西南喀斯特地区不同林龄华山松人工林根际土壤化学计量特征与根际效应

何 斌，虞应乾，李望军，邹 顺，白晓龙，薛晓辉

（1. 贵州工程应用技术学院 a. 贵州省典型高原湿地生态保护与修复重点实验室，b. 生态工程学院，贵州 毕节 551700；2. 毕节市防治石漠化管理中心，贵州 毕节 551700）

根际是指受植物根系生命活动和代谢直接影响的土壤微域环境，是土壤中各种物质循环和能量流动最活跃的区域和各种复杂生物、生态过程发生的场所[1-2]。在根际环境中，植物根系分泌物（如糖类、有机酸、氨基酸、酚类化合物）的输入和根表皮脱落物的裂解，为根际微生物活动提供了丰富能源和养分，诱发了根际效应，导致土壤pH值、理化性质、酶活性以及微生物等发生了改变[3]，从而对根际土壤养分浓度、形态与分布等产生重要影响[4]。目前，国内外关于植物根际的研究主要集中在不同植被类型和植物的根际养分、离子毒害、根际微生物等方面[5-8]，而对脆弱生态系统植物根际土壤养分、微生物等方面的报道则较少[9-10]。已有研究表明，植物根际效应可能是植物适应脆弱环境和利用土壤养分的最直接表现之一[11-12]。西南喀斯特山区土壤浅薄、养分含量贫瘠，石漠化问题严重，是我国典型的生态脆弱区，但是对喀斯特山区植物根际土壤特征及其根际效应等问题尚未得到充分的认识。因此，研究喀斯特山区植物根际土壤养分分布特征、动态变化及其根际养分的富集作用，对于揭示喀斯特山区植物在适应环境变化及其植被恢复等方面具有重要的意义。

在人工林生态系统中，林龄是影响植物生产力和根系生长、代谢活动的重要因素[13]。随林龄增加，人工林林分结构、凋落物量和分解、根系生长和周转速率、土壤理化性质随之发生改变，影响养分分配格局，导致根际土壤养分含量存在差异[14-15]。根际土壤不仅对林木的生长有明显影响，而且与非根际土壤的养分含量也有很大差异[16]。研究表明，不同生长阶段林木根际土壤的变化规律可能不同，不同树种根际土壤养分分布特征与富集作用也不一致。梅杰等[17]发现，马尾松人工林土壤氮的根际效应随林龄变化不明显，有机质的根际效应则显著增加。叶功富等[18]研究发现，随林龄增加，木麻黄人工林根际土壤有机质和全氮先减少后增加。刘顺等[19]认为，陈山红心杉根际土壤有机碳、全氮含量及C、N、P 生态化学计量比随林龄增加先降低后升高，土壤全磷含量则逐渐下降。黄章翰等[20]发现随林龄增加，杉木根际土壤pH 值下降，土壤有机碳、全氮和速效氮先增加后减少，全磷和速效磷增加。程昊天等[21]对樟子松研究发现，随林龄增加，有机碳、全磷根际效应先升高后降低，全氮根际效应没有规律性。因此，研究不同生长阶段根际土壤的化学计量特征和根际效应，对于了解人工林生长过程中养分的循环和获取能力非常重要。

华山松Pinusarmandii是中国特有森林乔木树种，在中西部地区自然地理分布范围较广，它作为国家西南喀斯特地区“天然林保护工程”的主要树种，不仅在维护国家生态安全中发挥着重要作用，而且具有较高的经济价值。但长期以来，关于华山松在喀斯特脆弱生态环境中的适应性方面研究较薄弱，严重制约了华山松在石漠化治理和喀斯特退化生态系统恢复中的进一步应用。基于此，以贵州省西北部分布的不同林龄华山松人工林为研究对象，测定根际和非根际土壤养分含量，分析根际土壤C、N、P 生态化学计量特征的变化规律，探讨不同林龄华山松土壤营养元素的根际效应差异，揭示华山松根际效应与根际土壤化学计量特征间的耦合关系，了解华山松不同发育阶段的养分利用策略，为实现华山松的可持续经营和推动喀斯特山地的植被恢复提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省西北部、川滇黔三省交界处的毕节市（26°21′～27°46′N，103°36′～106°43′E），地处滇东高原向黔中山原丘陵过渡的倾斜地带，地质构造复杂，褶皱断裂交错发育，境内出露的岩石以沉积岩为主。平均海拔1 600 m，海拔相对高差大，垂直气候变化尤为明显。多年平均温度在10 ～15 ℃，年均降水量在849 ～1 399 mm，年日照时数在1 096～1 769 h，无霜期为245～290 d。植物资源丰富，有苔类植物近100 种，蕨类植物34 科130 种，裸子植物9 科22 种，被子植物155科1809 种。土壤主要为黄棕壤、石灰土和石质土。植被主要有以灰背栎Quercussenescens、青冈Cyclobalanopsisglauca、硬斗石栎Lithocarpus hancei等为主的中亚热带常绿阔叶林；以马尾松Pinusmassoniana、华山松Pinusarmandi、云南松Pinusyunnanensis、滇油杉Keteleeriaevelyniana等针叶树种为主的山地常绿针叶林和针叶阔叶混交林[22]。

1.2 样地设置和样品采集

2021 年5 月，根据华山松在研究区内的分布，选取立地条件基本一致的不同林龄华山松人工林（10、16、22 和47 a）设置样地，在每个林龄内随机设置3 块20 m×20 m 的重复样方，样方间距为100 m，共12 块，各林龄林分的基本情况见表1。

表1 不同林龄华山松人工林样地基本情况Table 1 Basic situation of different stand ages of P. armandii plantation

根据样地内树木生长的调查结果，2021 年8月，在每个样方内选择5 株生长状况一致的标准木采集根际土壤。采用众多学者所接受的Riley 抖落法[23]，在标准木树冠投影范围内先将凋落物清除干净，在标准木基部沿着不同方向挖取根系密集分布的0 ～20 cm 土层，选取直径较小的根系，抖落黏附在根系表面的土壤，将5 株标准木下收集的土样混合均匀装入自封袋内，作为根际土壤（rhizosphere soil，R）。同时，在每个样方内用土钻在0 ～20 cm 土层取样，按“S”形设置5 个采样点，将5 个土样混合为1 个土壤样品装入布袋，作为非根际土（non-rhizosphere soil，S）。将采集的土壤样品带回实验室，挑除石砾和植物根系等杂物后，置于阴凉处自然风干，用四分法取土、研磨、过100 目筛网备用。

1.3 测定方法

土壤pH 值采用水浸提电位法测定，总碳（TC）采用TOC 分析仪测定，有机碳（SOC）采用重铬酸钾氧化—外加热法测定，全氮（TN）采用凯氏定氮法测定，全磷（TP）采用NaOH 碱溶-钼锑抗比色法测定，全钾（TK）采用原子吸收火焰光度法测定，全钙（TCa）采用原子吸收分光光度计法测定，速效氮（AN）采用碱解扩散法测定，速效磷（AP）采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾（AK）采用醋酸铵浸提—火焰光度法测定。

1.4 数据处理

一般情况下，变异系数小于20%时属于弱变异，变异系数大于50%时属于强变异，介于20%到50%之间属于中等变异。

参考刘顺等[19]的方法，根际效应采用根际土壤各指标值(R)与非根际土壤各指标值(S)的比值表示，R/S＞1 为根际正效应，R/S＜1 为根际负效应，R/S=1 为无根际效应。

在SPSS 22.0 软件（IBM，USA）中，应用单因素方差分析和多重比较法（LSD）计算分析根际土壤各指标在不同林龄间的差异；应用Pearson 分析法研究根际土壤养分以及C、N、P 生态化学计量比之间的相关关系，在计算C、N、P 生态化学计量比时使用土壤有机碳。

2 结果与分析

2.1 华山松根际土壤养分含量及C、N、P 化学计量比总体特征

由表2 可知，华山松根际土壤养分含量和C、N、P 化学计量比存在不同程度的变异，不同林龄华山松根际土壤全钙含量的变异程度最大，达到了56.76%；pH 值的变异程度最小，仅为15.24%；总体表现为：TCa ＞TC ＞SOC ＞C∶P ＞AN ＞TP ＞TN ＞AP ＞AK ＞C∶N ＞TK ＞N∶P ＞pH 值。可见，华山松根际土壤中仅有全钙含量属于强变异，pH 值和N∶P 比属于弱变异，其他养分含量和C∶N、C∶P 比均属于中等变异。

表2 华山松人工林根际土壤养分含量及化学计量特征Table 2 Nutrient contents and stoichiometric characteristics of rhizosphere soil of P. armandii plantation

2.2 根际土壤养分含量及C、N、P 化学计量特征

由图1 可知，不同林龄华山松根际土壤养分含量和pH 值存在显著差异（P＜0.05），但是随林龄增加，根际土壤养分含量和pH 值的变化规律有所差异。TC、TN、SOC 随林龄增加先降低后上升。TC、SOC 和TN 含量变化分别为37.03 ～98.99 g·kg-1、34.15 ～87.05 g·kg-1和2.18 ～4.74 g·kg-1，且TC、SOC 和TN 含量在不同林分间均存在显著差异（P＜0.05）。

图1 不同林龄马尾松人工林根际土壤养分含量和pH 值Fig. 1 Nutrient content and pH value in rhizosphere soil of P. armandii plantations at different aged stages

随着林龄增加，根际土壤TP、TK、AN 和AK表现为逐渐升高的趋势。TP含量变化范围为0.57～1.24 g·kg-1，47 a 林分显著高于10、16 和22 a，22 a林分显著高于10 a（P＜0.05）。TK 含量变化范围为4.65 ～7.99 g·kg-1，10 a 林分显著低于16、22和47 a，其他林分之间没有显著差异（P＜0.05）。AN 含量变化范围为0.27 ～0.55 g·kg-1，47 a 显著高于其他林分，22 a 林分显著高于10 和16 a，10和16 a 林分没有显著差异（P＜0.05）。AK 含量变化范围为0.13 ～0.23 g·kg-1，不同林分间差异不显著（P＜0.05）。

随林龄增加，根际土壤TCa和pH 值表现为先升高后降低。TCa含量变化范围为0.44 ～2.34 g·kg-1，不同林分间差异显著（P＜0.05）。pH 值变化范围为4.21 ～5.97，16 a 林分显著高于其他林分，22 a 林分显著高于47 a（P＜0.05）。

由图2 可知，林龄对华山松人工林根际土壤C∶N、C∶P 和N∶P 比有显著影响（P＜0.05），随林龄增加，C∶N 和C∶P 比表现为先降低后升高，N∶P 比呈波动性变化。华山松根际土壤C∶N 比变化范围为14.82 ～23.84，10 a 林分显著高于16、22 和47 a，其他林分间没有显著差异（P＜0.05）。C∶P 比变化范围为49.72 ～112.32，不同林分间显著差异（P＜0.05）。N∶P比变化范围为3.18 ～4.82，10 a 林分显著高于其他林分，22 a 林分显著高于16 a（P＜0.05）。

2.3 根际效应

由图3 可知，林龄对华山松土壤养分含量和pH 值根际效应的影响存在差异。随林龄增加，华山松对TC 和SOC 的根际效应呈波浪形变化趋势，22 a 华山松对TC 和SOC 的根际效应小于1，表现为负效应，其他林龄对TC 和SOC 的根际效应均为正效应。TN、AN、TP 和TK 的根际效应随林龄增加先降低后升高，10 和16 a 华山松对TN 的根际效应为正效应；10 a 华山松对AN 的根际效应为正效应，其他林龄对AN的根际效应均为负效应；22 a 华山松对TP 和TK 的根际效应为负效应，其他林龄对TP 和TK 的根际效应均为正效应。随林龄增加，华山松对AP、AK 和TCa 的根际效应呈下降趋势，10 和16 a 华山松对AP 的根际效应为正效应；不同林龄华山松对AK 和TCa 的根际效应均大于1，均表现为正效应。pH 值的根际效应随林龄的增加变化较平缓，趋近于1，无明显根际效应。

图3 不同林龄华山松根际效应Fig. 3 Rhizosphere effects of P. armandii plantations with different ages

2.4 根际土壤养分含量及C、N、P 生态化学计量比的相关性分析

由表3 可知，根际土壤TC 与SOC、TN 和AN 呈极显著正相关（P＜0.01），与TP 呈显著正相关（P＜0.05），与TCa和pH 值呈极显著负相关（P＜0.01）；TN 与TP、SOC、AN 呈极显著正相关（P＜0.01），与AK 呈显著正相关（P＜0.05），与AP 和pH 值呈显著负相关（P＜0.05）；TP 与TK、AN 呈极显著正相关（P＜0.01），与SOC 和AK 呈显著正相关（P＜0.05），与AP 呈显著负相关（P＜0.05）；TK 与AN 呈显著正相关（P＜0.05），与N∶P 呈显著负相关（P＜0.05），与AP、C∶N 和C∶P 呈极显著负相关（P＜0.01）；TCa与pH 值呈极显著正相关（P＜0.01），与SOC、C∶P 和N∶P 呈极显著负相关（P＜0.01），与C∶N 呈显著负相关（P＜0.05）；SOC 与AN值呈极显著正相关（P＜0.01），与pH 值呈极显著负相关（P＜0.01）；AN 与AK 值呈显著正相关（P＜0.05），与AP 呈极显著负相关（P＜0.01）；AP 与C∶N 和C∶P 呈显著正相关（P＜0.05）；pH 值与N∶P 呈显著负相关（P＜0.05）；C∶N与C∶P 呈极显著正相关（P＜0.01）；C∶P 与N∶P呈极显著正相关（P＜0.01）。

表3 华山松人工林根际土壤养分和C∶N∶P化学计量特征相关性系数†Table 3 Correlation coefficient of rhizosphere soil nutrients and C∶N∶P stoichiometric characteristics of P. armandii plantations

3 讨 论

3.1 华山松根际土壤养分含量及C∶N∶P 化学计量比的总体特征

本研究中，华山松根际土壤SOC、TN 和TP含量与喀斯特高原不同次生林土壤SOC、TN、TP的均值（80.40、2.80、0.86 g·kg-1）[24]和黔中不同次生林土壤SOC、TN、TP 的均值（66.47、2.04、0.84 g·kg-1）[25]相当，但远高于黄土高原不同人工林土壤SOC、TN、TP 含量（6.67 ～16.20、0.70 ～1.53、0.55 ～0.61 g·kg-1）[26]，表明尽管喀斯特地区土层浅薄、淋溶作用强烈，但是由于西南喀斯特地区湿热的气候条件有利于凋落物养分的释放和土壤微生物的生长，具有较强的“自肥”作用[27]。华山松根际土壤pH 值为4.213 ～5.973，说明不同林龄下均表现出一定程度的酸化作用，可能是由于根系分泌有机酸和质子、吸收产生CO2所致，也可能是根际微生物活动造成[28]，与Kopittke 等[29]的研究结果一致。

土壤C∶N∶P 比是描述土壤内部碳、氮、磷元素循环的重要指标，能够反映土壤有机质组成和营养供应状况[30]。华山松根际土壤C∶N 和C∶P分别为14.82 ～23.84 和49.72 ～112.32，远高于全国土壤C∶N 和C∶P 平均值（11.90 和61）[31]；根际土壤N∶P 为3.18 ～4.82，低于全国土壤N∶P平均值5.20[31]。Bengtsson等[32]认为，土壤C∶N＜25时，有利于有机质的转化和N 的释放。本研究中，根际土壤C∶N 小于25，说明华山松在有机质矿化过程有利于N 的释放，能提供更多的有效氮用于维持自身的生长。贾宇等[33]认为，土壤C∶P比的临界值为200，小于该值时土壤中P 发生净矿化作用。本研究中，根际土壤C∶P 小于200，说明有利于土壤微生物对磷的矿化，可以为华山松人工林提供可吸收利用的磷酸盐。

3.2 林龄对华山松人工林根际土壤养分含量和C∶N∶P 化学计量特征的影响

本研究中，林龄对华山松根际土壤养分含量有显著影响，与许多研究结果[15,34]一致。随林龄增加，华山松根际土壤TC、TN、SOC 含量先降低后升高，与刘顺等[19]的研究结果一致，可能是由于华山松幼龄林阶段林分密度大，净生产力较低，土壤有机质的输入大于消耗利用，使幼龄林根际土壤碳和氮含量较高；中林龄阶段，华山松进入速生生长阶段，林木从土壤中吸收大量养分，超过凋落物养分的归还量，同时土壤矿化作用增强，使根际土壤碳和氮含量下降；近熟林后，华山松生长进入缓慢和停滞期，对养分吸收减少，同时根系的分泌代谢产物和凋落物的分解，使得根际土壤碳和氮含量逐步回升。华山松根际土壤TP、TK 随林龄增加逐渐升高，可能是华山松在生长过程中，根系不断向土壤分泌氨基酸和核苷酸等各种代谢产物，为土壤微生物提供营养，同时凋落物不断累积，提高了土壤中磷和钾元素的含量，但是随林龄增加，华山松的生长变缓、发育趋于稳定，对土壤磷、钾的需求降低，导致了根际土壤磷和钾含量进一步地增加。此外，随林龄增加，华山松根际土壤AN 和AK 表现为逐渐升高的趋势，AP 则表现为逐渐下降的趋势。除了与华山松生长过程中自身生物学特性有关外，土壤矿质养分的活化也可能是主要原因。植物通过根系有机酸的分泌活化了土壤中吸附态的养分[35]，有机酸的分泌主要表现为土壤pH 值的变化。pH 值对土壤各种矿质养分的化学和生物有效性，以及离子的吸收等均有重要影响[36]。本研究发现，根际土壤pH值与AN、AK呈负相关，与AP呈正相关，进一步证明了这一点。华山松根际土壤pH 值在不同林龄间差异显著，16 a 林分显著高于其他林分，此后pH 值下降，与李金辉等[37]的研究结果一致，可能是由于根系和根际微生物呼吸作用产生CO2、同时释放有机酸或分泌质子到土壤，以及阴阳离子吸收不平衡造成[38]。

本研究中，林龄对华山松人工林根际土壤C∶N、C∶P 和N∶P 比有显著影响。随林龄增加，C∶N 和C∶P 比先降低后升高，16 和22 a 均具有较低的C∶N 和C∶P，表明研究区内土壤有机质的矿化速率较快，能够提供较多的有效氮和磷，维持华山松的快速生长，10 a 的华山松根际土壤的C∶N 和C∶P 显著高于其他林分，说明土壤有机质矿化过程中氮、磷元素释放较差，华山松生长可能受到N 和P 素限制。与C∶P 比相比较，C∶N比变异程度较小，且16、22 和47 a 林分间差异不显著，说明碳和氮作为结构性成分，二者紧密相关，在积累和消耗过程中存在同步性关系。本研究中，碳和氮呈极显著正相关关系，也验证了这一点。

3.3 不同林龄华山松人工林土壤养分根际效应的变化

本研究中，随林龄增加，华山松林中不同土壤养分的根际效应变化规律不同。土壤TC 和SOC 的根际效应随林龄增加呈波浪形变化，大部分时间为正效应，但是22 a 林分为根际负效应，可能是由于该阶段华山松处于速生阶段，大量的根系脱落物和分泌物在根部积累，导致土壤微生物对有机质的分解加强，土壤呼吸速率变大，以CO2形式释放到大气中的碳增加，碳的消耗大于归还，使根际土壤碳含量小于非根际土壤。土壤TN、AN、TP 和TK 的根际效应表现为先降低后升高，均在22 a 时达到最低值，可能与土壤养分供应、养分归还和植物吸收利用之间的平衡有关[39]，22 a 华山松生长旺盛，N、P、K 元素向根际迁移速度较快，植物对其利用效率较高，枯枝落叶层对养分的返还较低，导致华山松对养分的吸收速率大于养分的积累，使其根际效应最低。土壤AP、和TCa的根际效应逐渐下降，可能与pH 值有关。杜明新等[36]研究表明pH 值对土壤各种矿质养分的有效性、根系生长以及离子的吸收有重要的影响。此外，华山松对根际土壤有效养分（AN、AP、AK）的富集效应大于全量养分（TN、TP、TK），说明在土壤养分的吸收和循环过程中，华山松对根际土壤有效态养分的影响更大。

3.4 华山松根际土壤养分含量及C∶N∶P 化学计量比之间的联系

研究表明，森林土壤养分之间存在着关联性[40]。由于受到根系分泌物的影响，根际环境中养分形态之间的关系更加复杂和强烈。本研究中，根际土壤SOC 与TN 和AN 呈极显著正相关，与TP 呈显著正相关，而与TCa呈极显著负相关，说明随有机质的矿化，氮、磷、钙等养分被不断地释放出来，反映了C、N、P 和Ca4 种元素之间存在着平衡与耦合机制用以维持营养的均衡。根际土壤pH 值与SOC 和TN 呈显著负相关，与TCa呈显著正相关，是因为土壤酸碱性对土壤微生物的活性、有机质的分解和矿质养分的释放、固定和迁移等有重要作用[41]。根际土壤TK 和TCa含量与C∶N、C∶P、N∶P 之间存在着显著负相关性，说明钾和钙元素在西南喀斯特地区土壤养分平衡中扮演重要角色，未来应该加强西南喀斯特地区森林生态系统中钾和钙生态化学计量关系的研究。

4 结 论

综上所述，华山松人工林根际土壤理化性质随林龄增加发生了显著变化，根系对养分的富集与平衡性维持作用明显。随林龄增加，根际土壤TC、TN、SOC 含量先降低后升高，TP、TK、AN和AK 逐渐升高，AP 逐渐下降，TCa 和pH 值先升高后降低。林龄对华山松人工林根际土壤C∶N、C∶P 和N∶P 比有显著影响，幼林龄阶段根际土壤的C∶N 和C∶P 显著高于其他阶段，华山松生长可能受到N 和P 限制。不同林龄华山松土壤养分的根际效应不同，近熟林（22 a）阶段TC、SOC、TN、AN、TP 和TK 的根际效应显著低于其他阶段，根际土壤有效养分（AN、AP、AK）的富集效应大于全量养分（TN、TP、TK），在土壤养分的吸收和循环过程中，华山松对根际土壤有效态养分的影响更大。相关分析表明，华山松根际土壤TK 和TCa 含量与C∶N、C∶P、N∶P 之间存在着显著负相关性，表明钾和钙元素在西南喀斯特地区土壤养分平衡中扮演重要角色，未来应该加强西南喀斯特地区森林生态系统中钾和钙生态化学计量关系的研究。