3种人工林土壤碳、氮、磷生态化学计量及磷形态分布特征

陈明茹，黄应平，张久红，李海潇，刘平，袁喜

(1. 三峡大学生物与制药学院，湖北宜昌 443002；2. 三峡库区生态环境教育部工程研究中心(三峡大学)，湖北宜昌 443002；3. 宜昌市森林资源监测站，湖北宜昌 443000)

土壤是森林生态系统物质循环、能量流动、信息交换的重要场所[1-2]，为林木的生长提供碳(C)、氮(N)、磷(P)等养分。土壤C、N、P生态化学计量特征与海拔、气候、植被类型，以及土地利用与管理措施等密切相关，可直接影响土壤生态系统[3-7]。然而，不同区域、不同林型土壤C、N、P生态化学计量特征与土壤所处环境因素之间没有特定的相关性。研究土壤C、N、P生态化学计量特征及其季节变化规律，对了解区域生态系统养分供应平衡情况，揭示土壤养分有效性和限制性具有重要意义。

P是植物生长必不可少的元素，植物中大部分P来源于土壤。土壤磷素主要来源于成土矿物、土壤有机质和施用的含磷肥料，土壤P含量受土壤类型、群落特征和气候环境等多种因素影响，是制约人工林丰产、影响森林生态系统平衡和稳定的一个重要因素[8-9]。土壤磷素对植物的有效性取决于它在土壤中的存在形态[10]，不同形态的磷在土壤中的分布及磷活化能力有差异，且不同形态磷之间转换条件复杂[11]。探明森林土壤磷素的存在形态是分析磷在环境中的迁移、转化和累积过程及其生物有效性的关键。

为研究人工林土壤C、N、P生态化学计量特征变化规律，揭示林分对土壤营养元素循环的影响，本文选择林龄15 a的鹅掌楸(Liriodendronchinense)林、林龄15 a的杉木(Cunninghamialanceolata)林和林龄43 a的杉木林3种人工林，调查分析林地土壤C、N、P生态化学计量和磷形态分布特征，并探讨他们的相关性，以期为人工林生态系统化学计量学研究提供数据支撑，为区域人工林经营管理和可持续发展提供技术参考。

1 研究区与试验方法

1.1 研究区概况

选取的人工林地位于湖北省宜昌市五峰土家族自治县的国有北风垭林场(30°8′8″N，110°35′12″E)、国有壶瓶山林场(30°8′31″N，110°48′16″E)，以及远安县的任家岗林场(31°15′52″N，111°26′12″E)，优势林种分别为鹅掌楸(15 a)、杉木(15 a)和杉木(43 a)。3处人工林的地形、地貌、海拔、土壤类型、坡度等条件相近，土壤均为酸性，杉木林(43 a)土壤pH值较低，杉木林(15 a)土壤密度较大，鹅掌楸林土壤持水率较高，可达到92%。以相同林型的天然林场土壤作为本地值，3处人工林土壤总有机质、全氮、全磷含量的本地值差异不显著。林地的基本概况如表1所示。

表1 林地的基本概况

1.2 试验方法

2019年8月完成土壤样品采集与测定。每个林型设置3块标准样地，尺寸20 m×20 m；每块标准样地设置5个采样点，采样点之间间隔不小于1 m；每个采样点周围采集3个土壤样品混合为1个土样，采样深度0～20 cm，土样放入聚乙烯袋密封带回实验室。

采集的土样平铺成2～3 cm薄层，在室温下自然风干、压碎、翻动，去除碎石、沙砾、植物残体。风干后在牛皮纸上铺成薄层，采用四分法划分成小方格，每个方格取一定量土样研磨并过100目土壤筛，混匀后装入自封袋备用。

采用酸度计测定土壤pH值，水土质量比5∶1；采用总有机碳分析仪测定土壤总有机碳含量，记为c(TC)；采用凯氏定氮法测定土壤全氮含量，记为c(TN)；采用NaOH碱熔-钼锑抗比色法测定土壤全磷含量，记为c(TP)。变异系数定义为标准差与平均值之比，三者的变异系数分别记为v(TC)、v(TN)、v(TP)。变异系数v≤0.2为弱变异性，0.2

C、N生态化学计量比记为n(C/N)；C、P生态化学计量比记为n(C/P)；N、P生态化学计量比记为n(N/P)。三者的变异系数分别记为v(C/N)、v(C/P)、v(N/P)。

采用标准测量测试(standard measurements and testing，SMT)方法[12]测定土壤全磷(TP)、有机磷(OP)、无机磷(IP)、铁铝结合态磷(Fe/Al-P)、钙结合态磷(Ca-P)含量并进行磷形态分布特征分析。上述4种形态磷含量与全磷含量比分别记为r(OP)、r(IP)、r(Fe/Al-P)、r(Ca-P)。

1.3 数据分析

采用Origin软件对数据进行整理，采用One-way ANOVA法进行方差分析，采用LSD法进行多重比较和显著性分析。

2 结果与分析

2.1 土壤C、N、P含量及磷形态特征分析

由表2可知，3种林型土壤的C、N、P含量差异显著：土壤c(TC)介于23.21～40.11 g/kg之间，3种林型c(TC)大小顺序为鹅掌楸林(15 a)>杉木林(15 a)>杉木林(43 a)；土壤c(TN)介于0.78～3.94 g/kg之间，3种林型c(TN)大小顺序为鹅掌楸林(15 a)>杉木林(43 a)>杉木林(15 a)；土壤c(TP)介于0.46～0.92 g/kg之间，3种林型c(TP)大小顺序为鹅掌楸林(15 a)>杉木林(15 a)>杉木林(43 a)。鹅掌楸林(15 a)土壤c(TC)、c(TN)、c(TP)变异系数均小于0.2，为弱变异性；杉木林(15 a)土壤c(TP)的变异系数小于0.2，为弱变异性，土壤c(TC)、c(TN)则为中等变异性；杉木林(43 a)土壤c(TN)、c(TP)为弱变异性，c(TC)为中等变异性。

表2 3种林型土壤碳、氮、磷含量

3种林型土壤磷形态分布特征如图1所示。由图1可知，3种林型的土壤TP中均有r(IP)最小，仅为2.27%～4.30%，均有r(OP)和r(Fe/Al-P)最大，分别为44.79%～51.67%和27.27%～37.93%，r(Ca-P)为13.95%～16.76%。3种林型土壤不同形态磷含量占比大小顺序均表现为r(OP)>r(Fe/Al-P)>r(Ca-P)>r(IP)。不同林型间土壤磷含量占比不同：土壤r(IP)大小顺序为鹅掌楸林(15 a)>杉木林(43 a)>杉木林(15 a)；土壤r(OP)大小顺序为鹅掌楸林(15 a)>杉木林(15 a)>杉木林(43 a)；土壤r(Fe/Al-P)大小顺序为杉木林(15 a)>杉木林(43 a)>鹅掌楸林(15 a)；土壤r(Ca-P)大小顺序为鹅掌楸林(15 a)>杉木林(15 a)>杉木林(43 a)。

图1 3种林型土壤磷形态分布特征

2.2 土壤C、N、P生态化学计量特征分析

由表3可知，3种林型土壤n(C/N)、n(C/P)、n(N/P)分别位于16.64～41.68之间、61.83～79.35之间、1.25～5.37之间。3种林型土壤n(C/N)的大小顺序为杉木林(15 a)>鹅掌楸林(15 a)>杉木林(43 a)，变异系数0.31～0.46，均为中等变异性；3种林型土壤n(C/P)的大小顺序为鹅掌楸林(15 a)>杉木林(15 a)>杉木林(43 a)，其中杉木林(15 a)和杉木林(43 a)为中等变异性，鹅掌楸林(15 a)为弱变异性；3种林型土壤n(N/P)的大小顺序为杉木林(43 a)>鹅掌楸林(15 a)>杉木林(15 a)，变异系数0.27～0.31，均为中等变异性。

表3 3种林型土壤生态化学计量特征

2.3 土壤生态化学计量、磷形态分布特征与理化性质相关性分析

由表4可知，对于鹅掌楸林(15 a)：土壤r(OP)与土壤c(TP)呈显著正相关(p<0.05)，其他形态磷含量占比与土壤c(TP)无显著相关性(p>0.05)；土壤r(IP)、r(Ca-P)均与土壤c(TC)呈显著负相关(p<0.05)，均与土壤pH值呈极显著正相关(p<0.01)；土壤r(Fe/Al-P)与土壤持水率呈显著负相关(p<0.05)；土壤n(N/P)与土壤c(TN)呈极显著正相关(p<0.01)；土壤n(C/N)与土壤c(TN)呈极显著负相关(p<0.01)；土壤n(C/P)与土壤c(TC)呈显著正相关(p<0.05)。

由表4可知，对于杉木林(15 a)：土壤r(IP)、r(Ca-P)均与土壤理化性质各参数之间无显著相关性(p>0.05)；土壤r(OP)与土壤c(TC)呈显著正相关(p<0.05)；土壤r(Fe/Al-P)与土壤c(TP)、土壤pH值均呈显著正相关(p<0.05)，与土壤c(TC)呈极显著正相关(p<0.01)，与土壤c(TN)呈显著负相关(p<0.05)；土壤n(N/P)与土壤c(TP)、土壤pH值均呈显著负相关(p<0.05)，与土壤c(TN)呈极显著正相关(p<0.01)；土壤n(C/P)与土壤c(TC)呈极显著正相关(p<0.01)；土壤n(C/N)与土壤c(TC)、土壤pH值均呈显著正相关(p<0.05)，与土壤c(TN)呈显著负相关(p<0.05)。

表4 3种林型土壤生态化学计量、磷形态特征与理化性质相关性

由表4可知，对于杉木林(43 a)：土壤r(IP)与土壤理化性质各参数之间均无显著相关性(p>0.05)；土壤r(OP)与土壤c(TC)呈显著正相关(p<0.05)；土壤r(Fe/Al-P)与土壤c(TP)呈显著正相关(p<0.05)，与土壤c(TN)呈显著负相关(p<0.05)；土壤r(Ca-P)与土壤pH值呈显著负相关(p<0.05)；土壤n(N/P)与土壤c(TN)呈极显著正相关(p<0.01)；土壤n(C/P)与土壤c(TC)呈极显著正相关(p<0.01)；土壤n(C/N)与土壤c(TN)呈显著负相关(p<0.05)。

因此，鹅掌楸林土壤磷形态主要受土壤c(TP)、c(TC)、pH值和持水率影响，杉木林土壤磷形态主要受土壤c(TP)、c(TN)、c(TC)和pH值影响。鹅掌楸林和杉木林土壤n(C/N)、n(C/P)和n(N/P)主要受土壤c(TN)和c(TC)影响，与土壤c(TP)无关。杉木林(15 a)土壤n(C/N)和n(N/P)还受土壤pH值的影响。

3 结论与讨论

人工干扰能够通过控制树种组成、调控林分密度等方法使土壤C、N、P养分循环发生变化，达到优化林分空间结构，提高生态系统功能的目的[13-14]。本研究3种人工林表层土壤(0～20 cm)c(TC)、c(TN)、c(TP)差异性较大。鹅掌楸林(15 a)土壤c(TC)为40.11 g/kg，显著高于我国土壤c(TC)平均值(24.56 g/kg)[4]，杉木林土壤c(TC)分别为25.84 g/kg(15 a)和23.21 g/kg(43 a)，与我国土壤c(TC)平均值没有显著差异。杉木林(15 a)土壤c(TN)为0.78 g/kg，低于我国土壤c(TN)平均值(1.88 g/kg)[4]，而杉木林(43 a)和鹅掌楸林(15 a)土壤c(TN)分别为2.23 g/kg和3.94 g/kg，显著高于我国土壤c(TN)平均值。杉木林土壤c(TP)分别为0.53 g/kg(15 a)和0.46 g/kg(43 a)，低于我国土壤c(TP)平均值(0.78 g/kg)[4]，而鹅掌楸林(15 a)土壤c(TP)(0.93 g/kg)高于我国土壤c(TP)平均值。本研究杉木林土壤c(TP)显著高于亚热带区域一些杉木林土壤(0.33 g/kg)[15]；鹅掌楸林土壤c(TC)、c(TN)、c(TP)均显著高于全国土壤平均值，说明鹅掌楸林土壤营养蓄积量丰富。林间丰富的凋落物能够增加土壤磷素的输入量，同时提升土壤碳含量，土壤碳增加能够刺激并提高土壤微生物活性，对有机磷的矿化有促进作用[16]。鹅掌楸林丰富的有机物和较高的磷含量与其丰富凋落物有关。土壤磷迁移的可能性小，具有沉积性，研究区域土壤c(TP)变异系数小，空间分布差异较小；土壤C、N主要来源于凋落物分解对养分的释放，虽受土壤母质的影响，但更大程度上受限于植被类型、气候条件等因素，存在较明显的空间异质性[17]，研究区域杉木林土壤c(TC)和c(TN)变异系数大，空间分布差异较大。

森林植被类型不同，则地表凋落物的含量、构成、分解速率及林木根系的生长发育均不同，造成土壤养分含量的差异。一般从乔木、灌木、草地、农田到荒地，土壤有机质和全氮含量逐渐降低，主要是因为乔木覆盖土地上植物残体及枯枝落叶比较多，而且根系分泌物的分解作用能释放养分到土壤中，使乔木土壤中有机质和全氮含量升高[18]。本研究中，杉木林(15 a)土壤c(TC)、c(TP)均略高于杉木林(43 a)，与文献报道相似：中龄林地土壤c(TC)、c(TP)含量高于成熟林地，且随着林龄增加，土壤n(C/N)与n(C/P)下降[19]。林地土壤c(TN)与大气干湿沉降、微生物固氮作用有关[20]。本研究中杉木林(15 a)土壤c(TN)低于杉木林(43 a)土壤，可能与山区氮沉降有关，这还需要进一步研究。鹅掌楸林土壤c(TC)、c(TN)、c(TP)均显著高于杉木林(15 a)和杉木林(43 a)(p<0.05)，而且鹅掌楸林土壤C、N、P分布比杉木林土壤稳定。与杉木相比，鹅掌楸生长快、树冠面积大、落叶丰富，能为林地土壤提供更多的凋落物。凋落物数量的增加能有效提高土壤表层蓄水保水能力，改善土壤物理特性，加速养分循环，提高林地土壤肥力。鹅掌楸林土壤pH值、持水率比杉木林的高，土壤密度比较低，与鹅掌楸丰富的凋落物密切相关。随着外源氮输入量的增加，土壤pH值逐渐降低[21]，研究区域杉木林(43 a)和鹅掌楸林(15 a)土壤c(TN)较高，土壤偏酸性，可能与山区氮沉降有关。氮沉降可以引起土壤酸化，短期内能促进植物生长[20]。然而土壤长期呈酸性容易导致土壤磷流失，r(IP)降低。土壤氮饱和及磷限制对林木生长的影响需要进行更多研究，为林地合理管理、均衡施肥，提高肥效和利用率，增加森林生产力提供科学的决策依据。

土壤C、N、P化学计量特征能反映土壤质量及组分，分析土壤矿化作用[22]。土壤n(C/N)与C、N循环有关：n(C/N)较小时，土壤有机质矿化速率较快，微生物将多余氮素释放至土壤中[23]；n(C/N)较大时，微生物需要从外部吸收氮素来满足自身的生长需求。本研究中，土壤n(C/N)(16.64～41.68)显著高于全国土壤n(C/N)平均值(12.3)，表明所选林地有机质分解速度较慢。土壤n(C/P)可以衡量土壤有机质矿化释放P或吸收固定P的潜力[24]。n(C/P)较小时，微生物在有机质分解过程中养分释放较好，可以增加土壤有效磷含量；n(C/P)较大时，微生物分解有机质过程受到P含量限制[25]。本研究中，土壤n(C/P)(61.83～79.35)显著高于全国土壤n(C/P)平均值(52.7)。该区域土壤c(TP)的含量影响了微生物对有机质的分解过程。土壤n(N/P)是判断土壤养分限制的重要指标[26]。本研究中，杉木林(43 a)土壤n(N/P)(5.37)高于全国土壤n(N/P)平均值(3.9)[27]，鹅掌楸林(15 a)和杉木林(15 a)土壤n(N/P)均显著低于全国土壤n(N/P)平均值。杉木林(43 a)和鹅掌楸林(15 a)土壤c(TN)高于全国土壤c(TN)平均值，磷含量可能是限制林地养分利用的重要因素；杉木林(15 a)土壤c(TN)和c(TP)都较低，氮磷含量可能是限制林地养分利用的重要因素。3种林地土壤r(IP)都较小，进一步说明林地的发展一定程度上受到磷含量的制约。土壤n(C/N)、n(C/P)和n(N/P)主要受c(TC)、c(TN)共同影响，这与Tian等[4]的研究结果——土壤n(C/P)和n(N/P)主要由土壤磷含量决定——不一致，而与王维奇等[28]的研究结果一致，即土壤n(C/P)和n(N/P)主要受C、N含量影响。

磷形态分布特征可以评价土壤有效磷状况。本研究所选林地土壤的r(IP)较小，说明土壤活性磷含量很少；土壤r(OP)和r(Fe/Al-P)分别为44.79%～51.67%和27.27%～37.93%，在土壤磷素中比例较大，说明土壤有机磷的矿化作用在维持该地区人工林的生长方面可能发挥着重要作用。另外，土壤持水率、c(TC)较大时，土壤表面对土壤磷素的吸附少[29]。因此，鹅掌楸林土壤r(IP)和r(OP)高于杉木林。根系分泌物和微生物活动也能提高土壤有机磷的含量[30-31]，鹅掌楸和杉木根部的微生物活动情况也需要进一步研究。c(TN)对鹅掌楸林土壤磷形态分布没有显著影响，可能与该区域丰富的氮含量有关。土壤C、N、P化学计量特征、磷形态分布及磷形态转化是多种物理、生物和化学过程综合作用的结果，受气候、植被类型、土壤微生物、处理时间等因素影响，需要进行长期监测和深入探讨。

综上所述，所选人工林的土壤有机碳、全氮、全磷蓄积量丰富。鹅掌楸林土壤c(TC)、c(TN)、c(TP)均显著高于杉木林，与植被类型及凋落物数量密切相关，鹅掌楸的种植更有利于土壤养分物质的积累。3种人工林土壤磷形态分布受土壤c(TC)、c(TN)、c(TP)、pH值影响。土壤n(N/P)均值高于全国土壤平均水平，土壤氮含量丰富，磷可能是限制林地养分利用的重要因素。土壤n(IP)较小，也说明该人工林的发展一定程度上受磷含量的制约。