2种人工林对土壤碳氮磷化学计量特征及阳离子交换量的影响

2023-07-26于耀泓顾晓娟王艺颖吴梦佳刘林云慧莫其锋

中南林业科技大学学报 2023年6期

于耀泓，刘悦，顾晓娟，王艺颖，吴梦佳，刘林云慧，周庆，何茜，莫其锋

（1.华南农业大学 a.林学与风景园林学院；b.广东省森林植物种质创新与利用重点实验室，广东广州 510642；2.CFERN 广东鹅凰嶂野外科学观测研究站，广东阳江 529631）

土壤作为植物生长发育的基础，其养分和肥力状况对林木生长和发育尤为重要[1]。土壤生态化学计量学可以表征土壤养分状况，通过研究调节植物生长的重要元素—碳（C）、氮（N）和磷（P）可以了解植物对土壤养分的利用和限制情况[2-4]。其中，C∶N 是反映土壤质量的重要指标，指征土壤中的C、N 循环，而N∶P 可以反映植被生长过程中土壤N 的供给情况[5]。土壤阳离子交换量（Cation exchange capacity，CEC）直接反映了土壤的保肥、供肥性能和缓冲能力[6-9]。因此，土壤阳离子交换量不仅能够评价土壤的保肥和缓冲能力，而且可以优化土壤环境管理和加强土壤生态保护[10-11]。土壤交换性盐基总量（Total exchangeable base，TEB）是土壤吸收性能的计量指标之一，也是土壤形成和属性的重要指标之一，直接关系到土壤供肥、保肥和缓冲能力，也影响着土壤的结构性[12]；盐基饱和度（Base saturation，BS）反映土壤有效（速效）养分含量的大小，是改良土壤的重要依据[13]。

针叶与阔叶树种的生活型明显不同，因而马尾松Pinusmassoniana和木荷Schimasuperba的凋落物在数量和质量上存在明显的差异，2 种林分的凋落物分解后养分释放的状况将对土壤养分造成显著影响[14]。研究表明，相较于马尾松林，木荷林枯落物现存量、最大持水率和有效拦蓄量更高[15]，因此木荷林通常比马尾松林具有更高的土壤全碳和全氮含量[16]。研究发现，一些地区的马尾松造林地由于经营不善或造林后失管而形成疏林地的状况，通过补植木荷可以改善土壤结构并提高土壤肥力，但不同地域的改良效果不同[17-18]。

目前，关于马尾松与木荷人工林对林分土壤的影响的研究集中在土壤碳汇[19]、氮储量[20]、氮磷动态与养分循环[21-23]和凋落物养分归还及养分利用效率[24-25]等方面。然而，2 种人工林对土壤碳氮磷生态化学计量学特征和土壤保肥能力的关系有何影响？相关结果仍缺乏深入研究。本研究对广东省鹤山市2 种乡土树种（马尾松和木荷）人工林土壤碳氮磷生态化学计量特征和阳离子交换量等进行深入研究，阐明2 种人工林林分对土壤养分和肥力状况的影响，以期为华南地区典型人工林生态系统土壤养分管理提供理论指导和实践参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域与样地概况

研究样地位于广东鹤山森林生态系统国家野外科学观测研究站（鹤山站）内，属南亚热带粤中丘陵地区，地理坐标（112°54＇E，22°41＇N），属于丘陵地形，平均海拔约80 m。该地区年均气温23 ℃，太阳辐射为104.08 kcal/cm2，5—9 月为雨季（降水量约占全年的75.8%），年降水量约1 400～1 700 mm，年蒸发量约1 600 mm，年平均≥10℃的有效积温为7 597.2 ℃。顶极群落是亚热带季风常绿阔叶林，由于过往人类活动剧烈破坏引发的植被退化和水土流失等问题亟待解决。研究区主要土壤类型为赤红壤，试验站所代表的区域范围包括粤中、闽南和桂东南。

1.2 样品采集与处理

选择试验区2 个典型人工林林分，分别为阔叶树种荷木人工林与针叶树种马尾松人工林，造林时间为1984 年，2018 年7 月使用土钻（内径6 cm）采集2 种林分表层土壤（0～10 cm），在每种林分内分别设置3 个20 m×20 m 的小样方，在每个样方内沿“Z”字形，采集9 钻土样并制成混合样，放入封口薄膜袋保存，带回实验室，剔除砾石、草根等杂物，放置于阴凉干燥处风干后过筛，备用。

1.3 测定方法

土壤pH 值采用电位法测定（水∶土=2.5∶1）；有机碳采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定；土壤阳离子交换量CEC 采用三氯化六氨合钴浸提-分光光度法测定[26]；交换性K+、Na+采用乙酸铵交换-火焰光度法测定；交换性Ca2+、Mg2+采用乙酸铵交换-EDTA 络合滴定法[27]；全氮采用凯氏定氮法测定；全磷采用HClO4-HFHCl 消煮，钼锑抗比色法测定；速效磷采用Bray1法测定；全钾用火焰光度法测定；土壤含水量采用烘干法测定。

1.4 数据分析

采用Excel 2013 和SPSS 23.0 软件进行数据处理，采用单因素方差分析（One-way ANOVA，LSD 法进行多重比较）比较2 种林分间的差异显著性；SOC、TN、TP、TK 的含量及其化学计量比的空间变异性用变异系数（COV）表示，COV＜10%属于弱变异，10%＜COV＜100%属于中等变异，COV＞100%属于强变异；土壤理化性质指标的相关性分析采用Pearson 相关系数，P＜0.05 时显著相关，P＜0.01 时极显著相关；采用Origin 2022 软件制图。

2 结果与分析

2.1 2 种林分土壤化学计量特征

本研究中，木荷林表层土壤SOC 含量显著高于马尾松林，而马尾松林土壤TK 则显著高于木荷林，土壤TN 和TP 在不同林分类型下的含量差异不显著（图1）。木荷林土壤SOC、TN、TP和TK 含量的变异系数（COV）分别为12.21%、38.32%、53.43%和24.09%，均属于中等变异；马尾松林土壤TN含量的COV为6.71%，属于弱变异，SOC、TP 和TK 含量的COV 分别为15.40%、31.07%和11.82%，均属于中等变异（表1）。

图1 2 种林分类型对土壤阳离子交换量、交换性盐基总量及盐基饱和度的影响Fig.1 Effects of two stands on soil cation exchange capacity (CEC),total exchangeable base (TEB)and base saturation (BS)

表1 2 种林分对土壤碳氮磷含量及其化学计量比特征的影响†Table 1 Effects of two stand types on soil carbon,nitrogen and phosphorus contents and their stoichiometry

木荷林土壤C∶N、C∶P、N∶P 和C∶N∶P值分别为16.31、64.44、3.89 和24.82，马尾松林土壤C∶N、C∶P、N∶P 和C∶N∶P 值分别为14.97、24.83、1.72 和11.72；木荷林和马尾松林化学计量比变异系数均在10%～100%，均属于中等变异。C∶N 在2 种人工林土壤之间没有显著差异，但木荷林表层土壤的C∶P、N∶P 和C∶N∶P均显著高于马尾松林（表1）。

2.2 2 种林分对表层土壤阳离子交换量、交换性盐基总量及盐基饱和度的影响

木荷和马尾松林表层土壤CEC 含量分别为6.18 和4.32 cmol·kg-1，木荷林土壤CEC 含量比马尾松林显著高43.06%；木荷人工林和马尾松林土壤TEB 含量分别为0.76 和0.60 cmol·kg-1，木荷林土壤TEB 比马尾松林显著高26.67%；木荷和马尾松林土壤BS 分别为12.58%和14.45%，但2 种林分间没有统计学上的显著差异（图1）。

2.3 2 种林分对土壤交换性阳离子的影响

木荷林土壤交换性Ca2+和Mg2+含量显著大于马尾松人工林，分别显著高出34.78%和38.46%（表2）；而土壤交换性K+和Na+含量则为木荷林＞马尾松林，但无显著差异（P＞0.05）；交换性Ca2+∶Mg2+含量马尾松林＞木荷林，但无显著差异。

表2 2 种林分类型对土壤交换性阳离子含量及Ca2+∶Mg2+的影响†Table 2 Effects of two stand types on soil exchangeable based cations and the ratio of Ca2+∶Mg2+

2.4 2 种林分土壤阳离子交换量、化学计量及其他理化因子之间的关系

相关性分析结果表明，2 种林分土壤CEC 均与SOC 呈显著正相关，与TN 呈极显著正相关，盐基饱和度BS 与土壤pH 值呈显著正相关；木荷林土壤Ca2+、Mg2+含量与TEB 呈极显著正相关；马尾松林土壤CEC 与土壤C∶N 和土壤含水量呈显著正相关，土壤TEB 与土壤含水量、SOC 呈极显著正相关（图2～3）。

图2 木荷人工林的土壤阳离子交换量、化学计量及其他理化因子的相关性热图Fig.2 Correlation heat map of soil cation exchange capacity,stoichiometry and other physical and chemical factors in S. superba plantation

图3 马尾松人工林的土壤阳离子交换量、化学计量及其他理化因子的相关性热图Fig.3 Correlation heat map of soil cation exchange capacity,stoichiometry and other physical and chemical factors in P. massoniana plantation

采用主成分分析法进一步分析土壤基本理化性质对营养状况的影响，从图5 可以看出前两个主成分的累计贡献率达到了56.34%，可以综合反映影响土壤营养状况的主导因子。第一主成分对总方差的贡献率为35.92%，即第1 主成分可以解释土壤各理化因子对土壤营养状况的影响的35.92%的情况，其中以SOC、C∶N、TN 和N∶P 为主；第2 主成分对总方差的贡献率为20.41%，第2 主成分是土壤养分和交换性离子组成的综合指标，其中速效磷和交换性镁离子起着重要的作用，速效磷对土壤养分和保肥能力起抑制作用，交换性镁离子对土壤营养状况起促进作用。在第1 主成分中，土壤SOC、C∶P、TN、N∶P 与土壤营养状况呈正相关关系，其荷载值顺序为SOC＞C∶P＞TN＞C∶P。无论在PC1 还是在PC2 上，木荷林和马尾松林都存在重叠情况，因此2 种林分土壤营养状况并不能以PC1 和PC2 区分开（图4）。

图4 2 种林分类型土壤阳离子交换量及其他理化因子主成分分析得分双标Fig.4 Biplot of principal component analysis scores of soil cation exchange capacity and other physical and chemical factors in different stand types

3 讨论

3.1 林分类型对土壤化学计量特征的影响

土壤SOC 来源于微生物参与下的矿质化与腐殖化的综合作用[28]，N 含量是土壤有机质分解、植物固氮及大气氮沉降等共同作用的结果[29]。本研究中，2 种林分表层土壤的SOC 和TN 平均含量均高于我国土壤SOC（29.51 g·kg-1）和TN（2.30 g·kg-1），可能是因为近年来全球广泛使用农业化肥和燃烧化石燃料导致大气N 沉降增加，高氮水平下有利于凋落物中的C、N 元素释放到土壤中，从而提高了土壤中的C、N 元素含量，这种状态在不同林分类型下均存在[30]。另外，本研究区表层土壤TP 含量高于全国土壤TP 含量（0.52～0.78 g·kg-1），但显著低于世界土壤TP 含量（2.8 g·kg-1），土壤P 元素不同于C、N，研究区土壤TP 含量高于全国土壤TP 含量主要与人工林进行施肥措施有关；而低于世界土壤TP 含量主要与成土母质风化阶段有关。根据全国第二次土壤养分普查标准[31]，本研究区土壤TK 的平均含量水平处于第三等级，属于相对富K 的土壤。土壤SOC 在2 种林分类型下表现为木荷林＞马尾松林，这主要是因为阔叶树种木荷积累分解的凋落物的量相对较高[32]，而木荷林土壤TK 含量显著低于马尾松林。前人研究发现，土壤有机质与矿物态K 之间存在“稀释效应”，土壤SOC 的增加会使土壤全K 相对减少，但这种稀释效应不会导致K 元素的实质性损失[33]。

土壤C∶N 是反映土壤C、N 循环的重要指标。本研究中，木荷林和马尾松林C∶N 均显著高于我国土壤C∶N 的平均值（11.38）[34]，但小于理论上较适宜的C∶N（25∶1），表明研究区SOC 的矿化速率较高。由相关性分析结果可以看出，土壤含水量是土壤C、N 循环的主要影响因子，可通过调节研究区土壤含水量来减弱土壤有机质的矿化；土壤C∶P 是反映土壤P 元素矿化能力的重要指标，一般来说C∶P＜200 意味着土壤有机质的净矿化[35]，这与C∶N 的结果一致，均说明了本研究区降雨较多导致土壤含水量增加，有机质矿化加快，淋溶作用较强[36]，导致土壤肥力下降；研究区N∶P、C∶N∶P 低于全球及其他地区，主要是因为研究区土壤有机质的矿化速率较高，降水量导致的淋溶作用较强[37]，导致土壤养分流失较为严重，土壤肥力显著下降。研究发现，林下植被管理/清理能有效地对土壤含水量的进行调控，可相应地减弱淋溶作用。

3.2 林分类型对土壤阳离子交换量及交换性离子含量的影响

本研究中，木荷和马尾松林表层土壤CEC 含量均小于10 cmol·kg-1，表明研究区土壤保肥和供肥能力较弱[38]。木荷林土壤CEC 和TEB 显著高于马尾松林，主要是因为阔叶树种人工林积累分解的凋落物量相对较高[39-40]，相应的养分归还较多，因而其土壤供肥、保肥和缓冲能力强于马尾松林。土壤BS 是土壤肥力的重要指标，研究表明BS 越大则土壤养分越好，更利于林木生长[41]。本研究中，2 种林分土壤BS 为9.68%～18.00%，土壤肥力处于较低水平，可能是因为华南地区降水较多，淋溶作用较强，加剧了土壤表层的养分流失。而木荷与马尾松林的土壤BS 无显著差异，表明木荷林与马尾松林的土壤肥力基本相同。

研究发现，交换性盐基离子含量受到成土母质、生物物质循环过程和淋溶作用等影响，与土壤母质、风化程度和植被类型密切相关[41]。本研究中，木荷林和马尾松林土壤盐基离子含量均为Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+，符合一般规律，这是因为Ca2+和Mg2+在土壤形成过程中受优先固持作用的影响[42]。土壤交换性Ca2+、Mg2+和Ca2+∶Mg2+是影响植物产量和品质的重要因素[14,25,43]，土壤交换性Ca2+和Mg2+主要吸附于土壤胶体表面，在酸性土壤环境中可被土壤中大量H+交换而进入溶液中，被植物利用或者流失。本研究中，木荷林的交换性Ca2+、Mg2+离子含量显著高于马尾松林，且Ca2+∶Mg2+＞5，表明研究区表层土壤未出现生理性缺钙的现象[44]。

3.3 其他理化因子对阳离子交换量的影响

影响土壤营养状况的因子很多且复杂。本研究中，通过主成分分析可以看出马尾松与木荷林土壤营养状况并不能以PC1 和PC2 区分开，但2种林分下的土壤CEC 和TEB 存在显著差异。这可能是因为马尾松林和木荷林同属于一个研究区域，二者的成土母质和气候条件比较一致，因此土壤碳氮磷含量比较相似，但是2 种林分类型的差异导致凋落物的质量产生差异，进而形成的腐殖质在功能结构上产生显著差异，因此二者的CEC 和TEB 存在显著差异，说明土壤保肥能力和酸碱缓冲能力存在差异。研究表明，土壤CEC 受土壤母质、植被种类和气候类型等因素综合影响[45-49]。本研究发现，土壤CEC 与土壤SOC 含量呈显著正相关，这与谭智勇等[50]的研究结果相似，这是因为土壤有机碳含量越高，有机质含量就越高，有机质中的腐殖质有较大的比表面积，可水解大量的负电荷官能团[51]，是土壤CEC 和TEB 的主要影响因子；土壤CEC 与土壤全氮含量呈极显著正相关，这与陈忠柳[52]的研究结果相似。本研究区内土壤pH 值越高，盐基饱和度BS 越高。黄尚书等[53]对江西第四纪红黏土母质发育的红壤进行研究，发现土壤黏粒和pH 值对土壤CEC 贡献较大，对比红壤旱地和红壤坡地后发现土壤pH 值对盐基饱和度（BS）的变化具有主导作用，这是因为研究区所在的地区为南方红壤，呈酸性，土壤pH 值越大，土壤养分的有效性越大[54-55]。

本研究中，马尾松林土壤CEC、TEB 与土壤含水量呈显著正相关，土壤含水量越高，C∶N 越高[56]，CEC 与TEB 也越高，这种趋势在马尾松林尤为明显。这是因为土壤中水分状况会影响土壤的碳氮循环和土壤肥力[57]，在一定范围内土壤含水量越高，植物根际微生物和土壤动物活动更活跃，土壤养分的吸收和迁移会加强[58]，从而提高土壤的碳氮循环和土壤肥力。然而，本研究针对2种不同人工林分表层土壤化学计量和阳离子交换量的研究仅关注表层土壤的养分状况，且跟踪土壤肥力变化的时间较短，下一步应加强对不同层次土壤养分变化的研究，并延长采样的年限，更好地反映出不同人工林林分对土壤化学计量和保肥供肥能力的影响。