不同恢复年限侵蚀红壤生态化学计量特征

张秋芳,陈奶寿,陈坦,吕茂奎,杨玉盛,谢锦升†

(1.湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地(福建师范大学),350007,福州; 2.福建师范大学地理科学学院,350007,福州;3.福建师范大学地理研究所,350007,福州)

不同恢复年限侵蚀红壤生态化学计量特征

张秋芳1,2,陈奶寿1,2,陈坦1,2,吕茂奎1,2,杨玉盛1,3,谢锦升1,3†

(1.湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地(福建师范大学),350007,福州; 2.福建师范大学地理科学学院,350007,福州;3.福建师范大学地理研究所,350007,福州)

为了解侵蚀红壤碳、氮、磷分配格局及化学计量特征,本文在长汀县侵蚀红壤区选取不同恢复年限(2、13、30、33年)、立地条件相近、样地情况基本一致的马尾松林作为研究对象,以未治理侵蚀地(CK1)和次生林(CK2)为对照,对其土壤总有机碳、全氮和全磷质量分数及其化学计量比的特征进行测定和分析。结果表明:1)随恢复年限的增加,土壤总有机碳和全氮质量分数呈线性增加,土壤全磷质量分数无显著变化,恢复2～33 a的马尾松林土壤总有机碳、全氮和全磷质量分数仍显著低于CK2土壤,表明土壤肥力的恢复是一个漫长的过程。2)土壤C∶N、C∶P、N∶P随恢复年限的增加呈上升趋势,恢复2～33 a的马尾松林土壤C∶N逐渐趋向CK2。3)土壤C∶N和C∶P与土壤总有机碳质量分数呈正显著相关,土壤N∶P与全氮质量分数呈显著正相关,土壤N∶P与全磷质量分数相关性不显著,表明侵蚀退化红壤恢复过程中,土壤化学计量比主要受土壤碳和氮质量分数的控制,暗示着侵蚀红壤现阶段的植被恢复对N素的响应比对P素的响应更敏感。

侵蚀红壤;生态恢复;马尾松林;化学计量学

生态化学计量学(ecological stoichiometry)是分析元素相互作用、探究生态系统能量平衡与多种化学元素(主要是碳、氮、磷)平衡的科学[1-2]。近年来,许多研究者应用生态化学计量学的原理和方法,针对植物化学计量学的变化开展大量的研究[3-4],而对土壤养分的生态化学计量学研究则相对较少[5]。土壤是植物生存的物质基础[6],直接影响植被群落的物种组成与生产力[7],尤其土壤中氮、磷元素是限制植物生长发育的最重要和最大量的元素[8],也是各种蛋白质和遗传物质的重要组成元素,氮、磷的循环限制着生态系统的大多数过程;而且,土壤元素的化学计量比和平衡影响着植物的生长发育,如土壤N∶P可以改变植物体N∶P,从而对植物生长产生影响[9]:因此,研究土壤的生态化学计量学特征,可以揭示土壤养分的可获得性,对于认识生态系统C、N、P元素循环和平衡机制具有重要意义[10]。

我国南方红壤面积约203.53万km2,而水土流失面积高达60余万km2,是南方面积最大、垦殖指数最高、水土流失最严重的区域,部分地区曾一度成为南方的“红色沙漠”[11]。自20世纪80年代以来,当地开展大量的水土保持与生态恢复实践,侵蚀红壤的恢复大有成效,如南方典型侵蚀红壤长汀县的土壤侵蚀面积显著下降,治理区植被覆盖率由15%～35%提高到65%～91%[12]。随着植被覆盖度的增加,侵蚀红壤有机质、盐基代换量、全量和有效氮、磷、钾等质量分数均呈增大趋势[13],土壤保护性和非保护性有机碳库储量亦显著提高[14];但目前少有以时间序列关注不同恢复年限侵蚀红壤C、N、P元素及其耦合关系的变化的研究,这限制了对侵蚀红壤植被恢复过程元素的平衡和循环机制的进一步认识。鉴于此,本文于福建省长汀县侵蚀红壤区选取不同恢复年限(2、13、30、33 a),但立地条件相近、样地情况基本一致的马尾松林作为研究对象,以未治理的侵蚀地(CK1)和次生林(CK2)为对照,关注不同恢复年限土壤的C、N、P质量分数及其化学计量状况,以期揭示侵蚀红壤不同恢复年限土壤全量养分N、P及化学计量特征,分析N、P养分对植被恢复的限制性作用,为该区侵蚀红壤水土流失治理提供一定的参考。

1 研究区概况

福建省长汀县河田镇(E 116°18＇～116°31＇,N 25°33＇～25°48＇)处于福建省西南部、汀江上游,属中亚热带季风气候区。年均气温17.5～18.8℃,平均无霜期260 d,平均日照时数1 925 h,≥10℃积温4 100～4 650℃,年均降水量约1 737mm。河田镇属河谷盆地,海拔300～500m。土壤为中粗粒花岗岩发育的红壤,抗蚀能力低。地带性植被(常绿阔叶林)破坏殆尽,现有植被主要以马尾松(Pinusmassoniana)次生林和人工林为主。

不同治理时间的马尾松林样地均位于河田镇,土壤母岩均为粗晶花岗岩。其中,以来油坑未治理侵蚀地(CK1)和大路口的次生林(CK2)为对照,不同治理时间的马尾松林恢复前的本底条件与未治理地基本相似。除石壁下治理13 a的马尾松林偶见少量杉木(Cunninghamia lanceolata)外,CK1和不同恢复年限的马尾松林乔木层树种均为马尾松,林下植被主要为芒萁(Dicranopteris dichotoma)。大路口的次生林(CK2)是当地村民为保护风水而得以保存下来的,乔木层树种主要为马尾松和木荷(Schima superba),估计林龄在70～110年左右,林下植被盖度在95%以上,灌木层主要有小叶赤楠(Syzygium grijsii)、毛冬青(Ilex pubescens)、檵木(Loropetalum chinensis)等,草本层以芒萁为主。样地概况见表1。

表1　样地基本概况Tab.1 Basic information of plots

2 研究方法

2.1土样采集

于2013年8月,对不同恢复年限的马尾松林进行样方调查,即在每个试验样地设3个20 m×20 m样方,在样方内对乔木层进行每木检尺,记录种名、树高、胸径、冠幅;在每个样方内按S形选取5个样点,用直径为5 cm土钻按0～10、10～20 cm土层分层取样,混合后用自封袋装好样品并做好标记。

2.2样品处理与化学分析

将土壤样品剔除石砾和草根等杂物,自然风干后过2mm土壤筛,再用四分法取1/4样品过0.149 mm筛,装瓶保存用于测定土壤总有机碳、全氮和全磷质量分数。用碳氮元素分析仪(Elementar Vario MAX)测定土壤总有机碳和全氮质量分数,土壤全磷质量分数采用HClO4-H2SO4法提取[15],用流动分析仪(Skalar san++)测定。

2.3数据处理与分析

采用SPSS 20.0统计软件对数据进行统计分析,相关分析采用Person相关法,应用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著差异性(LSD)比较不同恢复年限马尾松林土壤C、N、P质量分数、不同深度土壤C、N、P质量分数及其化学计量比的差异(α=0.05),并用Excel 2013制图。

3 结果与分析

3.1不同恢复年限土壤C、N、P质量分数

由图1可知,土壤C、N、P质量分数随恢复年限的变化速率并不一致,其中0～10 cm土壤C、N质量分数随恢复年限呈线性增长(R2=0.97、0.86,P＜0.01),土壤P质量分数的变化则没有明显的规律性。植被恢复2～33 a的0～10 cm土壤C、N质量分数均显著高于CK1,分别增加44.3%～788.6%、24.7%～267.4%,但植被恢复2～33 a土壤C、N质量分数仍显著低于CK2(图1(a)和(b))。植被恢复2 a的0～10 cm马尾松林土壤P质量分数与CK1无显著性差异,恢复13～33 a的0～10 cm土壤P质量分数比CK1增加90.8%～205.2%(图1(c))。植被恢复13～33 a的土壤P质量分数趋近于CK2(图1(c))。不同恢复年限10～20 cm土壤C、N、P质量分数显著低于0～10 cm土壤C、N、P质量分数。总体而言,植被恢复过程中0～10 cm土壤C、N增加量明显,其中,随着恢复年限的增加,土壤C质量分数的变化最明显,N质量分数变化次之,P质量分数变化最小,植被恢复首先影响0～10 cm土层。

图1　不同恢复年限土壤C、N、P质量分数变化Fig.1 Changes of C,N,and P contents in soil in different restoration years

3.2不同恢复年限土壤C∶N、C∶P、N∶P生态化学

计量比的特征

严重侵蚀退化地不仅C、N、P的质量分数低,其化学计量比也低。由表2可见,随着恢复年限的增加,0～10 cm土壤C∶N、C∶P、N∶P呈上升趋势,尤其0～10 cm土壤C∶P与恢复时间呈显著性线性关系(R2=0.98,P＜0.05)。植被恢复2～33 a的马尾松林0～10 cm土壤C∶N、C∶P、N∶P显著高于未治理侵蚀地(CK1),分别提高29%～132%、85%～289%、9%～66%,但植被恢复13 a的马尾松林0～10 cm土壤N∶P与CK1无显著性差异。植被恢复13～30 a的0～10 cm土壤C∶N与CK2无显著性差异,但恢复33 a的0～10 cm土壤C∶N相比CK2显著增加32%;植被恢复2～33 a的0～10 cm土壤C∶P、N∶P均显著低于CK2。10～20 cm土壤C∶N、C∶P、N∶P低于0～10 cm土壤的C∶N、C∶P、N∶P,但10～20和0～10 cm土壤的C∶N、C∶P、N∶P的变化趋势基本一致。

表2　不同恢复年限的化学计量比Tab.2 Stoichiometric ratios in different restoration years

3.3土壤C、N、P质量分数与C∶N、C∶P、N∶P化学计量比的相关性

由表3可得:土壤C、N、P的质量分数、C∶N、C∶P、N∶P呈极显著正相关关系;土壤N与P质量分数、C∶P、N∶P呈极显著正相关关系,但是土壤N质量分数与C∶N无显著相关关系;土壤P质量分数与C∶N呈极显著正相关关系,但与C∶P、N∶P无显著相关关系。

表3　土壤C、N、P质量分数与C∶N∶P化学计量比的相关性Tab.3 CorrelationbetweensoilC,N,andPcontentsand stoichiometricratios

4 讨论

4.1不同恢复年限马尾松林土壤碳、氮、磷质量分数特征

土壤C、N、P是土壤养分的重要组成部分,与土壤肥力、植物营养有效性相关,影响植物生产力,是反映土壤质量的重要指标[16]。本研究中,不同恢复年限马尾松林0～20 cm土壤C、N、P质量分数变化范围分别为1.25～21.32、0.18～1.38、0.04～0.12 g/kg,与福建省0～20 cm红壤平均C、N质量分数(分别是(22.10±1.84)、(1.49±0.08)g/kg)[17]及亚热带未侵蚀红壤P质量分数(如米槠次生林0～20 cm土壤全磷质量分数为0.15 g/kg)[18]相比,侵蚀红壤区马尾松林0～20 cm土壤C、N、P质量分数显著偏低。按照第2次全国土壤普查技术标准[19](0～20 cm土壤养分质量分数分为6级,其中第1级为最高级,第6级为最低级),土壤C的平均质量分数,CK1和恢复2 a的马尾松林土壤处于第6级(＜3.5 g/kg),恢复13～33 a的马尾松林土壤处于第4级(5.8～11.6 g/kg),CK2土壤则处于第3级(11.6～17.4 g/kg);土壤N的平均质量分数,CK1和恢复2 a的马尾松林土壤处于第6级(＜0.5 g/ kg),恢复13～33 a的马尾松林土壤处于第5级(0.5～0.75 g/kg),CK2土壤则处于第4级(0.75～1.0 g/kg);P的平均质量分数,马尾松林土壤均处于第6级(＜0.4 g/kg)。

植被恢复过程中,土壤C、N、P质量分数的变化速率并不相同,恢复2 a的马尾松林土壤C、N、P质量分数的变化主要是因为在治理过程中施用有机复混肥和追肥的缘故。随着恢复年限的增加,前期施用的肥料,肥效逐渐降低,植被恢复对土壤C、N、P质量分数的影响效应逐渐显现,由于土壤中C、N、P的来源和保持机制不同,其变化速率也有较大差异。土壤碳主要来自植物枯落物的归还,因此植被的快速恢复重建生态系统的物质循环,可以显著增加土壤有机碳的质量分数。本研究中,通过收割法调查2区芒萁枯落物量分别为0.21和0.11 t/hm2,恢复13 a的马尾松林厚厚的芒萁枯死物在地表形成大量的轻组有机碳,因而恢复13 a的马尾松林0～10 cm土壤C质量分数显著高于恢复30 a的马尾松林土壤C质量分数。土壤氮素主要来源于生物固氮作用和植物残体的归还。本研究中恢复30～33 a的0～10 cm土壤N质量分数显著高于恢复2～13 a土壤N质量分数,说明植被恢复过程中,0～10 cm土壤环境逐渐改善,土壤生态系统的N保持能力也逐渐增强;但不同恢复年限10～20 cm土壤N质量分数差异不显著。D.A.Wardle等[20]的长期观测实验也发现,随土壤恢复年限增加,土壤N质量分数有所提高但是增加缓慢。本研究中土壤P质量分数(变化范围为0.04～0.12 g/kg)显著较低,这是南方亚热带土壤的特性[21],P的缺乏导致微生物生长活动受到限制,影响土壤酶的分泌[22]及土壤N矿化,由此导致土壤中N质量分数增加缓慢。以上分析表明,尽管恢复30 a以上的马尾松林土壤C、N、P质量分数比未治理的侵蚀红壤已有显著增加,但是土壤C、N质量分数仍显著低于CK2,如恢复33 a的马尾松林土壤C、N质量分数分别仅为CK2土壤C、N质量分数的59%～70%、36%～53%。这表明侵蚀恢复土壤仍很贫瘠,土壤碳和养分的恢复是一个长期的过程。

4.2不同恢复年限马尾松林土壤C∶N、C∶P、N∶P化学计量比特征及养分限制

土壤C∶N是预测有机质分解速率的有效指标,一般与其分解速率呈反比[23]。本研究未治理侵蚀地(CK1)0～10、10～20 cm土壤C∶N(均值分别为8.80、7.14)均显著低于福建省0～20 cm红壤C∶N (均值为14.8)[17],说明未治理侵蚀地(CK1)C∶N严重失衡;恢复13、30 a的马尾松林0～10 cm土壤C∶N(均值分别为16.51、16.82)和CK2土壤的C∶N (均值为15.49)比值无显著性差异,说明恢复13～30 a土壤C∶N逐渐趋向平衡。恢复2～33 a土壤C∶N低于微生物所需的最适底物组织C∶N(约为25)[23],说明恢复2～33 a时,土壤有机质分解较快,氮素在积累。S.F.Chapin等[24]也表示C∶N较低时,氮超过微生物生长所需的部分就会释放到凋落物和土壤中。土壤C∶P反映土壤磷有效性的高低。未治理侵蚀地(CK1)0～10、10～20 cm土壤的C∶P (均值分别为39.52、33.09)与福建省0～20 cm红壤C∶P(均值为32.0)[17]接近,但恢复13～33 a马尾松林0～10 cm土壤C∶P(均值分别为81.88、126.48、153.92)高于福建省红壤C∶P。说明侵蚀红壤植被恢复后,土壤C∶P严重失衡,土壤磷有效性低,但其土壤仍能较好的维持马尾松林的生长,说明经过长期的适应,马尾松可能对低磷胁迫已形成较好的基本适应对策。土壤N∶P可以作为衡量群落氮磷养分限制的1个指标,恢复2 a的马尾松林0～10 cm土壤N∶P显著高于CK1土壤N∶P,且恢复2～33 a土壤N∶P(均值分别为6.45、4.97、7.53、7.52)显著高于福建省红壤N∶P(均值为2.1)[17],次生林(CK2)0～10 cm土壤N∶P为11.5,高于中国土壤N∶P(均值为9.3)[25],而恢复2～33 a马尾松林土壤N∶P仍远低于CK2土壤N∶P。说明侵蚀红壤养分限制类型以P素为主,恢复侵蚀红壤的马尾松林土壤N∶P仍然失衡。

4.3马尾松林土壤C、N、P与C∶N、C∶P、N∶P化学计量比的关系

侵蚀退化红壤植被恢复过程中,土壤C∶N和C∶P与土壤C质量分数呈极显著的正相关关系,说明土壤碳质量分数对养分具有良好的指示作用。土壤N∶P与N质量分数呈极显著的正相关关系,与P质量分数无显著相关,而N、P质量分数之间表现为极显著的正相关关系,说明侵蚀退化红壤尽管P素缺乏;但在现阶段的恢复过程中主要受N素控制,N素可能是主要的限制性养分,而P素则不敏感。综上所述,侵蚀未治理裸地土壤各化学计量比严重失衡,土壤C、N、P质量分数难以得到补给和维持,侵蚀地植被恢复后,生态系统将趋于正向演替,土壤C∶N逐渐趋向平衡;但C∶P和N∶P仍然不平衡,下一阶段植被恢复时可能受到土壤P的限制更为严重。

5 结论

未治理的严重侵蚀红壤C、N、P的质量分数极低,化学计量比严重失衡。植被恢复显著提高侵蚀红壤的C、N、P的质量分数,随着恢复年限的增加,由于植被恢复不同阶段的土壤C、N、P的质量分数的变化速率并不一致,土壤C∶N逐渐趋向平衡,但C∶P和N∶P仍很不平衡。按照全国第2次土壤普查技术标准,侵蚀红壤及其恢复的马尾松林土壤均很贫瘠,治理恢复30 a以上的马尾松林土壤C、N、P质量分数仍显著低于次生林土壤,表明侵蚀红壤的土壤肥力恢复是非常缓慢的,且恢复30 a后应配施磷肥,避免侵蚀红壤的恢复受到磷的限制。侵蚀红壤植被恢复不同年限的土壤化学计量比与土壤C和N的质量分数显著相关,与P的质量分数相关性不显著,暗示现阶段侵蚀退化红壤植被恢复可能对N素的响应比对P素的响应更为敏感。

[1] Moe S J,Stelzer R S,Forman M R,et al.Recent advances in ecological stoichiometry:insights for population community ecology[J].Oikos,2005,109(1):29.

[2] Elser J J,Sterner R W,Gorokhova E,et al.Biological stoichiometry from genes to ecosystem[J].Ecology Letters,2000,3(6):540.

[3] Marie V,Wright IJ,Prentice IC,et al.Global effects of soil and climate on leaf photosynthetic traits and rates [J].Global Ecology and Biogeography,2015,24(6): 706.

[4] Sterner RW,Elser JJ.Ecological stoichiometry:the biology of elements from molecules to the biosphere[M]. Princeton:Princeton University Press,2002:46-55.

[5] 朱秋莲,邢肖毅,张宏,等.黄土丘陵沟壑区不同植被区土壤生态化学计量特征[J].生态学报,2013,33 (15):4674. Zhu Qiulian,Xing Xiaoyi,Zhang Hong,et al.Soil eco-logical stoichiometry under different vegetation area on loess hilly-gully region[J].Acta Ecological Sinica,2013, 33(15):4674.(in Chinese)

[6] Tessier JT,Raynal D Y.Use of nitrogen to phosphorous ratios in plant tissue as an indicator of nutrient limitation and nitrogen saturation[J].Journal of Applied Ecology, 2003,40(3):523.

[7] 李从娟,雷加强,徐新文,等.塔克拉玛干沙漠腹地人工植被及土壤C、N、P的化学计量特征[J].生态学报,2013,33(18):5760. Li Congjuan,Lei Jiaqiang,Xu Xinwen,et al.The stoichiometric characteristics of C,N,P for artificial plants and soil in the hinterland of Taklimakan Desert[J].Acta Ecological Sinica,2013,33(18):5760.(in Chinese)

[8] Hogan E J,Minnullina G,Smith R I,et al.Effects of nitrogen enrichment on phosphates activity and nitrogen: phosphorous relationship in Cladonia portentosa[J].New Phytologist,2010,186(4):911.

[9] 黄菊莹,赖荣生,余海龙,等.N添加对宁夏荒漠草原植物和土壤C∶N∶P生态化学计量特征的影响[J].生态学杂志,2013,32(11):2850. Huang Juying,Lai Rongsheng,Yu Hailong,et al.Responses of plant and soil C∶N∶P stoichiometry to N addition in a desert steppe of Ningxia,Northwest China[J]. Chinese Journal of Ecology,2013,32(11):2850.(in Chinese)

[10] 魏孝荣,邵明安.黄土高原沟壑区小流域坡地土壤养分分布特征[J].生态学报,2007,27(2):603. Wei Xiaorong,Shao Ming’an.The distribution of soil nutrients on sloping land in the gully region watershed of the Loess Plateau[J].Acta Ecological Sinica,2007, 27(2):603.(in Chinese)

[11] 刘威,王春燕,黄丽.侵蚀红壤中结合态腐殖质及其与水稳性团聚体的关系[J].土壤,2014,46(3): 458. Liu Wei,Wang Chunyan,Huang Li.Combined humus of eroded ultisols and its relationship with water-stable aggregates[J].Soil,2014,46(3):458.(in Chinese)

[12] 杨冉冉,徐涵秋,林娜,等.基于RUSLE的福建省长汀县河田盆地区土壤侵蚀定量研究[J].生态学报,2013,33(10):2974. Yang Ranran,Xu Hanqiu,Lin Na,etal.RUSLE-based quantitative study on the soil erosion of the Hetian basin area in County Changting,Fujian Province,China[J]. Acta Ecological Sinica,2013,33(10):2974.(in Chinese)

[13] 朱鹤健.我国亚热带山地生态系统脆弱区生态恢复的战略思想:基于长汀水土保持八年研究成果[J].自然资源学报,2013,28(9):1498. Zhu Hejian.Strategies on eco-restoration in the subtropicalmountain ecosystem fragility areas,China:based on the achievement of eleven years’research in Changting County[J].Journal of Natural Resources,2013,28 (9):1498.(in Chinese)

[14] 吕茂奎,谢锦升,周艳翔,等.红壤侵蚀地马尾松人工林恢复过程中土壤非保护性有机碳的变化[J].应用生态学报,2014,25(1):37. Lyu Maokui,Xie Jinsheng,Zhou Yanxiang,et al.Dynamics of unprotected soil organic carbon with the restoration process of Pinusmassoniana plantation in red soil erosion area[J].Chinese Journal of Applied Ecology, 2014,25(1):37.(in Chinese)

[15] 鲍士旦.土壤农化分析[M].3版.北京:中国农业出版社,2000:70-76. Bao Shidan.Soil agricultural chemistry analysis[M]. 3th edition.Beijing:China Agriculture Press,2000: 70-76.(in Chinese)

[16] 路翔,项文化,刘聪.中亚热带4种森林类型土壤有机碳氮贮量及分布特征[J].水土保持学报,2012, 26(3):169. Lu Xiang,XiangWenhua,Liu Cong.Storage and distribution of soil organic carbon and nitrogen in four subtropical forests in central southern China[J].Journal of Soil and Water Conservation,2012,26(3):169.(in Chinese)

[17] 福建省土壤普查办公室.福建土壤[M].福州:福建科学技术出版社,1991:73-219. Soil Census Office of Fujian Province.Soils in Fujian Province[M].Fuzhou:Fujian Province Science and Technology Press,1991:73-219.(in Chinese)

[18] 吴波波,郭建芬,吴君君,等.采伐剩余物对林地表层土壤生化特性和酶活性的影响[J].生态学报, 2014,34(7):1645. Wu Bobo,Guo Jianfen,Wu Junjun,et al.Effects of logging residues on surface soil biochemical properties and enzymatic activity[J].Acta Ecological Sinica, 2014,34(7):1645.(in Chinese)

[19] 全国土壤普查办公室.中国土壤普查技术[M].北京:中国农业出版社,1992:87. National Soil Survey Office.Soil survey and technology of China[M].Beijing:China Agriculture Press,1992: 87.(in Chinese)

[20] Wardle D A,Walker L R,Bardgett R D.Ecosystem properties and forest decline in contrasting long-term chronosequences[J].Science,2004,305(5683):509.

[21] Hou En＇qing,Chen Chengrong,Wen Dazhi,et al. Phosphatase activity in relation to key litter and soil properties in mature subtropical forests in China[J]. Science of the Total Environment,2015,515/516:83.

[22] Huang Wenjuan,Liu Juxiu,Wang Yingping,et al.Increasing phosphorous limitation along three successional forests in southern China[J].Plant&Soil,2012,364 (1/2):181.

[23] 王绍强,于贵瑞.生态系统氮磷元素的生态化学计量学特征[J].生态学报,2008,28(8):3937. Wang Shaoqiang,Yu Guirui.Ecological stoichiometry characteristics of ecosystem carbon,nitrogen and phosphorus elements[J].Acta Ecological Sinica,2008,28 (8):3937.(in Chinese)

[24] ChapinⅢF S,Matson P A,Vitousek P.Principles of terrestrial ecosystem ecology:the second edition[M]. New York:Spring-Verlag New York Inc,2002:151-175.

[25] Tian Hanqing,Chen Guangsheng,Zhang Chi,et al. Pattern and variation of C:N:P ratios in China’s soils:a synthesis of observational data[J].Biogeochemistry, 2010,22(3):327.

Ecological stoichiometry characteristics of eroded red soil in different restoration years

Zhang Qiufang1,2,Chen Naishou1,2,Chen Tan1,2,Lyu Maokui1,2,Yang Yusheng1,3,Xie Jinsheng1,3

(1.State Key Laboratory of Subtropical Mountain Ecology(Funded by Ministry of Science and Technology and Fujian Province), Fujian Normal University,350007,Fuzhou,China;2.College of Geographical Science,Fujian Normal University,350007,Fuzhou,China; 3.Institute of Geography,Fujian Normal University,350007,Fuzhou,China)

[Background]Large areas of degraded lands have been restored in red soil regions of south China since 1980s,which provides tremendous ecological and economic services such as soil and water conservation,carbon sequestration and environment protection.Some problems such as soil degradation, soil and water loss and tree disease decline,however,also appeared after several decades of ecological restoration due to lack of knowledge about soil characteristics,which seriously threatens the stability and sustainability of plantation.The contents of carbon,nitrogen,and phosphorous are important indexes of forestmanagement,which respond positively to the environmental conditions.In recent years,the ecological stoichiometry has received considerable attentions.However,few studies have been reported about the patterns of soil stoichiometry across ecological restoration.[M ethods]We took Pinus. massoniana woodlands as research objects,and determined the content variations of total organic carbon(C),total nitrogen(N),and total phosphorous(P)in soil,as well as ecological stoichiometric ratios across different ecological restoration years at 6 sites.Six P.massoniana woodlands were the ones restored by 0 year(CK1),2 years,13 years,30 years,33 years,and secondary forest(CK2), respectively.Those study sites were expected to be distinguished at the level of ecological restoration years along the typical eroded red soil region in Hetian town,Changting County,Fujian Province. [Results]1)The contents of C and N in soil increased in the restoring process of degraded red soil. However,the P content was not considerable changed.The soil C,N and P contents in the forest of restored 2-33 yearswere still significantly lower than those in CK2.2)The ratios of C∶N,C∶P and N∶P tended to increase with the restored years increasing,especially soil C∶N ratio of restored 2-33 yearswas approaching to those in CK2.3)C content and C∶N,C content and C∶P,N and N∶P all were in positive correlation,but P contenthad no significant correlation with N∶P.[Conclusions]Soil C,N and P contentswere out of balance in the non-restored eroded red soil(CK1).Despite some areas have been restored for 30 or 33 years,the nutrient contents still were lower than those in secondary forest(CK2). In other words,the typical eroded red soil restoration is a long-term process.Moreover,soil stoichiometry ratios weremainly restricted by soil C and N contents in the restoring process of degraded red soil.It suggests that a vegetation recovery ismore sensitive to N than to P at this typical eroded red soil region. Thus,this study will help to reveal the nutrient cycling of P.massoniana woodlands by combing with stoichiometric characteristics of soil C,N,and P comprehensively and systematically.Therefore,it is very important to guide the ecological restoration of eroded red soil,and further improving the productivity of forest system should be carried out.

eroded red soil;ecological restoration;Pinusmassoniana;stoichiometry

S154.1;X171.4

A

1672-3007(2016)02-0059-08

10.16843/j.sswc.2016.02.008

2015-05-25

2016-02-08

项目名称:国家科技部973课题“亚热带红壤侵蚀区森林恢复与保护的碳汇功能及潜力”(2012CB722203);国家自然科学基金“芒萁对退化红壤碳积累的贡献及关键影响机制”(31370465)

张秋芳(1991—),女,硕士研究生。主要研究方向:森林生态。E-mail:qiufangzh@foxmail.com

简介:谢锦升(1972—),男,博士,教授。主要研究方向:碳循环及恢复生态。E-mail:jshxie@163.com