陳明茹，黃應(yīng)平，張久紅，李海瀟，劉平，袁喜

(1. 三峽大學(xué)生物與制藥學(xué)院，湖北宜昌 443002；2. 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心(三峽大學(xué))，湖北宜昌 443002；3. 宜昌市森林資源監(jiān)測(cè)站，湖北宜昌 443000)

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)、信息交換的重要場(chǎng)所[1-2]，為林木的生長(zhǎng)提供碳(C)、氮(N)、磷(P)等養(yǎng)分。土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征與海拔、氣候、植被類(lèi)型，以及土地利用與管理措施等密切相關(guān)，可直接影響土壤生態(tài)系統(tǒng)[3-7]。然而，不同區(qū)域、不同林型土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征與土壤所處環(huán)境因素之間沒(méi)有特定的相關(guān)性。研究土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征及其季節(jié)變化規(guī)律，對(duì)了解區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分供應(yīng)平衡情況，揭示土壤養(yǎng)分有效性和限制性具有重要意義。

P是植物生長(zhǎng)必不可少的元素，植物中大部分P來(lái)源于土壤。土壤磷素主要來(lái)源于成土礦物、土壤有機(jī)質(zhì)和施用的含磷肥料，土壤P含量受土壤類(lèi)型、群落特征和氣候環(huán)境等多種因素影響，是制約人工林豐產(chǎn)、影響森林生態(tài)系統(tǒng)平衡和穩(wěn)定的一個(gè)重要因素[8-9]。土壤磷素對(duì)植物的有效性取決于它在土壤中的存在形態(tài)[10]，不同形態(tài)的磷在土壤中的分布及磷活化能力有差異，且不同形態(tài)磷之間轉(zhuǎn)換條件復(fù)雜[11]。探明森林土壤磷素的存在形態(tài)是分析磷在環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化和累積過(guò)程及其生物有效性的關(guān)鍵。

為研究人工林土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征變化規(guī)律，揭示林分對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)的影響，本文選擇林齡15 a的鵝掌楸(Liriodendronchinense)林、林齡15 a的杉木(Cunninghamialanceolata)林和林齡43 a的杉木林3種人工林，調(diào)查分析林地土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量和磷形態(tài)分布特征，并探討他們的相關(guān)性，以期為人工林生態(tài)系統(tǒng)化學(xué)計(jì)量學(xué)研究提供數(shù)據(jù)支撐，為區(qū)域人工林經(jīng)營(yíng)管理和可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)參考。

1 研究區(qū)與試驗(yàn)方法

1.1 研究區(qū)概況

選取的人工林地位于湖北省宜昌市五峰土家族自治縣的國(guó)有北風(fēng)埡林場(chǎng)(30°8′8″N，110°35′12″E)、國(guó)有壺瓶山林場(chǎng)(30°8′31″N，110°48′16″E)，以及遠(yuǎn)安縣的任家崗林場(chǎng)(31°15′52″N，111°26′12″E)，優(yōu)勢(shì)林種分別為鵝掌楸(15 a)、杉木(15 a)和杉木(43 a)。3處人工林的地形、地貌、海拔、土壤類(lèi)型、坡度等條件相近，土壤均為酸性，杉木林(43 a)土壤pH值較低，杉木林(15 a)土壤密度較大，鵝掌楸林土壤持水率較高，可達(dá)到92%。以相同林型的天然林場(chǎng)土壤作為本地值，3處人工林土壤總有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量的本地值差異不顯著。林地的基本概況如表1所示。

表1 林地的基本概況

1.2 試驗(yàn)方法

2019年8月完成土壤樣品采集與測(cè)定。每個(gè)林型設(shè)置3塊標(biāo)準(zhǔn)樣地，尺寸20 m×20 m；每塊標(biāo)準(zhǔn)樣地設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)之間間隔不小于1 m；每個(gè)采樣點(diǎn)周?chē)杉?個(gè)土壤樣品混合為1個(gè)土樣，采樣深度0～20 cm，土樣放入聚乙烯袋密封帶回實(shí)驗(yàn)室。

采集的土樣平鋪成2～3 cm薄層，在室溫下自然風(fēng)干、壓碎、翻動(dòng)，去除碎石、沙礫、植物殘?bào)w。風(fēng)干后在牛皮紙上鋪成薄層，采用四分法劃分成小方格，每個(gè)方格取一定量土樣研磨并過(guò)100目土壤篩，混勻后裝入自封袋備用。

采用酸度計(jì)測(cè)定土壤pH值，水土質(zhì)量比5∶1；采用總有機(jī)碳分析儀測(cè)定土壤總有機(jī)碳含量，記為c(TC)；采用凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮含量，記為c(TN)；采用NaOH堿熔-鉬銻抗比色法測(cè)定土壤全磷含量，記為c(TP)。變異系數(shù)定義為標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比，三者的變異系數(shù)分別記為v(TC)、v(TN)、v(TP)。變異系數(shù)v≤0.2為弱變異性，0.2

C、N生態(tài)化學(xué)計(jì)量比記為n(C/N)；C、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量比記為n(C/P)；N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量比記為n(N/P)。三者的變異系數(shù)分別記為v(C/N)、v(C/P)、v(N/P)。

采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量測(cè)試(standard measurements and testing，SMT)方法[12]測(cè)定土壤全磷(TP)、有機(jī)磷(OP)、無(wú)機(jī)磷(IP)、鐵鋁結(jié)合態(tài)磷(Fe/Al-P)、鈣結(jié)合態(tài)磷(Ca-P)含量并進(jìn)行磷形態(tài)分布特征分析。上述4種形態(tài)磷含量與全磷含量比分別記為r(OP)、r(IP)、r(Fe/Al-P)、r(Ca-P)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用One-way ANOVA法進(jìn)行方差分析，采用LSD法進(jìn)行多重比較和顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤C、N、P含量及磷形態(tài)特征分析

由表2可知，3種林型土壤的C、N、P含量差異顯著：土壤c(TC)介于23.21～40.11 g/kg之間，3種林型c(TC)大小順序?yàn)轾Z掌楸林(15 a)>杉木林(15 a)>杉木林(43 a)；土壤c(TN)介于0.78～3.94 g/kg之間，3種林型c(TN)大小順序?yàn)轾Z掌楸林(15 a)>杉木林(43 a)>杉木林(15 a)；土壤c(TP)介于0.46～0.92 g/kg之間，3種林型c(TP)大小順序?yàn)轾Z掌楸林(15 a)>杉木林(15 a)>杉木林(43 a)。鵝掌楸林(15 a)土壤c(TC)、c(TN)、c(TP)變異系數(shù)均小于0.2，為弱變異性；杉木林(15 a)土壤c(TP)的變異系數(shù)小于0.2，為弱變異性，土壤c(TC)、c(TN)則為中等變異性；杉木林(43 a)土壤c(TN)、c(TP)為弱變異性，c(TC)為中等變異性。

表2 3種林型土壤碳、氮、磷含量

3種林型土壤磷形態(tài)分布特征如圖1所示。由圖1可知，3種林型的土壤TP中均有r(IP)最小，僅為2.27%～4.30%，均有r(OP)和r(Fe/Al-P)最大，分別為44.79%～51.67%和27.27%～37.93%，r(Ca-P)為13.95%～16.76%。3種林型土壤不同形態(tài)磷含量占比大小順序均表現(xiàn)為r(OP)>r(Fe/Al-P)>r(Ca-P)>r(IP)。不同林型間土壤磷含量占比不同：土壤r(IP)大小順序?yàn)轾Z掌楸林(15 a)>杉木林(43 a)>杉木林(15 a)；土壤r(OP)大小順序?yàn)轾Z掌楸林(15 a)>杉木林(15 a)>杉木林(43 a)；土壤r(Fe/Al-P)大小順序?yàn)樯寄玖?15 a)>杉木林(43 a)>鵝掌楸林(15 a)；土壤r(Ca-P)大小順序?yàn)轾Z掌楸林(15 a)>杉木林(15 a)>杉木林(43 a)。

圖1 3種林型土壤磷形態(tài)分布特征

2.2 土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征分析

由表3可知，3種林型土壤n(C/N)、n(C/P)、n(N/P)分別位于16.64～41.68之間、61.83～79.35之間、1.25～5.37之間。3種林型土壤n(C/N)的大小順序?yàn)樯寄玖?15 a)>鵝掌楸林(15 a)>杉木林(43 a)，變異系數(shù)0.31～0.46，均為中等變異性；3種林型土壤n(C/P)的大小順序?yàn)轾Z掌楸林(15 a)>杉木林(15 a)>杉木林(43 a)，其中杉木林(15 a)和杉木林(43 a)為中等變異性，鵝掌楸林(15 a)為弱變異性；3種林型土壤n(N/P)的大小順序?yàn)樯寄玖?43 a)>鵝掌楸林(15 a)>杉木林(15 a)，變異系數(shù)0.27～0.31，均為中等變異性。

表3 3種林型土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征

2.3 土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量、磷形態(tài)分布特征與理化性質(zhì)相關(guān)性分析

由表4可知，對(duì)于鵝掌楸林(15 a)：土壤r(OP)與土壤c(TP)呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，其他形態(tài)磷含量占比與土壤c(TP)無(wú)顯著相關(guān)性(p>0.05)；土壤r(IP)、r(Ca-P)均與土壤c(TC)呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，均與土壤pH值呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；土壤r(Fe/Al-P)與土壤持水率呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)；土壤n(N/P)與土壤c(TN)呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；土壤n(C/N)與土壤c(TN)呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)；土壤n(C/P)與土壤c(TC)呈顯著正相關(guān)(p<0.05)。

由表4可知，對(duì)于杉木林(15 a)：土壤r(IP)、r(Ca-P)均與土壤理化性質(zhì)各參數(shù)之間無(wú)顯著相關(guān)性(p>0.05)；土壤r(OP)與土壤c(TC)呈顯著正相關(guān)(p<0.05)；土壤r(Fe/Al-P)與土壤c(TP)、土壤pH值均呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，與土壤c(TC)呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與土壤c(TN)呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)；土壤n(N/P)與土壤c(TP)、土壤pH值均呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，與土壤c(TN)呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；土壤n(C/P)與土壤c(TC)呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；土壤n(C/N)與土壤c(TC)、土壤pH值均呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，與土壤c(TN)呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)。

表4 3種林型土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量、磷形態(tài)特征與理化性質(zhì)相關(guān)性

由表4可知，對(duì)于杉木林(43 a)：土壤r(IP)與土壤理化性質(zhì)各參數(shù)之間均無(wú)顯著相關(guān)性(p>0.05)；土壤r(OP)與土壤c(TC)呈顯著正相關(guān)(p<0.05)；土壤r(Fe/Al-P)與土壤c(TP)呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，與土壤c(TN)呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)；土壤r(Ca-P)與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)；土壤n(N/P)與土壤c(TN)呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；土壤n(C/P)與土壤c(TC)呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；土壤n(C/N)與土壤c(TN)呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)。

因此，鵝掌楸林土壤磷形態(tài)主要受土壤c(TP)、c(TC)、pH值和持水率影響，杉木林土壤磷形態(tài)主要受土壤c(TP)、c(TN)、c(TC)和pH值影響。鵝掌楸林和杉木林土壤n(C/N)、n(C/P)和n(N/P)主要受土壤c(TN)和c(TC)影響，與土壤c(TP)無(wú)關(guān)。杉木林(15 a)土壤n(C/N)和n(N/P)還受土壤pH值的影響。

3 結(jié)論與討論

人工干擾能夠通過(guò)控制樹(shù)種組成、調(diào)控林分密度等方法使土壤C、N、P養(yǎng)分循環(huán)發(fā)生變化，達(dá)到優(yōu)化林分空間結(jié)構(gòu)，提高生態(tài)系統(tǒng)功能的目的[13-14]。本研究3種人工林表層土壤(0～20 cm)c(TC)、c(TN)、c(TP)差異性較大。鵝掌楸林(15 a)土壤c(TC)為40.11 g/kg，顯著高于我國(guó)土壤c(TC)平均值(24.56 g/kg)[4]，杉木林土壤c(TC)分別為25.84 g/kg(15 a)和23.21 g/kg(43 a)，與我國(guó)土壤c(TC)平均值沒(méi)有顯著差異。杉木林(15 a)土壤c(TN)為0.78 g/kg，低于我國(guó)土壤c(TN)平均值(1.88 g/kg)[4]，而杉木林(43 a)和鵝掌楸林(15 a)土壤c(TN)分別為2.23 g/kg和3.94 g/kg，顯著高于我國(guó)土壤c(TN)平均值。杉木林土壤c(TP)分別為0.53 g/kg(15 a)和0.46 g/kg(43 a)，低于我國(guó)土壤c(TP)平均值(0.78 g/kg)[4]，而鵝掌楸林(15 a)土壤c(TP)(0.93 g/kg)高于我國(guó)土壤c(TP)平均值。本研究杉木林土壤c(TP)顯著高于亞熱帶區(qū)域一些杉木林土壤(0.33 g/kg)[15]；鵝掌楸林土壤c(TC)、c(TN)、c(TP)均顯著高于全國(guó)土壤平均值，說(shuō)明鵝掌楸林土壤營(yíng)養(yǎng)蓄積量豐富。林間豐富的凋落物能夠增加土壤磷素的輸入量，同時(shí)提升土壤碳含量，土壤碳增加能夠刺激并提高土壤微生物活性，對(duì)有機(jī)磷的礦化有促進(jìn)作用[16]。鵝掌楸林豐富的有機(jī)物和較高的磷含量與其豐富凋落物有關(guān)。土壤磷遷移的可能性小，具有沉積性，研究區(qū)域土壤c(TP)變異系數(shù)小，空間分布差異較小；土壤C、N主要來(lái)源于凋落物分解對(duì)養(yǎng)分的釋放，雖受土壤母質(zhì)的影響，但更大程度上受限于植被類(lèi)型、氣候條件等因素，存在較明顯的空間異質(zhì)性[17]，研究區(qū)域杉木林土壤c(TC)和c(TN)變異系數(shù)大，空間分布差異較大。

森林植被類(lèi)型不同，則地表凋落物的含量、構(gòu)成、分解速率及林木根系的生長(zhǎng)發(fā)育均不同，造成土壤養(yǎng)分含量的差異。一般從喬木、灌木、草地、農(nóng)田到荒地，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量逐漸降低，主要是因?yàn)閱棠靖采w土地上植物殘?bào)w及枯枝落葉比較多，而且根系分泌物的分解作用能釋放養(yǎng)分到土壤中，使喬木土壤中有機(jī)質(zhì)和全氮含量升高[18]。本研究中，杉木林(15 a)土壤c(TC)、c(TP)均略高于杉木林(43 a)，與文獻(xiàn)報(bào)道相似：中齡林地土壤c(TC)、c(TP)含量高于成熟林地，且隨著林齡增加，土壤n(C/N)與n(C/P)下降[19]。林地土壤c(TN)與大氣干濕沉降、微生物固氮作用有關(guān)[20]。本研究中杉木林(15 a)土壤c(TN)低于杉木林(43 a)土壤，可能與山區(qū)氮沉降有關(guān)，這還需要進(jìn)一步研究。鵝掌楸林土壤c(TC)、c(TN)、c(TP)均顯著高于杉木林(15 a)和杉木林(43 a)(p<0.05)，而且鵝掌楸林土壤C、N、P分布比杉木林土壤穩(wěn)定。與杉木相比，鵝掌楸生長(zhǎng)快、樹(shù)冠面積大、落葉豐富，能為林地土壤提供更多的凋落物。凋落物數(shù)量的增加能有效提高土壤表層蓄水保水能力，改善土壤物理特性，加速養(yǎng)分循環(huán)，提高林地土壤肥力。鵝掌楸林土壤pH值、持水率比杉木林的高，土壤密度比較低，與鵝掌楸豐富的凋落物密切相關(guān)。隨著外源氮輸入量的增加，土壤pH值逐漸降低[21]，研究區(qū)域杉木林(43 a)和鵝掌楸林(15 a)土壤c(TN)較高，土壤偏酸性，可能與山區(qū)氮沉降有關(guān)。氮沉降可以引起土壤酸化，短期內(nèi)能促進(jìn)植物生長(zhǎng)[20]。然而土壤長(zhǎng)期呈酸性容易導(dǎo)致土壤磷流失，r(IP)降低。土壤氮飽和及磷限制對(duì)林木生長(zhǎng)的影響需要進(jìn)行更多研究，為林地合理管理、均衡施肥，提高肥效和利用率，增加森林生產(chǎn)力提供科學(xué)的決策依據(jù)。

土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量特征能反映土壤質(zhì)量及組分，分析土壤礦化作用[22]。土壤n(C/N)與C、N循環(huán)有關(guān)：n(C/N)較小時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)礦化速率較快，微生物將多余氮素釋放至土壤中[23]；n(C/N)較大時(shí)，微生物需要從外部吸收氮素來(lái)滿足自身的生長(zhǎng)需求。本研究中，土壤n(C/N)(16.64～41.68)顯著高于全國(guó)土壤n(C/N)平均值(12.3)，表明所選林地有機(jī)質(zhì)分解速度較慢。土壤n(C/P)可以衡量土壤有機(jī)質(zhì)礦化釋放P或吸收固定P的潛力[24]。n(C/P)較小時(shí)，微生物在有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中養(yǎng)分釋放較好，可以增加土壤有效磷含量；n(C/P)較大時(shí)，微生物分解有機(jī)質(zhì)過(guò)程受到P含量限制[25]。本研究中，土壤n(C/P)(61.83～79.35)顯著高于全國(guó)土壤n(C/P)平均值(52.7)。該區(qū)域土壤c(TP)的含量影響了微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解過(guò)程。土壤n(N/P)是判斷土壤養(yǎng)分限制的重要指標(biāo)[26]。本研究中，杉木林(43 a)土壤n(N/P)(5.37)高于全國(guó)土壤n(N/P)平均值(3.9)[27]，鵝掌楸林(15 a)和杉木林(15 a)土壤n(N/P)均顯著低于全國(guó)土壤n(N/P)平均值。杉木林(43 a)和鵝掌楸林(15 a)土壤c(TN)高于全國(guó)土壤c(TN)平均值，磷含量可能是限制林地養(yǎng)分利用的重要因素；杉木林(15 a)土壤c(TN)和c(TP)都較低，氮磷含量可能是限制林地養(yǎng)分利用的重要因素。3種林地土壤r(IP)都較小，進(jìn)一步說(shuō)明林地的發(fā)展一定程度上受到磷含量的制約。土壤n(C/N)、n(C/P)和n(N/P)主要受c(TC)、c(TN)共同影響，這與Tian等[4]的研究結(jié)果——土壤n(C/P)和n(N/P)主要由土壤磷含量決定——不一致，而與王維奇等[28]的研究結(jié)果一致，即土壤n(C/P)和n(N/P)主要受C、N含量影響。

磷形態(tài)分布特征可以評(píng)價(jià)土壤有效磷狀況。本研究所選林地土壤的r(IP)較小，說(shuō)明土壤活性磷含量很少；土壤r(OP)和r(Fe/Al-P)分別為44.79%～51.67%和27.27%～37.93%，在土壤磷素中比例較大，說(shuō)明土壤有機(jī)磷的礦化作用在維持該地區(qū)人工林的生長(zhǎng)方面可能發(fā)揮著重要作用。另外，土壤持水率、c(TC)較大時(shí)，土壤表面對(duì)土壤磷素的吸附少[29]。因此，鵝掌楸林土壤r(IP)和r(OP)高于杉木林。根系分泌物和微生物活動(dòng)也能提高土壤有機(jī)磷的含量[30-31]，鵝掌楸和杉木根部的微生物活動(dòng)情況也需要進(jìn)一步研究。c(TN)對(duì)鵝掌楸林土壤磷形態(tài)分布沒(méi)有顯著影響，可能與該區(qū)域豐富的氮含量有關(guān)。土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量特征、磷形態(tài)分布及磷形態(tài)轉(zhuǎn)化是多種物理、生物和化學(xué)過(guò)程綜合作用的結(jié)果，受氣候、植被類(lèi)型、土壤微生物、處理時(shí)間等因素影響，需要進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和深入探討。

綜上所述，所選人工林的土壤有機(jī)碳、全氮、全磷蓄積量豐富。鵝掌楸林土壤c(TC)、c(TN)、c(TP)均顯著高于杉木林，與植被類(lèi)型及凋落物數(shù)量密切相關(guān)，鵝掌楸的種植更有利于土壤養(yǎng)分物質(zhì)的積累。3種人工林土壤磷形態(tài)分布受土壤c(TC)、c(TN)、c(TP)、pH值影響。土壤n(N/P)均值高于全國(guó)土壤平均水平，土壤氮含量豐富，磷可能是限制林地養(yǎng)分利用的重要因素。土壤n(IP)較小，也說(shuō)明該人工林的發(fā)展一定程度上受磷含量的制約。