不同坡位轻木人工林土壤养分含量及其化学计量特征

关键词：坡位；轻木；生长；土壤养分：化学计量比

土壤养分含量是地球化学循环、森林群落的结构和功能、生态系统稳定性和生产力的重要组分，也是评估土壤养分储存的重要指标，是关联植物和土壤的重要因子。土壤养分不仅影响植物体内有机物的重要组成，还能调节植物体的生命活动，是森林植被生长发育的必要物质基础，其含量高低可以调控碳（C）和养分在土壤一植物一大气连续体之间的循环，对生态系统的结构和功能有重要影响。在目前的造林过程中，地表和地下生态系统同时发生变化，导致土壤条件改变。植物固定大气中的C和氮（N），并通过凋落物和根系分泌物将其输入土壤子系统。相反，植物生长不可避免地受到有机基质转化和矿物元素释放的影响，并受到土壤中各类矿物养分短缺的限制，这进一步影响植物群落的演替。因此，了解土壤养分的动态变化及其相关的生态过程对人类预测植被恢复状态和土壤条件至关重要。C是构成植物体干物质的主要元素，N、磷（P）是植物生长所必需的营养元素，它们的含量变化对调控植物生长起关键作用。同时，土壤N、P元素限制植物的生长发育，提高二者的吸收和利用效率是植物适应不同土壤状况的重要养分调控机制。C：N：P化学计量法反映土壤中3种元素之间的关系，已被广泛用于监测土壤矿物元素的动态变化。土壤C/N、C/P和N/P值可以作为造林期间土壤养分状况和元素平衡状况的综合评价指标。Ren等通过检查土壤中C：N：P化学计量和微生物生物量的变化，揭示造林过程中C、N和P的不平衡性增加导致P限制。因此，在造林过程中更好地了解C：N：P化学计量特征对于评估土壤养分状况和人工林的可持续发展至关重要。

众所周知，土壤微生物N、P含量与土壤理化性质高度相关，也参与有机物质的代谢，从而影响土壤养分的积累、矿化和有效性。植树造林有可能改变地下微生物群落，进而改变土壤的理化性质。已有研究表明，土壤微生物可以调整其元素利用效率，以适应不同的资源成分，进而引起不同生境中的土壤养分含量发生变化。而林下养分含量的变化大多是因为凋落物和根的分解，以及土壤化合物的合成，导致土壤C、N、P化学计量发生变化。不同的立地条件直接影响光照、温度、水分及土壤质地等因子，导致土壤养分和微生物的差异。此外，人工林生长发育状况对土壤养分含量也有直接的作用，即植物的郁闭度影响土壤温度和落叶养分回归。刘鑫等研究表明坡位对小叶杨（Populus SLmo-nii）和沙柳（Salix psammophila）人工林的生长均有显著影响；王子婷等研究指出，坡位是影响半干旱黄土区柠条（Caragana korshinskii）人工林生长的主导环境因子之一，下坡位柠条生长状况略好于中上坡位。且阔叶树人工林与针叶造林树种相比，对立地生境的要求更为敏感。轻木（Ochroma pyramidale）又称巴沙木，是木棉科常绿阔叶乔木，原产于南美洲的赤道热带地区，原产地气候炎热，年平均温度22～27℃，最冷月平均气温在20℃以上。轻木作为航天、航空、航海和一些高级场所的必备材料，其应用前景将越来越广阔，目前在云南省西双版纳有大规模种植的轻木人工林。然而目前关于轻木的研究较少，从轻木人工林生长与土壤养分含量及其化学计量特征角度来看，其相关关系尚不清晰。为此，本研究通过野外调查采样与室内分析相结合的方法，以2年生轻木人工林为研究对象，比较上坡位和下坡位不同土层的土壤养分含量和化学计量及轻木生长情况，以期为不同立地条件下轻木人工林的生产提供理论参考。

1材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于云南省西双版纳勐醒农场轻木人工林场（101°10'～101°30' E，21°54'～21°55' N），海拔约550m。该地属于西南热带季风气候，年降水量1520mm。干、湿季分明，且降水主要集中在5-10月，占全年降水量的85%，年平均气温21.9℃，1月份均温最低，为16.6℃，6月份均温最高，为25.5℃。土壤类型为红壤。

1.2样地设置与样品采集

实验林场中所选研究对象为2年生轻木，株距3m，行距5m。2022年8月，林分下坡位和上坡位分别随机选取坡向一致（东西坡向）、坡度相近（20°～30°）、人为干扰较小、具有代表性的3块30mx30m标准地共计6块，样地内进行每木检尺，记录乔木层所有林木的树高（H）和胸径（DHB）。每块样地随机选择3棵标准木，并按标准木对角线挖3个20cmx30cmx60cm土壤剖面，采用环刀法，采集0～20、20～40cm和40～60cm土层土样，根据轻木根系生长特性，并参考竹万宽等的方法取样。用环刀取土，去除杂物和植物根系，同层土壤混匀、装袋、标记、密封后置于含冰袋的保温箱中，带回实验室进行养分含量测定。

1.3测定项目及方法

将土壤样品一部分风干、研磨、过2mm筛，用于测定土壤有机质（SOC）、全氮（TN）和全磷（TP）含量；另一部分置于4℃冰箱中冷藏保存，用于测定土壤碱解氮（AN）、有效磷（AP）含量。土壤SOC采用高温外热重铬酸钾氧化一容量法测定．TN采用凯氏定氮法测定，TP采用氢氧化钠熔融、钼锑抗比色法测定；AN采用三氯甲烷熏蒸一蒸馏一盐酸（HCl）滴定法测定，AP采用三氯甲烷熏蒸-TP法测定。

1.4数据处理与分析

用Microsoft Excel 2016整理数据：用SPSS26.0软件对数据进行单因素方差分析（One -wayANOVA）及独立样本t检验分析差异显著性，采用GraphPad 8.0绘图。

2结果与分析

2.1不同坡位对轻木生长的影响

如图1所示，不同坡位对轻木树高和胸径存在显著影响，下坡位树高和胸径显著高于上坡位，分别增加23.39%（Plt;0.01）和49.43%（Plt;0.001）。

2.2不同坡位SOC、TN、TP和AN、AP含量特征

由图2可以看出，0～20cm土层土壤SOC、TN、TP和AN含量坡位间无显著差异；AP含量表现为下坡位gt;上坡位（Plt;0.05）。20～40cm土层土壤SOC、TN和TP含量坡位间无显著差异，AN和AP含量均表现为下坡位gt;上坡位（Plt;0.05）。40～60cm土层土壤SOC、TN、TP和AN含量坡位间无显著差异，AP含量表现为下坡位gt;上坡位（Plt;0.05）。在上坡位和下坡位中，土壤SOC、TN、AN和AP含量随土层加深总体呈降低趋势，且40～60cm土层均显著低于其他土层：土壤上坡位TP含量随土层加深无显著变化，下坡位随土层加深而降低，其中40～60cm显著低于0～20cm土层。

2.3不同坡位土壤SOC、TN、TP和AN、AP化学计量比特征

由图3可知，0～20cm土层SOC/TN、SOC/TP和TN/TP值坡位间无显著差异：AN/AP值表现为上坡位gt;下坡位（Plt;0.05）。20～40cm土层SOC/TN和TN/TP值坡位间无显著差异：SOC/TP值表现为下坡位gt;上坡位，AN/AP值表现为上坡位gt;下坡位，且均存在显著差异。40～60cm土层SOC/TN和TN/TP值坡位间无显著差异：SOC/TP值表现为下坡位gt;上坡位，AN/AP值表现为上坡位gt;下坡位，且均存在显著差异。在上坡位和下坡位中，不同土层间SOC/TN、SOC/TP、TN/TP和AN/AP值均无显著差异。

2.4坡位对轻木生长与土壤养分及其化学计量比的影响

2.4.1不同坡位土壤养分及其化学计量比与轻木生长状况的相关性分析

由图4看出，在上坡位中，土壤TN含量与SOC含量呈极显著正相关；SOC/TN、SOC/TP值与SOC含量呈显著负相关：TN/TP值与TP含量呈显著负相关，与SOC/TP值呈极显著负相关；AN含量与TN、SOC含量呈极显著正相关：AP含量与AN含量呈显著正相关：AN/AP值与AP含量呈显著负相关，树高与胸径呈显著正相关。

在下坡位中，土壤TP含量与SOC含量呈显著正相关；SOC/TN值与SOC、TP含量呈显著负相关（Plt;0.01，Plt;0.05）；SOC/TP值与SOC含量呈极显著负相关，与SOC/TN值呈显著正相关：AN含量与SOC、TN和TP含量均呈显著正相关（Plt;0.01，Plt;0.05，Plt;0.05），与SOC/TN值和SOC/TP值均呈显著负相关（Plt;0.01，Plt;0.05）；AP含量与SOC、TP和AN含量呈显著正相关（Plt;0.01，Plt;0.05，Plt;0.01），与SOC/TN和SOC/TP值均呈显著负相关；AN/AP值与AP含量呈显著负相关；H与SOC/TN值呈显著正相关，与AP含量呈显著负相关。

2.4.2不同坡位土壤养分及其化学计量比与轻木生长之间的主成分分析（PCA）

为进一步了解不同坡位土壤养分含量及其化学计量比与轻木生长之间的相关关系，对土壤养分含量及其化学计量比与生长指标进行PCA。从图5可以看出，前两个主成分累计方差贡献率为78.8%，表明提取的前两个主成分是主要贡献者，能有效解释不同坡位下轻木生长特性，以及土壤的养分变化特征：SOC/TP、AN/AP和SOC/TN值在上坡位中占比较大，AP、AN、SOC含量和DHB在下坡位中占比较大，能有效反映两个坡位中土壤养分和轻木生长的差异及其关系。

3讨论

3.1坡位对土壤养分含量特征的影响

土壤有机质及速效养分在整个生态系统能量流动和物质循环过程中起到十分重要的作用。TN主要来源于植物根系的固氮作用，而N是影响淋溶层土壤P的主要因子，土壤TP含量代表着土壤P的总储量。AP和AN是植物体内重要的养分来源。研究不同形态的土壤养分含量对植物和微生物的有效性，预测森林的健康（生长）状况，了解森林转化后的土壤因素对改善土壤养分状况和保护森林资源极为重要。坡位作为重要的地形因子，主要通过水土流失和土壤侵蚀影响土壤养分的空间分布。本研究中，AP含量在0～20cm和40～60cm土层中表现为下坡位高于上坡位．AN含量在20～40cm土层中也表现出下坡位高于上坡位，其他土壤养分含量均未随坡位变化而变化。这可能是由于土壤受到风力侵蚀或在雨水冲刷作用下，下坡位的土壤淋溶过程较弱，上坡位地表侵蚀则相对较强。对比上坡位和下坡位土壤养分情况，发现SOC、TN、AN和AP含量随土层深度加深而降低，且在40～60cm土层中表现出显著差异，TP含量在上坡位中随土层加深无显著变化，在下坡位中随土层加深而降低，这与曹娟等对杉木人工林土壤养分变化分析的研究结果相似，土壤SOC、TP和TP含量在不同土层剖面上的分布模式主要是由其来源不同所决定的。SOC、AN和AP含量主要受地上枯草和凋落物的养分归还和分解的影响，使这些元素在不同土壤层积累不同，且同时还受植物自身吸收利用的影响：而TP主要受土壤母质风化的影响。

可见不同坡位对土壤养分含量产生影响，根据坡面侵蚀理论，雨水侵蚀主要发生的上坡位，大量地表养分被侵蚀并通过坡面径流汇集到下坡位，因此轻木人工林的下坡位由于接受了来自于坡顶和坡中的侵蚀土壤，土壤养分含量有所上升。且位于土壤剖面底部的风化成为了可用土壤养分（N和P）的主要来源，而土壤养分进一步被植物转移，并以AN和AP的形式积累在表层土壤中，从而在土壤剖面中形成复杂的垂直分布模式，且随土层加深而降低。依据《中国土壤》和全国第二次土壤普查有关标准，本研究区轻木人工林土壤中TP含量（lt;0.4g/kg）属低水平，这表明该区域土壤P供应不足。

3.2坡位对土壤养分含量化学计量特征的影响

生态化学计量是指生态系统能量和多种化学元素（主要是C、N和P）按元素比例的平衡，已广泛用于研究土壤养分循环。因为C是植物中最常见的元素，N和P是植物生长的必需营养元素和关键控制因素，三者之间关系是耦合的。土壤C：N：P生态化学计量不仅反映土壤C、N和P的循环和平衡特征，还反映土壤发育过程中的营养状况，使其成为土壤质量的重要指标。由于造林过程中土壤中C、N和P含量不呈比例增加，土壤和微生物生物量中的C、N、P化学计量也会发生显著变化。本研究中，在0～20cm土层中，AN/AP值表现为上坡位gt;下坡位（Plt;0.05）；20～40cm和40～60cm土层中，SOC/TP值表现为下坡位gt;上坡位，AN/AP值表现为上坡位gt;下坡位（Plt;0.05）。这与高雪松等研究不同坡位的土样养分特征结果相似，也与张莉等的研究结果一致。此外，在人工林种植中，已有研究显示土壤中C和N含量大大增加，但P含量的增加却较少。由于本研究区域受P限制，而P和N是AP和AN的主要来源，AN/AP值的高低反映了土壤中P、N含量的有效性。一方面，上坡位受剥蚀影响后土层较浅薄，能供给的有机质较少，而下垫面对岩石碎屑的层层截留使得丘陵坡位越靠下．土层越厚，有机质含量越高；另一方面，随山地海拔逐渐升高，气温和土壤温度持续降低，抑制了轻木林下土壤动物微生物活动，降低了群落养分循环速率。因此，N/P值和C/P值可以提供比C/N值更有用的信息来反映土壤和微生物之间的关系，本研究区域表现出上坡位土壤缺P程度显著高于下坡位。

3.3不同坡位轻木生长和土壤养分含量及化学计量比的关系

坡位常通过调节土壤与环境间的能量交换以及水肥分配，改变土壤的养分状况，进而影响植物长势。前人研究表明，在坡型一致的坡地上，土壤SOC、TN、TP以及AP、AN含量会随着坡位升高而降低，呈现明显的坡底汇集效应。本研究中轻木人工林的树高和胸径在不同坡位有显著差异，下坡位生长状况较上坡位优势明显，在主成分分析中也可以看出，下坡位轻木的胸径占有较大载荷值。这与张莉等对茅苍术幼苗（Atractylodeslancea）、胡继文等对香椿的研究结果一致，均表现出下坡位植物的长势、土壤养分都高于上坡位。坡位在调控土壤供肥水平的同时，还对各土层C、N和P含量及其化学计量比之间有一定的约束。有研究也发现土壤中SOC和TN之间存在强烈的相关性。本研究中土壤SOC、AP和AN含量对轻木的生长起关键性作用，在上坡位中，主要通过SOC/TP、AN/AP和SOC/TN值的养分平衡反映土壤的肥力情况，也反映TP、TN与AP、AN的转化情况，特别是AN/AP值反映的是土壤中养分的可利用效率。而在下坡位中，主要是通过AP、AN和SOC含量反映土壤养分情况。

可见本研究区域的轻木人工林土壤SOC主要受土壤有机碳含量的影响，SOC/TP、SOC/TN值和AN、AP含量变化意味着有机质分解快慢，对于有较大降雨量和降雨频率的西双版纳轻木人工林而言，更不利于土壤肥力的维持。

4结论

1）随着土层深度的增加，不同坡位土壤SOC、TN、TP、AN和AP含量总体呈降低趋势；40～60cm土层土壤各养分含量显著低于0～20cm土层（上坡位TP除外）。

2）在0～60cm的3个不同深度土层中．AP含量均表现为下坡位显著高于上坡位，AN含量在20～40cm土层中也表现出下坡位显著高于上坡位；3个不同深度的土层中，AN/AP值均表现为上坡位显著高于下坡位：20～40cm和40～60cm土层中，SOC/TP值表现为下坡位显著高于上坡位。

3）下坡位轻木树高和胸径较上坡位显著增加23.39%和49.43%。土壤SOC、AP和AN对轻木的生长起关键性作用，其中，在上坡位中，主要通过SOC/TP、AN/AP和SOC/TN值的养分平衡反映土壤的肥力情况，也反映TP、TN与AP、AN的转化情况，特别是AN/AP反映的是土壤中养分的可利用效率；而在下坡位中，主要是通过AP、AN和SOC含量反映土壤养分情况。

本研究区中，下坡位轻木的生长状况优于上坡位，土壤AP、AN和SOC含量及其比值可以反映不同区域轻木的生长情况，也可作为当地评估林地养分是否缺失的信号。本研究结果增加了该地区关于轻木生长及土壤养分变化信息的资料，可为今后轻木人工林管理提供理论支持。