苦竹林土壤养分含量及其化学计量特征的海拔效应

张亿艳

（福建省三明市林业局，福建 三明365500）

氮、磷、钾是植物需求量大且土壤中含量相对较少的元素，是植物生长的限制性养分元素［1-2］，碳（C）则是结构性物质，碳、氮、磷和钾均在生态系统的物质和能量循环以及多元素平衡过程中发挥着重要作用［3］。海拔作为重要的地形因子，其变化会对区域气候、环境和土壤养分等产生明显的影响［4-6］。有研究表明，随着海拔梯度的升高，土壤养分含量会发生变化，如氮、磷含量的明显下降，有机质含量增加等［7-8］，也即海拔变化会引起土壤养分含量及其化学计量特征发生明显的改变。因而研究土壤C、N、P和K含量及其生态化学计量比的变化规律对于揭示土壤养分的可获得性、养分元素的循环和平衡机制、生态系统健康状况均具有重要理论意义［9-10］。

苦竹（Pleioblastus amarus）隶属大明竹属，地下茎复轴混生型，中型竹，是优良的笋材兼用竹种，竹材可制作工艺品、乐器等，其笋味苦，具清热解毒、去火利便的功效，并兼有减肥、降压之功能［11-12］。特别是近年来，保健类食品日益受到人们的青睐，苦竹笋市场需求量日益增长，福建、浙江等地已经对苦竹资源进行了规模化开发利用，但总体而言，多属粗放经营状态。苦竹林土壤养分的研究多见于施肥［13-14］、土壤呼吸［15-16］、酶活性［17-18］及碳、氮组分［18-19］的变化特征等，而不同海拔梯度苦竹林土壤养分含量及其化学计量比的变化规律研究尚未见报道。研究以福建省沙县粗放经营水平的3个海拔梯度的苦竹林为对象，测定了林地土壤养分全量及速效养分含量，分析了土壤养分含量及其化学计量比在海拔梯度上的变化规律，试图阐明苦竹林土壤养分化学计量特征的海拔梯度效应，为试验区苦竹林高效培育提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于福建省沙县夏茂镇的雪峰山区域（26°29′～26°40′N，117°32′～117°46′E）。年平均气温19.5℃，极端高温40.6℃，极端低温-8.3℃，年平均降水量1 529 mm，雨季主要集中在5月到8月。土壤为红壤，土层厚度50 cm以上。该区域土地利用类型和植被分布海拔间差异较为明显，山上部区域（海拔800 m以上）主要为针阔混交林，中部区域（海拔200～800 m）以苦竹林为主，山下部区域（海拔200 m以下）主要为农田。试验区苦竹林资源丰富，全镇有苦竹林面积800 hm2以上，以笋材兼用林经营类型为主，经营粗放，主要实施季节性留笋养竹和选择性伐竹措施，不进行林地垦复和施肥等措施。

1.2 试验方法

在雪峰山南坡根据苦竹林自然分布状况，选择3个海拔梯度的苦竹林：低海拔，（190±20）m；中海拔，（380±20）m；高海拔，（600±20）m；分别设置20 m×20 m的样地各3个，调查试验林立竹密度、立竹胸径、立竹年龄结构等林分结构状况（表1）。在每个样地中以5点取样法取表层（0～30 cm）土壤5份，每份约500 g，混匀后，分取约500 g，装于样品袋中带回实验室风干，研磨过100目筛，装袋储于真空干燥器中以备化学分析。土壤有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；pH值采用1∶2.5土液比水提，酸度计测定；全氮采用半微量凯氏定氮法测定；全磷采用HClO4-H2SO4消化-钼锑抗比色法测定；全钾采用HClO4-H2SO4消化-火焰光度法测定；碱解氮采用扩散吸收法测定；速效磷采用双酸浸提-钼锑抗显色法测定；速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定［20］。

表1 试验林林分结构Tab.1 Summary of Pleioblastus amarus forest structure

1.3 数据分析

试验数据在Excel 2016统计软件中进行整理和图表制作，在SPSS 17.0统计软件中进行单因素方差分析、Pearson相关性分析，分析不同海拔苦竹林土壤养分含量、化学计量比间的差异及相关性。

2 结果与分析

2.1 不同海拔苦竹林土壤养分含量

由表1分析可知，苦竹林土壤有机碳、全氮、全磷、全钾和pH变化范围分别为14.16～19.56、1.06～1.71、0.34～0.58、3.71～9.67g·kg-1和4.16～4.83。随海拔梯度的升高，土壤全氮、全磷和全钾含量均呈下降趋势，且不同海拔梯度间差异显著（P＜0.05）；而有机碳和pH变化趋势一致，均随海拔梯度的升高呈升高趋势，且不同海拔梯度间差异显著（P＜0.05）（表2）。苦竹林土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量变化范围分别为102.51～135.52、1.38～2.36和35.13～61.32 mg·kg-1（表2），且随海拔梯度的升高均呈显著下降的变化趋势（P＜0.05）。

表2 不同海拔苦竹林土壤p H和养分含量Tab.2 pH and content of soil nutrition of Pleioblastus amarus stand at different altitudes

2.2 不同海拔苦竹林土壤养分化学计量比

苦竹林土壤碳/氮、碳/磷、碳/钾变化范围分别为8.28～18.45、24.41～57.53和1.46～5.21，随海拔梯度的升高总体上均呈升高的变化趋势，且不同海拔梯度间均差异显著（P＜0.05）；土壤氮/磷、氮/钾变化范围分别为2.94～3.11和0.176～0.285，随海拔梯度的升高也呈升高的变化趋势，但氮/磷不同海拔梯度间差异并不显著（P＞0.05），而氮/钾差异达显著水平（P＜0.05）；土壤磷/钾变化范围为0.059～0.092，随海拔梯度的升高呈升高的变化趋势，且不同海拔梯度间差异显著（P＜0.05）（表3）。

苦竹林土壤碱解氮/有效磷、碱解氮/速效钾、有效磷/速效钾的变化范围分别为74.24～57.42、2.21～2.91和0.038～0.040。随海拔梯度的升高，土壤碱解氮/有效磷、碱解氮/速效钾均呈升高的变化趋势，不同海拔梯度间差异显著 （P＜0.05），而有效磷/速效钾变化幅度较小，海拔梯度间并无显著差异（P＞0.05）（表 3）。

表3 不同海拔苦竹林土壤养分化学计量比Tab.3 Stoichiometry of soil nutrition of Pleioblastus amarus stand at different altitudes

2.3 苦竹林土壤养分化学计量特征间的关系

相关分析表明，苦竹林土壤有机碳与全氮、全钾呈显著或极显著正相关，而与碳/钾、氮/钾呈显著或极显著负相关；全氮与全磷、碱解氮、有效磷及有效磷/速效钾呈显著正相关，而与pH、碱解氮/有效磷呈显著负相关；全磷仅与氮/磷呈显著负相关；全钾与碳/钾、氮/钾呈显著或极显著负相关；pH与有效磷呈显著负相关，而与碱解氮/有效磷呈显著正相关；碱解氮与速效钾、碳/氮、碳/磷呈显著负相关，而与氮/钾、磷/钾、碱解氮/速效钾及有效磷/速效钾呈显著或极显著正相关；有效磷与碱解氮/有效磷呈极显著负相关，而与有效磷/速效钾呈极显著正相关；速效钾仅与碱解氮/速效钾呈极显著负相关；碳/氮与碳/磷、碱解氮/有效磷呈显著正相关，而与碳/钾、氮/钾、磷/钾、碱解氮/速效钾、有效磷/速效钾呈显著或极显著相关；碳/磷与氮/钾、磷/钾、有效磷/速效钾呈显著或极显著负相关；碳/钾与氮/钾、磷/钾呈显著或极显著正相关；氮/钾与磷/钾、碱解氮/速效钾及有效磷/速效钾呈显著正相关；碱解氮/速效钾与有效磷/速效钾呈极显著负相关（表4）。

表4 苦竹林土壤养分化学计量特征间关系Tab.4 The correlation coefficient between soil nutrient and its stoichiometry of Pleioblastus amarus stand at different altitudes

3 结论与讨论

土壤由于受到以海拔主导的地形、气候以及生物因子综合作用的影响，而呈现明显空间上的异质性［21］，海拔的明显变化使得区域小气候、土壤质地、养分含量及生物有效性等均会在一定空间范围内呈现出梯度效应［22-23］。研究结果表明，随海拔梯度的升高，苦竹林土壤有机碳及pH显著升高，这与秦海龙等［21］、张广帅等［23］的研究结果一致，其原因可能是随海拔升高，温度降低且林内湿度和光强增加，林地土壤微生物活性受抑，土壤碳矿化速率下降，导致苦竹林地土壤有机质累积量增加；随海拔梯度升高，苦竹林土壤氮、磷及钾含量及其有效性均显著下降，这与秦海龙等［21］、张广帅等［22］的研究结果不同，这可能与区域土壤性质、苦竹生长特性及人类经营干扰强度等有关。土壤氮、磷、钾含量及其有效性主要受成土母岩风化、微生物活动、人为经营干扰，如施肥、挖笋与伐竹强度等的影响，同是也受温度和降雨淋溶的作用［24-25］。低海拔区气温较高，微生物活性较强促进了成土母岩的风化，加速了土壤氮、磷、钾的释放，导致其含量及其有效性明显升高；同时，试验区位于中亚热带，年降雨量较大（1 529 mm），土壤淋溶作用较强，致使土壤中易于移动的养分，如氮、钾等向低海拔汇集，也使得其含量及有效性增加。综合分析表明，低海拔区域苦竹林土壤主要养分含量及其有效性较高，可能是低海拔区域苦竹生长较好［26］与竹笋品质较高的重要原因［27］，可见低海拔是试验区苦竹林高效经营的适宜海拔。

土壤养分生态化学计量特征一般由区域水热条件、生物学过程、成土作用和经营措施等共同掌控，受到气候、地貌、土壤生物、母质类型和人类干扰等的影响，因此，不同区域土壤的碳氮磷钾化学计量特征差异较大［28］。研究结果表明，随海拔梯度的升高，苦竹林土壤碳/氮、碳/磷及碳/钾均呈升高的变化规律，且海拔梯度间差异显著。土壤碳/氮通常能够反映土壤N矿化能力及土壤微生物群落结构，土壤碳/磷对植物的生长发育具有重要影响，其可以显示磷有效性的高低［29-30］，这说明随海拔梯度的升高，微生物活动下降，氮、磷含量的显著降低，已经影响到了微生物的代谢活动，其无法获取足量的氮、磷用于构建躯体和提供能量，从而使其繁殖速度和代谢活性受到影响［31］。随海拔梯度的升高，苦竹林土壤氮/磷、氮/钾、氮/钾和磷/钾均呈升高的变化趋势，且不同海拔梯度间氮/磷差异并不显著（P＞0.05），而氮/钾和磷/钾差异达显著水平（P＜0.05）。虽然氮/磷随海拔梯度的升高也呈增大的变化趋势，但不同海拔梯度间并无显著差异，说明苦竹林土壤系统氮/磷比相对稳定，具有一定的内稳性。土壤速效养分化学计量特征海拔梯度上的变化规律与全量养分类似，土壤碱解氮/有效磷、碱解氮/速效钾、有效磷/速效钾均随海拔的升高而增大，在一定程度上体现了苦竹林土壤养分有效性随海拔梯度变化而变化的特征。