng)能量平衡和多種化學元素平衡，其為探索碳(C)、氮(N)和磷(P)等主要元素的地化循環(huán)和生態(tài)學過程提供了一種新思路[1-2]。

土壤C、N和P質量分數(shù)的變化可以反映土壤養(yǎng)分狀況，土壤C∶N、C∶P和N∶P計量特征不僅能體現(xiàn)土壤有機質組成、土壤質量狀況以及土壤養(yǎng)分供給能力，還可以指示土壤各養(yǎng)分的礦化能力和固持能力[3]。姜沛沛等[4]對子午嶺林區(qū)不同林齡(9、23、33和47年)油松(Pinustabuliformis)人工林土壤的研究表明，土壤有機C和全N含量隨林齡的變化規(guī)律為先增加后降低，P含量隨林齡先降低后增加。汪宗飛等[5]在子午嶺地區(qū)的研究結果為油松林土壤有機C和全N含量隨林齡增加而增加，P含量隨林齡逐漸減小。另外有學者研究了廣西憑祥不同林齡(6、16、23和35年)馬尾松(Pinusmassoniana)人工林土壤C、N和P變化特征，結果顯示：土壤有機C、全N和全P含量隨林齡增加先降低后逐漸增加，土壤有機C在不同林齡和土層之間的差異是影響土壤C∶N和C∶P變化的主要因素，N則是導致土壤N∶P變化的主要原因[6]；由此可見，人工林生態(tài)系統(tǒng)土壤肥力變化特征具有不一致性，這種不一致性是由區(qū)域氣候、植被生物學特性及人工林經(jīng)營方式等造成的[7-8]。生態(tài)化學計量比研究可以為人工林經(jīng)營過程中養(yǎng)分限制或養(yǎng)分循環(huán)提供重要的判斷作用，因此在特定地區(qū)和植被條件下開展土壤生態(tài)化學計量比研究是非常有必要的[9]。

油松作為我國的特有樹種，不僅是北方主要的造林用材樹種，也是遼東地區(qū)主要的人工水源涵養(yǎng)林樹種，在林業(yè)生產和森林生態(tài)系統(tǒng)中占有十分重要的地位。目前，國內學者在黃土高原地區(qū)做了大量關于土壤養(yǎng)分特征的研究，這些研究對林分實際經(jīng)營起到了一定的理論指導作用。本研究區(qū)位于遼寧省撫順縣溫道林場，北靠大伙房水庫，油松作為該區(qū)主要的人工水源涵養(yǎng)林之一，發(fā)揮著重要的生態(tài)作用。但近年全球氣溫回升、降雨量減少、蒸騰量增加，森林生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，部分森林功能開始退化，林木生長出現(xiàn)倒退現(xiàn)象[10]；因此，有必要對該區(qū)油松人工林土壤C、N和P質量分數(shù)及生態(tài)化學特征進行研究。通過對不同林齡油松土壤C、N和P質量分數(shù)的測定和分析，探討不同林齡和土層下土壤C、N和P質量分數(shù)以及化學計量比的變化規(guī)律和異同，指導油松林木生長環(huán)境的調節(jié)，為油松人工林土壤肥力的管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省大伙房水庫上游社河流域的溫道林場，東臨新賓縣界，西接撫順市市郊，南連后安鎮(zhèn)，北靠大伙房水庫，地理坐標：E 124°09′54.65″、N 41°49′23.50″，屬于長白山脈龍崗支脈西麓的低山區(qū)，海拔200～500 m，坡度15～25°。氣候類型為溫帶季風型大陸氣候，年均降雨量800～1 000 mm，多集中在6—8月，年均溫5～8 ℃，土壤主要為棕色森林土和暗棕色森林土，土質較疏松，土壤有機質質量分數(shù)較高。該流域水源涵養(yǎng)林以人工林為主，此外有少量的天然次生林，森林覆蓋率為85%，主要樹種包括油松、落葉松(Larixgmelinii)、紅松(Pinuskoraiensis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、山楊(Populusdavidiana)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、紫穗槐(Amorphafruticosa)等[11-12]。

2 研究方法

2.1 樣地設置

于2018年6月在遼寧省撫順縣溫道林場進行調查。經(jīng)實地調研并咨詢林場工作人員后，選取3個不同林齡油松人工純林(42、65和85年)作為研究對象，每個林齡布設3塊面積為20 m×20 m的樣地(共9塊樣地)，同齡林樣地之間的距離不超過1 km，保持立地條件基本一致。分別對各樣地進行每木檢尺、生物多樣性調查，記錄海拔、坡度、坡向、郁閉度、樹高、胸徑、冠幅等。樣地基本情況見表1。

2.2 樣品采集及處理

按照坡上、坡中、坡下線路在上述布設的9個油松樣地中，各取3個土樣采集點(共27個采樣點)，采樣點距邊界5 m以上。在采樣點挖土壤剖面，按照0～20、>20～40和>40～60 cm土層(根據(jù)試驗區(qū)的立地條件，60 cm左右土層大石塊較多，故本次實驗樣品均取到60 cm)分別取1 kg左右的土樣，最后將每個樣地3個采樣點相同土層的土樣混合均勻各取1 kg，風干所取土樣，除去大的石塊和動植物殘體，過2 mm土壤篩，并用四分法取部分風干土樣[11]，研磨過0.149 mm土壤篩，以便測土壤養(yǎng)分。

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

2.3 土壤養(yǎng)分測定

土壤有機C測定采用重鉻酸鉀氧化-濃硫酸外加熱法，土壤全N采用K1100全自動凱氏定氮儀法，土壤全P采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法[13-14]。本研究結果取各土樣3次重復測定的平均值。

2.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理采用Microsoft Excel 2010。數(shù)據(jù)分析采用SPSS 22.0，用單因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比較法分析油松人工林不同林齡或不同土層深度之間土壤有機C、全N和全P質量分數(shù)和化學計量比的差異，雙因素方差分析法(Two-way ANOVA)分析林齡和土層深度及其交互作用對土壤化學性質和化學計量比的影響，用Pearson相關性分析化學計量比與土壤有機C、全N和全P的相關性。采用Microsoft Excel 2010作圖。

3 結果與分析

3.1 土壤碳、氮和磷質量分數(shù)特征

由方差分析可得(表2)，林齡和土層深度對土壤有機C質量分數(shù)均存在極顯著影響(P<0.01)，林齡和土層深度的交互作用對土壤有機C質量分數(shù)無顯著影響(P>0.05)。3個不同林齡油松林地0～60 cm層土壤有機C質量分數(shù)的均值分別為47.67 g/kg(65年)>22.74 g/kg(85年)>15.73 g/kg(42年)，即土壤有機C質量分數(shù)隨林齡增加先增加后逐漸減少。65年油松林地土壤有機C質量分數(shù)明顯高于42和85年，并且高于3個林地土壤有機C質量分數(shù)的平均值(28.71 g/kg)。另外，0～20和>40～60 cm土層內有機C質量分數(shù)隨林齡的變化規(guī)律與上述規(guī)律相同，且各土層內65年林地土壤有機C質量分數(shù)與其他2個林地差異顯著(P<0.05)。土壤有機C質量分數(shù)隨土層加深逐漸減少，其中0～20 cm層明顯高于其他土層且差異顯著(P<0.05)(圖1)。

表2 林齡和土層深度對油松人工林土壤碳、氮、和磷生態(tài)化學計量比的影響Tab.2 Effects of stand age and soil depth on soil C, N, and P ecological stoichiometry of Pinus tabuliformis plantations

同一林齡不同小寫字母表示不同土層間差異顯著(P<0.05)，同一土層不同大寫字母表示不同林齡間差異顯著(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. 圖1 不同林齡油松人工林土壤全C、全N、全P質量分數(shù)Fig.1 Soil total C, total N, and total P content in different stand age of Pinus tabuliformis plantations

林齡、土層深度以及林齡和土層深度的交互作用對土壤全N和全P質量分數(shù)均存在極顯著影響(P<0.01)(表2)。3個林齡油松林地0～60 cm土壤全N質量分數(shù)均值分別為0.40 g/kg(42年)、1.58 g/kg(65年)和0.57 g/kg(85年)，N質量分數(shù)隨林齡先增加后減少，這與土壤有機C質量分數(shù)變化規(guī)律是一致的。65年油松林地土壤全N質量分數(shù)均值明顯高于42和85年。0～20、>20～40和>40～60 cm土層內土壤全N質量分數(shù)的變化與N質量分數(shù)在0～60 cm土層內的變化是一致的，且在0～20和>20～40 cm土層內，65年林地N質量分數(shù)明顯區(qū)別與其他2個林地(P<0.05)。另外，不同林地土壤全N質量分數(shù)均隨土層加深減少，0～20 cm土壤全N質量分數(shù)均顯著高于其他土層(P<0.05)。

不同林地0～60 cm土壤全P質量分數(shù)均值為2.27 g/kg(85年)>1.21 g/kg(65年)>1.11 g/kg(42年)，P質量分數(shù)隨林齡增加，這與上述土壤有機C和土壤全N質量分數(shù)隨林齡變化的規(guī)律稍有不同。且85年林地土壤全P質量分數(shù)均值明顯高于其他2個林地，約為其的1.80～2.20倍，其他林地則差別不明顯。在不同土層內，85年林地土壤全P質量分數(shù)也均顯著高于42年、65年的(P<0.05)。另外，各林地土壤全P質量分數(shù)隨土層加深略有減少，除85年林地外，其他林地各土層間無顯著差異(P>0.05)。

圖2 不同林齡油松人工林土壤碳∶氮∶磷生態(tài)化學計量比特征Fig.2 Ecological stoichiometry of soil C∶N∶P in different stand age of Pinus tabuliformis plantations

3.2 土壤碳、氮和磷化學計量特征

根據(jù)方差分析結果，林齡和土層深度對土壤C∶N無顯著影響(P>0.05)，而林齡和土層深度的交互作用對土壤C∶N有極顯著影響(P<0.01)(表2)。不同林齡林地0～60 cm層土壤C∶N變化范圍為24.54～57.02，C∶N隨林齡先減小后增加，即42.43(85年)>37.30(42年)>36.19(65年)，各林地土壤C∶N均值差別不大。0～20 cm層土壤C∶N表現(xiàn)為42.67(42年)>37.67(85年)>24.54(65年)；>20～40 cm為53.41(85年)>42.56(42年)>27.02(65年)；>40～60 cm為57.02(65年)>36.22(85年)>26.67(42年)，且65年林地與其他2個林地差異顯著(P<0.05)。

由表2可知，林齡和土層深度對土壤C∶P和N∶P均有極顯著影響(P<0.01)。不同林地0～60 cm土層土壤C∶P范圍為4.27～55.26，其值隨林齡先增加后減小，表現(xiàn)為39.44(65年)>15.47(42年)>10.40(85年)，65年林地明顯高于其他林地。3個土層內土壤C∶P的變化規(guī)律與上述規(guī)律一致，且在各土層中65年林地與42和85年林地均存在顯著差異(P<0.05)。另外，不同林地土壤C∶P隨土層加深逐漸降低，其中0～20 cm與其他2個土層均存在顯著差別(P<0.05)。3個油松林地0～60 cm層土壤N∶P為0.12～2.25，表現(xiàn)為隨林齡先增加后減小，即1.33(65年)>0.38(42年)>0.33(85年)，65年林地高于其他2個林地。從不同土層來看，土壤N∶P隨土層加深逐漸降低，各層土壤N∶P均值表現(xiàn)為1.16(0～20 cm)>0.54(>20～40 cm)>0.28(>40～60 cm)，且0～20 cm土層與>20～40 cm、>40～60 cm土層之間均有顯著差異(P<0.05)。土壤N∶P的變化規(guī)律與上述土壤C∶P的變化規(guī)律基本一致(圖2)。

3.3 土壤碳、氮和磷質量分數(shù)與生態(tài)化學計量比的相關性

根據(jù)Pearson雙變量相關性分析(表3)，土壤C∶N與土壤有機C無顯著相關性，與土壤全N質量分數(shù)極顯著相關。土壤C∶P與土壤有機C質量分數(shù)、土壤全N和土壤全P質量分數(shù)均存在極顯著的相關性。土壤N∶P與土壤全N和全P質量分數(shù)也均存在極顯著相關性。研究結果表明研究區(qū)油松人工林土壤C∶N、C∶P和N∶P與土壤有機C、全N和全P質量分數(shù)有非常密切的關系。

表3 油松人工林土壤碳、氮、和磷質量分數(shù)及生態(tài)化學計量比的相關性Tab.3 Correlation among soil C, N, P content and their ecological stoichiometry of Pinus tabuliformis plantations

4 討論

4.1 土壤碳、氮和磷質量分數(shù)特征

土壤有機C、全N和全P元素作為植物正常生長發(fā)育必需的養(yǎng)分，在植物生長過程中發(fā)揮著重要的作用[15]，其質量分數(shù)的多少以及組合成分，受植物種類、經(jīng)營方式以及氣候和土壤等諸多因素的影響[16]。本研究結果顯示，油松人工林土壤有機C、全N質量分數(shù)隨林齡增加呈現(xiàn)先增加后減少的變化規(guī)律，這與姜沛沛等[4]、陳立新等[17]的研究結果一致。出現(xiàn)這種結果的原因可能是林下枯落物的累計以及林木對土壤養(yǎng)分的需求發(fā)生變化。土壤養(yǎng)分(C、N和P)主要來源于林下枯落物的分解和表層根系的分泌物[18]，隨著林齡的增加，林木生長越來越旺盛，林下枯落物不斷積累，林木的根系也逐漸擴大，這一時期大部分養(yǎng)分以枯落物等形式歸還土壤。在林齡達到一定階段之后，林木的生長出現(xiàn)倒退現(xiàn)象，土壤中的養(yǎng)分也逐漸下降。一些學者的研究結果與上述研究稍有不同[19-20]，查閱文獻發(fā)現(xiàn)這些學者研究時所選取的油松林年限都較小，進而猜想得出土壤有機C和全N質量分數(shù)隨林齡增加而增加的結論。另外，與以上2種結論不同的是，雷麗群等[6]對馬尾松人工林的研究表明，土壤有機C和全N質量分數(shù)隨林齡增加降低，至成熟林階段有所回升，曾凡鵬等[21]對遼東落葉松的研究結果為，土壤有機C和全N質量分數(shù)隨林齡增加降低。由此可猜想，林木在生長過程中土壤C、N和P質量分數(shù)的變化可能出現(xiàn)多峰現(xiàn)象，而非僅單峰變化，這種現(xiàn)象可能是由林木在不同生長時期對養(yǎng)分需求不同造成的。研究還發(fā)現(xiàn)土壤有機C、全N質量分數(shù)隨土層加深有明顯降低的趨勢，土壤C和N主要聚集在0～40 cm土層，這與以往學者的研究結果一致[22-25]。原因可能是枯落物聚集在土壤表層，微生物活性較高，枯落物分解速率較快，土壤較肥沃[5]。研究中土壤全P質量分數(shù)隨林齡增加，這與以往結果相似[18,26]。研究中42年油松林土壤全P質量分數(shù)為1.11 g/kg，與張?zhí)僮拥萚26]對遼西油松人工林(37 年)的研究結果(1.03 g/kg)基本相同。此外有學者在黃土高原的研究結果為0.13～0.61 g/kg，該研究顯示土壤P質量分數(shù)較低[27-28]。究其原因，主要是地域差異，土壤類型本身不同。其次是因為黃土高原水土流失嚴重，土壤養(yǎng)分淋溶大.土壤P質量分數(shù)相對較。不同林齡油松林各土層土壤全P質量分數(shù)無顯著差異，造成這種現(xiàn)象的主要原因是土壤中P元素大多來自巖石風化和淋溶，巖石風化需要一個長期的過程，在這個過程中土壤0～60 cm土層內巖石風化程度并無太大差別，并且P元素是沉積性的礦物，土壤中遷移相對較少，因此土壤P素質量分數(shù)在各土層的空間分布較穩(wěn)定[29]。

4.2 土壤碳、氮和磷生態(tài)化學計量特征

土壤生態(tài)化學計量比是評價土壤質量的重要指標，是確定土壤C、N和P平衡特征的重要參數(shù)[30]，對植物生長有重要影響[28]。土壤C∶N可以反映土壤有機質的分解狀況，是土壤N素礦化能力的標志[31]。土壤C∶N小于25，不僅利于有機質的轉化，而且超過生物生長所需要的N素也會被釋放到土壤中，此時土壤N素充足；當C∶N大于25，有機質難以轉化，同時生物需要輸入N素來滿足自身的生長需求，利于有機質積累[32-33]。研究中3個林齡油松林土壤C∶N為36.19～42.43，C∶N隨林齡變化有所增加，但增加規(guī)律不明顯，林齡和土層深度對土壤C∶N無明顯影響。研究結果遠大于最佳土壤C∶N值(25)，也高于中國陸地土壤平均水平(11.90)[34]，這說明研究區(qū)油松林土壤中有機質難以轉化，土壤N素礦化能力較弱，土壤N素不足。王棣等[35]在秦嶺地區(qū)的研究結果為5～20，該結果與本研究差異顯著，主要是由土壤類型、氣候等條件不同引起的。相關性分析可以看出(表3)，土壤C∶N與土壤有機C無明顯相關性，與土壤全N顯著相關，說明N素在不同林齡和土層之間的變化是土壤C∶N發(fā)生變化的主要原因。土壤中的微生物可以從環(huán)境中吸收P元素或者將P從土壤有機物質中釋放出來，這種吸附、釋放P素的能力可根據(jù)土壤C∶P進行判斷[5]。研究中土壤C∶P隨林齡先增加后降低，隨土層深度逐漸降低，二者對其均有顯著影響。結果顯示研究區(qū)油松林土壤C∶P為10.40～39.44，該數(shù)據(jù)與遼西地區(qū)研究(14.39)[26]基本一致。C∶P越小，越利于土壤微生物礦化土壤有機質釋放較多P素，補充土壤有效P庫[5]。研究中土壤C∶P低于我國陸地土壤平均水平(61)[34]，說明研究區(qū)土壤微生物礦化土壤有機物質釋放P素的能力較強，土壤P素充足。分析可知，土壤C∶P與土壤有機C、全P均顯著相關，說明土壤C、P變化是C∶P變化的主要原因。土壤N∶P作為判斷生境中N或P不足的依據(jù)，可判別植物生長過程中土壤養(yǎng)分的供給狀態(tài)。研究中，不同林齡油松林土壤N∶P變化范圍為0.26～1.33，小于全國平均水平(5.20)[34]。林齡和土層深度對土壤N∶P均有顯著影響，但土壤中N∶P變化相對穩(wěn)定。

5 結論

1)林齡和土層深度對土壤有機C、全N、全P、C∶P、N∶P均有顯著性影響。土壤有機C、全N質量分數(shù)隨林齡先增加后降低，土壤全P質量分數(shù)隨林齡逐漸增加，各土壤養(yǎng)分隨林齡的變化可能出現(xiàn)多峰現(xiàn)象，而非僅單峰變化。隨土層加深，以上三者的質量分數(shù)均表現(xiàn)為下降的趨勢。

2)不同林齡和土層之間土壤C∶N主要受N素影響，C∶P受C和P影響，N∶P受N和P影響。

3)土壤有機C和全N主要聚集在0～40 cm土層，且該區(qū)土壤N素礦化能力較弱，土壤N素不足。