孟慶權(quán),葛露露,林 宇,邱嶺軍,胡歡甜,何宗明*

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院,福建福州350002;2.國家林業(yè)局和草原局杉木工程技術(shù)研究中心,福建福州350002；3.福建省長樂大鶴國有防護(hù)林場(chǎng),福建福州350212)

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)結(jié)合了生物學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)，是使生物系統(tǒng)能量平衡和多重化學(xué)元素(C、N、P)平衡的學(xué)科[1]，生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的概念在20世紀(jì)50年代最先應(yīng)用于水生生態(tài)的研究[2]。近年來，我國的生態(tài)化學(xué)計(jì)量取得了很多的研究成果，但當(dāng)前我國的化學(xué)計(jì)量研究集中在生態(tài)系統(tǒng)[1]、陸地生態(tài)系統(tǒng)[3]、不同演替階段[4]和植物葉片[5]等方面，目前對(duì)森林土壤的研究都集中于不同樹種的比較[6]，或地上部分及較淺土層[7]，分不同林齡不同土層的生態(tài)化學(xué)計(jì)量研究還鮮有報(bào)道[8]。森林土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是林木生長所需養(yǎng)分的直接來源，森林土壤中的 C、N、P含量及其比值關(guān)系能較好的指示生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分限制情況及養(yǎng)分循環(huán)效率[9-10]。C∶N影響土壤的C、N循環(huán)，是土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。N∶P指標(biāo)反映杉木生長過程中土壤N的供應(yīng)情況[11-12]。因此研究森林土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征可以揭示養(yǎng)分的可獲得性，闡明森林土壤養(yǎng)分的循環(huán)機(jī)制和土壤質(zhì)量的變化趨勢(shì)。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國特有的速生豐產(chǎn)樹種,是我國人工用材林分布面積最大、生產(chǎn)潛力最高的樹種[13]，第七次森林資源清查報(bào)告指出我國杉木人工林面積達(dá)到了863.86萬hm2，占全國人工林面積的21.35%[14],近年來我國杉木人工林的面積逐年增加，但單位面積的產(chǎn)量在降低，主要是由于杉木連栽導(dǎo)致地力衰退和生產(chǎn)力下降，杉木林土壤養(yǎng)分決定著杉木的生長狀況，為此，本研究選取4個(gè)不同林齡的杉木人工林，分不同的土層深度來研究C、N、P含量及其化學(xué)計(jì)量隨土層深度的變化，找出杉木人工林不同林齡和不同土層的養(yǎng)分含量變化規(guī)律，為杉木人工林的養(yǎng)分管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究地自然概況

圖1 氣溫降水月動(dòng)態(tài)Fig.1 Monthly dynamics of temperature and precipitation

研究區(qū)位于福建省南平市峽陽國有林場(chǎng) (東經(jīng)117°59′，北緯26°48′)，地處丘陵地帶，平均坡度20°～30°，平均海拔238～650 m，該區(qū)為中國南方三大杉木產(chǎn)區(qū)之一，屬中亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，無霜期較長為290 d，年均降雨量為1 500～1 600 mm。土壤以紅壤為主，土層中厚，水肥條件較好,氣候條件見圖1。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置

選取土壤類型、立地條件一致的3 a幼齡林、14 a中齡林、21 a近熟林和46 a過熟林杉木，每個(gè)林齡分別設(shè)置4個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，樣地的基本情況見表1。

表1 樣地基本概況

數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，同列出現(xiàn)不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

Date for the mean±standard error,different lowercase letters show significant differences in the same column(P<0.05)

1.3 樣品取樣、處理和測(cè)定

土壤樣品采集，為了更好地研究表層土壤的變化，利用對(duì)角線原則在每個(gè)樣地小區(qū)均勻設(shè)置8個(gè)取土點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)去除地表凋落物，用直徑為5 cm的土鉆分0～5、5～10、10～20和20～40 cm 4個(gè)土層進(jìn)行土壤采集，取得土樣混合均勻，然后放入自封袋中，并做好標(biāo)記?；氐綄?shí)驗(yàn)室將取回的土壤去除細(xì)根、雜物后進(jìn)行風(fēng)干，用自動(dòng)球磨儀粉碎過100目篩，采用全自動(dòng)碳氮分析儀(Elementar ELVario Max，德國)直接測(cè)定有機(jī)碳和全氮含量。取一定研磨好的土樣用濃硫酸-雙氧水消煮法制備成待測(cè)液，采用鉬銻鈧比色法測(cè)定全磷含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用方差分析(SPSS 17.0)和LSD檢驗(yàn)分析不同林齡杉木土壤養(yǎng)分和化學(xué)計(jì)量指標(biāo)之間的差異，相關(guān)圖表采用Excel及Origin繪圖軟件完成。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤有機(jī)碳含量隨林齡和土層的變化

由表2可知，3、14、21和46 a杉木人工林土壤有機(jī)碳平均含量分別為21.98、21.48、18.5和22.28 g/kg，呈現(xiàn)出隨林齡的增加有機(jī)碳含量先減少后增加的趨勢(shì)，可能是由于杉木快速生長階段消耗了大量的土壤有機(jī)碳，4個(gè)不同林齡的土壤有機(jī)碳含量均表現(xiàn)出隨著土層深度的加深逐漸降低。方差分析顯示，4個(gè)不同林齡之間的有機(jī)碳含量差異不顯著(P>0.05)；同一林齡不同土層，除46 a生過熟林各土層有機(jī)碳含量差異顯著外，3 a的20～40 cm土層有機(jī)碳含量顯著低于其他3個(gè)土層，21 a的0～5 cm土層有機(jī)碳含量顯著高于其他3個(gè)土層(P<0.05)；不同林齡同一土層，在0～5 cm和20～40 cm土層土壤有機(jī)碳含量在各個(gè)林齡之間差異不顯著(P>0.05)，但在5～10 cm和10～20 cm土層，21 a杉木林土壤有機(jī)碳含量顯著低于其他3個(gè)林齡杉木林(P<0.05)，但3、14和46 a之間差異不顯著(P>0.05)。

表2 杉木4個(gè)不同林齡以及4個(gè)不同土層的碳氮磷含量

數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，同行不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05);同元素同列不同大寫字母表示差異顯著(P<0.05)

Date for the mean±standard error，different lowercase in the same row represents significant difference(P<0.05)，different capital letter of the same element in the same column represents significant difference(P<0.05)

2.2 土壤全氮含量隨林齡和土層的變化

由表2可知，3、14、21和46 a杉木人工林土壤全氮平均含量分別為1.52、1.63、1.4和1.6 g/kg，4個(gè)不同林齡的土壤全氮含量均表現(xiàn)出隨著土層深度的加深逐漸降低。方差分析表明，4個(gè)不同林齡之間的土壤全氮含量差異不顯著(P>0.05)；同一林齡不同土層，3 a和46 a杉木人工林各土層土壤全氮含量差異性顯著(P<0.05)，14 a表現(xiàn)為0～5 cm顯著高于其他土層(P<0.05)，20～40 cm顯著低于其他土層(P<0.05)，21 a不同土層均無顯著差異(P>0.05)；同一土層不同林齡，0～5，10～20和20～40 cm土層在不同林齡之間均無顯著差異(P>0.05)，5～10 cm土層21 a土壤全氮含量顯著低于其他3個(gè)土層(P<0.05)，可能由于21 a近熟林在生長過程消耗了大量的營養(yǎng)物質(zhì)。

2.3 土壤全磷含量隨林齡和土層的變化

由表2可知，3、14、21和46 a杉木人工林土壤全磷平均含量分別為0.34、0.32、0.29和0.28 g/kg，隨著林齡的增長土壤全磷含量逐漸降低，4個(gè)不同林齡的杉木人工林土壤全磷含量均隨土壤深度的增加，呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)。方差分析表明，土壤全磷含量在不同林齡之間無顯著差異，同一林齡不同土層，3、14、21和46 a杉木人工林土壤的全磷含量在不同土層之間均無顯著差異(P>0.05)；同一土層不同林齡，0～5、5～10、10～20和20～40 cm土層的土壤全磷含量在不同林齡之間也無顯著差異(P>0.05)。

2.4 土壤化學(xué)計(jì)量C∶N、C∶P、N∶P、C∶N∶P及其相關(guān)性

由表3可知，4個(gè)不同林齡杉木0～40 cm土層的C∶N的變化范圍是10.22～15.26，平均值是13.27，變異系數(shù)為11.63%；C∶P的變化范圍是30.62～121.65，平均值是68.34,變異系數(shù)是32.87%；N∶P的變化范圍是2.67～8.28，平均值是5.01，變異系數(shù)為26.29%，土壤C∶N較C∶P和N∶P穩(wěn)定，3個(gè)比值的變異系數(shù)都不大。

表3 土壤化學(xué)計(jì)量比變異系數(shù)

圖2 不同林齡土壤C∶N、C∶P、N∶P和C∶N∶P隨土層深度的變化Fig.2 Changes of C∶ N，N∶ P,C:P and C∶N∶P along soil depths in the Cunninghamia lanceolata plantations

由圖2可以看出，C∶N、C∶P和N∶P在4個(gè)不同林齡和不同土層之間的變化并沒有呈現(xiàn)出一致的規(guī)律。4個(gè)不同林齡杉木的土壤C∶N隨著土層深度的變化相對(duì)穩(wěn)定，但在不同林齡之間有所差異，C∶N表現(xiàn)出21 a顯著低于3、14和46 a(P<0.05)，而3、14和46 a之間則無顯著差異(P>0.05)；C∶P和N∶P在不同林齡之間均無顯著差異(P>0.05)，且都呈現(xiàn)出在0～10 cm土層快速下降，在10～40 cm土層變化不穩(wěn)定；4個(gè)林齡的C∶N∶P分別為42∶4∶1、43∶5∶1、41∶5∶1和50∶6∶1(表4)。

表4 不同林齡杉木林土壤 C∶N、C∶P、N∶P和C∶N∶P

同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

Different capital letter inevitable in the same column represents significant difference

由表5可知，C∶N與有機(jī)碳和全氮的含量呈極顯著正相關(guān)，表明C∶N同時(shí)受到有機(jī)碳和全氮含量的影響，但受到有機(jī)碳含量的限制作用更顯著；C∶P與有機(jī)碳含量呈極顯著正相關(guān)，與有機(jī)碳的相關(guān)性大于全磷的相關(guān)性；N∶P與全氮含量呈極顯著正相關(guān)，與全氮含量的相關(guān)性大于全磷含量相關(guān)性。

表5 土壤C、N、P及其化學(xué)計(jì)量的相關(guān)性

*在 0.05 水平上顯著相關(guān)，* *在 0.01 水平上顯著相關(guān)

*Indicates significant correlation at 0.05 level，* *indicates significant correlation at 0.01 level

3 討論

3.1 土壤有機(jī)碳含量隨林齡和土層的變化

隨著林齡的增長有機(jī)碳含量呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢(shì)，這與王丹等[15]的研究結(jié)果一致，這可能是由于中齡林杉木進(jìn)入快速生長階段，需要消耗大量的養(yǎng)分和水分，所以有機(jī)碳的含量會(huì)降低，而當(dāng)杉木進(jìn)入近熟林階段，杉木的生長速度減慢，對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收變慢，加之凋落物量也達(dá)到最大，調(diào)落物分解產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)可以進(jìn)入土壤，使得有機(jī)質(zhì)的含量有所回升。

本次實(shí)驗(yàn)，4個(gè)林齡杉木土壤有機(jī)碳含量為18.5～22.28 g/kg，低于三江平原濕地土壤[16]，高于黃土高原3種人工林的有機(jī)碳含量(側(cè)柏林6.76 g/kg，油松林12.04 g/kg，刺槐林16.20 g/kg)[17]，4個(gè)林齡的杉木林土壤有機(jī)碳含量均呈現(xiàn)出隨土層深度的加深而逐漸減少，這與曹娟等[8]的研究結(jié)果一致，這可能是由于土壤有機(jī)碳多來源于微生物分解的動(dòng)植物遺體、凋落物和根系分泌的有機(jī)物質(zhì)，而這些分解的物質(zhì)首先進(jìn)入地表，然后逐漸進(jìn)入更深的土層[18]。

3.2 土壤全氮含量隨林齡和土層的變化

隨著林齡的增長，土壤的全氮含量在近熟林階段最低，這與曹娟等[8]在湖南會(huì)同3個(gè)林齡杉木土壤的研究一致。4個(gè)林齡杉木土壤的全氮含量為1.4～1.63 g/kg，與亞熱帶4種林分的全氮含量基本一致(1.36～1.93 g/kg)[19],高于塔里木河胡楊林的0.62 g/kg[20]，也高于福建濱海沙地5種不同樹種的土壤全氮含量(桉樹0.36 g/kg，肯氏相思0.38 g/kg，紋莢相思0.40 g/kg，濕地松0.33 g/kg和木麻黃0.47 g/kg)[21]，遠(yuǎn)高于福建三明的格氏栲土壤全氮含量(0.17 g/kg)[22]，4個(gè)不同林齡杉木的土壤全氮含量均隨土層深度的加深逐漸降低，可能是因?yàn)榈怯捎诘蚵湮锏姆纸?，然后?jīng)過土壤的淋溶作用進(jìn)入更深的土層，同時(shí)每一層的根系也會(huì)吸收一部分，所以土層越深，含量越低。

3.3 土壤全磷含量隨林齡和土層的變化

隨著林齡的增長，土壤的全磷含量無顯著變化，4個(gè)不同林齡杉木的土壤全磷含量為0.28～0.34 g/kg，這與楊玉盛等[23]在杉木多世代連栽的土壤水分和養(yǎng)分變化的研究一致，遠(yuǎn)低于伊犁河谷的1.14 g/kg[24]，也低于三江平原的4種典型濕地(沼柳濕地0.95 g/kg，小葉章濕地0.72 g/kg，毛苔草濕地0.66 g/kg，蘆葦濕地0.42 g/kg)[15]，這表明研究地嚴(yán)重缺磷，土壤磷含量主要來源有巖石的風(fēng)化和淋溶作用,在土壤中的分布較為均勻[25]，在短時(shí)間內(nèi)難以改善，而磷的缺失會(huì)影響杉木的生長發(fā)育[26],所以為了促進(jìn)杉木林生長和可持續(xù)經(jīng)營需要向杉木人工林施加磷肥。

3.4 土壤化學(xué)計(jì)量C∶N、C∶P、N∶P、C∶N∶P及其相關(guān)性

杉木的生長所需要的養(yǎng)分大部分來自土壤中的C、N、P，是植物生長發(fā)育所必需的[27]，土壤的C∶N∶P是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要參數(shù)，是土壤礦化作用和固持作用的指標(biāo)，受到該地區(qū)的氣候條件和成土因素的影響，由于氣候等條件的不同加上人類活動(dòng)的影響，使得C∶N∶P的空間差異性很大[28]。本研究地的4個(gè)不同林齡杉木土壤的C∶N∶P分別為42∶4∶1、43∶5∶1、41∶5∶1和50∶6∶1。土壤C∶N是土壤有機(jī)質(zhì)組成和質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，一般來講土壤有機(jī)質(zhì)C∶N與其分解速度成反比，4個(gè)不同林齡杉木的土壤C∶N的平均值是13.27,高于我國土壤C∶N的平均值(11.9)，變異系數(shù)為11.63%，C∶N越高分解速度越慢；土壤C∶P被認(rèn)為是土壤磷礦化能力的重要指標(biāo)，4個(gè)不同林齡杉木的土壤C∶P的平均值是68.34，變異系數(shù)為26.29%；曹娟等[8]的研究表明較低的C∶P是P有效性高的指標(biāo)，相反則表示存在P受限，說明該研究地土壤有機(jī)質(zhì)礦化釋放P的能力較弱；N∶P的平均值是5.01，變異系數(shù)是32.87%，土壤N∶P指示杉木生長過程中土壤養(yǎng)分的供給情況，當(dāng)N∶P<14，反映土壤N的供應(yīng)不足，土壤N素的缺乏會(huì)影響杉木的生長[29]。相關(guān)性分析表明，C∶N和C∶P與有機(jī)碳的相關(guān)性大于全氮和全磷的相關(guān)性，N∶P與全氮含量的相關(guān)性大于全磷含量相關(guān)性。由此研究可以看出土壤C∶N和C∶P主要受到土壤有機(jī)碳含量的影響，N∶P主要受土壤全氮含量的影響。