江门市3种亚热带林分类型土壤碳氮磷储量分布特征*

许窕孜 邹祖有 叶彩红 张 耕 张中瑞 朱航勇 何 茜 丁晓纲

（1. 华南农业大学 林学与风景园林学院，广东 广州 510642；2. 广东省森林培育与保护利用重点实验室/广东省林业科学研究院，广东 广州 510520）

碳（C）、氮（N）和磷（P）是树木生长发育所必需的营养元素，同时也是森林土壤养分的重要组成部分[1]，对维持森林生态系统的稳定性和森林土壤养分贮存具有关键作用[2-3]。土壤氮、磷是森林生态系统的2个关键限制元素[4]，作为土壤肥力的重要指标，其含量和储量的变化深刻影响着森林生产力[5]。森林土壤有机碳作为全球碳循环中至关重要的环节，其储量约占全球土壤碳储量的73%[6]，其含量和储量的变化同时会制约全球碳平衡与温室效应，而森林土壤碳固持能力主要受林分类型、树种组成及森林经营管理措施等因素的影响[7]。

随着天然林的逐步演替，人工林在缓解森林生态系统压力、改善生态环境方面发挥重要作用[8]，目前，大规模、高密度的种植人工林手段被用来改善土壤生态系统的碳固持和氮磷累积，但单一人工林的大面积种植易引发土壤肥力衰退、林木病虫害等问题[9]，不利于生态系统养分循环与林地生产力的提高[10]。我国南方亚热带人工林常采用在针叶人工纯林中补植阔叶林，营造针阔混交林的模式来改善林分的土壤结构[11]。由于森林凋落物分解的产物不同，以及土壤中根系活动的不同，导致不同林分类型土壤养分的输入和输出存在差异，进一步影响森林土壤的养分储量[12]。如张亚冰[12]等对贵州月亮山5种森林类型土壤进行研究，发现不同林分类型和不同土层C、N、P存在显著差异。Laganiere等[13]总结了33个不同区域造林对有机碳的影响，发现阔叶类林地的碳储量明显强于针叶类。森林土壤碳氮磷储量已成为评价森林生态服务功能的重要指标。

基于此，本研究选取亚热带天然阔叶林、人工阔叶林以及人工针叶林3种林分类型为对象，研究不同林分类型土壤碳氮磷含量及储量在0～100 cm土层范围内的区别，以期为我国南方森林可持续经营和科学管理提供理论依据，为区域尺度的森林碳氮磷储量估算提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广东省中南部江门市，南邻南海，毗邻港澳，地势北低西高，以低山丘陵为主，土壤多为赤红壤。地属亚热带季风气候，气候温和多雨，冬夏分明，年均气温23.0℃，年降雨量约2 424.4 mm，日照平均1 612.5 h，无霜期在360 d以上。江门市作为“国家森林城市”，全市森林蓄积量2 230万m³，森林覆盖率 46.29%，原始次生天然植被主要有亚热带常绿季雨林、南亚热带常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、针阔混交林，其中亚热带常绿季雨林以樟科、茜草科、大戟科以及乡土树种壳斗科等为主要建群种。

1.2 调查及采样方法

根据研究区植被、地形、气候特征等状况，采用专题样点布设与空间随机样点布设相结合的方法布设样点，共布设样点248个。选择样点内能够充分代表该地林分特征的区域挖掘3个土壤剖面，各剖面水平距离应大于10 m。每个剖面长1.2～1.5 m，宽0.8～1.0 m，剖面深度达母质层或地下水，土层较厚时深度达到1.0 m。各剖面每隔20 cm分层取样，每个样点3个剖面共采集样品5层/个×3个（剖面）=15份。采集后的土壤样品用封口袋盛装，并及时带回实验室，风干、过筛后以用于测定土壤基本指标。

1.3 指标测定方法

土壤容重采用环刀法测定。土壤样品养分含量测定方法为：有机碳含量采用硫酸-重铬酸钾容重法，全氮含量采用连续流动分析仪测定，全磷含量采用碱熔法测定[14]。

1.4 数据处理及制图

土壤C（N或P）储量计算公式为：

式中：SC(N,P)i为研究区域第i层土壤C（N或P）储量（t/hm2）；ci为第i层土壤有机C（N或P）含量（g/kg）；ρb为第i层土壤容重（g/cm3）；di为第i层土壤厚度（cm）；TC(N,P)i为0～100 cm土层C（N或P）总储量（t/hm2）。

用Excel 2010对数据进行初步整理计算，用SPSS 20.0计算Kolmogorov-Smirnov值以检验数据是否符合正态分布（显著水平α=0.05），并对数据进行单因素方差分析（One-way ANOVA）检验3种不同林分类型相同土层间土壤碳、氮、磷含量和储量；采用双因素方差分析（two-way ANOVA）林分类型和土层对碳氮磷库的影响；采用皮尔逊（Persons）相关分析各土层C、N、P储量间的相关性，绘图由Origin 2022软件完成。

2 结果与分析

2.1 3种林分类型土壤C、N、P含量的变化

天然阔叶林的土壤C含量在各土层均极显著高于人工阔叶林和人工针叶林（P＜ 0.05），对于N含量而言，天然阔叶林0～20 cm土层土壤N含量显著高于两种人工林分类型，20～100 cm土层土壤N含量则极显著高于两种人工林分类型，而人工阔叶林和人工针叶林的土壤C、N含量间差异不显著（图1a和图1b）。从垂直分布来看，在0～100 cm土壤范围内，3种林分类型土壤C、N含量变化模式相同，土壤C、N含量均随土层增加而降低。天然阔叶林林下土壤P含量随土层深度增加，呈现先降低后增加的变化，人工阔叶林则随土层深度增加而降低，但针叶林各土层间差异不显著；各林分类型P含量在各个土层间均差异不显著（图1c）。

图1 3种林分类型在0～100 cm土层土壤中的C、N、P含量比较Figure 1 Comparison of C, N and P contents in the soil layer of 0-100 cm of three stand types

2.2 3种林分类型土壤C、N、P库的变化

从储量来看，整个土壤剖面上，天然阔叶林的土壤C库为191.71 t·hm-2，比人工阔叶林（157.18 t·hm-2）显著增加了21.97%，比人工针叶林（148.79 t·hm-2）显著增加了28.85%（P＜0.05，图2a）；就N库而言，天然阔叶林的土壤N库为10.92 t·hm-2，分别比人工阔叶林（9.15 t·hm-2）和人工针叶林（9.50 t·hm-2）显著增加了19.34%和14.95%（图2b）；就P库而言，天然阔叶林（3.39 t·hm-2）和人工 阔叶林（3.25 t·hm-2）间没有显著差异，但均显著高于人工针叶林（2.91 t·hm-2）（图2c）。从不同土层积累情况上看，除了0～20 cm土层土壤的N库，天然阔叶林的土壤C、N库均显著高于两种人工林分类型，而土壤P库在不同土层的表现不一致，表层0～20 cm为人工阔叶林的P储量最高，但底层80～100 cm土壤3种林分类型的土壤P储量差异不显著。

图2 3种林分类型在0～100 cm土层土壤重点C、N、P储量比较Figure 2 Comparison of C, N and P reserves in the soil layer of 0-100 cm of three stand types

2.3 林分类型和土层对土壤C、N、P储量的影响

双因素方差分析（表1）表明林分类型对土壤C库、N库和P库具有极显著影响（P＜0.01），土层对土壤C库和N库具有极显著影响（P＜0.01），而林分类型×土层对土壤C、N、P库均无显著的交互作用（P＜0.05）。3种林分类型中各层土壤C、N、P储量间相关性表明（表2）在0～20 cm表层土壤中，C储量和N储量，N储量和P储量呈现出极显著的正相关关系；在80～100 cm底层土壤中，C、N、P储量呈较显著的正相关关系；C、N、P总储量均呈现极显著正相关关系。

表1 林分类型和土层对土壤C、N、P储量的影响Table 1 Effects of stand types and soil layers on soil C, N and P reserves

表2 3种林分类型中各层土壤C、N、P储量间相关性Table 2 Correlation of C, N and P reserves in each layer of soil in the three stand types

3 讨论与结论

天然阔叶林的有机碳含量及储量均显著高于人工阔叶林和人工针叶林，可见，土壤C受林分类型和森林起源的影响明显。这跟其他研究的结果相似，Liao等[15]通过 Meta分析研究得出人工林生态系统碳密度显著低于天然林，约为天然林的72% ；孟庆权等[16]在格氏栲Castanopsis kawakamii和杉木Cunninghamia lanceolata人工林土壤化学计量比研究中发现阔叶树种土壤的碳氮含量要高于针叶树种，这是由于天然林与人工林的蓄积量年增长速率存在明显差异[17]，进而导致两者的固碳特征也存在差异；而森林土壤有机碳主要来源于植被地上的凋落物和根系分泌物，不同植被类型会影响森林土壤有机碳的数量、质量及循环[18]，不同树种的凋落物差异也会在一定程度上影响土壤有机碳含量和储量，与针叶林相比，阔叶树种具有更高的年凋落物量和凋落物浸出物[18]，因此有机碳输入量较高。

土壤全氮受林分类型的影响与土壤有机碳相似，天然阔叶林的全氮含量及储量均显著高于两种人工林分类型。这与相关研究结果一致，土壤全氮含量受SOC的积累及其分解作用的相对强度影响很大[19]，因此土壤全氮含量的特征变化与有机碳相似[20]。其次，森林土壤氮储量受众多因素的影响，如生物量和树种生物学特性等[21]。不同林分类型间氮储量的差异主要与不同植被凋落物的生物量及输入差异有关，针叶林的叶片分解速率相对较低，凋落物较难分解，同等时间内的凋落物输入量较少，影响土壤养分[18]。且人工林中的土壤微生物活性相对于经过长时间演替的天然林而言较弱，导致其将土壤有机质分解为氮素的能力也相对较弱。森林土壤氮储量在各土层间的分布较为分散，可能是受到降雨、淋溶、矿质化作用等自然生态过程的影响。黄宇等[22]对不同人工林土壤氮储量进行研究，发现土壤碳氮储量在垂直方向上总体呈现下降的趋势，但并未表现出明显的表层富集效应，这与本研究结果相似，可能是因为研究区雨量充沛，土壤淋溶作用降低了土壤碳氮储量在土壤深度上的差异。

磷通常被认为是亚热带地区植物生长的限制元素[4]。本研究中，土壤P含量在各林分类型间无显著差异，就总储量而言，阔叶林的土壤P储量与针叶林差异显著。赵文东等[23]对不同林分类型的土壤养分进行研究，发现全磷含量随土层深度变化不明显，杉木、桉树Eucalyptus robusta和黑木相思Acacia melanoxylon这3种林分0～10 cm与20～40 cm土层的全磷含量差异均不显著。这是因为磷元素主要依赖于土壤母质的分解，而土壤母质的自然分解周期较为漫长，影响因素较少，空间变异性较小，故土壤各土层的磷含量分布较为均匀。另外，针、阔叶林的林下凋落物量不同，阔叶林更丰富的凋落物量和更快的分解速率加速了凋落物中磷向土壤的输入，但由于凋落物分解产生的有效磷会迅速被植物吸收[6]，因此这个因素对土壤P库产生的影响相对较小。

综上所述，不同林分类型和不同土层均会对森林土壤的C、N、P含量和储量产生影响，土壤C、N变化趋势相似，主要表现为天然阔叶林显著高于其它两种人工林分类型；土壤P含量在3种不同林分类型间差异不明显，P储量在阔叶林中的积累高于针叶林，反映出天然林较人工林而言，具有更良好的土壤养分循环累积机制，阔叶林较针叶林而言，受P限制的影响较弱。