野生马缨杜鹃林土壤化学计量特征*

2021-11-08李朝婵全文选

贵州科学 2021年5期

李朝婵，刘静，全文选

(1贵州师范大学山地环境重点实验室，贵州贵阳 550001;2中国科学院地球化学研究所，贵州贵阳 550018;3贵州师范大学植物生理与发育调控重点实验室，贵州贵阳 550025)

森林土壤是林木生长和森林功能发挥的基础，同时也是重要的自然资源，森林土壤对林木生长有着关键作用，影响着森林演替[1]。植物生长的限制性养分因子主要是氮(N)、磷(P)、钾(K)中单一养分元素限制或多种养分元素限制[2]，N、P、K元素作为森林生态系统演替过程的主要化学成分和驱动力，也是生物地球化学循环的研究热点之一[3-4]。生态系统中碳C、N、P 等元素的循环过程是相互耦合的[5-6]，其化学计量比具有较强的内稳性，对维持生态系统结构和功能具有重要意义[7]。针对森林土壤研究，前人对枯枝落叶层的关注较多，涉及枯枝落叶层分解过程和影响因子等[8-10]。前人对森林土壤进行的研究主要集中的土壤有机碳分布特征、土壤微生物等方面[11-12]。研究不同土层深度土壤C、N、P等元素化学计量特征，对于阐明森林土壤养分在植物、土壤层次间的养分循环过程具有重要的科学意义[13]。

百里杜鹃国家森林公园是世界上野生杜鹃连片分布最大的区域，其特有的喀斯特地貌和杜鹃次生林特征，导致其生态环境脆弱、群落物种结构单一、天然更新出现障碍[14]。李苇洁等[15]研究了百里杜鹃的土壤肥力，林区土壤为钙质土，有机质腐殖化过程强，肥力高于红壤。野生杜鹃的生境中凋落物厚度大，靠风力和重力传播的种子很难散布到土壤层[16]。笔者选择贵州野生马缨杜鹃林作为研究对象，对不同土层深度的土壤开展研究，通过测定贵州百里杜鹃国家森林公园内野生马缨杜鹃林下不同土层的养分元素含量，并计算其化学计量比，分析不同土层中土壤养分含量与化学计量特征的变化规律，并探讨两者间的相互关系，对开展野生杜鹃林土壤化学元素的循环和平衡机制研究具有重要的指导作用。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点位于贵州百里杜鹃国家森林公园内，地理坐标：东经105°50′16″～106°04′57″E、北纬27°10′07″～27°17′55″N，海拔1060～2121 m。森林公园总面积125.8 km2，其中：野生杜鹃覆盖了80%[17]。森林公园内小气候温凉湿润，年均相对湿度为84%，年平均积温4200 ℃，年平均温度11.8 ℃，最冷月(1月)均温为2 ℃，最热月(7月)均温21 ℃，年降水量1000～1100 mm，春夏降水量占70%，水热同季。马缨杜鹃是贵州百里杜鹃国家森林公园的主要建群种和优势种，林下土壤呈强酸性，其pH值介于4.02～4.80之间，且随土层深度的增加而逐渐增加。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与样品采集

采集研究区内6个典型样地的0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm土壤样品。在每个样地内按深度分别采集3个土壤样品。将样品自然晾干，用粉碎机研磨后将样品混匀，4 ℃下保存，供测试分析。

1.2.2 土壤理化指标的测定

土壤风干过0.1 mm筛后方法参见《土壤农业化学分析方法》[18]；其中：土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法；全氮采用凯氏定氮法；全磷采用钼锑抗比色法；全钾采用火焰光度法；土壤pH值采用电位法(水土比为2.5∶1)。

1.3 数据处理

采用SPSS17.0、Simca-p和R统计软件进行多元统计，LSD多重比较和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同土壤层养分变化

野生马缨杜鹃林不同土层深度 (0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm) 的SOC平均含量分别为：120.54 g/kg、77.01 g/kg、43.60 g/kg、31.27 g/kg、19.15 g/kg，30～40 cm土层深度的SOC含量与20～30 cm、40～50cm土层深度的SOC含量无显著差异，其他不同土层深度的SOC含量差异极显著(P<0.01)；TN平均含量分别为3.93 g/kg、2.33 g/kg、1.73 g/kg、1.29 g/kg、0.97 g/kg，30～40 cm土层深度的TN含量与20～30 cm及40～50 cm土层深度的TN含量无显著差异，10～20 cm土层深度的TN含量与20～30 cm土层深度的TN含量差异显著(P<0.05)，其他不同土层深度的TN含量差异极显著(P<0.01)；TP平均含量分别为0.91 g/kg、0.75 g/kg、0.61 g/kg、0.48 g/kg、0.47 g/kg，10～20 cm土层深度的TP含量与30～40 cm及40～50 cm土层深度的TP含量差异显著(P<0.05)，0～10 cm与其他不同土层深度的TP含量差异极显著(P<0.01)；TK平均含量分别为12.37 g/kg、12.25 g/kg、15.75 g/kg、14.74 g/kg、12.98 g/kg，不同土层深度的TK含量无显著差异。SOC、TN和TP含量均随土壤土层深度的加深而逐渐递减，而TK含量则表现为先升高后降低(图1)。

图1 不同土层深度的土壤养分含量Fig.1 Contents of soil nutrient at different soil depths

2.2 不同土壤层生态化学计量比

从表1可看出，贵州百里杜鹃国家森林公园内马缨杜鹃林下不同土层深度土壤的化学计量比为C∶P>C∶N>C∶K>N∶P>N∶K>P∶K。在不同土层深度中，C∶N、C∶P比值均显著高于N∶P，C∶N在10～20 cm土壤中最大，随着土壤深度的增加而减小；C∶P、N∶P在0～10 cm处最大，随着土壤深度的增加而减小。

表1 不同土层深度土壤的化学计量比Tab.1 Stoichiometric ratio at different soil depths

不同土壤层的化学计量比，0～10 cm的土壤层C∶P、N∶P、C∶K、N∶K与其他土壤层均差异显著(P<0.01)，高他其他土壤层的比值；10～20 cm土壤层C∶P、C∶K与其他土壤层均差异显著(P<0.01)。

2.3 不同土壤层营养物质的聚类分析

分别对杜鹃林下5个不同土壤层中的养分物质含量进行多元统计，采用R软件进行聚类分析(图2)，结果显示，从纵轴来看5个土壤层次具有较为明显区分，不同土壤层在某些养分物质差异更为显著，充分表明这些养分物质之间具有差异性。养分物质的聚类结果显示5个土壤层中TP对土壤层型的区分具有最大贡献，其次为TN。因此，认为这2种养分物质是区分土壤层差异的主要组分。

图2 野生马缨杜鹃林不同土层深度土壤养分物质的聚类热图Fig.2 Clustering heat map of soil nutrients at different soil depths in the wild Rhododendron delavayi forest

由百里杜鹃国家森林公园土壤理化指标间的相关关系(表2)可知，杜鹃林下土壤理化指标之间存在着密切的相关关系。TK、pH与其他指标均为负相关关系，其中pH与C∶P、N∶P、C∶K、N∶K为极显著负相关关系；SOC与除TK、pH外的其他指标均为极显著正相关关系(P<0.01)；TN、TP均与除TK、pH、C∶P之外的其他指标均极显著正相关关系(P<0.01)，C∶K与其他指标均差异极显著(P<0.01)。

表2 野生马缨杜鹃林土壤养分含量与化学计量特征的相关性分析Tab.2 Correlations between soil nutrient contents and stoichiometric characteristics in the wild Rhododendron delavayi forest

3 讨论

本研究土壤SOC、TN和TP含量均随土壤土层深度的加深而逐渐递减，与多数研究的结果一致。申佳艳等对3种森林群落(山地雨林、热带雨林、季风常绿阔叶林)土壤养分分布特征的研究[19]，王晓佳对晋西的森林土壤[20]，赵维俊等对祁连山青海云杉森林土壤[21]，张继平对井冈山森林土壤[22]的研究，均表明SOC、TN、TP含量随土壤深度的增加而逐渐递减。森林SOC、TN受季节变化的影响较大[23-24]，四川龙门山冷杉林、长白山混合阔叶林的土壤SOC、TN含量随着土壤层的加深含量逐渐降低[25-26]。在印度热带落叶林中，土壤SOC的垂直变化规律也是随着土壤层的加深含量逐渐降低[27]。针对森林土壤，土壤表层是枯枝落叶的主要接触层，枯枝落叶在腐质化过程中释放大量营养元素[28]，因此表层土壤的营养元素含量较高，随着土壤深度的增加逐渐减小。

本研究pH值均随土壤土层深度的加深而逐渐增加，与前人的研究结果一致[29-30]。马尾松林土壤3种林型pH值随土层深度的增加而增大，但差异均不显著[30]；杉木林不同土壤层pH值的变化规律不明显[31]。土壤pH值是土壤的基本性质和影响肥力的重要因素之一，pH值直接影响植物的生长和发育[32]。土壤pH值是影响土壤微生物群落特征的重要因素，土壤微生物群落状况受到土壤pH值的影响和调节，土壤pH值是土壤微生物多样性和丰度最重要的预测因子[33-35]。