不同林龄长白落叶松人工林分土壤碳氮磷化学计量特征

刘冠兵，刘 盛，崔玉森，王忠良，田佳歆，王琬茹，赵士博

(1.北华大学林学院，吉林 吉林 132013；2.吉林省临江林业局，吉林 临江 134600)

长白落叶松(Larixolgensis)是我国东北地区的主要造林树种，由于生长迅速、适应性强、用途广泛，在东北林区经济建设中发挥着极其重要的作用[1].林内土壤养分状况直接影响长白落叶松生产力.在森林生态系统中，作为林木生长的载体，森林土壤质量影响着林木的生长状态[2].土壤中碳氮磷之间的关系密切，计量比可以作为评价其内部循环是否平衡的特征指标[3-4].张芸等[5]研究了杉木人工林土壤理化性质及碳氮磷计量比间的关系，结果显示，成熟阶段的杉木林分生长受磷元素限制.曹娟等[6]研究认为，杉木人工林土壤C∶N、C∶P主要受土壤有机碳影响，而不同深度C∶N、C∶P和N∶P比较稳定.刘玲等[7]研究了不同密度长白落叶松天然林土壤有机碳的养分特征认为，在林分密度为800～880株/hm2时，长白落叶松天然林土壤综合养分质量分数最高.周焘等[8]研究发现，抚育间伐显著增加了长白落叶松人工林土壤有机碳和全氮含量.孙嘉等[9]研究河北省5种不同密度华北落叶松理化性质后得到最适林分密度为1 500～2 000株/hm2.牛小云等[10]通过研究不同发育阶段日本落叶松土壤酶活性发现，可以通过密度调控缓解土壤地力衰退.纵观已有文献，对不同林龄长白落叶松林分内土壤生态化学计量特征及其差别的研究报道较少，尤其是对近熟林到成熟林这一阶段的研究明显不足，而这项研究对于精准评定长白落叶松人工林分的营养供应状况、精准提升森林质量十分重要.因而，本研究分析不同林龄长白落叶松人工林土壤中的有机碳、全磷、全氮含量及其化学计量比，探寻其随林龄与土层深度的变化规律，以期为长白落叶松人工林的科学精准经营提供参考依据.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区位于吉林省临江市东北部，桦树镇桦树林场(41°57′～41°59′ N，127°14′～127°15′ E).样地内山脉属长白山系龙岗山脉，海拔700～1 000 m，属温带季风气候，冬季寒冷干燥，夏季多雨，年平均气温2～4 ℃，全年降水量750～1 000 mm.土壤为暗棕壤，pH为4.19～6.37.该植物区系属长白山植物区系，主要森林类型为红松阔叶混交林.20世纪初至20世纪60年代，研究地原始阔叶林遭到十分严重的破坏，在该地营造了大量人工落叶松纯林.

1.2 样品采集及处理

在实地考察以及查询桦树林场造林原始资料的基础上，在立地条件一致的前提下，选取3个不同林龄(33、42、50 a)长白落叶松人工林设置面积为600 m2(20 m×30 m)的样地9块，每个林龄设置3块.首先将土壤分为0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm共3个土层，然后采用五点法分别取样，取样完成后按土层混合成一个土样，共计27个样品.将土样带回实验室后挑除石砾等杂物，自然风干后过10目土壤筛、100目土壤筛.样地概况见表1.

表1 长白落叶松人工林样地概况

1.3 指标测定

土壤有机碳采用重铬酸钾氧化-外加热法测定，土壤全氮采用半微量凯氏法测定，土壤全磷采用碱熔-钼锑抗比色法测定.

1.4 数据分析

运用SAS 9.2软件对土壤C、N、P及其计量比数据进行双因素方差分析(GLM过程)、单因素方差分析和多重比较(Duncan)；数据整理以及制图采用Origin 2018.

2 结果与分析

2.1 不同林龄及土层深度长白落叶松林分土壤化学性质

林龄与土层对长白落叶松人工林C、N、P及其化学计量比的影响见表2，不同林龄长白落叶松人工林有机碳、全氮、全磷含量见图1.双因素方差分析表明：林龄对土壤有机碳和全磷含量有显著影响，对全氮含量无显著影响.土壤有机碳含量在同一林龄不同土层中，表现出0～10 cm土层显著高于10～20 cm和20～40 cm土层，且随着林龄增大，有机碳含量逐渐增高；10～20 cm与20～40 cm土层有机碳含量变化趋势平稳，无显著差异.土壤全氮在同林龄不同土层与有机质趋势相同，在不同林龄10～20 cm土层差异不显著.土壤全磷在林龄为33 a与42 a时，不同土层差异显著，随着林龄的增加，0～10 cm与10～20 cm土层有降低的趋势.

总体来看，3个林龄土壤有机碳、全氮与全磷含量随着土层深度的增加而减少；所有林龄的0～10 cm土层，有机碳、全氮与全磷显著高于同林龄下的10～20 cm和20～40 cm土层.

注：*.P<0.05；**.P<0.01；***.P<0.001.

2.2 不同林龄长白落叶松土壤C、N、P化学计量比

不同林龄长白落叶松人工林C∶N、C∶P及N∶P见图2.双因素方差分析表明：林龄、土层及林龄与土层的交互作用对土壤C∶N影响不显著，而土壤C∶P与N∶P随林龄、土层的变化有显著差异(表2).在0～10 cm土层，C∶N有随林龄逐渐减小的趋势.土壤C∶P变化趋势十分明显，林龄50 a的0～10 cm和10～20 cm土层显著高于33 a与42 a；土壤C∶P总体上随着林龄的增长呈现出升高的趋势，同林龄下土壤C∶P都表现为0～10 cm土层>10～20 cm土层>20～40 cm土层，且42 a和50 a不同土层差异显著.土壤N∶P在0～10 cm和20～40 cm土层与C∶P的变化趋势相同.

3 讨 论

3.1 不同林龄长白落叶松土壤化学性质

本次研究结果表明：随着林龄的增加，土壤有机碳积累有增加的趋势，这与张泽辉等[11]对不同林龄华北落叶松的研究结果一致.33 a的0～10 cm土层比其他林龄有机碳含量少，50 a有机碳含量最大，为33 a林分的1.31倍，增长约31%，而同土层33～42 a的增长仅为4%.在有机碳的垂直分布上，不同土层有机碳含量差异显著，逐渐减少，0～10 cm土层明显大于10～20 cm土层与20～40 cm土层，有机质表聚现象明显，这与刘杰等[12]和陈钦程等[13]的结论一致.在本次设置的3个林龄长白落叶松人工林分中，林龄50 a的0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 3个土层中有机碳含量比42 a与33 a两个林龄同土层含量都高，而造成这一现象的原因，可能是由于随着林分林龄的增加，林下枯落物随之不断增加，腐殖质不断累积，可供枯枝落叶层释放的有机碳量增多，从而使林分内的有机碳得以积累[14].

随着林龄的增加，土壤全氮与有机碳同样有着显著的增加趋势.在0～10 cm土层，50 a林分全氮质量分数约为5.8 g/kg，远大于42 a林分的5.1 g/kg与33 a林分的3.1 g/kg，在表层土壤中全氮含量为50 a>42 a>33 a.造成这一现象的原因，可能是由于林分处于不同的发育阶段，林内郁闭程度不一，林下植被不同[15]，并且随着林分生长与养分积累，林下腐殖质与枯枝落叶层必定会随着林龄的增加而加厚，所累积的营养成分也一定更加丰富.所以，林分下的表层土壤会随着土壤的发育进程逐渐累积营养物质.

土壤全磷在不同林龄的土层垂直结构上，33、42和50 a林分都呈现出了0～10 cm土层全磷含量最大，且随着土壤深度增加而减小的趋势，并在最深层的20～40 cm最低.3个不同土层间全磷量存在显著差异，原因可能是磷的迁移率很低，且土壤上层的吸附磷酸根离子的能力更强，导致表层土壤所含的磷不易向下层转移，并很快被落叶松根系吸收，且所选林分正处于近熟林到成熟林过渡时期，需要大量磷元素.所以，土壤全磷量随林分年龄的增长呈现下降态势.在表层土壤中，随林龄的增加土壤中的全磷含量呈现出相同的规律，即随林龄的增加，林分对土壤磷元素的需求会有所增加，导致土壤中全磷含量降低，这一现象与姜沛沛等[16]、张芸等[5]的研究结论相似.

3.2 不同林龄长白落叶松土壤C、N、P化学计量比

土壤C∶N 与土壤有机碳的分解存在反比关系，这也是土壤中氮元素矿化能力的标志[17]，同时也能反映土壤中微生物利用土壤有机碳的效率[18].在本研究中，C∶N相对保持稳定.双因素方差分析表明，林龄以及土层深度差异均不显著，表明土壤中有机碳的利用效率并没有随着长白落叶松林龄的增加而改变[19-20].

土壤C∶P可直接反映林分利用磷的效率，N∶P是N与P被限制与否的评价指标[21].在本研究中，C∶P、N∶P受林龄影响显著.其中，长白落叶松50 a最大.导致这一现象的原因是土壤有机碳与全氮随林龄的增加而增加，全磷随林龄的增加而降低，因此，土壤全磷含量成为研究区域C∶P、N∶P计量比的主要限制因子.据此可以说明，随着长白落叶松林龄的增加，土壤中可被利用的P元素含量降低.较低的C∶P是磷有效性高的标志[6]，而本研究地50、42、33 a土壤表层C∶P均值较高，分别为84.78、61.65、48.92，其中50 a远高于我国平均值61[22]，将不利于土壤为长白落叶松人工林提供可吸收利用的磷酸盐，林分会表现出P供应不足现象[23].

4 结 论

本次研究中，土壤中的有机碳和全氮总量在3个深度都随着林龄的增加而逐渐积累，全磷总量随林龄的增加呈现减小的态势，且在10～20 cm深度所受影响最大.在土壤垂直结构上，不同林龄林分有机碳、全氮、全磷因林分发育所需，随着土层深度加深而呈现减小的趋势.C∶N在不同林龄保持稳定，50 a与42 a长白落叶松人工林土壤全磷含量显著低于33 a，导致C∶P高于我国平均水平.综上可知：研究地长白落叶松林分生长可能主要受土壤磷元素的限制，建议在近熟林到成熟林这一阶段适当补充磷肥，以保证林分的正常发育，促进土壤与林木的良性养分循环.在后续研究中，将对不同林龄长白落叶松建立长期固定标准地，进行跟踪观测，深入研究长白落叶松土壤养分变化，以便实现科学调控，充分提高林地生产力.