杉木人工林土壤碳、氮、磷化学计量特征

孟庆权,葛露露,林 宇,邱岭军,胡欢甜,何宗明*

(1.福建农林大学林学院,福建福州350002;2.国家林业局和草原局杉木工程技术研究中心,福建福州350002；3.福建省长乐大鹤国有防护林场,福建福州350212)

生态化学计量学结合了生物学、化学和物理学，是使生物系统能量平衡和多重化学元素(C、N、P)平衡的学科[1]，生态化学计量学的概念在20世纪50年代最先应用于水生生态的研究[2]。近年来，我国的生态化学计量取得了很多的研究成果，但当前我国的化学计量研究集中在生态系统[1]、陆地生态系统[3]、不同演替阶段[4]和植物叶片[5]等方面，目前对森林土壤的研究都集中于不同树种的比较[6]，或地上部分及较浅土层[7]，分不同林龄不同土层的生态化学计量研究还鲜有报道[8]。森林土壤作为森林生态系统的重要组成部分，是林木生长所需养分的直接来源，森林土壤中的 C、N、P含量及其比值关系能较好的指示生态系统的养分限制情况及养分循环效率[9-10]。C∶N影响土壤的C、N循环，是土壤质量的重要指标。N∶P指标反映杉木生长过程中土壤N的供应情况[11-12]。因此研究森林土壤生态化学计量特征可以揭示养分的可获得性，阐明森林土壤养分的循环机制和土壤质量的变化趋势。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我国特有的速生丰产树种,是我国人工用材林分布面积最大、生产潜力最高的树种[13]，第七次森林资源清查报告指出我国杉木人工林面积达到了863.86万hm2，占全国人工林面积的21.35%[14],近年来我国杉木人工林的面积逐年增加，但单位面积的产量在降低，主要是由于杉木连栽导致地力衰退和生产力下降，杉木林土壤养分决定着杉木的生长状况，为此，本研究选取4个不同林龄的杉木人工林，分不同的土层深度来研究C、N、P含量及其化学计量随土层深度的变化，找出杉木人工林不同林龄和不同土层的养分含量变化规律，为杉木人工林的养分管理提供理论依据。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究地自然概况

图1 气温降水月动态Fig.1 Monthly dynamics of temperature and precipitation

研究区位于福建省南平市峡阳国有林场 (东经117°59′，北纬26°48′)，地处丘陵地带，平均坡度20°～30°，平均海拔238～650 m，该区为中国南方三大杉木产区之一，属中亚热带海洋季风气候，无霜期较长为290 d，年均降雨量为1 500～1 600 mm。土壤以红壤为主，土层中厚，水肥条件较好,气候条件见图1。

1.2 标准地设置

选取土壤类型、立地条件一致的3 a幼龄林、14 a中龄林、21 a近熟林和46 a过熟林杉木，每个林龄分别设置4个20 m×20 m的标准样地，样地的基本情况见表1。

表1 样地基本概况

数据为平均值±标准误，同列出现不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

Date for the mean±standard error,different lowercase letters show significant differences in the same column(P<0.05)

1.3 样品取样、处理和测定

土壤样品采集，为了更好地研究表层土壤的变化，利用对角线原则在每个样地小区均匀设置8个取土点，每个采样点去除地表凋落物，用直径为5 cm的土钻分0～5、5～10、10～20和20～40 cm 4个土层进行土壤采集，取得土样混合均匀，然后放入自封袋中，并做好标记。回到实验室将取回的土壤去除细根、杂物后进行风干，用自动球磨仪粉碎过100目筛，采用全自动碳氮分析仪(Elementar ELVario Max，德国)直接测定有机碳和全氮含量。取一定研磨好的土样用浓硫酸-双氧水消煮法制备成待测液，采用钼锑钪比色法测定全磷含量。

1.4 数据处理

采用Excel 2003进行统计分析，使用方差分析(SPSS 17.0)和LSD检验分析不同林龄杉木土壤养分和化学计量指标之间的差异，相关图表采用Excel及Origin绘图软件完成。

2 结果分析

2.1 土壤有机碳含量随林龄和土层的变化

由表2可知，3、14、21和46 a杉木人工林土壤有机碳平均含量分别为21.98、21.48、18.5和22.28 g/kg，呈现出随林龄的增加有机碳含量先减少后增加的趋势，可能是由于杉木快速生长阶段消耗了大量的土壤有机碳，4个不同林龄的土壤有机碳含量均表现出随着土层深度的加深逐渐降低。方差分析显示，4个不同林龄之间的有机碳含量差异不显著(P>0.05)；同一林龄不同土层，除46 a生过熟林各土层有机碳含量差异显著外，3 a的20～40 cm土层有机碳含量显著低于其他3个土层，21 a的0～5 cm土层有机碳含量显著高于其他3个土层(P<0.05)；不同林龄同一土层，在0～5 cm和20～40 cm土层土壤有机碳含量在各个林龄之间差异不显著(P>0.05)，但在5～10 cm和10～20 cm土层，21 a杉木林土壤有机碳含量显著低于其他3个林龄杉木林(P<0.05)，但3、14和46 a之间差异不显著(P>0.05)。

表2 杉木4个不同林龄以及4个不同土层的碳氮磷含量

数据为平均值±标准误，同行不同小写字母表示差异显著(P<0.05);同元素同列不同大写字母表示差异显著(P<0.05)

Date for the mean±standard error，different lowercase in the same row represents significant difference(P<0.05)，different capital letter of the same element in the same column represents significant difference(P<0.05)

2.2 土壤全氮含量随林龄和土层的变化

由表2可知，3、14、21和46 a杉木人工林土壤全氮平均含量分别为1.52、1.63、1.4和1.6 g/kg，4个不同林龄的土壤全氮含量均表现出随着土层深度的加深逐渐降低。方差分析表明，4个不同林龄之间的土壤全氮含量差异不显著(P>0.05)；同一林龄不同土层，3 a和46 a杉木人工林各土层土壤全氮含量差异性显著(P<0.05)，14 a表现为0～5 cm显著高于其他土层(P<0.05)，20～40 cm显著低于其他土层(P<0.05)，21 a不同土层均无显著差异(P>0.05)；同一土层不同林龄，0～5，10～20和20～40 cm土层在不同林龄之间均无显著差异(P>0.05)，5～10 cm土层21 a土壤全氮含量显著低于其他3个土层(P<0.05)，可能由于21 a近熟林在生长过程消耗了大量的营养物质。

2.3 土壤全磷含量随林龄和土层的变化

由表2可知，3、14、21和46 a杉木人工林土壤全磷平均含量分别为0.34、0.32、0.29和0.28 g/kg，随着林龄的增长土壤全磷含量逐渐降低，4个不同林龄的杉木人工林土壤全磷含量均随土壤深度的增加，呈现出先增加后减少的趋势。方差分析表明，土壤全磷含量在不同林龄之间无显著差异，同一林龄不同土层，3、14、21和46 a杉木人工林土壤的全磷含量在不同土层之间均无显著差异(P>0.05)；同一土层不同林龄，0～5、5～10、10～20和20～40 cm土层的土壤全磷含量在不同林龄之间也无显著差异(P>0.05)。

2.4 土壤化学计量C∶N、C∶P、N∶P、C∶N∶P及其相关性

由表3可知，4个不同林龄杉木0～40 cm土层的C∶N的变化范围是10.22～15.26，平均值是13.27，变异系数为11.63%；C∶P的变化范围是30.62～121.65，平均值是68.34,变异系数是32.87%；N∶P的变化范围是2.67～8.28，平均值是5.01，变异系数为26.29%，土壤C∶N较C∶P和N∶P稳定，3个比值的变异系数都不大。

表3 土壤化学计量比变异系数

图2 不同林龄土壤C∶N、C∶P、N∶P和C∶N∶P随土层深度的变化Fig.2 Changes of C∶ N，N∶ P,C:P and C∶N∶P along soil depths in the Cunninghamia lanceolata plantations

由图2可以看出，C∶N、C∶P和N∶P在4个不同林龄和不同土层之间的变化并没有呈现出一致的规律。4个不同林龄杉木的土壤C∶N随着土层深度的变化相对稳定，但在不同林龄之间有所差异，C∶N表现出21 a显著低于3、14和46 a(P<0.05)，而3、14和46 a之间则无显著差异(P>0.05)；C∶P和N∶P在不同林龄之间均无显著差异(P>0.05)，且都呈现出在0～10 cm土层快速下降，在10～40 cm土层变化不稳定；4个林龄的C∶N∶P分别为42∶4∶1、43∶5∶1、41∶5∶1和50∶6∶1(表4)。

表4 不同林龄杉木林土壤 C∶N、C∶P、N∶P和C∶N∶P

同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

Different capital letter inevitable in the same column represents significant difference

由表5可知，C∶N与有机碳和全氮的含量呈极显著正相关，表明C∶N同时受到有机碳和全氮含量的影响，但受到有机碳含量的限制作用更显著；C∶P与有机碳含量呈极显著正相关，与有机碳的相关性大于全磷的相关性；N∶P与全氮含量呈极显著正相关，与全氮含量的相关性大于全磷含量相关性。

表5 土壤C、N、P及其化学计量的相关性

*在 0.05 水平上显著相关，* *在 0.01 水平上显著相关

*Indicates significant correlation at 0.05 level，* *indicates significant correlation at 0.01 level

3 讨论

3.1 土壤有机碳含量随林龄和土层的变化

随着林龄的增长有机碳含量呈现出先减少后增加的趋势，这与王丹等[15]的研究结果一致，这可能是由于中龄林杉木进入快速生长阶段，需要消耗大量的养分和水分，所以有机碳的含量会降低，而当杉木进入近熟林阶段，杉木的生长速度减慢，对养分和水分的吸收变慢，加之凋落物量也达到最大，调落物分解产生的有机质可以进入土壤，使得有机质的含量有所回升。

本次实验，4个林龄杉木土壤有机碳含量为18.5～22.28 g/kg，低于三江平原湿地土壤[16]，高于黄土高原3种人工林的有机碳含量(侧柏林6.76 g/kg，油松林12.04 g/kg，刺槐林16.20 g/kg)[17]，4个林龄的杉木林土壤有机碳含量均呈现出随土层深度的加深而逐渐减少，这与曹娟等[8]的研究结果一致，这可能是由于土壤有机碳多来源于微生物分解的动植物遗体、凋落物和根系分泌的有机物质，而这些分解的物质首先进入地表，然后逐渐进入更深的土层[18]。

3.2 土壤全氮含量随林龄和土层的变化

随着林龄的增长，土壤的全氮含量在近熟林阶段最低，这与曹娟等[8]在湖南会同3个林龄杉木土壤的研究一致。4个林龄杉木土壤的全氮含量为1.4～1.63 g/kg，与亚热带4种林分的全氮含量基本一致(1.36～1.93 g/kg)[19],高于塔里木河胡杨林的0.62 g/kg[20]，也高于福建滨海沙地5种不同树种的土壤全氮含量(桉树0.36 g/kg，肯氏相思0.38 g/kg，纹荚相思0.40 g/kg，湿地松0.33 g/kg和木麻黄0.47 g/kg)[21]，远高于福建三明的格氏栲土壤全氮含量(0.17 g/kg)[22]，4个不同林龄杉木的土壤全氮含量均随土层深度的加深逐渐降低，可能是因为氮是由于凋落物的分解，然后经过土壤的淋溶作用进入更深的土层，同时每一层的根系也会吸收一部分，所以土层越深，含量越低。

3.3 土壤全磷含量随林龄和土层的变化

随着林龄的增长，土壤的全磷含量无显著变化，4个不同林龄杉木的土壤全磷含量为0.28～0.34 g/kg，这与杨玉盛等[23]在杉木多世代连栽的土壤水分和养分变化的研究一致，远低于伊犁河谷的1.14 g/kg[24]，也低于三江平原的4种典型湿地(沼柳湿地0.95 g/kg，小叶章湿地0.72 g/kg，毛苔草湿地0.66 g/kg，芦苇湿地0.42 g/kg)[15]，这表明研究地严重缺磷，土壤磷含量主要来源有岩石的风化和淋溶作用,在土壤中的分布较为均匀[25]，在短时间内难以改善，而磷的缺失会影响杉木的生长发育[26],所以为了促进杉木林生长和可持续经营需要向杉木人工林施加磷肥。

3.4 土壤化学计量C∶N、C∶P、N∶P、C∶N∶P及其相关性

杉木的生长所需要的养分大部分来自土壤中的C、N、P，是植物生长发育所必需的[27]，土壤的C∶N∶P是评价土壤肥力的重要参数，是土壤矿化作用和固持作用的指标，受到该地区的气候条件和成土因素的影响，由于气候等条件的不同加上人类活动的影响，使得C∶N∶P的空间差异性很大[28]。本研究地的4个不同林龄杉木土壤的C∶N∶P分别为42∶4∶1、43∶5∶1、41∶5∶1和50∶6∶1。土壤C∶N是土壤有机质组成和质量的一个重要标准，一般来讲土壤有机质C∶N与其分解速度成反比，4个不同林龄杉木的土壤C∶N的平均值是13.27,高于我国土壤C∶N的平均值(11.9)，变异系数为11.63%，C∶N越高分解速度越慢；土壤C∶P被认为是土壤磷矿化能力的重要指标，4个不同林龄杉木的土壤C∶P的平均值是68.34，变异系数为26.29%；曹娟等[8]的研究表明较低的C∶P是P有效性高的指标，相反则表示存在P受限，说明该研究地土壤有机质矿化释放P的能力较弱；N∶P的平均值是5.01，变异系数是32.87%，土壤N∶P指示杉木生长过程中土壤养分的供给情况，当N∶P<14，反映土壤N的供应不足，土壤N素的缺乏会影响杉木的生长[29]。相关性分析表明，C∶N和C∶P与有机碳的相关性大于全氮和全磷的相关性，N∶P与全氮含量的相关性大于全磷含量相关性。由此研究可以看出土壤C∶N和C∶P主要受到土壤有机碳含量的影响，N∶P主要受土壤全氮含量的影响。