于耀泓，劉 悅，顧曉娟，王藝穎，吳夢佳，劉林云慧，周 慶，何 茜，莫其鋒

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院；b.廣東省森林植物種質(zhì)創(chuàng)新與利用重點實驗室，廣東 廣州 510642；2.CFERN 廣東鵝凰嶂野外科學(xué)觀測研究站，廣東 陽江 529631）

土壤作為植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)，其養(yǎng)分和肥力狀況對林木生長和發(fā)育尤為重要[1]。土壤生態(tài)化學(xué)計量學(xué)可以表征土壤養(yǎng)分狀況，通過研究調(diào)節(jié)植物生長的重要元素—碳（C）、氮（N）和磷（P）可以了解植物對土壤養(yǎng)分的利用和限制情況[2-4]。其中，C∶N 是反映土壤質(zhì)量的重要指標，指征土壤中的C、N 循環(huán)，而N∶P 可以反映植被生長過程中土壤N 的供給情況[5]。土壤陽離子交換量（Cation exchange capacity，CEC）直接反映了土壤的保肥、供肥性能和緩沖能力[6-9]。因此，土壤陽離子交換量不僅能夠評價土壤的保肥和緩沖能力，而且可以優(yōu)化土壤環(huán)境管理和加強土壤生態(tài)保護[10-11]。土壤交換性鹽基總量（Total exchangeable base，TEB）是土壤吸收性能的計量指標之一，也是土壤形成和屬性的重要指標之一，直接關(guān)系到土壤供肥、保肥和緩沖能力，也影響著土壤的結(jié)構(gòu)性[12]；鹽基飽和度（Base saturation，BS）反映土壤有效（速效）養(yǎng)分含量的大小，是改良土壤的重要依據(jù)[13]。

針葉與闊葉樹種的生活型明顯不同，因而馬尾松Pinusmassoniana和木荷Schimasuperba的凋落物在數(shù)量和質(zhì)量上存在明顯的差異，2 種林分的凋落物分解后養(yǎng)分釋放的狀況將對土壤養(yǎng)分造成顯著影響[14]。研究表明，相較于馬尾松林，木荷林枯落物現(xiàn)存量、最大持水率和有效攔蓄量更高[15]，因此木荷林通常比馬尾松林具有更高的土壤全碳和全氮含量[16]。研究發(fā)現(xiàn)，一些地區(qū)的馬尾松造林地由于經(jīng)營不善或造林后失管而形成疏林地的狀況，通過補植木荷可以改善土壤結(jié)構(gòu)并提高土壤肥力，但不同地域的改良效果不同[17-18]。

目前，關(guān)于馬尾松與木荷人工林對林分土壤的影響的研究集中在土壤碳匯[19]、氮儲量[20]、氮磷動態(tài)與養(yǎng)分循環(huán)[21-23]和凋落物養(yǎng)分歸還及養(yǎng)分利用效率[24-25]等方面。然而，2 種人工林對土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征和土壤保肥能力的關(guān)系有何影響？相關(guān)結(jié)果仍缺乏深入研究。本研究對廣東省鶴山市2 種鄉(xiāng)土樹種（馬尾松和木荷）人工林土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計量特征和陽離子交換量等進行深入研究，闡明2 種人工林林分對土壤養(yǎng)分和肥力狀況的影響，以期為華南地區(qū)典型人工林生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分管理提供理論指導(dǎo)和實踐參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與樣地概況

研究樣地位于廣東鶴山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站（鶴山站）內(nèi)，屬南亞熱帶粵中丘陵地區(qū)，地理坐標（112°54＇E，22°41＇N），屬于丘陵地形，平均海拔約80 m。該地區(qū)年均氣溫23 ℃，太陽輻射為104.08 kcal/cm2，5—9 月為雨季（降水量約占全年的75.8%），年降水量約1 400～1 700 mm，年蒸發(fā)量約1 600 mm，年平均≥10℃的有效積溫為7 597.2 ℃。頂極群落是亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林，由于過往人類活動劇烈破壞引發(fā)的植被退化和水土流失等問題亟待解決。研究區(qū)主要土壤類型為赤紅壤，試驗站所代表的區(qū)域范圍包括粵中、閩南和桂東南。

1.2 樣品采集與處理

選擇試驗區(qū)2 個典型人工林林分，分別為闊葉樹種荷木人工林與針葉樹種馬尾松人工林，造林時間為1984 年，2018 年7 月使用土鉆（內(nèi)徑6 cm）采集2 種林分表層土壤（0～10 cm），在每種林分內(nèi)分別設(shè)置3 個20 m×20 m 的小樣方，在每個樣方內(nèi)沿“Z”字形，采集9 鉆土樣并制成混合樣，放入封口薄膜袋保存，帶回實驗室，剔除礫石、草根等雜物，放置于陰涼干燥處風(fēng)干后過篩，備用。

1.3 測定方法

土壤pH 值采用電位法測定（水∶土=2.5∶1）；有機碳采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定；土壤陽離子交換量CEC 采用三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法測定[26]；交換性K+、Na+采用乙酸銨交換-火焰光度法測定；交換性Ca2+、Mg2+采用乙酸銨交換-EDTA 絡(luò)合滴定法[27]；全氮采用凱氏定氮法測定；全磷采用HClO4-HFHCl 消煮，鉬銻抗比色法測定；速效磷采用Bray1法測定；全鉀用火焰光度法測定；土壤含水量采用烘干法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013 和SPSS 23.0 軟件進行數(shù)據(jù)處理，采用單因素方差分析（One-way ANOVA，LSD 法進行多重比較）比較2 種林分間的差異顯著性；SOC、TN、TP、TK 的含量及其化學(xué)計量比的空間變異性用變異系數(shù)（COV）表示，COV＜10%屬于弱變異，10%＜COV＜100%屬于中等變異，COV＞100%屬于強變異；土壤理化性質(zhì)指標的相關(guān)性分析采用Pearson 相關(guān)系數(shù)，P＜0.05 時顯著相關(guān)，P＜0.01 時極顯著相關(guān)；采用Origin 2022 軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 2 種林分土壤化學(xué)計量特征

本研究中，木荷林表層土壤SOC 含量顯著高于馬尾松林，而馬尾松林土壤TK 則顯著高于木荷林，土壤TN 和TP 在不同林分類型下的含量差異不顯著（圖1）。木荷林土壤SOC、TN、TP和TK 含量的變異系數(shù)（COV）分別為12.21%、38.32%、53.43%和24.09%，均屬于中等變異；馬尾松林土壤TN含量的COV為6.71%，屬于弱變異，SOC、TP 和TK 含量的COV 分別為15.40%、31.07%和11.82%，均屬于中等變異（表1）。

圖1 2 種林分類型對土壤陽離子交換量、交換性鹽基總量及鹽基飽和度的影響Fig.1 Effects of two stands on soil cation exchange capacity (CEC),total exchangeable base (TEB)and base saturation (BS)

表1 2 種林分對土壤碳氮磷含量及其化學(xué)計量比特征的影響?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值分別為16.31、64.44、3.89 和24.82，馬尾松林土壤C∶N、C∶P、N∶P 和C∶N∶P 值分別為14.97、24.83、1.72 和11.72；木荷林和馬尾松林化學(xué)計量比變異系數(shù)均在10%～100%，均屬于中等變異。C∶N 在2 種人工林土壤之間沒有顯著差異，但木荷林表層土壤的C∶P、N∶P 和C∶N∶P均顯著高于馬尾松林（表1）。

2.2 2 種林分對表層土壤陽離子交換量、交換性鹽基總量及鹽基飽和度的影響

木荷和馬尾松林表層土壤CEC 含量分別為6.18 和4.32 cmol·kg-1，木荷林土壤CEC 含量比馬尾松林顯著高43.06%；木荷人工林和馬尾松林土壤TEB 含量分別為0.76 和0.60 cmol·kg-1，木荷林土壤TEB 比馬尾松林顯著高26.67%；木荷和馬尾松林土壤BS 分別為12.58%和14.45%，但2 種林分間沒有統(tǒng)計學(xué)上的顯著差異（圖1）。

2.3 2 種林分對土壤交換性陽離子的影響

木荷林土壤交換性Ca2+和Mg2+含量顯著大于馬尾松人工林，分別顯著高出34.78%和38.46%（表2）；而土壤交換性K+和Na+含量則為木荷林＞馬尾松林，但無顯著差異（P＞0.05）；交換性Ca2+∶Mg2+含量馬尾松林＞木荷林，但無顯著差異。

表2 2 種林分類型對土壤交換性陽離子含量及Ca2+∶Mg2+的影響?Table 2 Effects of two stand types on soil exchangeable based cations and the ratio of Ca2+∶Mg2+

2.4 2 種林分土壤陽離子交換量、化學(xué)計量及其他理化因子之間的關(guān)系

相關(guān)性分析結(jié)果表明，2 種林分土壤CEC 均與SOC 呈顯著正相關(guān)，與TN 呈極顯著正相關(guān)，鹽基飽和度BS 與土壤pH 值呈顯著正相關(guān)；木荷林土壤Ca2+、Mg2+含量與TEB 呈極顯著正相關(guān)；馬尾松林土壤CEC 與土壤C∶N 和土壤含水量呈顯著正相關(guān)，土壤TEB 與土壤含水量、SOC 呈極顯著正相關(guān)（圖2～3）。

圖2 木荷人工林的土壤陽離子交換量、化學(xué)計量及其他理化因子的相關(guān)性熱圖Fig.2 Correlation heat map of soil cation exchange capacity,stoichiometry and other physical and chemical factors in S. superba plantation

圖3 馬尾松人工林的土壤陽離子交換量、化學(xué)計量及其他理化因子的相關(guān)性熱圖Fig.3 Correlation heat map of soil cation exchange capacity,stoichiometry and other physical and chemical factors in P. massoniana plantation

采用主成分分析法進一步分析土壤基本理化性質(zhì)對營養(yǎng)狀況的影響，從圖5 可以看出前兩個主成分的累計貢獻率達到了56.34%，可以綜合反映影響土壤營養(yǎng)狀況的主導(dǎo)因子。第一主成分對總方差的貢獻率為35.92%，即第1 主成分可以解釋土壤各理化因子對土壤營養(yǎng)狀況的影響的35.92%的情況，其中以SOC、C∶N、TN 和N∶P 為主；第2 主成分對總方差的貢獻率為20.41%，第2 主成分是土壤養(yǎng)分和交換性離子組成的綜合指標，其中速效磷和交換性鎂離子起著重要的作用，速效磷對土壤養(yǎng)分和保肥能力起抑制作用，交換性鎂離子對土壤營養(yǎng)狀況起促進作用。在第1 主成分中，土壤SOC、C∶P、TN、N∶P 與土壤營養(yǎng)狀況呈正相關(guān)關(guān)系，其荷載值順序為SOC＞C∶P＞TN＞C∶P。無論在PC1 還是在PC2 上，木荷林和馬尾松林都存在重疊情況，因此2 種林分土壤營養(yǎng)狀況并不能以PC1 和PC2 區(qū)分開（圖4）。

圖4 2 種林分類型土壤陽離子交換量及其他理化因子主成分分析得分雙標Fig.4 Biplot of principal component analysis scores of soil cation exchange capacity and other physical and chemical factors in different stand types

3 討 論

3.1 林分類型對土壤化學(xué)計量特征的影響

土壤SOC 來源于微生物參與下的礦質(zhì)化與腐殖化的綜合作用[28]，N 含量是土壤有機質(zhì)分解、植物固氮及大氣氮沉降等共同作用的結(jié)果[29]。本研究中，2 種林分表層土壤的SOC 和TN 平均含量均高于我國土壤SOC（29.51 g·kg-1）和TN（2.30 g·kg-1），可能是因為近年來全球廣泛使用農(nóng)業(yè)化肥和燃燒化石燃料導(dǎo)致大氣N 沉降增加，高氮水平下有利于凋落物中的C、N 元素釋放到土壤中，從而提高了土壤中的C、N 元素含量，這種狀態(tài)在不同林分類型下均存在[30]。另外，本研究區(qū)表層土壤TP 含量高于全國土壤TP 含量（0.52～0.78 g·kg-1），但顯著低于世界土壤TP 含量（2.8 g·kg-1），土壤P 元素不同于C、N，研究區(qū)土壤TP 含量高于全國土壤TP 含量主要與人工林進行施肥措施有關(guān)；而低于世界土壤TP 含量主要與成土母質(zhì)風(fēng)化階段有關(guān)。根據(jù)全國第二次土壤養(yǎng)分普查標準[31]，本研究區(qū)土壤TK 的平均含量水平處于第三等級，屬于相對富K 的土壤。土壤SOC 在2 種林分類型下表現(xiàn)為木荷林＞馬尾松林，這主要是因為闊葉樹種木荷積累分解的凋落物的量相對較高[32]，而木荷林土壤TK 含量顯著低于馬尾松林。前人研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機質(zhì)與礦物態(tài)K 之間存在“稀釋效應(yīng)”，土壤SOC 的增加會使土壤全K 相對減少，但這種稀釋效應(yīng)不會導(dǎo)致K 元素的實質(zhì)性損失[33]。

土壤C∶N 是反映土壤C、N 循環(huán)的重要指標。本研究中，木荷林和馬尾松林C∶N 均顯著高于我國土壤C∶N 的平均值（11.38）[34]，但小于理論上較適宜的C∶N（25∶1），表明研究區(qū)SOC 的礦化速率較高。由相關(guān)性分析結(jié)果可以看出，土壤含水量是土壤C、N 循環(huán)的主要影響因子，可通過調(diào)節(jié)研究區(qū)土壤含水量來減弱土壤有機質(zhì)的礦化；土壤C∶P 是反映土壤P 元素礦化能力的重要指標，一般來說C∶P＜200 意味著土壤有機質(zhì)的凈礦化[35]，這與C∶N 的結(jié)果一致，均說明了本研究區(qū)降雨較多導(dǎo)致土壤含水量增加，有機質(zhì)礦化加快，淋溶作用較強[36]，導(dǎo)致土壤肥力下降；研究區(qū)N∶P、C∶N∶P 低于全球及其他地區(qū)，主要是因為研究區(qū)土壤有機質(zhì)的礦化速率較高，降水量導(dǎo)致的淋溶作用較強[37]，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失較為嚴重，土壤肥力顯著下降。研究發(fā)現(xiàn)，林下植被管理/清理能有效地對土壤含水量的進行調(diào)控，可相應(yīng)地減弱淋溶作用。

3.2 林分類型對土壤陽離子交換量及交換性離子含量的影響

本研究中，木荷和馬尾松林表層土壤CEC 含量均小于10 cmol·kg-1，表明研究區(qū)土壤保肥和供肥能力較弱[38]。木荷林土壤CEC 和TEB 顯著高于馬尾松林，主要是因為闊葉樹種人工林積累分解的凋落物量相對較高[39-40]，相應(yīng)的養(yǎng)分歸還較多，因而其土壤供肥、保肥和緩沖能力強于馬尾松林。土壤BS 是土壤肥力的重要指標，研究表明BS 越大則土壤養(yǎng)分越好，更利于林木生長[41]。本研究中，2 種林分土壤BS 為9.68%～18.00%，土壤肥力處于較低水平，可能是因為華南地區(qū)降水較多，淋溶作用較強，加劇了土壤表層的養(yǎng)分流失。而木荷與馬尾松林的土壤BS 無顯著差異，表明木荷林與馬尾松林的土壤肥力基本相同。

研究發(fā)現(xiàn)，交換性鹽基離子含量受到成土母質(zhì)、生物物質(zhì)循環(huán)過程和淋溶作用等影響，與土壤母質(zhì)、風(fēng)化程度和植被類型密切相關(guān)[41]。本研究中，木荷林和馬尾松林土壤鹽基離子含量均為Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+，符合一般規(guī)律，這是因為Ca2+和Mg2+在土壤形成過程中受優(yōu)先固持作用的影響[42]。土壤交換性Ca2+、Mg2+和Ca2+∶Mg2+是影響植物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素[14,25,43]，土壤交換性Ca2+和Mg2+主要吸附于土壤膠體表面，在酸性土壤環(huán)境中可被土壤中大量H+交換而進入溶液中，被植物利用或者流失。本研究中，木荷林的交換性Ca2+、Mg2+離子含量顯著高于馬尾松林，且Ca2+∶Mg2+＞5，表明研究區(qū)表層土壤未出現(xiàn)生理性缺鈣的現(xiàn)象[44]。

3.3 其他理化因子對陽離子交換量的影響

影響土壤營養(yǎng)狀況的因子很多且復(fù)雜。本研究中，通過主成分分析可以看出馬尾松與木荷林土壤營養(yǎng)狀況并不能以PC1 和PC2 區(qū)分開，但2種林分下的土壤CEC 和TEB 存在顯著差異。這可能是因為馬尾松林和木荷林同屬于一個研究區(qū)域，二者的成土母質(zhì)和氣候條件比較一致，因此土壤碳氮磷含量比較相似，但是2 種林分類型的差異導(dǎo)致凋落物的質(zhì)量產(chǎn)生差異，進而形成的腐殖質(zhì)在功能結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生顯著差異，因此二者的CEC 和TEB 存在顯著差異，說明土壤保肥能力和酸堿緩沖能力存在差異。研究表明，土壤CEC 受土壤母質(zhì)、植被種類和氣候類型等因素綜合影響[45-49]。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤CEC 與土壤SOC 含量呈顯著正相關(guān)，這與譚智勇等[50]的研究結(jié)果相似，這是因為土壤有機碳含量越高，有機質(zhì)含量就越高，有機質(zhì)中的腐殖質(zhì)有較大的比表面積，可水解大量的負電荷官能團[51]，是土壤CEC 和TEB 的主要影響因子；土壤CEC 與土壤全氮含量呈極顯著正相關(guān)，這與陳忠柳[52]的研究結(jié)果相似。本研究區(qū)內(nèi)土壤pH 值越高，鹽基飽和度BS 越高。黃尚書等[53]對江西第四紀紅黏土母質(zhì)發(fā)育的紅壤進行研究，發(fā)現(xiàn)土壤黏粒和pH 值對土壤CEC 貢獻較大，對比紅壤旱地和紅壤坡地后發(fā)現(xiàn)土壤pH 值對鹽基飽和度（BS）的變化具有主導(dǎo)作用，這是因為研究區(qū)所在的地區(qū)為南方紅壤，呈酸性，土壤pH 值越大，土壤養(yǎng)分的有效性越大[54-55]。

本研究中，馬尾松林土壤CEC、TEB 與土壤含水量呈顯著正相關(guān)，土壤含水量越高，C∶N 越高[56]，CEC 與TEB 也越高，這種趨勢在馬尾松林尤為明顯。這是因為土壤中水分狀況會影響土壤的碳氮循環(huán)和土壤肥力[57]，在一定范圍內(nèi)土壤含水量越高，植物根際微生物和土壤動物活動更活躍，土壤養(yǎng)分的吸收和遷移會加強[58]，從而提高土壤的碳氮循環(huán)和土壤肥力。然而，本研究針對2種不同人工林分表層土壤化學(xué)計量和陽離子交換量的研究僅關(guān)注表層土壤的養(yǎng)分狀況，且跟蹤土壤肥力變化的時間較短，下一步應(yīng)加強對不同層次土壤養(yǎng)分變化的研究，并延長采樣的年限，更好地反映出不同人工林林分對土壤化學(xué)計量和保肥供肥能力的影響。

4 結(jié) 論

通過對廣東省鶴山市木荷和馬尾松人工林土壤化學(xué)計量、陽離子交換量和其他因子進行比較研究，得出以下結(jié)論：

1）木荷和馬尾松林土壤CEC 含量均小于10 cmol·kg-1，土壤BS 為9.68%～18.00%，土壤肥力處于較低水平，表明土壤保肥供肥能力較弱。木荷林的土壤CEC 和TEB 顯著高于馬尾松林，說明木荷林土壤的供肥、保肥和緩沖能力強于馬尾松林。

2）2 種林分土壤鹽基離子含量均呈現(xiàn)Ca2+＞Mg2+＞K+＞Na+，木荷林土壤的交換性鈣和鎂離子含量顯著高于馬尾松林，2 種林分類型下土壤Ca2+∶Mg2+＞5，說明研究區(qū)土壤未出現(xiàn)生理性缺鈣的現(xiàn)象。

3）研究區(qū)內(nèi)土壤化學(xué)計量比較低，土壤養(yǎng)分循環(huán)速率較慢，且這種趨勢在馬尾松林較木荷林更為明顯。

4）2 種林分類型土壤CEC 均與土壤SOC 呈顯著正相關(guān)，鹽基飽和度BS 與土壤pH 值呈顯著正相關(guān)；馬尾松林CEC、TEB 與土壤含水量呈顯著正相關(guān)。