張錢春，王晟強，黃永珍，姚賢宇，何欣欣，葉紹明

(廣西大學 林學院，南寧 530004)

生態(tài)化學計量學是將生態(tài)學和化學等基本原理結(jié)合在一起，從元素比率角度出發(fā)研究生態(tài)系統(tǒng)能量平衡以及多重化學元素平衡的學科[1-2]，主要強調(diào)碳(C)、氮(N)、磷(P) 3種主要組成元素之間的關(guān)系[1]。其中，碳是植物積累最主要的元素，氮和磷是植物生長所需的大量元素，也是植物生長的限制性養(yǎng)分[2]。研究土壤C、N、P的化學計量特征，對揭示土壤養(yǎng)分的限制情況以及C、N、P循環(huán)和平衡機制具有重要意義。目前，國內(nèi)外對土壤C、N、P化學計量特征的研究主要是比較不同緯度、海拔、坡度、土地利用方式間差異[3-5]，且多數(shù)研究集中在全土層面，尚未在土壤微域環(huán)境中對其進行深入分析。土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其結(jié)構(gòu)特征能改變土壤水肥性質(zhì)和固碳過程，最終影響?zhàn)B分的動態(tài)變化[6]。不同粒徑團聚體具有不同維持和供應土壤有機碳和養(yǎng)分的能力[7-8]，進一步研究土壤團聚體C、N、P生態(tài)化學計量特征對提升土壤肥力和增加土壤碳儲量具有重要意義[9]。

杉木(Cunninghamialanceolata)是中國人工林種植的重要速生用材樹種，具有經(jīng)濟價值高、生長快、產(chǎn)量高、材質(zhì)好等特點[10]，但是杉木純林多代連栽會導致土壤地力衰退、林分結(jié)構(gòu)單一，降低土壤肥力和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[11]。研究表明不同杉木林分類型對土壤團聚體有機碳以及氮磷養(yǎng)分變化存在不同程度的影響[9]，C、N、P及其比例特征在土壤團聚體中的分布間接反映杉木生長狀況，但關(guān)于杉木純林及其混交林土壤C、N、P生態(tài)化學計量特征的研究卻鮮見報道。因此，本研究選取中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)試驗中心杉木米老排(Mytilarialaosensis)混交林、杉木火力楠(Micheliamacclurei)混交林以及杉木純林為研究對象，開展不同杉木林分類型土壤團聚體C、N、P在土壤團聚體間的協(xié)同趨勢及響應特征，旨在揭示不同杉木林分類型土壤質(zhì)量的演化機制，以期為杉木人工林土壤的綜合管理與可持續(xù)利用提供科學依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于廣西壯族自治區(qū)憑祥市中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)實驗中心大青山實驗場(106°41′～106°59′E，21°57′～22°16′N)，屬南亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫為20.5～21.7 ℃，最高氣溫40.3 ℃，最低氣溫-1.3 ℃，每年10 ℃以上的積溫為6 000～7 600 ℃。典型的濕潤半濕潤氣候，光照充足、降水充沛，水熱資源豐富，全年日照時長1 218～1 620 h，年平均降水量1 200～1 500 mm，地貌類型為低山丘陵，土壤類型為紅壤，成土母巖主要為砂巖、花崗巖和石灰?guī)r，研究區(qū)域森林植被主要包括杉木、火力楠、米老排、三椏苦(Evodialepta)和黃椿木姜子(Litseavariabilis)等。

1.2 樣地設置與樣品采集

2019年6月，對中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)中心大青山實驗場杉木林分進行全面綜合考察，在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，選擇成土母質(zhì)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)及杉木純林(Ⅲ)土壤為采樣對象。3種林分類型林齡均為27年，郁閉度0.85，坡度為27～32°。各林分均為1992年營造，種植株行距為2 m×3 m，杉木米老排混交林和杉木火力楠混交林比例均為3∶1。

在每個林地內(nèi)按隨機原則設置5個30 m×30 m的標準樣方，每個樣方按“S”形設置5個采樣點。取樣時先鏟除土壤表層的枯枝落葉，從表層向下按照0～10 cm和10～20 cm土層采集原狀土樣，將采集的土壤分層混合一共10個土壤，3個林分共30個土樣(5個樣方×2個土層×3個林分)。將采集好的原狀土樣裝入塑料盒帶回風干處理。將每個混合土樣沿其自然結(jié)理分開，過5 mm篩除去小石塊和動植物殘體等，置于室內(nèi)陰涼通風處風干。風干后的土樣一部分用于測定全土基本理化性質(zhì)，測定結(jié)果見表1。一部分用沙維洛夫干篩法[12]分離出>2 mm、2～0.25mm和 <0.25 mm粒徑的團聚體。不同杉木林分類型土壤團聚體組成見表2。

表1 不同林分類型土壤化學特征

表2 不同杉木林分類型土壤團聚體分布特征

1.3 測定項目與方法

容重、有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀-外加熱，全氮(TN)采用消煮法并使用連續(xù)流動分析儀測定，全磷(TP)含量采用高氯酸-硫酸酸溶-鉬銻抗比色法測定[13]。土壤C/N、C/P、N/P均為各元素的質(zhì)量比。各粒徑團聚體質(zhì)量百分含量=各粒徑團聚體質(zhì)量/土壤樣品總質(zhì)量×100%，變異系數(shù)=標準差/平均值×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用單因素(one-way ANOVA)和Duncan法進行方差分析和多重比較(α=0.05)，用Pearson法對不同林分和不同粒徑SOC、TN和TP含量的相關(guān)性分析。用SigmaPlot 12.5 和Excel 2010 制圖，圖中數(shù)據(jù)均為平均值±標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團聚體C、N、P含量變化特征

2.1.1 土壤團聚體有機碳(SOC)含量分布由表3可知，土壤團聚體SOC含量在0～10 cm和10～20 cm隨粒徑的減小而升高，平均范圍分別為8.20～17.59和7.64～14.15 g·kg-1，不同土層變異系數(shù)分別為21.37%和20.35%。不同林分類型下，>2 mm和1～0.25 mm粒徑團聚體SOC含量表現(xiàn)為林分Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ，在<0.25 mm粒徑團聚體表現(xiàn)為林分Ⅱ顯著高于林分Ⅰ和Ⅲ，而林分Ⅰ和Ⅲ無顯著差異。

表3 不同杉木林分類型土壤團聚體有機碳(SOC)含量的分布

2.1.2 土壤團聚體全氮(TN)含量分布由表4可知，土壤團聚體TN含量在不同粒徑團聚體和林分類型中的變化與SOC含量變化相似，在不同粒徑團聚體中，土壤團聚體TN含量隨粒徑的減小而升高，<0.25 mm粒徑TN含量最高。在不同林分類型中，TN含量在林分類型Ⅱ最高，其次是林分類型Ⅰ，林分類型Ⅲ最低。其中在0～10和10～20 cm土層平均值變化范圍分別是0.77～1.31和0.67～1.14 g·kg-1，變異系數(shù)分別為21.00%和16.51%。

表4 不同杉木林分類型土壤團聚體全氮(TN)含量的分布

2.1.3 土壤團聚體全磷(TP)含量分布由表5可知，土壤團聚體TP含量在0～10和10～20 cm土層平均值變化范圍分別是0.43～0.64和0.33～0.54 g·kg-1，變異系數(shù)分別為21.46%和17.82%。不同粒徑團聚體中，在0～10 cm土層，各粒徑之間無顯著差異，而在10～20 cm土層，林分類型Ⅲ中，1～0.25 mm和<0.25 mm粒徑與>2 mm粒徑團聚體具有顯著差異。在不同林分類型下，土壤團聚體TP含量林分類型Ⅱ最高，其次是林分類型Ⅰ，林分類型Ⅲ最小，其中，在0～10 cm土層，>2 mm和<0.25 mm粒徑中，林分類型Ⅱ顯著高于林分類型Ⅲ；在10～20 cm土層，>2 mm粒徑中，林分類型Ⅱ顯著高于林分類型Ⅲ。

表5 不同杉木林分類型土壤團聚體全磷(TP)含量的分布

2.1.4 土壤團聚體C、N、P的相關(guān)性由圖1可知，不同杉木林分各粒徑團聚體C、N、P存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，其中C和N之間呈線性相關(guān)，變化規(guī)律相似。C和P及N和P之間的線性擬合程度較低。P含量的變化滯后于C和N。由表6可知不同團聚體粒徑中C和N存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；P與C在>2 mm和<0.25 mm粒徑的相關(guān)性極顯著；P與N在<0.25 mm粒徑的相關(guān)性極顯著。

圖1 不同杉木林分類型土壤團聚體C、N、P的相關(guān)性(n=90)Fig.1 The correlations between C，N, P and each stand types (n=90)

表6 不同粒徑土壤團聚體C、N、P相關(guān)性分析

2.2 土壤團聚體C、N、P生態(tài)化學計量特征

2.2.1 C/N由圖2所示，土壤團聚體C/N在0～10和10～20 cm土層平均值變化范圍分別是10.61～14.36和10.59～14.50，變異系數(shù)分別為9.32%和12.85%。不同林分類型在0～10 cm土層中C/N比值為林分類型Ⅱ最高，其次是林分類型Ⅰ，林分類型Ⅲ最小，且林分類型Ⅱ與Ⅲ差異顯著(P<0.05)。同時，10～20 cm土層C/N比值變化規(guī)律與0～10 cm相似。

圖2 不同杉木林分類型土壤團聚體中C/N的分布Fig.2 Distribution of C/N ratios in different stand types

2.2.2 C/P由圖3所示，土壤團聚體C/P在0～10和10～20 cm土層平均值變化范圍分別是20.04～28.73和18.22～26.53，變異系數(shù)分別為19.75%和21.28%。土壤C/P在不同粒徑之間無顯著差異(P>0.05)，在不同林分類型中，C/P為林分類型Ⅱ最高，其次是林分類型Ⅰ，林分類型Ⅲ最小，各林分之間無顯著差異。

圖3 不同杉木林分類型土壤團聚體中C/P的分布Fig.3 Distribution of C/P ratios in different stand types

2.2.3 N/P由圖4所示，土壤團聚體N/P在0～10和10～20 cm土層平均值變化范圍分別是1.55～2.16和1.73～2.35，變異系數(shù)分別為22.24%和24.49%。0～10 cm土層，N/P在林分間和粒徑間均無顯著差異(P>0.05)。10～20 cm土層，在不同林分類型下，N/P表現(xiàn)為林分類型Ⅱ最高，其次是林分類型Ⅰ，林分類型Ⅲ最小。其中，<0.25 mm粒徑中，林分類型Ⅱ顯著高于林分類型Ⅲ，而各粒徑團聚體間差異不顯著(P>0.05)。

圖4 不同杉木林分類型土壤團聚體中N/P的分布Fig.4 Distribution of N/P ratios in different stand types

3 討 論

3.1 土壤團聚體C、N、P含量變化特征

不同林分因樹種組成不同，凋落物數(shù)量、質(zhì)量及其分解速率不同，導致營養(yǎng)元素向土壤分解的養(yǎng)分含量不同，對土壤碳庫的影響也不同[2]。研究表明針闊混交凋落物歸還量顯著高于針葉純林，且不同樹種凋落物分解速率存在明顯差異，凋落物高歸還量的針闊混交林土壤C和N含量高于針葉純林[2, 14-15]，本試驗研究結(jié)果與其高度一致，即杉木與火力楠混交土壤碳氮含量高于杉木純林。同時，團聚體C、N受土壤層次的影響，土壤表層凋落物產(chǎn)量大通常集中在土壤表層，有利于土壤C、N的積累和轉(zhuǎn)移，其含量均表現(xiàn)出土壤上層(0～10 cm)高于下層(10～20 cm)，這與前人研究結(jié)果[14,16]一致。此外，值得注意的是，在不同杉木林分類型中，土壤團聚體C、N含量均隨著粒徑的減小呈遞增趨勢變化，其中有機碳和全氮的含量在< 0.25 mm粒徑團聚體中顯著高于> 0.25 mm粒徑團聚體，這是因為土壤團聚體對養(yǎng)分的吸附能力與團聚體中含量呈正比。同時，黏粒礦物多包含于小粒徑團聚體中，促使土壤養(yǎng)分被這些黏粒礦物吸附，從而向小粒徑團聚體積累[17]。磷分布較為均一，這可能是由于土壤磷的來源相對較為固定，因為磷含量受林下植被、土壤形成、耕作和施肥管理等影響[18]，且亞熱帶地區(qū)呈現(xiàn)普遍缺磷現(xiàn)象，易與土壤中鐵鋁結(jié)合而不被植物利用，通常在同一區(qū)域磷含量基本一致[19]。因此，本研究中不同杉木林分類型和不同粒徑團聚體中土壤磷素分布較為均一。然而，由于磷是細粒土壤有機質(zhì)形成的重要因素，后期仍需進一步研究磷在土壤中的動態(tài)機制[20]。

本研究中，土壤C、N之間存在顯著耦合關(guān)系，土壤TN的分布情況與有機碳具有一致性，且兩者相關(guān)性達極顯著水平(P<0.01)，這是由于土壤TN主要來源于植物殘體分解與合成所形成的有機質(zhì)。< 0.25 mm粒徑團聚體TN含量較高，這不僅受到土壤SOC含量的影響，也與小粒徑團聚體對NH4+的吸附能力較強有關(guān)[21]。而不同林分類型土壤團聚體TP的變異性小于SOC和TN，主要由于土壤磷素是一種沉積性礦物，在土壤中的遷移率很低，但其與有機碳和全氮含量依然存在極顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

3.2 土壤團聚體C、N、P生態(tài)化學計量特征

土壤C/N、C/P和N/P是有機質(zhì)或其他成分中C、N、P總質(zhì)量的比值，是土壤有機質(zhì)組成和質(zhì)量的重要指標之一，直接反映土壤養(yǎng)分的限制情況以及土壤內(nèi)部碳氮磷循環(huán)特征[22]。土壤C/N常被用來衡量有機質(zhì)的分解速率以及土壤氮素的礦化能力[23]。本試驗結(jié)果表明，3種杉木人工林土壤C/N的平均值分別為杉木火力楠混交林>杉木米老排混交林>杉木純林，均高于中國C/N的平均值(10.1～12.1)[22]，這可能是因為凋落物質(zhì)量不同，致使分解速率產(chǎn)生差異。以往的研究發(fā)現(xiàn)，凋落物分解速率與凋落物初始營養(yǎng)元素N、P含量呈正相關(guān)[24]。本研究區(qū)域中，杉木-火力楠N、P相對含量最高，可能是火力楠凋落物分解速率更快。

土壤C/P和N/P的空間變異性較C/N大，這主要是由于C、P與N、P的空間分布不盡一致，這與王維奇等[25]的研究結(jié)果相似。杉木混交林土壤各粒徑團聚體中C/P和N/P均高于杉木純林，原因在于營造混交林使土壤以及各粒徑團聚體中有機碳和氮素含量均有不同程度的升高，同時磷的來源相對固定，從而混交林的C/P和N/P相對較高。此外，植被類型和微生物對N、P元素的同化吸收利用具有不穩(wěn)定性[26]，因而可增強土壤團聚體C/P和N/P的變異程度。

土壤中的N、P是植物生長所必需的礦質(zhì)營養(yǎng)元素和生態(tài)系統(tǒng)中最常見的限制性元素[27]，土壤N/P可以作為養(yǎng)分限制類型的有效預測指標[28]。從各粒徑團聚體上看，0～10 cm和10～20 cm土層不同杉木林分類型中土壤N/P總體在>0.25 mm粒徑團聚體中較大，表明大團聚體中限制類型以P為主；從不同杉木林分類型看，0～10 cm和10～20 cm土層各粒徑土壤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元素的輸入量和需求量之間的平衡及其有效性決定了生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳固定效率[22, 27]。因此，本研究結(jié)合前期在該區(qū)計算的碳儲量數(shù)據(jù)[9]，將其與土壤C/N、C/P和N/P進行比較。結(jié)果顯示，土壤C/N、C/P和N/P對土壤碳儲量具有良好的指示作用，這與前人研究結(jié)果一致[23]。因此在該研究區(qū)也可用C/N、C/P和N/P間接表征杉木人工林土壤固碳效應。結(jié)果表明，不同林分類型土壤的C/N、C/P和N/P均低于全球平均值14.5%、21.7%和14.6%[29-30]，這表明亞熱帶的土壤環(huán)境可能受到N、P的限制和C的積累率低[31]

4 結(jié) 論

本研究發(fā)現(xiàn)，杉木與火力楠和米老排混交后，土壤團聚體中SOC和TN含量顯著增加，促進了有機質(zhì)的恢復和團聚體的形成，提高了團聚體的穩(wěn)定性。不同杉木林分類型土壤<0.25 mm粒徑團聚體含量高于>0.25 mm粒徑，< 0.25 mm粒徑團聚體SOC和TN含量最高，不同杉木林分類型SOC、TN和TP含量均為0～10 cm土層高于10～20 cm土層；SOC和TN主要分布于< 0.25 mm粒徑團聚體中，土壤TP含量在各粒徑團聚體中分布較為均勻，其中SOC和TN含量為杉木-火力楠>杉木-米老排>杉木純林。說明選擇火力楠與杉木混交有利于土壤SOC、TN、TP的積累，但不同粒徑團聚體對C、N、P的保持能力存在差異。此外，不同杉木林分類型土壤各粒徑團聚體SOC、TN、TP含量間呈極顯著相關(guān)。0～10 cm和10～20 cm土層C/N在各粒徑團聚體中的變化相對較小，C/P和N/P的變異性則相對較大。土壤C/P和N/P均在大粒徑中較高，且杉木火力楠混交林值最大，建議在杉木火力楠混交林中配施磷肥，避免土壤持續(xù)利用受到磷的限制。