許窕孜 鄒祖有 葉彩紅 張 耕 張中瑞 朱航勇 何 茜 丁曉綱

（1. 華南農業(yè)大學 林學與風景園林學院，廣東 廣州 510642；2. 廣東省森林培育與保護利用重點實驗室/廣東省林業(yè)科學研究院，廣東 廣州 510520）

碳（C）、氮（N）和磷（P）是樹木生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，同時也是森林土壤養(yǎng)分的重要組成部分[1]，對維持森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和森林土壤養(yǎng)分貯存具有關鍵作用[2-3]。土壤氮、磷是森林生態(tài)系統(tǒng)的2個關鍵限制元素[4]，作為土壤肥力的重要指標，其含量和儲量的變化深刻影響著森林生產力[5]。森林土壤有機碳作為全球碳循環(huán)中至關重要的環(huán)節(jié)，其儲量約占全球土壤碳儲量的73%[6]，其含量和儲量的變化同時會制約全球碳平衡與溫室效應，而森林土壤碳固持能力主要受林分類型、樹種組成及森林經營管理措施等因素的影響[7]。

隨著天然林的逐步演替，人工林在緩解森林生態(tài)系統(tǒng)壓力、改善生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮重要作用[8]，目前，大規(guī)模、高密度的種植人工林手段被用來改善土壤生態(tài)系統(tǒng)的碳固持和氮磷累積，但單一人工林的大面積種植易引發(fā)土壤肥力衰退、林木病蟲害等問題[9]，不利于生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與林地生產力的提高[10]。我國南方亞熱帶人工林常采用在針葉人工純林中補植闊葉林，營造針闊混交林的模式來改善林分的土壤結構[11]。由于森林凋落物分解的產物不同，以及土壤中根系活動的不同，導致不同林分類型土壤養(yǎng)分的輸入和輸出存在差異，進一步影響森林土壤的養(yǎng)分儲量[12]。如張亞冰[12]等對貴州月亮山5種森林類型土壤進行研究，發(fā)現(xiàn)不同林分類型和不同土層C、N、P存在顯著差異。Laganiere等[13]總結了33個不同區(qū)域造林對有機碳的影響，發(fā)現(xiàn)闊葉類林地的碳儲量明顯強于針葉類。森林土壤碳氮磷儲量已成為評價森林生態(tài)服務功能的重要指標。

基于此，本研究選取亞熱帶天然闊葉林、人工闊葉林以及人工針葉林3種林分類型為對象，研究不同林分類型土壤碳氮磷含量及儲量在0～100 cm土層范圍內的區(qū)別，以期為我國南方森林可持續(xù)經營和科學管理提供理論依據(jù)，為區(qū)域尺度的森林碳氮磷儲量估算提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省中南部江門市，南鄰南海，毗鄰港澳，地勢北低西高，以低山丘陵為主，土壤多為赤紅壤。地屬亞熱帶季風氣候，氣候溫和多雨，冬夏分明，年均氣溫23.0℃，年降雨量約2 424.4 mm，日照平均1 612.5 h，無霜期在360 d以上。江門市作為“國家森林城市”，全市森林蓄積量2 230萬m3，森林覆蓋率 46.29%，原始次生天然植被主要有亞熱帶常綠季雨林、南亞熱帶常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、針闊混交林，其中亞熱帶常綠季雨林以樟科、茜草科、大戟科以及鄉(xiāng)土樹種殼斗科等為主要建群種。

1.2 調查及采樣方法

根據(jù)研究區(qū)植被、地形、氣候特征等狀況，采用專題樣點布設與空間隨機樣點布設相結合的方法布設樣點，共布設樣點248個。選擇樣點內能夠充分代表該地林分特征的區(qū)域挖掘3個土壤剖面，各剖面水平距離應大于10 m。每個剖面長1.2～1.5 m，寬0.8～1.0 m，剖面深度達母質層或地下水，土層較厚時深度達到1.0 m。各剖面每隔20 cm分層取樣，每個樣點3個剖面共采集樣品5層/個×3個（剖面）=15份。采集后的土壤樣品用封口袋盛裝，并及時帶回實驗室，風干、過篩后以用于測定土壤基本指標。

1.3 指標測定方法

土壤容重采用環(huán)刀法測定。土壤樣品養(yǎng)分含量測定方法為：有機碳含量采用硫酸-重鉻酸鉀容重法，全氮含量采用連續(xù)流動分析儀測定，全磷含量采用堿熔法測定[14]。

1.4 數(shù)據(jù)處理及制圖

土壤C（N或P）儲量計算公式為：

式中：SC(N,P)i為研究區(qū)域第i層土壤C（N或P）儲量（t/hm2）；ci為第i層土壤有機C（N或P）含量（g/kg）；ρb為第i層土壤容重（g/cm3）；di為第i層土壤厚度（cm）；TC(N,P)i為0～100 cm土層C（N或P）總儲量（t/hm2）。

用Excel 2010對數(shù)據(jù)進行初步整理計算，用SPSS 20.0計算Kolmogorov-Smirnov值以檢驗數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布（顯著水平α=0.05），并對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗3種不同林分類型相同土層間土壤碳、氮、磷含量和儲量；采用雙因素方差分析（two-way ANOVA）林分類型和土層對碳氮磷庫的影響；采用皮爾遜（Persons）相關分析各土層C、N、P儲量間的相關性，繪圖由Origin 2022軟件完成。

2 結果與分析

2.1 3種林分類型土壤C、N、P含量的變化

天然闊葉林的土壤C含量在各土層均極顯著高于人工闊葉林和人工針葉林（P＜ 0.05），對于N含量而言，天然闊葉林0～20 cm土層土壤N含量顯著高于兩種人工林分類型，20～100 cm土層土壤N含量則極顯著高于兩種人工林分類型，而人工闊葉林和人工針葉林的土壤C、N含量間差異不顯著（圖1a和圖1b）。從垂直分布來看，在0～100 cm土壤范圍內，3種林分類型土壤C、N含量變化模式相同，土壤C、N含量均隨土層增加而降低。天然闊葉林林下土壤P含量隨土層深度增加，呈現(xiàn)先降低后增加的變化，人工闊葉林則隨土層深度增加而降低，但針葉林各土層間差異不顯著；各林分類型P含量在各個土層間均差異不顯著（圖1c）。

圖1 3種林分類型在0～100 cm土層土壤中的C、N、P含量比較Figure 1 Comparison of C, N and P contents in the soil layer of 0-100 cm of three stand types

2.2 3種林分類型土壤C、N、P庫的變化

從儲量來看，整個土壤剖面上，天然闊葉林的土壤C庫為191.71 t·hm-2，比人工闊葉林（157.18 t·hm-2）顯著增加了21.97%，比人工針葉林（148.79 t·hm-2）顯著增加了28.85%（P＜0.05，圖2a）；就N庫而言，天然闊葉林的土壤N庫為10.92 t·hm-2，分別比人工闊葉林（9.15 t·hm-2）和人工針葉林（9.50 t·hm-2）顯著增加了19.34%和14.95%（圖2b）；就P庫而言，天然闊葉林（3.39 t·hm-2）和人工 闊葉林（3.25 t·hm-2）間沒有顯著差異，但均顯著高于人工針葉林（2.91 t·hm-2）（圖2c）。從不同土層積累情況上看，除了0～20 cm土層土壤的N庫，天然闊葉林的土壤C、N庫均顯著高于兩種人工林分類型，而土壤P庫在不同土層的表現(xiàn)不一致，表層0～20 cm為人工闊葉林的P儲量最高，但底層80～100 cm土壤3種林分類型的土壤P儲量差異不顯著。

圖2 3種林分類型在0～100 cm土層土壤重點C、N、P儲量比較Figure 2 Comparison of C, N and P reserves in the soil layer of 0-100 cm of three stand types

2.3 林分類型和土層對土壤C、N、P儲量的影響

雙因素方差分析（表1）表明林分類型對土壤C庫、N庫和P庫具有極顯著影響（P＜0.01），土層對土壤C庫和N庫具有極顯著影響（P＜0.01），而林分類型×土層對土壤C、N、P庫均無顯著的交互作用（P＜0.05）。3種林分類型中各層土壤C、N、P儲量間相關性表明（表2）在0～20 cm表層土壤中，C儲量和N儲量，N儲量和P儲量呈現(xiàn)出極顯著的正相關關系；在80～100 cm底層土壤中，C、N、P儲量呈較顯著的正相關關系；C、N、P總儲量均呈現(xiàn)極顯著正相關關系。

表1 林分類型和土層對土壤C、N、P儲量的影響Table 1 Effects of stand types and soil layers on soil C, N and P reserves

表2 3種林分類型中各層土壤C、N、P儲量間相關性Table 2 Correlation of C, N and P reserves in each layer of soil in the three stand types

3 討論與結論

天然闊葉林的有機碳含量及儲量均顯著高于人工闊葉林和人工針葉林，可見，土壤C受林分類型和森林起源的影響明顯。這跟其他研究的結果相似，Liao等[15]通過 Meta分析研究得出人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度顯著低于天然林，約為天然林的72% ；孟慶權等[16]在格氏栲Castanopsis kawakamii和杉木Cunninghamia lanceolata人工林土壤化學計量比研究中發(fā)現(xiàn)闊葉樹種土壤的碳氮含量要高于針葉樹種，這是由于天然林與人工林的蓄積量年增長速率存在明顯差異[17]，進而導致兩者的固碳特征也存在差異；而森林土壤有機碳主要來源于植被地上的凋落物和根系分泌物，不同植被類型會影響森林土壤有機碳的數(shù)量、質量及循環(huán)[18]，不同樹種的凋落物差異也會在一定程度上影響土壤有機碳含量和儲量，與針葉林相比，闊葉樹種具有更高的年凋落物量和凋落物浸出物[18]，因此有機碳輸入量較高。

土壤全氮受林分類型的影響與土壤有機碳相似，天然闊葉林的全氮含量及儲量均顯著高于兩種人工林分類型。這與相關研究結果一致，土壤全氮含量受SOC的積累及其分解作用的相對強度影響很大[19]，因此土壤全氮含量的特征變化與有機碳相似[20]。其次，森林土壤氮儲量受眾多因素的影響，如生物量和樹種生物學特性等[21]。不同林分類型間氮儲量的差異主要與不同植被凋落物的生物量及輸入差異有關，針葉林的葉片分解速率相對較低，凋落物較難分解，同等時間內的凋落物輸入量較少，影響土壤養(yǎng)分[18]。且人工林中的土壤微生物活性相對于經過長時間演替的天然林而言較弱，導致其將土壤有機質分解為氮素的能力也相對較弱。森林土壤氮儲量在各土層間的分布較為分散，可能是受到降雨、淋溶、礦質化作用等自然生態(tài)過程的影響。黃宇等[22]對不同人工林土壤氮儲量進行研究，發(fā)現(xiàn)土壤碳氮儲量在垂直方向上總體呈現(xiàn)下降的趨勢，但并未表現(xiàn)出明顯的表層富集效應，這與本研究結果相似，可能是因為研究區(qū)雨量充沛，土壤淋溶作用降低了土壤碳氮儲量在土壤深度上的差異。

磷通常被認為是亞熱帶地區(qū)植物生長的限制元素[4]。本研究中，土壤P含量在各林分類型間無顯著差異，就總儲量而言，闊葉林的土壤P儲量與針葉林差異顯著。趙文東等[23]對不同林分類型的土壤養(yǎng)分進行研究，發(fā)現(xiàn)全磷含量隨土層深度變化不明顯，杉木、桉樹Eucalyptus robusta和黑木相思Acacia melanoxylon這3種林分0～10 cm與20～40 cm土層的全磷含量差異均不顯著。這是因為磷元素主要依賴于土壤母質的分解，而土壤母質的自然分解周期較為漫長，影響因素較少，空間變異性較小，故土壤各土層的磷含量分布較為均勻。另外，針、闊葉林的林下凋落物量不同，闊葉林更豐富的凋落物量和更快的分解速率加速了凋落物中磷向土壤的輸入，但由于凋落物分解產生的有效磷會迅速被植物吸收[6]，因此這個因素對土壤P庫產生的影響相對較小。

綜上所述，不同林分類型和不同土層均會對森林土壤的C、N、P含量和儲量產生影響，土壤C、N變化趨勢相似，主要表現(xiàn)為天然闊葉林顯著高于其它兩種人工林分類型；土壤P含量在3種不同林分類型間差異不明顯，P儲量在闊葉林中的積累高于針葉林，反映出天然林較人工林而言，具有更良好的土壤養(yǎng)分循環(huán)累積機制，闊葉林較針葉林而言，受P限制的影響較弱。